作業系統的角色與定義 (What Operating Systems Do)
本系列文章內容參考自經典教材 Operating System Concepts, 10th Edition (Silberschatz, Galvin, Gagne)。本文對應章節：Section 1.1 What Operating Systems Do。
電腦系統的組成元件
一個電腦系統 (Computer System) 可以大致分為四個層次：
| 層次 | 組成元件 | 說明 |
|---|---|---|
| 第 4 層（頂層） | User（使用者） | 操作電腦的人、程式或其他系統 |
| 第 3 層 | Application Programs（應用程式） | 如編譯器、瀏覽器、文字處理器，定義資源的使用方式 |
| 第 2 層 | Operating System（作業系統） | 控制硬體，協調各應用程式之間的資源使用 |
| 第 1 層（底層） | Computer Hardware（硬體） | CPU、Memory、I/O 裝置，提供基本計算資源 |
硬體提供計算資源；應用程式定義資源的使用方式；作業系統則扮演中間協調者的角色，控制硬體並公平地協調各程式的資源共用。
教科書中將作業系統比喻為政府 (Government)：政府本身不生產任何東西，但它提供一個讓其他組織能夠正常運作的環境。
1.1.1 使用者視角 (User View)
作業系統的設計目標會隨著使用情境的不同而有很大的差異：
| 使用情境 | 代表裝置 | 主要設計目標 |
|---|---|---|
| 個人電腦 / 筆電 | 桌機、筆電（單一使用者） | 易用性 (Ease of Use) 優先；效能與安全次之；幾乎不考慮資源共用率 |
| 行動裝置 | 智慧型手機、平板 | 觸控螢幕介面、語音辨識（如 Apple Siri）；注重電池效能與無線連線 |
| 嵌入式系統 | 家電、汽車控制器、工業設備 | 幾乎沒有使用者介面；設計為無人介入、自動執行 |
1.1.2 系統視角 (System View)
從電腦的角度來看，作業系統同時扮演兩種互補的角色：
資源配置者 (Resource Allocator)
電腦系統中有許多共享資源，包括：
- CPU Time：處理器的執行時間
- Memory Space：記憶體的使用空間
- Storage Space：儲存空間
- I/O Devices：各種輸入輸出裝置
當多個程式或使用者同時需要這些資源時，作業系統必須決定如何公平且有效率地分配它們，避免衝突與資源閒置。
控制程式 (Control Program)
作業系統管理使用者程式的執行，主要目的是：
- 防止錯誤 (Errors)：例如非法記憶體存取（存取其他程式的空間）、除以零
- 防止不當使用 (Improper Use)：避免程式相互干擾，或惡意占用系統資源
- 控制 I/O 裝置：特別關注 I/O 裝置的有序存取，確保資料不會損毀
1.1.3 作業系統的定義 (Defining Operating Systems)
作業系統目前沒有一個普遍接受的精確定義，但最常用的定義是：
作業系統是電腦上永遠在執行的程式，通常稱為 Kernel（核心）。
除了 Kernel 之外，現代作業系統還包含以下幾個部分：
Kernel 的開機流程
電腦剛開機時，需要有一個初始程式來啟動整個系統：
Apple iOS 和 Google Android 等行動 OS 除了 Kernel 之外，還內建了 Middleware，直接提供資料庫、多媒體、圖形等框架給應用程式開發者使用。這與傳統桌上型 OS 不同——行動 OS 整合了更多功能層，使其定義範圍更廣泛。
究竟哪些功能應該屬於 OS 的範疇，在歷史上一直有爭議。
1998 年，美國司法部對 Microsoft 提起訴訟，指控 Microsoft 將過多功能（例如網頁瀏覽器 Internet Explorer）整合進 OS，進而壓制了其他應用程式廠商的競爭空間。此案 Microsoft 最終被判敗訴。
這個案例說明 OS 的邊界不只是技術問題，也牽涉到市場競爭與法律規範。