米热古丽·克比尔

摘要：自从计算机操作系统诞生以来，已经经历了几十年的光景，在这几十年中也产生了诸多的操作系统结构。本文首先对主要的集中操作系统结构进行了分析，随后对其进行了一定的比较分析，介绍了其各自的优点和缺点。希望通过本文的研究和分析，可以对我国计算机操作系统的发展起到一定的促进作用。

关键词：计算机；操作系统；体系结构

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）33-0238-03

在计算机中，操作系统是其最基本也是最为重要的基础性系统软件。从计算机用户的角度来说，计算机操作系统体现在其提供的各项服务；从程序员的角度来说，其制药是指用户登录的界面或者接口；如果从设计人员的角度来说，就是指各式各样模块和单元之间的联系，也就是本文所研究的操作系统的体系结构【1】。事实上，全新操作系统的设计和改良的关键工作就是对体系结构的设计，经过几十年以来的发展，计算机操作系统已经由一开始的简单控制循环体发展成为较为复杂的分布式操作系统，再加上计算机用户需求的愈发多样化，计算机操作系统已经成为既复杂而又庞大的计算机软件系统之一。相关学者的研究表明，对计算机软件系统体系结构的研究和分析可以有利于软件系统的复杂性的处理，因此，本文的研究和分析具有一定的现实意义。

1主要操作系统体系结构概述

1.1 简单体系结构

计算机操作系统诞生初期，其体系结构就属于简单体系结构，由于当时各式各样影响因素的作用，如硬件性能、平台、软件水平等方面的限制，使得当时的计算机操作系统结构呈现出一种混乱且结构模糊的状态，其操作系统的用户应用程序和其内核程序鱼龙混杂，甚至其运行的地址和空间都是一致的【2】。这种操作系统实际上就是一系列过程和项目的简单组合，使用的模块方法也相对较为粗糙，因此导致其结构宏观上非常模糊。

1.2 单体内核结构系统

随着科学技术的不断发展和进步，硬件及其平台的水平和性能得到了很大程度的提高，其数量和种类也与日俱增，操作系统的复杂性也逐渐加深，其具备的功能以及性能越来越多，在此背景下，单体内核结构的操作系统诞生并得到了应用，例如UNIX操作系统、windows NT/XP等。

一般情况下，单体内核结构的操作系统主要具备以下集中功能，分别是文件及内存管理、设备驱动、CPU调度以及网络协议处理等【3】。由于内核的复杂性不断加深，相关的开发设计人员为了实现对其良好的控制，逐渐开始使用了一些较为成熟的模块化方法，并根据其不同的功能将其进行结构化，进而将其划分为诸多的模块，例如文件及内存管理模块、驱动模块、CPU调度模块及网络协议处理等【4】。这些模块所使用的地址和空间与内核使用的完全一致，其以函数调用的方式构建了用于通讯的结构来实现各个模块之间的通讯。在使用模块化的方法以后，制药其通讯接口没有发生明显的变化，即使整个结构中的任何一个模块发生变化也不会对结构中的其他模块造成任何的影响，为其系统的维护和改良扩充提供了便利。

虽然单体内核结构的计算机操作系统经过了模块化的处理，但是其中的全部模块仍然是在硬件之上、应用软件之下的操作系统核心中运转和工作。模块与模块之间活动的层次没有任何的差别。

1.3 层次式结构

层次式结构的计算机操作系统是为了减少以往操作系统中各个模块之间由于联系紧密而带来的各种问题而诞生的，其可以做大程度的减少甚至是避免循环调用现象的发生，确保调用有序，为操作系统设计目标的实现奠定了坚实的基础【5】。

在层次式结构的计算机操作系统之中，其是由诸多系统分为若干个层次的，其最底层是硬件罗技，其他每一个层级均是建立在其下一层级之上的。在设计其计算机操作系统内核时，主要采用与抽象数据类型十分类似的设计方法进行的，在系统中的每一个层级均包含着多种数据和操作，且每一个的数据和操作是其他层不可见的，在每一层当中都配备了用于其他层使用的唯一操作接口，同时每一层发生的访问行为只能针对其下层进行，不能访问其上层的数据和服务，严格遵守了调用规则，在很大程度上避免了其他层次对某一层次的干扰和破坏。

