計算機系統(tǒng)結構論文范文(2)
計算機系統(tǒng)結構論文范文篇二
《計算機操作系統(tǒng)的結構及功能探討》
摘 要:計算機的操作系統(tǒng)整合管理計算機的硬件資源、軟件系統(tǒng)使計算機根據指令進行工作。現代計算機技術的高速發(fā)展,使人們對計算機的操作系統(tǒng)提出了更高的要求,要求計算機操作系統(tǒng)更加人性化、人機界面更加友好、操作系統(tǒng)簡潔、安全、可靠,并且要求操作系統(tǒng)占用更少的空間,提高計算機的整體性能,并能夠不斷為計算機縮小體積和重量,使計算機更加便于攜帶已經成為計算機操作系統(tǒng)未來發(fā)展的方向之一。
關鍵詞:操作系統(tǒng);結構;功能
操作系統(tǒng)作為計算機的核心組成部分,在計算機系統(tǒng)中占據重要地位。自計算機誕生以來,人們一直致力于研究和革新計算機操作系統(tǒng),不斷挑戰(zhàn)實用性和完美性的計算機與系統(tǒng)的結合。計算機的種類繁多,包括個人計算機、服務器、大型計算機、超計算機等,應用范圍也不同,從個人使用、辦公、科學研究、網絡服務器、工業(yè)自動化控制等等。而不同的計算機,不同的應用范圍都需要不同的操作系統(tǒng)支持計算機在各自領域的應用。隨著計算機的應用范圍越來越廣,計算機系統(tǒng)的結構和功能也必須不斷更新和進步。此外,計算機的硬件技術也不斷發(fā)展,高度集成化、智能化的技術不斷應用到計算機硬件的研發(fā)中,短短數十年,計算機的CPU從單核發(fā)展到雙核、多核,現在已經出現了8核的CPU。此外,計算機的硬盤容量和顯卡控制系統(tǒng)也不斷更新,存儲量和存儲效率不斷提高,以滿足更高的用戶需求標準。例如十年前,一部高清DVD格式的電影也就500mb左右,而現今的高清電影動輒十幾個G,因此計算機硬件也不得不跟上時代發(fā)展的需要。在此情況下,計算機操作系統(tǒng)技術的不斷發(fā)展技術發(fā)展和社會進步的必要,也是不斷滿足用戶需求,為用戶提供更加高效、快捷的計算機需求的必然[1]。
1 計算機操作系統(tǒng)的發(fā)展
1946年世界上第一臺計算機在美國誕生,半個世紀來,計算機不斷進化、發(fā)展,已經成為近代社會對世界影響最大的發(fā)明之一。計算機的進化過程中不斷以提高運算速度、縮小體積、增大容量為發(fā)展動力,整個發(fā)展過程不僅要求計算機硬件不斷應用新技術不斷發(fā)展,同時也要求能適應硬件發(fā)展需求和計算機進化需要的操作系統(tǒng)。
計算機誕生之初并沒有操作系統(tǒng),人們通過各種按鈕來控制計算機,隨著計算機功能的不斷增加,應用范圍不斷增大,傳統(tǒng)的按鈕已經不能滿足計算機操作的需要。后來,科學家們研究了針對計算機控制其工作的匯編語言,這種匯編語言是計算機操作系統(tǒng)的雛形。操作者將匯編語言打制成有孔的紙帶,并輸入計算機中,供計算機編譯。此后,為了更好的使計算機運行和管理應用程序,科學家們通過不斷研究發(fā)明了操作系統(tǒng),計算機操作系統(tǒng)很好地實現了對計算機程序的控制和共用,能夠對計算機的硬件資源進行高效管理,同時得益于集成電路技術的高度發(fā)展,微型計算機開始走向了改變世界的開始。
計算機發(fā)展至今,已經成為一門完整的學科,它的應用領域越來越廣泛,已經成為現代信息社會的基礎。二十一世紀是信息時代,信息時代離不開計算機技術的支撐,無論是大型計算機還是微型計算機,必須有硬件和軟件共同組成,硬件技術隨著機械、電子技術的發(fā)展不斷前進,而軟件技術中的最重要的組成部分―操作系統(tǒng)也必須不斷優(yōu)化結構,不斷開發(fā)新的功能,以適應現代社會的需要。
2 操作系統(tǒng)的結構
操作系統(tǒng)作為典型的軟件,是具有特殊結構的知識產品。軟件的結構是軟件功能和操作方式的體現,是反映計算機硬件程序的客觀存在。由于客觀世界的不斷變化,軟件系統(tǒng)作為為客觀事物服務的系統(tǒng),也必須不斷改變,以適應新的需求和新的技術進步。軟件的結構設計決定了軟件的功能和性能,是計算機軟件工程師們一直研究的問題,而計算機操作系統(tǒng)作為大型的軟件結構,需要更科學、強大的結構系統(tǒng)。計算機的操作系統(tǒng)的結構通常有整體式結構、層次結構、模塊結構和內核結構等部分組成,以下分別介紹各個結構的功能與特性。
2.1 模塊組合結構
