計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展

摘要：電子計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展?，F(xiàn)在，操作系統(tǒng)進(jìn)入了社會(huì)生活的各個(gè)方面，涉及大型計(jì)算機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、移動(dòng)便攜設(shè)備、其他自動(dòng)化設(shè)備等各個(gè)層次的應(yīng)用領(lǐng)域。在幾十年的發(fā)展歷程中，各種操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，面對(duì)外國(guó)商業(yè)軟件在中國(guó)的事實(shí)壟斷，重新審視中國(guó)基礎(chǔ)軟件發(fā)展戰(zhàn)略、配套政策和實(shí)施方法已經(jīng)到了刻不容緩的地步。有鑒于此，文章比較了Windows、Unix和Linux三種操作系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀，并結(jié)合國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的現(xiàn)狀提出了發(fā)展我國(guó)軟件產(chǎn)業(yè)的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)；發(fā)展；新技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 (2012) 09-0000-02

操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部硬件資源包括軟件資源及數(shù)據(jù)資源；控制程序運(yùn)行；改善人機(jī)界面；為其它應(yīng)用軟件提供支持等，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所有資源最大限度地發(fā)揮作用，為用戶提供方便的、有效的、友善的服務(wù)界面。

操作系統(tǒng)是一管理電腦硬件與軟件資源的程序，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)核與基石。操作系統(tǒng)身負(fù)諸如管理與配置內(nèi)存、決定系統(tǒng)資源供需的優(yōu)先次序、控制輸入與輸出設(shè)備、操作網(wǎng)絡(luò)與管理文件系統(tǒng)等基本事務(wù)。操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部硬件資源包括軟件資源及數(shù)據(jù)資源；控制程序運(yùn)行；改善人機(jī)界面；為其它應(yīng)用軟件提供支持等，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所有資源最大限度地發(fā)揮作用，為用戶提供方便的、有效的、友善的服務(wù)界面。操作系統(tǒng)是一個(gè)龐大的管理控制程序，大致包括5個(gè)方面的管理功能：進(jìn)程與處理機(jī)管理、作業(yè)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件管理。目前微機(jī)上常見(jiàn)的操作系統(tǒng)有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows、Netware等。但所有的操作系統(tǒng)具有并發(fā)性、共享性、虛擬性和不確定性四個(gè)基本特征。目前的操作系統(tǒng)種類繁多，很難用單一標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一分類。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)劃分，可分為桌面操作系統(tǒng)、服務(wù)器操作系統(tǒng)、主機(jī)操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)。

一、操作系統(tǒng)的基本介紹

（一）操作系統(tǒng)的功能

（1）管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件、軟件、數(shù)據(jù)等各種資源，盡可能減少人工分配資源的工作以及人對(duì)機(jī)器的干預(yù)，發(fā)揮計(jì)算機(jī)的自動(dòng)工作效率。

（2）協(xié)調(diào)還要各種資源使用過(guò)程中的關(guān)系，使得計(jì)算機(jī)的各種資源使用調(diào)度合理，高速設(shè)備與低速設(shè)備運(yùn)行相互配。

（3）為用戶提供使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的環(huán)境，方便使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各部件或功能。操作系統(tǒng)通過(guò)自己的程序，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種資源所提供的功能抽象，形成與之等價(jià)的操作系統(tǒng)的功能，并形象地表現(xiàn)出來(lái)，提供給用戶方便地使用計(jì)算機(jī)。

（二）操作系統(tǒng)的發(fā)展

操作系統(tǒng)之本意原為提供簡(jiǎn)單的工作排序能力，后為輔助更新更復(fù)雜的硬件設(shè)施而漸漸演化。

從最早的批次模式開(kāi)始，分時(shí)機(jī)制也隨之出現(xiàn)，在多處理器時(shí)代來(lái)臨時(shí)，操作系統(tǒng)也隨之添加多處理器協(xié)調(diào)功能，甚至是分布式系統(tǒng)的協(xié)調(diào)功能。其他方面的演變也類似于此。

