淺析計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)及其發(fā)展

李繼紅

摘要：從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)上看操作系統(tǒng)是安裝在硬件設(shè)備上的第一層軟件，是對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的首次擴(kuò)充，操作系統(tǒng)管理著各種軟硬件資源，對(duì)于提高計(jì)算機(jī)硬件的利用率和系統(tǒng)的吞吐量起著至關(guān)重要的作用。借助操作系統(tǒng)，用戶得以用更便捷的方式實(shí)現(xiàn)同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的交互，極大的方便了用戶，提高了工作效率。下面主要從系統(tǒng)類型和系統(tǒng)功能上對(duì)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行說明。

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

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和需求的不斷更新，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)肯定也會(huì)隨之變化，目前操作系統(tǒng)正向著便捷化，智能化，安全化和專用化的方向發(fā)展。在未來操作系統(tǒng)的功能一定會(huì)更加完善，應(yīng)用的領(lǐng)域更加廣泛，迎來更偉大的革新，也必將給用戶帶來更大的便利和更好的體驗(yàn)。

一、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)概述

（一）計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的類型

根據(jù)劃分指標(biāo)的不同操作系統(tǒng)存在多種分類，當(dāng)代主流的操作系統(tǒng)分別是Windows、Unix和Linux系統(tǒng)。其中Windows系統(tǒng)是由美國(guó)微軟公司研發(fā)的一套操作系統(tǒng)，采用圖形化模式的界面，比起鍵入指令的使用方式更加人性化，已成為PC端的主流操作系統(tǒng);Unix系統(tǒng)屬于另一個(gè)流派，具有功能強(qiáng)大，安全性高，穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，但對(duì)計(jì)算機(jī)硬件配置要求很高，主要應(yīng)用于對(duì)安全性和穩(wěn)定性有更高要求的大型服務(wù)器平臺(tái);而Linux系統(tǒng)也是當(dāng)今操作系統(tǒng)中的重要成員，Linux系統(tǒng)開始是為了替代Unix而開發(fā)的，由于Linux開源免費(fèi)的優(yōu)勢(shì)，引起了很多技術(shù)人員的關(guān)注，其功能也越來越完善，在很多方面甚至已經(jīng)超越了Unix系統(tǒng)。

（二）計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的主要功能

總的來說一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括處理器、存儲(chǔ)器、1/0設(shè)備和文件，其中文件包含各種數(shù)據(jù)和程序，操作系統(tǒng)的任務(wù)就是對(duì)這些資源進(jìn)行協(xié)調(diào)管理。在處理器方面主要負(fù)責(zé)CPU的控制和管理以及進(jìn)程的處理和中斷;在存儲(chǔ)器管理上負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配和管理，保證各個(gè)作業(yè)能夠順利進(jìn)行;操作系統(tǒng)對(duì)1/0設(shè)備的管理包括設(shè)備的分配和去配、緩沖區(qū)處理、中斷處理以及設(shè)備的調(diào)度等，進(jìn)而滿足用戶的I/O請(qǐng)求;在文件管理上，操作系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)文件的組織和存取，同時(shí)配置了文件保護(hù)機(jī)制。操作系統(tǒng)的這些功能極大的提高了計(jì)算機(jī)資源的利用率，使得用戶可以便捷有效的在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行各種操作，進(jìn)而滿足用戶需求。

二、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程

（一）人工操作階段

早期的計(jì)算機(jī)沒有裝配操作系統(tǒng)，最開始是由操作員將事先已穿孔的紙帶通過輸入機(jī)完成與計(jì)算機(jī)的交互，即人工操作方式。由于人工操作方式是用戶獨(dú)占全機(jī)而且需要CPU等待人工操作，這對(duì)計(jì)算機(jī)資源是一種極大的浪費(fèi)。為改變這一問題逐漸引入了脫機(jī)輸入/輸出技術(shù)，該方式借助磁帶作為數(shù)據(jù)傳輸中介，脫機(jī)1/0技術(shù)在一定程度上提高了計(jì)算機(jī)的工作效率，但其效果是有限的。

（二）單道批處理系統(tǒng)

