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中國電子信息工程科技發(fā)展研究——操作系統(tǒng)專題 版權(quán)信息
- ISBN：9787030750297
- 條形碼：9787030750297 ; 978-7-03-075029-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
中國電子信息工程科技發(fā)展研究——操作系統(tǒng)專題 本書特色
本書全面概括了全球操作系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)和關(guān)鍵技術(shù)，從傳統(tǒng)的桌面、服務(wù)器和移動端操作系統(tǒng)，到如今面向人機(jī)物泛在融合、云原生、量子計算、機(jī)器學(xué)習(xí)等新場景的新型操作系統(tǒng)
中國電子信息工程科技發(fā)展研究——操作系統(tǒng)專題 內(nèi)容簡介
本書全面概括了全球操作系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)和關(guān)鍵技術(shù)，從傳統(tǒng)的桌面、服務(wù)器和移動端操作系統(tǒng)，到如今面向人機(jī)物泛在融合、云原生、量子計算、機(jī)器學(xué)習(xí)等新場景的新型操作系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，本書系統(tǒng)性地梳理了我國在各個操作系統(tǒng)子領(lǐng)域的前期布局和發(fā)展現(xiàn)狀，并重點(diǎn)介紹了當(dāng)前國內(nèi)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)以及已經(jīng)取得的亮點(diǎn)成果。*后，本書結(jié)合操作系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律和現(xiàn)實(shí)國情，展望了我國在該領(lǐng)域的未來研究方向和產(chǎn)業(yè)推進(jìn)策略。
中國電子信息工程科技發(fā)展研究——操作系統(tǒng)專題 目錄
目錄
《中國電子信息工程科技發(fā)展研究》編寫說明
前言
第1章 操作系統(tǒng)概述及其關(guān)鍵技術(shù) 1
第2章 全球發(fā)展態(tài)勢 11
2.1 云邊端硬件指令集逐步統(tǒng)一，泛在融合操作系統(tǒng)新形態(tài)正在興起 12
2.2 云計算進(jìn)入云原生時代，云原生操作系統(tǒng)競相布局 14
2.3 AI專用芯片全面鋪開，AI操作系統(tǒng)持續(xù)升溫 19
2.4 全球物聯(lián)網(wǎng)市場發(fā)展迅速、新技術(shù)帶來新機(jī)遇 22
2.5 量子計算呈蓬勃發(fā)展態(tài)勢，量子操作系統(tǒng)初步萌芽 25
第3章 我國發(fā)展現(xiàn)狀 29
3.1 非X86指令集芯片取得長足進(jìn)步，普適的非X86操作系統(tǒng)嶄露頭角 30
3.2 人網(wǎng)物泛在操作系統(tǒng)逐漸形成突破，有望引領(lǐng)發(fā)展潮流 34
3.3 國產(chǎn)云操作系統(tǒng)逐步走強(qiáng)，從能用變?yōu)楹糜谩?8
3.4 AI芯片和AI系統(tǒng)互相促進(jìn)，人工智能系統(tǒng)軟件百花齊放 41
3.5 智能終端和IoT操作系統(tǒng)蓬勃發(fā)展 43
3.6 量子操作系統(tǒng)萌芽，漸漸形成研究潮流 46
3.7 操作系統(tǒng)安全持續(xù)發(fā)力，保持領(lǐng)先態(tài)勢 47
第4章 我國熱點(diǎn)亮點(diǎn) 51
4.1 微內(nèi)核及庫操作系統(tǒng) 51
4.2 超算操作系統(tǒng) 55
4.3 云操作系統(tǒng) 58
4.4 面向人工智能的系統(tǒng)框架 65
4.5 AI增強(qiáng)的操作系統(tǒng) 73
4.6 IoT及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng) 77
第5章 我國未來展望 82
5.1 理論層面，加快推進(jìn)新型計算范式研究，構(gòu)建可擴(kuò)展可持續(xù)的計算體系 82
5.2 技術(shù)層面，走出國產(chǎn)自主操作系統(tǒng)優(yōu)化道路，多維度引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展方向 84
