模擬操作系統（Java）

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一、需求分析

模擬一個采用多道程序設計方法的單用戶操作系統，該操作系統包括進程管理、存儲管理、設備管理、文件管理和用戶接口四部分。預計程序所能達到的功能：
進程管理模擬：實現操作系統進程管理功能，如實現進程的控制（進程調度，進程創建與撤銷，狀態轉換，進程喚醒），進程并發執行。
存儲管理模擬：實現內存空間的分配和回收、存儲保護。
設備管理模擬：主要包括設備的分配和回收。
文件管理和用戶接口：主要是單用戶的磁盤文件管理部分，包括文件的邏輯結構、物理結構、目錄、磁盤分配回收、文件的保護和用戶接口的實現。

二、概要設計

通過程序來模擬計算機的硬件系統，在此基礎上實現操作系統的模擬實現。
本次實驗由5個模塊構成
（1）文件管理模塊
（2）進程控制及內存管理模塊
（3）硬件實現及管理模塊
（4）用戶界面交互模塊
（5）系統內核軟件模塊
主程序的流程圖

三、詳細設計

（1）文件管理模塊

文件管理模塊由以下3個類組成

1.MyFile類

該類是操作系統的基本文件單位，這個類包含了文件的數據內容，名字，屬性以及磁盤的起始扇區和長度等，構成一個基本的文件。利用輸入的屬性和數據來初始化文件，同時提供了getter和setter方法可以對文件的屬性進行訪問和修改。

FileSamplesGenerator類

該類通過預設的二進制代碼生成可執行的文件。這個類中保存了10個可執行的程序的代碼，通過調用文件系統中創建文件的方法，將這些代碼轉換成操作系統內部的文件，同時將文件名和路徑記錄在這個類中。

FileSystem類

該類用于管理整個文件系統。通過讀取磁盤文件，利用FileSamplesGenerator類生成可執行文件和利用DirTreeParser類生成目錄樹進行初始化，包含了查找磁盤空閑扇區和分配空閑扇區的功能接口，以實現將FAT中的數據直接寫入磁盤或直接對磁盤盤塊進行寫入操作，以及可以對操作系統內的文件直接進行查找和訪問。對外提供了創建、打開、讀取、寫入、關閉、刪除文件的功能方法，并且可以獲取路徑下的子目錄，并且修改文件的屬性。

（2）進程控制及內存管理模塊

進程控制及內存管理模塊由以下4個類組成

1.ExcuteTask類

該類是操作系統的進程調度的類，這個類包含了進程創建、進程銷毀、進程阻塞、進程喚醒等功能，模擬一個進程的生命周期及維護相應的就緒和阻塞隊列，并且調用其他類來模擬申請內存與釋放內存、查看當前內存詳情和獲取正在執行的指令等

2.MenoryBlock類

該類是內存塊類，獲取具體被分配的線程id的屬性和大小，提供了getter和setter方法可以對內存塊的屬性進行訪問和修改。

3.MemoryController類

該類是內存空間的管理類，用于維護一個內存塊隊列，比如添加一個新內存塊、刪除一個內存卡、獲取當前內存塊隊列，提供了getter和setter方法可以對內存的屬性進行訪問和修改。

4.SimulationThread類

該類是進程的一個模擬類，通過進程的id或者對應的可執行文件來啟動或者新建一個進程、包括獲取進程id和獲取進程阻塞原因，同時提供了getter和setter方法可以對進程的屬性進行訪問和修改。

（3）硬件實現及管理模塊

硬件實現及管理模塊由以下8個類組成：

HardDevice類
該類為抽象類，默認無任何模仿功能，類中封裝了硬件設備的狀態，ID和名字等成員變量，同時提供getStatus、getID和getName方法對硬件設備的三個成員進行訪問，該類需要被所有除CPU以外的硬件類繼承。
Peripheral類
該類繼承了HardDevice類，定義了interval用以表示外圍設備被占用倒計時的計時器；同時提供了方法allocate用以申請占用外圍設備time個計時周期；refresh方法用以更新設備狀態，并在每個CPU周期開始時執行，設備之前若處于中斷狀態，則取消中斷，若已被占用，則扣除clock個計時周期；reset方法用于重置設備的計時器和狀態。
Memory類
該類繼承了HardDevice類，定義了私有變量storage用數組模擬內存，用maxCapacity表示內存的最大容量。同時，類中包含了方法read用以從address地址的內存中讀取一字節的數據；方法write用以向address地址的內存中寫入一字節的數據；方法getMaxCapacity用以訪問內存的最大容量。
Disk類
該類繼承了HardDevice類，類中包含了storage表示內存，filename表示磁盤數據存儲的文件名，即虛擬磁盤，maxCapacity表示磁盤的最大存儲量，sectorSize表示磁盤中塊的容量，sectorCount表示硬盤中塊的數量。同時提供了方法read從磁盤中讀取第address塊的64字節數據；方法write將64字節的數據寫入磁盤的第address塊中；方法load從實際硬盤中試圖加載制定名字的虛擬磁盤，并讀取其中的數據，該方法用在Disk類的構造方法中；方法initialize在未找到虛擬磁盤文件時，則建立指定名字的文件，該方法用在Disk類的構造方法中；方法store用以將暫存于內存中的數據存入虛擬磁盤實際的數據文件中；以及方法getMaxCapacity，getSectorSize，getSectorCount分別對磁盤的最大容量，最大塊長度和塊的數量進行訪問。
CPU類
該類為中央處理器，控制一切硬件的行為，對接模擬系統。該類包含了內存、磁盤、外圍設備、硬件、寄存器AX和計時器。同時類中還提供了方法readMemory用以從內存中的address地址中讀取一字節數據；方法writeMemory用以向address地址的內存中寫入一字節的數據；方法readDisk用以從磁盤中的address地址中讀取一塊64字節的數據；方法writeDisk用以向address地址的磁盤中寫入一塊64字節的數據；方法initializePeripheral用以在實例化CPU時，初始化所需要的所有外設；方法getX用以獲取寄存器AX的值；方法getStatus用以獲取指定名稱的硬件的狀態；方法getPeripheralStatus用以獲取指定名稱的外設的狀態；方法getMemoryCapacity用以獲取內存的最大容量；方法getDiskCapacity用以獲取硬盤的最大容量；方法allocatePeripheral用以申請占用外設time個計時周期，由execute方法定期調用；方法refreshPeripheral用以更新設備狀態；方法resetPeripheral用以重置外設狀態。總的來說，該類主要執行的是檢查各硬件的狀態，在各時鐘周期內不斷地完成讀寫等操作，完成存儲管理和設備管理的任務。在該類的函數中，每次執行指令前，均檢查設備的狀態，判斷是否有中斷，如有中斷先進行取消，再執行其他的操作。

