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  Windows 3.0版發行於1990年5月22日,幷包含了顯著改進的使用者介面以及技術改進,以更好地利用英特爾80286和80386處理器的記憶體管理功能。為MS-DOS編寫的文字模式程式可以在視窗中執行,使得程式可以在多工基礎上可以使用。雖然這個版本只是為家庭使用者設計的,很多遊戲和娛樂程式仍然要求DOS存取,Windows 3.0是最後一版支援英特爾8088及8086處理器的Windows作業系統。工作管理員和圖示都起源於Windows 3.0。  Windows 3.0保留了其前身便附帶的許多簡單的應用程式,如文字編輯器記事本、文書處理程式寫字板、改進的繪畫程式畫圖和計算器。錄製器首次引入Windows 3.0,它可以記錄巨集或按鍵和滑鼠移動的序列,然後將這些巨集作為快捷鍵分配給按鍵,以便快速執行復雜的功能。此外,Windows 3.0還加入了紙牌遊戲。  Windows圖示和圖形在EGA和VGA模式下支援全部16種顏色,而Windows2.x只有非常有限的調色盤用於彩色選單,其餘部分仍未黑白。此外,Windows 3.0首次支援256色SVGA模式。  Windows3.0包括保護/增強模式,該模式允許Windows應用程式比DOS應用程式更輕鬆地使用更多記憶體。它可以在任何真實模式、標準模式或386增強模式下執行,並與從8086、8088到80286和80386的任何英特爾處理器相容。Windows3.0會嘗試自動檢測在哪種模式下執行,但使用者可以分別使用開關codice_1(真實模式)、codice_2(標準286保護模式)和codice_3(386增強保護模式)強制在特定模式下執行。由於Windows3.0(和更高版本的Windows3.1)在16位的286保護模式下執行,而不是在32位保護模式下執行,因此它們預設使用64 KB分段記憶體模型。但是,在32位的CPU上,程式設計師可以訪問更大的記憶體指標,因此可以將程式段擴充套件到所需的任何大小(由於分段描述符為24位,最大限制為16MB)。由於當時的Windows API函式是16位的,無法使用32位指標,因此儘管程式碼中可能包含32位指令,但仍然有必要像DOS一樣將部分執行作業系統呼叫的程式程式碼放在64KB分段中。AMI Pro是第一個需要386的Windows應用程式。正因為如此,Windows3.0總共只能訪問16MB的RAM,即使是在386或更高的CPU上也是如此,而這些CPU理論上可以使用最多4 GB的記憶體容量。  儘管386增強模式核心是Windows/386保護模式核心的增強版本,但Windows3.0是第一個在保護模式下執行Windows程式的版本。  Windows3.0是第一個由PC相容製造商預裝在硬碟上的版本。此前,Zenith Data Systems在發行其所屬PC時會附帶Windows 1.0或更高版本的軟盤,而在Windows 3.0開發初期,Zenith就承諾將會預先安裝Windows 3.0。事實上,由於Zenith在教育市場上與蘋果的直接競爭,Zenith部門一直在努力推動微軟開發圖形使用者介面。然而,Zenith個人電腦只能執行專有OEM版本的Windows,因為它們使用的是1024位元組扇區的硬碟,而不是普通的512位元組,並且不能使用標準的磁碟交換檔案應用程式。  Windows 3.0不能像以前的版本那樣作為執行時版本使用。由於Windows的市場滲透率較低,Windows 2.x的有限使用版本通常與其他應用程式(如Ami Pro)捆綁在一起。  Windows 3.0的標準零售和OEM發行版主要使用高密度的1.2MB和1.44MB軟盤進行銷售,此外還提供了720KB的版本,而360KB的版本可以從微軟訂購。完整安裝後的Windows 3.0佔用近5MB的硬碟空間。

  1990年12月,Microsoft釋出了Windows 3.0a。此版本包含改進的功能,可移動大於64KB的資料(原始版本一次只能操作一個記憶體分段)。它還通過減少與網路,列印和低記憶體狀況相關的“不可恢復的應用程式錯誤(UAE)”來提高穩定性。 該版本在“幫助/關於Windows系統”對話方塊中顯示為“Windows 3.00a”。

  微軟於1991年10月釋出了基於Windows3.0a的Windows 3.0 with Multimedia Extensions 1.0。該版本支援多種音效卡(包括創新科技的Sound Blaster Pro音效卡)以及CD-ROM驅動器。此版本主要釋出給OEM分銷商,主要是CD-ROM驅動器和音效卡製造商,一些PC也預裝了該版本。該版本增加了對音訊輸入和輸出的基本多媒體支援,以及新的應用程式(媒體播放器、CD音訊播放器)、更先進的幫助格式、螢幕保護程式和新的時鐘。這些新功能隨後整合到Windows 3.1x中。微軟還開發了Windows Sound System音效卡規範來補充這些擴充套件。在Windows3.0實時模式下無法訪問這些新功能。  MME API是第一個通用和標準化的Windows音訊API。直到Windows XP為止,波形聲音事件在Windows中播放,而MIDI I/O則使用使用MME。在多媒體/聲音和音訊控制面板小程式中列出的裝置表示的是音效卡驅動程式的MME API。  MME缺少聲道混音功能,因此一次只能渲染一個音訊流。從Windows 2000開始,MME支援在多個應用程式之間共享音訊裝置進行回放,最多支援兩個錄音通道、16位音訊位深度和高達44.1 kHz的取樣率,所有音訊均混音並取樣至44.1 kHz。

