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计算机软件技术研究现状与发展.docx
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计算机软件技术研究现状与发展
1、概述
计算机软件作为一门学科,从其诞生到现在不过短短的半世纪,已取得了令人瞩目的发展,
同时也随着技术的进步而在酝酿着不断的创新。本文在简单介绍软件技术的研究内容基础之
上,按照可运行软件的功能分类,从系统软件、支撑软件和应用软件三个方面分别对其研究现
状和发展趋势予以综述。
2、软件及其分类
软件技术是指支持软件系统的开发、运行和维护的技术。其核心内容是:高效的运行模型
及其支撑机制,有效的开发方法学及其支撑机制。
作为一门学科,软件的研究内容可分为三个层次:一是研究软件的本质和模型,即软件的
基本元素(软件实体)及其结构模型,这是软件呈现良好结构性并能够有效、高效地运行的基
础。同时,相应的形式化模型的研究也是重要的研究课题,这是实现软件生产自动化的必备前
提;二是针对特定的软件模型,研究高效的软件开发技术,以提高软件系统开发的效率和质量。
研究内容多体现为方法论及相应的工程原则、支撑工具;三是研制领域特定的或应用特定的软
件。软件技术的研究主要指第一和第二层次的研究工作。
软件技术研究的基本内容又可分为软件语言、软件工程与软件方法学、以及软件系统。软
件语言是用以书写软件的语言。它包括书写软件需求定义的需求级语言,书写软件功能规约的
功能级语言,书写软件设计规约的设计级语言,以及书写实现算法的实现级语言。处于不同级
别的软件语言均体现了不同抽象层次的软件模型。软件工程则是研究如何综合应用计算机科学
与数学原理来高效、高质地开发软件。主要包括:以软件开发方法为研究对象的软件方法学,
以软件生命周期为研究对象的软件过程,以及以自动化软件开发过程为目标的 CASE 工具和
环境。软件系统则主要指操作系统、语言处理系统、数据库系统等系统软件。这些软件系统是
人们开发的各类应用系统的基本运行支撑。如操作系统是用以管理系统资源的软件,旨在提高
计算机的总体效用。语言处理系统包括各种类型的语言处理程序,如解释程序、汇编程序、编
译程序、编辑程序、装配程序等,用于将用户编写的软件翻译为机器可理解和运行的目标程序。
数据库系统包括数据库及其管理系统,用于支持涉及大量数据存储和处理的应用系统的开发和
运行。
作为可运行的系统,软件已经形成共识的分层模型,即:软件可以分为系统软件(操作系
统、数据库等)、支撑软件(高级语言编译器、程序库、CASE 工具等)和应用软件。如下图
所示:
1
应用软件
支撑软件
系统软件
系统软件是计算机系统中最靠近硬件层次的成分,是为了充分发挥和利用计算机硬件提供的
计算能力而专门设计的软件,本质上,这类软件提供了支持应用程序开发和运行所需的共性成
分,它和具体的应用领域无关,解决任何领域的问题一般都要用到系统软件。如操作系统、数
据库系统和编译程序等均被称为系统软件。支撑软件是支撑其它软件的开发与维护的软件,如
软件开发工具和软件开发环境、软件构件库等,通常支撑软件并不是应用软件运行时的必备成
分。应用软件是特定应用领域的专用软件:如人口普查软件、飞机订票软件等。应该指出,上
述分类也并非绝对不变的,而是随技术的发展,相互有所覆盖交叉和变动,三者既有分工,又
相结合,不能截然分开。
随着网络应用的逐步增多,为了解决平台异构性和互操作问题,中间件作为一种新的软件类
型(或层次)开始出现。从中间件提出的初始动因来看,是指网络环境下处于操作系统等系统
软件和应用软件之间的一种起连接作用的分布式软件,主要解决异构网络环境下分布式应用软
件的互连与互操作问题,它可屏蔽实现细节,提高应用系统的易移植性。
3、软件技术研究开发现状
3.1 世界各国的重大软件计划
各国政府相继启动国家级的重大软件技术计划,基础软件和软件开发方法研究都成为这些国
家级计划中优先推荐或重点发展的内容。
1. 中国
