标准个人电脑的OS功能

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操作系统位于底层硬件与用户之间，是两者沟通的桥梁。用户可以通过操作系统的用户界面，输入命令。操作系统则对命令进行解释，驱动硬件设备，实现用户要求。以现代观点而言，一个标准个人电脑的OS应该提供以下的功能：

• 进程管理（Processing management）
• 记忆空间管理（Memory management）
• 文件系统（File system）
• 网络通讯（Networking）
• 安全机制（Security）
• 使用者界面（User interface）
• 驱动程序（Device drivers）

进程管理

不管是常驻程序或者应用程序，他们都以进程为标准执行单位。当年运用冯纽曼架构建造电脑时，每个中央处理器最多只能同时执行一个进程。早期的OS（例如DOS）也不允许任何程序打破这个限制，且DOS同时只有执行一个进程（虽然DOS自己宣称他们拥有终止并等待驻留（TSR）能力，可以部分且艰难地解决这问题）。现代的操作系统，即使只拥有一个CPU，也可以利用多进程（multitask）功能同时执行复数进程。进程管理指的是操作系统调整复数进程的功能。

由于大部分的电脑只包含一颗中央处理器，在单内核（Core）的情况下多进程只是简单迅速地切换各进程，让每个进程都能够执行，在多内核或多处理器的情况下，所有进程通过许多协同技术在各处理器或内核上转换。越多进程同时执行，每个进程能分配到的时间比率就越小。很多OS在遇到此问题时会出现诸如音效断续或鼠标跳格的情况（称做崩溃（Thrashing），一种OS只能不停执行自己的管理程序并耗尽系统资源的状态，其他使用者或硬件的程序皆无法执行）。进程管理通常实践了分时的概念，大部分的OS可以利用指定不同的特权等级（priority），为每个进程改变所占的分时比例。特权越高的进程，执行优先级越高，单位时间内占的比例也越高。交互式OS也提供某种程度的回馈机制，让直接与使用者交互的进程拥有较高的特权值。 除了进程管理之外，OS尚有担负起进程间通讯（IPC）、进程异常终止处理以及死结（Dead lock）侦测及处理等较为艰深的问题。

在进程之下尚有线程的问题，但是大部分的OS并不会处理线程所遭遇的问题，通常OS仅止于提供一组API让使用者自行操作或通过虚拟机器的管理机制控制线程之间的交互。

内存管理

根据帕金森定律：“你给程序再多内存，程序也会想尽办法耗光”，因此程序设计师通常希望系统给他无限量且无限快的内存。大部分的现代电脑内存架构都是阶层式的，最快且数量最少的寄存器为首，然后是高速缓存、内存以及最慢的磁盘储存设备。而OS的内存管理提供寻找可用的记忆空间、配置与释放记忆空间以及交换内存和低速储存设备的内含物……等功能。此类又被称做虚拟内存管理的功能大幅增加每个进程可获得的记忆空间（通常是4GB，既使实际上RAM的数量远少于这数目）。然而这也带来了微幅降低执行效率的缺点，严重时甚至也会导致进程崩溃。

内存管理的另一个重点活动就是借由CPU的帮助来管理虚拟位置。如果同时有许多进程储存于记忆设备上，操作系统必须防止它们互相干扰对方的内存内容（除非通过某些协议在可控制的范围下操作，并限制可存取的内存范围）。分割内存空间可以达成目标。每个进程只会看到整个内存空间（从0到内存空间的最大上限）被配置给它自己（当然，有些位置被OS保留而禁止存取）。CPU事先存了几个表以比对虚拟位置与实际内存位置，这种方法称为分页（paging）配置。

借由对每个进程产生分开独立的位置空间，OS也可以轻易地一次释放某进程所占据的所有内存。如果这个进程不释放内存，OS可以退出进程并将内存自动释放。

磁盘与文件系统

所谓的文件系统，通常指称管理磁盘数据的系统，可将数据以目录或文件的型式储存。每个文件系统都有自己的特殊格式与功能，例如日志管理或不需磁盘重整。

OS拥有许多种内置文件系统。例如Linux拥有非常广泛的内置文件系统，如ext2、ext3、ReiserFS、Reiser4、GFS、GFS2、OCFS、OCFS2、NILFS与Google文件系统。Linux也支持非本地文件系统，例如XFS、JFS、FAT家族与NTFS。另一方面，Windows能支持的文件系统只有FAT12、FAT16、FAT32与NTFS。NTFS系统是Windows上最可靠与最有效率的文件系统。其他的FAT家族都比NTFS老旧，且对于文件长度与分割磁盘能力都有很大限制，因此造成很多问题。而UNIX的文件系统多半是UFS，而UNIX中的一个分支Solaris最近则开始支持一种新式的ZFS 大部份上述的文件系统都有两种建置方法。系统可以以日志式（Journaling file system）或非日志式建置。日志式文件系统可以以较安全的手法执行系统回复。如果一个没有日志式建置的文件系统遇上突然的系统崩溃，导致数据建立在一半时停顿，则此系统需要特殊的文件系统检查工具才能撤消；日志式则可自动回复。微软的NTFS与Linux的ext3、reiserFS与JFS都是日志式文件系统。

