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计算机系统包括硬件和软件两个组成部分。硬件是所有软件运行的物质基础；软件能充分发挥硬件潜能和扩充硬件功能，完成各种系统及应用任务，两者互相促进、相辅相成、缺一不可。下图给出了一个计算机系统的软硬件层次结构。其中，每一层具有一组功能并提供相应的接口，接口对层内掩盖了实现细节，对层外提供了使用约定。
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硬件层提供了基本的可计算性资源，包括处理器、寄存器、存储器，以及可被使用的各种I/O设施和设备，是操作系统和上层软件赖以工作的基础。
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操作系统层对计算机硬件作首次扩充和改造，主要完成资源的调度和分配，信息的存取和保护，并发活动的协调和控制等许多工作。操作系统是其他软件的运行基础，并为编译程序和数据库系统等系统程序的设计者提供了有力支持。系统程序层的工作基础建立在操作系统改造和扩充过的计算机上，利用操作系统提供的扩展指令集，可以较为容易地实现各种各样的语言处理程序、数据库管理系统和其他系统程序。
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应用层解决用户不同的应用问题，应用程序开发者借助于程序设计语言来表达应用问题，开发各种应用程序，既快捷又方便。而最终用户则通过应用程序与计算机交互来解决应用问题。
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操作系统（Operating system，OS）的出现、使用和发展是近40年来计算机软件的一个重大进展。尽管操作系统尚未有一个被普遍接受的定义，但普遍认为：操作系统是管理软硬件资源、控制程序执行，改善人机界面，合理组织计算机工作流程和为用户使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件。操作系统有两个重要的作用。
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操作系统还是计算机系统的资源管理者。在计算机系统中，能分配给用户使用的各种硬件和软件设施总称为资源。资源包括两大类：硬件资源和信息资源。其中，硬件资源分为处理器、存储器、I/O设备等，I/O设备又分为输入型设备、输出型设备和存储型设备；信息资源则分为程序和数据等。操作系统的重要任务之一是有序地管理计算机中的硬件、软件资源，跟踪资源使用状况，满足用户对资源的需求，协调各程序对资源的使用冲突，为用户提供简单、有效的资源使用方法，最大限度地实现各类资源的共享，提高资源利用率，从而使得计算机系统的效率有很大提高。
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操作系统紧靠着计算机硬件并在其基础上提供了许多新的设施和能力，从而使用户能够方便、可靠、安全、高效地操纵计算机硬件和运行自己的程序。例如，改造各种硬件设施，使之更容易使用；提供原语或系统调用，扩展指令系统；操作系统还合理组织计算机的工作流程，协调各个部件有效工作，为用户提供一个良好的运行环境。经过操作系统改造和扩充过的计算机不但功能更强，使用也更为方便，用户可以直接调用操作系统提供的许多功能，而无须了解许多软硬件使用细节。
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操作系统的主要特性有三条：并发性、共享性和异步性。
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（1）并发性（Concurrence）。指两个或两个以上的运行程序在同一时间间隔段内同时执行。操作系统是一个并发系统，并发性是它的重要特征，它应该具有处理多个同时执行的程序的能力。发挥并发性能够消除计算机系统中部件和部件之间的相互等待，有效改善系统资源的利用率，改进系统的吞吐率，提高系统效率。
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（2）共享性（sharing）。指操作系统中的资源（包括硬件资源和信息资源）可被多个并发执行的进程所使用。出于经济上的考虑，一次性向每个用户程序分别提供它所需的全部资源不但是浪费的，有时也是不可能的。现实的方法是让多个用户程序共用一套计算机系统的所有资源，因而必然会产生共享资源的需要。
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共享性和并发性是操作系统两个最基本的特征，它们互为依存。一方面，资源的共享是因为运行程序的并发执行而引起的，若系统不允许运行程序并发执行，自然也就不存在资源共享问题。另一方面，若系统不能对资源共享实施有效的管理，必然会影响到运行程序的并发执行，甚至运行程序无法并发执行，操作系统也就失去了并发性，导致整个系统效率低下。
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（3）异步性（Asynchronism），或称随机性。在多道程序环境中，允许多个进程并发执行，由于资源有限而进程众多，多数情况，进程的执行不是一贯到底，而是“走走停停”，系统中的进程何时执行？何时暂停？以什么样的速度向前推进？进程总共要多少时间执行才能完成？这些都是不可预知的，或者说该进程是以异步方式运行的，异步性给系统带来了潜在的危险，有可能导致与时间有关的错误，但只要运行环境相同，操作系统必须保证多次运行作业，都会获得完全相同的结果。
