各類操作系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)完全解析
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操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成中的重要部分，普通的 PC 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由下至上分為下述 4 個(gè)層次：硬件（提供基本的計(jì)算資源，包括了 CPU，內(nèi)存，I/O 設(shè)備等）操作系統(tǒng)、系統(tǒng)和應(yīng)用程序、用戶。整體來(lái)說(shuō)，硬件處于最底層，完全被操作系統(tǒng)所包裹。上層的系統(tǒng)和應(yīng)用軟件無(wú)法直接和硬件打交道，用戶也無(wú)法直接操縱硬件提供基本資源，因而必須通過(guò)操作系統(tǒng)調(diào)用硬件，對(duì)硬件實(shí)施管理。
Intel 的 CPU 將特權(quán)級(jí)別分為 4 個(gè)級(jí)別：RING0、RING1、RING2、RING3；Windows 只使用其中的兩個(gè)級(jí)別 RING0 和 RING3。操作系統(tǒng)（內(nèi)核）的代碼運(yùn)行在最高運(yùn)行級(jí)別 ring0 上，可以使用特權(quán)指令，控制中斷、修改頁(yè)表、訪問(wèn)設(shè)備等等。
現(xiàn)代操作系統(tǒng)主要有多程序、多任務(wù)、分時(shí)系統(tǒng)的特性。任何一個(gè)用戶程序的操作，都必須由 CPU 執(zhí)行指令，I/O 作輸入輸出。兩者缺一不可。
從設(shè)計(jì)人員角度看，操作系統(tǒng)是一大堆模塊和它們之間的相互聯(lián)系。通常把組成操作系統(tǒng)的基本單位稱為構(gòu)件，基本的操作系統(tǒng)構(gòu)件有內(nèi)核、進(jìn)程、線程和管程等。其中，內(nèi)核是作為可信軟件來(lái)提供支持進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的基本功能和基本操作的一組程序模塊，內(nèi)核通常駐留在內(nèi)核空間，運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)，其具有訪問(wèn)硬件設(shè)備和所有主存空間的權(quán)限，是僅有的能執(zhí)行特權(quán)指令的那部分程序。操作系統(tǒng)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)可分為單一內(nèi)核結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。
單一內(nèi)核結(jié)構(gòu)全部操作系統(tǒng)在內(nèi)核態(tài)中以單一程序的方式運(yùn)行；層次結(jié)構(gòu)由單體系統(tǒng)理論優(yōu)化而來(lái)；微內(nèi)核結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)劃分成小的、良好定義的模塊，只有其中一個(gè)模塊–微內(nèi)核–運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)上，其余的模塊，由于功能相對(duì)弱些，則作為普通用戶進(jìn)程運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的高可靠性。
1）設(shè)備管理：主要負(fù)責(zé)內(nèi)核和外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，實(shí)質(zhì)是對(duì)硬件設(shè)備的管理，包括輸入輸出設(shè)備的分配、初始化、維護(hù)和回收等等。
2）作業(yè)管理：負(fù)責(zé)人機(jī)交互、圖形界面或系統(tǒng)任務(wù)的管理。
3）文件管理：涉及文件的邏輯組織和物理組織、目錄結(jié)構(gòu)和管理等等。
4）進(jìn)程管理：說(shuō)明一個(gè)進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志是 PCB(進(jìn)程控制塊)，負(fù)責(zé)維護(hù)進(jìn)程的信息和狀態(tài)。進(jìn)程管理的實(shí)質(zhì)是系統(tǒng)采取某些進(jìn)程調(diào)度算法來(lái)是處理合理的分配給每個(gè)任務(wù)使用。
5）存儲(chǔ)管理：數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式和組織結(jié)構(gòu)。
操作系統(tǒng)的類型非常多樣，不同機(jī)器安裝的操作系統(tǒng)可以從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從物聯(lián)網(wǎng)終端的嵌入式操作系統(tǒng)、手機(jī)上的移動(dòng)操作系統(tǒng)到超級(jí)計(jì)算機(jī)的大型操作系統(tǒng)。有些操作系統(tǒng)集成了圖形用戶界面，而有些僅使用命令行界面。
目前市面上的桌面操作系統(tǒng)主要有微軟的 Windows、蘋(píng)果的 MacOS、各種 Linux發(fā)行版，谷歌的 Chrome OS；移動(dòng)操作系統(tǒng)有蘋(píng)果的 IOS、谷歌的 Android、微軟的 WP 系統(tǒng)等；服務(wù)器操作系統(tǒng)主要分為四大流派：Unix、Linux、Windows Server 和 Netware；云操作系統(tǒng)也主要由 Windows 和 Linux 壟斷，Linux主要分為 Ubuntu 和 Centos 兩類開(kāi)源操作系統(tǒng)。
