吴国发

(2021年3月17日)

总结:这是一篇高级科普文章。本文依次介绍了计算机操作系统的基本概念、发展历史、组成部分、功能和类型。

关键词:电脑操作系统Windows UNIX Linux微软IBM

(一)计算机操作系统的基本概念

这里的“计算机”包括电子计算机和其他智能设备和装置(智能定位器等。).

在计算机系统中，操作系统(OS)是最基本、最重要的基本系统软件。操作系统是管理和控制计算机软硬件资源的计算机程序***，是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件。任何其他软件都必须得到操作系统的支持才能运行。从计算机用户的角度来看，操作系统体现了他们所提供的服务；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关系。

操作系统位于底层硬件和用户之间，是他们之间的桥梁和纽带。没有操作系统，计算机是没有用的。

经过几十年的发展，计算机操作系统已经从一个简单的控制回路发展成为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。

计算机资源可以分为两类:设备资源和信息资源。资源是指组成计算机的硬件设备，如CPU、主存、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(Windows、MacOS等。)和超级计算机操作系统(服务器Linux等。).

智能定位器本质上是一种监控计算机。定位器的操作系统主要是谷歌的Android和苹果的iOS。它们也很复杂。

(二)计算机操作系统的发展史

1939年，第一台电子计算机在美国爱荷华大学诞生。这台电脑没有太大的使用价值。1946年，第一台实用的电子计算机在宾夕法尼亚大学诞生。

起初，电子计算机没有操作系统，人们通过各种按钮控制计算机。后来出现了汇编语言，操作人员通过穿孔纸带将程序输入计算机进行编译。这些内置语言的电脑只能由设计师自己运行。

到20世纪60年代初，计算机开发人员已经制造出批处理系统。该系统可以将工作的设置、调度和执行序列化。此时，开发人员为每种不同类型的计算机开发不同的操作系统。

在19***年，IBM在全球首次推出了不同用途和价位的系列大型计算机IBM System/360。都是共享操作系统，代号OS/360。让单一的操作系统适用于整个系列的产品，是System/360成功的关键。为System/360编写的应用程序仍然可以在现代IBM机器上执行。

19***年

，at & T的贝尔实验室开发出了操作系统UNIX。这是

世界上第一个网络操作系统

。这个操作系统是1969年用C语言重写的。UNIX适用于网络操作系统，但不适用于桌面操作系统。UNIX后来衍生出许多发行版:FreeBSD、GNU/Linux、IBM AIX、HP-UX、Solaris、Linux等等。

随着计算机核心硬件集成电路的发展，监控计算机应运而生并迅速发展。70年代中期，微机操作系统开始出现。在

1976年

，美国数字研究公司推出了

第一个微机操作系统

:8位

CP/M

操作系统。该系统允许用户通过控制台的键盘控制和管理系统。从此磁盘操作系统DOS(Disk Operating System)来源于CP/M，具备了CP/M的所有功能。

1981年8月12日诞生的IBM个人电脑

(IBM PC

)使用的是DOS。

1977年4月

，美国

苹果公司首先

推出

图形界面(GUI)操作系统

，它运行在监控计算机Apple I上，直到1984年苹果公司才推出图形界面操作系统——Mac OS。这个操作系统是和苹果的Macintosh电脑捆绑在一起的。

1985年，微软公司

推出了微机的Windows操作系统Windows 1.0

。这个系统还没有被用户广泛使用。1987年12月9日，Windows 2.0发布。

1987年4月2日，操作系统OS/2问世。OS/2是由IBM和微软联合开发的。后来微软退出了开发团队，专心开发Windows。

1990年5月22日，微软发布了具有里程碑意义的产品Windows 3.0。

1991年10月5日，芬兰赫尔辛基大学研究生

莱纳斯·托瓦尔兹(Linus Torvalds)开发的

Linux

问世。他在互联网上公开发布了源代码。Linux适用于网络操作系统和大型、巨型计算机的操作系统。

1995年8月24日，微软推出了Windows 95。微软的Windows适用于桌面操作系统，尤其适用于x86架构芯片的微机。而Intel公司开发的x86架构的芯片微机，只能使用Windows作为操作系统。就这样，Wintel联盟形成了。

1996年4月，微软公司发布了面向工作站、网络服务器和大型计算机的网络操作系统Windows NT 4.0。微软最新的网络操作系统是Windows Server 2019。

2001年10月，微软发布了Windows XP。

2005年12月23日，IBM宣布不再销售和支持OS/2系统。就这样，IBM OS/2与微软Windows的竞争以OS/2的失败而告终。此后，Wintel联盟垄断了监控计算机芯片和操作系统市场。

到了2013年底，微软几乎用x86芯片占领了***电脑市场的每一个空房间，将市场发挥到了极致。

微软最新的桌面操作系统是Windows 10，于2014年10月1日发布。新系统的名字从Windows 8跳到Windows10，跳过了数字“9”。

尽管微软的Windows占据桌面版操作系统的统治地位20多年，但是，Linux占据了全世界网络操作系统市场的70%以上，占据了巨型机操作系统市场的90%以上。

虽然微软的Windows占据了桌面操作系统20多年的主导地位，但是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。