  1992年4月6日,作為Windows 3.0的繼任者Windows 3.1發行。隨後的版本在1992至1993年間釋出,直到1995年開始被Windows 95取代。在Windows 3.1的生命週期中,Windows 3.1對仍然基於MS-DOS的平臺引入了多個增強功能,包括改進系統穩定性並擴充套件對多媒體、TrueType字型和工作組聯網的支援。  為增加系統穩定性,Windows 3.1取消了對真實模式的支援,至少需要286 PC和1MB記憶體才能執行。某些舊的功能被移除,例如CGA圖形支援(儘管Windows 3.0的CGA驅動程式仍然可以在3.1上執行),以及與真實模式Windows 2.x應用程式的相容性。  Windows 3.1新增了對TrueType字型的支援,為Windows應用程式提供了可伸縮的字型,而不必求助於第三方字型技術,如Adobe Type Manager。Windows 3.1包括了三種帶有常規、粗體、斜體和粗斜體版本的字型(Arial、Courier New和Times New Roman)以及可伸縮符號集合(Symbol)。Truetype字型可以取決於所呼叫的應用程式進行任意大小的伸縮以及旋轉。  在386增強模式中,如果DOS應用程式支援滑鼠,則視窗化DOS應用程式可以讓使用者使用Windows滑鼠指標操作程式中的選單和其他物件。少數DOS應用程式(如Microsoft Word的最新版本)可以訪問Windows剪貼簿。Windows自身附帶的驅動程式不能直接與DOS應用程式一起工作,並且滑鼠等硬體需要在啟動Windows之前載入DOS驅動程式。  Windows 3.1中的圖示除了具有更詳細的外觀外還能夠拖拽。假設檔案與能夠處理列印任務的應用程式(如文書處理器)相關聯,則可以將檔案拖拽到列印管理器圖示上,該檔案會由當前印表機列印。或者可以將檔案拖拽出檔案管理器並放到應用程式圖示或視窗上進行處理。  與Windows 3.0的最大記憶體限制為16MB不同,Windows 3.1在386增強模式下理論上可以訪問最大4GB的記憶體,而實際上限是256MB。但是,任何單個程序都不能使用超過16MB的記憶體。與Windows 3.0相比,檔案管理器有了顯著改進。Windows 3.0 with Multimedia Extensions中附帶的多媒體擴充套件在Windows 3.1中得到了增強,並且對所有Windows 3.1使用者都可用。  Windows 3.1可通過720KB、1.2MB和1.44MB軟盤發行媒介獲得。它也是第一個以CD-ROM形式分發的Windows版本(儘管在Windows for Workroups 3.11中更為常見),它通常隨MS-DOS 6.22一併提供在一張CD上。完整安裝後的Windows 3.1佔用大約10MB和15MB的硬碟空間。  Windows 3.1中通過的32位磁碟訪問(僅限386增強模式)通過使用32位保護模式驅動程式而非16位BIOS功能(需要Windows暫時退出保護模式)提高了系統效能。而Windows 3.1還引入了用於儲存系統和應用程式的設定資訊的登錄檔。  Windows 3.1是第一個可以通過Command.com啟動Windows程式的版本。

  Windows 3.1 for Central and Eastern Europe是微軟專門為中歐和東歐地區釋出的Windows 3.1版本,該版本允許使用西裡爾字母,並使用帶有中歐和東歐語言特徵的變音符號的字型。微軟引入了自己的內碼表(Windows-1250),並支援其違反許多國家/地區的ISO標準的使用(例如,官方的波蘭語內碼表為ISO-8859-2,微軟忽略了該內碼表,但當代Internet Explorer版本支援該內碼表 )。微軟同樣還發布了支援日語的Windows 3.1J,在日本市場上市的第一年(1993年)就發行了146萬副本。

  Modular Windows是在Tandy視訊資訊系統(Tandy Video Information System)上執行的Windows 3.1的特殊版本。微軟的目標是將Modular Windows作為各種裝置(特別是用於連線電視的裝置)的嵌入式作業系統,特別是那些設計用於連線電視的裝置。然而,VIS是唯一已知的實際使用此Windows版本的產品。據稱微軟在VIS釋出後不久就建立了一個新的且不相容的Modular Windows版本(“1.1”)。目前尚無專用於Modular Windows 1.1的產品。

  Windows 3.11於1993年11月8日釋出。與Windows 3.1相比,該版本並沒有新增太多功能改進,主要包含的是對Windows 3.1的錯誤修復。但正因為這些修復,Windows 3.11被認為是Windows3.1的一個重大改進,對該作業系統的流行起到了推動作用。微軟用Windows 3.11取代了Windows 3.1的所有零售版,並向目前擁有Windows 3.1的所有使用者提供免費升級。。

