CN1118750C - 初始化和重新启动操作系统 - Google Patents

Abstract

通过生成基准系统配置的配置设置的虚拟映象可以更有效地起动和重新启动操作系统。例如用一个执行程序，可以将这些设置存储起来并用来快速地按系统的基准配置起动系统。基准配置可以根据系统硬件或软件配置的变化而自动修改。这些改变可以与基准配置信息一起存储。当发生崩溃时，能用该虚拟映象来迅速地恢复系统，而不需要再引导操作系统。

Description

初始化和重新启动操作系统

本发明总体涉及操作系统，特别是涉及例如在一开始打开电源之后或在发生系统崩溃之后初始化和重新启动这些操作系统。

当计算机系统一开始被通电时，基本输入/输出系统即“BIOS”开始运行。BIOS控制个人电脑的许多重要功能，诸如它如何解释按键，如何在屏幕上显示字符，如何与其它设备通信。用户每次打开计算机时，BIOS一般指示计算机进行自检。为此，BIOS采用一个通电自检即“POST”。

当个人电脑启动时，它一般首先进入所谓的“实模式”。计算机访问保存着包括一个指向BIOS代码的跳转指令的程序指令的特殊存储单元。BIOS一开始指令系统微处理器运行整个系统的各部件，以确定它们是否操作正常。然后，检查所有安装的扩展板，之后，微处理器开始实际的自引导过程。在自引导过程中，BIOS代码可以指示微处理器跳转到指令微处理器如何读取系统软盘、硬盘或CD-ROM驱动器的首扇区的一段代码。微处理器然后加载操作系统并开始实际的计算机操作。

Windows操作系统可能是个人电脑中最常用的操作系统。它是一种“开放的”系统，因为它适合不同的计算机系统并且适合在任何给定计算机系统上改变硬件。至少部分因为这种开放性，Windows操作系统的启动要占用较长的时间。对有些用户来说，这种延迟可能是件烦人的事，在有些情形中，启动过程可能会干扰系统操作的方式。

例如，机顶个人电脑是与综合了模拟和数字电视的功能与诸如因特网接入的计算机功能的电视系统相关联的个人电脑。预期机顶个人电脑的用户会把这些电脑看得类似于普通家用电器。所以用户可能不会愿意适应起动中的延迟或在他们电视屏幕上出现的出错信息。例如，在画中画系统中，用户可能会在进行Windows操作系统上运行的游戏的同时还观看电视。假设游戏发生故障，屏幕上会出现出错信息，这会干扰正常观看电视至少一段时间，电视画面会受到计算机崩溃的影响。

在几乎所有情况下，用户会因更快速地起动程序的运行而受益。这至少会发生在三个方面。第一，当计算机打开时，用户希望它尽可能快地开始运行。第二，当程序发生错误或崩溃时，用户希望尽可能快地重新启动计算机。类似地，当计算机运行过程中发生各种问题时，有些用户希望能简单地重新启动计算机，而不要处理和识别问题的根源。

当前的计算机系统具有一些提高计算机系统的起动速度的功能。例如，使用省略所有或部分POST例程的“快启动”(faston)功能是已知的。类似地，有些膝上型计算机有一种暂停/恢复操作。需要的话，用户按下暂停按钮，计算机上的所有设置就被存储起来。在此之后当计算机通电时，计算机识别出发生过暂停，于是就立即准确地恢复到计算机暂停前的操作。此外，有些计算机系统在一种“永远开启”(always on)模式中工作，在这种模式中，在没有问题的情况下从不需要重新启动计算机系统。例如Windows98将具有一种类似于永不关闭的计算机系统的高级配置和电源接口(ACPI)功能。有些简单的计算机系统，诸如个人数字助理(PDA)，用所谓的实时操作系统(RTOS)来使计算机能快速启动。

当程序发生崩溃后，上述各种技术都无能为力。在这些情况中，在崩溃后至少必须重新进行相当一部分的启动操作。这会导致实质性的延迟，这妨碍产生在系统用户看来是连续的表象。所以，特别是对于开放式操作系统来说，继续需要能使操作系统在例如发生崩溃或初始通电后能更迅速地起动和重新启动的方法。类似地，就诸如机顶个人电脑这样的专用计算机系统来说，希望使普通的计算机操作对用户来说是隐蔽的。

