作業系統的基本概念

作業系統(OS, Operating System)是介於電腦硬體與應用軟體之間的程式，除了提供執行應用軟體的環境，還負責分配系統資源。作業系統中實際負責管理系統資源的是數個不同的處理程式，而負責協調與控制這些處理程式，並維持整個作業系統正常運作的程式叫做核心(kernel)或監督程式(supervisor program)。核心是作業系統中最重要的程式，在電腦完成開機後，核心會常駐於記憶體，像這種常駐於記憶體的程式稱為常駐程式(resident)，而在需要時才載入記憶體的程式則稱為非常駐程式(nonresident)。作業系統有以下三項主要的功能：

一、分配系統資源：
電腦經常會同時執行不同的程式或同時服務不同的使用者，這些程式或使用者就必須共同電腦的系統資源，而作業系統則必須扮演資源配置者的角色，負責協調與控制，將系統資源的分配與運用最佳化及公平化，進一步防止產生錯誤或不正確地使用電腦。
二、提供執行應用軟體的環境：
作業系統的重要功能之一是提供執行應用軟體的環境，以載入並執行應用軟體，做為應用軟體和電腦之間的橋樑，應用軟體無須瞭解如何驅動底層的硬體裝置，只要指定欲驅動的硬體裝置，作業系統就會代為驅動該裝置。
三、提供使用者介面：
使用者介面(user interface)是使用者和電腦硬體之間的橋樑，有時又稱為Shell。在過去，作業系統所提供的使用者介面是以命令列為主，使用者必須輸入指定的指令集，才能指揮電腦工作，如Unix、MS-Dos是屬於命令列使用者介面(command line user interface)。現在，作業系統所提供的使用者介面是以圖形化為主，如Windows、MacOS…等都屬於圖形化使用者介面(GUI, graphical user interface)。

作業系統的技術和膧腦硬體的發展息息相關，我們可以依照第一代到第四代電腦來做區分：
第一代電腦：由真空管所構成，並沒有作業系統的存在，必須以人工插卡的方式來進行工作。
第二代電腦：由電晶體所構成，輸入裝置是讀卡機，輸出裝置是打孔機，要執行工作，必須將程式、資料及控制訊息畫在固定格式的打孔卡片上，然後輸入電腦。這個時期的作業系統技術有單工系統、批次系統等。
第三代電腦：由積體電路(IC)所構成，電腦硬體大幅進步，這個時期所發展的作業系統技術有SPOOL、多元程式處理系統、分時系統等。
第四代電腦：採用超大型積體電路(VLSI)技術，微處理器的應用不侷限於電腦，還遍及家電或其它商業機器。這個時期的作業系統技術有多處理器系統、分散式系統、叢集式系統、即時系統、嵌入式系統、手持系統等。

批次系統
最早期的作業系統很簡單，就是將一個工作自動轉移到下一個工作，屬於單工系統(single task system)，一次只能服務一位使用者，為了提昇效率，電腦的操作人員留下各個使用者的工作，透過工作控制程式(job control program)將這些工作加以排序，把相同或類似的工作集中在一起，稱為一個批次(batch)，然後交給電腦分批執行，稱為批次處理(batch processing)，用來進行批次處理的作業系統則稱為批次系統(batch system)。

線上同時週邊處理(SPOOL)
線上同同週邊處理(SPOOL, simultaneous peripheral operation on line)是把磁碟當成共用裝置，將所有等待執行的工作暫存於磁碟，再由控制程式依序從磁碟中讀取等待執行的工作加以處理。SPOOL的優點是可以協調各個速度不同的週邊裝置。

多元程式處理
多元程式處理(multiprogramming)的目的是同時服務多位使用者或多個程式，致力於讓CPU一直保持忙碌的狀態，以提昇CPU的使用率。在多元程式處理系統中，記憶體內會同時存放著多個工作，當所執行的工作在存取速度較慢的輸入/輸出裝置時，便會將CPU切換到記憶體內其它需要執行的工作，等之前的工作結束存取輸入/輸出裝置後，就會重新得到CPU，繼續尚未完成的工作，這樣CPU就能一直保持忙碌的狀態，而不會閒置下來。

分時系統
分時處理(time-sharing)是一種特殊形式的多元程式處理，倘若系統需要同時服務多位使用者，那麼可以將CPU時間分割成許多小段，稱為時間配額(time slice)，輪流分配給各個使用者的工作，時間配額一到，無論目前的工作完成與否，都必須將CPU的使用權交給下一個工作，而尚未完成的工作再等CPU輪完一輪後又會回來，從中斷的地方繼續執行，這就是分時系統(time-sharing system)，又稱為多工系統(multitasking system)。

多處理器系統
相對於多數系統只有一個CPU，也就是單處理器系統(single processor system)，多處理器系統(multiprocessor system)則是擁有多個CPU的系統，這些CPU之間會緊密溝通，並共用匯流排、時脈、週邊裝置，甚至記憶體，又稱為平行系統(parallel system)或緊密耦合系統(tightly coupled system)。

分散式系統
網路的盛行造就了分散式系統(distributed system)的誕生，在分散式系統中，同一個工作可以拆成幾個部份，然後透過快速的網路連結指派給多部電腦分別執行，這些電腦或許位於不同的地點，之間透過Internet來聯繫。從使用者的觀點來看，他並不知道工作被分散到哪部電腦執行，所有分散的工作都是由分散式系統來執行。

叢集式系統
叢集式系統(clustered system)的特性類似多處理器系統，也是集合多個CPU一起完成工作，不過它們是由兩個或更多個別的系統集合而成，這些電腦會分享儲存裝置並經由區域網路連接在一起。