前言

1．本书研究的核心内容

本书研究内容从实践中来，并应用到实践中，解决教学用计算机系统频繁修复和教学系统实时传输应用的难题。经过长期的研究，针对教学用计算机系统进行设计改进，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，可通过网络Ghost硬盘某一分区来恢复实现。教学系统独立存在，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/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。

2．本书研究项目的价值

本书围绕嵌入式应用，以实验研究为主要研究方法，论述核心研究内容的具体实现过程，写作内容源自作者主持的秦皇岛市科研课题项目，课题名称为“教学用计算机操作系统的固化研究”，课题项目审批编号为20091A047，属于本书论述内容前期研究当中的一个子项目。从应用前景展望分析，创新点主要集中在两个方面。第一是使用固化在EEPROM中的操作系统启动计算机。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。把应用程序、大量数据文件、特性设置文件依然安装在硬盘中。这种方法的实现，对操作系统的保护是根本性的，对解决现有公共机房、人员流动应用计算机的安全问题，属于一种新方法。第二是教学系统可独立工作。教学系统采用简单的硬件模块调整处理抓屏信号的方式，采集教学主机集号，每台计算机都是教学主控机，也可以是受控计算机，在对等网上利用流媒体的传输方式进行有效的快速传输。这种方式比常规的硬件采集卡节省资金，比当前纯软件的“多媒体教室”方式又提高了速度。特别是使用了嵌入式的SC6400A微处理器，可以从根本上解放计算机CPU的资源，可以实现两种教学模式，一种是全控方式，另一种是窗口互动教学方式。窗口方式实现被控制机上以窗口方式显示教学演示，同时可以让学生同步跟随练习。

通过以上主要研究问题的创新性实验，从实践和应用角度解决如下问题。

（1）解决了计算机系统频繁修复的难点。

当前的计算机以冯·诺依曼理论为基础，即计算机采用存储程序与程序控制，磁盘管理、基本输入输出类的操作系统，和一般应用软件全放在一起，这种结构有脆弱性，在没有安全保护措施时，如果不做系统维护并长期使用，计算机系统经常会出现问题。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，无论是个人家用计算机还是学校机房中的计算机，一旦操作系统损坏，必须修复才能保证计算机的正常使用。对于非专业人员来说，维护是难点。那么公用计算机房等大批量计算机使用的地方，操作人员频繁轮换，各种应用软件安装很多，系统维护更是令人非常头痛的难题。为此作者一直研究计算机系统安全和系统重复长效利用等问题，从1998年开始进行计算机硬盘保护卡相关研究，从软、硬两方面着手开展以实验为基础的研究。其间经多次转变思路，才确定了上述方案。

当前用得较多的“网络克隆”、“还原卡”或是“还原软件”，基本原理是对原有硬盘中存储的系统、程序进行覆盖、删除，或者是记录操作痕迹等，这是一种对硬盘程序“损伤性”地重建过程，反复进行对硬件会造成一定程度的磨损，特别是应用保护卡时，对硬盘固定区域的读写非常频繁，甚至会造成损伤硬件，因此在本书中，将把此类修复过程定义为“有损修复”。讨论计算机系统的“无损修复”很有现实意义。

保护系统产品因系统安全需求而大量涌现，技术也日趋成熟。一般的PCI保护卡只要用两三块集成芯片组就能实现，硬件结构简单，工作原理简洁。本书中论述保护系统是通过硬件芯片与MBR硬盘分区表一起协同工作，采用“基于BIOS映射地址转移”的技术，使所有写入硬盘的数据重新定位到其自身的中断程序控制范围内。

在计算机的主板上，基本都空闲着多个PCI扩展槽，充分利用计算机内闲置的PCI类扩展槽，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。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，可通过网络Ghost硬盘某一分区来恢复实现。当计算机出现问题时，直接重启计算机，重新装入系统。

（2）教学系统相对独立，实时工作性强。

现在流行的教学系统“多媒体教室”纯软件版占有主流市场，软件的优点是节省资金，缺点是和大的软件系统并行应用时传输有难度。软件版教学系统多是一套基于局域网的多媒体教学软件，实现教学过程通常要独占整个网络资源，教师演示时要切换为全网资源独占，学生练习时要放弃教师端控制。教学中常有教师做一步学生做一步的跟随练习，这时教学过程非常难以组织，很难做到教师和学生实时分步跟随练习。

应用嵌入式微处理器S32440A与PC系统CPU工作并行处理数据，或只依赖于PC的CPU部分资源，分担计算机CPU的工作，实现教学系统快速独立运行。计算机房的计算机教学系统固化在芯片中应用，可以直接在操作系统启动后，教学系统随之启用，很少占用计算机主CPU资源，由PCI卡上的教学系统独立的CPU完成控制、传输、采样等具体工作，提高了计算机运行速度。这样的控制模式实现了教学全控演示模式和窗口演示模式。

