有关计算机操作系统的发展、分类及功能论文
08065094 曾雅沁
计算机科学院 软件工程 2008级
Email ：[email protected] Tel:[1**********]
摘要:操作系统是计算机系统的软件部分，具有并发、共享、随机、虚拟四个主要特征。操作系统是统一管理计算机软、硬件资源, 合理组织计算机的工作流程, 协调系统部件之间, 系统与用户之间、用户与用户之间的关系。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:进程管理、存储管理、文件管理、设备管理。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。本文对计算机操作系统的发展、分类及功能做了简单的分析和阐述。 1 引言
操作系统是统一管理计算机软、硬件资源, 合理组织计算机的工作流程, 协调系统部件之间, 系统与用户之间、用户与用户之间的关系。本文对计算机操作系统的功能、发展和分类做了简单的分析和阐述。
2 操作系统的发展
2.1 手工操作阶段。
在这个阶段的计算机, 主要元器件是电子管, 运算速度慢, 没有任何软件, 更没有操作系统。用户直接使用机器语言编写程序, 上机时完全手工操作, 首先将预先准备好的程序纸带装入输入机, 然后启动输入机把程序和数据送入计算机, 接着通过开关启动程序运行, 计算完成后, 打印机输出结果。用户必须是非常专业的技术人员才能实现对计算机的控制。
2.2 监控程序（早期批处理）阶段
由于20世纪50年代中期, 计算机的主要元器件由晶体管取代, 运行速度有了很大的提高, 这时软件也开始迅速发展, 出现了早期的操作系统, 这就是早期的对用户提交的程序进行管理的监控程序和批处理软件。
2.3 多道批处理系统阶段
随着中、小规模的集成电路在计算机系统中的广泛应用,CPU 的运动速度大大提高, 为了提高CPU 的利用率, 引入了多道程序设计技术, 并出现了专门支持多道程序的硬件机构, 这一时期, 为了进一步提高CPU 的利用效率, 出现了多道批处理系统、分时系统等等, 从而产生了更加强大的监管程序, 并迅速发展成为计算机科学中的一个重要分支, 就是操作系统。统称为传统操作系统。
2.4 现代操作系统阶段。
大规模、超大规模集成电路急速的迅速发展, 出现了微处理器, 使得计算机的体系结构更加优化, 计算机的运行速度进一步提高, 而体积却大大减少, 面向个人的计算机和便携式计算机出现并普及。它的最大优点是结构清晰、功能全面、可以适应多种用途的需要并且操作使用方面。
3 操作系统的分类
从用途的角度可以分为专用和通用两类。专用操作系统是指用于控制和管理专项事物的操作系统, 如现代手机中使用的操作系统, 这类系统一般以嵌入硬件的方式出现, 用于特定的途径。通用操作系统具有完善的功能, 能够适应多种用途的需要。
从单机和网络的角度看可以分为单机操作系统和网络操作系统。单机操作系统是针对单机计算机系统的环境设计的, 它只有管理本机系统那个资源的功能。单用户操作系统是一种更为特殊的单机操作系统, 它是针对一台机器, 一个用户设计的操作系统, 它的基本特征是一次只能支持一个用户作业的运行, 系统的所有资源有该用户独占, 该用户对整个计算机系统有绝对的控制权。
从功能的角度看可分为批处理系统、分时系统、实时系统、网络系统、分布式系统。批处理系统、分时系统和实时系统的运行环境大多是计算机系统, 而后两种操作系统的运行环境是多计算机系统。
3.1 批处理系统。
批处理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。
3.2 分时系统。
分时是指两个或两个以上的事件按时间划分轮流使用计算机系统的某一资源。在一个系统中如果多个用户分时使用一个计算机, 那么这样的系统成为分时系统。分时的时间单位称为时间片, 一个时间片一般是几十豪秒。在一个分时系统中, 往往要连接几十个甚至上百个终端, 每个用户在自己的终端上控制其作业的运行。通过操作系统的管理, 将CPU 轮流分配给各个用户使用, 如果某个用户作业在分配给他另一个时间片在继续执行。此时的CPU 被分配给另一个用户作业。
3.3 实时系统。
实时即时处理并快速给出处理结果。实时系统一般是采用时间驱动的设计方法, 系统能够及时对随时发生的事件做出响应并及时处理。实时系统分为实时控制系统和实时处理系统。实时控制系统常用于工业控制以及飞行器、导弹发射等军事方面的自动控制。实时处理系统常用于预定飞机票、航班查询以及银行之间账务往来等系统。
3.4 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。
3.5 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。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。
4 操作系统的基本功能
操作系统的主要功能是资源管理，进程管理和内存管理互等。计算机系统的资源可分为设备资源和信息资源两大类。设备资源指的是组成计算机的硬件设备，如中央处理器，主存储器，磁盘存储器，打印机，磁带存储器，显示器，键盘输入设备和鼠标等。信息资源指的是存放于计算机内的各种数据，如文件，程序库，知识库，系统软件和应用软件等
4.1资源管理