（4）用戶界面交互模塊

用戶界面交互模塊主要由以下個14個類組成

1.Controller類

該類是整個面板的控制類，在里面設置了所有欄的參數和所有窗口的設置。進行了圖標的讀取與設置，已經各個app名稱的設置，還有建造窗口時基本的設置。
2.Apppane類

底部次級欄設置，設置了10張照片分別對應底部10個應用程序的圖標。
3.ControllerSetter類
整個界面的設置，獲取整個屏幕的大小，整個主頁面都是一個controller類，可以設置背景圖片。
4.CPUWin類
CPU窗口的創建，設置了4個文本框來寫出目前狀態。
5.DeviceWin類
設備狀態的顯示窗口。設置了眾多文本來表示目前各設備的狀態。
6.DictionaryWin類
磁盤目錄的顯示窗口，調用了磁盤目錄類的使用方法。使用簡單第歸遍歷數據，重新建立目錄結構。
7.DickWin類
磁盤狀態的顯示窗口，未占用的內存鴿子就是綠色，占用了就是紅色。
8.FileWin類
次級欄中的模擬程序的窗口，打開了就顯示當前程序正在運行，并且調用了StringBuilder類的方法。
9.HelpWin類
頂部狀態欄中的幫助窗口的建立。
10.MainMemoryWin類
內存狀態的顯示窗口，同時調用了SystemCore類的方法，方便進行內存狀態的更新。
11.SuperWin類
Win的子類，在Win類的基礎上，增加了快捷鍵的動態效果，把鼠標移上去時會出現動態效果放大縮小。
12.TerminalWin類
終端的窗口設置，調用了終端的設置類。
13.UpdateCenter類

Controller類的更新設置，time設置了更新的周期。
14.Win類

最基本的窗口類，進行窗口參數設置，里面也有其他窗口的基本設置。在這里設置了窗口的名字，大小，還有是否更新窗口的update設置。

（5）系統內核軟件模塊

1.Compiler類

Compiler類用于創建編譯器對象，主要實現對創建的“可執行文件”進行匯編/編譯的功能，其中“可執行文件”中所能編譯通過執行的指令只有5中，包括：
ASSIGNMENT:x=?,對x進行賦值,其中x為兩位數。
ADD：x++ x加1（x小于等于255，大于等于1）
DEL:x- - x減一
USEHARD：I/O指令
FINISH:終止運算，表示可執行文件結束

Shell類

Shell提供用戶命令接口，通過終端窗口接受用戶從鍵盤鍵入的命令，并對用戶輸入的命令進行處理并返回處理結果。
實現的命令如下：

create : create /usr/tes.e [創建一個帶空字符的普通文件]
delete : delete /usr/tes.e [刪除文件]
cat : cat /usr/tes.e [查看文件的內容]
copy : copy /usr/tes.e/drv/tes.e [復制文件到其他的目錄]
mv : mv /usr/tes.e /drv/tes.e [移動文件到其他的目錄]
echo : echo “ABC” > /usr/tes.e [重定向輸入文本到文件中,雙引號包含輸入內容
mkdir : mkdir /usr/bin [創建一個目錄]
rmdir : rmdir /usr/bin [刪除一個目錄]
exe : exe /usr/000/e [執行一個可執行的文件]
time : time [查看當前系統的時間片]
clear : clear [清屏]
poweroff : poweroff [關機]
system : system [系統開發者]
compile : compile /usr/abc.s [在當前目錄下生成編譯文件,編譯前必須刪除以前的編譯文件]
close : close /usr/005.e [手動關閉文件]

3.DirTreeParser類

DirTreeParser類實現生成JSON格式的系統目錄，供文件系統FileSystem通過生成對象調用getJsonTree生成系統文件目錄，目錄結構采用樹型目錄結構，目錄名或文件名：3個字節，拓展名：1個字節。根目錄位置固定為OS。

五、用戶使用說明

程序開始時會創立一個主界面，包含了系統所有功能的入口，通過對界面組件事件的監聽，可以響應用戶的請求，顯示用戶需要的窗口，或者可以通過終端窗口，用戶可以根據終端指南窗口的提示，對文件進行操作，用戶可以通過磁盤，文件目錄界面對操作系統內的文件情況進行觀察，同時可以通過對cpu，內存，設備狀態界面來觀察可執行文件運行時，操作系統的內在狀況。也可以通過更換夜間模式，更換壁紙和分辨率選擇用戶界面的樣式。