探究计算机操作系统体系结构分析

韩彬

摘 要：计算机操作系统自从被研究出来后，已经历经了多年的发展，在漫长的发展过程中也逐渐涌现出了许多操作系统的体系结构，例如：简单体系结构、微内核结构和外核结构等。本文以此为背景，进行了深入的研究，主要针对操作系统结构进行了细致分析，并指出了这些结构格子所具备的优势与劣势，借以对我国的计算机操作系统的发展发挥有效的促进作用。

关键词：计算机;操作系统体系结构;分析

操作系统对于计算机而言，不仅是一项最为基础，也是一项最为重要的系统软件。立足于计算机用户的角度而言，计算机操作系统主要是其所能享受的各项服务;从程序员层面来看，是用户登录某一个程序的界面或者是接口;对于设计人员来说，则是多样化的模块同单元之间的不同联系，即本文重点研究的操作系统的体系结构。放诸现实，设计或改善一套全新的操作系统的重点在于设计体系结构，历经多年发展，计算机操作系统已由最初的单一控制循环体逐渐演变为较为复杂的分布式操作系统，加之用户的需求逐渐呈现出了多样化特征，计算机操作系统已然变成了一个兼具复杂与庞大的软件系统。参照相关研究结果表明，分析计算机操作系统的体系结构有助于正确处理软件系统的复杂问题，如此一来，此举具有一定的现实意义。

一、简单体系结构

计算机操作系统体系结构的最初模样便是简单体系结构，碍于彼时的多种因素影响，比如平台、软件应用等方面的限制，致使系统结构展现出了一种混乱无章的模样，比如：操作系统的各用户使用的应用程序同内核程序混杂在一起，甚者二者的运行地址和空间完全一致。这类操作系统的本质就是相关过程与项目的简易组合，而其中所运用的方法也较为简单，因此使得其结构从宏观层面上来看，十分模糊。

该体系结构的优点与缺点如下所述：优点：不同模块之间的组合方式相对简单，组合结构比较紧凑，具备较高的灵活性，可以参照使用环境和实际需求的不同自由组装，且因为其能直接应用在不同过程中，导致结构的工作效率较高。

缺点：1.从上文所述可知，该操作结构较为模糊，不同过程间毫无规律的相互调用的问题时有发生，过程间的网络与联系均较为复杂化，致使相关人员难以清楚认知结构情况。2.系统内各过程间的联结性过强，对单一过程进行的改动往往会影响到其他过程，此举造成了系统的维护性较差的情况。3.系统内各过程间具有复杂联系，无法保证其处理结果的正确性，且每一过程都是可见的，难以隐藏信息，这就造成了该系统的可靠性与安全性较低。

二、微内核结构

微内核计算机操作系统体系结构的主要任务是把系统中原有的代码转移到较高层次之中，借以减少系统内所存代码的数量，降低内核体积，因此，该结构也被称为服务器结构或是客户机结构。通常，该系统结构所使用的方法主要是借由用户进程向服务器发送相关请求与要求，进而由服务器在完成后续操作后，通过某个途径再反馈至用户进程中。在微内核结构中，内核的工作内容就是处理客户端与服务器之间的通信信息，系统内包含多个部分，每个部分各具备一定功能，譬如：文件管理、进程管理等，这些部分的内容量较小，致使管理工作也可以较为便利的开展。内核机构的服务与运行均是借助用户进程的形式得以展现，无需在核心中运行或是直接访问硬件，以此避免在服务器出现错误或是受损时对系统产生影响，仅会使相关的服务器崩溃。

该体系结构的优点与缺点如下所述：优点：从上文可知，微内核结构具有较高的灵活性、拓展性以及可靠性，这将会大幅降低系统的整体复杂度。

缺点：从某种层面上来看，微内核结构也具有难以忽略的缺陷，主要表现在应用程序调动服务时需经过两次的用户态与核心态的切换。

三、外核结构

外核结构的本质是为了使操作系统获取更优化的性能与更高的灵活性，操作系统的接口处在整体系统中属于硬件层，内核之中将以往操作系统产生的抽象全部提出，将重点放置在硬件资源的复用。在操作系统的外核结构中，内核所担负的主要任务是单一的申请操作、释放和复用硬件资源，过往操作系统提供的抽象将全部应用于用户空间中。

通常情况下，外核结构的内核主要分别负责三个方面的工作：跟踪资源的所有权、保护操作系统的安全性和撤销对资源的访问行为。外核中，所有操作系统的抽象都以库的形式展现出来，而用户在訪问硬件资源时，也是借由调用库来完成操作的。

该体系结构的优点与缺点如下所述：优点：外核机构所呈现出的最明显的特点是较快的运行速度，应用程序可以直接访问硬件系统;良好的拓展性，该系统仅需在应用层之上额外添加一个系统库即可拓展出应用或功能，无需对内核做出任何改动;较好的灵活性，只对系统库配置加以更改即可使系统适应不同的运行环境。

缺点：外核结构最为明显的缺点是较差的安全性，系统之内的多数共享服务均处于应用层之中，若想对其开展保护工作则只能借由互联网用户予以实施，此举将会降低系统的安全性。

综上所述，由上文可知，在市场中较为主流的操作系统的体系结构都具有不同的优势与劣势，尚未出现一种尽善尽美的体系结构。通常来讲，微内核结构的操作系统体系结构多应用在安全的操作系统之中，而简单结构和外核结构则会适用在嵌入式操作系统中。不过，在实际的应用过程中，则需参照具体的实际情况选择适宜的体系结构，在必要时间，可以依据各异的需求对操作系统进行合理修改，从而满足实际所需。

参考文献：

[1].赵良，叶俊民，罗景等.操作系统体系结构风格的比较研究[J].计算机应用研究，2005（5）：50-52.

[2].王邦千.计算机操作系统体系结构综述[J].达县师范高等专科学校学报：自然科学版，2005（5）：30-32，61.