中国信息产业部在 2001 年 5 月发布了《信息产业“十五”计划纲要》,其中软件业的发展重点
包括:
以市场为导向,以国民经济发展需要和信息安全为出发点,实施软件产业化专项工程,建成
我国软件产业体系。重点支持自主的、安全的中文操作系统软件开发,大力支持技术开发平
台、数据库管理系统、中文处理系统和网络管理系统等支撑软件的开发与生产。大力开发嵌
入式软件与系统。
改进软件的传统开发方法和管理方式,推进以构件为基础的软件工业化生产。有重点的支持
软件园区的建设和骨干软件企业的发展。加强对软件企业能力成熟度(CMM)的管理。
对于应用软件,主要是创造良好的政策环境,鼓励各种所有制的企业参与应用软件的开发和
社会服务。大力支持管理信息系统软件,企业管理软件,工业控制软件,CAD/CAM 软件,
金融、财税、商业与保险业软件,信息服务软件,教育娱乐及多媒体软件,网络与信息安全、
保密软件的开发生产。开发系统集成软件,增强承担重大系统工程软件开发与系统集成的能
力。大力支持信息服务业的发展。
2
大力鼓励软件国际化和软件出口。积极推广具有自主知识产权和品牌的软件,扩大国产软件
的市场占有份额。
2. 美国
美国总统信息技术顾问委员会(PITAC)在 2004 财年的报告中软件的重点放在如何提高生
产率和提高软件和系统的可靠性方面,具体包括:
软件设计和生产能力
复杂系统的软件
自治系统的软件: 嵌入式的软件控制;基于智能体的软件
大规模传感网络
软构件
嵌入式软件
网络化的嵌入式软件
高可靠软件和系统
NSA:高可信计算平台(HACP);安全管理基础设施(SMI);主动网络防御;安全
通信;网络安全工程
DARPA 的标准方法
需求说明
算法和协议设计
程序分析
NIST 高可信因特网的安全问题
因特网协议安全 (Ipsec )
活动代理的安全和侵入检测
对软件故障和失效数据的分析
概言之,也即在计算机技术和网络技术飞速发展的背景下,加速研制基于网络的分布协同的
软件环境;在信息资源建设和信息应用开发的强烈需求牵引下,把提高系统的“好用性”和“可靠
性”放在首位;在对以往软件技术的实际应用效果上午分析评估下,应进一步挖掘面向对象(面
向智能主体)技术的潜力,尽快突破中间件、资源聚合等的关键技术。
3.2 系统软件研究开发现状
作为计算机系统中最靠近硬件层次的软件,系统软件包括操作系统,数据库管理系统,以及
诸如应用服务器等的中间件,下面将分别对各类系统软件的研究发展现状予以阐述。
3.2.1 操作系统研究开发现状
操作系统是管理硬件资源(处理器、存储器、显示器、打印机等)、控制应用软件运行、改
善人机界面并为应用软件提供支持的软件。操作系统向高层应用软件提供编程接口,为用户方
便地开发应用系统提供了基础。
操作系统的形成与发展伴随了计算机发展的历程。
第一代电子管计算机速度慢,外设少,规模小,程序的执行由程序员直接控制,那时还没有
操作系统。
第二代晶体管计算机的速度有了大幅度的提高,外设也大为增加,操作员直接控制程序执行
的不足逐步显现了出来。特别是,手工操作速度慢,严重制约了计算机的执行效率:当需要运
行一个作业时,程序员首先将程序写在纸上,然后转换成穿孔卡片,再将卡片送给操作员,操
作员负责控制计算机读入卡片,并进行计算过程;计算机执行完任务后,操作员从打印机上获
得计算结果,将其交给程序员。这样,从程序员角度看,计算机的一个计算时间可能是计算机
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具体执行时间的 2-3 倍,大量的时间浪费在操作员的手工上了!在这种背景下,操作系统于 1960
年前后出现了。最早的操作系统是一种管理程序(Monitor),主要用于控制输入与输出设备(例
如磁带)、接收操作员输入的命令等等。通过将大批量的作业从卡片读取到磁带上,计算机依次
读取磁带上具有一定结构与信息的作业,根据作业控制信息,加载、运行作业,并将结果输出
到磁带上,从而大大提高了计算机的利用效率。
第三代集成电路计算机出现时,操作系统的功能有了明显的增加。特别是,通过在内存中同
