計算機操作系統

　　計算機操作系統【1】

　　摘要：一個未配置操作系統的計算機是極難使用的，因為計算機硬件只能識別0和1這樣的機器代碼。

　　用戶想要輸入數據或打印數據，必須自己用機器語言書寫相應的輸入程序或打印程序。

　　如果在計算機上配置了操作系統，就可以極大地方便用戶的使用，使計算機變得易學易用。

　　最初的計算機并沒有操作系統，計算機的構造如同機械設備。

　　1947晶體管的發明，以及莫里斯・威爾克斯(Maurice Vincent Wilkes)發明的微程序方法，使得計算機不再是機械設備，而是電子產品。

　　系統管理工具以及簡化硬件操作流程的程序很快就出現了，且成為操作系統的基礎。

　　操作系統的功能包括管理計算機系統的硬件、軟件及數據資源，使計算機系統所有資源最大限度地發揮作用;控制程序運行;為其它應用軟件提供支持;為用戶提供方便的、有效的、友善的服務界面。

　　一個未配置操作系統的計算機是極難使用的，因為計算機硬件只能識別0和1這樣的機器代碼。

　　用戶想要輸入數據或打印數據，必須自己用機器語言書寫相應的輸入程序或打印程序。

　　如果在計算機上配置了操作系統，就可以極大地方便用戶的使用，使計算機變得易學易用。

　　[1]操作系統的型態非常多樣，目前常見的操作系統有DOS、Windows、UNIX、Linux等。

　　1、DOS

　　DOS是英文Disk Operating System的縮寫，意思是“磁盤操作系統”，其主要任務是對磁盤的數據進行管理，故名。

　　DOS是個人計算機上的一類操作系統，DOS家族包括MS-DOS、PC-DOS、DR-DOS、FreeDOS、PTS-DOS、ROM-DOS、JM-OS等，其中以MS-DOS最為著名，MS-DOS的成功使得微軟成為地球上最賺錢的公司之一。

　　有了DOS，我們就不必去深入了解機器的硬件結構，也不必去死記硬背那些枯燥的機器命令。

　　DOS是一種基于文本界面的操作系統，在DOS構建起的人機交互環境中，我們只需通過一些接近于自然語言的DOS命令，就可以輕松地完成諸如建立子目錄，刪除文件等絕大多數的日常操作。

　　從1981年直到1995年的15年間，DOS在IBM PC 兼容機市場中占有舉足輕重的地位。

　　而且，若是把部分以DOS為基礎的Microsoft Windows版本，如Windows 95、98和Me等都算進去的話，那么其商業壽命至少可以算到2000年。

　　2、Windows

　　Windows是微軟公司推出的基于圖形用戶界面(GUI)的視窗電腦操作系統。

　　微軟開發的Windows是目前世界上用戶最多、兼容性最強的操作系統。

　　雖然起初的GUI系統相當不完善，但微軟公司準確地預測到GUI將成為未來操作系統的主流，所以開始把目光從當時駛入中天的MS-DOS系統轉向Windows系統。

　　一開始Windows并不是一個操作系統，只是一個建立在MS-DOS基礎上的應用程序。

　　直到2000年微軟推出Windows 2000，第一個脫離MS-DOS基礎的圖形用戶界面操作系統才算面世。

　　Windows 2000是Windows NT的改進系列，Windows NT系統的架構為：在硬件階層之上，有一個由微內核直接接觸的硬件抽象層，而不同的驅動程序以模塊的形式掛載在內核上執行。

　　因此微內核可以使用諸如輸入輸出、文件系統、網絡、信息安全機制與虛擬內存等功能。

　　Windows XP、Windows Vista、Windows 7以及Windows Server 2003也都是基于Windows NT的架構上。

　　Windows Server 2003和Windows Server 2008是網絡操作系統。

　　Windows Server 2003有5個版本，每個版本都適用于特定的服務器角色。

　　用戶可以按照服務器的功能和處理能力的實際需求選擇相應版本的操作系統。[2]

　　3、UNIX

　　Unix是第三次工業革命中計算機軟件領域最具代表性的產物，是一個功能強大、性能全面的多用戶、多任務的分時操作系統，可以應用在從巨型計算機到普通PC機等多種不同的平臺上，是應用面最廣、影響力最大的操作系統。