5.3 生態(tài)層面，打通上下游，優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā)環(huán)境 86
5.4 產(chǎn)業(yè)層面，完善產(chǎn)業(yè)鏈，搶抓產(chǎn)業(yè)革命機(jī)遇 87
致謝 89
參考文獻(xiàn) 90
《中國電子信息工程科技發(fā)展研究》編寫說明
前言
第1章 操作系統(tǒng)概述及其關(guān)鍵技術(shù) 1
第2章 全球發(fā)展態(tài)勢 11
2.1 云邊端硬件指令集逐步統(tǒng)一，泛在融合操作系統(tǒng)新形態(tài)正在興起 12
2.2 云計算進(jìn)入云原生時代，云原生操作系統(tǒng)競相布局 14
2.3 AI專用芯片全面鋪開，AI操作系統(tǒng)持續(xù)升溫 19
2.4 全球物聯(lián)網(wǎng)市場發(fā)展迅速、新技術(shù)帶來新機(jī)遇 22
2.5 量子計算呈蓬勃發(fā)展態(tài)勢，量子操作系統(tǒng)初步萌芽 25
第3章 我國發(fā)展現(xiàn)狀 29
3.1 非X86指令集芯片取得長足進(jìn)步，普適的非X86操作系統(tǒng)嶄露頭角 30
3.2 人網(wǎng)物泛在操作系統(tǒng)逐漸形成突破，有望引領(lǐng)發(fā)展潮流 34
3.3 國產(chǎn)云操作系統(tǒng)逐步走強(qiáng)，從能用變?yōu)楹糜谩?8
3.4 AI芯片和AI系統(tǒng)互相促進(jìn)，人工智能系統(tǒng)軟件百花齊放 41
3.5 智能終端和IoT操作系統(tǒng)蓬勃發(fā)展 43
3.6 量子操作系統(tǒng)萌芽，漸漸形成研究潮流 46
3.7 操作系統(tǒng)安全持續(xù)發(fā)力，保持領(lǐng)先態(tài)勢 47
第4章 我國熱點(diǎn)亮點(diǎn) 51
4.1 微內(nèi)核及庫操作系統(tǒng) 51
4.2 超算操作系統(tǒng) 55
4.3 云操作系統(tǒng) 58
4.4 面向人工智能的系統(tǒng)框架 65
4.5 AI增強(qiáng)的操作系統(tǒng) 73
4.6 IoT及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng) 77
第5章 我國未來展望 82
5.1 理論層面，加快推進(jìn)新型計算范式研究，構(gòu)建可擴(kuò)展可持續(xù)的計算體系 82
5.2 技術(shù)層面，走出國產(chǎn)自主操作系統(tǒng)優(yōu)化道路，多維度引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展方向 84
5.3 生態(tài)層面，打通上下游，優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā)環(huán)境 86
5.4 產(chǎn)業(yè)層面，完善產(chǎn)業(yè)鏈，搶抓產(chǎn)業(yè)革命機(jī)遇 87
致謝 89
參考文獻(xiàn) 90
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中國電子信息工程科技發(fā)展研究——操作系統(tǒng)專題 節(jié)選
第1章 操作系統(tǒng)概述及其關(guān)鍵技術(shù) 操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)的核心組成部分，是連接計算機(jī)硬件和用戶軟件的橋梁。計算機(jī)硬件是各種物理設(shè)備的總稱，由處理器（CPU）、內(nèi)存儲器和輸入/輸出模塊三大部分組成，它們之間通過系統(tǒng)總線進(jìn)行互聯(lián)，共同服務(wù)于上層的程序運(yùn)行；用戶軟件是為了解決實(shí)際問題而開發(fā)出來的各種應(yīng)用程序，比如數(shù)據(jù)管理軟件、文字處理軟件、視頻播放軟件等。操作系統(tǒng)位于二者之間，本質(zhì)上是一個管理并控制計算機(jī)硬件資源和用戶軟件任務(wù)，合理地組織計算機(jī)工作流程，方便用戶交互的大型底層軟件。通過操作系統(tǒng)這一管理整個硬件系統(tǒng)的底層軟件，用戶可以從復(fù)雜的硬件控制中抽身出來，集中精力到如何用計算機(jī)解決自身的實(shí)際問題上；同時，計算機(jī)硬件也可以通過操作系統(tǒng)的合理運(yùn)行安排實(shí)現(xiàn)較高的資源效率。 從軟硬件管理的角度看，操作系統(tǒng)主要有進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、文件管理這四類功能。