1、操作系统论文作 者 姓 名： 专 业 ： 学 号 ： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 摘要：操作系统(Operating System，简称 OS)是一管理电脑硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。操作系统是一个庞大的管理控制程序，大致包括 5个方面的管理功能：进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。本文主要针对操作系统在计算机发展中的核心地位和技术变革作出了分析,同时对算机操作系统的功能,发展和分类做了简单的分析和阐述.关键词：计算机操作系统核心地位技术变革发展分类1操作系统的基本介绍操作系统是控制其他程序运行，管理系统资源并为用户提供操作界面的系统软件
2、的集合.操作系统身负诸如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。所有的操作系统具有并发性、共享性、虚拟性和不确定性四个基本特征。操作系统的型态非常多样，不同机器安装的 OS可从简单到复杂，可从手机的嵌入式系统到超级电脑的大型操作系统。许多操作系统制造者对 OS的定义也不大一致，例如有些 OS集成了图形用户界面，而有些 OS仅使用文本接口，而将
3、图形界面视为一种非必要的应用程序。操作系统理论在计算机科学中为历史悠久而又活跃的分支，而操作系统的设计与实现则是软工业的基础与内核。操作系统在计算机中起着重要作用,它为所有的应用程序提供一个运行环境,并将应用程序同具体硬件隔离.比如在机器中换一块声卡,只需要重新安装一下声卡程序就完事了,但如果没有操作系统,你就必须为这块新的声卡重新购买所有的应用程序,以便这些应用程序能够认识这块新的声卡并能够使用它.操作系统就象计算机的大管家,管理着计算机的各种资源,内存磁盘 CPU等.应用程序想使用这些资源,都必须经过操作系统同意(资源申请),并且由操作系统统一安排使用时间(资源分配),应用程序用完后必须将
4、资源还给操作系统(资源回收),以便其他应用程序使用.就这样,计算机系统在操作系统的管理下以最可能高的效率有条不紊地工作着.由此看来当今如果没有操作系统的出现,那有可能也就没有了个人 PC电脑的使用.2操作系统的发展纵观电脑之历史，操作系统与电脑硬件的发展息息相关。操作系统之本意原为提供简单的工作排序能力，后为辅助更新更复杂的硬件设施而渐渐演化。从最早的批次模式开始，分时机制也随之出现，在多处理器时代来临时，操作系统也随之添加多处理器协调功能，甚至是分布式系统的协调功能。其他方面的演变也类似于此。另一方面，在个人电脑上，个人电脑之操作系统因袭大型电脑的成长之路，在硬件越来越复杂、强大时，也逐步实
5、践以往只有大型电脑才有的功能。2.1早期的操作系统最初的电脑并没有操作系统，人们通过各种操作按钮来控制计算机，后来出现了汇编语言，操作人员通过有孔的纸带将程序输入电脑进行编译。这些将语言内置的电脑只能由操作人员自己编写程序来运行，不利于设备、程序的共用。为了解决这种问题，就出现了操作系统，这样就很好实现了程序的共用，以及对计算机硬件资源的管理。随着计算技术和大规模集成电路的发展，微型计算机迅速发展起来。从 20世纪 70年代中期开始出现了计算机操作系统。1976年，美国 DIGITAL RESEARCH软件公司研制出 8位的 CP/M操作系统。这个系统允许用户通过控制台的键盘对系统进行控制和管
6、理，其主要功能是对文件信息进行管理，以实现硬盘文件或其他设备文件的自动存取。此后出现的一些 8位操作系统多采用 CP/M结构。2.2 Dos操作系统计算机操作系统的发展经历了两个阶段。第一个阶段为单用户、单任务的操作系统，继 CP/M操作系统之后，还出现了 C-DOS、M-DOS、TRS-DOS、S-DOS 和 MS-DOS等磁盘操作系统。其中值得一提的是 MS-DOS，它是在 IBM-PC及其兼容机上运行的操作系统，它起源于 SCP86-DOS，是 1980年基于 8086微处理器而设计的单用户操作系统。后来，微软公司获得了该操作系统的专利权，配备在 IBM-PC机上，并命名为 PC-DOS
