浅析计算机操作系统及其发展

李继红

摘要：从计算机系统的层次结构上看操作系统是安装在硬件设备上的第一层软件，是对计算机硬件的首次扩充，操作系统管理着各种软硬件资源，对于提高计算机硬件的利用率和系统的吞吐量起着至关重要的作用。借助操作系统，用户得以用更便捷的方式实现同计算机系统的交互，极大的方便了用户，提高了工作效率。下面主要从系统类型和系统功能上对计算机操作系统进行说明。

关键词：计算机;操作系统;发展

随着技术的不断进步和需求的不断更新，计算机操作系统肯定也会随之变化，目前操作系统正向着便捷化，智能化，安全化和专用化的方向发展。在未来操作系统的功能一定会更加完善，应用的领域更加广泛，迎来更伟大的革新，也必将给用户带来更大的便利和更好的体验。

一、计算机操作系统概述

（一）计算机操作系统的类型

根据划分指标的不同操作系统存在多种分类，当代主流的操作系统分别是Windows、Unix和Linux系统。其中Windows系统是由美国微软公司研发的一套操作系统，采用图形化模式的界面，比起键入指令的使用方式更加人性化，已成为PC端的主流操作系统;Unix系统属于另一个流派，具有功能强大，安全性高，稳定性强的特点，但对计算机硬件配置要求很高，主要应用于对安全性和稳定性有更高要求的大型服务器平台;而Linux系统也是当今操作系统中的重要成员，Linux系统开始是为了替代Unix而开发的，由于Linux开源免费的优势，引起了很多技术人员的关注，其功能也越来越完善，在很多方面甚至已经超越了Unix系统。

（二）计算机操作系统的主要功能

总的来说一个计算机系统包括处理器、存储器、1/0设备和文件，其中文件包含各种数据和程序，操作系统的任务就是对这些资源进行协调管理。在处理器方面主要负责CPU的控制和管理以及进程的处理和中断;在存储器管理上负责内存的分配和管理，保证各个作业能够顺利进行;操作系统对1/0设备的管理包括设备的分配和去配、缓冲区处理、中断处理以及设备的调度等，进而满足用户的I/O请求;在文件管理上，操作系统能够实现文件的组织和存取，同时配置了文件保护机制。操作系统的这些功能极大的提高了计算机资源的利用率，使得用户可以便捷有效的在计算机上执行各种操作，进而满足用户需求。

二、计算机操作系统的发展历程

（一）人工操作阶段

早期的计算机没有装配操作系统，最开始是由操作员将事先已穿孔的纸带通过输入机完成与计算机的交互，即人工操作方式。由于人工操作方式是用户独占全机而且需要CPU等待人工操作，这对计算机资源是一种极大的浪费。为改变这一问题逐渐引入了脱机输入/输出技术，该方式借助磁带作为数据传输中介，脱机1/0技术在一定程度上提高了计算机的工作效率，但其效果是有限的。

（二）单道批处理系统

为了解决人机矛盾以及1/0设备同CPU之间的矛盾，单道批处理系统由此产生。这种系统的主要目的是实现对作业的连续处理，先通过脱机的方式把一批作业输入到磁带上，然后在监督程序的控制下，完成作业的连续处理。虽然作业是成批处理的，但内存中始终只保持一道作业，故称为单道批处理系统。由于进行I/0操作时CPU要等待很长时间，同时在单道程序环境下，存在严重的内存浪费问题，显然这种系统不能实现资源的充分利用。

（三）多道批处理系统

多道批处理系统的产生主要是为了解决系统资源利用率低和系统吞吐量小的问题。这种系统在处理作业时，采用由外存到内存的方式，即先把数据信息成批读入到外存，随后根据算法规则将这些数据依次调入内存，这个过程由系统的作业调度程序完成。由于在内存中装有多道程序，能够同时对多道进程进行处理，CPU利用率较单道批处理系统有明显改善。多道批处理系统合理的利用了CPU的空档时间，有效的提高了系统吞吐量。但在另一方面，这种系统没有交互能力，平均周转时间长，使得程序的修改和调试极不方便[1]。

