计算机工作枢纽——操作系统 综述.docx

计算机工作枢纽操作系统摘 要 从电子计算机被发明至今，计算机操作系统（OS, Operating System）一直扮演着很重要的角色。没有操作系统的帮助，使用计算机将是一件非常困难的事情。操作系统是计算机硬件系统和用户（其他软件和人）之间的接口，它使得用户能够方便地操作计算机，并且能有效地对计算机软件和硬件资源进行管理和使用167-68。操作系统一般可分为实时、单用户单任务、单用户多任务、多用户多任务、分布式以及并行系统六种。常见的操作系统有Windows系列、Unix、Mac OS、Linux和移动设备操作系统。Abstract Since the electronic computer was invented, the computer Operating System has been playing an important part in this process. Without the assistant of OS, it can be very difficult for us to operate the computer. OS is the interface between the computer hardware and the user, or rather the interface between other software and people, it enables users to operate the computer more easily, as well as managing and using the hardware and software resource in an effective way 167-68. In general, OS can be divided into six different types: RTOS (Real-Time Operating System), Single-user Single-Tasking OS, Single-user Multi-Tasking OS, Multi-user Multi-Tasking OS, Distributed OS and Parallel OS. The Windows series，Unix, Mac OS, Linux and mobile operating system are all common operating systems.关键词 操作系统 Windows 引 言 操作系统（OS, Operating System）是控制和管理计算机硬件和软件资源，合理组织计算机工作流程以及方便用户使用计算机的大型系统软件2。操作系统最核心的功能是管理计算机资源。操作系统使计算机的硬件软件资源的到最大限度的利用，不同的操作系统为用户提供了多种多样的用户界面，使用户有一个良好的工作环境。因此可以说操作系统是计算机中最重要的程序之一。本文通过参考大量的相关专业书籍及论文，在诸多研究的基础上梳理操作系统的发展脉络，介绍操作系统的基本构成以及基本功能，并简要介绍当今最常见的几种操作系统。最后使读者对计算机的工作枢纽操作系统有一个较为清晰而基本的认识。在此基础上思考操作系统面临的问题和以后的发展方向。1 操作系统的发展历程操作系统一直是伴随着计算机的发展而发展的。我们知道计算机的发展历程大致可分为四个阶段，即第一代、第二代、第三代和第四代。操作系统的发展历史也可据此分为四个阶段：1 第一代电子管计算机时代（1946-1955）。从1946年第一台电子计算机ENIAC诞生到1955年。这一阶段由于计算机水平落后，性能不高，计算机在进行作业的过程中需要大量的人工干预。这一阶段严格上来说并不属于操作系统的发展阶段，因为根本就没有操作系统这个概念。在这一时期仅仅只是有了程序这一概念而已。但这也为后来人们为了使计算机能更方便地为人所用而设计出操作系统做了铺垫。2 第二代晶体管计算机时代（1956-1965）。1947年，晶体管由著名的Bell实验室发明出来。晶体管的出现开辟了电子时代的新纪元。它使计算机硬件的规模和成本显著降低的同时显著提高了效率和可靠性。由于当时的计算机还是过于昂贵，人们开始考虑如何最大限度地提高设备的利用率，因此出现了批处理操作系统的概念。第一个批处理操作性在20世纪50年代中期由General Motors开发出来，并应用在IBM701上。这种操作系统的做法是把若干个作业合成一批，用一台或多台小型的卫星机把这批作业输入到磁带上，然后将这盘磁带装到主机的磁带机上，由主机的监督程序把磁带上第一个作业调入主存中执行，待其终止后再依次调入下一个作业。