操作系統(tǒng)的組成、功能、種類和發(fā)展

吳國發(fā)

（2021年3月17日）

內(nèi)容提要：這是一篇高級(jí)科普文章。文章依次介紹了電腦操作系統(tǒng)的基本概念、發(fā)展歷程、組成部分、功能和種類。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī) 電腦 操作系統(tǒng) Windows UNIX Linux 微軟 IBM

（一）電腦操作系統(tǒng)的基本概念

在這里，“電腦”包括電子計(jì)算機(jī)和其它智能設(shè)備、裝置（智能手機(jī)等）。

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)（英語：Operating System，簡稱OS）是最基本、最重要的基礎(chǔ)性系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)是管理和控制計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的計(jì)算機(jī)程序的集合，是直接運(yùn)行在“裸機(jī)”上的最基本的系統(tǒng)軟件。任何其它軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運(yùn)行。從計(jì)算機(jī)用戶的角度來說，操作系統(tǒng)體現(xiàn)為其提供的各項(xiàng)服務(wù)；從設(shè)計(jì)人員的角度來說，操作系統(tǒng)是指各式各樣的系統(tǒng)模塊和單元之間的聯(lián)系。

操作系統(tǒng)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(tǒng)，計(jì)算機(jī)就是廢物。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)已經(jīng)由一開始的簡單控制循環(huán)體發(fā)展成為很復(fù)雜、很龐大的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的主要功能是資源管理，程序控制和人機(jī)交互。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源可分為設(shè)備資源和信息資源兩大類。設(shè)備資源指的是組成計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備，如中央處理器，主存儲(chǔ)器，磁盤存儲(chǔ)器，磁帶存儲(chǔ)器，顯示器，鍵盤輸入設(shè)備和鼠標(biāo)，打印機(jī)，等等。信息資源指的是存放于計(jì)算機(jī)內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，包括文件、程序庫、知識(shí)庫、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等。

有些操作系統(tǒng)很簡單，例如智能設(shè)備的操作系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)。有些操作系統(tǒng)很復(fù)雜，例如桌面操作系統(tǒng)（Windows、MacOS等）、超級(jí)計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)（服務(wù)器版Linux等）。

智能手機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種微型電腦。手機(jī)的操作系統(tǒng)主要是谷歌公司的Android（安卓）和蘋果公司的iOS。它們也很復(fù)雜。

（二）計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程

1939年，在美國愛阿華大學(xué)誕生了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。這臺(tái)計(jì)算機(jī)并沒有很大使用價(jià)值。1946年，在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生了第一臺(tái)實(shí)用的電子計(jì)算機(jī)。

最初的電子計(jì)算機(jī)沒有操作系統(tǒng)，人們通過各種按鈕來控制計(jì)算機(jī)。后來出現(xiàn)了匯編語言，操作人員通過有孔的紙帶將程序輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行編譯。這些將語言內(nèi)置的計(jì)算機(jī)只能由設(shè)計(jì)人員自己編寫程序來運(yùn)行。

到了1960年代早期，計(jì)算機(jī)研制者制造了批次處理系統(tǒng)。此系統(tǒng)可將工作的設(shè)置、調(diào)度、執(zhí)行序列化。此時(shí)，研制者為每一臺(tái)不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)制作不同的操作系統(tǒng)。

到了1964年，IBM公司在世界上首次推出了一系列用途與價(jià)位都不同的大型計(jì)算機(jī)IBM System/360。它們都共享代號(hào)為OS/360的操作系統(tǒng)。讓單一操作系統(tǒng)適用于整個(gè)系列的產(chǎn)品是System/360成功的關(guān)鍵。為System/360所寫的應(yīng)用程序依然可以在現(xiàn)代的IBM機(jī)器上執(zhí)行。

1964年，AT&T公司的貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了操作系統(tǒng)UNIX。這是世界上第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。此操作系統(tǒng)在1969年由C語言重寫。UNIX適合于作網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，不適合做桌面操作系統(tǒng)。UNIX后來派生了很多個(gè)發(fā)行版：FreeBSD，GNU/Linux、IBM AIX，HP-UX，Solaris，Linux，等等。