進(jìn)程管理主要是將CPU資源按照一定的機(jī)制分配給待運(yùn)行的作業(yè)進(jìn)程，包括創(chuàng)建、刪除、掛起和重啟進(jìn)程，以及提供進(jìn)程同步和進(jìn)程間通信機(jī)制等。內(nèi)存管理主要是制定內(nèi)存分配策略并進(jìn)行替換回收等方面的維護(hù)，包括記錄內(nèi)存的使用狀態(tài)，決定哪些進(jìn)程會調(diào)入或調(diào)出內(nèi)存，根據(jù)需要分配和釋放內(nèi)存空間以及提供虛擬內(nèi)存機(jī)制等。設(shè)備管理主要是為各類設(shè)備提供相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，包括啟動程序、初始化程序以及控制程序等，保證輸入/輸出操作的順利完成。文件管理主要是維護(hù)文件的存儲信息并提供對讀寫更新等操作的支持，包括創(chuàng)建和刪除文件，創(chuàng)建和刪除目錄以便組織文件，提供文件和目錄的操作原語，映射文件到外存，以及文件備份等。這幾個部分緊密配合，為下層的硬件資源管理和上層的用戶服務(wù)提供了良好的支撐。 從20世紀(jì)50年代到如今，操作系統(tǒng)從無到有，由簡單到復(fù)雜，再到成為計算機(jī)中不可或缺的核心系統(tǒng)軟件，一路取得了輝煌的發(fā)展成績。其推動力主要有幾個方面：首先是為了提高計算機(jī)資源利用率，降低CPU、存儲器、外部設(shè)備等各種硬件資源的使用成本；其次是為了滿足用戶使用計算機(jī)的便捷性需要，不斷改善用戶開發(fā)和運(yùn)行程序的條件，提供良好的用戶接口和環(huán)境；然后是緊跟前沿硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，為各種新元器件提供有效的支持；*后是服務(wù)于計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的新形態(tài)，比如云計算平臺和量子計算平臺的出現(xiàn)都需要開發(fā)與之匹配的操作系統(tǒng)。經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)發(fā)展，操作系統(tǒng)已經(jīng)面向不同的計算任務(wù)需求，形成了不同的分支。常見的操作系統(tǒng)可以分為批處理操作系統(tǒng)、時分共享操作系統(tǒng)、實(shí)時操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)、移動操作系統(tǒng)等。 批處理操作系統(tǒng)的主要應(yīng)用場景是高性能計算和科學(xué)計算領(lǐng)域，通過將計算任務(wù)按批處理，*大化計算機(jī)的處理吞吐而較少關(guān)心單個計算任務(wù)的響應(yīng)延遲。批處理操作系統(tǒng)曾是早期操作系統(tǒng)發(fā)展的一個重要階段，比如CRAY 公司為巨型機(jī)推出的COS（Cray OS）就是一個在國際高性能計算領(lǐng)域影響很大的批處理操作系統(tǒng)。批處理操作系統(tǒng)中作業(yè)周轉(zhuǎn)時間長，不提供用戶與系統(tǒng)的交互手段，適合大的成熟的作業(yè)。時分共享操作系統(tǒng)，將計算機(jī)硬件在多個計算任務(wù)之間通過時間片的方式進(jìn)行共享，多個計算任務(wù)共同推進(jìn)，從而允許多個用戶同時使用計算機(jī)。目前大多數(shù)的桌面操作系統(tǒng)（如Windows）以及包括高性能計算平臺在內(nèi)的服務(wù)器操作系統(tǒng)（如Unix、Linux）采用的都是時分共享操作系統(tǒng)。實(shí)時操作系統(tǒng)則更加關(guān)注于單個計算任務(wù)的響應(yīng)時間，需要確保計算任務(wù)在穩(wěn)定的短時間內(nèi)完成，適用于實(shí)時控制和實(shí)時信息處理領(lǐng)域，其主要應(yīng)用場景包括通信系統(tǒng)嵌入式軟件、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、軍事、航空航天、車載系統(tǒng)等。分布式操作系統(tǒng)同時管理多個計算機(jī)，使得他們之間可以通過網(wǎng)絡(luò)快速協(xié)同，并共同完成計算任務(wù)。現(xiàn)在的云計算、集群等所采用的操作系統(tǒng)就是分布式操作系統(tǒng)，比如大型數(shù)據(jù)中心所用的操作系統(tǒng)等。