7、。1981 年，微软的 MS-DOS 1.0版与 IBM的PC面世，这是第一个实际应用的 16位操作系统。微型计算机进入一个新的纪元。1987 年，微软发布 MS-DOS 3.3版本，是非常成熟可靠的 DOS版本，微软取得个人操作系统的霸主地位。从 1981年问世至今，DOS 经历了 7次大的版本升级，从 1.0版到现在的 7.0版，不断地改进和完善。但是，DOS 系统的单用户、单任务、字符界面和 16位的大格局没有变化，因此它对于内存的管理也局限在 640KB的范围内。2.3 操作系统的新时代计算机操作系统发展的第二个阶段是多用户多道作业和分时系统。其典型代表有 UNIX、XENIX、OS/
8、2 以及 Windows操作系统。分时的多用户、多任务、树形结构的文件系统以及重定向和管道是UNIX的三大特点。OS/2 采用图形界面，它本身是一个 32位系统，不仅可以处理 32位 OS/2系统的应用软件，也可以运行 16位 DOS和 Windows软件。它将多任务管理、图形窗口管理、通信管理和数据库管理融为一体。Windows 是 Microsoft公司在 1985年 11月发布的第一代窗口式多任务系统，它使 PC机开始进入了所谓的图形用户界面时代。Windows 1.x 版是一个具有多窗口及多任务功能的版本，但由于当时的硬件平台为 PC/XT，速度很慢，所以 Windows 1.x版本并
9、未十分流行。1987 年底，Microsoft 公司又推出了 MS-Windows 2.x版，它具有窗口重叠功能，窗口大小也可以调整，并可把扩展内存和扩充内存作为磁盘高速缓存，从而提高了整台计算机的性能，此外它还提供了众多的应用程序。1990 年，Microsoft公司推出了 Windows 3.0，它的功能进一步加强，具有强大的内存管理，且提供了数量相当多的 Windows应用软件，因此成为386、486 微机新的操作系统标准。随后，Windows 发表 3.1版，而且推出了相应的中文版。3.1 版较之 3.0版增加了一些新的功能，受到了用户欢迎，是当时最流行的 Windows版本。1995
10、 年，Microsoft公司推出了 Windows 95。在此之前的 Windows都是由DOS引导的，也就是说它们还不是一个完全独立的系统，而 Windows 95是一个完全独立的系统，并在很多方面做了进一步的改进，还集成了网络功能和即插即用功能，是一个全新的 32位操作系统。1998年，Microsoft 公司推出了 Windows 95的改进版 Windows 98，Windows 98 的一个最大特点就是把微软的 Internet浏览器技术整合到了 Windows 95里面，使得访问 Internet资源就像访问本地硬盘一样方便，从而更好地满足了人们越来越多的访问 Internet资源
11、的需要。Windows 98 已经成为目前实际使用的主流操作系统。从微软 1985年推出 Windows 1.0以来，Windows 系统从最初运行在DOS下的 Windows 3.x，到现在风靡全球的 Windows 9x/Me/2000/NT/XP，几乎成为了操作系统的代名词。2.4 操作系统LINUX Linux是目前全球最大的一个自由软件，它是一个可与 UNIX和 Windows相媲美的操作系统，具有完备的网络功能。Linux 最初由芬兰人 Linus Torvalds开发，其源程序在 Internet网上公布以后，引起了全球电脑爱好者的开发热情，许多人下载该源程序并按自己的意愿完善某
12、一方面的功能，再发回到网上，Linux 也因此被雕琢成为一个全球最稳定的、最有发展前景的操作系统。从发展前景上看，Linux 取代 UNIX和 Windows还为时过早，但一个稳定性、灵活性和易用性都非常好的软件，肯定会得到越来越广泛的应用。3操作系统的分类1.批处理操作系统批处理(Batch Processing)操作系统的工作方式是：用户将作业交给系统操作员，系统操作员将许多用户的作业组成一批作业，之后输入到计算机中，在系统中形成一个自动转接的连续的作业流，然后启动操作系统，系统自动、依次执行每个作业。最后由操作员将作业结果交给用户。批处理操作系统的特点是：多道和成批处理。2.分时操作系统