按照本发明的一个方面，一种防止系统故障的方法包括为适合特定配置的操作系统生成一个映象。然后存储该映象。当检测到程序故障时，将该映象装入计算机存储器。

图1是本发明一个实施例的示意图；

图2是快速起动程序的流程图；

图3是表示能实现图1所示的本发明实施例的计算机系统的框图；

图4是图1所示的基准操作系统映象的更详细的示意图；

图5是防止系统故障的程序的流程图；

图6是表示如何创建和使用该基准映象的示意图；

图7是表示按照本发明一个实施例的操作系统的起动的流程图；

图8是对应图2的另一个实施例的流程图；

图9是在程序崩溃后本发明的一个实施例的操作的流程图。

参看图1，硬盘驱动器10可为诸如Windows操作系统的操作系统存储许多文件。一般的文件12可能是用户文件、注册表文件和其它操作系统文件。一个专用磁盘分区14为新基准映象16和基准操作系统映象18提供一个区域。

基准操作系统映象18可以是个存储的虚拟映象，可能已经在某个最初计算机制造厂被预先装入。该映象捕获具有预先定义的硬件和软件配置参数集的基准计算机系统的系统配置。这些参数可能适用于初始配置的特定计算机，或者可以是一个假设的配置集合，可能准确对应于计算机的配置，也可能不是。基准操作系统映象18例如包括初始寄存器设置、设备设置、基存储器页文件等等。简而言之，它包括在运行时被装入存储器的所有东西，包括专用应用程序和用户命令解释程序(user shell)。

该映象基本上包括诸如Windows操作系统这样的操作系统操作实际的或假想的计算机配置所必需的所有参数。它对应于在预定的基准计算机配置的操作系统引导序列期间形成的关于寄存器和存储器的信息。所以，该映象实际上是具有预定特征的引导之后操作系统的虚拟映象，类似于一个配置快照。该映象18包括关于在引导之后的实际或假想基准机器的存储器和寄存器的信息。

启动时，如方框20所示，特殊磁盘分区14中含有的信息被传送到系统存储器22中。这样，就无需进行普通的操作系统引导操作，因为该功能实际上已经为该基准配置预先完成。结果，就有可能更快速地开始操作系统操作。

特别是对于诸如Windows操作系统这样的开放式操作系统来说，引导时间会相当长，因为必须调查和记录的配置的数目较多。在一个示例性实施例中，与虚拟映象相关联的文件可能是个较大的文件。例如，在一个有大量不同的硬件和软件配置设置的系统中，该映象可能有较大量的数据。因此，可能希望用非常低级的功能(function)来编码能被很快读取的文件。所以，对于诸如Windows操作系统这样的操作系统来说，以当前的从硬盘传输数据的速率，起动时间可以从一分钟左右的数量级的时间减少到数秒的数量级的时间。

一个示意性实施例的操作的一个例子就是运行屏幕显示内的电视调谐器和视频游戏的机顶个人电脑。如果有必要重新启动系统，用户会希望转换无缝地发生。就是说，希望系统重新启动时用户察觉不到视频游戏或电视图像中有显著变化。

由于快速地向系统存储器传输操作系统的映象，并获得当前的设置，两个显示都能被保持。当前设置信息可包括各应用(例如视频游戏、游戏中的得分、电视调谐器和频道设置)

这个映象能比以重新启动计算机的开放式操作系统所要求的快得多的速度被加载。通过传输映象和软件来实现映象，系统能在不显著影响用户的预期的情况下被快速地启动。

再次参看图1，专用磁盘分区14也包括一个新的基准映象16。可以在计算机系统软件或硬件的配置改变后记录该映象16。可以使计算机系统适合自动地将这些改变存储在存储器空间16中，以便每当有必要重新启动或初始化操作系统时，能在考虑到新的软件和硬件配置的条件下，快速地重新初始化操作系统。

这个方法与当前的开放式操作系统中所使用的有本质上的区别。因为这些系统是开放的系统，每当系统被重新启动或重新起动时，系统一开始要查询所有设置和配置。这耗费时间，但却能保证在不需要对不同情况使用不同操作系统的条件下考虑到大量的变化。图1所示的方法的工作方式实际上相反。它记录初始的虚拟映象，之后按需要再调整该映象。实际上，它对基准配置进行假设，为避免需要复杂的引导序列而记录该映象，然后随着计算机系统的变化对该映象作出必要的修改。