為了解決人機(jī)矛盾以及1/0設(shè)備同CPU之間的矛盾，單道批處理系統(tǒng)由此產(chǎn)生。這種系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)的連續(xù)處理，先通過脫機(jī)的方式把一批作業(yè)輸入到磁帶上，然后在監(jiān)督程序的控制下，完成作業(yè)的連續(xù)處理。雖然作業(yè)是成批處理的，但內(nèi)存中始終只保持一道作業(yè)，故稱為單道批處理系統(tǒng)。由于進(jìn)行I/0操作時(shí)CPU要等待很長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)在單道程序環(huán)境下，存在嚴(yán)重的內(nèi)存浪費(fèi)問題，顯然這種系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)資源的充分利用。

（三）多道批處理系統(tǒng)

多道批處理系統(tǒng)的產(chǎn)生主要是為了解決系統(tǒng)資源利用率低和系統(tǒng)吞吐量小的問題。這種系統(tǒng)在處理作業(yè)時(shí)，采用由外存到內(nèi)存的方式，即先把數(shù)據(jù)信息成批讀入到外存，隨后根據(jù)算法規(guī)則將這些數(shù)據(jù)依次調(diào)入內(nèi)存，這個(gè)過程由系統(tǒng)的作業(yè)調(diào)度程序完成。由于在內(nèi)存中裝有多道程序，能夠同時(shí)對(duì)多道進(jìn)程進(jìn)行處理，CPU利用率較單道批處理系統(tǒng)有明顯改善。多道批處理系統(tǒng)合理的利用了CPU的空檔時(shí)間，有效的提高了系統(tǒng)吞吐量。但在另一方面，這種系統(tǒng)沒有交互能力，平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，使得程序的修改和調(diào)試極不方便[1]。

（四）分時(shí)系統(tǒng)

人機(jī)交互是分時(shí)系統(tǒng)的攻關(guān)問題，而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的關(guān)鍵在于對(duì)多個(gè)用戶鍵入的命令或數(shù)據(jù)，能夠在短時(shí)間內(nèi)做到及時(shí)接收和處理。為解決這一問題分時(shí)系統(tǒng)配置了多路卡，能以很快的速度掃描各個(gè)終端，接收從終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，此外分時(shí)系統(tǒng)為每個(gè)終端配置了一個(gè)緩沖區(qū)，用于暫存用戶鍵入的指令信息。分時(shí)系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)的最大區(qū)別在于作業(yè)是直接進(jìn)入內(nèi)存的，同時(shí)采用了時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式保證用戶同作業(yè)交互的及時(shí)性。另外分時(shí)系統(tǒng)還有一個(gè)很重要的特點(diǎn)就是共享主機(jī)特性。允許用戶分別使用不同終端，彼此之間互不干擾地交互式訪問系統(tǒng)資源。分時(shí)系統(tǒng)極大地提高了資源利用率，降低了使用費(fèi)用，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)更廣泛的應(yīng)用。

（五）實(shí)時(shí)系統(tǒng)

分時(shí)系統(tǒng)基本可以滿足普通用戶的使用需求，但是要用于工業(yè)化還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這就要用到實(shí)時(shí)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)一個(gè)主要的特征是將時(shí)間作為關(guān)鍵參數(shù)，要求必須能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)外部請(qǐng)求，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)指定事件的處理。實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求系統(tǒng)具有高度可靠性，不僅可以及時(shí)地對(duì)多路現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行采集，同時(shí)還要保證彼此的獨(dú)立性和操作的交互性。為降低錯(cuò)誤發(fā)生機(jī)率，往往會(huì)采用多級(jí)容錯(cuò)機(jī)制來保障系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全。目前實(shí)時(shí)系統(tǒng)多應(yīng)用在工業(yè)武器控制系統(tǒng)和一些實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)[2]。

三、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的功能

（一）處理器管理

研究發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的主要功能為管理中央處理器。中央處理器對(duì)于計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)行起著關(guān)鍵性的決定作用，還會(huì)影響計(jì)算機(jī)的整體性能。針對(duì)單道作業(yè)、單用戶作業(yè)命令，計(jì)算機(jī)對(duì)處理器具有十分簡(jiǎn)單的管理任務(wù);針對(duì)多道程序和命令，就增加了執(zhí)行的難度，需要通過計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的應(yīng)用向各個(gè)程序合理分配中央處理器的時(shí)間。由此可以得知，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)主要是管理處理器的CPU分配和實(shí)施活動(dòng)。

