DOS,是磁碟作業系統(英文:Disk Operating System)的縮寫,是個人電腦上的一類作業系統。從1981年直到1995年的15年間,DOS在IBM PC相容機市場中佔有舉足輕重的地位。而且,若是把部份以DOS為基礎的Microsoft Windows版本,如Windows 9598Me等都算進去的話,那麼其商業壽命至少可以算到2000年。

DOS畫面

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最為著名。雖然這些系統常被簡稱為"DOS",但沒有任何一個系統單純以"DOS"命名(只有一個毫無關連的1960年代IBM大型主機作業系統英语DOS/360以此命名)。此外,有幾個和DOS無關、在非x86的微電腦系統上執行的磁碟作業系統在名稱中也有"DOS"字眼,而且在專門討論該機器的場合中也會簡稱為"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),但這些系統和DOS執行檔以及MS-DOS API並不相容。

設計架構

 
放於IBM原裝軟碟機的DOS 5.25吋系統開機磁片

所有DOS類的作業系統都是在使用Intel x86或其相容CPU的機器上執行的(主要是IBM PC及其相容機)。最早的時候,DOS並未受限於此;為了在許多以x86為基礎,但和IBM PC不相容的機器上執行,產生了不少特定機器版本的DOS及類似的作業系統。[1]

DOS是單一使用者、單工的作業系統,擁有不可重入的基本核心函式(意即同時間只能有一個程式呼叫這些函式)。有一個例外的狀況,就是常駐程式(Terminate and Stay Resident,縮寫為TSR)。某些常駐程式允許使用者多工操作;然而此時仍有「核心不可重入」的問題:當一個行程(process)呼叫了作業系統核心中的服務函式(也就是系統呼叫)時,在這個呼叫結束之前,其他的行程絕對不能進行系統呼叫、打斷第一個行程。[2]

DOS的核心為使用者程式提供了各式各樣的函式,例如:在螢幕上顯示文字、從鍵盤讀入字元、存取磁碟上的檔案等等。

腳本語言

DOS透過批次檔副檔名.BAT)提供界面腳本的功能。這些檔案是純文字格式的,可以用任何的文字編輯器(像是edit.com)編輯。他們執行起來和編譯而成的程式沒有兩樣。檔案中的每一行都被視為命令來執行。批次檔也可以使用數個內部命令,例如goto條件運算式[3]

硬體存取

DOS提供了簡單的硬體抽象層,讓程式員可以開發文字界面的應用程式;但這個硬體抽象層無法存取大部份的計算機硬體,像是顯示卡印表機,或是滑鼠等。這使得程式員必須直接存取硬體,導致每個應用程式都有屬於自己的一組硬體週邊驅動程式。硬體製造商會將他們的硬體規格書釋出,以確保在受歡迎的應用程式中有它們的驅動程式。[4]

裝置保留名稱

在DOS中,有數個名稱保留給裝置使用,無法拿來當一般檔案的名稱(不管副檔名是什麼);這些保留名稱是用來將應用程式的輸出傳送給硬體週邊用的。這樣的限制也影響到數個版本的Windows,在某些情況下甚至會造成當機和安全性弱點。[5]

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

磁碟命名法

在DOS中,磁碟機是利用不同的字母命名的。標準的作法是保留"A"和"B"給軟碟機。若是系統只有一台軟碟機的話,DOS允許這台軟碟機同時使用這兩個代號,然後DOS會要求使用者更換磁片。這麼做可以讓使用者把檔案拷貝到不同的軟碟片上,或是執行某一片軟碟片上的程式,然後把資料檔案存放在另一片軟碟片上。最早硬碟的代號為"C"和"D"。在一台硬碟機上,DOS只允許一個活動分割區的存在。隨著支援的硬碟數量越來越多,磁碟代號的命名方法演變為:先將磁碟代號指派給每一顆硬碟機的活動主分割區,然後第二輪將代號指派給延伸分割區中的邏輯磁碟區,第三輪再把代號指定給非活動的主分割區。(前題是:它們存在,而且包含了DOS可以讀取的檔案系統。)最後,DOS才將代號指派給光碟機RAM disk,以及其他的硬體。一般來說,磁碟代號都是依照驅動程式的載入順序,按字母順序指派的,但驅動程式也可以要求DOS指派不同的字母。例如網路磁碟機的驅動程式通常會指派最後的幾個字母。[7]