移動操作系統(tǒng)（如Android，也叫安卓系統(tǒng)），則是近二十年來發(fā)展起來的新操作系統(tǒng)類型，專門面向手機(jī)、平板、可穿戴設(shè)備等智能便攜式設(shè)備，更加關(guān)注各類移動APP的使用便捷性、安全以及低功耗等特性。 傳統(tǒng)操作系統(tǒng)領(lǐng)域的研究主要關(guān)注在進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、存儲管理等研究方向，目前已基本定型，并取得了良好的應(yīng)用效果。后續(xù)的研究工作均是在前述工作的基礎(chǔ)上做增量式研究和更新，較少實(shí)質(zhì)性、突破性的進(jìn)展。 在進(jìn)程調(diào)度管理方面，早期的進(jìn)程調(diào)度采用基于優(yōu)先級以及時間片的時分復(fù)用調(diào)度策略。將CPU時間劃分為細(xì)粒度的時間片，并且將時間片根據(jù)優(yōu)先級分配給各進(jìn)程。在各進(jìn)程運(yùn)行時，將根據(jù)其自身的時間片消耗情況進(jìn)行按需調(diào)度。此類時間片方法容易產(chǎn)生部分進(jìn)程延遲長的問題。目前的操作系統(tǒng)大部分使用基于完全公平調(diào)度（Complete Fair Scheduling，CFS）的進(jìn)程管理。CFS記錄每個進(jìn)程的虛擬運(yùn)行時間，并在調(diào)度過程中確保每個進(jìn)程的虛擬運(yùn)行時間一致，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的公平。不同進(jìn)程的虛擬運(yùn)行時間的計算納入了其優(yōu)先級以及當(dāng)前占據(jù)的CPU時間，可以實(shí)現(xiàn)基于優(yōu)先級權(quán)重的按需公平。其他進(jìn)程調(diào)度方法大多以完全公平調(diào)度為基礎(chǔ)，融入對不同進(jìn)程特征的考慮，從而提高整體的效率。 在內(nèi)存管理技術(shù)方面，目前普遍采用虛擬內(nèi)存的方式進(jìn)行管理。通過將物理內(nèi)存空間抽象為虛擬內(nèi)存，每個進(jìn)程/計算任務(wù)都可以看到整個連續(xù)的內(nèi)存空間，并依賴于后臺的虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存中數(shù)據(jù)的放置與尋址。內(nèi)存分頁以及虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換是操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的重要特色。同時，有一系列的研究工作和實(shí)現(xiàn)，探究如何減少物理內(nèi)存的碎片化問題。分頁機(jī)制以及頁映射機(jī)制可以通過映射，顯著減少已經(jīng)存在的內(nèi)存碎片。同時，內(nèi)存分配時的伙伴系統(tǒng)（Buddy System），以及Slab分配器，能夠有效減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。近年來伙伴系統(tǒng)以及Slab分配器已經(jīng)成熟并廣泛應(yīng)用，暫未有具有普適性的新型內(nèi)存管理技術(shù)產(chǎn)生。一些研究工作更加關(guān)注于將新型內(nèi)存介質(zhì)（如非易失內(nèi)存、三維堆疊高帶寬內(nèi)存等）引入到內(nèi)存系統(tǒng)中，并采用不同的方式管理不同的內(nèi)存介質(zhì)。例如，非易失內(nèi)存可使用內(nèi)存方式管理，但提供持久化的存儲；三維堆疊高帶寬內(nèi)存可以作為普通內(nèi)存使用，也可以作為另外一級緩存使用。 在文件管理方面，提出虛擬文件系統(tǒng)技術(shù)，將文件訪問接口進(jìn)行抽象，使得上層應(yīng)用和軟件可以通過統(tǒng)一的接口進(jìn)行文件輸入輸出操作，而無須感知真實(shí)的數(shù)據(jù)存儲文件系統(tǒng)。目前，各類操作系統(tǒng)都提出了各自的文件系統(tǒng)用以管理和存儲文件。其主要不同在于文件中的數(shù)據(jù)管理方式。虛擬文件系統(tǒng)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了不同文件系統(tǒng)的統(tǒng)一，是操作系統(tǒng)中存儲管理的一大突破。近年來虛擬文件系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)也基本成熟。 從上述的現(xiàn)狀總結(jié)可以看出，傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)研究在各個方面均已達(dá)到比較成熟的狀態(tài)。