操作系统的组成、功能、类型和发展
吴国发
（2021 年 3 月 17 日）
摘要：这是一篇高级科学文章。文章依次介绍了计算机操作系统的基本概念、开发过程、组成、功能和类型。
关键词：计算机操作系统 UNIX Linux IBM
（一）计算机操作系统的基本概念
这里，“计算机”包括电子计算机和其他智能设备、装置（智能手机等）。
在计算机系统中，操作系统（英文： ，简称OS）是最基本、最重要的基础系统软件。操作系统是管理和控制计算机软硬件资源的计算机程序的集合，是直接在“裸机”上运行的最基本的系统软件。操作系统必须支持任何其他软件才能运行。从计算机用户的角度来看，操作系统反映了它所提供的服务；从设计者的角度来看，操作系统是指各种系统模块和单元之间的连接。
操作系统位于底层硬件和用户之间，是两者之间的桥梁和纽带。没有操作系统，电脑就是垃圾。
经过几十年的发展，计算机操作系统已经从最初的一个简单的控制回路发展到一个非常复杂庞大的计算机软件系统。
计算机操作系统的主要功能是资源管理、程序控制和人机交互。
计算机系统的资源可以分为两类：设备资源和信息资源。设备资源是指构成计算机的硬件设备，如中央处理器、主存储器、磁盘存储器、磁带存储器、显示器、键盘输入设备和鼠标、打印机等。信息资源是指存储在计算机中的各种数据，包括文件、程序库、知识库、系统软件和应用软件。
有些操作系统非常简单，比如智能设备的操作系统，控制系统的嵌入式操作系统。有些操作系统比较复杂，比如桌面操作系统（MacOS等）、超级计算机操作系统（服务器Linux等）。
智能手机本质上是一台微型计算机。手机的操作系统主要是谷歌的（）和苹果的iOS。它们也很复杂。
（二）计算机操作系统的发展历程
1939年，第一台电子计算机在美国爱荷华大学诞生。这台电脑用处不大。1946年，第一台实用的电子计算机在宾夕法尼亚大学诞生。
原来的电子计算机没有操作系统，人们通过各种按钮来控制计算机。然后是汇编语言，操作员通过穿孔纸带将程序输入计算机进行编译。这些语言内置的计算机只能由设计人员自己运行。
到 1960 年代初，计算机开发人员正在创建批处理系统。该系统将作业的设置、调度和执行序列化。此时，开发人员为每种不同型号的计算机制作不同的操作系统。
1964年，IBM在世界上首次推出了IBM/360系列大型机系列，具有不同的用途和价位。他们都共享一个代号为 OS/360 的操作系统。为整个产品系列配备单一操作系统是 /360 成功的关键。为 /360 编写的应用程序仍然可以在现代 IBM 机器上运行。
1964 年，AT&T 的贝尔实验室开发了操作系统 UNIX。这是世界上第一个网络操作系统。该操作系统于 1969 年用 C 语言重写。UNIX 适用于网络操作系统，而不是桌面操作系统。UNIX 后来衍生出许多发行版：GNU/Linux、IBM AIX、HP-UX、Linux 等等。
随着计算机核心硬件集成电路的发展，微型计算机的产生和发展迅速。1970年代中期，微机操作系统开始出现。1976年，一家美国公司推出了第一个微型计算机操作系统：8位CP/M操作系统。该系统允许用户通过控制台的键盘来控制和管理系统。后续的磁盘操作系统DOS（Disk）是从CP/M衍生出来的，具有CP/M的所有功能。
诞生于 1981 年 8 月 12 日的 IBM 个人计算机 (IBM PC) 使用 DOS。
1977年4月，美国苹果公司首先推出了图形界面（GUI）操作系统，运行在微机Apple I上。直到1984年，苹果才推出了图形界面操作系统MacOS。该操作系统与 Apple 的 () 计算机捆绑在一起。
1985 年，微软推出了用于微型计算机的 操作系统 1.0。该系统尚未被用户广泛使用。1987 年 12 月 9 日，发布了 2.0。
1987年4月2日，操作系统OS/2问世。OS/2 由 IBM 和 联合开发。后来，微软退出了开发团队，专注于开发。
1990年5月22日，标志性产品3.0发布。
