[科普中国]-精简指令集计算机操作系统

操作系统是控制和管理计算机系统的资源，合理地组织计算机工作流程以及方便用户的软件。精简指令集计算机操作系统是指运行在精简指令集计算机上的操作系统。按操作系统运行的设备来分类，可以分为运行在PC端操作系统、服务器端和移动端操作系统。

简介精简指令集计算机操作系统是指操作系统运行的计算机中处理器采用精简指令设计的。精简指令集计算机操作系统有多种：Linux操作系统、Windows操作系统和Unix操作系统。不同的操作系统主要部署的计算机设备有很大区别，Windows操作系统主要运行在精简指令集个人计算机中，Linux操作系统主要运行在移动设备（移动智能终端操作系统）和服务器端；Unix主要运行在服务器上。

常见操作系统Android操作系统

Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由Google公司和开放手机联盟领导及开发。尚未有统一中文名称，中国大陆地区较多人使用“安卓”或“安致”。Android操作系统最初由Andy Rubin开发，主要支持手机。2005年8月由Google收购注资。2007年11月，Google与84家硬件制造商、软件开发商及电信营运商组建开放手机联盟共同研发改良Android系统。随后Google以Apache开源许可证的授权方式，发布了Android的源代码。第一部Android智能手机发布于2008年10月。Android逐渐扩展到平板电脑及其他领域上，如电视、数码相机、游戏机等。2011年第一季度，Android在全球的市场份额首次超过塞班系统，跃居全球第一。 2013年的第四季度，Android平台手机的全球市场份额已经达到78.1%。 [1] 2013年09月24日谷歌开发的操作系统Android在迎来了5岁生日，全世界采用这款系统的设备数量已经达到10亿台。

UNIX操作系统

UNIX操作系统（尤尼斯），是一个强大的多用户、多任务操作系统，支持多种处理器架构，按照操作系统的分类，属于分时操作系统，最早由KenThompson、Dennis Ritchie和Douglas McIlroy于1969年在AT&T的贝尔实验室开发。它的商标权由国际开放标准组织所拥有，只有匹配单一UNIX规范的UNIX系统才能使用UNIX这个名称，否则只能称为类UNIX（UNIX-like）。

Unix的前身为1964年开始的Multics，贝尔实验室 （Bell Labs）1965年时，加入一项由通用电气（General Electric）和麻省理工学院（MIT）合作 的计划；该计划要创建一套多用户、多任务、多层次（multi－user、multi－processor、multi－level）的MULTICS操作系统。贝尔实验室参与了这个操作系统的研发，但因为开发速度太慢，1969年贝尔实验室决定退出这个计划。贝尔实验室的工程师，肯·汤普逊和丹尼斯·里奇，在此时自行开发了Unix。

此后的10年，Unix在学术机构和大型企业中得到了广泛的应用，当时的UNIX拥有者AT&T公司以低廉甚至免费的许可将Unix源码授权给学术机构做研究或教学之用，许多机构在此源码基础上加以扩充和改进，形成了所谓的“Unix变种”，这些变种反过来也促进了Unix的发展，其中最著名的变种之一是由加州大学柏克莱分校开发的柏克莱软件包(BSD)产品。

后来AT&T意识到了Unix的商业价值，不再将Unix源码授权给学术机构，并对之前的Unix及其变种声明了版权权利。BSD在Unix的历史发展中具有相当大的影响力，被很多商业厂家采用，成为很多商用Unix的基础。其不断增大的影响力终于引起了AT&T的关注，于是开始了一场持久的版权官司，这场官司一直打到AT&T将自己的Unix系统实验室卖掉，新接手的Novell采取了一种比较开明的做法，允许柏克莱分校自由发布自己的Unix变种，但是前提是必须将来自于AT&T的代码完全删除，于是诞生了4.4 BSD Lite版，由于这个版本不存在法律问题，4.4 BSD Lite成为了现代柏克莱软件包的基础版本。尽管后来，非商业版的Unix系统又经过了很多演变，但其中有不少最终都是创建在BSD版本上（Linux、Minix等系统除外）。所以从这个角度上，4.4 BSD 又是所有自由版本Unix的基础，它们和System V及Linux等共同构成Unix操作系统这片璀璨的星空。

BSD使用主版本加次版本的方法标识，如4.2、4.3BSD，在原始版本的基础上还有派生版本，这些版本通常有自己的名字，如4.3BSD-Net/1，4.3BSD-Net/2等。BSD在发展中也逐渐派生出3个主要的分支：FreeBSD、OpenBSD和NetBSD。

此后的几十年中，Unix仍在不断变化，其版权所有者不断变更，授权者的数量也在增加。Unix的版权曾经为AT&T所有，之后Novell拥有获取了Unix，再之后Novell又将版权出售给了圣克鲁兹作业，但不包括知识产权和专利权（这一事实双方尚存在争议）。有很多大公司在获取了Unix的授权之后，开发了自己的Unix产品，比如IBM的AIX、HP的HP-UX、SCO的Openserver、SUN的Solaris（被Oracle收购）和SGI的IRIX。

Unix因为其安全可靠，高效强大的特点在服务器领域得到了广泛的应用。直到GNU/Linux流行开始前，Unix也是科学计算、大型机、超级计算机等所用操作系统的主流。其仍然被应用于一些对稳定性要求极高的数据中心之上。

