操作系统仿真

概述

操作系统仿真可以描述为一个操作系统（宿主操作系统）来管理另一个操作系统（称为客户操作系统）的功能的过程。这是通过使用特定的软件来创建一个环境，在该环境下，客户操作系统的程序就像在自己的原生环境中一样运行。

为了确保兼容性和功能性，在仿真过程中，会实现所有硬件指令、系统调用和其他操作项。在本文中，作者将介绍什么是操作系统仿真，并探讨操作系统仿真的应用和优势，它对操作系统仿真的使用，以及操作系统仿真在当代计算机环境中所扮演的角色。

操作系统仿真是什么意思？

操作系统仿真器是那些模拟操作系统或操作系统特定组件操作的工具或环境。仿真通过解释客户操作系统的指令来使其与宿主系统协同工作，这与虚拟化不同，虚拟化使用虚拟机监控程序直接访问硬件。

普通用户和技术用户也可以从操作系统仿真中受益。计算机操作系统仿真可以简单地定义为使一个或多个系统表现得像另一个系统。对于许多原本无法运行的软件和游戏，你的计算机实际上可以伪装成另一个操作系统。理解的关键术语如下：

• 宿主操作系统 (Host Operating system): 安装在物理计算机硬件上的操作系统称为宿主操作系统。
• 客户操作系统 (Guest Operating System): 被宿主环境模仿的实际操作系统。
• 仿真器 (Emulator): 提供更好功能以实现仿真的软件。

例如，如果要在 Windows PC 上运行 macOS 应用程序，仿真就需要软件来模拟 macOS，以便该应用程序能够将 Windows 环境视为 macOS。

为什么我们考虑仿真？

如果你需要一个只能在一个平台上使用的特殊应用程序，例如，你最喜欢的视频游戏只能在经典系统上玩。在这种情况下，它通过填补这类软件和现代技术之间的空白非常有用，使我们能够使用现在无法在我们的计算机上使用的必要程序或有趣的游戏。以下是考虑仿真的原因，例如：

• 怀旧吸引力: 人们可能想在仿真器上玩旧游戏，以唤起许多人过去快乐美好的回忆。
• 软件可访问性: 仿真器能够运行当前计算机上已不再运行或在某种程度上受到限制的程序。
• 跨平台灵活性: 一个重要方面是，通过使用为其他操作系统设计的应用程序，可以大大提高生产力。

操作系统仿真的原理

首先，让我们回顾一下操作系统仿真的基本组成部分是什么以及它的作用。它是一种称为仿真器的应用程序，它模仿操作系统在不同计算机上的工作方式。或者，仿真系统中的命令被转换为宿主系统能够理解的独特形式，以便仿真器使用。

例如，仿真器允许在 Mac 系统上运行特定于 Windows 的应用程序（例如），就好像后者是其原始操作系统一样。古代操作系统可以无限制地运行。

1. 硬件抽象
   在仿真操作系统的客户系统和运行仿真器的宿主系统之间，存在一个中间层。客户操作系统中的概念是系统调用块实际硬件架构的对应物。
2. 软件翻译
   它们通过将客户操作系统的原始调用翻译为主机操作系统的指令来模仿它们，从而使其兼容。由于这种程序，应用程序将像在自己的环境中一样运行。
3. 实时执行
   另一个要求是持续和同步的仿真。这意味着模仿的系统没有像原始操作系统那样的延迟。这尤其适用于实时操作和视频游戏。
4. 可靠性
   仿真器的核心在于将操作系统精确地仿真到其位级别，这就是仿真能力发挥作用的地方。硬件仿真器确保虚拟机的拥有者无法区分宿主系统和客户系统。