3 第三代集成电路与多道程序设计时代（1966-1980）。在这一时期，集成电路（Integrated Circuit, IC）代替了分立元件。集成电路把多个电子元器件集中在几平方毫米的基片上形成的逻辑电路，大大缩小了计算机的体积和运算速度。同时出现了多道程序设计技术，形成了多批道处理系统，即在内存中可同时存在若干道作业，可通过一定的作业调度算法来使用CPU，作业执行的次序与进入内存的次序无严格的对应关系。多批道处理系统提高了计算机的效率。但是程序员们希望能直接与计算机交互并及时得到响应，这种需求导致了分时（Time Sharing）系统的出现。分是系统具有多路性、交互性、独占性和及时性的特征。1962年第一个分时操作系统CTSS（Compatible Time Sharing System）由麻省理工学院（MIT）开发出来。它能支持32个交互式用户同时工作。而著名的UNIX操作系统也属于分时操作系统。此外，在这一阶段出现了微型计算机，早期的微机主要使用单用户单任务桌面系统如CP/M、CDOS、MDOS和早期的MS-DOS等系统。4 第四代计算机时代（1981-现在）。第四代计算机使用了大大改善的集成电路，通常包含几十万到上百万个晶体管，即大规模集成电路（Large Scale Integrated Circuit, LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated Circuit, VLSI）。微机和个人计算机开始普及。这一时期的操作系统种类多样。有适用于大型主机的专用指令系统如IBM的MVS、OS/390、VSE等，也有适用于超级计算机的UNIX或类UNIX操作系统（如Linux）。微机的普及促进了桌面系统的开发。此时的微机操作系统开始支持单用户多任务和分时操作。随后，桌面系统进一步发展，开发出了图形用户接口（Graphical User Interface, GUI）。这一阶段著名的操作系统有Windows、OS2、Mac OS和Linux等。这些操作系统具有图形用户接口、多用户和多任务、虚拟储存管理、网络通信支持、数据库支持、多媒体支持和应用编程支持API等功能。且随着网络的发展，开始出现了网络操作系统（Network Operating System）、分布式操作系统（Distributed Operating System）、嵌入式操作系统（Embedded Operating System）和手持系统（Handheld System）等33-10。2 操作系统的功能操作系统最核心的功能是管理计算机资源。操作系统位于底层硬件与用户应用程序之间，是两者沟通的桥梁，也是计算机系统的第一层软件。以现代观点而言，一个文山的计算机操作系统应该至少提供以下六种功能4：1进程管理（Process Management）。其本质是对计算机CPU的管理。操作系统需要有效协调计算机系统内的一个或者多个CPU。为了提升CPU的利用率，现代的操作系统引进了线程和进程等概念，先把用户程序划分成逻辑上独立的执行线索，然后按照一定的算法或规则，给这些执行线索分配CPU资源，来完成计算任务。2内存管理（Memory Management）。即管理计算机的随机访问内存（RAM）。操作系统需要按照应用程序的需求来分配内存，其管理原则是：尽量保证能够满足应用程序的内存需求，同时确保内存的使用效率。3文件系统（File System）。即将计算机中的软件资源以文件形式保存在外存上，并由操作系统进行组织和管理的系统5。本质上是外部储存器的管理。4用户界面（User Interface）。用户界面提供了计算机系统与用户的接口，方便用户使用计算机。包括字符模式的命令行界面和图形模式的图形用户接口（Graphical User Interface, GUI）。本质是对显示设备和输入设备的管理5设备管理（Device Management）。对计算机中的所有外部设备（I/O）设备的管理6140。6网络协议（Network Protocol）。网络的发展要求计算机操作系统能够提供多种多样的网络接口方式，同时能够提供符合国际标准的网络协议栈。3 操作系统的分类操作系统有很多不同的分类方法，这里按照其使用环境和对程序执行的处理方式将其分为6类168-70:1. 实时操作系统（Real-Time Operating System）。“实时”是指对随即发生的外部事件做出及时的响应并对其进行处理。所谓外部是指来自于计算机系统相连接的设备所提出的服务要求和采集数据。这些随机发生的外部事件并非由于人来启动和直接干预而引起的。实时系统通常包括实时过程控制和实时信息处理两种系统。与批处理系统和分时系统不同，实时系统属于专用系统。