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作業系統的歷史在某種意義上來說也是計算機的歷史。作業系統提供對硬體控制的調用和應用程序所必需的功能。
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早期的計算機沒有作業系統。用戶有單獨的機器，他（她）會帶著記錄有程序和數據的卡片(punch card)或較後期的打孔紙帶去操作機器。程序讀入機器後，機器就開始工作直到程序停止。由於程序難免有誤，所以機器通常都會中途崩潰。程序一般通過控制板的開關和狀態燈來調試。據說圖靈能非常熟練地用這種方法操作Manchester Mark I機器。
後來，機器引入幫助程序輸入輸出等工作的代碼庫。這是現代作業系統的起源。然而，機器每次只能執行一件任務。在英國劍橋大學，這些任務的磁帶從前是排成一排掛在衣鉤上的，衣鉤的顏色代表任務的優先順序。
概念意義上的作業系統和通俗意義上的作業系統差距越來越大。通俗意義上的作業系統為了方便而把最普通的包和應用程序的集合包括在作業系統內。隨著作業系統的發展，一些功能更強的「第二類」作業系統軟體也被包括進去。在今天，沒有圖形界面和各種文件瀏覽器已經不能稱為一個真正的作業系統了。
早期的作業系統非常多樣化，生產商生產出針對各自硬體的系統。每一個作業系統都有很不同的命令模式、操作過程和調試工具，即使它們來自同一個生產商。最能反映這一狀況的是，廠家每生產一台新的機器都會配備一套新的作業系統。這種情況一直持續到二十世紀六十年代IBM公司開發了System/360系列機器。儘管這些機器在性能上有明顯的差異，但是他們有統一的作業系統——OS/360（在開發OS/360過程中遇到的問題在Fred Brooks寫的軟體工程經典之作《人月神話》中詳細地敘述了）
OS/360的成功陸續地催化出MFT、MVT、SVS、MVS、MVS/XA、MVS/ESA、OS/390和z/OS。
UNIX作業系統是由AT&T公司開發出來的。由於它的早期版本是完全免費的，可以輕易獲得並隨意修改，所以它得到了廣泛的接受。後來，它成為開發小型機作業系統的起點。由於早期的廣泛應用，它已經成為的作業系統的典範。不過，它始終屬於AT&T公司，只有那些能負擔的起許可費的企業才用得起，這限制了它的應用範圍。
早期的作業系統是可以被用戶軟體所利用的功能的集合。一些有能力的公司發展更好的系統，但他們不支持其他公司硬體的特性。
60年代末70年代初，幾種硬體支持相似的或提供埠的軟體可在多種系統上運行。早期的系統已經利用微程序來在他們的系統上實現功能。事實上，除了360/165和360/168外，360/40之後的大部分360系列的機器都實行微程序設計。
微型處理器的發展使計算機的應用普及至中小企及個人愛好者。而計算機的普及又推動了硬體組件公共介面的發展（如S-100,SS-50,Apple II,ISA和PCI匯流排），並逐漸地要求有一種「標準」的作業系統去控制它們。在這些早期的計算機中，主要的作業系統是8080/8085/Z-80 CPU用的CP/M-80，它建立在數位研究公司(Digital Research)先前幾個針對PDP-11架構的作業系統的基礎上。在此基礎上又產生了MS-DOS（或IBM公司的PC-DOS）。這些計算機在ROM（只讀存儲器）都有一個小小的啟動程序，可以把作業系統從磁碟裝載到內存。IBM-PC系列的BIOS是這一思想的延伸。自1981年第一台IBM-PC誕生以來，BIOS的功能得到不斷地增強。
隨著顯示設備和處理其成本的降低，很多作業系統都開始提供圖形用戶界面。如：許多UNIX提供的X Window一類的系統、微軟的Windows系統、蘋果公司的Mac系統和IBM公司的OS/2等。最初的圖形用戶界面是由Xerox Palo Alto研究中心70年代初期研發出來的，之後被許多公司模仿，繼承發展。
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