（二）存儲(chǔ)管理

在存儲(chǔ)管理方面，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)主要是分配、保護(hù)和管理存儲(chǔ)器。首先，分配內(nèi)存。操作系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件、用戶程序等都存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，為了避免有沖突矛盾出現(xiàn)在系統(tǒng)和各個(gè)用戶程序存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，需要借助于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)合理分配內(nèi)存空間;其次，保護(hù)存儲(chǔ)。如果有較多的任務(wù)程序同時(shí)運(yùn)行于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，就需要通過存儲(chǔ)管理避免互相占用等問題出現(xiàn)在程序運(yùn)行過程中，且系統(tǒng)程序不會(huì)受到用戶執(zhí)行程序的影響和破壞;最后，擴(kuò)充內(nèi)存。如果計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的存儲(chǔ)容量小于用戶執(zhí)行程序，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)即可聯(lián)合管理內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部?jī)?chǔ)存器，使內(nèi)存得到有效擴(kuò)充。

（三）設(shè)備管理

隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的逐漸完善，配備了諸多類型的設(shè)備，且不同設(shè)備具有差異化的操作性能。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要控制和管理各個(gè)設(shè)備，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行需求得到滿足。首先，設(shè)備分配。用戶將使用外部設(shè)備的請(qǐng)求發(fā)送給系統(tǒng)后，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)結(jié)合分配策略，統(tǒng)一分配設(shè)備，且將相應(yīng)的使用命令提供給用戶;其次，輸入輸出控制。結(jié)合用戶的請(qǐng)求，設(shè)備管理程序能夠?qū)ν獠吭O(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)施輸入輸出操作。

（四）文件管理

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的另外一項(xiàng)重要功能是管理系統(tǒng)的各種軟件資源。計(jì)算機(jī)軟件資源包括運(yùn)行程序、運(yùn)行數(shù)據(jù)等內(nèi)容，在外存中存放，操作系統(tǒng)可以有效管理文件目錄、分配文件存儲(chǔ)空間，將便捷的操作命令提供給用戶[3]。

（五）作業(yè)管理

每一項(xiàng)獨(dú)立任務(wù)的完成都需要經(jīng)過多個(gè)加工步驟，而每一個(gè)加工步驟又可以劃分為多個(gè)作業(yè)步。其中，作業(yè)調(diào)度、控制管理是作業(yè)管理的主要內(nèi)容。具體來講，作業(yè)調(diào)度指在相應(yīng)策略的指導(dǎo)下，系統(tǒng)從多個(gè)程序作業(yè)中進(jìn)行合理選擇，將共享資源合理配備過來，使作業(yè)任務(wù)得以順利完成。先來服務(wù)策略、優(yōu)先數(shù)策略、分類調(diào)度策略等都是常用的作業(yè)調(diào)度策略。

四、各類操作系統(tǒng)的應(yīng)用

目前，操作系統(tǒng)出現(xiàn)了多樣化的類型，包括批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)等。不同系統(tǒng)具有差異化的應(yīng)用原理。

（一）批處理系統(tǒng)

具體來講，批處理系統(tǒng)指的是計(jì)算機(jī)批量處理數(shù)個(gè)作業(yè)。結(jié)合相應(yīng)的順序，系統(tǒng)組織排列多個(gè)作業(yè)，系統(tǒng)可以逐個(gè)處理各個(gè)作業(yè)。目前，單道和多道是批處理系統(tǒng)的主要類型，這種劃分依據(jù)是系統(tǒng)一次性可以調(diào)入作業(yè)數(shù)目的差異。針對(duì)某一個(gè)作業(yè)處理任務(wù)，單道系統(tǒng)會(huì)向輔助存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)其他作業(yè)，完成作業(yè)的處理任務(wù)后，將其他作業(yè)任務(wù)調(diào)用過來。

（二）分時(shí)系統(tǒng)

一般情況下，不同用戶在使用計(jì)算機(jī)時(shí)，往往會(huì)在不同的時(shí)段進(jìn)行。分時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用可以使不同用戶的需求得到有效滿足[4]。其中，時(shí)間片是分時(shí)系統(tǒng)的分時(shí)單位。分時(shí)系統(tǒng)的終端有數(shù)百個(gè)之多，諸多用戶由終端承載。用戶在操作時(shí)，分時(shí)系統(tǒng)會(huì)向各用戶合理分配CPU資源。如果用戶由其他時(shí)間片來執(zhí)行作業(yè)任務(wù)，那么就可以向其他用戶智能分配空閑的CPU資源。分時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效管理樹形工作站，高效、合理地分配資源。