1991年10月5日，芬兰赫尔辛基大学研究生林纳斯（ ）开发的Linux问世。他在互联网上公开发布了源代码。Linux适用于大型和超级计算机的网络操作系统和操作系统。
1995年8月24日，微软公司推出95。微软适合作为桌面操作系统，尤其是x86架构芯片的微型计算机。而英特尔的x86架构芯片微机只能作为操作系统使用。这样，() 联盟就形成了。
1996 年 4 月，微软发布了用于工作站、网络服务器和大型计算机的网络操作系统 NT 4.0。微软最新的网络操作系统是 2019 年。
2001 年 10 月，微软发布了 XP。
2005 年 12 月 23 日，IBM 宣布将不再销售和支持 OS/2 系统。就这样，IBM OS/2 与微软的竞争以 OS/2 的失败告终。此后，联盟垄断了微机芯片和操作系统市场。
到2013年底，微软几乎用x86芯片占领了微机市场的每一个空间，将市场推向了极致。
微软最新的桌面操作系统是 10，于 2014 年 10 月 1 日发布。新系统的名称从 8 跳到数字“9”之上。
尽管微软在桌面操作系统领域占据主导地位已超过 20 年，但 Linux 占据了全球 70% 以上的网络操作系统市场和 90% 以上的超级计算机操作系统市场。
四种常用操作系统
(3) 操作系统的组件和内核
(A) 操作系统的组件
操作系统由以下四部分组成：
一。驱动程序：直接控制和监控各类硬件的最底层部分。他们的工作是隐藏硬件的细节并为其余部分提供抽象的通用接口。
二。内核：操作系统的内核部分通常运行在最高权限级别，负责提供基本的、结构化的功能。
三。接口库：是一系列特殊的程序库。他们的职责是将系统提供的基本服务打包成应用程序可以使用的编程接口（API）。这是最接近应用程序的部分。
四。：指操作系统中除上述三类以外的所有其他部分，通常用于提供特定高级服务的部分。
并非所有的操作系统都严格包括上述四个主要部分。例如，在微软的早期，这些部分耦合得很深，很难相互区分。在使用外部内核结构的操作系统中，根本没有驱动程序的概念。
操作系统的四个主要部分的不同布局形成了几个整体结构。常见的结构包括：简单结构、层次结构、微内核结构、垂直结构、虚拟机结构。
(B) 操作系统的内核结构
内核是操作系统的核心，也是最基本的组件。内核的结构有以下四种：
一。单核（ ），也称为宏核。单内核结构是操作系统中各种内核组件混合在一起的一种形式。这种结构始于 1960 年代，是操作系统内核与外围分离时的原始形式。
二。()，也称为微内核。微内核结构产生于1980年代，它的结构组件和功能组件是分开的。
三。混合内核 ( )，类似于微内核结构，只是它的组件在内核中运行得更多，以便更快地执行。
四。Outer ()，旨在尽可能减少软件抽象。这使开发人员可以专注于硬件的抽象。
大多数常见的操作系统都使用单内核架构，例如大多数 UNIX、Linux 和（微软声称 NT 是基于修改后的微内核架构）。有一些嵌入式操作系统使用外部内核。
(4) 计算机操作系统的功能
计算机操作系统的基本功能是管理和配置内存、确定系统资源的供需顺序、控制输入和输出设备、操作网络和管理文件系统。
计算机操作系统主要包括以下五个功能：
一。流程管理
进程管理的任务是进程调度。在单用户单任务的情况下，处理器只被一个用户的一项任务占用，进程管理的工作非常简单。但是，在多程序或多用户的情况下，组织多个作业或任务时，需要解决处理器的调度、分配和回收问题。可能有一个或多个处理器。不同类型的操作系统会针对不同的情况采用不同的进程调度策略
二。存储管理
存储管理包括存储分配、存储共享、存储保护和存储扩展。存储管理的主要任务是分配内存空间，保证每个作业占用的存储空间不冲突，保证每个作业在自己的存储区域内互不干扰。
三。设备管理
负责管理各种外围设备，包括分配、启动和故障排除。用户在使用外部设备时服务器操作系统，必须提出要求，并且只有在操作系统统一分配后才能使用。当用户程序运行使用外围设备时，操作系统负责驱动外围设备。操作系统还具有处理外设中断请求的能力。
四。文件管理
