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DOS

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DOS画面
DOS画面

DOS,是磁盘操作系统(英文:Disk Operating System)的缩写,是个人计算机上的一类操作系统。从1981年直到1995年的15年间,DOS在IBM PC兼容机市场中占有举足轻重的地位。而且,若是把部分以DOS为基础的Microsoft Windows版本,如Windows 9598Me等都算进去的话,那么其商业寿命至少可以算到2000年。

DOS家族包括MS-DOSPC-DOSDR-DOSFreeDOSPTS-DOS英语PTS-DOSROM-DOS英语ROM-DOS、JM-OS等,其中以MS-DOS最为著名。虽然这些系统常被简称为"DOS",但没有任何一个系统单纯以"DOS"命名(只有一个毫无关连的1960年代IBM大型主机操作系统英语DOS/360以此命名)。此外,有几个和DOS无关、在非x86的微计算机系统上运行的磁盘操作系统在名称中也有"DOS"字眼,而且在专门讨论该机器的场合中也会简称为"DOS"(例如:AmigaDOS英语AmigaDOSAMSDOS英语AMSDOSANDOS英语ANDOSApple DOSAtari DOS英语Atari DOSCommodore DOS英语Commodore DOSCSI-DOS英语CSI-DOSProDOSTRS-DOS英语TRS-DOS等),但这些系统和DOS可执行文件以及MS-DOS API并不兼容。

设计架构

放于IBM原装软盘驱动器的DOS 5.25吋系统引导磁片
放于IBM原装软盘驱动器的DOS 5.25吋系统引导磁片

所有DOS类的操作系统都是在使用Intel x86或其兼容CPU的机器上运行的(主要是IBM PC及其兼容机)。最早的时候,DOS并未受限于此;为了在许多以x86为基础,但和IBM PC不兼容的机器上运行,产生了不少特定机器版本的DOS及类似的操作系统。[1]

DOS是单一用户、单工的操作系统,拥有不可重入的基本核心函数(意即同时间只能有一个程序调用这些函数)。有一个例外的状况,就是常驻程序(Terminate and Stay Resident,缩写为TSR)。某些常驻程序允许用户多任务操作;然而此时仍有“核心不可重入”的问题:当一个进程(process)调用了操作系统核心中的服务函数(也就是系统调用)时,在这个调用结束之前,其他的进程绝对不能进行系统调用、打断第一个进程。[2]

DOS的核心为用户程序提供了各式各样的函数,例如:在屏幕上显示文字、从键盘读入字符、访问磁盘上的文件等等。

脚本语言

DOS透过批处理文件扩展名.BAT)提供界面脚本的功能。这些文件是纯文本格式的,可以用任何的文本编辑器(像是edit.com)编辑。他们运行起来和编译而成的程序没有两样。文件中的每一行都被视为命令来运行。批处理文件也可以使用数个内部命令,例如goto条件表达式[3]

硬件访问

DOS提供了简单的硬件抽象层,让程序员可以开发文字界面的应用程序;但这个硬件抽象层无法访问大部分的电脑硬件,像是显卡打印机,或是滑鼠等。这使得程序员必须直接访问硬件,导致每个应用程序都有属于自己的一组硬件周边驱动程序。硬件制造商会将他们的硬件规格书发布,以确保在受欢迎的应用程序中有它们的驱动程序。[4]

设备保留名称

在DOS中,有数个名称保留给设备使用,无法拿来当一般文件的名称(不管扩展名是什么);这些保留名称是用来将应用程序的输出发送给硬件周边用的。这样的限制也影响到数个版本的Windows,在某些情况下甚至会造成死机和安全性弱点。[5]

其中一些保留名称有:NUL:COM1:AUX:COM2:COM3:COM4:CON:LPT1:PRN:LPT2:LPT3:,以及CLOCK$[6]

磁盘命名法

在DOS中,磁盘驱动器是利用不同的字母命名的。标准的作法是保留"A"和"B"给软盘驱动器。若是系统只有一台软盘驱动器的话,DOS允许这台软盘驱动器同时使用这两个代号,然后DOS会要求用户更换磁片。这么做可以让用户把文件拷贝到不同的软盘上,或是运行某一片软盘上的程序,然后把资料文件存放在另一片软盘上。最早硬盘的代号为"C"和"D"。在一台硬盘驱动器上,DOS只允许一个活动分区的存在。随着支持的硬盘数量越来越多,磁盘代号的命名方法演变为:先将磁盘代号指派给每一颗硬盘驱动器的活动主分区,然后第二轮将代号指派给延伸分区中的逻辑卷,第三轮再把代号指定给非活动的主分区。(前题是:它们存在,而且包含了DOS可以读取的文件系统。)最后,DOS才将代号指派给光盘驱动器RAM disk,以及其他的硬件。一般来说,磁盘代号都是依照驱动程序的加载顺序,按字母顺序指派的,但驱动程序也可以要求DOS指派不同的字母。例如网络磁盘驱动器的驱动程序通常会指派最后的几个字母。[7]