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资源管理是操作系统的一项主要任务，而控制程序执行、扩充及其功能、屏蔽使用细节、方便用户使用、组织合理工作流程、改善人机界面等都可以从资源管理的角度去理解。下面就从资源管理的观点来了解操作系统具有的几个主要功能。
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（1）处理器管理。处理器管理的第一项工作是处理中断事件，硬件只能发现中断事件，捕捉它并产生中断信号，但不能进行处理。配置了操作系统，就能对中断事件进行处理。
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处理器管理的第二项工作是处理器调度。在单用户单任务的情况下，处理器仅为一个用户的一个任务所独占，处理器管理的工作十分简单。但在多道程序或多用户的情况下，组织多个作业或任务执行时，就要解决处理器的调度、分配和回收等问题。
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近年来设计出各种各样的多处理器系统，处理器管理就更加复杂。为了实现处理器管理的功能，操作系统引入了进程（process）的概念，处理器的分配和执行都是以进程为基本单位；随着并行处理技术的发展，为了进一步提高系统并行性，使并发执行单位的粒度变细，操作系统又引入了线程（thread）的概念。
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（2）存储管理。存储管理的主要任务是管理存储器资源，为多道程序运行提供有力的支撑。存储管理的主要功能包括：存储分配（存储管理将根据用户程序的需要给它分配存储器资源）；存储共享（存储管理能让主存中的多个用户程序实现存储资源的共享，以提高存储器的利用率）；存储保护（存储管理要把各个用户程序相互隔离起来互不干扰，更不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，从而保护用户程序存放在存储器中的信息不被破坏）；存储扩充（由于物理内存容量有限，难于满足用户程序的需求，存储管理还应该能从逻辑上来扩充内存储器，为用户提供一个比内存实际容量大得多的编程空间，方便用户的编程和使用）。
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（3）设备管理。设备管理的主要任务是管理各类外围设备，完成用户提出的I/O请求，加快I/O信息的传送速度，发挥I/O设备的并行性，提高I/O设备的利用率；以及提供每种设备的设备驱动程序和中断处理程序，向用户屏蔽硬件使用细节。为实现这些任务，设备管理应该具有以下功能：提供外围设备的控制与处理；提供缓冲区的管理；提供外围设备的分配；提供共享型外围设备的驱动；实现虚拟设备。
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（4）文件管理。上述三种管理是针对计算机硬件资源的管理。文件管理则是对系统的信息资源的管理。在现代计算机中，通常把程序和数据以文件形式存储在外存储器上，供用户使用，这样，外存储器上保存了大量文件，对这些文件如不能采取良好的管理方式，就会导致混乱或破坏，造成严重后果。为此，在操作系统中配置了文件管理，它的主要任务是对用户文件和系统文件进行有效管理，实现按名存取；实现文件的共享、保护和保密，保证文件的安全性；并提供给用户一套能方便使用文件的操作和命令。
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（5）作业管理。作业管理的功能包括任务、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等。其目的是为用户提供一个使用系统的良好环境，使用户能有效地组织自己的工作流程，并使整个系统能高效地运行。
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（6）网络与通信管理。计算机网络源于计算机与通信技术的结合，近20年来，从单机与终端之间的远程通信，到今天全世界成千上万台计算机联网工作，计算机网络的应用已十分广泛。联网操作系统至少应具有以下管理功能。网上资源管理功能：计算机网络的主要目的之一是共享资源，网络操作系统应实现网上资源的共享，管理用户应用程序对资源的访问，保证信息资源的安全性和一致性；数据通信管理功能：计算机联网后，站点之间可以互相传送数据，进行通信，通过通信软件，按照通信协议的规定，完成网络上计算机之间的信息传送；网络管理功能包括故障管理、安全管理、性能管理、记账管理和配置管理。
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过去，在计算中心的计算机上一般所配置的操作系统采用以下方式工作：用户把要计算的应用问题编成程序，连同数据和作业说明书一起交给操作员，操作员集中一批作业，并输入到计算机中。然后，由操作系统来调度和控制用户作业的执行。通常，采用这种批量化处理作业方式的操作系统称为批处理操作系统（batch operating system）。