每个文件系统都实作相似的目录／子目录架构，但在相似之下也有许多不同点。微软使用“\”符号以建立目录／子目录关系，且文件名称忽略其大小写差异；UNIX系统则是以“/”建立目录架构，且文件名称大小写有差异。

网络

许多现代的OS都具备操作主流网络通讯协议TCP/IP的能力。也就是说这样的操作系统可以进入网络世界，并且与其他系统分享诸如文件、打印机与扫描器等资源。

许多OS也支持多个过去网络启蒙时代的各路网络通讯协议，例如IBM建立的SNA、DEC在它所生产的系统所设置的DECnet架构与微软为Windows制作的特殊通讯协议。还有许多为了特殊功能而研发的通讯协议，例如可以在网络上提供文件存取功能的NFS系统。现今大量用于影音流（Streaming media）及游戏消息传送的UDP协议等。

安全

大多数OS都含有某种程度的信息安全机制。信息安全机制主要基于两大理念：

OS提供外界直接或间接存取数种资源的管道，例如本地端磁盘机的文件、受保护的特权系统调用（System call）、使用者的隐私数据与系统执行的程序所提供的服务。

OS有能力认证（Authorization）资源存取的请求。允许通过认证的请求并拒绝无法通过的非法请求，并将适当的权力授权（Authentication）给此请求。有些系统的认证机制仅简略地把资源分为特权或非特权，且每个请求都有独特的身份辨识号码，例如使用者名称。资源请求通常分成两大种类：

内部来源：通常是一个正在执行的程序发出的资源请求。在某些系统上，一个程序一旦可执行就可做任何事情（例如DOS时代的病毒），但通常OS会给程序一个识别代号，并且在此程序发出请求时，检查其代号与所需资源的存取权限关系。

外部来源：从非本地端电脑而来的资源请求，例如远程登入本机电脑或某些网络连接请求（FTP或HTTP）。为了识别这些外部请求，系统也许会对此请求提出认证要求。通常是请求输入使用者名称以及相对应的密码。系统有时也会应用诸如磁卡或生物识别数据的它种认证方法。在某些例子，例如网络通讯上，通常不需通过认证即可存取资源（例如匿名存取的FTP服务器或P2P服务）。 除了允许／拒绝形式的安全机制，一个高安全等级的系统也会提供记录选项，允许记录各种请求对资源存取的行为（例如“谁曾经读了这个文件？”）。

肇因于军方与商业组织将敏感数据记录在电脑上，安全机制在OS历史上是一个被长久关注与讨论的问题。美国国防部（DoD）便创立了《可信赖之计算机系统评鉴程序》（TCSEC），此手册确立了评鉴安全机制成效的基本原则。这对OS作者来说非常重要，因为TCSEC是用于评鉴、分类与选拔出用于处理、储存与获取敏感或机密数据的电脑系统的标准程序。

内部信息安全

内部信息安全可视为防止正在执行的程序任意存取系统资源的手段。大多OS让普通程序可直接操作电脑的CPU，所以产生了一些问题，例如怎样把可如OS一样处理事务、执行同样特殊指令的程序强迫停止，毕竟在此情境下，OS也只是另一个平起平坐的程序。为通用OS所生产的CPU通常于硬件层级上实践了一定程度的特殊指令保护概念。通常特权层级较低的程序想要执行某些特殊指令时会被阻断，例如直接存取像是硬盘之类的外部设备。因此，程序必须得经由询问OS，让OS执行特殊指令来存取磁盘。因此OS就有机会检查此程序的识别身份，并依此接受或拒绝它的请求。

在不支持特殊指令架构的硬件上，另一个也是唯一的保护方法，则是OS并不直接利用CPU执行使用者的程序，而是借由模拟一个CPU或提供一p-Code系统（伪代码执行机），像是Java一样让程序在虚拟机器上执行。

内部安全机制在多使用者电脑上特别重要：它允许每个系统使用者拥有自己个人的文件与目录，且其他使用者不能任意存取或删除。因为任何程序都可能绕过OS的监控，更有可能绕过侧录程序的监控，拥有强制力的内部安全机制在侧录启动时也非常重要。

