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1、摘 要 作为学习操作系统的新手，商用的操作系统设计复杂，代码量大，不适合作为学习的蓝本，如果能够从零开始开发一个小型的操作系统雏形，不但可以全面深入地了解操作系统的工作原理，还可以为读大型开源操作系统的代码积累经验。这个取名为MyOS的从头开始开发的系统虽然结构简单，但是具备了内存管理、多任务控制、任务切换、基本输入输出管理并且运行在32位保护模式下，在用户接口方面，它采用的是图形界面和命令行界面混合的方式来与用户交互，在程序接口方面，设计了部分API，主要是针对于图形显示和计时器两方面，本文利用这些API，实现了“贪吃蛇”、“时钟计时器”两个例子程序。本文首先介绍操作系统运行所依赖的硬件系统
2、组成，然后重点地介绍了操作系统的基本特征和主要功能，接着详细地说明了80386以上Intel CPU所运行的贯穿整个操作系统开发的32位保护模式，接下来简述了MyOS的开发环境和语言，以及MyOS的基本运行原理，然后重点介绍了MyOS的设计与实现，最后叙述MyOS的程序接口API，以及利用MyOS中的API设计的应用程序。关键词：操作系统，运行原理，32保护模式lABSTRACTAs a fresh man who want to learn Operating System deeply, commercial using OS are too complex to learn .So ,i
3、f we develop a demo of OS from blank, if we start from scratch ,we can not only have a good know for the running principle of a OS, but also accumulate many experience which are of significant importance to our further study and research for the operating system.This thesis is about a Operating Syst
4、em which is developed from the blank,and its name is MyOS.This MyOS is simple in structure, however, it possesses the management of memery and task and basic input and out, it support the multitask and run under the 32 bit protect mode. In addition, it using both graphical interfaces and command lin
5、e interfaces to interact with user.As for the API, the MyOS get some API for the graphical display and timer, by which we develop some program which may run on the MyOS.This thesis are composed by these elements.First of all, it describe the hardware which Operating System run on, and then ,it prese
6、nt the fundamental character and main function of the Operating System. Secondly ,it illuminates the protect mode which is one of the two important elements of the thesis, and the other one is particularize the design and realization of the MyOS, before which ,it will briefly tell you the developing
7、 circumstance and the developing language. At last, it deals with the API of MyOS and the program developed based on these APIs.Keywords: Operating System , Principle of Running ,32bit Protect Mode 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 选题背景和意义11.2 国内外研究现状21.3 主要研究内容3第2章 操作系统运行环境及运行原理简述42.1 计算机系统硬件组成简述42.1.1 总
8、线42.1.2 I/O设备42.1.3 主存52.1.4 处理器52.2 操作系统的基本特性52.2.1并发性62.2.2共享性62.2.3虚拟性62.2.4异步性72.3 操作系统的主要功能72.3.1 处理机管理72.3.2 存储器管理72.3.3 设备管理82.3.4 文件管理82.3.5 用户接口92.3.6 程序接口9第3章 32位保护模式介绍113.1 32位保护模式简述113.1.1 存储管理机制和地址转换机制简介113.1.2 保护机制123.2 分段管理机制153.2.1 段定义153.2.2 虚拟地址到线性地址的转换机制153.2.3 虚拟地址到线性地址的转换机制所需要的数
9、据结构和寄存器163.3 分段管理机制所依赖的两类寄存器173.3.1 控制寄存器173.3.2 系统地址寄存器183.4 系统段描述符、门描述符、任务状态段203.4.1 系统段描述符203.4.2 门描述符213.4.3 任务状态段TSS223.5 控制转移233.5.1 任务内无特权级变换的转移233.5.2 任务内不同特权级的变换243.5.3 任务间控制转移-“任务切换”26第4章 MyOS具体设计与实现284.1 MyOS的开发语言、开发流程以及开发环境简述284.2 MyOS运行原理简述294.2.1 引导扇区294.2.2 加载内核304.2.3 执行系统内核304.3 MyO
10、S内核设计与实现314.3.1 内存管理314.3.2 定时器设计364.3.3 FIFO缓冲区设计414.3.4 基本输入输出管理444.3.5 多任务管理474.3.6 图形界面的设计544.3.7 编程接口API设计56第5章 利用MyOS的API编写程序并运行605.1 表秒计时器605.2 游戏“贪吃蛇”61第6章 总结68参考文献69致 谢70第1章 绪论1.1 选题背景和意义众所周知，一个成型的操作系统往往非常复杂，因为考虑到操作系统作为软硬件桥梁的特殊地位，其看上去比一般的软件系统更加的难以理解，因为其核心部分往往包含许多直接针对CPU，内存和I/O端口的操作。现在有许多公开源
11、代码的操作系统，可供随时下载和阅读，但是如果没有些许实际开发的经验，往往会深陷代码的汪洋大海中，“一叶障目，不见泰山”，并且这些代码的细节之间经常互相关联，要理解起来很不容易。而动手开发一个简易的操作系统，从底层原理一步一步实现最基本和最简单的功能，到最后积累成一个简单的操作系统模型，最终达到为以后阅读大型操作系统（例如Linux）的源代码打下基础的目的。作为一个计算机系并有志于从事计算机相关行业的大学生来说，很多本科时期计算机相关科目的学习都仅仅是“纸上谈兵”，缺乏实际操作，更谈不上实际应用，这对以后的深入学习和长期发展非常不利。例如：汇编课程学习的大部分内容都使用8086/8088的16位
12、实模式作为学习蓝本，而现在操作系统因为大内存的使用， 基本全部是32位保护模式，虽然语法等基础没有变化，但是其32保护模式的架构思想在汇编课程中却没有提及到；作为系统开发利器的c语言，其课程学习只是掌握表面语法，如果没有深入地应用，没有研究其在机器层面的原理，很多精髓都无法掌握，也就谈不上真正掌握c语言；而对于学习操作系统本身，如果没有阅读经典操作系统的源代码或者尝试去做系统开发这方面的实践，对于其诸多概念和原理是无法深入理解的，只能停留在表面理解，无法做到心中有数，就更谈不上创新了。本文试图通过这么一个“麻雀虽小，五脏俱全”操作系统的开发，达到复习并总结本科时期诸多科目的目的，包括：x86汇
13、编语言，C语言，计算机组成原理，微机原理，数据结构，操作系统，而事实上，在基本完成毕设，撰写论文之际，对这几门课程的确有了更新更高层次的理解，很多当时只是浮于表面的概念现在都能够或多或少地落实到代码并能够亲自实现和完善，同时也初步具备了自己阅读和分析大型操作系统源代码的能力。1.2 国内外研究现状操作系统并不是与计算机硬件一起诞生的，它是在人们使用计算机的过程中，为了满足两大需求：提高资源利用率、增强计算机系统性能，伴随着计算机技术本身及其应用的日益发展，而逐步地形成和完善起来的。操作系统的发展经历了手工操作（无操作系统）、批处理系统、多道程序系统、分时系统、实时系统、通用操作系统。如今，概念
14、意义上的操作系统和通俗意义上的操作系统差距越来越大，通俗意义上的操作系统为了方便而把最普通的包和应用程序的集合包括在操作系统内，而随着操作系统的发展，一些功能更强的“第二类”操作系统软件也被包括进去。在今天，没有图形界面和各种文件浏览器已经不能称为一个真正的操作系统了。另一方面，操作系统的发展和计算机硬件的发展紧密联系，而从计算机硬件发展的角度来看，操作系统的发展经过了大型机时代操作系统、小型机时代操作系统（Unix）和个人计算机时代操作系统。大型机时代。早期的操作系统非常多样化，生产商生产出针对各自硬件的系统。每一个操作系统都有很不同的命令模式、操作过程和调试工具，即使它们来自同一个生产商。
15、最能 反映这一状况的是，厂家每生产一台新的机器都会配备一套新的操作系统。这种情况一直持续到二十世纪六十年代IBM公司开发了System/360系列机器。尽管这些机器在性能上有明显的差异，但是他们有统一的操作系统OS/360。OS/360的成功陆续地催化出MFT、MVT、SVS、MVS、MVS/XA、MVS/ESA、OS/390和z/OS。 小型机和UNIX的崛起。UNIX操作系统是由AT&T公司开发出来的。由于它的早期版本是完全免费的，可以轻易获得并随意修改，所以它得到了广泛的接受。后来，它成为开发小型机操作系统的起点。由于早期的广泛应用，它已经成为的操作系统的典范。不过，它始终属于AT&T公司，只有那些能负担的起许可费的企业才用得起，这限制了它的应用范围。 早期的操作系统是可以被用户软件所利用的功能的集合。一些有能力的公司发展更好的系统，但他们不支持其他公司硬件的特性。 60年代末70年代初，几种硬件支持相似的或提供端口的软件可在多种系统上运行。早期的系统已经利用微程序来在他们