P2P技术近年来获得急速的发展，得以爆炸性的应用，成为当前互联网上的主流热点媒体传输技术。围绕IP音频和视频文件共享和播放应用，目前P2P应用占宽带流量的80%～90%。教学系统基于P2P流媒体的视频传输速度快、高保真，基于P2P对等网络传输流媒体视频信号。数据采集为降低成本，设计采用最简单的硬件直接“采屏”方式，将本机显示VGA信号数字源进行处理，并通过P2P和视频流媒体技术传输到网络，以供节点计算机使用。“采屏”的技术当前发展成熟，技术获取容易。核心部件是利用AD9430进行双工工作，采样数据输出到大容量锁存器，再由微处理器处理过后经总线接口9054传入计算机总线，通过网卡上传到网络。

（3）适当延长旧计算机应用时限，延缓淘汰时间。

学校建有计算机机房，集中应用计算机少则几十台，多则上千台。计算机技术的更新，新型高品质计算机、高速网络进入普及时代，计算机的功能也不停地扩展。计算机品质决定了性能的发挥，新的软件系统，要有较高的配置支持。从实践调研中发现，计算机的生命周期平均为三年。一些在2003年前后生产的计算机已经退出视线，2006年前后生产的计算机已经被淘汰，2009年前后生产的计算机近在淘汰的边缘，PC主流操作系统自2012年Windows 7发布后，微软又公布Windows XP在2014年4月停止更新服务。在商家和社会需求的双驱动下，新的软件系统和新的功能时时在翻新，这是导致计算机应用寿命周期过短的主要原因。各类学校特别是高校，计算机机房逐年增加，旧计算机在不更新的情况下，难以完成新体系的教学实践目标，计算机从几千元新购机到淘汰变成200元左右的旧计算机，应用年限短则三年，长则五年，在有限的教学资金投入下，由于计算机的更新导致教学投入也很快地在更新中流逝了，致使投入和产出难以成正比，也成为各学校计算机硬件教学资源投入的致痛点。

本书以固化操作系统整合操作系统、多媒体教室软件、系统保护软件三者为一体制成PCI卡，以嵌入式理论载入计算机应用。从方案设想的来源，到嵌入式设计与实现，从具体研究实施过程，再到实践应用的具体环节，从无到有，以研究开发过程为主线，辅以具体实验数据为基础，详实地记述了固化系统这一实例开发过程，以此实现计算机利用率提高，扩展应用年限。计算机嵌入式PCI卡可直接应用在2005年以来生产的计算机上，可解决操作系统由Windows 98改成流行的Windows XP、Windows 7等难以加载问题，也提高了系统启动速度，减少了内存的虚耗，让旧计算机能和新计算机一样再充分发挥一段效能。

（4）为未来系统资源提高效能、统一智能提供构想。

计算机启动过程加速，节约时间。当有问题时，直接重启计算机，操作系统立即恢复，其恢复的方式有点儿类似手机。一些机房内旧计算机维修换件后，硬件不统一，难以统一克隆安装维护系统等问题得到明显改善，计算机维修简单。

面向未来，固化操作系统的特点为各类智能机都可提供强有力的系统，各类具有操作系统类的智能机，无论是手机或是计算机，只有大小、体积上的差别，主要操作系统从发展趋势来说一般差别会减小，多种复杂的功能都能实现。嵌入式系统应用非常广泛，小型固化系统可靠性高，形成免维护“无损系统”，对PC计算机操作系统的固化，一般认为操作系统是核心，固化后有很多的问题，最突出的是用于封装操作系统的ROM价格太高，而且操作系统一般都在0.7～1.7GB之间的大容量。当前，大空间存储ROM容量10GB价格约8元左右，与前两年相比，价格更低、性能更高，因此从价格和技术上来说广泛应用没有问题。

3．本书研究中要说明的问题

计算机的操作系统类型非常多，本书研究对象就以现在流行于PC的Windows操作系统为主要对象，选择版本为XP3。选择这个版本的原因有三个，一是软件价格低，物有所值，基本功能和Windows 7也差不多。二是停止服务的软件，可从网上下载大众软件就能应用，功能没有区别。三是当前微软停止了XP3更新服务，而这款系统当前在我们国家应用率还很高，系统维护也有意义。

其实研究选用什么系统为基本研究对象并不重要，因为XP3和Windows 8从应用角度和从事的研究过程最终实现的目标看，没有本质区别，如果用Windows 7或Windows 8研究应用过程也相差不多，所以选用大家熟悉的一款操作系统能更清楚地说明研究的过程。

本书研究内容因涉及专利保密技术，故略去了部分程序设计和硬件编程读写过程，敬请读者见谅。