1.2.1 手工操作阶段（未配置操作系统）
1. 人工操作方式
早期阶段，用户将程序和数据穿孔在纸带或卡片上，装入输入设备后手动控制读入内存并启动程序运行。程序的装入、执行与结果输出等全过程均依赖人工操作。随着计算机硬件性能不断提升，人机速度之间的矛盾日益突出，系统资源利用率低下的问题也愈发严重。
手工操作阶段存在两个突出缺点：
- 用户独占全机，虽无资源竞争，但系统资源利用率极低；
- CPU长时间空闲，等待人工完成I/O操作，导致其计算能力未能充分发挥。
为此，人们提出用高速设备替代人工操作，来控制作业流程。
2. 脱机I/O方式
为缓解人机速度不匹配以及CPU与外设之间的速度差异，诞生了脱机I/O技术。其核心思想是引入一台外围机（如小型专用计算机），在CPU不参与的情况下，预先完成I/O准备工作：输入时，外围机将纸带或卡片上的程序和数据读入磁带，供CPU后续调入内存；输出时，CPU将结果先写入磁带，再由外围机将磁带内容输出至外设。
由于I/O操作完全由外围机独立完成，脱离了主机的直接控制，故称为脱机I/O；相比之下，由主机直接管理I/O设备的方式则称为联机I/O。
脱机I/O的主要优点包括：
- 装带、卸带及数据传输等操作在脱机状态下由外围机完成，显著减少了CPU空闲时间；
- CPU可直接从高速磁带读取或写入数据，大幅提升了I/O效率。
1.2.2 批处理阶段（操作系统开始出现）
在脱机I/O技术的基础上，为实现作业的自动连续处理并进一步提升CPU与系统资源的利用率，批处理系统应运而生。按发展历程，可分为单道批处理系统和多道批处理系统。
1. 单道批处理系统
为实现对作业的连续处理，系统先将一批作业以脱机方式输入到磁带，并配备一个监督程序(Monitor)。在其控制下，作业能自动、顺序地逐个运行。尽管作业成批提交，但内存中始终仅驻留一道用户程序。单道批处理系统的主要特征如下：
自动性。在正常情况下，磁带上的作业可自动连续执行，无须人工干预。顺序性。作业按磁带上的顺序依次装入内存，先装入者先完成。单道性。内存中仅允许一道用户程序运行；监督程序每次仅从磁带调入一道作业，待其完成或异常终止后才装入下一道。
然而，该系统存在明显局限：当正在运行的作业发起I/O请求时，高速CPU不得不空闲等待低速I/O操作结束，导致资源利用率低下。为克服这一瓶颈，多道程序设计技术被引入。
2. 多道批处理系统
用户提交的作业首先存放在外存的后备队列中。作业调度程序按一定算法从该队列中选取若干作业调入内存，使其在管理程序的控制下并发执行，并共享系统资源。当某道程序因I/O请求而暂停运行时，CPU立即切换至另一就绪程序继续执行。该机制依赖中断技术，使系统各部件尽可能保持忙碌，从而显著提升整体吞吐量和资源利用率。这种采用多道程序设计技术的批处理系统称为多道批处理系统，它将用户作业成批送入内存，由作业调度程序自动选择运行。
多道程序设计具有以下核心特点：
多道。内存中同时驻留多道相互独立的程序。宏观上并行。多道程序均处于运行过程中，但尚未全部完成。微观上串行。各程序轮流占用CPU，交替执行。
为实现多道程序设计，需解决以下关键问题：
- 处理器的分配策略。
- 多道程序的内存分配与保护机制。
- I/O设备的分配与调度方法。
- 大量程序与数据的组织、存储方式，以及安全性与一致性保障。
优点：资源利用率高，多道程序共享CPU、内存、I/O设备等资源；系统吞吐量大，各部件保持高负载状态。缺点：缺乏交互能力，用户无法了解程序运行状态或进行干预，响应时间较长。
1.2.3 分时操作系统
分时技术是指将处理器时间划分为很短的时间片，轮流分配给各用户程序使用。若某程序在其时间片内未完成计算，则暂停运行，释放处理器给其他用户程序，待下一轮再继续执行。由于计算机运行速度极快，程序轮转迅速，每个用户均能获得“独占计算机”的交互体验。
