计算机软件技术研究现状与发展

1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：2系统软件支撑软件应用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。3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4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LinusTorvalds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Windows95，Windows98到Windows2000和WindowsXP，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,DigitalUNIX,HP-UX等，以及免费的UNIX版本：FreeBSD、OpenBDS、GNUHurd、NetBSD、LINUX。此外WindowsNT，Windows2000Server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5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