因為DOS的應用程式會直接使用這些磁碟代號(和Unix類系統使用/dev目錄的方法不同),因此若是新增了需要分配磁碟代號的硬體,可能會導致這些應用程式出錯。舉例來說:若是原本硬碟中的延伸分割區中存在邏輯磁碟區,此時新增一顆有主分割區的硬碟的話,由於主分割區擁有較高的分配優先權,所以原本硬碟的邏輯磁碟區的代號就會改變。此外,就算是新增一顆只有延伸分割區和邏輯磁碟區的硬碟,還是會影響到RAM disk及光碟機的代號。這個問題一直到9x系列的Windows都仍然存在;NT系列才有解決方案:磁碟代號會保留給已存在的磁碟機機,除非使用者手動更改。[7]

開機流程

PC相容機的開機磁區(MBR)位于第 0 扇区。對於DOS來說,這段代碼會將DOS的HAL讀入記憶體中然後執行。在DR DOS及PC DOS中,這個HAL放在IBMBIO.COM英语IBMBIO.COM文件中;而MS DOS則是放在IO.SYS英语IO.SYS。接下來這個HAL會載入位于IBMDOS.COM英语IBMDOS.COM(PC DOS或DR DOS)或是MSDOS.SYS(MS DOS)裡面的DOS内核。Windows 9x中附的DOS版本(MS DOS 7和8)將HAL和核心合併放在IO.SYS裡面,而MSDOS.SYS則是文字格式的組態檔案。然後DOS核心會去執行CONFIG.SYS英语CONFIG.SYS這個檔案。在CONFIG.SYS中,SHELL這個命令指定了SHELL的檔案位置(通常是COMMAND.COM)。接下來這個SHELL會被執行,然後它會去開啟开机启动项(通常是AUTOEXEC.BAT[8]

歷史

MS-DOS(以及經授權更換商標而成的IBM PC-DOS)以及它的前身86-DOS是受到Digital Research公司的CP/MControl Program / (for) Microcomputers)啟發而完成的。CP/M是當時使用Intel 8080Zilog英语Zilog Z80這兩顆8位元CPU的微電腦上最受歡迎的磁碟作業系統。

在1980年的時候,IBM使用Intel 8088微處理器,開發出了他們的第一台微電腦。他們需要一套能夠在這台微電腦上使用的作業系統。IBM在找一套能和Intel 8088 (1979-1982)相容的CP/M,一開始找上了微軟的執行長比爾·蓋茨(可能是因為當時微軟開發出了讓CP/M可以在Apple II上執行的Z-80 SoftCard英语Z-80 SoftCard,所以IBM相信微軟擁有CP/M[9])。IBM被轉介到Digital Research,並且舉行了相關的會議。然而,關於CP/M的使用權的初次談判破裂了—因為Digital Research希望以權利金的方式販售CP/M,但IBM希望單一授權,並且將名稱改為"PC-DOS"DR的創始人Gary Kildall英语Gary Kildall拒絕簽約,IBM因此放棄購買CP/M[9][10]

IBM再次找上比爾·蓋茨。蓋茨轉而找上了Seattle Computer Products英语Seattle Computer Products(SCP)。SCP的程式員Tim Paterson英语Tim Paterson開發了一套CP/M-80的變體作業系統,原本是打算用來測試SCP為S-100匯流排新開發的16位元Intel 8086 CPU界面卡。這套系統原本的名稱是"QDOS"("Quick and Dirty Operating System"的縮寫),後來在商業發行前改名為86-DOS。微軟買下了86-DOS(據說成交金額為50,000美元),後來成了1981年發行的Microsoft Disk Operating System,簡稱MS-DOS。[11]

微軟也將這套系統授權給數個電腦公司。這些電腦公司販售給他們的硬體使用的MS-DOS,有時使用他們自己的名稱。微軟後來要求他們使用MS-DOS這個名稱,除了IBM以外。IBM持續為IBM PC開發新版的PC-DOS。Digital Research查覺到IBM正在販售和CP/M很類似的作業系統(而且還跟當初IBM談判時堅持的名稱相同),於是揚言要提出法律訴訟。IBM以一項協議回應他們:IBM讓使用者可以自行選擇要使用PC-DOS還是CP/M-86英语CP/M-86(Kildall開發的8086版CP/M)。兩者相較,CP/M比PC-DOS貴上近200美元,銷售量也低。CP/M逐漸淡出,而MS-DOS和PC-DOS則成了PC和PC相容機的主力作業系統。[9]

Digital Research曾試圖挽回CP/M-86錯失的市場。一開始是發行了DOS Plus英语DOS Plus,後來又發行了DR-DOS(這兩者都同時與MS-DOS和CP/M-86的軟體相容)。Digital Research被Novell買下,DR-DOS變成了Novell DOS 7。之後,它又成為Caldera Systems(以OpenDOS及DR DOS 7為名)、Lineo英语Lineo以及DeviceLogics英语DeviceLogics的一部份。

