操作系統的組成、功能、種類和發展

吳國發

（2021年3月17日）

內容提要：這是一篇高級科普文章。文章依次介紹了電腦操作系統的基本概念、發展歷程、組成部分、功能和種類。

關鍵詞：計算機 電腦 操作系統 Windows UNIX Linux 微軟 IBM

（一）電腦操作系統的基本概念

在這里，“電腦”包括電子計算機和其它智能設備、裝置（智能手機等）。

在計算機系統，操作系統（英語：Operating System，簡稱OS）是最基本、最重要的基礎性系統軟件。操作系統是管理和控制計算機硬件與軟件資源的計算機程序的集合，是直接運行在“裸機”上的最基本的系統軟件。任何其它軟件都必須在操作系統的支持下才能運行。從計算機用戶的角度來說，操作系統體現為其提供的各項服務；從設計人員的角度來說，操作系統是指各式各樣的系統模塊和單元之間的聯系。

操作系統位于底層硬件與用戶之間，是兩者溝通的橋梁和紐帶。沒有操作系統，計算機就是廢物。

經過幾十年的發展，計算機操作系統已經由一開始的簡單控制循環體發展成為很復雜、很龐大的計算機軟件系統。

計算機操作系統的主要功能是資源管理，程序控制和人機交互。

計算機系統的資源可分為設備資源和信息資源兩大類。設備資源指的是組成計算機的硬件設備，如中央處理器，主存儲器，磁盤存儲器，磁帶存儲器，顯示器，鍵盤輸入設備和鼠標，打印機，等等。信息資源指的是存放于計算機內的各種數據，包括文件、程序庫、知識庫、系統軟件和應用軟件等。

有些操作系統很簡單，例如智能設備的操作系統、控制系統的嵌入式操作系統。有些操作系統很復雜，例如桌面操作系統（Windows、MacOS等）、超級計算機的操作系統（服務器版Linux等）。

智能手機實質上是一種微型電腦。手機的操作系統主要是谷歌公司的Android（安卓）和蘋果公司的iOS。它們也很復雜。

（二）計算機操作系統的發展歷程

1939年，在美國愛阿華大學誕生了第一臺電子計算機。這臺計算機并沒有很大使用價值。1946年，在美國賓夕法尼亞大學誕生了第一臺實用的電子計算機。

最初的電子計算機沒有操作系統，人們通過各種按鈕來控制計算機。后來出現了匯編語言，操作人員通過有孔的紙帶將程序輸入計算機進行編譯。這些將語言內置的計算機只能由設計人員自己編寫程序來運行。

到了1960年代早期，計算機研制者制造了批次處理系統。此系統可將工作的設置、調度、執行序列化。此時，研制者為每一臺不同型號的計算機制作不同的操作系統。

到了1964年，IBM公司在世界上首次推出了一系列用途與價位都不同的大型計算機IBM System/360。它們都共享代號為OS/360的操作系統。讓單一操作系統適用于整個系列的產品是System/360成功的關鍵。為System/360所寫的應用程序依然可以在現代的IBM機器上執行。

1964年，AT&T公司的貝爾實驗室開發了操作系統UNIX。這是世界上第一個網絡操作系統。此操作系統在1969年由C語言重寫。UNIX適合于作網絡操作系統，不適合做桌面操作系統。UNIX后來派生了很多個發行版：FreeBSD，GNU/Linux、IBM AIX，HP-UX，Solaris，Linux，等等。

隨著計算機的核心硬件集成電路的發展，產生了微型計算機，并且迅速發展起來。20世紀70年代中期，開始出現了微型機操作系統。在1976年，美國Digital Research公司推出了第一個微型機操作系統：8位的CP/M操作系統。這個系統允許用戶通過控制臺的鍵盤對系統進行控制和管理。此后的磁盤操作系統DOS（Disk Operating System）來源于CP/M，并且具有CP/M的全部功能。

1981年8月12誕生的IBM個人計算機（IBM PC）使用的就是DOS。

1977年4月，美國蘋果公司最先推出了圖形界面（GUI）操作系統，在微型機Apple I上運行。直到1984年，蘋果公司才推出圖形界面操作系統——MacOS。此操作系統與蘋果公司的麥金托（Macintosh）電腦捆綁在一起。

1985年，微軟公司推出微型機視窗操作系統Windows 1.0。該系統沒有得到用戶普遍應用。1987年12月9日，Windows 2.0發布。

1987年4月2日，操作系統OS/2問世。OS/2是IBM公司和微軟公司共同開發的。后來，微軟公司退出了開發團隊，集中精力開發Windows。

1990年5月22日， Microsoft發布了具有里程碑意義的產品 Windows 3.0。

1991年10月5日，芬蘭赫爾辛基大學研究生Linus Torvalds（林納斯·托瓦茲）開發的Linux問世了。他在因特網上公開發布了源程序代碼。Linux適于做網絡操作系統和大型、巨型計算機的操作系統。

