第2章 計算機固化系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)設想

2.1 固化系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)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(tǒng)維護，并長期使用時，計算機系統(tǒng)常會出現(xiàn)問題。教學用計算機使用者流動性大，病毒、誤操作時有發(fā)生，系統(tǒng)的安全和維護更是一個令人頭痛的難題。操作系統(tǒng)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(tǒng)頻繁修復的難點。經過長期的研究，針對教學用計算機系統(tǒng)進行設計，依據(jù)嵌入式理論，提出這樣一個新的觀點：把計算機操作系統(tǒng)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(tǒng)啟動，實現(xiàn)自舉。應用程序、大量數(shù)據(jù)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(tǒng)程序，在操作系統(tǒng)啟動完成后，直接跟隨操作系統(tǒng)啟動，教學系統(tǒng)獨立存在，基本不占用或很少占用教師端和學生端系統(tǒng)資源。設計專門與網絡相結合的保護系統(tǒng)，可以對計算機CMOS、硬盤應用系統(tǒng)等進行常規(guī)維護。固化的操作系統(tǒng)、教學系統(tǒng)和保護系統(tǒng)三者整合成PCI硬件卡，形成免維護的操作系統(tǒng)和易維護的應用系統(tǒng)應用在計算機中，構成功能完備的教學用計算機系統(tǒng)。

以嵌入式片上系統(tǒng)理論制成PCI可插拔硬件卡，加入計算機硬件系統(tǒng)中，實現(xiàn)教學用計算機操作系統(tǒng)的長久保護。并在此基礎上，分析研究操作系統(tǒng)“無損修復”和“免維護計算機”的實現(xiàn)。要更新操作系統(tǒng)，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(tǒng)，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(qū)來恢復實現(xiàn)。教學系統(tǒng)獨立地存在，基本不占用計算機的系統(tǒng)資源，保護系統(tǒng)和計算機教學系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(fā)展計劃

作者于1998年開始從事嵌入式系統(tǒng)的軟件研究，熱衷于計算機安全、系統(tǒng)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(fā)有限公司生產，市場銷售。后分別在2003年、2005年合作開發(fā)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(xiàn)在還一直在從事計算機保護產品的試驗研究與開發(fā)工作。在研究中發(fā)現(xiàn)很多保護卡用久以后會出現(xiàn)硬盤有自鎖、“壞道”、尋址錯等現(xiàn)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(shù)據(jù)的需求，必須提出新方案才能適應新的發(fā)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(tǒng)的方式解決計算機系統(tǒng)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。