模塊組合結構在早期的開發(fā)思路是“各司其責”。結構化的程序設計為早期的模塊組合結構系統(tǒng)的開發(fā)提供了開發(fā)思路,在設計模塊化的組合結構時,設計人員為了響應多通道程序同時運行的需求,設計了“進程”的系統(tǒng)概念,并且設計了分時系統(tǒng)。在操作系統(tǒng)中首次應用了虛擬存儲器的概念,使當時內存較小的計算機能夠同時運行多個程序。為了更加優(yōu)化系統(tǒng)多進程問題,研究者們設計了條件變量機制,并且針對結構中核內實體間的不安全因素提出了權能系統(tǒng),典型的基于權能的系統(tǒng)如Hydra、EROS等[2]。隨著計算機系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大,模塊之間的交互影響越來越繁瑣,模塊組合結構已經不能適應大型操作系統(tǒng)的發(fā)展需要,于是科學家們開始尋找更加高效的系統(tǒng)結構的設計方法,在此情況下,分層結構和層次結構開始應運而生了。
2.2 層次結構
層次機構是解決系統(tǒng)中多程序同時運行占用共享資源的矛盾的重要解決思路。在進程分層結構中,系統(tǒng)按照依賴關系分層實現系統(tǒng)功能,下層模塊為上層模塊提供功能結構,同時利用其更下層的模塊提供的接口來為本層的系統(tǒng)服務,通過嚴格的層次調用,規(guī)定只能由上層模塊調用下層模塊,制約了模塊結構中的系統(tǒng)交互,使系統(tǒng)的結構更加簡單明了。而層次結構中也因為過多的層次降低了計算機系統(tǒng)的性能,同步分散,導致任務控制存儲資源浪費較大,同時無限制的分層使系統(tǒng)膨脹化?;趯哟谓Y構中的優(yōu)點和缺點,上世紀80年代后期,科學家們根據模塊結構和層次結構的優(yōu)缺點,研究出了微內核結構,試圖用微內核結構解決層次結構中的一系列問題。
2.3 微內核結構
微內核結構又叫服務器與客戶結構。在此機構中,絕大部分的系統(tǒng)服務用于空間執(zhí)行,系統(tǒng)中的基本功能在內核模式下運行,其它服務都以進程的形態(tài)與用戶存在于特權級中。內核中的基本功能包括線程管理、空間映射、中斷處理、異常處理、和消息機制的任務通信。微內核機制的有諸多優(yōu)點,例如內核精簡,可移植性好;穩(wěn)定性、安全性好;易于維護;可擴縮性好,直接支持分布式應用。而早期的微內核結構并不被業(yè)界看好,因為進程間的通信都通過微內核,是通信切換開銷過于復雜。指導二十世紀九十年代后期,科學家們提出了第二代微內核結構的思想,針對IPC機制進行了優(yōu)化,極大地提高了系統(tǒng)的性能,微內核結構才開始被廣泛應用。
截至到現在,模塊組合結構、整體式結構、層次結構、微內核結構仍然在不同的計算機操作系統(tǒng)中被應用,因為這幾種結構都具有自身的特點和優(yōu)點,同時也有各自的缺陷,因此適用于不同的計算機系統(tǒng)。層次結構從縱向管理操作系統(tǒng),是“垂直結構”,主要特點是低層服務與高層;微內核結構的特點是橫向管理操作系統(tǒng),是“水平結構”,兩種結構都可以應用于虛擬操作系統(tǒng),是分別面向過程和面向指令的操作系統(tǒng)。
3 操作系統(tǒng)的功能
操作系統(tǒng)的主要功能如下:
3.1 系統(tǒng)管理功能
(1)進程管理功能,通過系統(tǒng)的調度使用戶在單任務下,采用獨占的方式運用處理器處理任務,在多程序和多任務下使用處理器調度任務、分配任務和資源并回收任務[3]。
(2)存儲管理分為幾種功能:存儲分配、存儲共享、存儲保護、存儲擴張。
(3)設備管理分有以下功能:設備分配、設備傳輸控制、設備獨立性。
(4)文件管理:文件存儲空間的管理、目錄管理、文件操作管理、文件保護[4]。
(5)作業(yè)管理是負責處理用戶提交的任何要求。
3.2 協(xié)調功能
計算機操作系統(tǒng)還具備協(xié)調功能,系統(tǒng)充分利用計算機資源,協(xié)調資源使用過程中的關系,合理調度各種計算機資源,使高速設備和低速設備都能充分發(fā)揮作用。
3.3 提供系統(tǒng)環(huán)境
計算機操作系統(tǒng)為用戶提供使用計算機的環(huán)境,而非原始計算機的按鈕操作或打孔紙條程序,使用戶在友好的界面下向計算機發(fā)布各種命令,實現各種功能。操作系統(tǒng)通過自身程序,將計算機的硬件資源和軟件資源的具體資源抽象化、形象化,并表現出來,使用戶能夠快捷方便地使用計算機滿足自身需求[5]。
4 結束語
二十一世紀是信息時代,計算機是信息時代的支撐基礎,計算機操作系統(tǒng)必須不斷創(chuàng)新結構和功能,滿足網絡時代、信息時代的不斷更新的需求,滿足社會發(fā)展和各行各業(yè)的應用的需要,才能開發(fā)出更科學完善的、人性化的、實用性更強的操作系統(tǒng)。
參考文獻:
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