1995年8月24日，微軟公司推出了Windows 95。微軟公司的Windows適合于作桌面操作系統，尤其是具有x86架構芯片的微型機。而英特爾公司研制的x86架構芯片微型機只能用Windows作操作系統。這樣，就形成了穩泰爾(Wintel)聯盟。

1996年4月，微軟公司發布網絡操作系統Windows NT 4.0，面向工作站、網絡服務器和大型計算機。微軟的最新網絡操作系統是Windows Server 2019。

2001年10月，微軟公司發布Windows XP。

2005年12月23日，IBM宣布不再銷售和支持OS/2系統。這樣，IBM OS/2與微軟Windows的競爭，以OS/2的失敗告終。此后，穩泰爾聯盟壟斷了微型機芯片和操作系統的市場。

截至2013年底，微軟公司幾乎占據了用x86芯片的微型機市場的每一空間，將市場占到了極致。

微軟公司最新的桌面操作系統是Windows 10，于2014年10月1日發布。新系統的名稱從Windows 8跳到Windows10，躍過了數字“9”。

盡管微軟的Windows占據桌面版操作系統的統治地位20多年，但是，Linux占據了全世界網絡操作系統市場的70%以上，占據了巨型機操作系統市場的90%以上。

四個常用操作系統

（三）操作系統的組成部分和內核

（A）操作系統的組成部分

操作系統有下列四大部分組成：

一．驅動程序：最底層的、直接控制和監視各類硬件的部分。它們的職責是隱藏硬件的具體細節，并向其它部分提供一個抽象的、通用的接口。

二．內核：操作系統的內核部分通常運行在最高特權級，負責提供基礎性、結構性的功能。

三．接口庫：是一系列特殊的程序庫。它們的職責在于把系統所提供的基本服務包裝成應用程序所能夠使用的編程接口（API）。這是最靠近應用程序的部分。

四．外圍：指操作系統中除以上三類以外的所有其它部分，通常是用于提供特定高級服務的部件。

并不是所有的操作系統都嚴格包括上述四大部分。例如，在早期的微軟Windows中，各部分耦合程度很深，難以區分彼此。而在使用外核結構的操作系統中，則根本沒有驅動程序的概念。

操作系統中四大部分的不同布局形成了幾種整體結構。常見的結構包括：簡單結構，分層結構，微內核結構，垂直結構，以及虛擬機結構。

（B）操作系統的內核結構

內核是操作系統的核心，是最基礎的構件。內核的結構有下列四種：

一．單內核（Monolithic kernel），又稱為宏內核。單內核結構是操作系統中各內核部件雜然混居的形態。該結構始于1960年代，是操作系統內核與外圍分離時的最初形態。

二．微內核（Microkernel），又稱為微核心。微內核結構是1980年代產生的，其結構性部件與功能性部件是分離的。

三．混合內核（Hybrid kernel），像微內核結構，只不過它的組件更多地在核心中運行，以獲得更快的執行速度。

四．外內核（Exokernel），其設計理念是盡可能地減少軟件的抽象化。這使得開發者可以專注于硬件的抽象化。

大部分常用操作系統采用單內核結構，例如大部分的UNIX、Linux，以及Windows（微軟聲稱Windows NT是基于改良的微內核架構的）。有一些嵌入式操作系統使用外核。

（四）計算機操作系統的功能

計算機操作系統的基本功能是負責管理與配置內存、決定系統資源供需的先后次序、控制輸入與輸出設備、操作網絡與管理文件系統等。

計算機操作系統主要包括以下五個方面的功能：

一．進程管理

進程管理的任務是進程調度。在單用戶單任務的情況下，處理器僅為一個用戶的一個任務所獨占，進程管理的工作十分簡單。但在多道程序或多用戶的情況下，組織多個作業或任務時，就要解決處理器的調度、分配和回收等問題 。處理器可能是一個，也可能是多個。不同類型的操作系統將針對不同情況采取不同的進程調度策略

二．存儲管理

存儲管理包括存儲分配，存儲共享，存儲保護 ，以及存儲擴張。存儲管理的主要任務是：分配內存空間，保證各作業占用的存儲空間不發生矛盾，并使各作業在自己所屬存儲區中不互相干擾。

三．設備管理

負責管理各類外圍設備，包括分配、啟動和故障處理等。當用戶使用外部設備時，必須提出要求，待操作系統進行統一分配后方可使用。當用戶的程序運行到要使用某外設時，由操作系統負責驅動外設。操作系統還具有處理外設中斷請求的能力。

