现代操作系统.pdf
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1、Communications of CCF 2008/915近几十年来,随着多处理机技术、中间件技术、网络技术、嵌入式技术、多媒体技术、虚拟化技术、安全技术和可信计算技术等硬件和软件新技术的不断涌现,现代操作系统在传统操作系统基础上也不断发展出一些新的特性,如多线程、微内核、网络化、多媒体以及高安全性等。网络化和多媒体化是许多现代操作系统的新特征,而进一步提高操作系统的并发性(采用多线程)和可靠性(采用微内核结构减小规模)则是现代操作系统发展的一个重要趋势。以桌面系统为例,操作系统的发展将呈现一些新的特点:(1)随着普适计算、移动计算的发展,个人桌面和个人应用将不再局限于PC这样的传统设备,满
2、足新的计算模式将成为下一代桌面系统设计的关键。(2)为满足不同人群的应用需求,桌面操作系统也在分化出不同的功能。例如,针对追求娱乐和时尚的人群,桌面操作系统通过与硬件配合,提供更强大的三维(3D1)功能和显示加速功能,从而推出更酷更炫的三维桌面,以及提供功能更强大的多媒体播放器等;针对办公人群,则提供基于内容的桌面搜索工具以及功能更强大的信息管理、日程管理等工具。(3)桌面系统安全性受到高度重视,特别是通过与可信平台模块(TPM2)等硬件安全技术的结合,使得桌面安全性和可信性得到改善。此外,随着网络信息化时代的到来,高性能、高可用性、高可扩展性、安全性以及开放性都是未来服务器操作系统的主要研究
3、内容。内核多线程、多处理器支持、分布式计算环境支持和面向对象设计等成为这类现代操作系统的主要特征。万变中的不变:操作系统的基本概念在计算机科学的教育中,操作系统不仅是最重要的组成部分,也是了解计算机系统的基础。随着计算机在众多领域得到广泛应用,操作系统正在以惊人的速度发生变化。不过,虽然操作系统有着巨大的变化,但其基本概念仍然比较清晰,即操作系统是管理计算机硬件的软件。作为介于计算机用户和计算机硬件之间的中间层,操作系统为应用程序提供了基础。不同的操作系统有着不同的设计目标。个人计算机操作系统支持复杂的计算机游戏、商务软件和任何可能的应用软件;手持设备的操作系统更注重友好方便的用户界面;大型主
4、机上的操作系统则更加注重硬件能力的优化利用。不管怎样变化,操作系统要为用户提供方便,要提高计算机资源利用效率的要求是保持不变的。一个计算机系统通常由硬件、操作系现代操作系统的发展陈 钟 沈晴霓1Three-Dimensional2Trusted Platform Module专题报道Cover FeaturesCommunications of CCF 2008/916统、应用软件和用户四个部分组成。根据应用环境和用户特点的不同,计算机系统也存在不同的特性。例如,洗衣机中的嵌入式计算机系统通过“控制和显示面板”实现人机交互,其操作系统和应用程序相对固定。一个普通移动电话用户的交互方式和普通电话
5、类似,但通过内置的应用程序则可以为用户提供手机阅读和游戏等固定功能,而一部智能手机的计算能力已超过了早期的个人电脑,其丰富的媒体播放和文字处理等应用能力可与桌面个人计算机媲美。人们研究操作系统通常采用两种常见的观点:(1)用户观点:更注重易用性,当然也包括性能。随着个人计算机和各种手持计算装置的飞速发展,现代操作系统的设计越来越注重人机交互的方便易用。其中包括人机交互界面以及各种设备互联的标准化和方便性(如通用串行总线USB3接口、即插即用技术等)。(2)系统观点:认为操作系统是资源管理者。此类观点更多面向的是专业的软硬件设计人员。来自外部用户功能需求和交互方式的需求往往也能促进计算机硬件、软
6、件设计的创新。相关计算技术的发展操作系统经历了近40年的发展,从大型计算机的批处理系统到分时系统,再发展到个人计算机和掌上型计算机操作系统,直至分布式系统和嵌入式系统。每种操作系统适用于不同的计算环境,其中既有传统的单机计算模式,又包含了许多新涌现出的计算模式。这些计算模式的应用分别如下所述:多处理器计算早期的多处理器并行技术仅用于科学计算等领域,而今天该项技术已经出现在个人、家庭和企事业办公桌面系统之中,甚至手持设备、智能手机都采用了多处理机硬件架构。基于互联网(Web)的计算浏览器/服务器(Brower/Server)模式的普遍应用带领人们进入互联网计算时代。互联网技术拓展了传统式计算的范
7、围,企业的入口网站提供了由网络访问内部服务器的方法。网络计算机可以进行互联网式计算,而掌上型计算机和个人计算机与无线网同步的功能,也使得企业信息具有了可移植性。目前,除了个人计算机,工作站、手持设备甚至手机都可以用来当作联机上网的工具。我们由此也可以从互联网上获得更多的数据和服务。嵌入式计算嵌入式计算是目前计算机系统中占有率最高的一种计算,在汽车引擎、工厂的机械设备、录放机和微波炉等设备中几乎随处可见它的踪影。嵌入式系统大多运行特定的嵌入式操作系统。它们的硬件设备一般比较简单,没有较先进的系统功能如虚拟内存等,因此嵌入式操作系统也只提供了较为简单的功能。虚拟化计算所谓虚拟化,实质上是通过硬件和