　　UNIX最早由肯・湯普遜和丹尼斯・里奇于1969年在AT&T的貝爾實驗室用匯編語言開發出來，但是可移植性不好。

　　后來，他們用C語言重寫的第三版Unix操作系統，修改和移植都相當便利，因此，很多商業公司及學術機構開始加入這個操作系統的研發。

　　UNIX有三大派生版本：System V、Berkley和Hybrid，各個不同版本的Unix蓬勃發展，這才產生了今天這么多的各式各樣的Unix衍生產品。

　　蘋果公司Mac OS X操作系統就是一套以Unix基礎的操作系統。

　　IT基礎架構師，高端產業大部分領域使用的都是unix服務器，所以掌握了unix才算是進入了高端產業領域。

　　4、Linux

　　嚴格地講，Linux是一個內核，一個內核不是一套完整的操作系統。

　　一套基于Linux內核的完整操作系統叫做Linux操作系統。

　　Linux發行版指的就是我們通常所說的“Linux操作系統”，Linux系統是包含內核、系統工具、完整的開發環境和應用的操作系統。

　　目前，超過三百個發行版被積極的開發，最普遍被使用的發行版有大約十二個。

　　不管運行在哪種平臺上，95%的Linux核心代碼都是相同的。

　　[3]Linux是一種自由和開放源碼的，具有UNIX全部功能的免費的操作系統，在眾多的軟件中占有很大的優勢。

　　Linux可安裝在各種計算機硬件設備中，從手機、平板電腦、路由器和視頻游戲控制臺，到臺式計算機、大型機和超級計算機。

　　Linux是一個先進的操作系統，世界上運算最快的10臺超級計算機運行的都是Linux操作系統。

　　參考文獻

　　[1]湯小丹,梁紅兵,哲鳳屏等.計算機操作系統(第三版)[M].西安：西安電子科技大學出版社,2007:1-4.

　　[2]微軟公司.網絡操作系統管理-Windows Server 2003的管理[M].北京:高等教育出版社,2004：3-4.

　　[3]駱耀祖,劉東遠,駱珍儀.Linux網絡服務器管理教程[M].北京:電子工業出版社,2007:6-8.

　　計算機操作系統的發展【2】

　　摘要：電子計算機誕生以來，計算機操作系統的研究取得了長足進展。

　　現在，操作系統進入了社會生活的各個方面，涉及大型計算機、個人計算機、移動便攜設備、其他自動化設備等各個層次的應用領域。

　　在幾十年的發展歷程中，各種操作系統應運而生，面對外國商業軟件在中國的事實壟斷，重新審視中國基礎軟件發展戰略、配套政策和實施方法已經到了刻不容緩的地步。

　　有鑒于此，文章比較了Windows、Unix和Linux三種操作系統的技術現狀，并結合國產操作系統的現狀提出了發展我國軟件產業的對策。

　　關鍵詞：計算機操作系統;發展;新技術

　　操作系統是管理計算機系統的全部硬件資源包括軟件資源及數據資源;控制程序運行;改善人機界面;為其它應用軟件提供支持等，使計算機系統所有資源最大限度地發揮作用，為用戶提供方便的、有效的、友善的服務界面。

　　操作系統是一管理電腦硬件與軟件資源的程序，同時也是計算機系統的內核與基石。

　　操作系統身負諸如管理與配置內存、決定系統資源供需的優先次序、控制輸入與輸出設備、操作網絡與管理文件系統等基本事務。

　　操作系統是管理計算機系統的全部硬件資源包括軟件資源及數據資源;控制程序運行;改善人機界面;為其它應用軟件提供支持等，使計算機系統所有資源最大限度地發揮作用，為用戶提供方便的、有效的、友善的服務界面。