四种常见的操作系统

(C)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:直接控制和监控各种硬件的最底层部分。他们的职责是隐藏硬件的细节，并为其他部分提供一个抽象和通用的接口。

二。内核:操作系统的内核部分通常运行在最高特权级别，负责提供基本的和结构化的功能。

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)。这是最接近应用的部分。

四。外设:指操作系统除上述三类以外的所有其他部分，通常是用来提供特定高级服务的组件。

并不是所有的操作系统都严格包括以上四个部分。比如早期的微软Windows，各部分耦合得很厉害，很难区分。而在外核结构的操作系统中，根本没有驱动的概念。

操作系统四个部分的不同布局形成了几个整体结构。常见的结构有: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。有四种内核结构:

一、单片内核(Monolithic kernel)，又称宏内核。整体内核结构是操作系统中内核组件的混合状态。这种架构始于20世纪60年代，是操作系统内核与外围分离时的最初形态。

二。微核(Microkernel)，又称微内核。微内核结构产生于20世纪80年代，其结构成分和功能成分是分离的。

三。混合内核，类似于微内核结构，除了它的组件更多地在内核中运行，以获得更快的执行速度。

四。外部内核(Exokernel)，其设计理念是最小化软件的抽象。这使得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采用单片内核架构，如大多数UNIX、Linux、Windows(微软宣称Windows NT是基于改进的微内核架构)。一些嵌入式操作系统使用外部内核。

(四)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，确定系统资源的供求顺序，控制输入输出设备，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

流程管理的任务是流程调度。在单用户单任务的情况下，处理器只被一个用户的一个任务独占，所以进程管理非常简单。但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，保证每个作业占用的内存空之间不矛盾，保证每个作业在自己的存储区域内互不干扰。

三。设备管理

管理各种外围设备，包括配电，启动和故障排除。用户使用外接设备时，必须提出要求，由操作系统统一分配后才能使用。当用户程序运行使用外设时，操作系统负责驱动外设。操作系统也有能力处理外设中断请求。

四。文件管理

文件管理是指操作系统对信息资源的管理，包括文件存储空管理、目录管理、文件操作管理和文件保护。在操作系统中，负责访问管理信息的部分称为文件系统。文件是一组逻辑上完整的相关信息。每个文件都有一个文件名。文件管理支持文件的存储、检索和修改，并具有文件保护功能。

五.作业管理

每个用户请求计算机系统完成的独立操作称为作业。作业管理包括作业输入和输出、作业调度和控制(根据用户需求控制作业操作的步骤)。

(5)计算机操作系统的类型

电脑操作系统有很多种。从简单到复杂，各种设备中安装的操作系统可以分为智能卡(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、桌面微机操作系统、网络操作系统、大型机和超级计算机操作系统等等。

操作系统的分类有两种方式:一种是根据操作系统的功能，另一种是根据操作系统的应用领域。

(A)根据操作系统的功能分类

根据操作系统的功能，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

实时系统主要是指系统能够快速响应外部命令，在相应的时间内处理问题，协调系统工作。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，多个用户共享一台主机，满足用户的人机交互需求。分时系统具有多通道、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都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

批处理系统出现于20世纪60年代。多个用户在终端提交任务，批处理系统按照预定的规则分阶段、分批处理每个任务。批处理系统可以提高资源的利用率和系统的吞吐量。IBM的OS/360也是批处理系统。

四。网络操作系统

它是一种特殊的操作系统，为网络计算机提供服务。网络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之间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。

(B)根据操作系统的应用领域分类

根据操作系统的应用领域，主要有三种:桌面操作系统、服务器操作系统和嵌入式操作系统。

一、桌面操作系统

桌面操作系统主要用于个人电脑(监控计算机)。个人电脑市场在硬件架构上主要分为两大阵营，PC和Mac在软件方面，可以分为Windows操作系统和类UNIX操作系统两大类:

1.

微软Windows操作系统

: Windows XP、Windows ME、Windows 8、Windows 10等。

2.

类UNIX操作系统

: Mac OS X，以及Linux的各种发行版(如RedHat、Debian、Ubuntu、openSUSE、Fedora等。).

二。服务器操作系统

服务器操作系统一般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。有三种主要类型的服务器操作系统:

1.UNIX系列:FreeBSD、SUN Solaris、IBM AIX、HP-UX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和Windows Server 2019。

三。嵌入式操作系统

嵌入式系统

是以应用为中心，以计算机技术为基础，可以根据用户需求(功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等)灵活裁剪软硬件模块的

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(I/O接口)等。

嵌入式操作系统(EOS [/S2/])是指用于嵌入式系统的操作系统。该系统负责分配嵌入式系统的所有软硬件资源，任务调度，控制和协调系统活动。

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，如定位器、平板电脑、数码相机、家用电器、医疗器械、交通信号灯、航空空电子设备和工厂控制设备等等。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C/OS-III、嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等。

智能定位器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华为的Android、iOS、Symbian、Windows Phone、BlackBerry OS和鸿蒙系统OS。

在某些情况下，嵌入式系统的OS(操作系统)是指一个内置固定应用软件的庞大的多功能程序。在许多最简单的嵌入式系统中，所谓的OS指的是其上唯一的应用程序。