因为DOS的应用程序会直接使用这些磁盘代号(和Unix类系统使用/dev目录的方法不同),因此若是新增了需要分配磁盘代号的硬件,可能会导致这些应用程序出错。举例来说:若是原本硬盘中的延伸分区中存在逻辑卷,此时新增一颗有主分区的硬盘的话,由于主分区拥有较高的分配优先权,所以原本硬盘的逻辑卷的代号就会改变。此外,就算是新增一颗只有延伸分区和逻辑卷的硬盘,还是会影响到RAM disk及光盘驱动器的代号。这个问题一直到9x系列的Windows都仍然存在;NT系列才有解决方案:磁盘代号会保留给已存在的磁盘驱动器机,除非用户手动更改。[7]

引导流程

PC兼容机的引导扇区(MBR)位于第 0 扇区。对于DOS来说,这段代码会将DOS的HAL读入存储器中然后运行。在DR DOS及PC DOS中,这个HAL放在IBMBIO.COM英语IBMBIO.COM文件中;而MS DOS则是放在IO.SYS英语IO.SYS。接下来这个HAL会加载位于IBMDOS.COM英语IBMDOS.COM(PC DOS或DR DOS)或是MSDOS.SYS英语MSDOS.SYS(MS DOS)里面的DOS内核。Windows 9x中附的DOS版本(MS DOS 7和8)将HAL和核心合并放在IO.SYS里面,而MSDOS.SYS则是文字格式的配置文件案。然后DOS核心会去运行CONFIG.SYS英语CONFIG.SYS这个文件。在CONFIG.SYS中,SHELL这个命令指定了SHELL的文件位置(通常是COMMAND.COM)。接下来这个SHELL会被运行,然后它会去开启开机启动项(通常是AUTOEXEC.BAT[8]

历史

MS-DOS(以及经授权更换商标而成的IBM PC-DOS)以及它的前身86-DOS是受到Digital Research公司的CP/MControl Program / (for) Microcomputers)启发而完成的。CP/M是当时使用Intel 8080Zilog英语Zilog Z80这两颗8位CPU的微计算机上最受欢迎的磁盘操作系统。

在1980年的时候,IBM使用Intel 8088微处理器,开发出了他们的第一台微计算机。他们需要一套能够在这台微计算机上使用的操作系统。IBM在找一套能和Intel 8088 (1979-1982)兼容的CP/M,一开始找上了微软的首席执行官比尔·盖茨(可能是因为当时微软开发出了让CP/M可以在Apple II上运行的Z-80 SoftCard英语Z-80 SoftCard,所以IBM相信微软拥有CP/M[9])。IBM被转介到Digital Research,并且举行了相关的会议。然而,关于CP/M的使用权的初次谈判破裂了—因为Digital Research希望以权利金的方式贩售CP/M,但IBM希望单一授权,并且将名称改为"PC-DOS"DR的创始人Gary Kildall英语Gary Kildall拒绝签约,IBM因此放弃购买CP/M[9][10]

IBM再次找上比尔·盖茨。盖茨转而找上了Seattle Computer Products英语Seattle Computer Products(SCP)。SCP的程序员Tim Paterson英语Tim Paterson开发了一套CP/M-80的变体操作系统,原本是打算用来测试SCP为S-100总线新开发的16位Intel 8086 CPU界面卡。这套系统原本的名称是"QDOS"("Quick and Dirty Operating System"的缩写),后来在商业发行前改名为86-DOS。微软买下了86-DOS(据说成交金额为50,000美元),后来成了1981年发行的Microsoft Disk Operating System,简称MS-DOS。[11]

微软也将这套系统授权给数个计算机公司。这些计算机公司贩售给他们的硬件使用的MS-DOS,有时使用他们自己的名称。微软后来要求他们使用MS-DOS这个名称,除了IBM以外。IBM持续为IBM PC开发新版的PC-DOS。Digital Research查觉到IBM正在贩售和CP/M很类似的操作系统(而且还跟当初IBM谈判时坚持的名称相同),于是扬言要提出法律诉讼。IBM以一项协议回应他们:IBM让用户可以自行选择要使用PC-DOS还是CP/M-86英语CP/M-86(Kildall开发的8086版CP/M)。两者相较,CP/M比PC-DOS贵上近200美元,销售量也低。CP/M逐渐淡出,而MS-DOS和PC-DOS则成了PC和PC兼容机的主力操作系统。[9]

