Eğitim amaçlı yapılandırılabilir modüler donanım üzerine gömülü işletim sistemi tasarımı

Abstract

Eski bir çin atasözünde “Dinlersem unuturum, görürsem hatırlarım, uygularsam anlarım” veciz ifadesinden de anlaşılacağı üzere, bir konu hakkında en ideal öğrenmenin, öğrenilen teorik bilgilerin uygulamaya geçirilmesinden geçmektedir. Elektronik Mühendisliği, Bilgisayar Mühendisliği ve buna benzer bilim dallarında önemli bir yer teşkil eden Bilgisayar Mimarisi ve Organizasyonu ile İşletim Sistemi derslerinde teorik olarak işlenen kavramların pratiğe dönüştürülmesi günümüz eğitim sisteminin problemleri arasında yer almaktadır. Gelişen teknoloji ile beraber bu derslerin uygulama ihtiyacını karşılamaya yönelik yazılımsal ve donanımsal temelli çözümler üretilmiştir. İşletim Sistemleri dersine yönelik yapılan eğitimsel çalışmalar Bilgisayar Mimarisi ve Organizasyonu dersine yönelik yapılan çalışmalar ile karşılaştırıldığında özgün sistem tasarlama motivasyonu açısından yetersiz olduğu görülmektedir. Bu çözüm adımlarına son yıllarda alanda programlanabilir kapı dizileri(FPGA- Field Programmable Gate Arrays) geliştirme ortamları kullanılarak yeni bir yaklaşım getirilmeye çalışılmıştır. Bu geliştirme ortamları kullanılarak geliştirilen eğitimsel çalışmalar simülasyon ortamındaki ideal şartların yerine gerçek dünya şartları altında gözlenebilen, çalıştırılabilen, elle tutulabilen yapıların ortaya çıkmasına neden olmuştur. Bu tez kapsamında yapılan ilk çalışma 2009 yılında tasarladığımız yazılımsal tabanlı bilgisayar mimarisine modüler özellik katılarak FPGA geliştirme ortamına aktarılmıştır. Modülerlik özelliği kullanıcılara sisteme müdahil olma avantajını getirerek özellikle Bilgisayar Mimarisi ve Organizasyonu dersine yönelik motivasyon artıcı bir etki getirmiştir. Başka bir deyişle kullanıcı sistemdeki bir bileşenin yerine kendi tasarımını ekleyerek sistemin işleyişinde herhangi bir olumsuzluğa neden olmaması kullanıcının bu derse karşı motivasyonunu artıran kullanıcı dostu bir özelliktir. Bu nedenle kullanıcı büyük bir sistemin karmaşası içinde kaybolmadan sistemdeki birimleri kullanıcı tabanlı tasarımlarla değiştirerek kendi bilgisayar mimarisini oluşturabilecektir. Ayrıca modüler özellikli donanımsal tabanlı bilgisayar mimarisi üzerine sıfırdan bir işletim sisteminin nasıl tasarlanacağı konusunda eğitimsel bir doküman hazırlanarak literatürde bu alanda bir kullanıcı rehberi olması hedeflenmiştir. Tasarlanan işletim sistemi bilgisayar mimarisinin sahip olduğu assembly dili ile yazılan özgün bir işletim sistemi olup eğitimsel amaçlı olarak literatürde kullanılmak üzere yer alacaktır.

An old Chinese proverb says “I hear, and I forget; I see, and I remember; I do, and I understand”. As is understood from this expression, the most ideal learning about a topic is to put into practice the theoretical knowledge learned. Computer Organization and Operating Systems courses play a significant role in the Electronics Engineering, Computer Engineering and similar disciplines. To convert practice the concepts handled in these courses are among the problems of today’s education system. It has been produced hardware and software based solutions to eliminate the need for application in these courses using technology. The educational tools prepared for operating systems course is insufficient in terms of the motivation of original system design compared with computer organization and architecture course In addition to these solutions, it has been brought new approach using FPGA(Field Programmable Gate Array) development environments. The educational tools solution developed by using FPGA development environments brought about observable, executable and tangible structures under real world conditions instead of the ideal conditions in the simulation environment. The computer architecture developed using an emulator program that we designed in 2009 is embedded to the FPGA development board by including the modular approach in this thesis. The modular approach allowed the effect for enhancing motivation to users by bringing involving feature in especially computer architecture and organization course. In other words, it is user friendly that since the user defined design does not cause any negative effect at the process of system and to be able to integrate their designs instead of a component of the system. In this way, the user will obtain the own computer architecture by changing the related system’s components with the user defined designs without getting lost in the complexity. Also we have prepared a user guide how to design an operating system on hardware based computer architecture from scratch. The developed operating system is written using assembly language of our computer architecture named BZK.SAU and presented an educational tool to the literature