Operating System

Operating System

操作系统（英语：operating system，缩写：OS）
是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，同时也是计算机系统的内核与基石。
操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、
控制输入与输出装置、操作网络与管理文件系统等基本事务。
操作系统也提供一个让使用者与系统互动的操作界面。

操作系统的型态非常多样，不同机器安装的操作系统可从简单到复杂，
可从非智能手机的嵌入式系统到超级电脑的大型操作系统。
许多操作系统制造者对它涵盖范畴的定义也不尽一致，
例如有些操作系统整合了图形用户界面，而有些仅使用命令行界面，
而将图形用户界面视为一种非必要的应用程序。

操作系统理论在计算机科学中，为历史悠久而又活跃的分支；
而操作系统的设计与实现则是软件工业的基础与内核

History

综观电脑之历史，操作系统与电脑硬件的发展息息相关。
操作系统之本意原为提供简单的工作排序能力，后为辅助更新更复杂的硬件设施而渐渐演化。
从最早的批次模式开始，分时机制也随之出现，在多处理器时代来临时，
操作系统也随之添加多处理器协调功能，甚至是分散式系统的协调功能。
其他方面的演变也类似于此。
另一方面，在个人电脑上，个人电脑之操作系统因袭大型电脑的成长之路，
在硬件越来越复杂、强大时，也逐步实践以往衹有大型电脑才有的功能。
总而言之，操作系统的历史就是一部解决电脑系统需求与问题的历史。

1. 1980年代前

   第一部电脑并没有操作系统。
   这是由于早期电脑的建立方式（如同建造机械算盘）与效能不足以执行如此程式。
   但在1947年发明了晶体管，以及莫里斯·威尔克斯发明的微程序方法，
   使得电脑不再是机械装置，而是电子产品。
   系统管理工具以及简化硬件操作流程的程式很快就出现了，且成为操作系统的滥觞。
   到了1960年代早期，商用电脑制造商制造了批次处理系统，
   此系统可将工作的建置、排程以及执行序列化。
   此时，厂商为每一台不同型号的电脑创造不同的操作系统，
   因此为某电脑而写的程式无法移植到其他电脑上执行，即使是同型号的电脑也不行。
   到了1964年，IBM System/360推出了一系列用途与价位都不同的大型电脑，
   而它们都共用代号为OS/360的操作系统（而非每种产品都用量身订做的操作系统）。
   让单一操作系统适用于整个系列的产品是System/360成功的关键，
   且实际上IBM目前的大型系统便是此系统的后裔，
   为System/360所写的应用程序依然可以在现代的IBM机器上执行。
   OS/360也包含另一个优点：永久贮存装置—硬盘机的面世（IBM称为DASD）。
   另一个关键是分时概念的建立：将大型电脑珍贵的时间资源适当分配到所有用户身上。
   分时也让用户有独占整部机器的感觉；
   而Multics的分时系统是此时众多新操作系统中实践此观念最成功的。
   1963年，奇异公司与贝尔实验室合作以PL/I语言建立的Multics，
   是激发1970年代众多操作系统建立的灵感来源，
   尤其是由AT&T贝尔实验室的丹尼斯·里奇与肯·汤普逊所建立的Unix系统，
   为了实践平台移植能力，此操作系统在1973年由C语言重写；
   另一个广为市场采用的小型电脑操作系统是VMS。