对于理想的层次式计算机系统体系结构来说，其之间的联系不仅仅是单向依赖性的，同时各个层级之间也要具备相互的独立性，且只能对低层次的模块和功能进行调用，例如THE系统。但是这种理想的全序层次式计算机操作系统在现实中建成是较为困难的，其无法完全避免模块之间循环调用现象的出现，某个层级之间仍旧存在某种循环关系，这种层次式结构又被叫作半序层次式计算机操作系统，例如SUE操作系统。

1.4 微内核结构

微内核计算机操作系统体系结构又可以被叫作客户机结构或者服务器结构，其实际上就是一种将系统中的代码转移到更高层次当中，尽可能地减少操作系统中的东西，仅仅保留一个小体积的内核，一般情况下其使用的主要方法就是通过用户进程来实现操作系统所具备的各项功能，具体来说就是用户进程可以将相关的请求和要求发送到服务器当中，然后由服务器完成相关的操作以后在通过某种渠道反馈到用户进程当中。在微内核结构中，操作系统的内核主要工作就是对客户端和服务器之间的通信进行处理，在系统中包括许多部分，每一个部分均具备某一方面的功能，例如文件服务、进程服务、终端服务等，这样的部分相对较小，相关的管理工作也较为便利。这种机构的服务的运行都是以用户进程的形式呈现的，既不在核心中运行，也不直接地对硬件进行访问，这样一来即使服务器发生错误或受到破坏也不会对系统造成影响，仅仅只是会造成相对应服务器的崩溃。

1.5 外核結构

外核结构的计算机操作系统本质上就是为了获得更高的性能和灵活性而设计出来的，在系统中，操作系统接口处于硬件层，在内核中提出全部由以往操作系统带来的抽象，并将重点和关键放在了更多硬件资源的复用方面。在操作系统的外核结构中，内核负责的主要工作仅仅为简单的申请操作以及释放和复用硬件资源，其由以往操作系统提供的抽象全部在用户空间当中运行。

一般情况下，外核结构中的内核主要有三大方面的工作，分别是对资源的所有权进行跟踪、为操作系统的安全提供保护以及撤销对资源的访问行为。在核外，基本上所有的操作系统中的抽象都是以库的形式呈现出来的，而用户在访问硬件资源时也是通过库的调用来完成的。

2 各个操作系统体系结构优缺点的分析与比较

2.1 简单结构的操作系统

1）优点

结构相对较为紧凑，模块之间的组合较为简单，同时可以根据环境和需求进行组装和裁剪，灵活性相对较高，并且由于其在各个过程间都可以直接使用，因此系统的效率相对较高【6】。

2）缺点

首先，由上可知，简单结构的操作系统的结构相对较为模糊，各个过程之间经常性地发生没有任何规律的互相调用和以来，其过程之间的网络和联系过于复杂，因此这就导致难以对其结构有一个清晰的认知和判断；其次，该系统各个过程之间的联系过于紧密，牵一发而动全身，对任何一过程进行改动都有可能对其他过程造成影响，导致该系统的可维护性相对较低；最后则是简单结构的操作系统的可靠性相对较低，主要原因是因为其各个过程之间的联系过于复杂，难以确保处理这些复杂关系程序的正确性，再加上在其系统中的任何一个过程都可以在其他过程中可见，其隐藏信息的作用较差，因此其安全性较低。

2.2 单体内核结构操作系统

1）优点

结构简单，便于理解；其操作系统模块基本上都处于操作系统的内核当中，其性能较为有缺；而且单体内核结构操作系统中的各个模块相对独立，任意模块的改变不会对其他模块造成影响，因此其安全性和可靠性相对较高。

2）缺点

由上我们可以知道，该操作系统中没有专门对其核心部件的保护措施；同时其模块的数量相对较多，造成其之间的关系较为复杂，由此导致其结构从整体上看仍旧较为复杂，扩充性和灵活性都较为低下。