时存放多个作业,此时的操作系统开始支持多道程序设计,开始支持分时处理方式,程序员可
以通过各自的终端设备同时向一台计算机提交任务。计算机根据它们所需要的资源,在操作系
统的调度下,交替为它们服务,以最大限度地利用计算机的资源。在这个时期,诞生了我们目
前熟知的许多操作系统,例如:IBM 的 MVS,DEC 的 VMS,以及贝尔实验室的 UNIX 等等。
UNIX 是贝尔实验室的 Thompson 等人于 1969 年左右开发的操作系统,其显著特点是结构简洁、
功能强大、移植性好、兼容性好、互操作性强。由于UNIX 最初是免费赠送的,并提供源代码,
因而被认为是开放系统的代表,并有利地促进了 UNIX 的快速发展。目前 UNIX 已经发展出了
100 多个版本,从而产生了 UNIX 之间的兼容性问题。从 1980 年开始,UNIX 用户组织开始进
行 UNIX 的标准化工作,该工作已经被 IEEE 所采纳,这就是人们熟知的 POSIX 标准。UNIX
是使用广泛、影响较大的操作系统,主宰了小型机、工作站的大量市场。
在计算机硬件技术发展的第四代,个人计算机的出现促进了一大批更为流行的操作系统的产
生,例如:MS-DOS、Windows、Linux 等等。MS-DOS 与 Windows 都是微软公司的产品,是随
着个人计算机的推广、普及而逐步确立其地位的。Windows 最初是微软于 1985 年作为对 DOS
的图形化扩充而推出的。苹果公司的 Macintosh 是第一个具有图形用户界面的操作系统,但
Macintosh 运行于非 Intel 体系结构的计算机之上。由于 Windows 运行于 Intel 体系结构的个人计
算机上,而基于 Intel 体系结构的计算机取得了巨大的成功,因此 Windows 后来居上,一度完全
主宰了个人计算机的操作系统市场。这一局面直到 1991 年的 Linux 出现之后才逐渐被打破。
Linux 是由芬兰的一名大学生 Linus Torvalds 于 1990 年开始编写的一个新的操作系统,后来被称
为 Linux。尽管 Linux 遵循 UNIX 标准,但并没有使用以前的 UNIX 代码,而是重新编写了每一
行代码,因此通常人们并不认为 Linux 是一种 UNIX。Torvalds 在 1991 年完成了 Linux 的第一
个版本后,将它放到了因特网上,供全世界的同行使用。这个特殊的发展模式取得了令人难以
置信的成功:目前 1/3 的网站服务器运行 Linux,而且 Linux 受到了很多国家政府的热情支持。
Linux 的成功一方面源自 Torvalds 对 Linux 的设计目标:实用、简洁、目标渐进,另一方面则源
自因特网的开放、创新、共享。
随着计算机网络等技术的发展,近年来操作系统在网络化、并行化、智能化等方面将会取得
更加显著的发展。
3.2.1.1 商业桌面与服务器操作系统研究开发现状 (暂缺)
Windows 操作系统是世界上最流行的桌面操作系统,从 Windows 95, Windows 98 到
Windows 2000 和 Windows XP,微软几乎占据了 90%的桌面市场。此外, Linux 和 Macintosh 以
及 FreeBSD、OpenBDS 等免费 UNIX 版本也在桌面操作系统占有一席之地。
而在服务器端,占主导地位的仍是 NetWare 及各大主流厂商的 UNIX 版本,包括 AIX, Solaris,
Digital UNIX, HP-UX 等,以及免费的UNIX 版本:FreeBSD、OpenBDS、GNU Hurd、NetBSD、
LINUX。 此外 Windows NT, Windows 2000 Server 等低端产品。
3.2.1.2 商业嵌入式操作系统研究开发现状
随着嵌入式系统应用需求的不断增多,对嵌入式操作系统的要求也随之高涨。嵌入式操作系
统及其开发调试环境可以广泛应用于下述嵌入式产品中:移动计算平台(如 PDA)、 家庭信息环
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境(如机顶盒,数字电视)、 通讯计算平台(如媒体手机)、 车载计算平台(如导航器)、 工
