計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能探討

李毓博

摘 要：計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)整合管理計(jì)算機(jī)的硬件資源、軟件系統(tǒng)使計(jì)算機(jī)根據(jù)指令進(jìn)行工作。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，使人們對(duì)計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)提出了更高的要求，要求計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)更加人性化、人機(jī)界面更加友好、操作系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、安全、可靠，并且要求操作系統(tǒng)占用更少的空間，提高計(jì)算機(jī)的整體性能，并能夠不斷為計(jì)算機(jī)縮小體積和重量，使計(jì)算機(jī)更加便于攜帶已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的方向之一。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)；功能

中圖分類(lèi)號(hào)：TP316

操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)的核心組成部分，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。自計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，人們一直致力于研究和革新計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，不斷挑戰(zhàn)實(shí)用性和完美性的計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)的結(jié)合。計(jì)算機(jī)的種類(lèi)繁多，包括個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、大型計(jì)算機(jī)、超計(jì)算機(jī)等，應(yīng)用范圍也不同，從個(gè)人使用、辦公、科學(xué)研究、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、工業(yè)自動(dòng)化控制等等。而不同的計(jì)算機(jī)，不同的應(yīng)用范圍都需要不同的操作系統(tǒng)支持計(jì)算機(jī)在各自領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能也必須不斷更新和進(jìn)步。此外，計(jì)算機(jī)的硬件技術(shù)也不斷發(fā)展，高度集成化、智能化的技術(shù)不斷應(yīng)用到計(jì)算機(jī)硬件的研發(fā)中，短短數(shù)十年，計(jì)算機(jī)的CPU從單核發(fā)展到雙核、多核，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了8核的CPU。此外，計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)容量和顯卡控制系統(tǒng)也不斷更新，存儲(chǔ)量和存儲(chǔ)效率不斷提高，以滿(mǎn)足更高的用戶(hù)需求標(biāo)準(zhǔn)。例如十年前，一部高清DVD格式的電影也就500mb左右，而現(xiàn)今的高清電影動(dòng)輒十幾個(gè)G，因此計(jì)算機(jī)硬件也不得不跟上時(shí)代發(fā)展的需要。在此情況下，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展技術(shù)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的必要，也是不斷滿(mǎn)足用戶(hù)需求，為用戶(hù)提供更加高效、快捷的計(jì)算機(jī)需求的必然[1]。

1 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展

1946年世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)在美國(guó)誕生，半個(gè)世紀(jì)來(lái)，計(jì)算機(jī)不斷進(jìn)化、發(fā)展，已經(jīng)成為近代社會(huì)對(duì)世界影響最大的發(fā)明之一。計(jì)算機(jī)的進(jìn)化過(guò)程中不斷以提高運(yùn)算速度、縮小體積、增大容量為發(fā)展動(dòng)力，整個(gè)發(fā)展過(guò)程不僅要求計(jì)算機(jī)硬件不斷應(yīng)用新技術(shù)不斷發(fā)展，同時(shí)也要求能適應(yīng)硬件發(fā)展需求和計(jì)算機(jī)進(jìn)化需要的操作系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)誕生之初并沒(méi)有操作系統(tǒng)，人們通過(guò)各種按鈕來(lái)控制計(jì)算機(jī)，隨著計(jì)算機(jī)功能的不斷增加，應(yīng)用范圍不斷增大，傳統(tǒng)的按鈕已經(jīng)不能滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)操作的需要。后來(lái)，科學(xué)家們研究了針對(duì)計(jì)算機(jī)控制其工作的匯編語(yǔ)言，這種匯編語(yǔ)言是計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的雛形。操作者將匯編語(yǔ)言打制成有孔的紙帶，并輸入計(jì)算機(jī)中，供計(jì)算機(jī)編譯。此后，為了更好的使計(jì)算機(jī)運(yùn)行和管理應(yīng)用程序，科學(xué)家們通過(guò)不斷研究發(fā)明了操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)程序的控制和共用，能夠?qū)τ?jì)算機(jī)的硬件資源進(jìn)行高效管理，同時(shí)得益于集成電路技術(shù)的高度發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)開(kāi)始走向了改變世界的開(kāi)始。

