計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論文范文(2)
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論文范文篇二
《計算機操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jù)指令進行工作?，F(xiàn)代計算機技術(shù)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(jīng)成為計算機操作系統(tǒng)未來發(fā)展的方向之一。
關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng);結(jié)構(gòu);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(jù)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(jié)合。計算機的種類繁多，包括個人計算機、服務(wù)器、大型計算機、超計算機等，應(yīng)用范圍也不同，從個人使用、辦公、科學(xué)研究、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、工業(yè)自動化控制等等。而不同的計算機，不同的應(yīng)用范圍都需要不同的操作系統(tǒng)支持計算機在各自領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著計算機的應(yīng)用范圍越來越廣，計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能也必須不斷更新和進步。此外，計算機的硬件技術(shù)也不斷發(fā)展，高度集成化、智能化的技術(shù)不斷應(yīng)用到計算機硬件的研發(fā)中，短短數(shù)十年，計算機的CPU從單核發(fā)展到雙核、多核，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)。例如十年前，一部高清DVD格式的電影也就500mb左右，而現(xiàn)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(shù)的不斷發(fā)展技術(shù)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(jì)來，計算機不斷進化、發(fā)展，已經(jīng)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(yīng)用新技術(shù)不斷發(fā)展，同時也要求能適應(yīng)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(yīng)用范圍不斷增大，傳統(tǒng)的按鈕已經(jīng)不能滿足計算機操作的需要。后來，科學(xué)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(yīng)用程序，科學(xué)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(xiàn)了對計算機程序的控制和共用，能夠?qū)τ嬎銠C的硬件資源進行高效管理，同時得益于集成電路技術(shù)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(jīng)成為一門完整的學(xué)科，它的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，已經(jīng)成為現(xiàn)代信息社會的基礎(chǔ)。二十一世紀(jì)是信息時代，信息時代離不開計算機技術(shù)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(shù)隨著機械、電子技術(shù)的發(fā)展不斷前進，而軟件技術(shù)中的最重要的組成部分―操作系統(tǒng)也必須不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)，不斷開發(fā)新的功能，以適應(yīng)現(xiàn)代社會的需要。
2 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
操作系統(tǒng)作為典型的軟件，是具有特殊結(jié)構(gòu)的知識產(chǎn)品。軟件的結(jié)構(gòu)是軟件功能和操作方式的體現(xiàn)，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(wù)的系統(tǒng)，也必須不斷改變，以適應(yīng)新的需求和新的技術(shù)進步。軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)，需要更科學(xué)、強大的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。計算機的操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常有整體式結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)、模塊結(jié)構(gòu)和內(nèi)核結(jié)構(gòu)等部分組成，以下分別介紹各個結(jié)構(gòu)的功能與特性。
2.1 模塊組合結(jié)構(gòu)
模塊組合結(jié)構(gòu)在早期的開發(fā)思路是“各司其責(zé)”。結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計為早期的模塊組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的開發(fā)提供了開發(fā)思路，在設(shè)計模塊化的組合結(jié)構(gòu)時，設(shè)計人員為了響應(yīng)多通道程序同時運行的需求，設(shè)計了“進程”的系統(tǒng)概念，并且設(shè)計了分時系統(tǒng)。在操作系統(tǒng)中首次應(yīng)用了虛擬存儲器的概念，使當(dāng)時內(nèi)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(shè)計了條件變量機制，并且針對結(jié)構(gòu)中核內(nèi)實體間的不安全因素提出了權(quán)能系統(tǒng)，典型的基于權(quán)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(jié)構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)大型操作系統(tǒng)的發(fā)展需要，于是科學(xué)家們開始尋找更加高效的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，在此情況下，分層結(jié)構(gòu)和層次結(jié)構(gòu)開始應(yīng)運而生了。
2.2 層次結(jié)構(gòu)
層次機構(gòu)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(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)按照依賴關(guān)系分層實現(xiàn)系統(tǒng)功能，下層模塊為上層模塊提供功能結(jié)構(gòu)，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(wù)，通過嚴(yán)格的層次調(diào)用，規(guī)定只能由上層模塊調(diào)用下層模塊，制約了模塊結(jié)構(gòu)中的系統(tǒng)交互，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡單明了。而層次結(jié)構(gòu)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(dǎo)致任務(wù)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(jié)構(gòu)中的優(yōu)點和缺點，上世紀(jì)80年代后期，科學(xué)家們根據(jù)模塊結(jié)構(gòu)和層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，研究出了微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，試圖用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)解決層次結(jié)構(gòu)中的一系列問題。
2.3 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)
微內(nèi)核結(jié)構(gòu)又叫服務(wù)器與客戶結(jié)構(gòu)。在此機構(gòu)中，絕大部分的系統(tǒng)服務(wù)用于空間執(zhí)行，系統(tǒng)中的基本功能在內(nèi)核模式下運行，其它服務(wù)都以進程的形態(tài)與用戶存在于特權(quán)級中。內(nèi)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(wù)通信。微內(nèi)核機制的有諸多優(yōu)點，例如內(nèi)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(yīng)用。而早期的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)并不被業(yè)界看好，因為進程間的通信都通過微內(nèi)核，是通信切換開銷過于復(fù)雜。指導(dǎo)二十世紀(jì)九十年代后期，科學(xué)家們提出了第二代微內(nèi)核結(jié)構(gòu)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(nèi)核結(jié)構(gòu)才開始被廣泛應(yīng)用。
截至到現(xiàn)在，模塊組合結(jié)構(gòu)、整體式結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)仍然在不同的計算機操作系統(tǒng)中被應(yīng)用，因為這幾種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)從縱向管理操作系統(tǒng)，是“垂直結(jié)構(gòu)”，主要特點是低層服務(wù)與高層;微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的特點是橫向管理操作系統(tǒng)，是“水平結(jié)構(gòu)”，兩種結(jié)構(gòu)都可以應(yīng)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(diào)度使用戶在單任務(wù)下，采用獨占的方式運用處理器處理任務(wù)，在多程序和多任務(wù)下使用處理器調(diào)度任務(wù)、分配任務(wù)和資源并回收任務(wù)[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(shè)備管理分有以下功能：設(shè)備分配、設(shè)備傳輸控制、設(shè)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(fù)責(zé)處理用戶提交的任何要求。
3.2 協(xié)調(diào)功能
計算機操作系統(tǒng)還具備協(xié)調(diào)功能，系統(tǒng)充分利用計算機資源，協(xié)調(diào)資源使用過程中的關(guān)系，合理調(diào)度各種計算機資源，使高速設(shè)備和低速設(shè)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)束語
二十一世紀(jì)是信息時代，計算機是信息時代的支撐基礎(chǔ)，計算機操作系統(tǒng)必須不斷創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和功能，滿足網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用的需要，才能開發(fā)出更科學(xué)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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[3]于莉.操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能分析[J].軟件導(dǎo)刊，2011(01)：144-145.
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