　　操作系統是一個龐大的管理控制程序，大致包括5個方面的管理功能：進程與處理機管理、作業管理、存儲管理、設備管理、文件管理。

　　目前微機上常見的操作系統有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows、Netware等。

　　但所有的操作系統具有并發性、共享性、虛擬性和不確定性四個基本特征。

　　目前的操作系統種類繁多，很難用單一標準統一分類。

　　根據應用領域來劃分，可分為桌面操作系統、服務器操作系統、主機操作系統、嵌入式操作系統。

　　一、操作系統的基本介紹

　　(一)操作系統的功能

　　(1)管理計算機系統的硬件、軟件、數據等各種資源，盡可能減少人工分配資源的工作以及人對機器的干預，發揮計算機的自動工作效率。

　　(2)協調還要各種資源使用過程中的關系，使得計算機的各種資源使用調度合理，高速設備與低速設備運行相互配。

　　(3)為用戶提供使用計算機系統的環境，方便使用計算機系統的各部件或功能。

　　操作系統通過自己的程序，將計算機系統的各種資源所提供的功能抽象，形成與之等價的操作系統的功能，并形象地表現出來，提供給用戶方便地使用計算機。

　　(二)操作系統的發展

　　操作系統之本意原為提供簡單的工作排序能力，后為輔助更新更復雜的硬件設施而漸漸演化。

　　從最早的批次模式開始，分時機制也隨之出現，在多處理器時代來臨時，操作系統也隨之添加多處理器協調功能，甚至是分布式系統的協調功能。

　　其他方面的演變也類似于此。

　　另一方面，在個人電腦上，個人電腦之操作系統因襲大型電腦的成長之路，在硬件越來越復雜、強大時，也逐步實踐以往只有大型電腦才有的功能。

　　(1)手工操作階段。

　　在這個階段的計算機，主要元器件是電子管，運算速度慢，沒有任何軟件，更沒有操作系統。

　　用戶直接使用機器語言編寫程序，上機時完全手工操作，首先將預先準備好的程序紙帶裝入輸入機，然后啟動輸入機把程序和數據送入計算機，接著通過開關啟動程序運行，計算完成后，打印機輸出結果。

　　用戶必須是非常專業的技術人員才能實現對計算機的控制。

　　(2)批處理階段。

　　由于20世紀50年代中期，計算機的主要元器件由晶體管取代，運行速度有了很大的提高，這時軟件也開始迅速發展，出現了早期的操作系統，這就是早期的對用戶提交的程序進行管理的監控程序和批處理軟件。

　　(3)多道程序系統階段。

　　隨著中、小規模的集成電路在計算機系統中的廣泛應用，CPU的運動速度大大提高，為了提高CPU的利用率，引入了多道程序設計技術，并出現了專門支持多道程序的硬件機構，這一時期，為了進一步提高CPU的利用效率，出現了多道批處理系統、分時系統等等，從而產生了更加強大的監管程序，并迅速發展成為計算機科學中的一個重要分支，就是操作系統。

　　統稱為傳統操作系統。

　　(4)現代操作系統階段。

　　大規模、超大規模集成電路急速的迅速發展，出現了微處理器，使得計算機的體系結構更加優化，計算機的運行速度進一步提高，而體積卻大大減少，面向個人的計算機和便攜式計算機出現并普及。

　　它的最大優點是結構清晰、功能全面、可以適應多種用途的需要并且操作使用方面。

　　二、操作系統新技術

　　從操作系統新技術的角度看，它主要包括操作系統結構設計的微內核技術和操作系統軟件設計的面向對象技術。

　　(一)微內核操作系統技術

　　現代操作系統設計中的一個突出思想是把操作系統中更多的成分和功能放到更高的層次(即用戶模式)中去運行，而留下一個盡量小的內核，用它來完成操作系統最基本的核心功能，稱這種技術為微內核(Microkernel)技術。

　　1.微內核結構

　　(1)把那些最基本、最本質的操作系統功能保留在內核中。

　　(2)把大部分操作系統的功能移到內核之外，并且每一個操作系統功能均以單獨的服務器進程形式存在，并提供服務。

　　(3)在內核之外的用戶空間中包括所有操作系統服務進程，也包括用戶的應用進程。

　　這些進程之間是客戶/服務器模式。

　　2.微內核包含的主要成分

　　(1)中斷和異常處理機制;

　　(2)進程間通信機制;

　　(3)處理機調度機制;

　　(4)有關服務功能的基本機制。

　　3.微內核的實現

　　微內核實現中的一個主要問題是“微”和性能要求的綜合考慮。

　　要做到“微”的關鍵是實現機制和策略分離的概念。

　　由于微內核中最主要的是進程間消息通信和中斷處理機制，下面簡述兩者的實現。

　　4.進程間通信機制

　　為客戶和服務器提供通信服務是微內核的主要功能之一，也是內核實現其他服務的基礎。

　　無論是發送請求消息和服務器的回答消息都是要經過內核的。

　　進程的消息通信一般是通過端口(port)的。

　　一個進程可以有一個或多個端口，每個端口實際上是一個消息隊列或消息緩沖區，它們都有一個唯一的端口ID(端口標識)和端口權力表，該表指出本進程可以和哪些進程交互通信。

　　端口ID和端口權力表內核維護。

　　5.中斷處理機制

　　微內核結構中將中斷機制與中斷處理分離，即把中斷機制放在微內核中，而把中斷處理放到用戶空間相應的服務進程中。

　　微內核的中斷機制，主要負責以下工作：

　　(1)當中斷發生時識別中斷;