图2所示的快速起动程序的示例性流程，一开始提供一个开放式操作系统，如方框120所示。之后，按本文描述的那样生成一个基准映象，并存储该基准映象，如方框122和124所示。在系统自引导(方框126)后，该映象被装入存储器(方框128)。然后将控制转移到操作系统，如方框130所示。

图3所示的示例性计算机系统23，包括与系统存储器22相连的处理器24。该处理器24和系统存储器22可以通过桥26连接到总线28。该总线28可以是计算机系统中使用的任何常规总线，包括外围部件互连(PCI)总线。在所示实施例中，可以将诸如TV调谐器或监视器的视频设备30连接到总线28。第二个桥32也连接在总线28与另一个总线34之间。总线34可以是常规的扩展的工业系统体系结构总线(EISA)总线或任何其它常规总线。在所示实施例中，输入/输出接口36连接到总线34，并且连接到鼠标40和键盘38。类似地，接口42连接前文所述的含有文件12、16和18的硬盘驱动器10。

用映象16和18可以起动或重新启动其它计算机系统，包括用作机顶个人电脑的那些计算机系统。这些设备可以有上述的一般配置，但例如可能有提供更多视频功能30的设备。机顶个人电脑包括一个用于因特网连接的调制解调器，并且接受诸如通用串行总线(USB)的总线，用于连接所需的外设，诸如键盘、软盘或CD-ROM驱动器等等。它们通常用电视机作为监视器。

现在参看图4，基准映象18包括虚拟设备驱动程序(VxD)102、应用程序接口(API)100和VxD与执行程序102。VxD API 100例如可以是配备Windows32位操作系统的设备I/O控制API。API 100启动VxD 102，使VxD 102创建基准映象18或新映象16。

专用应用程序106是即使在发生崩溃后也有利地以无缝方式运行的关键的程序应用。例如，在机顶个人电脑中，希望负责数字电视功能的应用程序以无缝的方式运行，这样，即使在诸如游戏等Windows应用程序上发生崩溃，用户也不会在其数字电视画面上察觉到该崩溃。这些专用应用程序106可以与映象16或18、API 100和VxD与执行程序102一起加载。

虚拟机管理程序(VMM)104是32位Windows操作系统上可用的一个管理程序。VxD 102能向VMM104查询应用程序的状态信息。例如，VxD 102能用VMM 104来确定是否有崩溃。可以连接一个VMM命令来确定是否有普通保护破坏或程序错误的指示被发出，指示检测到崩溃。

注册表112是个状态数据库，诸如Windows注册表。注册表112不是映象16或18的一部分，但是它提供关于硬件和软件配置的最新信息。它被映象18用来(在崩溃之后)将系统恢复得具有发生崩溃前存在的所有设置。换言之，当系统被恢复时，可以用由专用应用程序106从注册表112获得的信息再调用这些最新设置。例如，在机顶个人电脑应用中，可以从注册表112获得当发生崩溃时正在被观看的电视频道。

共享存储器110使基准映象18能与系统管理模式(SMM)存储器108通信。如图4所示，SMM在有保护的系统管理存储器空间中运行。这个空间存在于环0(ring 0)，是受到非常保护的。因此，VxD与执行程序102不能直接访问SMM存储器108。共享存储器110被VxD 102访问。有益的是，共享存储器110对诸如Windows操作系统的操作系统来说可能是未知的。当该共享存储器110不被映射到操作系统时，操作系统就不能访问它。然而，VxD 102能访问存储器110，以便于在系统管理模式存储器108与VxD与执行程序102之间通信。

图5所示的一个用于防止系统故障的程序，开始时生成基准配置的一个映象，如方框132所示。该映象被存储起来(方框134)。当检测到程序故障时(菱形框136)，装入该映象(方框138)。

现在参看图6，映象16或18由执行程序102创建。VxD与执行程序102在专用应用程序和用户命令解释程序被装入并准备好向VxDAPI 100查询唤醒信号的地方被调用。该映象可包含包括处理器的硬件寄存器和设备在内的机器的整个存储器状态以及一些系统文件。该映象可以在计算机制造工厂创建，但是在例如系统配置变化时通过进行相同的VxD调用能创建新的映象。