（四）分时系统

人机交互是分时系统的攻关问题，而实现人机交互的关键在于对多个用户键入的命令或数据，能够在短时间内做到及时接收和处理。为解决这一问题分时系统配置了多路卡，能以很快的速度扫描各个终端，接收从终端发来的数据，此外分时系统为每个终端配置了一个缓冲区，用于暂存用户键入的指令信息。分时系统与多道批处理系统的最大区别在于作业是直接进入内存的，同时采用了时间片轮转的方式保证用户同作业交互的及时性。另外分时系统还有一个很重要的特点就是共享主机特性。允许用户分别使用不同终端，彼此之间互不干扰地交互式访问系统资源。分时系统极大地提高了资源利用率，降低了使用费用，促进了计算机更广泛的应用。

（五）实时系统

分时系统基本可以满足普通用户的使用需求，但是要用于工業化还是远远不够，这就要用到实时系统。实时系统一个主要的特征是将时间作为关键参数，要求必须能够实时响应外部请求，在规定时间内完成对指定事件的处理。实时系统要求系统具有高度可靠性，不仅可以及时地对多路现场信息进行采集，同时还要保证彼此的独立性和操作的交互性。为降低错误发生机率，往往会采用多级容错机制来保障系统和数据的安全。目前实时系统多应用在工业武器控制系统和一些实时信息处理系统[2]。

三、计算机操作系统的功能

（一）处理器管理

研究发现，计算机操作系统的主要功能为管理中央处理器。中央处理器对于计算机的正常运行起着关键性的决定作用，还会影响计算机的整体性能。针对单道作业、单用户作业命令，计算机对处理器具有十分简单的管理任务;针对多道程序和命令，就增加了执行的难度，需要通过计算机操作系统的应用向各个程序合理分配中央处理器的时间。由此可以得知，计算机操作系统主要是管理处理器的CPU分配和实施活动。

（二）存储管理

在存储管理方面，计算机操作系统主要是分配、保护和管理存储器。首先，分配内存。操作系统、系统软件、用户程序等都存在于计算机内存中，为了避免有冲突矛盾出现在系统和各个用户程序存储区内，需要借助于计算机操作系统合理分配内存空间;其次，保护存储。如果有较多的任务程序同时运行于计算机系统中，就需要通过存储管理避免互相占用等问题出现在程序运行过程中，且系统程序不会受到用户执行程序的影响和破坏;最后，扩充内存。如果计算机系统提供的存储容量小于用户执行程序，计算机操作系统即可联合管理内部存储器和外部储存器，使内存得到有效扩充。

（三）设备管理

随着计算机系统的逐渐完善，配备了诸多类型的设备，且不同设备具有差异化的操作性能。计算机系统需要控制和管理各个设备，使计算机系统的运行需求得到满足。首先，设备分配。用户将使用外部设备的请求发送给系统后，计算机操作系统结合分配策略，统一分配设备，且将相应的使用命令提供给用户;其次，输入输出控制。结合用户的请求，设备管理程序能够对外部设备进行控制，实施输入输出操作。

（四）文件管理

计算机操作系统的另外一项重要功能是管理系统的各种软件资源。计算机软件资源包括运行程序、运行数据等内容，在外存中存放，操作系统可以有效管理文件目录、分配文件存储空间，将便捷的操作命令提供给用户[3]。

（五）作业管理

每一项独立任务的完成都需要经过多个加工步骤，而每一个加工步骤又可以划分为多个作业步。其中，作业调度、控制管理是作业管理的主要内容。具体来讲，作业调度指在相应策略的指导下，系统从多个程序作业中进行合理选择，将共享资源合理配备过来，使作业任务得以顺利完成。先来服务策略、优先数策略、分类调度策略等都是常用的作业调度策略。

四、各类操作系统的应用

目前，操作系统出现了多样化的类型，包括批处理系统、分时系统、分布式系统等。不同系统具有差异化的应用原理。

（一）批处理系统

具体来讲，批处理系统指的是计算机批量处理数个作业。结合相应的顺序，系统组织排列多个作业，系统可以逐个处理各个作业。目前，单道和多道是批处理系统的主要类型，这种划分依据是系统一次性可以调入作业数目的差异。针对某一个作业处理任务，单道系统会向辅助存储器中存储其他作业，完成作业的处理任务后，将其他作业任务调用过来。