　　(2)通過中斷數據結構把該中斷信號映射到相關的進程;

　　(3)把中斷轉換成一個消息;

　　(4)把消息發給用戶空間中相關進程的端口，但內核不涉及到任何中斷處理。

　　(5)不少系統中的中斷處理是用線程實現的。

　　6.微內核結構的優點

　　(1)安全可靠。

　　微內核降低了內核的復雜度，減少了發生故障的概率，也就增加了系統的安全性。

　　(2)一致性的接口。

　　當用戶進程提出服務要求時，均是以消息通信方式經由內核向服務器進程提出的。

　　因此，進程所面對的是一個統一一致的進程通信接口方式。

　　(3)系統的可擴充性。

　　系統可擴充性強，隨著新硬件與新軟件技術的出現，只需對內核做很少的修改。

　　(4)靈活性。

　　操作系統具有良好的模塊化結構，可以獨立地對模塊進行修改，也可隨意對功能進行增加和刪除，因此操作系統可以按用戶的需要進行剪裁。

　　(5)兼容性。

　　許多系統都希望能運行在多種不同的處理器平臺上，這在微內核結構下是比較容易實現的。

　　(6)提供了對分布式系統的支持。

　　在微內核結構下操作系統必須采用客戶/服務器模式。

　　這種模式適合于分布式系統，可以對分布式系統提供支持。

　　7.微內核的主要缺點

　　在微內核結構下，一次系統服務過程需要更多的模式(在用戶態和核心態之間)轉換和進程地址空間的開關，這就增加開銷，影響了執行速度。

　　(二)面向對象操作系統技術

　　面向對象操作系統是指基于對象模型的操作系統。

　　目前，已有許多操作系統采用了面向對象技術，如WindowsNT等。

　　面向對象已成為新一代操作系統的一個重要標志。

　　1.面向對象的核心概念

　　面向對象的基本思想是把要構造的系統表示成一系列對象的集合。

　　其中的對象是指把一組數據和該數據的一些基本操作封裝在一起所形成的一個實體。

　　面向對象的核心概念包括以下幾個方面：

　　(1)封裝。

　　在面向對象中，封裝的含義是將一個數據集和與這個數據有關的操作封裝在一起，形成一個能動的實體，即對象。

　　封裝要求對象內部的代碼和數據受保護。

　　(2)繼承。

　　繼承是指一些對象可以繼承另一些對象的功能和特征。

　　(3)多態性。

　　所謂多態性是指一個名字多種語義，或相同界面多種實現。

　　多態性在面向對象語言中是由重載和虛函數來實現的。

　　(4)消息。

　　消息是對象之間相互請求和相互合作的途徑。

　　一個對象通過消息激活另一對象。

　　消息中一般包含有請求對象的標識和完成該工作所必須的信息。

　　2.面向對象操作系統

　　在面向對象操作系統中，對象作為一種并發單位，所有系統資源，包括文件、進程、內存塊等都被認為是一種對象，對系統資源的所有操作都是通過使用對象服務來完成的。

　　面向對象操作系統的優點：

　　(1)可以減少操作系統在其整個生命期內所做修改時對系統本身的影響。

　　例如，如果硬件發生了變化，將迫使操作系統也作出改動，在這種情況下只要改變代表該硬件資源的對象和對該對象進行操作的服務即可，而那些僅使用該對象的代碼則不需改變。

　　(2)操作系統對其資源的訪問和操縱是一致的。

　　操作系統生成、刪除和引用一個事件對象，與它生成、刪除和引用一個進程對象采用相同的方法，即都是通過使用對象句柄來實現的。

　　所謂對象句柄，是指進程指向的一個特定對象表中的表項。

　　(3)操作系統的安全措施得以簡化。

　　由于所有對象都采用同樣的保護方式，那么當某人試圖訪問一個對象時，安全系統就介入并核準操作，而不管這個對象是什么。

　　(4)對象為進程之間分享資源提供了方便和一致性的手段。

　　對象句柄被用來處理所有類型的對象。

　　操作系統可以通過跟蹤一個對象有多少個句柄被打開，來決定該對象是否仍在使用中。

　　當它不再使用時，操作系統就可以刪除該對象。

　　參考文獻：

　　[1]陳向群,楊芙清.操作系統教程(第二版)[M].北京大學出版社,2006

　　[2]湯子瀛,哲鳳屏,湯小丹.計算機操作系統(修訂版)[M].西安電子科技大學出版社,2001,8

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