另一方面，在個(gè)人電腦上，個(gè)人電腦之操作系統(tǒng)因襲大型電腦的成長(zhǎng)之路，在硬件越來(lái)越復(fù)雜、強(qiáng)大時(shí)，也逐步實(shí)踐以往只有大型電腦才有的功能。

（1）手工操作階段。在這個(gè)階段的計(jì)算機(jī)，主要元器件是電子管，運(yùn)算速度慢，沒(méi)有任何軟件，更沒(méi)有操作系統(tǒng)。用戶直接使用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)程序，上機(jī)時(shí)完全手工操作，首先將預(yù)先準(zhǔn)備好的程序紙帶裝入輸入機(jī)，然后啟動(dòng)輸入機(jī)把程序和數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，接著通過(guò)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)程序運(yùn)行，計(jì)算完成后，打印機(jī)輸出結(jié)果。用戶必須是非常專業(yè)的技術(shù)人員才能實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)的控制。

（2）批處理階段。由于20世紀(jì)50年代中期，計(jì)算機(jī)的主要元器件由晶體管取代，運(yùn)行速度有了很大的提高，這時(shí)軟件也開(kāi)始迅速發(fā)展，出現(xiàn)了早期的操作系統(tǒng)，這就是早期的對(duì)用戶提交的程序進(jìn)行管理的監(jiān)控程序和批處理軟件。

（3）多道程序系統(tǒng)階段。隨著中、小規(guī)模的集成電路在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，CPU的運(yùn)動(dòng)速度大大提高，為了提高CPU的利用率，引入了多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，并出現(xiàn)了專門支持多道程序的硬件機(jī)構(gòu)，這一時(shí)期，為了進(jìn)一步提高CPU的利用效率，出現(xiàn)了多道批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)等等，從而產(chǎn)生了更加強(qiáng)大的監(jiān)管程序，并迅速發(fā)展成為計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一個(gè)重要分支，就是操作系統(tǒng)。統(tǒng)稱為傳統(tǒng)操作系統(tǒng)。

（4）現(xiàn)代操作系統(tǒng)階段。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路急速的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了微處理器，使得計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)一步提高，而體積卻大大減少，面向個(gè)人的計(jì)算機(jī)和便攜式計(jì)算機(jī)出現(xiàn)并普及。它的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)清晰、功能全面、可以適應(yīng)多種用途的需要并且操作使用方面。

二、操作系統(tǒng)新技術(shù)

從操作系統(tǒng)新技術(shù)的角度看，它主要包括操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的微內(nèi)核技術(shù)和操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的面向?qū)ο蠹夹g(shù)。

（一）微內(nèi)核操作系統(tǒng)技術(shù)

現(xiàn)代操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)突出思想是把操作系統(tǒng)中更多的成分和功能放到更高的層次（即用戶模式）中去運(yùn)行，而留下一個(gè)盡量小的內(nèi)核，用它來(lái)完成操作系統(tǒng)最基本的核心功能，稱這種技術(shù)為微內(nèi)核（Microkernel)技術(shù)。

1.微內(nèi)核結(jié)構(gòu)

（1）把那些最基本、最本質(zhì)的操作系統(tǒng)功能保留在內(nèi)核中。

（2）把大部分操作系統(tǒng)的功能移到內(nèi)核之外，并且每一個(gè)操作系統(tǒng)功能均以單獨(dú)的服務(wù)器進(jìn)程形式存在，并提供服務(wù)。

（3）在內(nèi)核之外的用戶空間中包括所有操作系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)程，也包括用戶的應(yīng)用進(jìn)程。這些進(jìn)程之間是客戶/服務(wù)器模式。

2.微內(nèi)核包含的主要成分

（1）中斷和異常處理機(jī)制；

（2）進(jìn)程間通信機(jī)制；

（3）處理機(jī)調(diào)度機(jī)制；

（4）有關(guān)服務(wù)功能的基本機(jī)制。

3.微內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)

