淺析計算機操作系統(tǒng)及其發(fā)展

李繼紅

摘要：從計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構上看操作系統(tǒng)是安裝在硬件設備上的第一層軟件，是對計算機硬件的首次擴充，操作系統(tǒng)管理著各種軟硬件資源，對于提高計算機硬件的利用率和系統(tǒng)的吞吐量起著至關重要的作用。借助操作系統(tǒng)，用戶得以用更便捷的方式實現(xiàn)同計算機系統(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)功能上對計算機操作系統(tǒng)進行說明。

關鍵詞：計算機;操作系統(tǒng);發(fā)展

隨著技術的不斷進步和需求的不斷更新，計算機操作系統(tǒng)肯定也會隨之變化，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)的功能一定會更加完善，應用的領域更加廣泛，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。

一、計算機操作系統(tǒng)概述

（一）計算機操作系統(tǒng)的類型

根據(jù)劃分指標的不同操作系統(tǒng)存在多種分類，當代主流的操作系統(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)屬于另一個流派，具有功能強大，安全性高，穩(wěn)定性強的特點，但對計算機硬件配置要求很高，主要應用于對安全性和穩(wěn)定性有更高要求的大型服務器平臺;而Linux系統(tǒng)也是當今操作系統(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開源免費的優(yōu)勢，引起了很多技術人員的關注，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）計算機操作系統(tǒng)的主要功能

總的來說一個計算機系統(tǒng)包括處理器、存儲器、1/0設備和文件，其中文件包含各種數(shù)據(jù)和程序，操作系統(tǒng)的任務就是對這些資源進行協(xié)調(diào)管理。在處理器方面主要負責CPU的控制和管理以及進程的處理和中斷;在存儲器管理上負責內(nèi)存的分配和管理，保證各個作業(yè)能夠順利進行;操作系統(tǒng)對1/0設備的管理包括設備的分配和去配、緩沖區(qū)處理、中斷處理以及設備的調(diào)度等，進而滿足用戶的I/O請求;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，同時配置了文件保護機制。操作系統(tǒng)的這些功能極大的提高了計算機資源的利用率，使得用戶可以便捷有效的在計算機上執(zhí)行各種操作，進而滿足用戶需求。

二、計算機操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程

（一）人工操作階段

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

（二）單道批處理系統(tǒng)

為了解決人機矛盾以及1/0設備同CPU之間的矛盾，單道批處理系統(tǒng)由此產(chǎn)生。這種系統(tǒng)的主要目的是實現(xiàn)對作業(yè)的連續(xù)處理，先通過脫機的方式把一批作業(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)。由于進行I/0操作時CPU要等待很長時間，同時在單道程序環(huán)境下，存在嚴重的內(nèi)存浪費問題，顯然這種系統(tǒng)不能實現(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，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，能夠同時對多道進程進行處理，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)時間長，使得程序的修改和調(diào)試極不方便[1]。

（四）分時系統(tǒng)

人機交互是分時系統(tǒng)的攻關問題，而實現(xiàn)人機交互的關鍵在于對多個用戶鍵入的命令或數(shù)據(jù)，能夠在短時間內(nèi)做到及時接收和處理。為解決這一問題分時系統(tǒng)配置了多路卡，能以很快的速度掃描各個終端，接收從終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，此外分時系統(tǒng)為每個終端配置了一個緩沖區(qū)，用于暫存用戶鍵入的指令信息。分時系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)的最大區(qū)別在于作業(yè)是直接進入內(nèi)存的，同時采用了時間片輪轉(zhuǎn)的方式保證用戶同作業(yè)交互的及時性。另外分時系統(tǒng)還有一個很重要的特點就是共享主機特性。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。分時系統(tǒng)極大地提高了資源利用率，降低了使用費用，促進了計算機更廣泛的應用。

（五）實時系統(tǒng)