2. 1980年代

   第一代微型计算机并不像大型电脑或小型电脑，没有装设操作系统的需求或能力；
   它们只需要最基本的操作系统，通常这种操作系统都是从ROM读取的，
   此种程式被称为监视程式（Monitor）。
   1980年代，家用电脑开始普及。
   通常此时的电脑拥有8-bit处理器加上64KB内存、显示器、键盘以及低音质音响。
   而80年代早期最著名的套装电脑为使用微处理器6510（6502芯片特别版）的Commodore C64。
   此电脑没有操作系统，而是以一8KB唯读记忆体BIOS初始化彩色显示器、键盘以及软驱和打印机。
   它可用8KB唯读记忆体BASIC语言来直接操作BIOS，并依此撰写程式，大部分是游戏。
   此BASIC语言的直译器勉强可算是此电脑的操作系统，当然就没有内核或软硬件保护机制了。
   此电脑上的游戏大多跳过BIOS层次，直接控制硬件。
   早期最著名的磁盘启动型操作系统是CP/M，它支援许多早期的微电脑，且被MS-DOS大量抄袭其功能。
   最早期的IBM PC其架构类似C64。
   当然它们也使用了BIOS以初始化与抽象化硬件的操作，甚至也附了一个BASIC直译器！
   但是它的BASIC优于其他公司产品的原因在于他有可携性，并且相容于任何符合IBM PC架构的机器上。
   这样的PC可利用Intel-8088处理器（16-bit暂存器）定址，并最多可有1MB的内存，然而最初只有640KB。
   软式磁盘机取代了过去的磁带机，成为新一代的储存装置，并可在他512KB的空间上读写。
   为了支援更进一步的档案读写概念，磁盘操作系统（Disk Operating System，DOS）因而诞生。
   此操作系统可以合并任意数量的磁区，因此可以在一张磁盘片上放置任意数量与大小的档案。
   档案之间以档名区别。IBM并没有很在意其上的DOS，因此以向外部公司购买的方式取得操作系统。
   1980年微软公司取得了与IBM的合约，并且收购了一家公司出产的操作系统，
   在将之修改后以MS-DOS的名义出品，此操作系统可以直接让程式操作BIOS与档案系统。
   到了Intel-80286处理器的时代，才开始实作基本的储存装置保护措施。
   MS-DOS的架构并不足以满足所有需求，
   因为它同时衹能执行最多一个程式（如果想要同时执行程式，
   只能使用ISR（中断处理常式）的方式来跳过OS而由程式自行处理多工的部分），
   且没有任何内存保护措施。对驱动程式的支援也不够完整，因此导致诸如音效装置必须由程式自行设置的状况，
   造成不相容的情况所在多有。某些操作的效能也是可怕地糟糕。
   许多应用程序因此跳过MS-DOS的服务程式，而直接存取硬件装置以取得较好的效能。
   虽然如此，但MS-DOS还是变成了IBM PC上面最常用的操作系统（IBM自己也有推出DOS，称为IBM-DOS或PC-DOS）。
   MS-DOS的成功使得微软成为地球上最赚钱的公司之一。
   而1980年代另一个崛起的操作系统异数是Mac OS，此操作系统紧紧与麦金塔电脑捆绑在一起。
   此时一位全录伯拉图实验室的员工Dominik Hagen访问了苹果电脑的史提夫·乔布斯，
   并且向他展示了此时全录发展的图形化用户界面。
   苹果电脑惊为天人，并打算向全录购买此技术，
   但因伯拉图实验室并非商业单位而是研究单位，因此全录回绝了这项买卖。
   在此之后苹果一致认为个人电脑的未来必定属于图形用户界面，因此也开始发展自己的图形化操作系统。
   现今许多我们认为是基本要件的图形化界面技术与规则，
   都是由苹果电脑打下的基础（例如下拉式选单、桌面图示、拖曳式操作与双点击等）。
   但正确来说，图形化用户界面的确是全录创始的。