Digital Research曾试图挽回CP/M-86错失的市场。一开始是发行了DOS Plus英语DOS Plus,后来又发行了DR-DOS(这两者都同时与MS-DOS和CP/M-86的软件兼容)。Digital Research被Novell买下,DR-DOS变成了Novell DOS 7。之后,它又成为Caldera Systems(以OpenDOS及DR DOS 7为名)、Lineo英语Lineo以及DeviceLogics英语DeviceLogics的一部分。

后来,微软和IBM在两套DOS的继任操作系统(微软的Windows和IBM的OS/2)上发生了一连串争执。[12]他们在DOS系统上的开发也因此分道扬镳。[13] MS-DOS在某些层面上转型成为Windows;而PC-DOS的最后一个版本为1998年发行的PC-DOS 2000。

FreeDOS计划开始于1994年6月26日。当天微软宣布他们将不再贩卖MS-DOS,也不再提供支持。于是吉姆·霍尔张贴了一份宣言,宣布要开发DOS的开放源始码替代品。在几个星期内,包括Pat Villani和Tim Norman的几位程序员加入了这个计划。他们利用共享他们撰写或现有代码的方式,产生了核心、command.com命令解释器(shell界面)以及核心公用程序。在历经了数个版本的官方预览版本之后,FreeDOS 1.0版在2006年9月3日正式发布。使用FreeDOS不需支付任何的著作权费用或权利金。[14][15]

淡出

早期版本的Microsoft Windows只是在DOS之上运行的应用程序。[16]大约在90年代初,Windows仍相当依赖新版本的DOS。一直到Windows for Workgroups 3.11,DOS才逐渐退居负责引导及加载Windows核心的角色。在Windows 95(以及其后推出的Windows 98与Me)中,MS-DOS核心依然存在,只是加上Windows当作系统的图形界面。Windows 95与98的MS-DOS组件可以在不开启Windows的情况下独立运行(但Windows Me不行)。[17]随着Windows的普及,大部分的计算机用户都使用Windows,DOS也越来越少人使用。英特尔项目于2020年彻底舍弃Intel平台的UEFI CSM(即UEFI的Legacy BIOS引导支持),届时Intel平台的个人计算机将无法引导DOS系统。

持续发展

有些计算机制造商(包括DellHP)会预载FreeDOS当作OEM操作系统出货。[18][19]

有一套以GPL方式授权的DOS,名为NX-DOS,目前正在开发中。它是一套16位的即时操作系统,拥有网络功能,可以从软盘引导,还有一个不太完整的USB驱动程序。NX-DOS项目从1992年就开始了,原本是个个人项目,在2005年的时候以GPL方式发布。[20]

目前仍可获取的DOS系统有DR-DOS(以及加强的DR-DOS)、俄国人开发的PTS-DOS英语PTS-DOS、ROM-DOS、FreeDOS、NX-DOS、Multiuser DOS(以Digital Research的Concurrent DOS为基础)等等。

嵌入式系统

由于DOS可以直接访问硬件,因此它很适合拿来控制嵌入式设备。新版本的DR-DOS便瞄准了这块市场。[21] 佳能的数字相机PowerShot Pro 70使用ROM-DOS做为嵌入式系统。[22]

模拟器

Linux下,使用DOSEMU英语DOSEMU(一套用来运行实模式程序的Linux原生虚拟机)可以运行DOS及其派生版本。另外在各个版本的UNIX下也有许多用来运行DOS的模拟器,有些甚至在非x86的平台上也可以运行,像是DOSBox[23][24]

由于Windows XPVista无法和纯DOS兼容,DOS模拟器在这些系统上也越来越流行。这些模拟器可以用来运行过去的老软件或其他DOS软件。其中一个最为知名的是DOSBox,主要的设计目标是在当前的操作系统上运行DOS的游戏程序。[23][16]

Microsoft Virtual PC下也可以运行DOS的应用程序,兼容性比DOS模拟器好。用户可以安装合法的MS-DOS,然后除了那些最难对付的应用程序以外,绝大部分的DOS应用程序都可以在上面运行。[25]