13、分时(Time Sharing)操作系统的工作方式是：一台主机连接了若干个终端，每个终端有一个用户在使用。用户交互式地向系统提出命令请求，系统接受每个用户的命令，采用时间片轮转方式处理服务请求，并通过交互方式在终端上向用户显示结果。用户根据上步结果发出下道命。分时操作系统将 CPU的时间划分成若干个片段，称为时间片。操作系统以时间片为单位，轮流为每个终端用户服务。每个用户轮流使用一个时间片而使每个用户并不感到有别的用户存在。分时系统具有多路性、交互性、“独占“性和及时性的特征。多路性指，伺时有多个用户使用一台计算机，宏观上看是多个人同时使用一个 CPU，微观上是多个人在不同时刻轮流使用 CPU
14、。交互性是指，用户根据系统响应结果进一步提出新请求(用户直接干预每一步)。“独占“性是指，用户感觉不到计算机为其他人服务，就像整个系统为他所独占。及时性指，系统对用户提出的请求及时响应。它支持位于不同终端的多个用户同时使用一台计算机，彼此独立互不干扰，用户感到好像一台计算机全为他所用。常见的通用操作系统是分时系统与批处理系统的结合。其原则是：分时优先，批处理在后。“前台“响应需频繁交互的作业，如终端的要求；“后台“处理时间性要求不强的作业。3.实时操作系统实时操作系统(RealTimeOperatingSystem，RTOS)是指使计算机能及时响应外部事件的请求在规定的严格时间内完成对该事件的
15、处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统。实时操作系统要追求的目标是：对外部请求在严格时间范围内做出反应，有高可靠性和完整性。其主要特点是资源的分配和调度首先要考虑实时性然后才是效率。此外，实时操作系统应有较强的容错能力。4.网络操作系统网络操作系统是基于计算机网络的，是在各种计算机操作系统上按网络体系结构协议标准开发的软件，包括网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络应用。其目标是相互通信及资源共享。在其支持下，网络中的各台计算机能互相通信和共享资源。其主要特点是与网络的硬件相结合来完成网络的通信任务。5.分布式操作系统它是为分布计算系统配置的操作系统。大量的计算机通过网络
16、被连结在一起，可以获得极高的运算能力及广泛的数据共享。这种系统被称作分布式系统(DistributedSystem)。它在资源管理，通信控制和操作系统的结构等方面都与其他操作系统有较大的区别。由于分布计算机系统的资源分布于系统的不同计算机上，操作系统对用户的资源需求不能像一般的操作系统那样等待有资源时直接分配的简单做法而是要在系统的各台计算机上搜索，找到所需资源后才可进行分配。对于有些资源，如具有多个副本的文件，还必须考虑一致性。所谓一致性是指若干个用户对同一个文件所同时读出的数据是一致的。为了保证一致性，操作系统须控制文件的读、写、操作，使得多个用户可同时读一个文件，而任一时刻最多只能有一个
17、用户在修改文件。分布操作系统的通信功能类似于网络操作系统。由于分布计算机系统不像网络分布得很广，同时分布操作系统还要支持并行处理，因此它提供的通信机制和网络操作系统提供的有所不同，它要求通信速度高。分布操作系统的结构也不同于其他操作系统，它分布于系统的各台计算机上，能并行地处理用户的各种需求，有较强的容错能力。总的来说目前的操作系统种类繁多，很难用单一标准统一分类。例如根据应用领域来划分,可分为桌面操作系统服务器操作系统主机操作系统嵌入式操作系统.而根据所支持的用户数目,可分为单用户(MSDOS、OS/2)、多用户系统(UNIX、MVS、Windows).5.进程的定义以及进程同程序的区别 5
18、.1进程管理进程是程序在计算机上的一次执行活动.当你运行一个程序,你就启动了一个进程.显然.程序是死的(静态)的,进程是活的(动态的).不管是常驻程序或者应用程序，他们都以进程为标准执行单位。当年运用冯纽曼架构建造电脑时，每个中央处理器最多只能同时执行一个进程。早期的 OS(例如 DOS)也不允许任何程序打破这个限制，且 DOS同时只有执行一个进程(虽然 DOS自己宣称他们拥有终止并等待驻留(TSR)能力，可以部分且艰难地解决这问题)。现代的操作系统，即使只拥有一个 CPU，也可以利用多进程(multitask)功能同时执行复数进程。由于大部分的电脑只包含一颗中央处理器，在单内核(Core)的