隨著計(jì)算機(jī)的核心硬件集成電路的發(fā)展，產(chǎn)生了微型計(jì)算機(jī)，并且迅速發(fā)展起來。20世紀(jì)70年代中期，開始出現(xiàn)了微型機(jī)操作系統(tǒng)。在1976年，美國Digital Research公司推出了第一個(gè)微型機(jī)操作系統(tǒng)：8位的CP/M操作系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)允許用戶通過控制臺(tái)的鍵盤對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理。此后的磁盤操作系統(tǒng)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(gè)人計(jì)算機(jī)（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(tǒng)，在微型機(jī)Apple I上運(yùn)行。直到1984年，蘋果公司才推出圖形界面操作系統(tǒng)——MacOS。此操作系統(tǒng)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(jī)視窗操作系統(tǒng)Windows 1.0。該系統(tǒng)沒有得到用戶普遍應(yīng)用。1987年12月9日，Windows 2.0發(fā)布。

1987年4月2日，操作系統(tǒng)OS/2問世。OS/2是IBM公司和微軟公司共同開發(fā)的。后來，微軟公司退出了開發(fā)團(tuán)隊(duì)，集中精力開發(fā)Windows。

1990年5月22日， Microsoft發(fā)布了具有里程碑意義的產(chǎn)品 Windows 3.0。

1991年10月5日，芬蘭赫爾辛基大學(xué)研究生Linus Torvalds（林納斯·托瓦茲）開發(fā)的Linux問世了。他在因特網(wǎng)上公開發(fā)布了源程序代碼。Linux適于做網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和大型、巨型計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)。

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(tǒng)，尤其是具有x86架構(gòu)芯片的微型機(jī)。而英特爾公司研制的x86架構(gòu)芯片微型機(jī)只能用Windows作操作系統(tǒng)。這樣，就形成了穩(wěn)泰爾(Wintel)聯(lián)盟。

1996年4月，微軟公司發(fā)布網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)Windows NT 4.0，面向工作站、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和大型計(jì)算機(jī)。微軟的最新網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是Windows Server 2019。

2001年10月，微軟公司發(fā)布Windows XP。

2005年12月23日，IBM宣布不再銷售和支持OS/2系統(tǒng)。這樣，IBM OS/2與微軟Windows的競爭，以O(shè)S/2的失敗告終。此后，穩(wěn)泰爾聯(lián)盟壟斷了微型機(jī)芯片和操作系統(tǒng)的市場。

截至2013年底，微軟公司幾乎占據(jù)了用x86芯片的微型機(jī)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(tǒng)是Windows 10，于2014年10月1日發(fā)布。新系統(tǒng)的名稱從Windows 8跳到Windows10，躍過了數(shù)字“9”。

盡管微軟的Windows占據(jù)桌面版操作系統(tǒng)的統(tǒng)治地位20多年，但是，Linux占據(jù)了全世界網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)市場的70%以上，占據(jù)了巨型機(jī)操作系統(tǒng)市場的90%以上。

四個(gè)常用操作系統(tǒng)

（三）操作系統(tǒng)的組成部分和內(nèi)核

（A）操作系統(tǒng)的組成部分

操作系統(tǒng)有下列四大部分組成：

一．驅(qū)動(dòng)程序：最底層的、直接控制和監(jiān)視各類硬件的部分。它們的職責(zé)是隱藏硬件的具體細(xì)節(jié)，并向其它部分提供一個(gè)抽象的、通用的接口。

二．內(nèi)核：操作系統(tǒng)的內(nèi)核部分通常運(yùn)行在最高特權(quán)級(jí)，負(fù)責(zé)提供基礎(chǔ)性、結(jié)構(gòu)性的功能。

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

四．外圍：指操作系統(tǒng)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(jí)服務(wù)的部件。

并不是所有的操作系統(tǒng)都嚴(yán)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(qū)分彼此。而在使用外核結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)中，則根本沒有驅(qū)動(dòng)程序的概念。