然而，隨著科技社會的不斷發(fā)展，操作系統(tǒng)領(lǐng)域也呈現(xiàn)出一系列新的發(fā)展趨勢。特別地，隨著新應(yīng)用、新場景、新需求的不斷涌現(xiàn)并且日趨復(fù)雜，當(dāng)前的操作系統(tǒng)研究領(lǐng)域主要面臨著幾個核心的工程難題和科技挑戰(zhàn)： **個挑戰(zhàn)是操作系統(tǒng)需要適應(yīng)各類云-邊-端異構(gòu)硬件。在生態(tài)構(gòu)建層面，用戶應(yīng)用在云-邊-端自由遷移部署的需求日益凸顯，亟須開發(fā)支持上述自由遷移的泛在操作系統(tǒng)。其難題在于云、邊、端硬件常基于X86、ARM等異構(gòu)指令集，無法支持應(yīng)用的高性能自由遷移。統(tǒng)一云、邊、端硬件的指令集以滿足上述自由遷移需求的趨勢已初步顯現(xiàn)。因此，需要構(gòu)建自動適應(yīng)各類云-邊-端異構(gòu)硬件的操作系統(tǒng)，并且從“可用”變“好用”，形成完善的生態(tài)。此外，隨著智能終端的普及，操作系統(tǒng)也需要為各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供良好支持。 第二個挑戰(zhàn)是操作系統(tǒng)需要進(jìn)行跨層級的協(xié)同設(shè)計。在操作系統(tǒng)設(shè)計層面，傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的輻射范圍日益擴(kuò)大，需和上層的運(yùn)行時系統(tǒng)結(jié)合提供面向新應(yīng)用的特定優(yōu)化，也需和底層的各類異構(gòu)硬件（如AI芯片）協(xié)同設(shè)計，提供異構(gòu)硬件的高效支持。因此，“應(yīng)用-運(yùn)行時系統(tǒng)-操作系統(tǒng)-硬件”的協(xié)同設(shè)計和開發(fā)成為新型的操作系統(tǒng)設(shè)計方法。 第三個挑戰(zhàn)是操作系統(tǒng)需要為大規(guī)模分布式應(yīng)用提供有效的支撐。在分布式支持層面，超大規(guī)模的云計算平臺日益成為新應(yīng)用的運(yùn)行基礎(chǔ)平臺。因此，對海量分布式，以及通過網(wǎng)絡(luò)互連的云計算節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一細(xì)粒度管理，成為了云操作系統(tǒng)和面向云計算的網(wǎng)絡(luò)化操作系統(tǒng)的一個核心要求。 第四個挑戰(zhàn)是隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特別是互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和移動計算技術(shù)的發(fā)展，計算生態(tài)環(huán)境從根本上發(fā)生了改變，操作系統(tǒng)必須從處理單機(jī)資源拓展到處理網(wǎng)絡(luò)上的浩瀚資源。因此，操作系統(tǒng)領(lǐng)域出現(xiàn)了針對新型計算生態(tài)環(huán)境的泛在融合發(fā)展態(tài)勢。 此外，支持人工智能加速的芯片持續(xù)升溫，以及量子計算機(jī)等新型計算形態(tài)的出現(xiàn)，需要全新的、異于傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)以支持這種新的計算機(jī)形態(tài)，這也是操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個重要挑戰(zhàn)。 面對以上幾個主要工程科技挑戰(zhàn)，當(dāng)前國內(nèi)外的操作系統(tǒng)研究發(fā)展日新月異。無論是在以微軟、谷歌、阿里、華為等科技公司為代表的產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，還是在以O(shè)SDI、SOSP、ATC、ASPLOS等著名會議為代表的操作系統(tǒng)學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，泛在融合、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等前沿方向都已經(jīng)成為了主要的研究熱點(diǎn)，并不斷取得突破性的進(jìn)展。
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