分時系統(tǒng)基本可以滿足普通用戶的使用需求，但是要用于工業(yè)化還是遠遠不夠，這就要用到實時系統(tǒng)。實時系統(tǒng)一個主要的特征是將時間作為關鍵參數(shù)，要求必須能夠?qū)崟r響應外部請求，在規(guī)定時間內(nèi)完成對指定事件的處理。實時系統(tǒng)要求系統(tǒng)具有高度可靠性，不僅可以及時地對多路現(xiàn)場信息進行采集，同時還要保證彼此的獨立性和操作的交互性。為降低錯誤發(fā)生機率，往往會采用多級容錯機制來保障系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全。目前實時系統(tǒng)多應用在工業(yè)武器控制系統(tǒng)和一些實時信息處理系統(tǒng)[2]。

三、計算機操作系統(tǒng)的功能

（一）處理器管理

研究發(fā)現(xiàn)，計算機操作系統(tǒng)的主要功能為管理中央處理器。中央處理器對于計算機的正常運行起著關鍵性的決定作用，還會影響計算機的整體性能。針對單道作業(yè)、單用戶作業(yè)命令，計算機對處理器具有十分簡單的管理任務;針對多道程序和命令，就增加了執(zhí)行的難度，需要通過計算機操作系統(tǒng)的應用向各個程序合理分配中央處理器的時間。由此可以得知，計算機操作系統(tǒng)主要是管理處理器的CPU分配和實施活動。

（二）存儲管理

在存儲管理方面，計算機操作系統(tǒng)主要是分配、保護和管理存儲器。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算機內(nèi)存中，為了避免有沖突矛盾出現(xiàn)在系統(tǒng)和各個用戶程序存儲區(qū)內(nèi)，需要借助于計算機操作系統(tǒng)合理分配內(nèi)存空間;其次，保護存儲。如果有較多的任務程序同時運行于計算機系統(tǒng)中，就需要通過存儲管理避免互相占用等問題出現(xiàn)在程序運行過程中，且系統(tǒng)程序不會受到用戶執(zhí)行程序的影響和破壞;最后，擴充內(nèi)存。如果計算機系統(tǒng)提供的存儲容量小于用戶執(zhí)行程序，計算機操作系統(tǒng)即可聯(lián)合管理內(nèi)部存儲器和外部儲存器，使內(nèi)存得到有效擴充。

（三）設備管理

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

（四）文件管理

計算機操作系統(tǒng)的另外一項重要功能是管理系統(tǒng)的各種軟件資源。計算機軟件資源包括運行程序、運行數(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

每一項獨立任務的完成都需要經(jīng)過多個加工步驟，而每一個加工步驟又可以劃分為多個作業(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)度指在相應策略的指導下，系統(tǒng)從多個程序作業(yè)中進行合理選擇，將共享資源合理配備過來，使作業(yè)任務得以順利完成。先來服務策略、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)、分時系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)等。不同系統(tǒng)具有差異化的應用原理。

（一）批處理系統(tǒng)

具體來講，批處理系統(tǒng)指的是計算機批量處理數(shù)個作業(yè)。結(jié)合相應的順序，系統(tǒng)組織排列多個作業(yè)，系統(tǒng)可以逐個處理各個作業(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。針對某一個作業(yè)處理任務，單道系統(tǒng)會向輔助存儲器中存儲其他作業(yè)，完成作業(yè)的處理任務后，將其他作業(yè)任務調(diào)用過來。

（二）分時系統(tǒng)

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

（三）實時系統(tǒng)

時間驅(qū)動是實時系統(tǒng)的設計方式，不管在任何時間內(nèi)，系統(tǒng)都可以及時響應任何作業(yè)。目前，在人們的生活、生產(chǎn)中廣泛應用了實時系統(tǒng)。結(jié)合應用對象的差異可以從實時處理、實際控制兩個方面來劃分實時系統(tǒng)。個人一般會采用實時處理子系統(tǒng)，而在工業(yè)生產(chǎn)中會采用實時控制子系統(tǒng)，以便提升控制的智能化程度。