微內(nèi)核實(shí)現(xiàn)中的一個(gè)主要問(wèn)題是“微”和性能要求的綜合考慮。要做到“微”的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)機(jī)制和策略分離的概念。由于微內(nèi)核中最主要的是進(jìn)程間消息通信和中斷處理機(jī)制，下面簡(jiǎn)述兩者的實(shí)現(xiàn)。

4.進(jìn)程間通信機(jī)制

為客戶和服務(wù)器提供通信服務(wù)是微內(nèi)核的主要功能之一，也是內(nèi)核實(shí)現(xiàn)其他服務(wù)的基礎(chǔ)。無(wú)論是發(fā)送請(qǐng)求消息和服務(wù)器的回答消息都是要經(jīng)過(guò)內(nèi)核的。進(jìn)程的消息通信一般是通過(guò)端口（port)的。一個(gè)進(jìn)程可以有一個(gè)或多個(gè)端口，每個(gè)端口實(shí)際上是一個(gè)消息隊(duì)列或消息緩沖區(qū)，它們都有一個(gè)唯一的端口ID（端口標(biāo)識(shí)）和端口權(quán)力表，該表指出本進(jìn)程可以和哪些進(jìn)程交互通信。端口ID和端口權(quán)力表內(nèi)核維護(hù)。

5.中斷處理機(jī)制

微內(nèi)核結(jié)構(gòu)中將中斷機(jī)制與中斷處理分離，即把中斷機(jī)制放在微內(nèi)核中，而把中斷處理放到用戶空間相應(yīng)的服務(wù)進(jìn)程中。微內(nèi)核的中斷機(jī)制，主要負(fù)責(zé)以下工作：

（1）當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)識(shí)別中斷；

（2）通過(guò)中斷數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)把該中斷信號(hào)映射到相關(guān)的進(jìn)程；

（3）把中斷轉(zhuǎn)換成一個(gè)消息；

（4）把消息發(fā)給用戶空間中相關(guān)進(jìn)程的端口，但內(nèi)核不涉及到任何中斷處理。

（5）不少系統(tǒng)中的中斷處理是用線程實(shí)現(xiàn)的。

6.微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

（1）安全可靠。微內(nèi)核降低了內(nèi)核的復(fù)雜度，減少了發(fā)生故障的概率，也就增加了系統(tǒng)的安全性。

（2）一致性的接口。當(dāng)用戶進(jìn)程提出服務(wù)要求時(shí)，均是以消息通信方式經(jīng)由內(nèi)核向服務(wù)器進(jìn)程提出的。因此，進(jìn)程所面對(duì)的是一個(gè)統(tǒng)一一致的進(jìn)程通信接口方式。

（3）系統(tǒng)的可擴(kuò)充性。系統(tǒng)可擴(kuò)充性強(qiáng)，隨著新硬件與新軟件技術(shù)的出現(xiàn)，只需對(duì)內(nèi)核做很少的修改。

（4）靈活性。操作系統(tǒng)具有良好的模塊化結(jié)構(gòu)，可以獨(dú)立地對(duì)模塊進(jìn)行修改，也可隨意對(duì)功能進(jìn)行增加和刪除，因此操作系統(tǒng)可以按用戶的需要進(jìn)行剪裁。

（5）兼容性。許多系統(tǒng)都希望能運(yùn)行在多種不同的處理器平臺(tái)上，這在微內(nèi)核結(jié)構(gòu)下是比較容易實(shí)現(xiàn)的。

（6）提供了對(duì)分布式系統(tǒng)的支持。在微內(nèi)核結(jié)構(gòu)下操作系統(tǒng)必須采用客戶/服務(wù)器模式。這種模式適合于分布式系統(tǒng)，可以對(duì)分布式系統(tǒng)提供支持。

7.微內(nèi)核的主要缺點(diǎn)

在微內(nèi)核結(jié)構(gòu)下，一次系統(tǒng)服務(wù)過(guò)程需要更多的模式（在用戶態(tài)和核心態(tài)之間）轉(zhuǎn)換和進(jìn)程地址空間的開(kāi)關(guān)，這就增加開(kāi)銷，影響了執(zhí)行速度。