分时操作系统允许多个用户通过终端同时连接到一台主机，并与系统进行交互，彼此互不干扰。其实现的核心在于：当用户在终端输入命令时，系统必须能够及时接收、快速处理并立即返回结果。分时操作系统基于多道程序设计，但与多道批处理系统有本质区别：后者追求高吞吐量和资源利用率，无须人工干预；而前者以人机交互为核心目标，由此形成了以下主要特征。
同时性（多路性）。允许多个终端用户同时使用同一台计算机。交互性。用户可通过终端以人机对话方式直接控制程序运行，并与其程序进行交互。独立性。各用户的操作相互隔离，任一用户均感觉系统为其独占。及时性。用户请求能在较短时间内获得响应，满足交互需求。
尽管分时操作系统较好地解决了通用交互问题，但在某些特定场景，系统必须在严格限定的时间内对外部事件做出响应，且需保证响应的确定性与时限性。为此，实时操作系统应运而生。
1.2.4 实时操作系统
实时操作系统是为在严格的时间限制内完成关键任务而设计的系统。它摒弃了分时操作系统的时间片轮转机制，转而采用基于任务紧迫性或截止时间的调度策略，确保高优先级任务能够及时获得处理器资源。根据时限要求的严格程度，实时操作系统可分为两类：
硬实时操作系统：要求任务必须在规定的截止时间前完成，否则可能引发灾难性后果。例如飞机的控制系统、导弹的制导系统等，这类系统必须提供绝对可靠的时间保证；软实时操作系统：允许偶尔错过截止时间，只要不造成永久性损害即可。例如飞机订票系统、银行管理系统等，其短暂延迟通常可被容忍。
在实时操作系统的控制下，计算机在接收到外部事件后，能够在可预测且有保障的时限内完成处理。其主要特点包括：确定性（响应时间可预测）、高可靠性和强时效性。
1.2.5 网络操作系统和分布式系统
网络操作系统是在单机操作系统基础上扩展网络功能而形成的系统，主要用于支持计算机之间的通信、数据传输以及资源共享（如文件、打印机共享等）。在该系统中，各计算机保持独立运行，用户需显式指定远程资源的位置才能访问，系统不提供统一的全局视图。
分布式系统是由多台计算机组成的集合，具有以下特征：节点地位对等，无固定的主从关系；系统资源可被所有用户透明地共享；具备良好的可扩展性与容错能力，支持动态重组；能够将一个任务分解为多个子任务，并分布到不同节点上并行执行、协同完成。用于管理此类系统的操作系统称为分布式操作系统，其核心特点包括分布性、并行性和透明性。其中，透明性尤为关键，用户无须感知底层的多机结构，操作体验如同使用一台计算机。
二者的区别在于：网络操作系统仅实现资源共享与通信功能，用户需主动干预远程操作；而分布式操作系统通过协同机制，使多台计算机共同完成同一任务，并向用户提供单一系统映像。
1.2.6 微机操作系统
微机操作系统是为微型计算机（如个人计算机、工作站等）设计的操作系统，广泛应用于日常计算与办公环境。根据用户数量和任务并发能力，可分为以下三类。
1. 单用户单任务操作系统
仅允许一个用户登录并运行一个程序。这类系统结构简单，但资源利用率低，典型代表为早期的MS-DOS(16位)。
2. 单用户多任务操作系统
支持一个用户同时运行多个应用程序，系统通过时间片轮转实现任务切换，显著提升了交互体验与资源利用率。代表性系统包括Windows XP及后续版本、macOS以及现代Linux 桌面版。此类系统是当前主流的微机操作系统，兼具良好的人机交互性、高效率与稳定性。
3. 多用户多任务操作系统
允许多个用户通过终端或网络同时登录，各自并发执行多个任务，资源共享且互不干扰。常用于服务器或高性能工作站，典型代表为UNIX、Linux服务器版和Windows Server系列。
此外，还有嵌入式操作系统、服务器操作系统、智能手机操作系统等。