外部信息安全

通常一个操作系统会为其他网络上的电脑或使用者提供（主持）各种服务。这些服务通常借由端口或OS网络地址后的数字存取点提供。通常此服务包括提供文件共享（NTFS）、打印共享、电子邮件、网页服务与文件传输协议（FTP）。 外部信息安全的最前线，是诸如防火墙等的硬件设备。在OS内部也常设置许多种类的软件防火墙。软件防火墙可设置接受或拒绝在OS上执行的服务与外界的连接。因此任何人都可以安装并执行某些不安全的网络服务，例如Telnet或FTP，并且设置除了某些自用通道之外阻挡其他所有连接，以达成防赌不良连接的机制。

使用者界面

今日大部分的OS都包含图形化使用者界面。有几类较旧的OS将图形化使用者界面与内核紧密结合，例如最早的Windows与Mac OS实作产品。此种手法可提供较快速的图形回应能力，且实作时不需切割模块因而较为省工，但是会有强烈副作用，例如图形系统崩溃将导致整个系统崩溃，例如死亡蓝屏幕。许多近代的OS已模块化，将图形界面的副系统与内核分开（已知Linux与Mac OS X原先就是如此设计，而某些扩充版本的Windows终于也采用此手法）。

许多OS允许使用者安装或创造任何他们喜欢的图形界面[7]。大部分的Unix与Unix派生系统（BSD、Linux与Minix）通常会安装X Window系统配合GNOME或KDE桌面环境。而某些OS就没有这么弹性的图形化使用者界面，例如Windows。这类的OS只能通过外加的程序来改变其图形化使用者界面，甚或根本只能改变诸如菜单风格或颜色配置等部分[来源请求]。

图形化使用者界面与时并进，例如Windows在每次新版本上市时就会将其图形化使用者界面改头换面，而Mac OS的GUI也在Mac OS X上市时出现重大转变。

驱动程序

所谓的驱动程序是指某类设计来与硬件交互的电脑软件。通常是一设计完善的设备交互接口，利用与此硬件连接的电脑汇排流或通讯子系统，提供对此设备下令与接收信息的功能；以及最终目的，将消息提供给OS或应用程序。驱动程序是针对特定硬件与特定OS设计的软件，通常以操作系统内核模块、应用软件包或普通电脑程序的形式在OS内核底下执行，以达到通透顺畅地与硬件交互的效果，且提供硬件在处理异步的时间依赖性接口（asynchronous time-dependent hardware interface）时所需的中断处理程序（Interrupt handler）。

设计驱动程序的主要目的在于操作抽象化，任何硬件模块，既使是同一类的设备，在硬件设计面上也有巨大差异。厂商推出的较新模块通常更可靠更有效率，控制方法也会有所不同。电脑与其OS每每不能预期那些现有与新设备的变异之处，因此无法知道其操作方法。为解决此问题OS通常会主动制订每种设备该有的操作方式，而驱动程序功能则是将那些OS制订的行为描述，转译为可让设备了解的自定义操作手法。

理论上适合的驱动程序一旦安装，相对应的新设备就可以无误地执行。此新驱动程序可以让此设备完美地切合在OS中，让使用者察觉不到这是OS原本没有的功能。

结构

操作系统理论研究者有时把操作系统分成四大部分：

驱动程序 - 最底层的、直接控制和监视各类硬件的部分，它们的职责是隐藏硬件的具体细节，并向其他部分提供一个抽象的、通用的接口。

内核 - 操作系统之最内核部分，通常运行在最高特权级，负责提供基础性、结构性的功能。

支承库 - （亦作“接口库”）是一系列特殊的程序库，它们指责在于把系统所提供的基本服务包装成应用程序所能够使用的编程接口（API），是最靠近应用程序的部分。例如，GNU C运行期库就属于此类，它把各种操作系统的内部编程接口包装成ANSI C和POSIX编程接口的形式。

外围 - 所谓外围，是指操作系统中除以上三类以外的所有其他部分，通常是用于提供特定高级服务的部件。例如，在微内核结构中，大部分系统服务，以及UNIX/Linux中各种守护进程都通常被划归此列。

当然，本节所提出的四部结构观也绝非放之四海皆准。例如，在早期的微软视窗操作系统中，各部分耦合程度很深，难以区分彼此。而在使用外核结构的操作系统中，则根本没有驱动程序的概念。因而，本节的讨论只适用于一般情况，具体特例需具体分析。

操作系统中四大部分的不同布局，也就形成了几种整体结构的分野。常见的结构包括：简单结构、层结构、微内核结构、垂直结构、和虚拟机结构。

分类

操作系统的分类没有一个单一的标准，可以根据工作方式分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等；根据架构可以分为单内核操作系统等；根据运行的环境，可以分为桌面操作系统，嵌入式操作系统等；根据指令的长度分为8bit, 16bit, 32bit, 64bit的操作系统。

内核结构

内核是操作系统最内核最基础的构件，因而，内核结构往往对操作系统的外部特性以及应用领域有着一定程度的影响。尽管随着理论和实践的不断演进，操作系统高层特性与内核结构之间的耦合有日趋缩小之势，但习惯上，内核结构仍然是操作系统分类之常用标准。