系统的设备资源和信息资源都是操作系统根据用户需求按一定的策略来进行分配和调度的。操作系统的存储管理就负责把内存单元分配给需要内存的程序以便让它执行，在程序执行结束后将它占用的内存单元收回以便再使用。对于提供虚拟存储的计算机系统，操作系统还要与硬件配合做好页面调度工作，根据执行程序的要求分配页面，在执行中将页面调入和调出内存以及回收页面等。
处理器管理或称处理器调度，是操作系统资源管理功能的另一个重要内容。在一个允许多道程序同时执行的系统里，操作系统会根据一定的策略将处理器交替地分配给系统内等待运行的程序。一道等待运行的程序只有在获得了处理器后才能运行。一道程序在运行中若遇到某个事件，例如启动外部设备而暂时不能继续运行下去，或一个外部事件的发生等等，操作系统就要来处理相应的事件，然后将处理器重新分配。
操作系统的设备管理功能主要是分配和回收外部设备以及控制外部设备按用户程序的要求进行操作等。对于非存储型外部设备，如打印机、显示器等，它们可以直接作为一个设备分配给一个用户程序，在使用完毕后回收以便给另一个需求的用户使用。对于存储型的外部设备，如磁盘、磁带等，则是提供存储空间给用户，用来存放文件和数据。存储性外部设备的管理与信息管理是密切结合的。
信息管理是操作系统的一个重要的功能，主要是向用户提供一个文件系统。一般说，一个文件系统向用户提供创建文件，撤销文件，读写文件，打开和关闭文件等功能。有了文件系统后，用户可按文件名存取数据而无需知道这些数据存放在哪里。这种做法不仅便于用户使用而且还有利于用户共享公共数据。此外，由于文件建立时允许创建者规定使用权限，这就可以保证数据的安全性。
4.2进程管理
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 ，也可以利用多进程功能同时执行复数进程。进程管理指的是操作系统调整复数进程的功能。
由于大部分的电脑只包含一颗中央处理器，在单内核的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。进程管理通常实现了分时的概念，大部分的OS 可以利用指定不同的特权等级，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、进程异常终止处理以及死结侦测及处理等较为艰深的问题。
在进程之下尚有线程的问题，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。
4.3内存管理
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。
5 参考文献
[1] 陈向群、杨芙清. 操作系统教程（第二版）. 北京大学出版社,2006.
[2] 汤子瀛、哲凤屏、汤小丹. 计算机操作系统（修订版）. 西安电子科技大学出版社 2001.8
[3] 百度百科
有关计算机操作系统的发展、分类及功能论文
08065094 曾雅沁
计算机科学院 软件工程 2008级
Email ：[email protected] Tel:[1**********]
摘要:操作系统是计算机系统的软件部分，具有并发、共享、随机、虚拟四个主要特征。操作系统是统一管理计算机软、硬件资源, 合理组织计算机的工作流程, 协调系统部件之间, 系统与用户之间、用户与用户之间的关系。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:进程管理、存储管理、文件管理、设备管理。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。本文对计算机操作系统的发展、分类及功能做了简单的分析和阐述。 1 引言
操作系统是统一管理计算机软、硬件资源, 合理组织计算机的工作流程, 协调系统部件之间, 系统与用户之间、用户与用户之间的关系。本文对计算机操作系统的功能、发展和分类做了简单的分析和阐述。
2 操作系统的发展
2.1 手工操作阶段。
在这个阶段的计算机, 主要元器件是电子管, 运算速度慢, 没有任何软件, 更没有操作系统。用户直接使用机器语言编写程序, 上机时完全手工操作, 首先将预先准备好的程序纸带装入输入机, 然后启动输入机把程序和数据送入计算机, 接着通过开关启动程序运行, 计算完成后, 打印机输出结果。用户必须是非常专业的技术人员才能实现对计算机的控制。
2.2 监控程序（早期批处理）阶段
由于20世纪50年代中期, 计算机的主要元器件由晶体管取代, 运行速度有了很大的提高, 这时软件也开始迅速发展, 出现了早期的操作系统, 这就是早期的对用户提交的程序进行管理的监控程序和批处理软件。
2.3 多道批处理系统阶段
随着中、小规模的集成电路在计算机系统中的广泛应用,CPU 的运动速度大大提高, 为了提高CPU 的利用率, 引入了多道程序设计技术, 并出现了专门支持多道程序的硬件机构, 这一时期, 为了进一步提高CPU 的利用效率, 出现了多道批处理系统、分时系统等等, 从而产生了更加强大的监管程序, 并迅速发展成为计算机科学中的一个重要分支, 就是操作系统。统称为传统操作系统。
2.4 现代操作系统阶段。
大规模、超大规模集成电路急速的迅速发展, 出现了微处理器, 使得计算机的体系结构更加优化, 计算机的运行速度进一步提高, 而体积却大大减少, 面向个人的计算机和便携式计算机出现并普及。它的最大优点是结构清晰、功能全面、可以适应多种用途的需要并且操作使用方面。
3 操作系统的分类
从用途的角度可以分为专用和通用两类。专用操作系统是指用于控制和管理专项事物的操作系统, 如现代手机中使用的操作系统, 这类系统一般以嵌入硬件的方式出现, 用于特定的途径。通用操作系统具有完善的功能, 能够适应多种用途的需要。