3. 1990年代

   延续1980年代的竞争，1990年代出现了许多影响未来个人电脑市场深厚的操作系统。
   由于图形化用户界面日趋繁复，操作系统的能力也越来越复杂与巨大，
   因此强韧且具有弹性的操作系统就成了迫切的需求。
   此年代是许多套装类的个人电脑操作系统互相竞争的时代。
   上一年代于市场崛起的苹果电脑，由于旧系统的设计不良，使得其后继发展不力，
   苹果电脑决定重新设计操作系统。经过许多失败的专案后，
   苹果于1997年释出新操作系统——Mac OS X的测试版，而后推出的正式版取得了巨大的成功。
   让原先失意离开苹果的史提夫·乔布斯风光再现。
   除了商业主流的操作系统外，从1980年代起在开放源码的世界中，
   BSD系统也发展了非常久的一段时间，但在1990年代由于与AT&T的法律争端，
   使得远在芬兰赫尔辛基大学的另一股开源操作系统——Linux兴起。
   Linux内核是一个标准POSIX内核，其血缘可算是Unix家族的一支。
   Linux与BSD家族都搭配GNU计划所发展的应用程序，
   但是由于使用的许可证以及历史因素的作弄下，Linux取得了相当可观的开源操作系统市占率，
   而BSD则小得多。相较于MS-DOS的架构，
   Linux除了拥有傲人的可移植性（相较于Linux，MS-DOS衹能运行在Intel CPU上），
   它也是一个分时多行程内核，以及良好的内存空间管理（普通的行程不能存取内核区域的内存）。
   想要存取任何非自己的内存空间的行程衹能透过系统调用来达成。
   一般行程是处于用户态（User mode）底下，而执行系统呼叫时会被切换成内核态（Kernel mode），
   所有的特殊指令衹能在内核态执行，此措施让内核可以完美管理系统内部与外部装置，
   并且拒绝无权限的行程提出的请求。
   因此理论上任何应用程序执行时的错误，都不可能让系统崩溃。
   另一方面，微软对于更强力的操作系统呼声的回应便是Windows NT于1999年的面世。
   1983年开始微软就想要为MS-DOS建构一个图形化的操作系统应用程序，
   称为Windows（有人说这是比尔·盖茨被苹果的Lisa电脑上市所刺激）。
   一开始Windows并不是一个操作系统，只是一个应用程序，其背景还是纯MS-DOS系统，
   这是因为当时的BIOS设计以及MS-DOS的架构不甚良好之故。
   在1990年代初，微软与IBM的合作破裂，微软从OS/2（早期为命令列模式，
   后来成为一个很技术优秀但是曲高和寡的图形化操作系统）专案中抽身，
   并且在1993年7月27日推出Windows 3.1，一个以OS/2为基础的图形化操作系统。
   并在1995年8月15日推出Windows 95。
   直到这时，Windows系统依然是建立在MS-DOS的基础上，
   因此消费者莫不期待微软在2000年所推出的Windows 2000上，
   因为它才算是第一个脱离MS-DOS基础的图形化操作系统。
   底下的表格为Windows NT系统的架构：在硬件阶层之上，
   有一个由微内核直接接触的硬件抽象层（HAL），
   而不同的驱动程式以模组的形式挂载在内核上执行。
   因此微内核可以使用诸如输入输出、档案系统、网络、资讯安全机制与虚拟内存等功能。
   而系统服务层提供所有统一规格的函式呼叫库，可以统一所有副系统的实作方法。
   例如尽管POSIX与OS/2对于同一件服务的名称与呼叫方法差异甚大，
   它们一样可以无碍地实作于系统服务层上。
   在系统服务层之上的副系统，全都是用户态，因此可以避免用户程式执行非法行动。
   另一方面，微软对于更强力的操作系统呼声的回应便是Windows NT于1999年的面世。
   1983年开始微软就想要为MS-DOS建构一个图形化的操作系统应用程序，
   称为Windows（有人说这是比尔·盖茨被苹果的Lisa电脑上市所刺激）。
   一开始Windows并不是一个操作系统，只是一个应用程序，其背景还是纯MS-DOS系统，
   这是因为当时的BIOS设计以及MS-DOS的架构不甚良好之故。
   在1990年代初，微软与IBM的合作破裂，
   微软从OS/2（早期为命令列模式，后来成为一个很技术优秀但是曲高和寡的图形化操作系统）专案中抽身，
   并且在1993年7月27日推出Windows 3.1，一个以OS/2为基础的图形化操作系统。
   并在1995年8月15日推出Windows 95。直到这时，Windows系统依然是建立在MS-DOS的基础上，
   因此消费者莫不期待微软在2000年所推出的Windows 2000上，
   因为它才算是第一个脱离MS-DOS基础的图形化操作系统。
   底下的表格为Windows NT系统的架构：在硬件阶层之上，
   有一个由微内核直接接触的硬件抽象层（HAL），
   而不同的驱动程式以模组的形式挂载在内核上执行。
   因此微内核可以使用诸如输入输出、档案系统、网络、资讯安全机制与虚拟内存等功能。
   而系统服务层提供所有统一规格的函式呼叫库，可以统一所有副系统的实作方法。
   例如尽管POSIX与OS/2对于同一件服务的名称与呼叫方法差异甚大，
   它们一样可以无碍地实作于系统服务层上。
   在系统服务层之上的副系统，全都是用户态，因此可以避免用户程式执行非法行动。

4. 今日&未来
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