（三）實(shí)時(shí)系統(tǒng)

時(shí)間驅(qū)動(dòng)是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，不管在任何時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)都可以及時(shí)響應(yīng)任何作業(yè)。目前，在人們的生活、生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用了實(shí)時(shí)系統(tǒng)。結(jié)合應(yīng)用對(duì)象的差異可以從實(shí)時(shí)處理、實(shí)際控制兩個(gè)方面來劃分實(shí)時(shí)系統(tǒng)。個(gè)人一般會(huì)采用實(shí)時(shí)處理子系統(tǒng)，而在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)采用實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)，以便提升控制的智能化程度。

（四）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的支持下，出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與分布式系統(tǒng)，能夠有效共享信息資源。一般來講，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的用戶分布在不同的地區(qū)，通過信息設(shè)施的運(yùn)用，可以在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中互聯(lián)各個(gè)用戶[5]，有效共享各種資源。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)類似于單機(jī)系統(tǒng)，能夠充分滿足多個(gè)程序在同一時(shí)段的運(yùn)行需求。分布式系統(tǒng)的構(gòu)建平等地處理了各個(gè)計(jì)算機(jī)地位的問題，無縫銜接了資源共享。

五、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

（一）專用化趨勢(shì)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，對(duì)移動(dòng)計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展起到了較大程度的促進(jìn)作用。因此，對(duì)操作系統(tǒng)的專用化提出了更高要求，需要合理分類各個(gè)部分，促使工作效率得到提升，各個(gè)區(qū)域的發(fā)展水平得到深化。未來的發(fā)展中，專用的通信設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)。雖然嵌入式操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)十分類似，但是會(huì)獨(dú)立于其他領(lǐng)域。在人們的生活應(yīng)用中，利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)即可管理控制家中所有電器，有效互聯(lián)互通家庭電器，從而更大程度地方便人們的生活。

（二）小型化趨勢(shì)

過去的計(jì)算機(jī)體型十分龐大，之后逐步縮小，筆記本電腦、掌上電腦等開始出現(xiàn)。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)也是如此，目前通用操作系統(tǒng)依然有較大的規(guī)模，存在著諸多的弊端。在未來的發(fā)展中，為了滿足人們的多樣化需求，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的規(guī)模將會(huì)日趨減小。特別是納米技術(shù)的出現(xiàn)和成熟，更是促進(jìn)了操作系統(tǒng)小型化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（三）網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)

在人們的生活和工作中，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為重要的組成部分。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源共享的依賴性將會(huì)逐步增強(qiáng)。未來發(fā)展中，網(wǎng)絡(luò)操作計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)，能夠更加高效地共享網(wǎng)絡(luò)資源。

（四）安全性和多樣化趨勢(shì)

在各種因素的綜合影響下，計(jì)算機(jī)很容易出現(xiàn)安全問題，進(jìn)而威脅用戶的信息安全。為了規(guī)避安全問題，大力改進(jìn)和完善了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其安全性日趨提升。在未來的發(fā)展中，依然要充分重視計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的安全性，充分防范各種病毒，避免損害用戶和社會(huì)的利益。

（五）便攜化趨勢(shì)

虛擬技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)便攜化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支撐。在未來的發(fā)展中，可以以文件形式處理計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，在其他計(jì)算機(jī)上也能方便地應(yīng)用。但我國(guó)目前的虛擬機(jī)規(guī)模較大，需要進(jìn)行深化研究。

六、結(jié)論

簡(jiǎn)而言之，進(jìn)入新時(shí)期后，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)迅速發(fā)展，且在各行各業(yè)得到了十分廣泛的運(yùn)用，推動(dòng)了各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)的一項(xiàng)重要組成為操作系統(tǒng)，其具有多樣化的功能，如環(huán)境建設(shè)、系統(tǒng)管理和協(xié)調(diào)運(yùn)行等。雖然目前計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)已經(jīng)逐漸完善，但是隨著科學(xué)技術(shù)的革新及人們需求的增加，未來計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)將會(huì)獲得進(jìn)一步的發(fā)展。本文簡(jiǎn)要介紹了計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)，希望能夠提供一些有價(jià)值的參考意見。

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