עבודת גמר במדעי המחשב – עבודת בחירה - הצעה

כתובת בית הספר: הכפר הירוק, רמת השרון, מיקוד: 4780000
שם מלא: דניאל ניל אליעד
תעודת זהות: 318851276
בית ספר: תיכון הכפר הירוק
טלפון של בית הספר: 03-6455621 או 03-6455651
פקס של בית הספר: 03-6455671
שם המנחה: יהודה אור
תעודת זהות: 023098007
תואר אקדמי: מהנדס. מוסמך הטכניון בהנדסה, הסבה אקדמאית למחשבים מטעם המדינה מאז שנת 2000. תעודות הסמכה מטעם Microsoft.
מקום העבודה: מכון וויצמן, מכללת ג'והן ברייס, הכפר הירוק, תיכון עירוני ד', ת"א.

תחום העבודה (מקצוע): מדעי המחשב
טלפון: 050-7344457
אי-מייל: [email protected]
מספר יחידות לימוד: 5 יחידות

נושא העבודה:
בניית מערכת   הפעלה של 32 ביט בשפת אסמבלי ו - C.

מטרת העבודה:
מחקר והבנה נרחבת במערכות הפעלה
מחקר על מעבדי אינטל x86
מחקר על מערכת הBIOS ותהליך הboot
מחקר והבנה נרחבת בניהול הזיכרון במחשב - ובשפות תכנות באופן כללי.
לימוד שפת C
לימוד שפת אסמבלי
למידה על עבודה עם קומפיילרים ולינקרים באופן ידני (ללא סביבת עבודה מוגדרת המפשטת את התהליך)
מימוש המחקר לכדי יצירת מערכת הפעלה 32 bit

הבעיה לחקירה/בדיקה:

כיצד לגרום לBIOS להריץ קוד משלי
מה הופך device לbootable device
אילו מגבלות יכולות להיות על הקוד הראשוני שלי
גודל
מצב המעבד בשלב זה בתהליך הboot
איך הקוד הראשוני שלי יטען את המשך התוכנה
איך לבנות boot loader
איך להחליף את מצב המעבד מreal mode לprotected mode
איך לטעון את שאר מערכת ההפעלה מהboot loader
איך לבנות kernel
איך לתקשר עם הdevice drivers
איך לנהל מערכת קבצים
איך ליצור פונקציונליות של multi-tasking
איך ליצור GUI - ממשק גרפי עם המשתמש

הצגת הבסיס התיאורטי(ספרות) ודרך הכנת העבודה:
למידת שפת אסמבלי 16 ביט מספר האסמבלי של גבהים, הנכתב על ידי ברק גונן: http://cyber.org.il/assembly/gvahim_assembly_book.pdf
למידת C מהאתר: http://c.learncodethehardway.org/book/
למידה מהאתר כוללת בנוסף מעבר על לינקרים וקומפיילרים של C
ללמוד כיצד להשתמש בקומפיילרים ולינקרים ועל תהליך הקומפילצייה וקישור של שפות תכנות באופן כללי ושל C בפרט מהאתר: http://www.lurklurk.org/linkers/linkers.html
למידה על כתיבת הkernel והboot loader ובנוסף על הפורמט של שמירת מדיה בתוך מחיצות, מהספר:https://www.gitbook.com/book/samypesse/how-to-create-an-operating-system/details
למידה על כתיבת הkernel לעומק - כולל יצירת מערכת הפעלה עם פונקציוליות כגון - multi tasking וfile systems, מהספר: https://littleosbook.github.io/book.pdf
למידה על כתיבת boot loader מסדרת הכתבות באתר http://www.tldp.org/LDP/LG/issue77/krishnakumar.html
למידה על כתיבת boot loader מהאתר http://www.independent-software.com/writing-your-own-toy-operating-system-first-and-second-stage-bootloaders-together/
למידה על מערכות הפעלה - רקע תיאורטיftp://ftp.cs.uky.edu/cs/manuscripts/vade.mecum.2.pdf

עיקרי ההיבט המחקרי של העבודה:

שימוש בידע שרכשתי על ארכיטקטורת מעבדי אינטל x86 על מנת להעביר את מצב המעבד מreal mode לprotected mode
הדבר גורם להחלפה מקוד האסמבלי הנכתב ב16 ביט לקוד הנכתב ב32 ביט
שימוש בידע שרכשתי על תהליכי הboot של המחשב על מנת לטעון את מערכת ההפעלה שכתבתי
 כתיבת multi stage bootloader שיחליף את מצב המעבד מ - real mode ל -protected mode, ובנוסף לפעולות נוספות, יטען את הkernel הכתוב ב  - C לתוך ה -  RAM, ויבצע אותו.
שימוש נכון של מערכת הBIOS ובinterrupts שהיא מעמידה ברשותי
שימוש בידע שרכשתי על sectors הנמצאים על הדיסק( לדוגמה -  Boot sector הוא הsector הראשון והוא 512 הבתים הראשונים על הדיסק) על מנת לכתוב את מערכת ההפעלה שלי למקומות הנכונים על הדיסק
שימוש בידע שרכשתי על קומפיילרים ולינקרים כדי לקמפל את מערכת ההפעלה שלי
 קומפיילר gcc לשם קימפול קוד הc, nasm assembler לשם הרכבת קוד האסמבלי ו – GNU linker ( ld) לשם קישור הקבצים המקומפלים לשם קובץ בינארי אחד.
אשתמש במהלך כתיבת הפרוייקט בתוכנות qemu וvirtualbox כדי להריץ ולבדוק את הקוד שלי בשלבים



רשימה ארעית של פרקי העבודה:
מבוא
מבוא לC ולאסמבלי - רקע תיאורטי, היסטוריה, קונספטים עיקריים ושימוש במערכות הפעלה
מבוא למערכות הפעלה
מהו תהליך הboot
מהו הBIOS
תפקידיו של הboot loader
תפקידיו של הkernel
תיאוריה ומחקר
עקרונות הBIOS
פעולה ראשונית כאשר המחשב נדלק - בדיקת POST - power-on-self-test
מהו bootable device
הסברה על הsectors הנמצאים על הדיסק - ביניהם הmaster boot record, MBR
מהן הinterrupts העומדות לרשותנו בזכות הBIOS
עקרונות הboot loader
תפקיד הboot loader, טעינת מערכת ההפעלה עצמה לאחר השלמת בדיקת POST, שינוי מצב המעבד מreal mode לprotected mode
השוואה מפורטת בין single stage boot loader לבין multi stage bootloader - לבסוף הסברים מפורטים לבחירתי בmulti stage boot loader
עקרונות הkernel
תפקיד הkernel, קישור בין הCPU, זיכרון, והdevices (דרך device drivers)
עיקרון מערכת ניהול קבצים
עיקרון הmulti tasking
חלק מעשי
הצגת מבנה התוכנה והזרימה בה
הצגת קוד בסיסי המדגים את הפוטנציאל של התוכנה בפשטות
הצגת הרעיון מאחורי הקוד הבסיסי ואת הפונקציונליות שבו
הצגת הקוד עם הסברים על מימושים
הצגת הboot loader
מעבר על הBIOS interrupts המשומשות
מעבר על השלבים השונים של הboot loader, חשיבותם ותפקידם
הצגת הkernel
מעבר על מנגנוני Input Output עם הdevice drivers
מעבר על מערכת ניהול הקבצים
מעבר על multi tasking
מעבר על הממשק הגרפי של המשתמש עם מערכת ההפעלה - GUI
הצגת שימושים במערכת ההפעלה
סיכום - מסקנות, סקירה של התוצר והאם הוא ענה על הקריטריונים שבו הוצב
ביבליוגרפיה
הוראות הפעלה
נספחים
קוד מערכת ההפעלה
קישור להורדת מערכת ההפעלה
דיסק שעליו מערכת ההפעלה


לוח זמנים להכנת העבודה:

ינואר
הגשת הצעת עבודה
ינואר - פברואר
למידת C, אסמבלי
פברואר - מרץ
קריאת חומר תיאורטי ומעשי רלוונטי
אפריל
כתיבת פרוייקט בסדר גודל קטן יותר כproof of concept
מאי- נובמבר
כתיבת הפרוייקט הסופי תוך כדי מתן תשובה לכל הבעיות שהצבתי
נובמבר - דצמבר
ליטושים אחרונים
כתיבת עבודת החקר