移动智能终端操作系统移动智能终端操作系统已成为面向应用服务甚至包括部分基础应用服务的、构建于硬件之上的完整平台体系。传统狭义的操作系统主要由内核层及简单的操作界面两部分构成，这种操作系统只具有最初级的服务能力。传统狭义的操作系统面向上层应用软件提供最简单的支撑服务，大量重要的基础功能须由应用开发者自行完成，开发难度高、工作量大。随着 Unix 操作系（特别是基于其衍生的开源Linux操作系统）技术的快速发展，狭义操系统技术基本成熟。主流移动操作系统中除微软 Windows Phone 系列外,内核/系统库高度雷同，技术方案均为在 Unix/Linux 基础上进行二次开发。由于传统系统无法适应互联网时代灵活、快速、自由、创新的需求，操作系统自身的概念范畴开始演变，技术外延开始拓展，操作系统从最初聚焦于对硬件资源的管理调度扩展到面向应用服务的延伸与整合，架构在内核系统上的中间件、应用平台等也成为操作系统的有机组成部分，从而形成了一个面向应用的操作系统平台体系。移动互联网时代，这一态势更为显著。移动操作系统技术框架不断演进，并逐渐形成高度灵活的 4 层组织架构：操作系统内核层、中间件层、应用平台层、应用软件层。其中，中间件层又可划分为封装内核功能并向上提供接口的系统库组件和支撑上层应用的基础功能库（如数据库），应用平台层可划分为运行平台层（如Java 虚拟机）和构建于其之上的应用框架和应用引擎及接口层（如用户界面框架），这4 层架构高效协同，并可以全面封装底层硬件能力、完善构建多媒体等基础服务能力、为应用服务提供直接支撑能力、并面向用户提供最终应用服务能力1。

精简指令集计算机精简指令集计算机：(RISC:Reduced Instruction Set Computing)一种指令长度较短的计算机，其运行速度比CISC要快。RISC和 CISC是 CPU 从指令集的特点上可以分为两类 ：CISC 和 RISC 。 RISC 是英文 Reduced Instruction Set Computing 的缩写 , 就是 " 精简指令运算集 ” ， CISC就是 " 复杂指令运算集 " 。RISC 的指令系统相对简单，它只要求硬件执行很有限且最常用的那部分指令，大部分复杂的操作则使用成熟的编译技术，由简单指令合成。在中高档服务器中普遍采用这一指令系统的 CPU ，特别是高档服务器全都采用 RISC 指令系统的 CPU 。在中高档服务器中采用 RISC 指令的 CPU 主要有 Compaq （康柏，即新惠普）公司的 Alpha 、 HP 公司的 PA-RISC 、 IBM 公司的 Power PC 、 MIPS 公司的 MIPS 和 SUN 公司的 Sparc 。

RISC是相对于复杂指令集计算机(CISC)而言的。所谓复杂指令集计算机是依靠增加机器的硬件结构来满足对计算机日益增加的性能要求。计算机结构的发展一直是被复杂性越来越高的处理机垄断着，为了减少计算机操作与高级语言的差别，为了改善机器的运行特性，机器指令越来越多，指令系统也越来越复杂.特别是早期的较高速度的CPU和较慢速度的存储器间的矛盾，为了尽量减少存取数据的次数，提高机器的速度，大大发展了复杂指令集，但随着半导体工艺技术的发展，存储器的速度不断提高，特别是高速缓冲的使用，使计算机体系结构发生了根本性的变化，硬件工艺技术提高的同时，软件方面也发生了同等重要的进展，出现了优化编译程序，使程序的执行时间尽可能减少!并使机器语言所占的内存减至最小，在具有先进的存储器技术和先进的编译程序的条件下，CISC体系结构已不再适用了，因而诞生了RISC体系结构，RISC技术的基本出发点就是通过精减机器指令系统来减少硬件设计的复杂程度，提高指令执行速度，在RISC中，计算机实际上每一个机器周期里都执行指令，无论简单或复杂的操作，均由简单指令的程序块完成，具有较强的仿真能力。

在RISC机器中，要求在`单机器周期’时间内执行所有的指令，而系统最根本的吞吐率限制是由程序运行中访存时间比例所决定的，因此，只要CPU执行指令的时间与取指时间相同，即可获得最大的系统吞吐率。(对于一个机器周期执行一条指令而言)。RISC机器中，采用迁件控例以实现认速哪一指令译码，并采用较少的指令和简单寻址模式，通过固定均指令格式来优化指分译码和控制逻辑。另外，RISC设计是以复杂的设计优化来求取简单的硬件芯片环境.编译优化可以改善HLL程序的运行效率。

R1SC设计消除了微码的例行程序，把机器代级控制交给软件处理.即用较快的RAM代替处理器中的微码ROM作为指令的缓存(Cache)，计算机的控赶驻存在指令Cache，从而使得计算机系统和编译器产生的指令流使高级语言的需求和硬件性能密切配合。

计算机的性能可以用完成一特定任务所需的时间来衡量，这个时间等于。

其中C=完成每条指令所需的周期数，T=每个周期的时间，=每个任务的指令数。

RISC技术就是努力使C和T减至最小，C和T的减小可能导致I的增匆，但优化编译技术和其他技术的采用可以弥补由于I的增加对机器性能的影响.RISC技术之所由很快由一种新见解发展成为前景广娜的计算机市场，主要有如下几方面的原因:一是RISC结构适应只新月异的VLSI技术发展；二是RISC简化了处理器结构，实现和调试较容易，因而设计代价低，开发周期短；三是简化了结构，处理器占据了较小的芯片面积，从而可在同一芯片上集成进较大的寄存器文件，翻译后备缓冲器(TLB)、协处理器和快速乘膝器等，使得处理器获得更高的性能;四是RISC对HLL程序的支持优于以往的复杂指令系旅计算机，可以使用户(程序员)很容易使用统一的指令集，很容易估算代码优化所起的作用，使程序员对硬件的正确性有了更多的信任感。

本词条内容贡献者为:

王慧维 - 副研究员 - 西南大学