第2章 计算机固化系统嵌入式片上系统设想

2.1 固化系统嵌入式片上系统主体设想

当前的计算机以冯·诺依曼理论为核心，即计算机采用存储程序与程序控制，这种结构有脆弱性，在没有保护措施，不做系统维护，并长期使用时，计算机系统常会出现问题。教学用计算机使用者流动性大，病毒、误操作时有发生，系统的安全和维护更是一个令人头痛的难题。操作系统是一台计算机的核心，一旦损坏，必须修复才能保证计算机的正常使用。

本研究内容，主要是为解决上述教学计算机系统频繁修复的难点。经过长期的研究，针对教学用计算机系统进行设计，依据嵌入式理论，提出这样一个新的观点：把计算机操作系统从硬盘中剥离出来，固化于可擦写型芯片EEPROM中，安装在计算机主板PCI扩展槽上，改进计算机启动方案，自检过后，直接由ROM中的操作系统启动，实现自举。应用程序、大量数据文件、特性设置文件依然安装在硬盘中。为适应教学需求，在ROM中同时固化入一段教学系统程序，在操作系统启动完成后，直接跟随操作系统启动，教学系统独立存在，基本不占用或很少占用教师端和学生端系统资源。设计专门与网络相结合的保护系统，可以对计算机CMOS、硬盘应用系统等进行常规维护。固化的操作系统、教学系统和保护系统三者整合成PCI硬件卡，形成免维护的操作系统和易维护的应用系统应用在计算机中，构成功能完备的教学用计算机系统。

以嵌入式片上系统理论制成PCI可插拔硬件卡，加入计算机硬件系统中，实现教学用计算机操作系统的长久保护。并在此基础上，分析研究操作系统“无损修复”和“免维护计算机”的实现。要更新操作系统，可通过留取的USB接口更新，要更新或重新安装硬盘应用系统，可以通过单台计算机独立安装软件，还可通过网络Ghost硬盘某一分区来恢复实现。教学系统独立地存在，基本不占用计算机的系统资源，保护系统和计算机教学系统以及网络成为有机整体。嵌入式PCI卡可直接应用在2005年左右生产的计算机上，可解决操作系统由Windows 98、Windows XP、Vista等改成流行的Windows 7或Windows 8后难以加载和速度慢的难题，让将要淘汰的计算机再多服务一段时间。

有关本研究思路中固化系统嵌入式这一核心内容，笔者曾主持秦皇岛市科学技术局课题，在“2009年秦皇岛市科学技术研究与发展计划第一批科研课题项目”中的“关于教学用计算机操作系统固化的研究”软科学课题和应用课题。具体情况如表2-1所示。

表2-1 秦皇岛市2009年第一批科学技术研究与发展计划

作者于1998年开始从事嵌入式系统的软件研究，热衷于计算机安全、系统兼容性、旧计算机再利用的研究，多年来计算机成了工作和生活的一部分。2000年参与研究硬盘保护卡项目，并以主研人命名保护卡为“英华无忧硬盘保护卡”，经唐山富科计算机产品研发有限公司生产，市场销售。后分别在2003年、2005年合作开发推出两代换代产品，当前市面有2005年换代的硬盘保护卡产品销售。本人现在还一直在从事计算机保护产品的试验研究与开发工作。在研究中发现很多保护卡用久以后会出现硬盘有自锁、“坏道”、寻址错等现象，而且有些病毒像CIH类的，都可以很轻易地绕过保护卡直接感染硬盘内程序，所以这种类似于“关卡”式的保护模式不能完全适应保护数据的需求，必须提出新方案才能适应新的发展要求。鉴于这个原因，在对计算机安全性研究方面，方向和方法上几度转变，2009年才确定了用“固化”系统的方式解决计算机系统安全性的问题。经过近三年时间的研究，2012年1月，第一个成品硬件测试完成，2012年11月，改进成果完成，自此成果研究告一段落。