（二）分时系统

一般情况下，不同用户在使用计算机时，往往会在不同的时段进行。分时系统的应用可以使不同用户的需求得到有效满足[4]。其中，时间片是分时系统的分时单位。分时系统的终端有数百个之多，诸多用户由终端承载。用户在操作时，分时系统会向各用户合理分配CPU资源。如果用户由其他时间片来执行作业任务，那么就可以向其他用户智能分配空闲的CPU资源。分时系统的应用可以有效管理树形工作站，高效、合理地分配资源。

（三）实时系统

时间驱动是实时系统的设计方式，不管在任何时间内，系统都可以及时响应任何作业。目前，在人们的生活、生产中广泛应用了实时系统。结合应用对象的差异可以从实时处理、实际控制两个方面来划分实时系统。个人一般会采用实时处理子系统，而在工业生产中会采用实时控制子系统，以便提升控制的智能化程度。

（四）网络系统、分布式系统

在网络技术、通信技术的支持下，出现了网络系统与分布式系统，能够有效共享信息资源。一般来讲，网络系统的用户分布在不同的地区，通过信息设施的运用，可以在同一个网络系统中互联各个用户[5]，有效共享各种资源。网络系统类似于单机系统，能够充分满足多个程序在同一时段的运行需求。分布式系统的构建平等地处理了各个计算机地位的问题，无缝衔接了资源共享。

五、计算机操作系统的发展趋势

（一）专用化趋势

计算机技术的广泛应用和快速发展，对移动计算、网络计算等技术的发展起到了较大程度的促进作用。因此，对操作系统的专用化提出了更高要求，需要合理分类各个部分，促使工作效率得到提升，各个区域的发展水平得到深化。未来的发展中，专用的通信设备、嵌入式操作系统将会出现。虽然嵌入式操作系统与通用操作系统十分类似，但是会独立于其他领域。在人们的生活应用中，利用一台计算机即可管理控制家中所有电器，有效互联互通家庭电器，从而更大程度地方便人们的生活。

（二）小型化趋势

过去的计算机体型十分庞大，之后逐步缩小，笔记本电脑、掌上电脑等开始出现。计算机操作系统也是如此，目前通用操作系统依然有较大的规模，存在着诸多的弊端。在未来的发展中，为了满足人们的多样化需求，计算机操作系统的规模将会日趋减小。特别是纳米技术的出现和成熟，更是促进了操作系统小型化目标的实现。

（三）网络化趋势

在人们的生活和工作中，网络已经成为重要的组成部分。随着网络技术的进一步发展和广泛应用，计算机系统对网络资源共享的依赖性将会逐步增强。未来发展中，网络操作计算机系统将会出现，能够更加高效地共享网络资源。

（四）安全性和多样化趋势

在各种因素的综合影响下，计算机很容易出现安全问题，进而威胁用户的信息安全。为了规避安全问题，大力改进和完善了计算机系统，其安全性日趋提升。在未来的发展中，依然要充分重视计算机操作系统的安全性，充分防范各种病毒，避免损害用户和社会的利益。

（五）便携化趋势

虚拟技术的出现和发展为计算机操作系统便携化目标的实现提供了技术支撑。在未来的发展中，可以以文件形式处理计算机操作系统，在其他计算机上也能方便地应用。但我国目前的虚拟机规模较大，需要进行深化研究。

六、结论

简而言之，进入新时期后，计算机信息技术迅速发展，且在各行各业得到了十分广泛的运用，推动了各个领域的发展。计算机技术的一项重要组成为操作系统，其具有多样化的功能，如环境建设、系统管理和协调运行等。虽然目前计算机操作系统已经逐渐完善，但是随着科学技术的革新及人们需求的增加，未来计算机操作系统将会获得进一步的发展。本文简要介绍了计算机操作系统的应用与发展趋势，希望能够提供一些有价值的参考意见。

参考文献：

[1]张华东.计算机操作系统的发展趋势探讨[J].中国新通信，2016，18（13）：66.

[2]王德兵，还原技术在计算机操作系统维护中的运用研究[J]中国新技术新产品，2016（15）：30-31

[3]袁琴，方丽.浅谈未来计算机操作系统的发展方向[J]丝路视野，2017（3）：160.

[4]王靖.计算机操作系统运行与维护研究[J]无线互联科技，2017（22）：56-57

[5]戴紅红.浅谈对计算机操作系统的认识[J]科技风，2016（14）：139-140.