计算机操作系统的结构及功能探讨

李毓博

摘 要：计算机的操作系统整合管理计算机的硬件资源、软件系统使计算机根据指令进行工作。现代计算机技术的高速发展，使人们对计算机的操作系统提出了更高的要求，要求计算机操作系统更加人性化、人机界面更加友好、操作系统简洁、安全、可靠，并且要求操作系统占用更少的空间，提高计算机的整体性能，并能够不断为计算机缩小体积和重量，使计算机更加便于携带已经成为计算机操作系统未来发展的方向之一。

关键词：操作系统；结构；功能

中图分类号：TP316

操作系统作为计算机的核心组成部分，在计算机系统中占据重要地位。自计算机诞生以来，人们一直致力于研究和革新计算机操作系统，不断挑战实用性和完美性的计算机与系统的结合。计算机的种类繁多，包括个人计算机、服务器、大型计算机、超计算机等，应用范围也不同，从个人使用、办公、科学研究、网络服务器、工业自动化控制等等。而不同的计算机，不同的应用范围都需要不同的操作系统支持计算机在各自领域的应用。随着计算机的应用范围越来越广，计算机系统的结构和功能也必须不断更新和进步。此外，计算机的硬件技术也不断发展，高度集成化、智能化的技术不断应用到计算机硬件的研发中，短短数十年，计算机的CPU从单核发展到双核、多核，现在已经出现了8核的CPU。此外，计算机的硬盘容量和显卡控制系统也不断更新，存储量和存储效率不断提高，以满足更高的用户需求标准。例如十年前，一部高清DVD格式的电影也就500mb左右，而现今的高清电影动辄十几个G，因此计算机硬件也不得不跟上时代发展的需要。在此情况下，计算机操作系统技术的不断发展技术发展和社会进步的必要，也是不断满足用户需求，为用户提供更加高效、快捷的计算机需求的必然[1]。

1 计算机操作系统的发展

1946年世界上第一台计算机在美国诞生，半个世纪来，计算机不断进化、发展，已经成为近代社会对世界影响最大的发明之一。计算机的进化过程中不断以提高运算速度、缩小体积、增大容量为发展动力，整个发展过程不仅要求计算机硬件不断应用新技术不断发展，同时也要求能适应硬件发展需求和计算机进化需要的操作系统。

计算机诞生之初并没有操作系统，人们通过各种按钮来控制计算机，随着计算机功能的不断增加，应用范围不断增大，传统的按钮已经不能满足计算机操作的需要。后来，科学家们研究了针对计算机控制其工作的汇编语言，这种汇编语言是计算机操作系统的雏形。操作者将汇编语言打制成有孔的纸带，并输入计算机中，供计算机编译。此后，为了更好的使计算机运行和管理应用程序，科学家们通过不断研究发明了操作系统，计算机操作系统很好地实现了对计算机程序的控制和共用，能够对计算机的硬件资源进行高效管理，同时得益于集成电路技术的高度发展，微型计算机开始走向了改变世界的开始。

计算机发展至今，已经成为一门完整的学科，它的应用领域越来越广泛，已经成为现代信息社会的基础。二十一世纪是信息时代，信息时代离不开计算机技术的支撑，无论是大型计算机还是微型计算机，必须有硬件和软件共同组成，硬件技术随着机械、电子技术的发展不断前进，而软件技术中的最重要的组成部分—操作系统也必须不断优化结构，不断开发新的功能，以适应现代社会的需要。

2 操作系统的结构

操作系统作为典型的软件，是具有特殊结构的知识产品。软件的结构是软件功能和操作方式的体现，是反映计算机硬件程序的客观存在。由于客观世界的不断变化，软件系统作为为客观事物服务的系统，也必须不断改变，以适应新的需求和新的技术进步。软件的结构设计决定了软件的功能和性能，是计算机软件工程师们一直研究的问题，而计算机操作系统作为大型的软件结构，需要更科学、强大的结构系统。计算机的操作系统的结构通常有整体式结构、层次结构、模块结构和内核结构等部分组成，以下分别介绍各个结构的功能与特性。

2.1 模块组合结构

模块组合结构在早期的开发思路是“各司其责”。结构化的程序设计为早期的模块组合结构系统的开发提供了开发思路，在设计模块化的组合结构时，设计人员为了响应多通道程序同时运行的需求，设计了“进程”的系统概念，并且设计了分时系统。在操作系统中首次应用了虚拟存储器的概念，使当时内存较小的计算机能够同时运行多个程序。为了更加优化系统多进程问题，研究者们设计了条件变量机制，并且针对结构中核内实体间的不安全因素提出了权能系统，典型的基于权能的系统如Hydra、EROS等[2]。随着计算机系统规模的不断扩大，模块之间的交互影响越来越繁琐，模块组合结构已经不能适应大型操作系统的发展需要，于是科学家们开始寻找更加高效的系统结构的设计方法，在此情况下，分层结构和层次结构开始应运而生了。