四．文件管理

文件管理是指操作系統對信息資源的管理，包括文件存儲空間的管理，目錄管理 ，文件操作管理，以及文件保護。在操作系統中，將負責存取的管理信息的部分稱為文件系統。文件是在邏輯上具有完整意義的一組相關信息的有序集合。每個文件都有一個文件名。文件管理支持文件的存儲、檢索和修改等操作，并且有文件的保護功能。

五．作業管理

每個用戶請求計算機系統完成的一個獨立的操作稱為一個作業。作業管理包括作業的輸入和輸出，作業的調度與控制（根據用戶的需要控制作業運行的步驟）。

（五）電腦操作系統的種類

電腦操作系統的種類繁多。各種設備安裝的操作系統從簡單到復雜，可分為智能卡（IC卡）操作系統，傳感器節點操作系統，嵌入式操作系統，實時操作系統，桌面微型機操作系統，網絡操作系統，大型機、巨型機操作系統，等等。

對操作系統進行分類，有兩種方式：一是根據操作系統的功能分類，二是根據操作系統的應用領域分類。

（A）根據操作系統的功能分類

根據操作系統的功能，分別有實時系統、批處理系統、分時系統、網絡操作系統等。

一．實時系統

實時系統主要是指系統可以迅速地對外部命令進行響應，在對應的時間里處理問題，協調系統工作。各種計算機控制系統的操作系統都是實時系統。

二．分時系統

在分時系統，多個用戶共同使用一臺主機，滿足用戶的人機交互需要。分時系統具有多路性、獨立性、交互性、及時性等優點。這是主機-用戶-終端架構的系統。早期的大型機操作系統都是這種架構的分時系統。IBM公司的OS/360就是這種系統。

三．批處理系統

批處理系統出現在20世紀60年代。多個用戶在終端提交任務，批處理系統按照預定的規則分期、分批處理各項任務。批處理系統能夠提高資源的利用率和系統的吞吐量。IBM公司的OS/360也是一種批處理系統。

四．網絡操作系統

是向網絡計算機提供服務的特殊的操作系統。網絡系統分為服務器和客戶端。服務器的主要功能是管理服務器和網絡上的各種資源和網絡設備的共用。客戶端有著能接收應用服務器所傳遞的信息的功能。

（B）根據操作系統的應用領域分類

根據操作系統的應用領域劃分，主要有三種：桌面操作系統、服務器操作系統和嵌入式操作系統。

一．桌面操作系統

桌面操作系統主要用于個人計算機（微型機）上。個人計算機市場從硬件架構上來說主要分為兩大陣營，PC機與Mac機；從軟件上來說主要分為兩大類，Windows操作系統和類UNIX操作系統：

1、微軟公司Windows操作系統：Windows XP，Windows ME，Windows 8，Windows 10，等等。

2、類UNIX操作系統：Mac OS X，以及Linux各種發行版（如RedHat、Debian、Ubuntu、openSUSE，Fedora等）。

二．服務器操作系統　

服務器操作系統一般指的是安裝在大型計算機上的操作系統，比如Web服務器、應用服務器和數據庫服務器等。服務器操作系統主要有下列三大類：

1、UNIX系列：FreeBSD，SUN Solaris，IBM AIX，HP-UX，等等。

2、Linux系列：GNU/Linux，RedHat Linux，Debian，Ubuntu，等等。

3、Windows系列：Windows NT，Windows Server 2003，Windows Server 2008，Windows Server 2019。

三．嵌入式操作系統

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，能夠根據用戶需求(功能、可靠性、成本、體積、功耗、環境等)靈活裁剪軟件硬件模塊的專用電腦系統。

嵌入式系統由硬件和軟件組成。嵌入式系統的軟件包括操作系統、中間件和應用程序。嵌入式系統的硬件包括信號處理器、存儲器、通信模塊（輸入輸出接口）等。

嵌入式操作系統（Embedded Operating System，EOS）是指用于嵌入式系統的操作系統。該系統負責嵌入式系統的全部軟件、硬件資源的分配，任務調度，控制、協調系統的活動。

嵌入式系統廣泛地應用在生活、生產的各個方面，從便攜式設備到大型固定設施，如手機、平板電腦、數碼相機、家用電器、醫療設備、交通燈、航空電子設備和工廠控制設備，等等。復雜的嵌入式系統安裝有實時操作系統。

在嵌入式領域常用的操作系統有μC/OS-III、嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等。

在智能手機或平板電腦等消費電子產品使用的嵌入式操作系統，有Android、iOS、Symbian、Windows Phone、BlackBerry OS，以及華為公司的鴻蒙系統（HarmonyOS）。

某些情況下，嵌入式系統的OS（操作系統）指的是一個內置了固定應用軟件的巨大多功能程序。在許多最簡單的嵌入式系統中，所謂的OS就是指其上唯一的應用程序。