从单机和网络的角度看可以分为单机操作系统和网络操作系统。单机操作系统是针对单机计算机系统的环境设计的, 它只有管理本机系统那个资源的功能。单用户操作系统是一种更为特殊的单机操作系统, 它是针对一台机器, 一个用户设计的操作系统, 它的基本特征是一次只能支持一个用户作业的运行, 系统的所有资源有该用户独占, 该用户对整个计算机系统有绝对的控制权。
从功能的角度看可分为批处理系统、分时系统、实时系统、网络系统、分布式系统。批处理系统、分时系统和实时系统的运行环境大多是计算机系统, 而后两种操作系统的运行环境是多计算机系统。
3.1 批处理系统。
批处理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。
3.2 分时系统。
分时是指两个或两个以上的事件按时间划分轮流使用计算机系统的某一资源。在一个系统中如果多个用户分时使用一个计算机, 那么这样的系统成为分时系统。分时的时间单位称为时间片, 一个时间片一般是几十豪秒。在一个分时系统中, 往往要连接几十个甚至上百个终端, 每个用户在自己的终端上控制其作业的运行。通过操作系统的管理, 将CPU 轮流分配给各个用户使用, 如果某个用户作业在分配给他另一个时间片在继续执行。此时的CPU 被分配给另一个用户作业。
3.3 实时系统。
实时即时处理并快速给出处理结果。实时系统一般是采用时间驱动的设计方法, 系统能够及时对随时发生的事件做出响应并及时处理。实时系统分为实时控制系统和实时处理系统。实时控制系统常用于工业控制以及飞行器、导弹发射等军事方面的自动控制。实时处理系统常用于预定飞机票、航班查询以及银行之间账务往来等系统。
3.4 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。
3.5 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。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。
4 操作系统的基本功能
操作系统的主要功能是资源管理，进程管理和内存管理互等。计算机系统的资源可分为设备资源和信息资源两大类。设备资源指的是组成计算机的硬件设备，如中央处理器，主存储器，磁盘存储器，打印机，磁带存储器，显示器，键盘输入设备和鼠标等。信息资源指的是存放于计算机内的各种数据，如文件，程序库，知识库，系统软件和应用软件等
4.1资源管理
系统的设备资源和信息资源都是操作系统根据用户需求按一定的策略来进行分配和调度的。操作系统的存储管理就负责把内存单元分配给需要内存的程序以便让它执行，在程序执行结束后将它占用的内存单元收回以便再使用。对于提供虚拟存储的计算机系统，操作系统还要与硬件配合做好页面调度工作，根据执行程序的要求分配页面，在执行中将页面调入和调出内存以及回收页面等。
处理器管理或称处理器调度，是操作系统资源管理功能的另一个重要内容。在一个允许多道程序同时执行的系统里，操作系统会根据一定的策略将处理器交替地分配给系统内等待运行的程序。一道等待运行的程序只有在获得了处理器后才能运行。一道程序在运行中若遇到某个事件，例如启动外部设备而暂时不能继续运行下去，或一个外部事件的发生等等，操作系统就要来处理相应的事件，然后将处理器重新分配。
操作系统的设备管理功能主要是分配和回收外部设备以及控制外部设备按用户程序的要求进行操作等。对于非存储型外部设备，如打印机、显示器等，它们可以直接作为一个设备分配给一个用户程序，在使用完毕后回收以便给另一个需求的用户使用。对于存储型的外部设备，如磁盘、磁带等，则是提供存储空间给用户，用来存放文件和数据。存储性外部设备的管理与信息管理是密切结合的。
信息管理是操作系统的一个重要的功能，主要是向用户提供一个文件系统。一般说，一个文件系统向用户提供创建文件，撤销文件，读写文件，打开和关闭文件等功能。有了文件系统后，用户可按文件名存取数据而无需知道这些数据存放在哪里。这种做法不仅便于用户使用而且还有利于用户共享公共数据。此外，由于文件建立时允许创建者规定使用权限，这就可以保证数据的安全性。
4.2进程管理
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 ，也可以利用多进程功能同时执行复数进程。进程管理指的是操作系统调整复数进程的功能。
由于大部分的电脑只包含一颗中央处理器，在单内核的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。进程管理通常实现了分时的概念，大部分的OS 可以利用指定不同的特权等级，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、进程异常终止处理以及死结侦测及处理等较为艰深的问题。
在进程之下尚有线程的问题，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。
4.3内存管理
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。
5 参考文献
[1] 陈向群、杨芙清. 操作系统教程（第二版）. 北京大学出版社,2006.
[2] 汤子瀛、哲凤屏、汤小丹. 计算机操作系统（修订版）. 西安电子科技大学出版社 2001.8
[3] 百度百科