19、情况下多进程只是简单迅速地切换各进程，让每个进程都能够执行，在多内核或多处理器的情况下，所有进程通过许多协同技术在各处理器或内核上转换。越多进程同时执行，每个进程能分配到的时间比率就越小。很多 OS在遇到此问题时会出现诸如音效断续或鼠标跳格的情况(称做崩溃(Thrashing)，一种 OS只能不停执行自己的管理程序并耗尽系统资源的状态，其他使用者或硬件的程序皆无法执行)。进程管理通常实践了分时的概念，大部分的 OS可以利用指定不同的特权等级(priority)，为每个进程改变所占的分时比例。特权越高的进程，执行优先级越高，单位时间内占的比例也越高。交互式 OS也提供某种程度的回馈机制，让直接与
20、使用者交互的进程拥有较高的特权值。除了进程管理之外，OS 尚有担负起进程间通讯(IPC)、进程异常终止处理以及死结(Dead lock)侦测及处理等较为艰深的问题。并且进程可以分为系统进程和用户进程.凡是用于完成操作系统的各种功能的进程就是系统进程,它们就是处于运行状态下的操作系统本身；而用户进程就是由我们自己启动的进程.进程是操作系统进行资源分配的单位,在 WINDOWS下,进程又被细化为线程,也就是一个进程下有多个能独立运行的更小的单位.但是大部分的 OS并不会处理线程所遭遇的问题，通常 OS仅止于提供一组 API让使用者自行操作或通过虚拟机器的管理机制控制线程之间的交互。5.2 死锁-进
21、程利用的一大缺陷在多道程序系统中,可借助于多个进程的并发执行来发送系统的资源利用率和提高系统的处理能力.这些进程在并发执行过程中不断地申请和盘旋资源,但有时可能出现一种情况：多个进程互相等待对方释放所占资源而互不相让,最终的结果有可能是系统僵死,这就称作是死锁.例如：使用计算机时产生的“死机“现象.在WINDOWS系统中出现的“屏幕变黑“蓝屏“,或者机器对鼠标和键盘等一切动作都没反应,我们使用“Ctrl+Alt+Del“组合键热启动时往往可以看到“系统资源严重缺乏或不足“的警告,提示撤销结束一系列任务.这些 windows系统的“死锁“是由于操作系统调度不佳而引起进程推进顺序不当造成的.相信任
22、何朋友在计算机应用中，都或多或少地遭遇过各种各样“假死“这一严重影响运行效率的“顽疾“。但“假死“并非是解不开的魔咒，采取相应的手段可以减缓、甚至避免这一现象的发生。6.存储管理存储器是计算机系统中非常重要的资源之一,它包括两种：主存储器和辅助存储器.主存储器也就是我们通常据所说的内存,它是系统中的一种关键资源,因为内在可以被 CPU直接访问,也就是说,程序和数据要想得到运行和处理就必须放入内存,所以能否管理好内存,尤其是在多道程序运行环境中,内存竞争激烈的情况下,能够管理好内在将会在很大程序上影响整个系统的性能.辅助存储器如磁盘磁带等,是一种永久性的存储器,它不会像内存那样断电后存储的东西将
23、消失,它能为我们长久地保存资料.辅助存储器与 CPU之间只能够在输入输出控制系统的管理下,进行信息交换.根据帕金森定律：“你给程序再多内存，程序也会想尽办法耗光“，因此程序设计师通常希望系统给他无限量且无限快的内存。大部分的现代电脑内存架构都是阶层式的，最快且数量最少的寄存器为首，然后是高速缓存、内存以及最慢的磁盘储存设备。而 OS的内存管理提供寻找可用的记忆空间、配置与释放记忆空间以及交换内存和低速储存设备的内含物等功能。此类又被称做虚拟内存管理的功能大幅增加每个进程可获得的记忆空间(通常是 4GB，即使实际上RAM的数量远少于这数目)。然而这也带来了微幅降低执行效率的缺点，严重时甚至也会导
24、致进程崩溃。内存管理的另一个重点活动就是借由 CPU的帮助来管理虚拟位置。如果同时有许多进程储存于记忆设备上，操作系统必须防止它们互相干扰对方的内存内容(除非通过某些协议在可控制的范围下操作，并限制可存取的内存范围)。分割内存空间可以达成目标。每个进程只会看到整个内存空间(从 0到内存空间的最大上限)被配置给它自己(当然，有些位置被 OS保留而禁止存取)。CPU 事先存了几个表以比对虚拟位置与实际内存位置，这种方法称为分页(paging)配置。借由对每个进程产生分开独立的位置空间，OS 也可以轻易地一次释放某进程所占据的所有内存。如果这个进程不释放内存，OS 可以退出进程并将内存自动释放。7.
