摘 要

作为计算机资源控制器的操作系统，在资源分配和资源调度中扮演着重要的角色。不安装操作系统安装对用户来说非常不友好，而且操作人员直接处理硬件也是非常不安全的。

这个操作系统的设计基于x86平台实现了复杂的指令集。内核不足50KB，但基本上实现了具有完整功能的操作系统。在整个设计与实施的过程中，作为一名计算机专业的学生，我感觉还是不太明白设计的细节。操作系统的内容非常复杂。这使得大部分专业课程可以根据本科课程，特别是在保护模式下的汇编语言编程、数据传输和C语言的处理在存储器中进行堆栈处理。

作为具有最小存储空间的操作系统，HeloOS可以从实际模式向保护模式、存储器管理、处理器多任务调度、图形接口、类似于DOS的指令行接口、鼠标和键盘进行操作和响应，实现对重要文件系统的支持。

首先，介绍了自检、主引导代码、内核装载的全过程设计和实施的方法。然后，深入分析X86架构的16位真正的模式和32位的保护模式。之后，介绍了存储器管理、计时器、中断数据缓冲器的设计、多任务调度法、图形接口的层次概念。同时，API被设计成操作系统。

关键词：操作系统 x86架构 设计思想

Implementation of Operating System Based on X86 Architecture

ABSTRACT

As a computer resource controller, the operating system plays an important role in resource allocation and resource scheduling. It's very unfriendly for users not to install operating system installation, and it's very insecure for operators to deal with hardware directly.

The design of this operating system is based on the X 86 platform to implement a complex instruction set. The kernel is less than 50 KB, but it basically implements an operating system with complete functions. Throughout the design and implementation process, as a computer major student, I still feel that I do not understand the details of the design. The content of the operating system is very complex. This enables most professional courses to stack in memory according to undergraduate courses, especially assembly language programming, data transmission and C language processing under protection mode.

As an operating system with minimal storage space, HeloOs can operate and respond from actual mode to protection mode, memory management, processor multitask scheduling, graphics interface, instruction line interface similar to DOS, mouse and keyboard to support important file systems.

Firstly, the whole process design and implementation methods of self-check, main boot code and kernel loading are introduced. Then, it deeply analyses the 16-bit real mode and 32-bit protection mode of X86 architecture. After that, the concepts of memory management, timer, design of interrupt data buffer, multi-task scheduling and graphical interface are introduced. At the same time, API is designed as an operating system.

Keywords: Operating System;x86 architecture ; Design idea

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1项目背景 1

1.2项目功能 1

1.3 本论文的组织结构 2

第2章 计算机组成与操作系统 3

2.1 计算机系统硬件组成简述 3

2.1.1总线 3

2.1.2 I/O设备 3

2.1.3 存储设备 4

2.1.4 处理器 4

2.2 操作系统特性 4

2.2.1 并发性 4

2.2.2 共享性 5

2.2.3 虚拟性 5

2.2.4 异步性 5

2.3 操作系统主要功能 5

2.3.1处理机管理 5

2.3.2存储器管理 5

2.3.3设备管理 5

2.3.4文件系统 6

第3章 操作系统引导过程 7

3.1 阶段一：加电自检与 BIOS 7

3.2 阶段二：主引导记录（MBR） 7

3.3 阶段三：操作系统的内核载入 13

第4章 实模式与保护模式 14

4.1 32位保护模式和与16位实模式简介 14

4.1.1寻址方式 14

4.1.2操作系统的保护机制 14

4.2 全局描述表与中断描述表 14

4.2.1 全局描述表（GDT） 14

4.2.2 中断描述表（IDT） 15

4.3 保护机制 15

4.3.1 对任务的地址隔离 15

4.3.2 任务内的特权级 15

4.3 分段机制的地址转换 16

4.3.1 段定义 16

4.3.2 虚拟地址与物理地址的转换 16

第5章 HeloOS的设计与实现 17

5.1 项目开发环境与开发工具 17

5.2 内核功能的设计与实现 17

5.2.1 内存管理 18

5.2.2 定时器（timer）设计 21

5.2.3 基本输入输出（I/O）管理 26

5.2.4 任务管理 28

5.2.5 图像界面显示 30

5.2.6 接口API的设计 31

5.2.7 文件系统管理 32

5.3 HeloOS运行介绍 32

5.3.1 计时器应用 32

5.3.2 Beautiful ball 图形应用 33

5.3.3 txt文档阅读器 33

5.3.4 外星人小游戏应用 34

5.3.5 图片查看器 34

5.3.6 命令行计算器应用 35

第6章 总结 36

参考文献 37

致谢...............................................................................................................................................48

第一章 绪论

1.1项目背景

操作系统是具有并发、共享、随机、虚拟这四个主要特征的计算机系统软件部分。操作系统包括计算机软件和硬件资源的统一管理、计算机工作流程的合理组织、系统组件、系统与用户之间的协调、用户与用户的关系。操作系统有5个管理功能：包括进程管理、存储管理、文件管理、设备管理，是一个巨大的管理程序。操作系统非常多样，从手机上的嵌入系统到超级计算机上的大型操作系统可以说是从简单到复杂的操作系统。

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