操作系統(tǒng)中四大部分的不同布局形成了幾種整體結(jié)構(gòu)。常見的結(jié)構(gòu)包括：簡單結(jié)構(gòu)，分層結(jié)構(gòu)，微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，垂直結(jié)構(gòu)，以及虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)。

（B）操作系統(tǒng)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)

內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心，是最基礎(chǔ)的構(gòu)件。內(nèi)核的結(jié)構(gòu)有下列四種：

一．單內(nèi)核（Monolithic kernel），又稱為宏內(nèi)核。單內(nèi)核結(jié)構(gòu)是操作系統(tǒng)中各內(nèi)核部件雜然混居的形態(tài)。該結(jié)構(gòu)始于1960年代，是操作系統(tǒng)內(nèi)核與外圍分離時(shí)的最初形態(tài)。

二．微內(nèi)核（Microkernel），又稱為微核心。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是1980年代產(chǎn)生的，其結(jié)構(gòu)性部件與功能性部件是分離的。

三．混合內(nèi)核（Hybrid kernel），像微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，只不過它的組件更多地在核心中運(yùn)行，以獲得更快的執(zhí)行速度。

四．外內(nèi)核（Exokernel），其設(shè)計(jì)理念是盡可能地減少軟件的抽象化。這使得開發(fā)者可以專注于硬件的抽象化。

大部分常用操作系統(tǒng)采用單內(nèi)核結(jié)構(gòu)，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(nèi)核架構(gòu)的）。有一些嵌入式操作系統(tǒng)使用外核。

（四）計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的功能

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基本功能是負(fù)責(zé)管理與配置內(nèi)存、決定系統(tǒng)資源供需的先后次序、控制輸入與輸出設(shè)備、操作網(wǎng)絡(luò)與管理文件系統(tǒng)等。

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)主要包括以下五個(gè)方面的功能：

一．進(jìn)程管理

進(jìn)程管理的任務(wù)是進(jìn)程調(diào)度。在單用戶單任務(wù)的情況下，處理器僅為一個(gè)用戶的一個(gè)任務(wù)所獨(dú)占，進(jìn)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(gè)作業(yè)或任務(wù)時(shí)，就要解決處理器的調(diào)度、分配和回收等問題 。處理器可能是一個(gè)，也可能是多個(gè)。不同類型的操作系統(tǒng)將針對(duì)不同情況采取不同的進(jìn)程調(diào)度策略

二．存儲(chǔ)管理

存儲(chǔ)管理包括存儲(chǔ)分配，存儲(chǔ)共享，存儲(chǔ)保護(hù) ，以及存儲(chǔ)擴(kuò)張。存儲(chǔ)管理的主要任務(wù)是：分配內(nèi)存空間，保證各作業(yè)占用的存儲(chǔ)空間不發(fā)生矛盾，并使各作業(yè)在自己所屬存儲(chǔ)區(qū)中不互相干擾。

三．設(shè)備管理

負(fù)責(zé)管理各類外圍設(shè)備，包括分配、啟動(dòng)和故障處理等。當(dāng)用戶使用外部設(shè)備時(shí)，必須提出要求，待操作系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一分配后方可使用。當(dāng)用戶的程序運(yùn)行到要使用某外設(shè)時(shí)，由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)外設(shè)。操作系統(tǒng)還具有處理外設(shè)中斷請(qǐng)求的能力。

四．文件管理

文件管理是指操作系統(tǒng)對(duì)信息資源的管理，包括文件存儲(chǔ)空間的管理，目錄管理 ，文件操作管理，以及文件保護(hù)。在操作系統(tǒng)中，將負(fù)責(zé)存取的管理信息的部分稱為文件系統(tǒng)。文件是在邏輯上具有完整意義的一組相關(guān)信息的有序集合。每個(gè)文件都有一個(gè)文件名。文件管理支持文件的存儲(chǔ)、檢索和修改等操作，并且有文件的保護(hù)功能。

五．作業(yè)管理

每個(gè)用戶請(qǐng)求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成的一個(gè)獨(dú)立的操作稱為一個(gè)作業(yè)。作業(yè)管理包括作業(yè)的輸入和輸出，作業(yè)的調(diào)度與控制（根據(jù)用戶的需要控制作業(yè)運(yùn)行的步驟）。

