計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展

摘 要：隨著操作系統(tǒng)的新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，用戶(hù)的需求也隨之增多，于是系統(tǒng)不斷膨脹，功能不斷增加，并逐漸形成從開(kāi)發(fā)工具到系統(tǒng)工具再到應(yīng)用軟件的一個(gè)平臺(tái)環(huán)境。本文主要針對(duì)操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)發(fā)展中的核心地位和技術(shù)變革作出了分析，同時(shí)對(duì)算機(jī)操作系統(tǒng)的功能，發(fā)展和分類(lèi)做了簡(jiǎn)單的分析和闡述。

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(lèi)號(hào)：G623.58 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2014）-08-00-01

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)核與基石，它肩負(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、連接網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)文件系統(tǒng)等基本事務(wù)。操作系統(tǒng)通過(guò)管理硬件資源和軟件資源，控制程序運(yùn)行，最大限度地發(fā)揮計(jì)算機(jī)功能，為用戶(hù)提供服務(wù)。目前的操作系統(tǒng)種類(lèi)繁多，很難用單一標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一分類(lèi)。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：管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件、軟件等各種資源，發(fā)揮計(jì)算機(jī)的自動(dòng)工作效率；協(xié)調(diào)使用過(guò)程中各種資源的關(guān)系， 合理調(diào)度各類(lèi)設(shè)備運(yùn)行；為用戶(hù)提供易用的控制界面，方便使用計(jì)算機(jī)的各項(xiàng)功能。

（二）操作系統(tǒng)的發(fā)展：操作系統(tǒng)原為提供簡(jiǎn)單的工作排序能力，后為輔助管理更復(fù)雜的硬件設(shè)施而逐漸強(qiáng)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(lèi)似于此。

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(hù)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(hù)必須是非常專(zhuān)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(hù)提交的程序進(jìn)行管理的監(jiān)控程序和批處理軟件。3、多程序系統(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(zhuān)門(mén)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(chēng)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。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便捷。

二、操作系統(tǒng)新技術(shù)

隨著操作系統(tǒng)不斷發(fā)展，它的新技術(shù)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)突出思想是把系統(tǒng)中更多的成分和功能放到更高的層次（即用戶(hù)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，這就是微內(nèi)核技術(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)進(jìn)程形式存在；（3）在內(nèi)核之外的用戶(hù)空間中包括所有進(jìn)程。這些進(jìn)程之間是客戶(hù)/服務(wù)器模式。

3、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。

4、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)。

（1）進(jìn)程間通信機(jī)制：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，進(jìn)程的消息通信一般是通過(guò)端口展開(kāi)。（2）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(hù)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：

當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)識(shí)別中斷；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；把中斷轉(zhuǎn)換成一個(gè)消息；把消息發(fā)給用戶(hù)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、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：安全可靠，統(tǒng)一的接口方式，獨(dú)立靈活的模塊結(jié)構(gòu)，較強(qiáng)的升級(jí)擴(kuò)展能力和跨平臺(tái)兼容性，同時(shí)提供了對(duì)分布式系統(tǒng)的支持。

6、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)程需要模式轉(zhuǎn)換和進(jìn)程地址空間的開(kāi)關(guān)，這就增加運(yùn)算量，影響執(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)。

1、面向?qū)ο蟮暮诵母拍睿好嫦驅(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?，封裝的含義是將一個(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。

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）可以減少修改操作系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)本身的影響。（2）操作系統(tǒng)的安全措施得以簡(jiǎn)化。（3）對(duì)象為進(jìn)程之間分享資源提供了便利。

三、結(jié)束語(yǔ)

在過(guò)去的幾十年里操作系統(tǒng)發(fā)生了革命性的變化：技術(shù)創(chuàng)新、用戶(hù)體驗(yàn)升級(jí)、應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展、功能不斷完善。同過(guò)去的幾十年一樣，在未來(lái)的20年操作系統(tǒng)也將發(fā)生巨大的變化。我們現(xiàn)在使用的操作系統(tǒng)已經(jīng)比較完善，相信以后的操作系統(tǒng)技術(shù)仍將逐步提高，使得操作更加簡(jiǎn)便快捷。我也相信在未來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)會(huì)我們生活更加豐富多彩。