對(duì)于嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)上還沒(méi)有一款操作系統(tǒng)可以適合所有不同類型的嵌入式應(yīng)用，商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)經(jīng)歷了 4 個(gè)發(fā)展階段：RTOS kernel、RTOS、通用操作系統(tǒng)嵌入式化（如嵌入式 Linux 和嵌入式 Windows）和以 Android 為代表的面向應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)。在大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核中，都會(huì)有一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)沿用了嵌入式操作系統(tǒng)中的技術(shù)，目前可以將該技術(shù)分為兩種，一種是實(shí)時(shí)的，一種是通用型的。
我國(guó)桌面操作系統(tǒng)市場(chǎng)主要由微軟公司的 Windows 系統(tǒng)占據(jù)。根據(jù) Statcounter 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至 2019年4月，Windows系統(tǒng)在我國(guó)桌面操作系統(tǒng)份額中高踞90%。移動(dòng)操作系統(tǒng)領(lǐng)域則主要是谷歌的 Android（占比 75%左右）和蘋(píng)果的 IOS（占比 25%左右）瓜分市場(chǎng)。
操作系統(tǒng)發(fā)展于上世紀(jì)中葉，經(jīng)過(guò)單道批處理系統(tǒng)、多道批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)等幾個(gè)階段，發(fā)展出具有多種類型操作特征的通用操作系統(tǒng)。在此過(guò)程中，微軟、蘋(píng)果、谷歌等公司奠定了行業(yè)優(yōu)勢(shì)，成功在操作系統(tǒng)市場(chǎng)占有一席之地。
Linux 是一種自由和開(kāi)放源碼的類 UNIX 操作系統(tǒng)，任何個(gè)人和機(jī)構(gòu)都可以在遵循 GPL 的基礎(chǔ)上自由地使用 Linux 的所有底層源代碼，也可以自由地修改和再發(fā)布。Linux 發(fā)行版指的就是通常所說(shuō)的―Linux 操作系統(tǒng)‖，包括：Linux 內(nèi)核，GNU 庫(kù)和各種系統(tǒng)工具，命令行 Shell，圖形界面底層的 X 窗口系統(tǒng)和上層的桌面環(huán)境等。
對(duì)比目前市占率最高的 Windows 系統(tǒng)，二者主要有以下區(qū)別：Windows 的學(xué)習(xí)和引用的門(mén)檻更高，但是現(xiàn)有資源支持更為廣泛；Linux 則是基于網(wǎng)絡(luò)，輕易獲取最新資源。但 Linux 桌面分發(fā)版本過(guò)多，導(dǎo)致市場(chǎng)過(guò)于碎片化。且早年缺乏應(yīng)用支持，常用軟件和字體支持不足，目前已改善了許多，生態(tài)問(wèn)題有所緩解。同時(shí) API 和 ABI 穩(wěn)定性不足。而在 Linux 的發(fā)展過(guò)程中，也受到了蘋(píng)果 MacOS X 的沖擊，導(dǎo)致市場(chǎng)份額收緊。
微軟在 Linux 發(fā)展的前十年里，有效地打壓了其市場(chǎng)的發(fā)展。目前 Linux 份額較高的市場(chǎng)主要集中在服務(wù)器市場(chǎng)。Linux 發(fā)行版也經(jīng)常被作為超級(jí)計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)來(lái)使用。在智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備方面，Linux 也得到重要發(fā)展，Android 操作系統(tǒng)就是基于 Linux 內(nèi)核的。
我國(guó)的 Linux 系統(tǒng)發(fā)展始于上世紀(jì)末，隨著上世紀(jì) 90 年代 Linux 的誕生和開(kāi)源運(yùn)動(dòng)的興起，Linux 憑借著先天的開(kāi)源優(yōu)勢(shì)成為國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主流，絕大部分國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)是以 Linux 為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)。Linux 內(nèi)核有全世界程序員和國(guó)外巨頭共同維護(hù)，本身就是比較先進(jìn)的內(nèi)核，在技術(shù)層面上也看不到革命性變革的可能性。因此，技術(shù)層面上沒(méi)有推翻 Linux 內(nèi)核，重寫(xiě)新內(nèi)核的必要性，何況 Linux 還是開(kāi)源的、免費(fèi)的，有利于國(guó)產(chǎn)開(kāi)發(fā)人員利用其進(jìn)行研發(fā)。
目前 Android 系統(tǒng)占手機(jī)操作系統(tǒng)份額第一，Statcounter 的數(shù)據(jù)顯示，截至 2019 年 6 月，全球移動(dòng)端操作系統(tǒng)中，谷歌安卓系統(tǒng)占 76.02%，蘋(píng)果 iOS 占 22.91%，其余平臺(tái)占比之和不超過(guò) 1%。目前運(yùn)行在國(guó)產(chǎn)手機(jī)上的系統(tǒng)幾乎都是基于谷歌的 Android 操作系統(tǒng)。我國(guó)手機(jī)廠商份額前幾名，即華為、OPPO、VIVO 、小米等廠商都有其修改的 Android 系統(tǒng)。