8、操作系统(Operating System,OS)的中间层虚拟机监控层(Hypervisor)实现计算资源的管理和再分配,使资源利用率实现最大化。图1 计算机系统的4个组成部分3Universal Serial Bus,通用串行总线?1?2?3?nCommunications of CCF 2008/917虚拟化带来的最大好处是使一个物理平台能够同时运行多个同类或异类的操作系统,以分别作为不同业务和应用的支撑平台。虚拟化技术已颇受业界好评,甚至还出现了“虚拟机构件(Vmware)预示操作系统的死亡”的言论。其实从技术角度讲,虚拟机监控层本身就是一个微型的操作系统。从软件开发的角度看,绝大多数应
9、用都是面向操作系统开发的,用户所关心的是系统能提供何种应用,除非彻底颠覆现有的软件开发模式,即从面向Windows、Linux和各种Unix的编程环境和应用编程接口(API4),转向面向基于虚拟机管理层的编程环境和应用编程接口,否则操作系统作为软件开发基础的格局不会改变。因此,现代操作系统的发展在一定意义上受到虚拟化技术的影响,但未必会很快“死亡”。可信计算对于在计算机应用环境中的可信,ISO/IEC5 15408标准6有如下定义:一个可信的组件、操作或者过程的行为在任意操作条件下应该是可预测的,并能很好地抵抗应用程序软件、病毒以及一定的物理干扰造成的破坏。目前,可信计算主要有3个属性:(1)
10、可鉴别性,计算机系统的用户可以确定与他们进行通信的对象身份;(2)完整性,用户确保信息能够正确传输;(3)私有性,用户相信系统能保证信息不会被泄漏或窃取。这三个属性在具体操作系统应用中表现为用户的控制与访问权限以及文件与程序的加密解密等。由于操作系统包括不同的组件,因此操作系统的可信分为操作系统的启动可信、文件系统可信、设备驱动程序可信以及操作系统之上的软件可信等,整个过程称为操作系统的可信链。因此,在未来,包含可信计算模块的各种操作系统都应支持建立系统各组件之间的信任链关系。现代操作系统的发展微内核操作系统对于一个操作系统而言,内核通常是系统中最核心的部分。内核管理着所有的系统资源,对于系统
11、的设备拥有完全的访问权,所以内核通常运行于特权模式。现有的操作系统在正确性、可靠性以及安全性方面不尽如人意,其中很大部分的原因与系统内核的规模过于庞大复杂以致难以控制和验证有关。为改善这个问题,微内核的基本方法是应用最小特权原则,把一般内核中大部分的功能移出内核而只保留必不可少的部分,使具有特权的内核代码量最小,同时也减少内核的复杂度,从而使内核受到安全威胁而导致特权失控的可能性大大降低。同时,由于内核代码量的降低,使代码的分析和验证的工作也相对容易。但是,由于微内核操作系统是基于消息传递机制的,因此必须考虑如何提高操作系统服务器的效率。此外,在微内核内实现的新概念(比如线程)和新机制(如写时
12、拷贝等),在传统操作系统中没有相应的语义,实现微内核结构的操作系统时必须考虑到这一点。除了在系统性能和语义差异上会受到一定影响之外,具有微内核结构的现代操作系统拥有以下优点:(1)可伸缩性好,能适应硬件更新和应用变化;(2)可移植性好,所有与具体机器特征相关的代码,全部隔离在微内核中。如果操作系统要移植到不同的硬件平台上,只需修改微内核中极少量的代码即可;(3)实时性好,微内核可以更有效地支持实时处理;(4)安全可靠性高,微内核将安全性作为系统内部特性进行设计,对外仅使用少量应用编程接口;(5)支持分布式系统,支持多处理器的体系结构和高度并行的应用程序;(6)真正面向对象的操作系4Applic
13、ation Programming Interface,应用编程接口5International Standard Organization/International Electrotechnical Commission,国际标准化组织/国际电子技术委员会6一个评估IT产品安全保证级别的标准专题报道Cover FeaturesCommunications of CCF 2008/918统,能显著减小系统开销,提高系统的正确性、可靠性和易扩展性。因为微内核结构具有如此多的优点,所以现代操作系统中广泛采用微内核结构或准微内核结构,比如卡内基梅隆大学的Mach操作系统、法国的Chorus操作系统
14、以及当前广泛使用的Windows 2000/XP都采用了微内核结构。开源L4是第二代微内核,不但具有传统微内核的优势,即良好的可靠性和灵活性,还通过大量优化的通信机制,在很大程度上弥补了性能上的不足。目前的微内核结构不仅适用于通用操作系统,也已十分适合嵌入式的专用操作系统设计。嵌入式操作系统嵌入式系统是以应用为中心,软硬件可裁减的,适用于对功能、可靠性、成本、体积和功耗等综合性要求严格的专用计算机系统。它具有软件代码小、自动化程度高和响应速度快等特点,特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分,通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协