（二）面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)技術(shù)

面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)是指基于對(duì)象模型的操作系統(tǒng)。目前，已有許多操作系統(tǒng)采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)，如WindowsNT等。面向?qū)ο笠殉蔀樾乱淮僮飨到y(tǒng)的一個(gè)重要標(biāo)志。

1.面向?qū)ο蟮暮诵母拍?/p>

面向?qū)ο蟮幕舅枷胧前岩獦?gòu)造的系統(tǒng)表示成一系列對(duì)象的集合。其中的對(duì)象是指把一組數(shù)據(jù)和該數(shù)據(jù)的一些基本操作封裝在一起所形成的一個(gè)實(shí)體。面向?qū)ο蟮暮诵母拍畎ㄒ韵聨讉€(gè)方面：

（1）封裝。在面向?qū)ο笾校庋b的含義是將一個(gè)數(shù)據(jù)集和與這個(gè)數(shù)據(jù)有關(guān)的操作封裝在一起，形成一個(gè)能動(dòng)的實(shí)體，即對(duì)象。封裝要求對(duì)象內(nèi)部的代碼和數(shù)據(jù)受保護(hù)。

（2）繼承。繼承是指一些對(duì)象可以繼承另一些對(duì)象的功能和特征。

（3）多態(tài)性。所謂多態(tài)性是指一個(gè)名字多種語(yǔ)義，或相同界面多種實(shí)現(xiàn)。多態(tài)性在面向?qū)ο笳Z(yǔ)言中是由重載和虛函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

（4）消息。消息是對(duì)象之間相互請(qǐng)求和相互合作的途徑。一個(gè)對(duì)象通過(guò)消息激活另一對(duì)象。消息中一般包含有請(qǐng)求對(duì)象的標(biāo)識(shí)和完成該工作所必須的信息。

2.面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)

在面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)中，對(duì)象作為一種并發(fā)單位，所有系統(tǒng)資源，包括文件、進(jìn)程、內(nèi)存塊等都被認(rèn)為是一種對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)資源的所有操作都是通過(guò)使用對(duì)象服務(wù)來(lái)完成的。

面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以減少操作系統(tǒng)在其整個(gè)生命期內(nèi)所做修改時(shí)對(duì)系統(tǒng)本身的影響。例如，如果硬件發(fā)生了變化，將迫使操作系統(tǒng)也作出改動(dòng)，在這種情況下只要改變代表該硬件資源的對(duì)象和對(duì)該對(duì)象進(jìn)行操作的服務(wù)即可，而那些僅使用該對(duì)象的代碼則不需改變。

（2）操作系統(tǒng)對(duì)其資源的訪問(wèn)和操縱是一致的。操作系統(tǒng)生成、刪除和引用一個(gè)事件對(duì)象，與它生成、刪除和引用一個(gè)進(jìn)程對(duì)象采用相同的方法，即都是通過(guò)使用對(duì)象句柄來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所謂對(duì)象句柄，是指進(jìn)程指向的一個(gè)特定對(duì)象表中的表項(xiàng)。

（3）操作系統(tǒng)的安全措施得以簡(jiǎn)化。由于所有對(duì)象都采用同樣的保護(hù)方式，那么當(dāng)某人試圖訪問(wèn)一個(gè)對(duì)象時(shí)，安全系統(tǒng)就介入并核準(zhǔn)操作，而不管這個(gè)對(duì)象是什么。

（4）對(duì)象為進(jìn)程之間分享資源提供了方便和一致性的手段。對(duì)象句柄被用來(lái)處理所有類型的對(duì)象。操作系統(tǒng)可以通過(guò)跟蹤一個(gè)對(duì)象有多少個(gè)句柄被打開(kāi)，來(lái)決定該對(duì)象是否仍在使用中。當(dāng)它不再使用時(shí)，操作系統(tǒng)就可以刪除該對(duì)象。

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