内核的结构可以分为单内核、微内核、超微内核、以及外核等。

单内核结构是操作系统中各内核部件杂然混居的形态，该结构于1960年代（亦有1950年代初之说，尚存争议），历史最长，是操作系统内核与外围分离时的最初形态。

微内核结构是1980年代产生出来的较新的内核结构，强调结构性部件与功能性部件的分离。20世纪末，基于微内核结构，理论界中又发展出了超微内核与外内核等多种结构。尽管自1980年代起，大部分理论研究都集中在以微内核为首的“新兴”结构之上，然而，在应用领域之中，以单内核结构为基础的操作系统却一直占据着主导地位。

在众多常用操作系统之中，除了QNX和基于Mach的UNIX等个别系统外，几乎全部采用单内核结构，例如大部分的Unix、Linux，以及Windows（微软声称Windows NT是基于改良的微内核架构的，尽管理论界对此存有异议）。 微内核和超微内核结构主要用于研究性操作系统，还有一些嵌入式系统使用外核。

基于单内核的操作系统通常有着较长的历史渊源。例如，绝大部分UNIX的家族史都可上溯至1960年代。该类操作系统多数有着相对古老的设计和实现（例如某些UNIX中存在着大量1970年代、1980年代的代码）。另外，往往在性能方面略优于同一应用领域中采用其他内核结构的操作系统（但通常认为此种性能优势不能完全归功于单内核结构）。

通用与专用、嵌入式

通用操作系统是面向一般没有特定应用需求的操作系统。由于没有特定的应用需求，通用操作系统为了适应更广泛的应用，需要支持更多的硬件与软件，需要针对所有的用户体验，对系统进行更新。通用操作系统是一个工程量繁重的操作系统。

实时与非实时

“实时操作系统”（Real Time OS）泛指所有据有一定实时资源调度以及通讯能力的操作系统。而所谓“实时”，不同语境中往往有着非常不同的意义。某些时候仅仅用作“高性能”的同义词。但在操作系统理论中“实时性”所指的通常是特定操作所消耗的时间（以及空间）的上限是可预知的。比如，如果说某个操作系统提供实时内存分配操作，那也就是说一个内存分配操作所用时间（及空间）无论如何也不会超出操作系统所承诺的上限。实时性在某些领域非常重要，比如在工业控制、医疗器材、影音频合成、以及军事领域，实时性都是无可或缺的特性。

常用实时操作系统有QNX、VxWorks、RTLinux等等，而Linux、多数UNIX、以及多数Windows家族成员等都属于非实时操作系统。操作系统整体的实时性通常依仗内核的实时能力，但有时也可在非实时内核上建立实时操作系统，很多在Windows上建立的实时操作系统就属于此类。

在POSIX标准中专有一系用于规范实时操作系统的API，其中包括POSIX.4、POSIX.4a、POSIX.4b（合称POSIX.4）以及POSIX.13等等。符合POSIX.4的操作系统通常被认可为实时操作系统（但实时操作系统并不需要符合POSIX.4标准）。

8位、16位、32位、64位

所谓8位、16位、32位、64位等术语有时指总线宽度，有时指指令宽度(在定长指令集中)，而在操作系统理论中主要是指内存寻址的宽度。如果内存的寻址宽度是16位，那么每一个内存地址可以用16个二进制位来表示，也就是说可以在64KB的范围内寻址。同样道理32位的宽度对应4GB的寻址范围，64位的宽度对应16 Exabyte的寻址范围。内存寻址范围并非仅仅是对操作系统而言的，其他类型的软件的设计有时也会被寻址范围而影响。但是在操作系统的设计与实现中，寻址范围却有着更为重要的意义。

在早期的16位操作系统中，由于64KB的寻址范围太小，大都都采用“段”加“线性地址”的二维平面地址空间的设计。分配内存时通常需要考虑“段置换”的问题，同时，应用程序所能够使用的地址空间也往往有比较小的上限。

在32位操作系统中，4GB的寻址范围对于一般应用程序来说是绰绰有余的，因而，通常使用一维的线性地址空间，而不使用“段”。

操作系统：在计算机存储器中安装的第一个软件系统，专门用于管理计算机硬件和其它软件，响应用户对硬件和软件的操作，在电脑上常见的有DOS、WINDOWS98/NT/2000/XP等。

相关条目

• 操作系统类型
• 操作系统功能
• 操作系统大全
• 操作系统历史
• 操作系统历史列表
• 标准个人电脑的OS功能

操作系统主要有以下几种：

　　Windows 　　Linux 　　MacOS 　　Unix 　　AIX 　　OS/2 　　Vista

参见

• 百度百科