15、议、图形界面和标准化浏览器等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点,比如能够有效管理越来越复杂的系统资源,实现硬件虚拟化,使开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来,能够提供库函数、驱动程序、工具集和应用程序。与通用操作系统相比较,嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。从20世纪80年代起,国际上就开始了商用嵌入式系统和专用操作系统的研发。其中涌现出一批著名的嵌入式操作系统,例如:WinCE,是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统;VxWorks,是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最
16、高的系统,支持多种处理器,而且大多数的VxWorks应用程序接口是专用的;pSOS,是模块化、高性能的实时操作系统,专为嵌入式微处理器设计,提供一个完全多任务环境,在定制的或商业化的硬件上提供高性能和高可靠性;QNX,是实时的、可扩充的操作系统,部分遵循POSIX7相关标准(如POSIX.1b实时扩展,提供一个很小的微内核以及一些可选的配合进程);PalmOS,在PDA市场上占有很大的份额,具有开放的操作系统应用程序接口,开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序;OS-9,为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统,广泛应用于高科技产品中,包括消费电子产品、工业自动化、无线通讯产品、医疗仪器和
17、数字电视/多媒体设备,它提供了很好的安全性和容错性;LynxOS,是一个分布式、嵌入式、可规模性扩展的实时操作系统,遵循POSIX.1a、POSIX.1b和POSIX.1c标准;Symbian OS是专门用于高级数据功能手机(即智能手机)的开放操作系统。目前,专用操作系统均属于商业化产品并且价格昂贵。由于它们各自的源代码不公开,使得每个系统上的应用软件与其它系统都无法兼容。这种封闭性还导致了商业嵌入式系统在对各种设备的支持方面存在很大的问题,使得它们的软件移植变得很困难。Linux8作为开源系统,不会出现这样的问题。因此,除了智能数字终端领域以外,Linux在移动计算平台、智能工业控制和金融业
18、终端系统,甚至军事领域也都有着广泛的应用前景。这些Linux统称为“嵌入式Linux”。嵌入式Linux是开源项目,有着优秀的网络功能,比如稳定,内核“精悍”,运行时所需资源少,支持的硬件数量庞大等,因此吸引了许多开发商的目光,成为嵌入式操作系统的新宠。国际上比较有名的包括实时目标的RT-Linux9、小型化的uClinux10、专门化的嵌7 POSIX是由IEEE开发的,并由ANSI(American National Standards Institute)和ISO(International Standards Organization)标准化。8 全称是GNU/Linux,由GNU工程
19、和linux内核两个部分共同组成,是UNIX风格的操作系统。9 实时Linux,是在新墨西哥矿业及科技学院计算机系由Victor Yodaiken和Michael Barabanov开发出来的。10Micro-Control-Linux,是针对微控制领域而设计的Linux系统。Communications of CCF 2008/919入式Linux版本Embedix11以及号称世界最小的XLinux12等。嵌入式操作系统巨大的商业价值和Linux的开放性,为民族软件产业的发展提供了难得的机会。但是国产嵌入式操作系统在技术含量、兼容性、市场运作模式等方面还有很多工作要做。分布式操作系统在分布式
20、系统发展过程中出现过两个概念:网络操作系统和分布式操作系统。UNIX和Windows NT就属于网络操作系统,都具有网络功能,可以用来访问远程资源。它们能够通过网络透明地访问一些,但不是所有资源,例如:利用分布式文件系统(NFS13),用户能够通过网络透明地访问存储在远程设备或服务器上的文件。网络操作系统的特点之一就是运行于其上的结点能独立地管理自己的进程资源。也就是说,在网络上的每一个结点都有一个系统映像。通过网络操作系统,用户能够使用rlogin或Telnet14远程登录到其他的计算机上,并在那台计算机上运行进程。然而与操作系统管理本地结点计算机进程的方式不同,网络操作系统并不在结点间调度
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