第2章 計算機固化系統嵌入式片上系統設想

2.1 固化系統嵌入式片上系統主體設想

當前的計算機以馮·諾依曼理論為核心，即計算機采用存儲程序與程序控制，這種結構有脆弱性，在沒有保護措施，不做系統維護，并長期使用時，計算機系統常會出現問題。教學用計算機使用者流動性大，病毒、誤操作時有發生，系統的安全和維護更是一個令人頭痛的難題。操作系統是一臺計算機的核心，一旦損壞，必須修復才能保證計算機的正常使用。

本研究內容，主要是為解決上述教學計算機系統頻繁修復的難點。經過長期的研究，針對教學用計算機系統進行設計，依據嵌入式理論，提出這樣一個新的觀點：把計算機操作系統從硬盤中剝離出來，固化于可擦寫型芯片EEPROM中，安裝在計算機主板PCI擴展槽上，改進計算機啟動方案，自檢過后，直接由ROM中的操作系統啟動，實現自舉。應用程序、大量數據文件、特性設置文件依然安裝在硬盤中。為適應教學需求，在ROM中同時固化入一段教學系統程序，在操作系統啟動完成后，直接跟隨操作系統啟動，教學系統獨立存在，基本不占用或很少占用教師端和學生端系統資源。設計專門與網絡相結合的保護系統，可以對計算機CMOS、硬盤應用系統等進行常規維護。固化的操作系統、教學系統和保護系統三者整合成PCI硬件卡，形成免維護的操作系統和易維護的應用系統應用在計算機中，構成功能完備的教學用計算機系統。

以嵌入式片上系統理論制成PCI可插拔硬件卡，加入計算機硬件系統中，實現教學用計算機操作系統的長久保護。并在此基礎上，分析研究操作系統“無損修復”和“免維護計算機”的實現。要更新操作系統，可通過留取的USB接口更新，要更新或重新安裝硬盤應用系統，可以通過單臺計算機獨立安裝軟件，還可通過網絡Ghost硬盤某一分區來恢復實現。教學系統獨立地存在，基本不占用計算機的系統資源，保護系統和計算機教學系統以及網絡成為有機整體。嵌入式PCI卡可直接應用在2005年左右生產的計算機上，可解決操作系統由Windows 98、Windows XP、Vista等改成流行的Windows 7或Windows 8后難以加載和速度慢的難題，讓將要淘汰的計算機再多服務一段時間。

有關本研究思路中固化系統嵌入式這一核心內容，筆者曾主持秦皇島市科學技術局課題，在“2009年秦皇島市科學技術研究與發展計劃第一批科研課題項目”中的“關于教學用計算機操作系統固化的研究”軟科學課題和應用課題。具體情況如表2-1所示。

表2-1 秦皇島市2009年第一批科學技術研究與發展計劃

作者于1998年開始從事嵌入式系統的軟件研究，熱衷于計算機安全、系統兼容性、舊計算機再利用的研究，多年來計算機成了工作和生活的一部分。2000年參與研究硬盤保護卡項目，并以主研人命名保護卡為“英華無憂硬盤保護卡”，經唐山富科計算機產品研發有限公司生產，市場銷售。后分別在2003年、2005年合作開發推出兩代換代產品，當前市面有2005年換代的硬盤保護卡產品銷售。本人現在還一直在從事計算機保護產品的試驗研究與開發工作。在研究中發現很多保護卡用久以后會出現硬盤有自鎖、“壞道”、尋址錯等現象，而且有些病毒像CIH類的，都可以很輕易地繞過保護卡直接感染硬盤內程序，所以這種類似于“關卡”式的保護模式不能完全適應保護數據的需求，必須提出新方案才能適應新的發展要求。鑒于這個原因，在對計算機安全性研究方面，方向和方法上幾度轉變，2009年才確定了用“固化”系統的方式解決計算機系統安全性的問題。經過近三年時間的研究，2012年1月，第一個成品硬件測試完成，2012年11月，改進成果完成，自此成果研究告一段落。