計(jì)算機(jī)發(fā)展至今，已經(jīng)成為一門(mén)完整的學(xué)科，它的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，已經(jīng)成為現(xiàn)代信息社會(huì)的基礎(chǔ)。二十一世紀(jì)是信息時(shí)代，信息時(shí)代離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)的支撐，無(wú)論是大型計(jì)算機(jī)還是微型計(jì)算機(jī)，必須有硬件和軟件共同組成，硬件技術(shù)隨著機(jī)械、電子技術(shù)的發(fā)展不斷前進(jìn)，而軟件技術(shù)中的最重要的組成部分—操作系統(tǒng)也必須不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)，不斷開(kāi)發(fā)新的功能，以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的需要。

2 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)作為典型的軟件，是具有特殊結(jié)構(gòu)的知識(shí)產(chǎn)品。軟件的結(jié)構(gòu)是軟件功能和操作方式的體現(xiàn)，是反映計(jì)算機(jī)硬件程序的客觀存在。由于客觀世界的不斷變化，軟件系統(tǒng)作為為客觀事物服務(wù)的系統(tǒng)，也必須不斷改變，以適應(yīng)新的需求和新的技術(shù)進(jìn)步。軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了軟件的功能和性能，是計(jì)算機(jī)軟件工程師們一直研究的問(wèn)題，而計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)作為大型的軟件結(jié)構(gòu)，需要更科學(xué)、強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常有整體式結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)、模塊結(jié)構(gòu)和內(nèi)核結(jié)構(gòu)等部分組成，以下分別介紹各個(gè)結(jié)構(gòu)的功能與特性。

2.1 模塊組合結(jié)構(gòu)

模塊組合結(jié)構(gòu)在早期的開(kāi)發(fā)思路是“各司其責(zé)”。結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)為早期的模塊組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了開(kāi)發(fā)思路，在設(shè)計(jì)模塊化的組合結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)人員為了響應(yīng)多通道程序同時(shí)運(yùn)行的需求，設(shè)計(jì)了“進(jìn)程”的系統(tǒng)概念，并且設(shè)計(jì)了分時(shí)系統(tǒng)。在操作系統(tǒng)中首次應(yīng)用了虛擬存儲(chǔ)器的概念，使當(dāng)時(shí)內(nèi)存較小的計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序。為了更加優(yōu)化系統(tǒng)多進(jìn)程問(wèn)題，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了條件變量機(jī)制，并且針對(duì)結(jié)構(gòu)中核內(nèi)實(shí)體間的不安全因素提出了權(quán)能系統(tǒng)，典型的基于權(quán)能的系統(tǒng)如Hydra、EROS等[2]。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，模塊之間的交互影響越來(lái)越繁瑣，模塊組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)大型操作系統(tǒng)的發(fā)展需要，于是科學(xué)家們開(kāi)始尋找更加高效的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，在此情況下，分層結(jié)構(gòu)和層次結(jié)構(gòu)開(kāi)始應(yīng)運(yùn)而生了。

2.2 層次結(jié)構(gòu)

層次機(jī)構(gòu)是解決系統(tǒng)中多程序同時(shí)運(yùn)行占用共享資源的矛盾的重要解決思路。在進(jìn)程分層結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)按照依賴(lài)關(guān)系分層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，下層模塊為上層模塊提供功能結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用其更下層的模塊提供的接口來(lái)為本層的系統(tǒng)服務(wù)，通過(guò)嚴(yán)格的層次調(diào)用，規(guī)定只能由上層模塊調(diào)用下層模塊，制約了模塊結(jié)構(gòu)中的系統(tǒng)交互，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單明了。而層次結(jié)構(gòu)中也因?yàn)檫^(guò)多的層次降低了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能，同步分散，導(dǎo)致任務(wù)控制存儲(chǔ)資源浪費(fèi)較大，同時(shí)無(wú)限制的分層使系統(tǒng)膨脹化?；趯哟谓Y(jié)構(gòu)中的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，上世紀(jì)80年代后期，科學(xué)家們根據(jù)模塊結(jié)構(gòu)和層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，研究出了微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，試圖用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)解決層次結(jié)構(gòu)中的一系列問(wèn)題。

2.3 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)