文件管理是指操作系统对信息资源的管理，包括文件存储空间管理、目录管理、文件操作管理、文件保护等。在操作系统中，负责访问的一部分管理信息称为文件系统。文件是一组逻辑上完整的相关信息的有序集合。每个文件都有一个文件名。文件管理支持文件存储、检索、修改等操作，具有文件保护功能。
五。作业管理
每个用户请求计算机系统执行的单独操作称为作业。作业管理包括作业输入与输出、作业调度与控制（根据用户需要控制作业运行步骤）。
(5) 计算机操作系统的种类
有许多类型的计算机操作系统。安装在各种设备上的操作系统从简单到复杂，可分为智能卡（IC卡）操作系统、传感器节点操作系统、嵌入式操作系统、实时操作系统、台式微机操作系统、网络操作系统、大型机、超级计算机操作系统等。
操作系统的分类有两种方式：一种是根据操作系统的功能进行分类，另一种是根据操作系统的应用领域进行分类。
（一）按操作系统功能分类
按操作系统的功能分，有实时系统、批处理系统、分时系统、网络操作系统等。
一。实时系统
实时系统主要是指能够快速响应外部命令，在相应时间内处理问题，协调系统工作的系统。各种计算机控制系统的操作系统都是实时系统。
二。分时系统
在分时系统中，多个用户共同使用一台主机来满足用户的人机交互需求。分时系统具有多路径、独立性、交互性和时效性等优点。这是一个主机-用户-终端架构系统。早期的大型机操作系统是这种架构的分时系统。IBM 的 OS/360 就是这样一个系统。
三。批处理系统
批处理系统出现在 1960 年代。多个用户在终端提交任务，批处理系统按照预定规则分阶段、分批处理每个任务。批处理系统可以提高资源利用率和系统吞吐量。IBM 的 OS/360 也是一个批处理系统。
四。网络操作系统
它是一种为网络计算机提供服务的特殊操作系统。网络系统分为服务器和客户端。服务器的主要功能是管理服务器和网络上各种资源和网络设备的共享。客户端具有接收应用服务器发送的信息的功能。
(二)按操作系统的应用领域分类
根据操作系统的应用领域，主要有桌面操作系统、服务器操作系统和嵌入式操作系统三种。
一。桌面操作系统
桌面操作系统主要用于个人计算机（微型计算机）上。个人电脑市场在硬件架构上主要分为PC和Mac两大阵营；在软件方面，主要分为两大类，操作系统和类UNIX操作系统：
1、微软操作系统：XP、ME、8、10等。
2、类UNIX操作系统：Mac OS X，以及各种Linux发行版（如，、、、等）。
二。服务器操作系统
服务器操作系统一般是指安装在大型计算机上的操作系统，如Web服务器、应用服务器、数据库服务器等。服务器操作系统主要分为三种类型：
1、UNIX系列：、SUN、IBM AIX、HP-UX等。
2、Linux系列：GNU/Linux、Linux、、、、等。
3.系列：新台币，2003，2008，2019。
三。嵌入式操作系统
嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，可根据用户要求（功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等）灵活定制软硬件模块的专用计算机系统。
嵌入式系统由硬件和软件组成。嵌入式系统的软件包括操作系统、中间件和应用程序。嵌入式系统的硬件包括信号处理器、存储器、通信模块（输入输出接口）等。
嵌入式操作系统（ ，EOS）是指嵌入式系统的操作系统。系统负责嵌入式系统所有软硬件资源的分配、任务调度、系统活动的控制和协调。
嵌入式系统广泛应用于生活和生产的各个方面，从便携式设备到大型固定设施，如手机、平板电脑、数码相机、家用电器、医疗设备、交通信号灯、航空电子设备和工厂控制设备等。复杂的嵌入式系统安装了实时操作系统。
嵌入式领域常用的操作系统有μC/OS-III、嵌入式Linux等。
智能手机或平板电脑等消费电子产品中使用的嵌入式操作系统包括IOS、iOS、Phone、OS，以及华为的鸿蒙系统（）。
在某些情况下，嵌入式系统的OS（操作系统）是指内置固定应用软件的庞大多功能程序。在许多最简单的嵌入式系统中，所谓的操作系统是指它上面唯一的应用程序。