2.3 分层式结构的操作系统

1）优点

分层式结构的计算机操作系统的体系结构具有其他操作系统无法比拟的优势，即系统验证和系统调试较为便利。具体内容如下【7】：第一层在硬件裸机上搭建而成，如果硬件裸机不存在问题，就可以对第一层进行调试，这样一来可以在很大程度上确保第一层的正确性和合理性；当确保第一层准确无误以后，就可以对第二层进行调试。利用这么层层递进的方式进行调试和验证，可以在很大程度上保证整个系统的正确性。如果在验证或者演练的过程中发现存在错误，那么就可以确定错误就是由该层产生的，在很大程度上为系统的正确性提供了保证，同时也使得相关的验证和调试工作更加便利。

2）缺点

但是，分层式结构的操作系统也有着无法忽视的缺点，即系统设计十分困难。在该系统中，每一层只能通过访问其下层提供的服务才可以完成其功能，因此该系统对于其每一层的设计都是十分严格的。在该系统的内核中，各个模块之间存在的调用关系是呈网状分布，很难将其转化为层次结构，甚至只能将多个模块组合为一个层次才能实现其层次化结构，如何强行将其层次化那么就会使得整个系统的性能下降。

2.4 微内核结构的操作系统

1）优点

由上可知，微内核结构的计算机操作系统的灵活性、扩充性以及可靠性是相当高的，其可以在很大程度上降低整个系统的复杂性。

2）缺点

从某种程度来说，微内核结构操作系统也有着无法忽视的重大缺陷，具体表现在应用程度对服务的调动必须要通过两次用户态和核心态的切换才可完成。

2.5 外核结构的操作系统

1）优点

对于外核结构的计算机操作系统来说，其最明显的优点就是其运行速度非常快，其应用可以直接地对硬件进行访问；除此之外，该系统的扩充性也较为优越，对于该系统来说要想对其进行扩充增加一项应用或功能，仅仅只需要在其应用层添加一个额外的系统库即可实现，不需要对系统内核做任何的改动；而且其灵活性也相对较高，仅仅需要对其系统库的配置做出一定的更改就可以适应不同环境的需求。

2）缺点

外核结构最明显的缺点就是其安全性能较为低下，整个系统的大多数共享服务都处于其应用层，对其的保护工作只能通过互联网用户来进行，这就对其系统的安全性带来了一定的隐患。

上所述，本文研究的五种操作系统的体系结构均各有各的优点和缺点通过上文中对操作系统主要体系结构的分析，我们可以看出，各种体系结构均有其优缺点。具体内容如下表所示：

3 结束语

从目前操作系统的应用热点来看，主要分为两大种类的操作系统，分别是安全的操作系统和嵌入式操作系统，这两种操作系统具备非常高的灵活性和扩充性。而嵌入式操作系统对于运行效率和实时性的要求相对较高，在设计安全的操作系统和嵌入式操作系统时最需要优先考虑的问题就是其体系结构是否符合实际情况。由上我们可以知道，在市场上比较主流的操作系统的体系结构均有着各自的优点和缺陷，没有一种系统结构可以满足所有的情况。一般情况下，安全的操作系统使用的微内核结构或单体内核结构的操作系统体系结构较多，而简单结构和外核结构则是更多的适用于嵌入式操作系统。但是，在实际的操作系统的应用过程中，必须要根据实际情况（如硬件环境、安全性要求、灵活性需求、性能要求等）来选择体系结构，必要时也可以对根据不同的需求对各个操作系统进行适当的部分修改，进而满足实际的需要。

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.

[3] 汪杭军，祁亨年，张广群，等.操作系统内核的比较与研究[J].湖州师范学院学报，2005（1）：63-67.

[4] 王璐，周晏，师文科.操作系统体系结构与内核技术对操作系统设计的影响[J].电脑知识与技术：学术交流，2006（11）：147-148.

[5] 熊安萍，蔣溢.浅析操作系统内核体系结构[J].重庆工商大学学报：自然科学版，2004（4）：376-379.

[6] 侯方勇，王志英，戴葵，等.硬件支持的安全体系结构研究[J].计算机工程与科学，2006（8）：17-18.

[7] 赵天昀，李正文，徐振强.一种新颖的混合操作系统体系结构[J].物探化探计算技术，2004（2）：181-184.

【通联编辑：朱宝贵】