操作系统仿真的类型

1. 全系统仿真
   全系统仿真器在计算机 软件 层面模仿整个系统，从 CPU、内存 到存储和外围设备。一些仿真器如 QEMU 和 Bosch，它们提供完整的系统仿真，包括运行未修改的客户操作系统的硬件。
2. API 仿真
   API 仿真主要处理客户操作系统选定的应用程序编程接口（API）的仿真。一个著名的例子是 Wine，它将 Windows API 调用转换为 Linux 和 Unix 类系统的 POSIX 调用。
3. 虚拟化
   虽然它不属于仿真，但与之密切相关。有像 VMware 和 VirtualBox 这样的应用程序，它们利用硬件加速来同时运行多个操作系统。虚拟化通过直接在宿主机的硬件和软件上运行来实现更高的性能，但这通常是在客户操作系统（有时需要进行调整或修改）的帮助下完成的。
4. 跨平台仿真
   这种类型允许为一种操作系统开发的应用程序运行在完全新的架构上。例如，Rosetta 2 随较新的 MacOS 一起提供，它使为 Intel 芯片开发的系统可以在 Apple 新开发的基于 ARM 的 M1 芯片上运行。
5. 高层仿真 vs 低层仿真
   与 HLE 不同，高层仿真通过复制操作系统的较高层交互模式更容易实现，即使牺牲了一些低层交互的精确复制。LLE 与 LES 明显不同，因为后者更精确地模仿系统的低层，尽管它消耗更多的计算能力。

操作系统仿真的应用

在软件开发和测试中，观察到以下研究挑战：

1. 软件开发和测试
   仿真器通常用于开发，以便在没有相关硬件的情况下在其他操作系统上启动应用程序。这种方法可以实现更快的开发周期，并且具有受控且经济高效的测试环境这一普遍优势。
2. 复古和遗留计算
   它还允许用户继续使用与当前硬件不兼容的软件和操作系统。例如，通过称为 DOSBox 的仿真器运行 DOS 游戏，以及使用 ScummVM 运行老式图形冒险游戏。这对于爱好者和专业人士来说很有益，因为他们能够“让过去使用的软件‘存活’下来或重现”。
3. 跨平台兼容性
   操作系统仿真有助于在不同计算机架构上运行应用程序。例如，BlueStacks 等工具允许用户在桌面平台上使用移动应用程序，Wine 允许在 Linux 上运行 Windows 应用程序。
4. 安全和恶意软件分析
   它们使用仿真在安全环境中检查恶意软件。复制目标操作系统，然后通过查看副本而不是宿主系统来了解恶意软件正在进行的更改类型。
5. 教育
   使用操作系统仿真很容易研究特定环境，因为它不需要特定的硬件资源。这种方法通常在计算机科学和 IT 培训中实践。
6. 游戏
   PC 仿真还用于玩最初为游戏机开发的视频游戏，例如，PCSX2 用于 PlayStation 2，Dolphin 用于 GameCube/Wii。在大多数情况下，这些工具通过提高分辨率并添加其他功能来改善实际的游戏体验。

操作系统仿真面临的挑战

尽管有许多好处，但操作系统仿真也带来了一些挑战，例如：

1. 性能开销
   通常，仿真器需要进行复杂的计算，以试图模仿硬件和软件的效率。这种开销可能导致在该层下运行的软件的性能不如原生运行。
2. 法律和许可问题
   从法律角度来看，仿真专有操作系统和各种软件存在问题。有时，仿真器可能受到知识产权法或管理软件使用的许可法的禁止。
3. 兼容性问题
   要将仿真达到与原始操作系统完全兼容的程度变得非常困难。细微的差异可能导致应用程序运行方式不同或无法执行。
4. 维护和更新
   仿真器需要不断更新，以纳入新改进或已更改的硬件和软件的功能。这可能非常耗时，尤其是当它是开源项目时。
5. 安全风险
   当仿真操作系统运行时，会出现新的问题，其中可能安装各种可能损害系统的弱点。重要的是要提到，宿主和客户环境的安全性是主要考虑因素。