（四）網(wǎng)絡系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)

在網(wǎng)絡技術、通信技術的支持下，出現(xiàn)了網(wǎng)絡系統(tǒng)與分布式系統(tǒng)，能夠有效共享信息資源。一般來講，網(wǎng)絡系統(tǒng)的用戶分布在不同的地區(qū)，通過信息設施的運用，可以在同一個網(wǎng)絡系統(tǒng)中互聯(lián)各個用戶[5]，有效共享各種資源。網(wǎng)絡系統(tǒng)類似于單機系統(tǒng)，能夠充分滿足多個程序在同一時段的運行需求。分布式系統(tǒng)的構建平等地處理了各個計算機地位的問題，無縫銜接了資源共享。

五、計算機操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

（一）專用化趨勢

計算機技術的廣泛應用和快速發(fā)展，對移動計算、網(wǎng)絡計算等技術的發(fā)展起到了較大程度的促進作用。因此，對操作系統(tǒng)的專用化提出了更高要求，需要合理分類各個部分，促使工作效率得到提升，各個區(qū)域的發(fā)展水平得到深化。未來的發(fā)展中，專用的通信設備、嵌入式操作系統(tǒng)將會出現(xiàn)。雖然嵌入式操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)十分類似，但是會獨立于其他領域。在人們的生活應用中，利用一臺計算機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

過去的計算機體型十分龐大，之后逐步縮小，筆記本電腦、掌上電腦等開始出現(xiàn)。計算機操作系統(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，計算機操作系統(tǒng)的規(guī)模將會日趨減小。特別是納米技術的出現(xiàn)和成熟，更是促進了操作系統(tǒng)小型化目標的實現(xiàn)。

（三）網(wǎng)絡化趨勢

在人們的生活和工作中，網(wǎng)絡已經(jīng)成為重要的組成部分。隨著網(wǎng)絡技術的進一步發(fā)展和廣泛應用，計算機系統(tǒng)對網(wǎng)絡資源共享的依賴性將會逐步增強。未來發(fā)展中，網(wǎng)絡操作計算機系統(tǒng)將會出現(xiàn)，能夠更加高效地共享網(wǎng)絡資源。

（四）安全性和多樣化趨勢

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

（五）便攜化趨勢

虛擬技術的出現(xiàn)和發(fā)展為計算機操作系統(tǒng)便攜化目標的實現(xiàn)提供了技術支撐。在未來的發(fā)展中，可以以文件形式處理計算機操作系統(tǒng)，在其他計算機上也能方便地應用。但我國目前的虛擬機規(guī)模較大，需要進行深化研究。

六、結(jié)論

簡而言之，進入新時期后，計算機信息技術迅速發(fā)展，且在各行各業(yè)得到了十分廣泛的運用，推動了各個領域的發(fā)展。計算機技術的一項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、系統(tǒng)管理和協(xié)調(diào)運行等。雖然目前計算機操作系統(tǒng)已經(jīng)逐漸完善，但是隨著科學技術的革新及人們需求的增加，未來計算機操作系統(tǒng)將會獲得進一步的發(fā)展。本文簡要介紹了計算機操作系統(tǒng)的應用與發(fā)展趨勢，希望能夠提供一些有價值的參考意見。

參考文獻：

[1]張華東.計算機操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢探討[J].中國新通信，2016，18（13）：66.

[2]王德兵，還原技術在計算機操作系統(tǒng)維護中的運用研究[J]中國新技術新產(chǎn)品，2016（15）：30-31

[3]袁琴，方麗.淺談未來計算機操作系統(tǒng)的發(fā)展方向[J]絲路視野，2017（3）：160.

[4]王靖.計算機操作系統(tǒng)運行與維護研究[J]無線互聯(lián)科技，2017（22）：56-57

[5]戴紅紅.淺談對計算機操作系統(tǒng)的認識[J]科技風，2016（14）：139-140.