没有“作业”和“道”的概念，只有固定的若干“任务”程序。实时系统对外部事件的响应十分及时迅速，同时非常可靠。实时操作系统广泛应用于自动控制、实验过程控制、导弹发射控制和票证预订管理等方面。2. 单用户单任务操作系统（Single-user Single-Tasking OS）。即计算机只能由一个用户使用，且一次只能执行一个任务。早期PC机的DOS（Disk OS）系统就是这种单用户单任务操作系统。这种系统的优点是对计算机硬件的要求不高，但缺点是效率低下。当时的计算机硬件功能还不够强大，CPU的运算速率也很慢，这种低效率的单用户单任务操作系统也是为了适应这种状况168。3. 单用户多任务操作系统（Single-user Multi-Tasking OS）。这种系统仍然只支持一个用户使用计算机，但允许同时执行多个任务。这也是目前PC机上最常见的操作系统。Windows、Mac OS等著名操作系统都是单用户多任务操作系统。多任务是一种分时技术。分时是指将具有运行能力的资源的时间划分成很小的片段，称为时间片，这些时间片按照一定的规则被分配给需要它的程序，或者说是若干程序以时间片的方式共享资源的运行时间。分是系统具有多路性、独立性、及时性和交互性等特点8。4. 多用户多任务操作系统（Multi-user Multi-Tasking OS）。操作系统允许多个用户使用一台计算机，并且支持每个用户的任务处理。这种系统在计算机硬件资源比较昂贵的年代比较流行。这种结构最终演变成网络服务器。最早的操作系统UNIX就是多用户多任务操作系统。5. 并行系统（Distributed Operating System）。并行系统除了完成单一处理器系统同样的作业与进程控制任务之外，还必须能够协调系统中多个处理器同时执行不同的作业和进程，或者在一个作业中由不同处理器进行处理的系统协调。它使针对计算机系统的多处理器要求设计的。并行系统需要解决“负载平衡”和“缩放”等问题。在多处理器计算机张，操作系统也需要调度和协调计算机的其他资源，如储存器。并行系统就是要在体系结构上充分发挥系统的效率。因此，并行操作系统成了目前重点研究对象169-70。6. 分布式系统（Parallel Operating System）。分布式擦着系统用于管理分布式系统资源。分布式计算机系统的资源分布于系统的不同计算机上，分布式操作系统需要在系统的各台计算机上搜索，找到所需资源后进行分配。对于有些资源还必须考虑一致性。分布式操作系统还需要支持并行处理，它要求要有更高的通信速度。分布系统的结构也不同于其他操作系统，分布于系统的各台计算机上，能并行处理用户的各种需求，有较强的容错能力9。网络操作系统（Network Operating System）也属于分布式系统。4 操作系统的结构根据内核的大小和功能以及操作系统中不同组件的组织情况，可以组成不同的操作系统，一般可将操作系统的结构分为三类310-13：1. 整体结构的操作系统结构图1 MS-DOS层次结构整体结构的操作系统设计思想是早期操作系统设计中所采用的方法，它并没有明确的操作系统烦人结构定义和划分，这里以MS-DOS为例。MS-DOS系统的设计目标是利用最小的空间提供最多的功能，因此没有仔细划分模块，模块在没有限制的情况下可以任意地调用其他模块。由于整体结构的操作系统的应用程序和底层硬件之间没有太多接口，所以这种类型的操作系统结构紧密，接口简单直接，系统效率较高，具有良好的性能。但同时，这种结构的模块独立性差，容易形成复杂的调用关系，使得增强或维护这样的操作系统很困难。2. 分层操作系统结构层次结构力求使模块间的调用由无序性转变成有序性。它将操作系统分成比原来MS-DOS和UNIX中更小更适合的模块。采取自顶向下的方法，把操作系统的所有功能模块按功能流图的调用次序，分别将操作系统的模块分为多个互相叠加的层次，这些模块排列成若干层，各层之间的模块只能是单向依赖或单向调用关系，最底层和底层硬件交互，最高层则为应用程序/用户提供接口。它的优点有：（1）它把复杂的整体问题分解为若干个比较简单的相对独立的成分，增加了系统的可读性和可适应性，简化了系统的设计和实现。（2）易于对操作系统增加或替换掉一层而不影响其他层，同时保持接口不变。它易于调试、修改、扩充、维护和保证正确性。但是同时它的缺点也很明显：（1）操作系统的效率不高（2）层的定义较困难。典型的分层结构操作系统有VAX/VMS、UNIX等。图23. 微内核结构图3 微内核结构微内核的设计思想是：将操作系统划分成小的、定义良好的模块，但哪些模块应该保留在内核内，而哪些在内核外实现，并没有定论。微内核通常只提供了最基本的操作系统功能。在这种机制下，内核的大小显著降低。在内核外部实现的系统程序或用户级程序提供了其余的操作系统服务，这些系统被称为服务器。