2.2 层次结构

层次机构是解决系统中多程序同时运行占用共享资源的矛盾的重要解决思路。在进程分层结构中，系统按照依赖关系分层实现系统功能，下层模块为上层模块提供功能结构，同时利用其更下层的模块提供的接口来为本层的系统服务，通过严格的层次调用，规定只能由上层模块调用下层模块，制约了模块结构中的系统交互，使系统的结构更加简单明了。而层次结构中也因为过多的层次降低了计算机系统的性能，同步分散，导致任务控制存储资源浪费较大，同时无限制的分层使系统膨胀化。基于层次结构中的优点和缺点，上世纪80年代后期，科学家们根据模块结构和层次结构的优缺点，研究出了微内核结构，试图用微内核结构解决层次结构中的一系列问题。

2.3 微内核结构

微内核结构又叫服务器与客户结构。在此机构中，绝大部分的系统服务用于空间执行，系统中的基本功能在内核模式下运行，其它服务都以进程的形态与用户存在于特权级中。内核中的基本功能包括线程管理、空间映射、中断处理、异常处理、和消息机制的任务通信。微内核机制的有诸多优点，例如内核精简，可移植性好；稳定性、安全性好；易于维护；可扩缩性好，直接支持分布式应用。而早期的微内核结构并不被业界看好，因为进程间的通信都通过微内核，是通信切换开销过于复杂。指导二十世纪九十年代后期，科学家们提出了第二代微内核结构的思想，针对IPC机制进行了优化，极大地提高了系统的性能，微内核结构才开始被广泛应用。

截至到现在，模块组合结构、整体式结构、层次结构、微内核结构仍然在不同的计算机操作系统中被应用，因为这几种结构都具有自身的特点和优点，同时也有各自的缺陷，因此适用于不同的计算机系统。层次结构从纵向管理操作系统，是“垂直结构”，主要特点是低层服务与高层；微内核结构的特点是横向管理操作系统，是“水平结构”，两种结构都可以应用于虚拟操作系统，是分别面向过程和面向指令的操作系统。

3 操作系统的功能

操作系统的主要功能如下：

3.1 系统管理功能

（1）进程管理功能，通过系统的调度使用户在单任务下，采用独占的方式运用处理器处理任务，在多程序和多任务下使用处理器调度任务、分配任务和资源并回收任务[3]。

（2）存储管理分为几种功能：存储分配、存储共享、存储保护、存储扩张。

（3）设备管理分有以下功能：设备分配、设备传输控制、设备独立性。

（4）文件管理：文件存储空间的管理、目录管理、文件操作管理、文件保护[4]。

（5）作业管理是负责处理用户提交的任何要求。

3.2 协调功能

计算机操作系统还具备协调功能，系统充分利用计算机资源，协调资源使用过程中的关系，合理调度各种计算机资源，使高速设备和低速设备都能充分发挥作用。

3.3 提供系统环境

计算机操作系统为用户提供使用计算机的环境，而非原始计算机的按钮操作或打孔纸条程序，使用户在友好的界面下向计算机发布各种命令，实现各种功能。操作系统通过自身程序，将计算机的硬件资源和软件资源的具体资源抽象化、形象化，并表现出来，使用户能够快捷方便地使用计算机满足自身需求[5]。

4 结束语

二十一世纪是信息时代，计算机是信息时代的支撑基础，计算机操作系统必须不断创新结构和功能，满足网络时代、信息时代的不断更新的需求，满足社会发展和各行各业的应用的需要，才能开发出更科学完善的、人性化的、实用性更强的操作系统。

参考文献：

[1]苏志明.计算机操作系统的功能、发展及分类[J].企业技术开发，2012（32）：125-126.

[2]袁锦泉.嵌入式操作系统功能分析及简化研究[J].电脑知识与技术，2012（08）：289-290.

[3]于莉.操作系统结构与功能分析[J].软件导刊，2011（01）：144-145.

[4]车敦仁，周立柱，杨亚奇.Client/Server计算与现代DBMS的体系结构[J].计算机科学，2009（5）：15-17.

[5]焦圣品，白英彩.桌面VR系统的软件体系结构[J].计算机工程，2007（22）：21-22.