操作系统的发展方向

前言

计算机硬件技术在系统体系结构(并行、分布)、处理器的RlsC化、大容量存储器、大容量高速磁盘等外部设备、高速网络器件以及联网技术等方面取得了飞跃发展。计算机软件技术在标准制定(POSIX,COSE标准)、软件设计方法(面向对象,模块化等)、软件工程开发与维护工具等方面日趋成熟。用户对计算机的需求也在不断提高与变化(主要包括:文字,图象,声音等输人输出技术、大量的数据处理与通信、超高速计算、实时控制等)。作为管理系统硬件资源以及提供用户界面的操作系统本身也有了长足的发展与进步。涉及到的研究领域在不断扩大。操作系统从无到有,大致与硬件技术的发展相对应,归纳为四个阶段:(1)(1945一1955)电子等计算机与操作系统的早期形式monitor(监控器);(2)(1955一1965)晶体管计算机与批处理系统;(3)(1965一1980)中小规模集成电路构成的计算机与支持分时多道程序设计的操作系统;(4)(1980一1994)大规模集成电路构成的单机、多机、网络硬件环境与并行操作系统。各个时期的操作系统与硬件环境相适应,功能上不断完善以满足用户的新需求。八十年代初中期开始,随着并行分布硬件体系结构的成熟,并行与分布算法的发展,并行操作系统从发展初期逐步走向成熟。操作系统由于涉及面广以及内部构成较复杂等原因,一个系统从设计到最终形成产品,并且被广泛推广使用需经10一15年的发展周期,这也决定了并行操作系统从改造已有的单机版本(并行化),增加模块(网络模块、网络文件系统、分布式服务器等)逐渐向全新的设计(如微核心化、面向对象的操作系统设计等)方向发展。在改造已有的操作系统与设计新的操作系统过程中,形成了多种产品,出现了多个研究热点。操作系统发展简史。

1、基于微核心的未来操作系统的研究与发展

微核心化操作系统,顾名思义,就是尽量缩小操作系统核心的规模,将传统操作系统核心实现的内容或称核心提供的服务提高到核心外的用户模块中进行实现。发展微核心化操作系统的主要动因是解决可移植性(包括操作系统自身与用户程序)、可扩展性(方便地增加各种服务模块)与可靠性。UNlx操作系统在发展初期以精小,易移植著称。随着计算机硬件体系结构的不断变化(多处理机结构—共享与分布存储器)与用户所需功能的不断扩展,UNIX逐渐庞大起来。可移植性、可扩展性与可维护性越来越差。究其原因,UNIX原本为单处理机开发的支持分时多道1期樊建平等:并行操作系统的现状与发展趋势程序设计的一种环境,在设计初期并没有考虑到今后要管理网络,多机、等硬件与支持并行,分布与面向对象的程序设计。微核心化思想就是将传统操作系统核心的功能进行大量的裁减,核心中只保留必须的模块(内存管理、处理器低层的管理、IPC,外部设备驭动程序等),其它的部分(文件系统、网络系统、进程管理)提到核心外进行实现。为什么说微核心化操作系统将领导未来操作系统的发展潮流?其原因可归纳为以下三个方面: l)功能上已实现现有的操作系统标准,解决了用户程序的继承性。

2)从操作系统的构成技术角度考虑更加合理,在模块化、可移植性与扩展性方面具有明显的优势。

3)主要的商品化操作系统供应商已经在其下一代产品中采纳了微核心化的思想或者其产品就是一个微核心化的操作系统。

4)支持不同的硬件体系结构(并行、分布、传统单机,嵌入式系统等)与应用需求(并行计算,实时处理,面向目标的程序设计,分布式计算等)。操作系统经过几十年的发展,在研究单位,厂商与用户的共同努力下已形成被广泛采纳的标谁(各种层次:包括系统调用、库函数、实用程序等)如DOS,MSCWINDOW,PosIX,COSE,XWINDOW等。为通过其它技术途径实现这些标准提供了可能,同时也保证了用户对新系统接受的程度。有关操作系统微核心化的研究从80年代初就开始,最早的系统包括CMU大学的RIG,ACCENT以及8tl年推出的MACH操作系统〔“〕。法国从80年代初期研制的Chorus操作系统,荷兰从80年代中开始研制的Amoeba[‘〕等都是具有代表性的工作。经过十几年的发展,操作系统的微核心化技术已经走上成熟与商品化的阶段。现在市场上已经销售的商品包括了Mierosoft公司的WindowNT,OSF组织的OSF/1.3(基于

MACH3.0),NEXT公司的NEXTSTEP,USL与Chorussystem联合推出的Chorus/MIX,Unisys公司的CTOS以及QNX提供的ONX等。正在研制的产品包括SUN公司在Solaris操作系统之后将要推出的基于微核心化技术的Spring0S(支持面向对象的程序设计),IBM为支持Taligent环境研制的Workplaee05,Apple将于1996推出的具有微核心化的操作系统MACSystem7.5等。还有一些仅在研究单位研制并且使用的系统如:AT&T的plang,Standford的Vkernel,以色列Hebrew大学开发的MOS,DEC公司的Topaz等。所有这一切对微核心化操作系统替代传统的操作系统打下了坚实的基础。采用微核心化思想实现新一代操作系统已经是学术界与商业界的共识。现在的主要争论点是实现的技术方面。包括微核心应该提供哪些服务;I/0驱动程序在进行高度抽象尽量减少与硬件的交互界面后,同时如何提高其效率;从提高效率考虑,哪些模块应该在核心空间运行。

2、操作系统领域的一些研究热点

1.效率问题:

主要的方法是通过设计各类跟踪统计工具找出系统中的效率瓶颈,然后再设法解决。从观察的范围看,有宏观与微观两类。前者将整个计算机系统看成是一个不可分裂的整体,从大范围内找瓶颈。后者集中于某一点上(如:CPU相关程序如中断与例外处理程序的效率,具体一个操作系统子系统等)。从宏观角度看,CPU以每年50%~100%的速度增加,DRAM的容量(单位面积)每三年增加4倍,存取速度增加较缓慢,磁盘容量年增长30%,存取速度增长也很缓慢〔合‘’,如何解决CPU 与DRAM速度之间的差别以及DRAM与磁盘存取速度的差别是硬件设计与操作系统实现需要考虑的问题。前一个问题通过增加CACHE来解决,涉及到的问题包括Cache大小(数据与指令),Caehe数据一致性等[之‘,’6,29,3。,:‘,名:,‘a]。

2.调度单元的研究:

该方面的研究主要集中于线程界面的定义与实现两个方面[6,’。,:’,’‘〕。3.共享虚拟存储:

共享虚拟存储机制一个主要特点就是在分布存储的多处理机系统中为各结点机提供一个可共享的“虚拟地址空间”,各个结点机可直接对该虚空间上的任何地址进行读写与执行指令等操作。这一概念实际上是传统操作系统的“虚拟存储空间”在分布式环境下的进一步扩展。它不仅实现传统“虚存”中的页表到当前结点物理存储器与磁盘块的映射,同时还完成“Page”虚拟页表到其它结点局部