与Microsoft Windows的关系

纯32位版本的Windows(从NT开始;包含了2003、XP和Vista)并非以DOS为基础的。这些系统中内含了一个NT DOS虚拟机英语NT Virtual DOS Machine(NT Virtual DOS Machine,缩写为NTVDM),在上面运行一个修改过的DOS。原本以DOS为基础的系统使用传统的COMMAND.COM做为命令行界面,而Windows NT及其派生版本则是使用cmd.exe(不过cmd.exe也移植了许多DOS的命令)。x64架构的Windows也有cmd.exe(命令提示符),但是无法运行16位DOS程序(没有NTVDM)。

软件

Arachne互联网浏览器
Arachne互联网浏览器

由于DOS在长时间内是PC兼容机的主要平台,有许多为DOS撰写的知名软件。例如:

易用性

用户界面

所有的DOS均使用命令行界面。运行程序的方法是在命令行中键入程序的名称。DOS系统包含一些公用程序,也提供了一些不是以程序方式存在的命令(通常被称为内部命令)。[27]

为了提供对用户更友善的操作环境,许多的软件厂商纷纷推出各式各样的文件管理程序。这些程序通常使用菜单及图标做为界面。Microsoft Windows就是其中最有名的例子,最后发展成为完整的操作系统,取代DOS成了PC兼容机上最受欢迎的操作系统。使用文字模式的使用者界面有:Norton Commander英语Norton CommanderDos Navigator英语Dos NavigatorVolkov Commander英语Volkov Commander、Quarterdesk的DESQview英语DESQview,以及SideKick。使用图形用户界面的程序有:Digital Research的Graphical Environment Manager英语Graphical Environment Manager(最早是写给CP/M用的)以及GEOS英语GEOS

发展到最后,主要的DOS厂商开始在DOS中加入自己的环境管理程序。MS/PC-DOS 4中有DOS Shell英语DOS Shell[28]而次年发行的DR-DOS 5则加入了以GEM为基础的ViewMAX英语ViewMAX[29]

多任务

在最初的设计中,DOS是一个单工的操作系统。MS/PC-DOS使用DOS shell做到任务切换的功能,[30]而DR-DOS则是在DR-DOS 6中利用TaskMAX做到类似的功能。[31] MS/PC-DOS自始至终都没有多任务的能力;[32] DR-DOS则是在DR-DOS 7中提供了这个功能(DR-DOS的DPMI必须激活)。[33]

限制

DOS的架构有数项恼人的限制。最早的8088微处理器只能寻址到1 MB的物理内存空间。由于附加的硬件设备也必须映射到这段空间,因此最高可以使用的存储器只有640 KB(被称为“传统存储器”)。在DOS的结构上,640 KB被视为最大的存储器空间,DOS无法寻址更高的地址。早期避开这个问题的做法是使用扩展存储器80286出来之后,发展出了延伸存储器。虽然这些技术提供了更多的存储器应用程序,但应用程序仍必须从传统存储器开始运行,占用640 KB中的部分空间。80386微处理器使用了重新设计的保护模式,应用程序可以透过DOS extender及DOS保护模式界面(DOS Protected Mode Interface,缩写为DPMI)等技术使用额外的存储器,也可以有多任务的功能。[34][35]

DOS还有硬盘分区大小的限制。造成这个问题的原因有两个。首先,许多DOS类的操作系统只支持到FAT16,而FAT16在设计上就不支持超过2.1 GB的硬盘分区。[36]另外,DOS访问硬盘的方式是透过INT 13这个中断调用,然后往下再利用CHS系统对应到磁盘上的资料。在这个架构下,操作系统只能看到8 GB的硬盘空间。[37]比较新的操作系统使用软件的方式(例如:32位磁盘访问)访问硬盘。

FAT16和FAT12(用于软盘)上的文件名称必须遵守“8.3命名规则”:文件的文件主名不得超个8个字符,而扩展名则不得超过3个字符。

命令集

(部分)

命令 备注
MD 创建子目录
CD 改变当前目录
RD 删除子目录命令
DIR 示磁盘目录命令
PATH 路径设置命令
TREE 显示磁盘目录结构命令
DELTREE 删除整个目录命令
FORMAT 磁盘格式化命令
SCANDISK 检查磁盘当前状态命令
UNFORMAT 恢复格式化命令
DISKCOPY 整盘复制命令
VOL 显示磁盘卷标命令
SCANDISK 检测、修复磁盘命令
DEFRAG 重整磁盘命令
SYS 系统复制命令
COPY 文件复制命令
XCOPY 目录复制命令
TYPE 显示文件内容命令
REN 文件改名命令
FC 文件比较命令
ATTRIB 修改文件属性命令
DEL 删除文件命令
UNDELETE 恢复删除命令
VER 查看系统版本号命令
DATE 查看日期命令

参考文献

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参见

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