Android 是一種基于 Linux 的自由及開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)，由 Google（谷歌）公司和開(kāi)放手機(jī)聯(lián)盟領(lǐng)導(dǎo)及開(kāi)發(fā)。雖然 Android 系統(tǒng)為開(kāi)源免費(fèi)的系統(tǒng)，但事實(shí)上能免費(fèi)使用的僅有 AOSP 的系統(tǒng)源代碼，而在 Android 上運(yùn)行的谷歌的 GMS 服務(wù)是閉源且需要谷歌授權(quán)才能使用的。依據(jù) GMS，谷歌對(duì) Android 手機(jī)給予不同程度的授權(quán)，把搭載 Android 系統(tǒng)的手機(jī)廠商分為三個(gè)級(jí)別：
1.免費(fèi)使用 Android 操作系統(tǒng)，但不內(nèi)嵌 GMS；（多見(jiàn)于中國(guó)大陸出售的安卓手機(jī)）
2.內(nèi)嵌部分 GMS 服務(wù)，但手機(jī)不能打上谷歌的商標(biāo)；
3.內(nèi)嵌所有的 GMS 服務(wù)，也可以使用谷歌商標(biāo)。如果在 Android 手機(jī)中內(nèi)置有谷歌 GMS 服務(wù)的話，是等同被谷歌官方認(rèn)證過(guò)的產(chǎn)品。
目前在國(guó)外銷售的 Android 手機(jī)幾乎都依賴于 GMS 提供推送通知、用戶數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)等服務(wù)。但國(guó)內(nèi)用戶不依賴于 GMS 服務(wù)，GMS 服務(wù)在我國(guó)不可用，GMS 提供的服務(wù)在我國(guó)都有相應(yīng)的國(guó)產(chǎn)軟件替代。
無(wú)論是 Android 還是 Linux 都是成熟的操作系統(tǒng)，即便是在專門(mén)的嵌入式和移動(dòng)應(yīng)用環(huán)境中，它們也都能運(yùn)行現(xiàn)成的中間件和打包應(yīng)用程序。然而，這兩個(gè)開(kāi)源的操作系統(tǒng)從軟件堆棧的底層到頂層的開(kāi)發(fā)、集成和托管方式都不一樣，而這些都影響著如何以及在何處找到最好的部署方案。
操作系統(tǒng)可細(xì)分為移動(dòng)操作系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)、桌面操作系統(tǒng)、服務(wù)器操作系統(tǒng)、云操作系統(tǒng)等領(lǐng)域，各細(xì)分領(lǐng)域均有其相對(duì)應(yīng)的代表性企業(yè)。
1）內(nèi)核不統(tǒng)一，軟硬件無(wú)法自由搭配，應(yīng)用適配困難，工程化能力不高。
2）整體性能不佳，作業(yè)碎片化、同質(zhì)化，缺乏上下游聯(lián)動(dòng)。
3）產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，產(chǎn)業(yè)鏈供給上存在外設(shè)驅(qū)動(dòng)，及常用工具軟件、行業(yè)應(yīng)用軟件等關(guān)鍵軟件缺失問(wèn)題。
4）面向云計(jì)算、工業(yè)控制、智能制造等新技術(shù)的創(chuàng)新能力不足，無(wú)法保證長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展。
5）操作系統(tǒng)廠商從業(yè)人員相對(duì)較少，力量分散，專業(yè)化水平不足。
服務(wù)器操作系統(tǒng)其實(shí)也是我們常說(shuō)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，和個(gè)人的版本相比，服務(wù)器操作系統(tǒng)還要具有額外的管理、配置、穩(wěn)定、安全等功能。目前的操作系統(tǒng)一共有四大派，分別是 windows、unix、linux、netware。
物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的發(fā)展都離不開(kāi)嵌入式系統(tǒng)，而嵌入式操作系統(tǒng)又是其中不容忽視的重要部分，工程師對(duì)其要求也由過(guò)去的簡(jiǎn)單易用上升到既要簡(jiǎn)單易用又安全可靠。目前，市場(chǎng)上還沒(méi)有一款操作系統(tǒng)可以適合所有不同類型的嵌入式應(yīng)用，商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)經(jīng)歷了 4 個(gè)發(fā)展階段：RTOS kernel、RTOS、通用操作系統(tǒng)嵌入式化（如嵌入式 Linux 和嵌入式 Windows）和以 Android 為代表的面向應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)。在大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核中，都會(huì)有一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。
本系列文章重點(diǎn)分析操作系統(tǒng)技術(shù)，從操作系統(tǒng)概述、架構(gòu)，到服務(wù)器操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)、云操作系統(tǒng)，乃至巨頭通用操作系統(tǒng)進(jìn)行全面剖析。由于篇幅所限，內(nèi)容分為多個(gè)專題介紹。
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