（五）電腦操作系統(tǒng)的種類

電腦操作系統(tǒng)的種類繁多。各種設(shè)備安裝的操作系統(tǒng)從簡單到復(fù)雜，可分為智能卡（IC卡）操作系統(tǒng)，傳感器節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)，嵌入式操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，桌面微型機(jī)操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，大型機(jī)、巨型機(jī)操作系統(tǒng)，等等。

對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行分類，有兩種方式：一是根據(jù)操作系統(tǒng)的功能分類，二是根據(jù)操作系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域分類。

（A）根據(jù)操作系統(tǒng)的功能分類

根據(jù)操作系統(tǒng)的功能，分別有實(shí)時(shí)系統(tǒng)、批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)等。

一．實(shí)時(shí)系統(tǒng)

實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要是指系統(tǒng)可以迅速地對(duì)外部命令進(jìn)行響應(yīng)，在對(duì)應(yīng)的時(shí)間里處理問題，協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作。各種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)都是實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

二．分時(shí)系統(tǒng)

在分時(shí)系統(tǒng)，多個(gè)用戶共同使用一臺(tái)主機(jī)，滿足用戶的人機(jī)交互需要。分時(shí)系統(tǒng)具有多路性、獨(dú)立性、交互性、及時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。這是主機(jī)-用戶-終端架構(gòu)的系統(tǒng)。早期的大型機(jī)操作系統(tǒng)都是這種架構(gòu)的分時(shí)系統(tǒng)。IBM公司的OS/360就是這種系統(tǒng)。

三．批處理系統(tǒng)

批處理系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。多個(gè)用戶在終端提交任務(wù)，批處理系統(tǒng)按照預(yù)定的規(guī)則分期、分批處理各項(xiàng)任務(wù)。批處理系統(tǒng)能夠提高資源的利用率和系統(tǒng)的吞吐量。IBM公司的OS/360也是一種批處理系統(tǒng)。

四．網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

是向網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)提供服務(wù)的特殊的操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為服務(wù)器和客戶端。服務(wù)器的主要功能是管理服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)上的各種資源和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的共用。客戶端有著能接收應(yīng)用服務(wù)器所傳遞的信息的功能。

（B）根據(jù)操作系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域分類

根據(jù)操作系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域劃分，主要有三種：桌面操作系統(tǒng)、服務(wù)器操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)。

一．桌面操作系統(tǒng)

桌面操作系統(tǒng)主要用于個(gè)人計(jì)算機(jī)（微型機(jī)）上。個(gè)人計(jì)算機(jī)市場從硬件架構(gòu)上來說主要分為兩大陣營，PC機(jī)與Mac機(jī)；從軟件上來說主要分為兩大類，Windows操作系統(tǒng)和類UNIX操作系統(tǒng)：

1、微軟公司W(wǎng)indows操作系統(tǒng)：Windows XP，Windows ME，Windows 8，Windows 10，等等。

2、類UNIX操作系統(tǒng)：Mac OS X，以及Linux各種發(fā)行版（如RedHat、Debian、Ubuntu、openSUSE，F(xiàn)edora等）。

二．服務(wù)器操作系統(tǒng)　

服務(wù)器操作系統(tǒng)一般指的是安裝在大型計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)，比如Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等。服務(wù)器操作系統(tǒng)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(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠根據(jù)用戶需求(功能、可靠性、成本、體積、功耗、環(huán)境等)靈活裁剪軟件硬件模塊的專用電腦系統(tǒng)。

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

嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operating System，EOS）是指用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟件、硬件資源的分配，任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)系統(tǒng)的活動(dòng)。

嵌入式系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在生活、生產(chǎn)的各個(gè)方面，從便攜式設(shè)備到大型固定設(shè)施，如手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、家用電器、醫(yī)療設(shè)備、交通燈、航空電子設(shè)備和工廠控制設(shè)備，等等。復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)安裝有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

在嵌入式領(lǐng)域常用的操作系統(tǒng)有μC/OS-III、嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等。

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

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