信创之国产操作系统研究 （1）——操作系统概况

一直以来，操作系统是软件行业的核心，也是一个国家科研实力的体现。这些年在国家信创产业的扶持下，国产操作系统也得到了长远的发展，作为一个IT人，将自己这些年的一些资料的积累来做一个整理和分享，准备写一个系列，每天一部分。下图是一个国产信创的研究架构：

基于国产平台终端全栈架构

先从操作系统开始：

操作系统在软件技术体系中处于定海神针的重要位置。目前主流桌面操作系统主要有微软的Windows、苹果的 MacOS、各种 Linux 发行版和谷歌的Chrome OS 等；移动操作系统有苹果的 IOS、谷歌的 Android、微软的 WP 系统等；服务器操作系统主要有 Unix、Linux、Windows Server 和 Netware 等；云操作系统主要有 Windows 和 Linux 等。微软在桌面和服务器操作系统领域占据绝对领先地位，均占据了接近 90%的市场份额；全球移动操作系统领域中，谷歌Android 系统与苹果 IOS 系统呈现寡头垄断局面，谷歌安卓系统占 76.02%，苹果 iOS 占 22.91%，其余平台占比之和不超过 1%。主流操作系统已形成绝对优势市场占有率，生态壁垒极高，其他操作系统产业生态链发展难度较大，需要适配硬件 CPU、基础软件、应用软件等诸多环节。

国产操作系统是科技强国之国魂所系，生态建设任重道远。

国产操作系统在曲折中发展。当前，国产桌面与移动操作系统仍处于起步阶段，所占国内市场份额不足1%，总体生态建设不足，国内的操作系统正在以统一为发展方向。麒麟系操作系统整合，统信软件的成立，都是基于这一目标，麒麟系以政府领域为主，深度/UOS 以商用领域为主。，国移动操作系统已经度过企业独自提供完整解决方案的―冷启动‖阶段，进入―成长期‖——由合作伙 伴主导集成方案，开始有第三方主动参与开发应用。

操作系统的未来——全平台操作系统。

云计算、5G、AI等技术的发展对操作系统提出了新要求，统一全平台的操作系统需求与日俱增。万物互联时代，物联 操作系统作为核心软件的重要性日益凸显。国内已经有一批企业在该领域取得了突破， 如元心科技研发的物联 操作系统 SyberOS、浪潮集团研发的云操作系统云海 OS等。目前谷歌正在测试的 Fuchsia系统就是基于此理念，可以无缝兼容手机、平板和 PC，目前已开放源代码，谷歌计划在未来三年内使其取代 Android成为世界上最大的移动操作系统。而在国内，阿里推出的 AliOS也在 2018 年正式进军物联 ，目前主要在智能汽车与物联 领域发力。近期华为可能将推出的鸿蒙系统也针对 5G、物联 进行优化，已确定能兼容目前 Linux、Android与 Web应用，预计能够覆盖全平台，如果华为成功，有望构建一个苹果式的全平台操作系统

1. 操作系统概述

1.1 什么是操作系统？

1.1.1 计算机架构

操作系统是计算机系统组成中的重要部分，普通的 PC 计算机系统由下至上分为下述 4 个层次：硬件（提供基本的计算资源，包括了 CPU，内存，I/O 设备等）——操作系统——系统和应用程序——用户。

计算机架构

整体来说，硬件处于最底层，完全被操作系统所包裹。上层的系统和应用软件无法直接和硬件打交道， 用户也无法直接操纵硬件提供基本资源，因而必须通过操作系统调用硬件，对硬件实施管理。

Intel 的 CPU 将特权级别分为 4 个级别：RING0,RING1,RING2,RING3；Windows 只使用其中的两个级别 RING0 和 RING3。操作系统（内核）的代码运行在最高运行级别 ring0 上，可以使用特权指令，控制中断、修改页表、访问设备等等。

CPU分级

现代操作系统主要有多程序、多任务、分时系统的特性。任何一个用户程序的操作，都必须由 CPU 执行指令，I/O 作输入输出。两者缺一不可。

1.1.2 操作系统构件

从IT人角度看，操作系统是一大堆模块和它们之间的相互联系。通常把组成操作系统的基本单位称为构件，基本的操作系统构件有内核、进程、线程和管程等。其中，内核是作为可信软件来提供支持进程并发执行的基本功能和基本操作的一组程序模块，内核通常驻留在内核空间，运行于内核态，其具有访问硬件设备和所有主存空间的权限，是仅有的能执行特权指令的那部分程序。操作系统的内核结构可分为单一内核结构、层次结构和微内核结构。单一内核结构全部操作系统在内核态中以单一程序的方式运行；层次结构由单体系统理论优化而来；微内核结构将操作系统划分成小的、良好定义的模块，只有其中一个模块–微内核–运行在内核态上，其余的模块，由于功能相对弱些，则作为普通用户进程运行，实现操作系统的高可靠性。

1.1.13操作系统有以下五大管理功能

1） 设备管理：主要负责内核和外围设备的数据交互，实质是对硬件设备的管理，包括输入输出设备的分配、初始化、维护和回收等等。

2） 作业管理：负责人机交互、图形界面或系统任务的管理。

3） 文件管理：涉及文件的逻辑组织和物理组织、目录结构和管理等等。

4） 进程管理：说明一个进程存在的唯一标志是 PCB(进程控制块)，负责维护进程的信息和状态。进程管理的实质是系统采取某些进程调度算法来是处理合理的分配给每个任务使用。