如果在例如系统崩溃后希望恢复映象，SMM就将映象装入系统存储器22并将控制转移给VxD 102，如方框108所示。VxD 102完成该恢复后，从它被调用时所处的API 100中的入口返回。专用应用程序106然后准备就绪，被允许继续运行。如箭头“A”指示的那样，它们每个通过API 100查询VxD与执行程序102，得知它们是被唤醒的，于是就检索它们的配置状态。这样，对用户来说，各专用应用程序看起来在无缝地运行，几乎不中断它们在崩溃之前所处的状态。

实际上，VxD能补充或扩展Windows操作系统的内核级的功能。当然，如果能访问操作系统内核的话，也能将这个相同的功能写入操作系统内核。通过使用VxD，能向现有的操作系统内核添加希望的功能。

图7中所示的虚拟映象在操作系统起动方面的使用，在有些实施例中可以在DOS(磁盘操作系统)引导已经完成后开始。需要的话，可通过去除各种并非必要的操作而启动一个缩减的DOS引导序列。例如，可以将POST例程全部或部分去除。如方框50所示，初始序列开始于实模式中的快速DOS引导。如方框52所示，该引导序列切换到保护模式，DOS引导序列被继续进行。

在方框54，操作系统起动序列开始。如步骤56所示，一开始，该序列可切换到系统管理模式(SMM)。系统管理模式的使用可能是有益的，因为它是在受非常保护的地址空间中运行的。此外，即使发生一些相对严重的系统错误时SMM也继续运行。

下一步，操作系统起动序列进行检查，判断是否这是操作系统初次被起动，如菱形框58所示。如果是，就改变一个初次加载标志，以便下一次系统将知道操作系统已经不是初次被起动(见方框60)。

如果操作系统不是被初次加载，则在菱形框62在配置数据库进行检查，判断是否计算机配置已经有与基准配置不同的变化。实现这个功能的一个方法是每当系统再引导时设置一个标志。方框62处的检查于是就能判定是否该标志指示已经发生了一次再引导，表明应当生成新的基准映象。如果该标志没有置位，该流程就向下跳转，运行执行程序102(方框68)。如果作过改变，新的基准映象就在64处被创建并在66处被存储。然后将存储的映象发送到系统存储器(方框67)，然后运行执行程序102(方框68)。

实时执行程序102进行调度，加载程序，并将这些程序在一起运行。它包括实时操作系统(RTOS)的功能的一部分，但不是全部。RTOS也能例如管理外部设备。所以，RTOS包括一个执行程序。

实时执行程序102在其它更可见的操作之下的环0(ring0)运行。它被用来允许扩展操作系统内核一操作系统内核由于是预编程的，可能不适合本文所述的功能(事后)。然而，在开发新的操作系统时可以将该执行程序功能合并到内核中。该执行程序然后用专用磁盘分区14来实现操作系统功能。

虚拟映象的提供，不仅在起动时是有用的，在可能要求重新起动操作系统的各种情况中也是有用的。最重要的是程序错误或崩溃。崩溃是由硬件或软件问题引起的程序错误。程序可能会因例外、无限循环、竞争条件、资源短缺或存储器扰乱而发生故障。

一般来说，当应用程序发生崩溃时，用户会关掉系统的电源，然后重新启动系统，希望能由此解决问题。类似地，当用户没有能力处理一定的情况时，用户会简单地重新启动计算机系统，看看是否这会解决问题。无论哪一种情况，通过使用虚拟映象，就有可能以无缝的方式快速而有效地解决这些问题。它之所以是个无缝的解决方案，是因为用户较少觉察到或根本觉察不到实际发生了什么，实际上可能根本不必采取任何更正行动。

图8中所示的用于实现上述程序的一个示例性软件程序，包括生成基准系统配置的映象的步骤(方框140)。下一步，生成一个虚拟设备驱动程序，如方框142所示。然后，如方框144所示，将方框140中生成的映象和方框142中生成的虚拟设备驱动程序存储起来。如果要求快速激活，就装载该映象和该虚拟设备驱动程序，如方框146和148所示。

参看图9，在菱形框70，内核判定是否有崩溃。如果内核正在运行并且判定已经发生崩溃，内核就能采取更正行动，如方框72所示。如果内核不在运行，或者未检测到崩溃，就在菱形框74处进行检查，判定系统管理模式是否检测到崩溃。