後來,微軟和IBM在兩套DOS的繼任作業系統(微軟的Windows和IBM的OS/2)上發生了一連串爭執。[12]他們在DOS系統上的開發也因此分道揚鑣。[13] MS-DOS在某些層面上轉型成為Windows;而PC-DOS的最後一個版本為1998年發行的PC-DOS 2000。

FreeDOS計劃開始於1994年6月26日。當天微軟宣佈他們將不再販賣MS-DOS,也不再提供支援。於是吉姆·霍尔張貼了一份宣言,宣佈要開發DOS的開放源始碼替代品。在幾個星期內,包括Pat Villani和Tim Norman的幾位程式員加入了這個計劃。他們利用共享他們撰寫或現有程式碼的方式,產生了核心、command.com命令直譯器(shell界面)以及核心公用程式。在歷經了數個版本的官方預覽版本之後,FreeDOS 1.0版在2006年9月3日正式發佈。使用FreeDOS不需支付任何的版權費用或權利金。[14][15]

淡出

早期版本的Microsoft Windows只是在DOS之上執行的應用程式。[16]大約在90年代初,Windows仍相當依賴新版本的DOS。一直到Windows for Workgroups 3.11,DOS才逐漸退居負責開機及載入Windows核心的角色。在Windows 95(以及其後推出的Windows 98與Me)中,MS-DOS核心依然存在,只是加上Windows當作系統的圖形界面。Windows 95與98的MS-DOS元件可以在不開啟Windows的情況下獨立執行(但Windows Me不行)。[17]隨著Windows的普及,大部份的電腦使用者都使用Windows,DOS也越來越少人使用。英特爾計畫於2020年徹底捨棄Intel平台的UEFI CSM(即UEFI的Legacy BIOS開機支援),屆時Intel平台的個人電腦將無法啟動DOS系統。

持續發展

有些電腦製造商(包括DellHP)會預載FreeDOS當作OEM作業系統出貨。[18][19]

有一套以GPL方式授權的DOS,名為NX-DOS,目前正在開發中。它是一套16位元的即時作業系統,擁有網路功能,可以從軟碟片開機,還有一個不太完整的USB驅動程式。NX-DOS專案從1992年就開始了,原本是個個人專案,在2005年的時候以GPL方式釋出。[20]

目前仍可取得的DOS系統有DR-DOS(以及加強的DR-DOS)、俄國人開發的PTS-DOS英语PTS-DOS、ROM-DOS、FreeDOS、NX-DOS、Multiuser DOS(以Digital Research的Concurrent DOS為基礎)等等。

嵌入式系統

由於DOS可以直接存取硬體,因此它很適合拿來控制嵌入式裝置。新版本的DR-DOS便瞄準了這塊市場。[21] 佳能的數位相機PowerShot Pro 70使用ROM-DOS做為嵌入式系統。[22]

模擬器

Linux下,使用DOSEMU英语DOSEMU(一套用來執行真實模式程式的Linux原生虛擬機器)可以執行DOS及其衍生版本。另外在各個版本的UNIX下也有許多用來執行DOS的模擬器,有些甚至在非x86的平台上也可以執行,像是DOSBox[23][24]

由於Windows XPVista無法和純DOS相容,DOS模擬器在這些系統上也越來越流行。這些模擬器可以用來執行過去的老軟體或其他DOS軟體。其中一個最為知名的是DOSBox,主要的設計目標是在當前的作業系統上執行DOS的遊戲程式。[23][16]

Microsoft Virtual PC下也可以執行DOS的應用程式,相容性比DOS模擬器好。使用者可以安裝合法的MS-DOS,然後除了那些最難對付的應用程式以外,絕大部份的DOS應用程式都可以在上面執行。[25]

與Microsoft Windows的關係

純32位元版本的Windows(從NT開始;包含了2003、XP和Vista)並非以DOS為基礎的。這些系統中內含了一個NT DOS虛擬機器英语NT Virtual DOS Machine(NT Virtual DOS Machine,縮寫為NTVDM),在上面執行一個修改過的DOS。原本以DOS為基礎的系統使用傳統的COMMAND.COM做為命令列界面,而Windows NT及其衍生版本則是使用cmd.exe(不過cmd.exe也移植了許多DOS的命令)。x64架構的Windows也有cmd.exe(命令提示字元),但是無法執行16位元DOS程式(沒有NTVDM)。

軟體

 
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由於DOS在长时间内是PC相容機的主要平台,有許多為DOS撰寫的知名軟體。例如: