模拟操作系统（Java）

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一、需求分析

模拟一个采用多道程序设计方法的单用户操作系统，该操作系统包括进程管理、存储管理、设备管理、文件管理和用户接口四部分。预计程序所能达到的功能：
进程管理模拟：实现操作系统进程管理功能，如实现进程的控制（进程调度，进程创建与撤销，状态转换，进程唤醒），进程并发执行。
存储管理模拟：实现内存空间的分配和回收、存储保护。
设备管理模拟：主要包括设备的分配和回收。
文件管理和用户接口：主要是单用户的磁盘文件管理部分，包括文件的逻辑结构、物理结构、目录、磁盘分配回收、文件的保护和用户接口的实现。

二、概要设计

通过程序来模拟计算机的硬件系统，在此基础上实现操作系统的模拟实现。
本次实验由5个模块构成
（1）文件管理模块
（2）进程控制及内存管理模块
（3）硬件实现及管理模块
（4）用户界面交互模块
（5）系统内核软件模块
主程序的流程图

三、详细设计

（1）文件管理模块

文件管理模块由以下3个类组成

1.MyFile类

该类是操作系统的基本文件单位，这个类包含了文件的数据内容，名字，属性以及磁盘的起始扇区和长度等，构成一个基本的文件。利用输入的属性和数据来初始化文件，同时提供了getter和setter方法可以对文件的属性进行访问和修改。

FileSamplesGenerator类

该类通过预设的二进制代码生成可执行的文件。这个类中保存了10个可执行的程序的代码，通过调用文件系统中创建文件的方法，将这些代码转换成操作系统内部的文件，同时将文件名和路径记录在这个类中。

FileSystem类

该类用于管理整个文件系统。通过读取磁盘文件，利用FileSamplesGenerator类生成可执行文件和利用DirTreeParser类生成目录树进行初始化，包含了查找磁盘空闲扇区和分配空闲扇区的功能接口，以实现将FAT中的数据直接写入磁盘或直接对磁盘盘块进行写入操作，以及可以对操作系统内的文件直接进行查找和访问。对外提供了创建、打开、读取、写入、关闭、删除文件的功能方法，并且可以获取路径下的子目录，并且修改文件的属性。

（2）进程控制及内存管理模块

进程控制及内存管理模块由以下4个类组成

1.ExcuteTask类

该类是操作系统的进程调度的类，这个类包含了进程创建、进程销毁、进程阻塞、进程唤醒等功能，模拟一个进程的生命周期及维护相应的就绪和阻塞队列，并且调用其他类来模拟申请内存与释放内存、查看当前内存详情和获取正在执行的指令等

2.MenoryBlock类

该类是内存块类，获取具体被分配的线程id的属性和大小，提供了getter和setter方法可以对内存块的属性进行访问和修改。

3.MemoryController类

该类是内存空间的管理类，用于维护一个内存块队列，比如添加一个新内存块、删除一个内存卡、获取当前内存块队列，提供了getter和setter方法可以对内存的属性进行访问和修改。

4.SimulationThread类

该类是进程的一个模拟类，通过进程的id或者对应的可执行文件来启动或者新建一个进程、包括获取进程id和获取进程阻塞原因，同时提供了getter和setter方法可以对进程的属性进行访问和修改。

（3）硬件实现及管理模块

硬件实现及管理模块由以下8个类组成：

HardDevice类
该类为抽象类，默认无任何模仿功能，类中封装了硬件设备的状态，ID和名字等成员变量，同时提供getStatus、getID和getName方法对硬件设备的三个成员进行访问，该类需要被所有除CPU以外的硬件类继承。
Peripheral类
该类继承了HardDevice类，定义了interval用以表示外围设备被占用倒计时的计时器；同时提供了方法allocate用以申请占用外围设备time个计时周期；refresh方法用以更新设备状态，并在每个CPU周期开始时执行，设备之前若处于中断状态，则取消中断，若已被占用，则扣除clock个计时周期；reset方法用于重置设备的计时器和状态。
Memory类
该类继承了HardDevice类，定义了私有变量storage用数组模拟内存，用maxCapacity表示内存的最大容量。同时，类中包含了方法read用以从address地址的内存中读取一字节的数据；方法write用以向address地址的内存中写入一字节的数据；方法getMaxCapacity用以访问内存的最大容量。
Disk类
该类继承了HardDevice类，类中包含了storage表示内存，filename表示磁盘数据存储的文件名，即虚拟磁盘，maxCapacity表示磁盘的最大存储量，sectorSize表示磁盘中块的容量，sectorCount表示硬盘中块的数量。同时提供了方法read从磁盘中读取第address块的64字节数据；方法write将64字节的数据写入磁盘的第address块中；方法load从实际硬盘中试图加载制定名字的虚拟磁盘，并读取其中的数据，该方法用在Disk类的构造方法中；方法initialize在未找到虚拟磁盘文件时，则建立指定名字的文件，该方法用在Disk类的构造方法中；方法store用以将暂存于内存中的数据存入虚拟磁盘实际的数据文件中；以及方法getMaxCapacity，getSectorSize，getSectorCount分别对磁盘的最大容量，最大块长度和块的数量进行访问。
CPU类
该类为中央处理器，控制一切硬件的行为，对接模拟系统。该类包含了内存、磁盘、外围设备、硬件、寄存器AX和计时器。同时类中还提供了方法readMemory用以从内存中的address地址中读取一字节数据；方法writeMemory用以向address地址的内存中写入一字节的数据；方法readDisk用以从磁盘中的address地址中读取一块64字节的数据；方法writeDisk用以向address地址的磁盘中写入一块64字节的数据；方法initializePeripheral用以在实例化CPU时，初始化所需要的所有外设；方法getX用以获取寄存器AX的值；方法getStatus用以获取指定名称的硬件的状态；方法getPeripheralStatus用以获取指定名称的外设的状态；方法getMemoryCapacity用以获取内存的最大容量；方法getDiskCapacity用以获取硬盘的最大容量；方法allocatePeripheral用以申请占用外设time个计时周期，由execute方法定期调用；方法refreshPeripheral用以更新设备状态；方法resetPeripheral用以重置外设状态。总的来说，该类主要执行的是检查各硬件的状态，在各时钟周期内不断地完成读写等操作，完成存储管理和设备管理的任务。在该类的函数中，每次执行指令前，均检查设备的状态，判断是否有中断，如有中断先进行取消，再执行其他的操作。

（4）用户界面交互模块

用户界面交互模块主要由以下个14个类组成

1.Controller类

该类是整个面板的控制类，在里面设置了所有栏的参数和所有窗口的设置。进行了图标的读取与设置，已经各个app名称的设置，还有建造窗口时基本的设置。
2.Apppane类

底部次级栏设置，设置了10张照片分别对应底部10个应用程序的图标。
3.ControllerSetter类
整个界面的设置，获取整个屏幕的大小，整个主页面都是一个controller类，可以设置背景图片。
4.CPUWin类
CPU窗口的创建，设置了4个文本框来写出目前状态。
5.DeviceWin类
设备状态的显示窗口。设置了众多文本来表示目前各设备的状态。
6.DictionaryWin类
磁盘目录的显示窗口，调用了磁盘目录类的使用方法。使用简单第归遍历数据，重新建立目录结构。
7.DickWin类
磁盘状态的显示窗口，未占用的内存鸽子就是绿色，占用了就是红色。
8.FileWin类
次级栏中的模拟程序的窗口，打开了就显示当前程序正在运行，并且调用了StringBuilder类的方法。
9.HelpWin类
顶部状态栏中的帮助窗口的建立。
10.MainMemoryWin类
内存状态的显示窗口，同时调用了SystemCore类的方法，方便进行内存状态的更新。
11.SuperWin类
Win的子类，在Win类的基础上，增加了快捷键的动态效果，把鼠标移上去时会出现动态效果放大缩小。
12.TerminalWin类
终端的窗口设置，调用了终端的设置类。
13.UpdateCenter类

Controller类的更新设置，time设置了更新的周期。
14.Win类

最基本的窗口类，进行窗口参数设置，里面也有其他窗口的基本设置。在这里设置了窗口的名字，大小，还有是否更新窗口的update设置。

（5）系统内核软件模块

1.Compiler类

Compiler类用于创建编译器对象，主要实现对创建的“可执行文件”进行汇编/编译的功能，其中“可执行文件”中所能编译通过执行的指令只有5中，包括：
ASSIGNMENT:x=?,对x进行赋值,其中x为两位数。
ADD：x++ x加1（x小于等于255，大于等于1）
DEL:x- - x减一
USEHARD：I/O指令
FINISH:终止运算，表示可执行文件结束

Shell类

Shell提供用户命令接口，通过终端窗口接受用户从键盘键入的命令，并对用户输入的命令进行处理并返回处理结果。
实现的命令如下：

create : create /usr/tes.e [创建一个带空字符的普通文件]
delete : delete /usr/tes.e [删除文件]
cat : cat /usr/tes.e [查看文件的内容]
copy : copy /usr/tes.e/drv/tes.e [复制文件到其他的目录]
mv : mv /usr/tes.e /drv/tes.e [移动文件到其他的目录]
echo : echo “ABC” > /usr/tes.e [重定向输入文本到文件中,双引号包含输入内容
mkdir : mkdir /usr/bin [创建一个目录]
rmdir : rmdir /usr/bin [删除一个目录]
exe : exe /usr/000/e [执行一个可执行的文件]
time : time [查看当前系统的时间片]
clear : clear [清屏]
poweroff : poweroff [关机]
system : system [系统开发者]
compile : compile /usr/abc.s [在当前目录下生成编译文件,编译前必须删除以前的编译文件]
close : close /usr/005.e [手动关闭文件]

3.DirTreeParser类

DirTreeParser类实现生成JSON格式的系统目录，供文件系统FileSystem通过生成对象调用getJsonTree生成系统文件目录，目录结构采用树型目录结构，目录名或文件名：3个字节，拓展名：1个字节。根目录位置固定为OS。

五、用户使用说明

程序开始时会创立一个主界面，包含了系统所有功能的入口，通过对界面组件事件的监听，可以响应用户的请求，显示用户需要的窗口，或者可以通过终端窗口，用户可以根据终端指南窗口的提示，对文件进行操作，用户可以通过磁盘，文件目录界面对操作系统内的文件情况进行观察，同时可以通过对cpu，内存，设备状态界面来观察可执行文件运行时，操作系统的内在状况。也可以通过更换夜间模式，更换壁纸和分辨率选择用户界面的样式。