操作系统仿生的优势

操作系统仿真在各个领域都提供了许多优势：软件开发、大型机和遗留计算机使用以及教学工具。以下是操作系统仿真的优势：

1. 跨平台兼容性
   它允许在一个操作系统上运行另一个操作系统，并充当操作系统之间的桥梁（例如，在 Linux 上运行 Windows 应用程序）。
2. 遗留系统保护
   允许使用旧软件和操作系统，这些软件和操作系统无法与现代硬件一起使用，并已成为历史文件。
3. 成本效益开发
   它帮助开发人员在不同的操作系统环境中运行应用程序，而无需拥有物理设备。
4. 灵活性和可访问性
   关于仿真相关的优势，有必要指出它允许在单个设备上同时尝试多个操作系统，这同时增加了便利性和灵活性。
5. 游戏和娱乐
   仿真器是能够在较新平台上玩已停产旧游戏机游戏的绝佳方式，并且这些游戏运行起来更快、更炫。
6. 教育和培训
   学生和研究人员可以在准备好的仿真条件下分析一种操作系统的架构及其行为对另一种架构和系统的影响。
7. 安全和恶意软件分析
   创建一个独立于其他进程的安全环境，因为它会检查宿主系统中的病毒痕迹。
8. 便利性
   仿真器通过允许用户使用多个系统或应用程序而无需运行双引导系统或购买额外硬件，从而使功能更加轻松。

流行的操作系统仿真器和工具

操作系统仿真器和虚拟化解决方案在实现跨平台兼容性、支持过时系统和测试方面非常重要。以下是一些广泛使用的操作系统仿真器和工具的概述：

1. Wine: 它允许 Windows 应用程序在 Unix 操作系统下运行，因为它将 Windows API 调用转换为 POSIX 调用。
2. QEMU: 这是一个强大的全系统仿真器，允许利用不同的架构和使用不同的操作系统。
3. DOSBox: 一个用于运行旧 MS-DOS 以及在该环境中创建的其他应用程序的工具。
4. BlueStacks: 一个应用播放器，允许在 Windows 和 macOS 上运行 Android OS 应用程序。
5. Virtualbox: 一个允许运行多个客户操作系统的应用程序。
6. Bochs: 这是一个免费的 x86 仿真器，用于创建新的、不同的、通常是旧的操作系统的环境。
7. Dolphin: 一个用于任天堂两款游戏机 GameCube 和 Wii 的游戏仿真器。
8. PCSX2: 一个硬件仿真器，用于仿真索尼 PlayStation 2 以运行经典游戏。

操作系统仿真的未来

随着计算能力和多引导可操作性需求的增加，操作系统仿真仍然是一个重要的研究领域。未来的一些趋势包括：

1. 性能增强
   通过强大的中央处理单元和图形处理单元，现代仿真布局能够以原生性能仿真游戏机。像 JIT 编译和硬件应用（如天使）这样的特性应该会提高仿真的有效性。
2. 更广泛的硬件支持
   架构创新将使仿真器能够增加与从普通 ARM 处理器到现代量子计算空间的各种设备的兼容性。
3. 云仿真
   云计算的兴起使得仿真成为一种可以从远处进行的远程过程。用户不必在自己的系统上运行仿真器，只需通过 浏览器 加载仿真器并在云中与之交互，这意味着对本地计算能力的需求大大减少。
4. 机器学习集成
   人工智能和机器学习在仿真实际系统方面发挥着重要作用，通过预测系统行为并提高仿真结果。这些技术还可以支持调试和兼容性检查过程。
5. 我们历史的数字化保存
   复制是保存数字历史的重要方法。互联网档案等其他尝试依赖于仿真，以便为后代呈现历史软件和系统。

结论

操作系统仿真是一个进步的工具，它正在改变整个时代。这些包括日益增长的跨平台兼容性解决方案以及对其遗产的软件保护。尽管如此，性能限制和法律问题等障碍仍然需要解决，以便以最佳方式利用这项技术。

此外，随着时间的推移，它将变得更加不明显，效率更高，并将成为现代操作系统的一个基本核心组成部分。对于开发者、游戏玩家、教育工作者甚至研究人员来说，仿真都提供了访问不同计算现实的机会，并能够短暂地回到过去，进入现在，并一瞥软件环境的未来。