应用程序和不同的服务器通过传递给微内核的消息进行通信，微内核验证消息，然后再操作系统的不同模块间传送消息，并允许对硬件进行访问。微内核结构的优点众多：（1）良好的扩充性。添加服务器就可以增加新的服务种类而不需要修改内核（2）可靠性好。若某个服务器出现问题，只需重新配置该服务器而不必重启整个系统（3）高灵活性。内核与服务器分隔，使用单个微内核就可以构造出满足不同操作系统（4）可移植性强。同时，它也有难以克服的缺陷：系统开销大，第一代的微内核效率较低速度较慢，内存占用大。典型的微内核型操作系统有Minix、Tru64 UNIX、Mac OS X等。5 常见的操作系统1 Windows系列图4 Net Applications 公司2014年12月公布的调查数据在现今的微机系统中，Microsoft公司的Windows系列操作系统占有绝对的市场份额。根据最新的数据，Windows系列占据了 91.45%的市场份额10。图5 Net Applications 公司2014年12月公布的调查数据Windows系统基于图形用户界面和支持即插即用等特性，运用了多种先进的技术，如内存交换技术，多线程技术等。Windows也能处理多媒体信息，内置多种网络协议，使用户能容易地使用局域网和因特网。同时Windows也提供了应用程序接口(API)、设备驱动程序开发工具，为开发基于Windows的应用程序提供了极大地便利180。Windows系列的主要产品有Windows1.03、2.0、3.0、3.1、95、98、NY、2000系列、XP、2003、Vista、2008、7、8、8.1和最新发布的10。2. UNIXUNIX是一种多用户操作系统，于1969年诞生于美国贝尔实验室，由于其最初的简介易于移植等特点很快得到注意、发展和普及，成为从微型机跨越到巨型机范围的唯一操作系统。最早的UNIX具有内核结构小乔、接口简洁统一、功能丰富实用、用高级语言编写、可移植性好和源代码免费开放等优点。但后期的UNIX变得越来越庞大、复杂和笨拙。同时也有内核可扩容性不强、缺乏图形界面、接口对初学者和普通用户不友好等缺点618。现在UNIX主要应用于较大规模的计算机。典型的UNIX系统有：SVR4, BSD, Solaris, AIX, HP UX等。3. Mac OSMac OS是Apple公司为其Macintosh系列计算机设计的操作系统，它早于Windows,并且是基于GUI的。Mac OS被认为是最好的图形处理系统。Mac OS的内核是基于UNIX的，系统的稳定性和可靠性都很高。由于Mac OS系统在一般的计算机上无法安装，这也限制了它自身的发展。即使如此，Mac OS系统还是占据了第二的市场份额。4. LinuxLinux是一个开放源代码的类UNIX系统，是一个免费的系统。与UNIX一样，Linux也采用单内核结构。它具有以下基本特征11：（1） 单内核（2） 支持内核线程（3） 虚拟内存管理为不同的硬件平台提供统一的接口（4） 支持虚拟文件系统（5） Linux的可加载模块机制使得内核保持独立又易于扩充Linux被认为是一种高性能、低开支的、可以替换其他昂贵操作系统的软件。但是由于是免费系统，缺少维护，所以需要更多的修补。现在流行的Linux版本有Red Hat Linux,我国的红旗Linux、蓝点Linux等。4. 移动设备操作系统图6 Net Applications 公司2014年12月公布的调查数据近几年无线通信技术和硬件设施的发展神速，智能手机几乎已经普及。移动设备的飞速发展必须要有软件的支持，各种应用在移动端上的操作系统也如同雨后春笋一样涌现出来，这之中最为著名的操作系统当属Apple公司的iOS和Google公司的Android系统。根据Net Applications 公司2014年12月发表的报告，现在的移动设备操作系统的市场份额主要被这两种操作系统占领12:其他的移动操作系统还有像Palm公司开发的Palm OS，Microsoft公司开发的Windows Mobile系统，还有Symbian OS（塞班系统）。这些系统各有长短，也都分别应用在不同的智能手机上。6 结语操作系统作为用户与硬件之间的接口，在计算机中无疑是极为重要的软件。随着硬件技术的发展，操作系统也在与时俱进。目前在操作系统这个大家族中已经有了各种特色各异，功能强大的成员，但是无论是霸占大部分市场份额的Windows系列，还是虽然小众但是也别具一格的Mac OS系统，或是免费的UNIX、Linux系统，都有着各自的缺陷，仍然需要持久的发展。此外，计算机的安全性问题也有待解决。目前市场上的大多数病毒都是针对Windows系统设计的，这也无可避免。但是现代信息社会中，电脑可谓是人们必备的