25、文件系统操作系统中负责管理和存储文件信息的软件机构称为文件管理系统，简称文件系统。文件系统由三部分组成：与文件管理有关的软件、被管理的文件以及实施文件管理所需的数据结构。从系统角度来看，文件系统是对文件存储器空间进行组织和分配，负责文件的存储并对存入的文件进行保护和检索的系统。具体地说，它负责为用户建立文件，存入、读出、修改、转储文件，控制文件的存取，当用户不再使用时撤销文件等。文件系统是操作系统用于明确磁盘或分区上的文件的方法和数据结构；即在磁盘上组织文件的方法。也指用于存储文件的磁盘或分区，或文件系统种类。因此，可以说“我有 2个文件系统“意思是他有 2个分区，一个存文件，或他用“扩展文件
26、系统“，意思是文件系统的种类。磁盘或分区和它所包括的文件系统的不同是很重要的。少数程序(包括最有理由的产生文件系统的程序)直接对磁盘或分区的原始扇区进行操作；这可能破坏一个存在的文件系统。大部分程序基于文件系统进行操作，在不同种文件系统上不能工作。一个分区或磁盘能作为文件系统使用前，需要初始化，并将记录数据结构写到磁盘上。这个过程就叫建立文件系统 8操作系统在计算机发展中的地位究竟“操作系统“在计算机的工作中有什么重要性?在 2000年因“操作系统“引发了 Linux与 Microsoft两大计算机操作系统公司在国际市场的一场大争夺，特别是其中会涉及一些国防利益，才使人们关注计算机操作系统的重
27、要性和核心地位。Linux操作系统是 1991年由芬兰赫尔辛基大学年青学生 Linux Torvalds创造的，这新设计的目标就是要与世界名牌微软公司争一长短，因为它是开放源码软件，所以它不同于一般的知识产权保护规则，而是遵守普遍公用许可(General Public Licence,GPL)，这准则也可以被称为“Copyleft“，与通常所说的版权(即 Copyright一词)有截然相反的概念4。但是争夺战在 2000年 1月 6日羊城晚报一则新闻引发，该报指出基于国家安全理由，有关部门会鼓励政府重要机关改用中国自主研制的操作系统红旗-Linux；政府上网也将以红旗-Linux为平台；当时被
28、要求分拆麻烦的微软公司看到这则报导，急忙去电寻求多方的引证，扰攘了一周未得到任何证实。接着在 1月 13-15日 Linux在香港会展中心独家主办了规模极庞大的首个 Linux展览会-LinuxWorld Conference&Expo Hong Kong 2000。1 月 20日美国芯片生产厂家宣布推出两款新计算机芯片，连同 Linux操作系统也固化在半导体芯片上，使得组装到掌上计算机就立刻可以上网工作！这年 5月，中国信息产业部正式回应，的确鼓励国民使用自已开发、以开放源码为基础的红旗-Linux操作系统。上述一连串的活动被香港业界人士和传媒誉为“Linux 叫软件业变天“了，她很快打破了
29、国际计算机操作系统市场被微软视窗长期独大的局面。为什么 Linux软件公司这些新闻会引起如此重大的回响呢?其实答案很简单.因为这一切都与操作系统有关.“操作系统“控制管理着四个重要的硬件和操作-控制处理器控制外围设备控制信息管理和管理指令作业.它不单是计算机硬件的指挥者,连各种应用软件专家软件网络软件等都得由这个系统平台来支持动作,所以它是一切软件的最核心最关键的部分.9.操作系统的发展趋势操作系统功能的不断增加有两个方面原因：一个原因是不断满足用户的需求，另一个原因是新技术的不断出现。不断增加的功能并不是每个用户所能用得到的，然而操作系统作为一个标准的套装软件必须满足尽可能多用户的需要，于是
30、系统不断膨胀，功能不断增加，并逐渐形成从开发工具到系统工具再到应用软件的一个平台环境。操作系统内核将呈现出多平台统一的趋势，传统的操作系统内核主要采用模块化设计技术，只能应用于固定的平台。嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会像 PC一样只有一种平台，但它会吸取 PC的成功经验，形成不同行业的标准。因此个人认为操作系统会逐渐向嵌入式操作系统的方向发展,从而有一天改变操作系统的模式.让操作系统的应用可以为每一个用户量身打造.10.结论操作系统的竞争已成为影响软件界走向的主要因素,这是因为一旦确立了垄断地位就极难动摇。目前 Windows在中国桌面市场具有事实上的垄断地位。它不但成为支撑其它软件的平
31、台,而且已集成或捆绑了愈来愈多的应用软件这些应用软件和 Windows密切相关,一方面,它们依靠 Windows垄断地位迅速打败对手占领市场；另一方面,它们取得的市场优势又进一步巩固了 Windows的垄断地位。Linux提供了改变中国软件产业走向、摆脱 Windows下游产业处境的机会。Linux已经是一个成熟的操作系统,同时它又是开源的。只要遵守它的规则,就可以在它的基础上发布自己的版本。同时,基于 Linux的自由软件也方兴未艾,无论是国内外都有许多堪与微软相抗衡的软件在不断发布。自主操作系统对我国信息产业乃至国家信息安全的作用不言而喻，也是最近业界乃至全国关注的焦点之一。我国政府行业主管部门历来重视国产操作系统的研制工作。COSIX 项目历时十年，在国内外的影响是巨大的。国产操作系统 COSIX已走过了近 10年的历程，经历了许多坎坷，克服了许多困难，形成了多种不同版本，在技术上取得了显著的成绩，培养出了一支系统软件开发队伍，这些丰硕成果是继续开发我国自主操作系统的重要基础。