微內(nèi)核結(jié)構(gòu)又叫服務(wù)器與客戶(hù)結(jié)構(gòu)。在此機(jī)構(gòu)中，絕大部分的系統(tǒng)服務(wù)用于空間執(zhí)行，系統(tǒng)中的基本功能在內(nèi)核模式下運(yùn)行，其它服務(wù)都以進(jìn)程的形態(tài)與用戶(hù)存在于特權(quán)級(jí)中。內(nèi)核中的基本功能包括線程管理、空間映射、中斷處理、異常處理、和消息機(jī)制的任務(wù)通信。微內(nèi)核機(jī)制的有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如內(nèi)核精簡(jiǎn)，可移植性好；穩(wěn)定性、安全性好；易于維護(hù)；可擴(kuò)縮性好，直接支持分布式應(yīng)用。而早期的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)并不被業(yè)界看好，因?yàn)檫M(jìn)程間的通信都通過(guò)微內(nèi)核，是通信切換開(kāi)銷(xiāo)過(guò)于復(fù)雜。指導(dǎo)二十世紀(jì)九十年代后期，科學(xué)家們提出了第二代微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的思想，針對(duì)IPC機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化，極大地提高了系統(tǒng)的性能，微內(nèi)核結(jié)構(gòu)才開(kāi)始被廣泛應(yīng)用。

截至到現(xiàn)在，模塊組合結(jié)構(gòu)、整體式結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)仍然在不同的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中被應(yīng)用，因?yàn)檫@幾種結(jié)構(gòu)都具有自身的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有各自的缺陷，因此適用于不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。層次結(jié)構(gòu)從縱向管理操作系統(tǒng)，是“垂直結(jié)構(gòu)”，主要特點(diǎn)是低層服務(wù)與高層；微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是橫向管理操作系統(tǒng)，是“水平結(jié)構(gòu)”，兩種結(jié)構(gòu)都可以應(yīng)用于虛擬操作系統(tǒng)，是分別面向過(guò)程和面向指令的操作系統(tǒng)。

3 操作系統(tǒng)的功能

操作系統(tǒng)的主要功能如下：

3.1 系統(tǒng)管理功能

（1）進(jìn)程管理功能，通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)度使用戶(hù)在單任務(wù)下，采用獨(dú)占的方式運(yùn)用處理器處理任務(wù)，在多程序和多任務(wù)下使用處理器調(diào)度任務(wù)、分配任務(wù)和資源并回收任務(wù)[3]。

（2）存儲(chǔ)管理分為幾種功能：存儲(chǔ)分配、存儲(chǔ)共享、存儲(chǔ)保護(hù)、存儲(chǔ)擴(kuò)張。

（3）設(shè)備管理分有以下功能：設(shè)備分配、設(shè)備傳輸控制、設(shè)備獨(dú)立性。

（4）文件管理：文件存儲(chǔ)空間的管理、目錄管理、文件操作管理、文件保護(hù)[4]。

（5）作業(yè)管理是負(fù)責(zé)處理用戶(hù)提交的任何要求。

3.2 協(xié)調(diào)功能

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)還具備協(xié)調(diào)功能，系統(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)資源，協(xié)調(diào)資源使用過(guò)程中的關(guān)系，合理調(diào)度各種計(jì)算機(jī)資源，使高速設(shè)備和低速設(shè)備都能充分發(fā)揮作用。

3.3 提供系統(tǒng)環(huán)境

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為用戶(hù)提供使用計(jì)算機(jī)的環(huán)境，而非原始計(jì)算機(jī)的按鈕操作或打孔紙條程序，使用戶(hù)在友好的界面下向計(jì)算機(jī)發(fā)布各種命令，實(shí)現(xiàn)各種功能。操作系統(tǒng)通過(guò)自身程序，將計(jì)算機(jī)的硬件資源和軟件資源的具體資源抽象化、形象化，并表現(xiàn)出來(lái)，使用戶(hù)能夠快捷方便地使用計(jì)算機(jī)滿(mǎn)足自身需求[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

二十一世紀(jì)是信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)是信息時(shí)代的支撐基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)必須不斷創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和功能，滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)時(shí)代、信息時(shí)代的不斷更新的需求，滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展和各行各業(yè)的應(yīng)用的需要，才能開(kāi)發(fā)出更科學(xué)完善的、人性化的、實(shí)用性更強(qiáng)的操作系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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