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批处理操作系统根据一定的调度策略把要求计算的算题按一定的组合和次序执行，从而，系统资源利用率高，作业的吞吐量大。批处理系统的主要特征是：
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（1）用户脱机工作。用户提交作业之后直至获得结果之前不再和计算机及作业交互。因而，作业控制语言对脱机工作的作业来说是必不可少的。这种工作方式对调试和修改程序是极不方便的。
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（2）成批处理作业。操作员集中一批用户提交的作业，输入计算机成为后备作业。后备作业由批处理操作系统一批批地选择并调入主存执行。
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（3）多道程序运行。按预先规定的调度算法，从后备作业中选取多个作业进入主存，并启动它们运行，实现了多道批处理。
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（4）作业周转时间长。由于作业进入计算机成为后备作业后要等待选择，因而作业从进入计算机开始到完成并获得最后结果为止所经历的时间一般相当长，一般需等待数小时至几天。
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在批处理系统中，用户不能干预自己程序的运行，无法得知程序运行情况，对程序的调试和排错不利。为了克服这一缺点，便产生了分时操作系统。
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允许多个联机用户同时使用一台计算机系统进行计算的操作系统称分时操作系统（Time Sharing Operating System）。其实现思想如下：每个用户在各自的终端上以问答方式控制程序运行，系统把中央处理器的时间划分成时间片，轮流分配给各个联机终端用户，每个用户只能在极短时间内执行，若时间片用完，而程序还未做完，则挂起等待下次分得时间片。这样一来，每个用户的每次要求都能得到快速响应，每个用户获得好像自己独占了这台计算机的印象。实质上，分时系统是多道程序的一个变种，不同之处在于每个用户都有一台联机终端。
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今天，分时操作系统成为最流行的一种操作系统，几乎所有的现代通用操作系统都具备分时系统的特征。分时操作系统具有以下特性：
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（1）同时性。若干个终端用户同时联机使用计算机，分时就是指多个用户分享使用同一台计算机。每个终端用户感觉上好像自己独占了这台计算机。
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（2）独立性。终端用户彼此独立，互不干扰，每个终端用户感觉上好像自己独占了这台计算机。
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（3）及时性。终端用户的立即型请求（即不要求大量CPU时间处理的请求）能在足够快的时间之内得到响应。这一特性与计算机CPU的处理速度、分时系统中联机终端用户数和时间片的长短密切相关。
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（4）交互性。人机交互，联机工作，用户直接控制其程序的运行，便于程序的调试和排错。
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实时操作系统（Real Time Operating System）是指当外界事件或数据产生时，能够接收并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间内控制监控的生产过程或对处理系统做出快速响应，并控制所有实行任务协调一致运行的操作系统。由实时操作系统控制的过程控制系统，较为复杂，通常由4部分组成：
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（1）数据采集。它用来收集、按收和录入系统工作必需的信息或进行信号检测。
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（2）加工处理。它对进入系统的信息进行加工处理，获得控制系统工作必需的参数或做出决定，然后，进行输出、记录或显示。
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（3）操作控制。它根据加工处理的结果采取适当措施或动作，达到控制或适应环境的目的。
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（4）反馈处理。它监督执行机构的执行结果，并将该结果馈送至信号检测或数据接收部件，以便系统根据反馈信息采取进一步措施，达到控制的预期目的。
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