无加载计算机系统_说明书

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1、1说 明 书无加载计算机系统无加载计算机系统 吴超吴超 ()()所属技术领域 本实用新型涉及一种计算机系统（或者说，信息处理系统） ，该系统启动时无需从硬盘 将操作系统加载到内存，实现了计算机即开即用；并在此基础上最后实现计算机程序的断电 开机无缝运行。背景技术 从信息处理的角度，计算机系统主要由以下4个子系统组成： 1、 信息存储子系统 2、 信息处理子系统 3、 信息输入子系统 4、 信息输出子系统 目前，其典型的硬件组成如图1所示，从宏观角度，信息存储子系统主要由2个层次的硬 件组成： RAM：用于信息处理时，可被CPU直接寻址，有易失性 Disk：非易失性保存信息，不能被CPU直接寻址

2、 相对于其它3个子系统，信息存储子系统多了一个层次。由系统论可知，系统层次越多， 系统也就越复杂。信息存储子系统的两层设计导致了操作系统设计中加载运行思想的产生。 一直以来，操作系统（包括嵌入式操作系统）和应用程序都遵循了存储在磁盘上，执行时再 加载到内存中运行的思想，因此现在的操作系统都有两套信息管理子系统：管理RAM的子系 统和管理Disk的子系统，并由此增加了这两个子系统之间信息交互的管理。 这样的设计不仅增加了系统的复杂度，还带来了如下两个问题： 、开机时需花费不少的时间加载操作系统（PC机平均需约40秒） 。 、计算机断电后内存中的数据即丢失，从而使未保存的硬盘的工作全部丢失。发明内

3、容 为了克服现有的计算机系统的加载运行思想所带来的弊病，本实用新型提出了一种无加 载计算机系统，该系统不仅无需在开机时花费时间加载操作系统，而且最终能实现简化信息 存储子系统的设计并实现计算机程序的断电开机无缝运行。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：采用可被CPU直接寻址的非易失性存 储器（即non-volatile random-access memory，以下简称NVRAM）替代RAM和Disk作为计算 机的信息存储硬件。 为尽快将无加载设计付诸实现，同时考虑到成本与实现的难易程度，技术方案可分两个 大阶段: 第一阶段，较简单，对计算机系统改动不大，仅实现了操作系统的无加载，硬件

4、技术方 案如图2所示。 第二阶段，较复杂，对计算机系统改动较大，实现了操作系统和应用程序的无加载，硬 件技术方案如图3所示。2本实用新型的有益效果是，实现了计算机系统的即开即用，无需等待开机加载操作系统 （这一点在军事领域的应用尤其重要） ，不仅增强了用户体验还减少了开机的能耗；完成第 二阶段的技术方案后，还实现了应用程序的断电开机无缝运行，可在工作间隙直接关闭计算 机，之后可开机继续之前的工作，节约了目前计算机待机的能耗。附图说明 图1是目前计算机系统的典型硬件组成。开机时，BIOS在完成硬件检测和资源分配后， 将硬盘MBR（Master Boot Record）中的引导程序加载到主存，然后

5、将控制权交给引导程序， 接着引导程序将操作系统从硬盘加载到主存，然后转到操作系统的入口开始执行，至此完成 了操作系统的加载启动；嵌入式系统中通常没有BIOS，操作系统的引导加载由Bootloader程 序完成。运行程序时由操作系统从Disk中将程序加载到RAM中运行。 图2是第一阶段硬件组成。基本保留现有计算机硬件体系，仅将目前（如图1所示）的 BIOS ROM替换为容量足够大的NVRAM，剪裁一个现有的操作系统并改变其工作方式，将其内 核按系统就绪的状态驻留在其中，从而系统计算机系统的即开即用。 图3是第二阶段硬件组成。用NVRAM替换现有计算机的BIOS ROM、RAM 和 Disk，并按

6、 无加载运行 断电开机无缝运行 这两条主要思路开发相应的操作系统（可先试验一个无操作系统的循环轮转方式，以验 证无缝运行） ，实现完全的无加载计算机系统，此时不仅硬件的改动较大，软件的改动更大。 可先做出样机，当NVRAM的硬件技术得到发展，其成本足够低，再推广使用。 图4是第一阶段硬件组成的一个示例。具体实施方式 目前市场上满足要求的NVRAM主要有: NOR型闪存、 FRAM、nvSRAM、BBSRAM、Magnetoresistive RAM、EPROM等，其中前三者更符合系统需求， 他们的性能对比如下表所示：Nor FlashFRAMnvSRAM 数据保存时间（年）201020一次读/

7、写时间(最快) （ns)读：12000； 写 180000/32 字 节551545读写次数大于 100 万次无限无限 组建系统时，可综合考虑成本与性能，从三者中选取系统所需的存储器。第一阶段实施方式 硬件组成可参看图4的示例，其中，Am29LV160是AMD公司的 Nor Flash 芯片； S3C44B0X 是SAMSUNG公司的16 / 32位RISC结构的微处理器。操作系统可选用一款开源的嵌 入式操作系统如C Linux，将其剪裁后的内核按就绪状态存于Am29LV160中。第二阶段实施方式 硬件可按图3的框架搭建，需要考虑的是断电处理及复位处理 对CPU的缓存、寄存器等在断电时无法保持

8、的信息，需在关机时将其信息转存到NVRAM中。 为此，系统硬件可按如下两点设计： 1、电源设有足够大的电容，这样断电时其存储的电能可维持有效电压直到操作完成。32、系统中设置电压检测电路，一旦检测到电源电压下降，立即发出中断请求，中断响 应后执行中断服务程序，把相应数据存到主存指定位置。 此外，系统还应设有复位键，按下后，系统即回到操作系统就绪的初始状态CPU的 程序计数器（PC）指向操作系统的入口地址。4说 明 书 附 图图1 目前计算机系统的典型硬件组成图2 第一阶段硬件组成（仅操作系统无加载）5图3 第二阶段硬件组成图4 Am29LV160（作为引导ROM）与S3C44B0X 连接6权

9、利 要 求 书1一种计算机系统（包括嵌入式系统等类似信息处理系统） ，采用 NARAM 作为信息存储硬 件，其特征是：程序不需加载即可直接在 NARAM 中运行；数据也不需从 Disk 读取即可直接 从 NARAM 中读取。 2根据权利要求 1 所述的无加载信息处理系统，按第一阶段技术方案，其特征是：操作系 统在开机时无需加载，实现了系统即开即用。 3根据权利要求 1 所述的无加载信息处理系统，按第二阶段技术方案，其特征是：程序可 在系统断电后保持当时状态，并在系统开机后继续从断电时的位置继续运行，实现了程序的 断电开机无缝运行。说 明 书 摘 要一种计算机系统（或者说，信息处理系统） ，采用NVRAM替换现有计算机的BIOS ROM、RAM 和 Disk（如图示） ，并按无加载运行；断电开机无缝运行，这两条主要思路 开发相应的操作系统。该系统启动时无需从硬盘将操作系统加载到内存，实现了计算机即开 即用；并在此基础上最后实现计算机程序的断电开机无缝运行。无加载信息处理系统硬件示意图