5） 存储管理：数据的存储方式和组织结构。

1.2操作系统的发展

1.2.1 操作系统分类

操作系统的类型非常多样，不同机器安装的操作系统可以从简单到复杂，从物联 终端的嵌入式操作系统、手机上的移动操作系统到超级计算机的大型操作系统。有些操作系统集成了图形用户界面，而有些仅使用命令行界面。

目前市面上的桌面操作系统主要有微软的Windows、苹果的 MacOS、各种 Linux 发行版，谷歌的 Chrome OS；移动操作系统有苹果的 IOS、谷歌的 Android、微软的 WP 系统等；服务器操作系统主要分为四大流派：Unix、Linux、Windows Server 和 Netware；云操作系统也主要由 Windows 和 Linux 垄断，Linux 主要分为 Ubuntu 和 Centos 两类开源操作系统。

对于嵌入式操作系统来说，市场上还没有一款操作系统可以适合所有不同类型的嵌入式应用，商业嵌入式操作系统经历了 4 个发展阶段：RTOS kernel、RTOS、通用操作系统嵌入式化（如嵌入式 Linux 和嵌入式 Windows）和以 Android 为代表的面向应用的嵌入式操作系统。在大多数嵌入式操作系统的内核中，都会有一个实时操作系统（RTOS）。

物联 操作系统沿用了嵌入式操作系统中的技术，目前可以将该技术分为两种，一种是实时的，一种是通用型的。

1.2.2操作系统发展历史进程

操作系统发展于上世纪中叶，经过单道批处理系统、多道批处理系统、分时系统、实时系统等几个阶段， 发展出具有多种类型操作特征的通用操作系统。在此过程中，微软、苹果、谷歌等公司奠定了行业优势， 成功在操作系统市场占有一席之地。

Linux 发展史与国外主流发行版

Linux 是一种自由和开放源码的类 UNIX 操作系统，任何个人和机构都可以在遵循 GPL 的基础上自由地使用 Linux 的所有底层源代码，也可以自由地修改和再发布。

Linux 发行版指的就是通常所说的―Linux 操作系统‖，包括：Linux 内核，GNU 库和各种系统工具，命令行 Shell，图形界面底层的 X 窗口系统和上层的桌面环境等。

对比目前市占率最高的 Windows 系统，二者主要有以下区别：Windows 的学习和引用的门槛更高，但是现有资源支持更为广泛；Linux 则是基于 络，轻易获取最新资源。但 Linux 桌面分发版本过多，导致市场过于碎片化。且早年缺乏应用支持，常用软件和字体支持不足，目前已改善了许多，生态问题有所缓解。同时 API 和 ABI 稳定性不足。而在 Linux 的发展过程中，也受到了苹果 MacOS X 的冲击，导致市场份额收紧。

微软在 Linux 发展的前十年里，有效地打压了其市场的发展。目前 Linux主要集中在服务器市场。Linux 发行版也经常被作为超级计算机的操作系统来使用。在智能手机、平板电脑等移动设备方面，Linux 也得到重要发展，Android 操作系统就是基于 Linux 内核的。

国内的 Linux 系统发展始于上世纪末，随着上世纪 90 年代Linux 的诞生和开源运动的兴起，Linux 凭借着先天的开源优势成为国产操作系统开发的主流，绝大部分国产计算机操作系统是以 Linux 为基础进行二次开发的操作系统。Linux 内核有全世界程序员和国外巨头共同维护，本身就是比较先进的内核，在技术层面上也看不到革命性变革的可能性。因此，技术层面上没有推翻 Linux 内核，重写新内核的必要性，何况 Linux 还是开源的、免费的，有利于国产开发人员利用其进行研发。

Android 发展

目前 Android 系统占手机操作系统份额第一，国产的鸿蒙目前只有华为自己在使用，目前运行在国产手机上的系统几乎都是基于谷歌的 Android 操作系统。我国手机厂商份额前几名，即OPPO、VIVO 、小米等厂商都有其修改的 Android 系统。

Android 是一种基于 Linux 的自由及开放源代码的操作系统，由 Google（谷歌）公司和开放手机联盟领导及开发。虽然 Android 系统为开源免费的系统，但事实上能免费使用的仅有 AOSP 的系统源代码，而在 Android 上运行的谷歌的 GMS 服务是闭源且需要谷歌授权才能使用的。

依据 GMS，谷歌对 Android 手机给予不同程度的授权，把搭载 Android 系统的手机厂商分为三个级别，

1. 免费使用 Android 操作系统，但不内嵌 GMS；（多见于中国大陆出售的安卓手机）

2. 内嵌部分 GMS 服务，但手机不能打上谷歌的商标；

3. 内嵌所有的 GMS 服务，也可以使用谷歌商标。如果在 Android 手机中内置有谷歌 GMS 服务的话，是等同被谷歌官方认证过的产品。

目前在国外销售的 Android 手机几乎都依赖于 GMS 提供推送通知、用户数据云存储等服务。但国内用户不依赖于 GMS 服务，GMS 服务在我国不可用，GMS 提供的服务在我国都有相应的国产软件替代。

到这里操作系统的发展基本上就哔哔完了，下一部分就来唠唠国产操作系统的发展。