系统管理模式监测许多不同的崩溃情况并例行地检测各种不同的故障。也可以采用其它的系统故障检测器，包括那些各种各样的被称为心跳监视器(heart beat monitors)、监视定时程序(watch dogtimers)、崩溃检测器的检测程序。在每一情况下，该系统监视故障的一些征兆，诸如挂起，缺少总线操作或其它与崩溃有关的一些其它系统。

如果在菱形框74由系统管理模式或其它某种方法检测到崩溃，就在菱形框76处进行检查，判断是否仅通过关闭应用程序就能解决这个问题。如果是，就在方框72处关闭应用程序。系统管理模式或其它崩溃检测器可以有一个提供关于可能会发生的不同故障的信息的超高速缓存。该超高速缓存可以被存储在硬盘驱动器10上，它提供关于处理这些故障的最佳方式的信息。如果该故障是仅通过关闭应用程序就能解决问题的故障，一般就需要采取该方法。

如果所记录的超高速缓存的信息认为仅通过关闭应用程序是不能解决问题的，就在菱形框78处判断是否应当运行执行程序。再次检查超高速缓存，判定用虚拟映象是否将解决问题。如果不是，流程就转移到复位80，系统以常规方式被复位。如果超高速缓存的信息指出可以用虚拟映象来解决问题，就起动VxD，如方框82所示。之后，在方框84处调用虚拟映象，执行程序在86处接管控制。执行程序用预定的虚拟映象—原先装入系统中的或者是如前文所述那样修改过的—启动系统，以适应变化了的系统配置。

所以，基准映象或新基准映象的虚拟映象不但能加快操作系统起动的速度，也能为崩溃处理提供一个有用的工具。此外，在包括机顶个人电脑的许多应用中，虚拟映象能以向用户产生无缝印象的方式适应普通的计算机操作。就是说，用户可能永远不会察觉起动时或大多数崩溃情况后具有的时间延迟，可以有效地保护用户不受崩溃的一些负面后果的影响。例如，在机顶个人电脑中，故障发生时，由于得到迅速处理，可能不会影响正常的电视画面。

尽管参照有限数量的实施例说明了本发明，本领域的熟练人员将明白有许多的修改和改变。后附的权利要求旨在包括所有这些在本发明的精神和范围内的修改和改变。

Claims (13)

1.一种防止系统故障的方法，包含：

生成一个适合特定配置的操作系统的映象；

存储该映象；

检测程序故障；

检测到程序故障时，将该映象装入系统存储器；和

与所述映象一起存储一个虚拟设备驱动程序。

2.权利要求1的方法，包括自动地更新该映象，以考虑对系统配置的修改。

3.权利要求1的方法，包括提供关于如何处理各种程序故障的信息，并在检测到程序故障时检查所述信息。

4.权利要求1的方法，包括在程序故障后运行一个虚拟设备驱动程序，将所述映象传输给系统存储器，并运行一个执行程序来从内核接管控制。

5.权利要求1的方法，包括在计算机系统的制造过程中存储该操作系统的映象。

6.一种使操作系统能被快速启动的方法，包含：

生成一个适合特定配置的操作系统的映象；

生成一个用于运行该映象的虚拟设备驱动程序；

存储该映象和虚拟设备驱动程序；

在需要快速启动该操作系统时，将该虚拟设备驱动程序和该映象装入系统存储器；和

检查对系统配置的修改并用所述映象存储所述修改。

7.权利要求6的方法，包括在程序失败后运行一个执行程序以从内核接管控制。

8.权利要求6的方法，包括在系统管理模式中运行所述虚拟设备驱动程序。

9.权利要求6的方法，包括用所述虚拟设备驱动程序检查系统配置中的变化并存储所述系统配置的变化。

10.一种能快速启动操作系统的方法，包含：

生成操作系统的一个第一配置集合；

存储该第一配置集合；

自动地识别一个不同于该第一集合的第二配置集合；

自动地存储有关该第二配置集合的信息；

在需要启动该操作系统时，将该有关该第二配置集合的信息传输到系统存储器；和

用一个虚拟识别驱动程序来检查系统配置中的变化，寻找配置设置并存储这些设置。

11.权利要求10的方法，包括在一个保护模式中传输该有关该第二配置集合的信息。

12.权利要求11的方法，包括在系统管理模式中传输。

13.权利要求10的方法，包括用一个执行程序在现有操作系统中实现新的功能。

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