  Windows 3.2是微軟專為中國大陸市場開發的視窗版本,僅提供簡體中文版。1993年11月22日,微軟為中國市場釋出了Windows 3.1的簡體中文版本。一年後,微軟釋出了更新,將其標識為Windows 3.2。因此,Windows 3.2是Windows 3.1中文版的更新版本。相比Windows 3.1,該版本在圖示和介面中文化程度上更加成熟,並且它新加入了智慧ABC和鄭碼兩種輸入法用於錄入漢字。這個版本是當年中國大陸的學校、企事業機關普遍使用的版本,中國大陸的軟體開發商也紛紛基於此平臺開發出第一代Windows軟體,例如WPS Office 1.0和科利華電腦家庭教師。  Windows 3.2通常由計算機製造商出售,帶有十磁碟版本的MS-DOS,該版本在基本輸出和某些翻譯的實用程式中也具有簡體中文字元。

  Windows for Workgroups是Windows 3.1x的一個擴充套件,允許使用者無需集中式身份驗證伺服器即可共享其資源並請求其他資源。它通過NetBIOS使用SMB協議。

  Windows for Workgroups 3.1於1992年10月釋出(最初代號為Winball,以後稱為Sparta),具有本機網路支援。它通過基於NetBIOS的NBF或IPX網路傳輸協議提供了SMB檔案共享支援,並引入了傷心小棧紙牌遊戲和VSHARE.386(SHARE.EXE的VxD版本)(終止和駐留程式)。

  Windows for Workgroups 3.11於1993年8月11日公佈,並於1993年11月釋出(最初代號為Snowball)。它支援32位檔案訪問,完整的32位網路重定向器以及在它們之間共享的VCACHE.386檔案快取。 WFW 3.11放棄了標準模式支援,並且需要386機器才能執行。  Windows 3.x需要Winsock程式包才能支援TCP/IP網路。此前Windows 3.x使用者通常使用第三方程式包,但在1994年8月,微軟釋出了一個附加程式包(代號為Wolverine),該程式包在Windows中為Workgroups 3.11提供了TCP/IP支援。 Wolverine是一個32位堆疊(可通過WinSock Thunk從16位Windows應用程式訪問),使其具有優於大多數可用的第三方TCP/IP Windows堆疊的效能。但是,它僅與Windows for Workgroups 3.11相容,並且缺少對撥號的支援。 Wolverine堆疊是TCP/IP堆疊的早期版本,後來隨Windows 95一起提供,並且為16到32位相容性層提供了早期測試平臺,這對於Windows 95的成功至關重要。  由於改進的功能和更高的穩定性,在1994年釋出MS-DOS 6.22之後,WFW 3.11很大程度上取代了Windows 3.1,用於在新的個人電腦上進行安裝。

  Windows 3.x的Beta測試版本的安裝程式使用一段稱為AARD的特殊程式碼,檢測當前執行的DOS是MS-DOS還是其他的DOS作業系統(如DR-DOS)。AARD程式碼程式碼在MS-DOS和PC-DOS上成功執行數個功能測試,但在競爭對手的作業系統上會出現技術支援警告訊息。如果系統不是MS-DOS,安裝程式將失敗。DR-DOS的開發者數碼研究公司在Windows 3.x的Beta測試版本釋出的幾周後釋出了一個補丁,遮蔽AARD程式碼以允許安裝程式繼續安裝。而微軟在Windows 3.1的最終版本中禁用了這段警告訊息,但未將AARD程式碼刪除。當Caldera從Novell手中購買到DR-DOS時,他們就AARD程式碼對微軟提起訴訟,但後來達成和解。

  1995年8月釋出的 Windows 95 取代了Windows 3.x。微軟在2008年11月1日正式取消了對所有16位版本的Windows的支援。  在個人電腦世界中被淘汰後的Windows 3.1以及Windows for Workgroup 3.11作為嵌入式作業系統找到利基市場。截至2008年11月,維珍航空和澳洲航空都將其用於遠端噴氣式飛機上的某些機上娛樂系統。而在零售現金收銀機中,Windows 3.1和Windows for Workgroup 3.11仍然作為嵌入式作業系統繼續使用。此外,Windows 3.1還用作DOSBox中的輔助應用程式,以便在64位Windows上模擬Win16遊戲。  2008年7月9日,微軟宣佈自2008年11月1日起,所有OEM分銷商將不再提供用於嵌入式裝置渠道的Windows for Workgroup 3.11。  2013年7月14日,Linux核心版本3.11被正式命名為“Linux For Workgroups”,出於對Windows for Workgroup 3.11的玩笑式的引用。
Windows 3.x家族是微軟於1990年到1994年間所發行的Windows系列操作平臺。其中的3.0版是第一個在世界上獲得成功的Windows版本。使得微軟的作業系統可以和蘋果電腦公司的麥金塔電腦以及在圖形使用者介面的Commodore的Amiga競爭。