业、商业控制(如智能工控设备,POS/ATM机)、 电子商务平台(如智能卡应用,安全管理)
等装置上,还可应用于与 Internet 相联接的一切接入设备。
根据国外资料,近年来,全世界每年生产的微处理器(微控制器)芯片数量达 10 亿只以上,
其中只有 10-20%的芯片用在台式计算机或其它计算机上,绝大数微处理器(微控制器)芯片用
在了嵌入式系统中。而且全球每年推出的嵌入式系统的新产品达上万种。根据 Gartner 的数据调
查,2002 年全球有 1.08 亿以上的员工经常在传统的办公室以外工作。他们都需要使用各种嵌入
式系统产品支持其工作。这些嵌入式系统产品需要使用嵌入式操作系统作为核心软件。
国内对嵌入式操作系统的需求仅在无线手机产品市场上,每年的需求是 20 亿元人民币。掌
上电脑预计未来几年在我国的年销售量为百万台,并将高速发展,对嵌入式操作系统的需求也
是一个年达 1 亿元的市场。另外,我国家用电器如彩电、冰箱、空调、音响产品等等正在向数
字化、信息家电的方向发展。每年将有千万台的信息家电产量,其市场规模将达到 200 亿元人
民币。如果其中嵌入式操作系统价格仍按 10%计,那么信息家电将为嵌入式操作系统另外创造
至少每年 20 亿元人民币的市场。
面对巨大的嵌入式软件市场,国内外许多公司已于几年前开始了研制开发,到目前已有几十
种操作系统面世。从事嵌入式操作系统的主要厂商包括:
Chorus: Sun 公司拥有,采用微内核,正在成为基于 J AVA 嵌入式平台;
Diba:Sun 公司拥有,提供浏览器应用软件;
Navio:ORACLE 公司拥有,主要用于发展网络计算机;
OS-9 :MICROWAVE 公司拥有,目前开发出服务于 VOD 的家用信息机产品;
PSOS:ISL 公司拥有,目前国内开发商普遍采用的产品;
QNX: QSSL 公司拥有,限于 X86 平台,提供集成化开发环境;
Windows CE:Microsoft 公司拥有,主要用于 PDA,1999 年 3 月宣布进入中国的机顶盒
市场;
Tornado/VxWorks:Windriver 公司拥有,开发环境和调试工具。
在国内,中科院北京软件工程研制中心 1992 年就开始关注嵌入式仍旧的发展,1994 年决定
研制开发嵌入式操作系统。目前其已研制出 HOPEN 操作系统已能在 Motorola、Philips、HITACHI
等多种芯片上运行, 并即将用于 PDA (或 HPC)、机顶盒市场。由于信息电器的广泛前景,
国内已有三十多家企业开始与中科院北京软件工程研制中心合作。应用软件方面,联想、长城、
海信等厂家做了大量工作,正在或已经将开发的应用软件用于自己的产品中。
3.2.1.2 分布式网络化操作系统研究现状
随着越来越多的计算机通过网络的互连,急需开发分布式软件以便用户能使用分布式资源。
然而,习惯于传统集中式计算环境的用户在分布式系统中开发软件和管理系统时遇到很大困难。
因此,怎样使分布式系统易于使用是分布式系统研究的原动力所在。
分布式操作系统DOS的设计目标之一就是直接在硬件核心而不是在现有OS上,构造一个全
新的分布式系统以便获得更好的系统结构和更佳的系统性能。运行在各站点上的DOS相互配合
给用户提供一个单一的虚拟系统。大多数DOS采用了微内核技术。在这样的系统中,每台计算
机一个DOS的微内核拷贝。DOS通过微内核互连而成,如下图所示。微内核仅提供支持系统运
行的最基本的功能,包括进程间通信、低级网络通信、进程调度和中断处理等。系统的其余功
能由微内核之外的进程(称为系统服务进程)实现。用户进程通过操作系统与这些系统服务进
程交互,如读写文件、启动或删除进程等。
微内核结构隐藏了硬件的异构性,提供了统一的内核接口。DOS能适应各种不同的硬件结
构。微内核极大地缩小了系统代码的规模,使DOS更轻巧。一个站点只需运行内核以及必要的
服务进程。
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