Эволюция операционных систем

ЭВОЛЮЦИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

1. Первое поколение (до 1950)

История развития операционных систем насчитывает уже много лет. Так как операционные системы появились и развивались в процессе конструирования компьютеров, то эти события исторически тесно связаны. Огромное влияние на развитие операционных систем оказали успехи в совершенствовании элементной базы и вычислительной аппаратуры, поэтому многие этапы развития ОС тесно связаны с появлением новых типов аппаратных платформ.

Первый настоящий цифровой компьютер был изобретен английским математиком Чарльзом Бэббиджем (Charles Babbage, 1792-1871). Хотя большую часть жизни Бэббидж посвятил попыткам создания своей «аналитической машины», он так и не смог заставить ее работать должным образом. Это была чисто механическая машина, а технологии того времени не были достаточно развиты для изготовления многих деталей и механизмов высокой точности. Не стоит и говорить, что его аналитическая машина не имела операционной системы (ОС).

Интересный исторический факт: Бэббидж понимал, что для аналитической машины ему необходимо программное обеспечение, поэтому он нанял молодую женщину по имени Ада Лавлейс (Ada Lovelace), дочь знаменитого британского поэта Лорда Байрона. Она и стала первым в мире программистом, а язык программирования Ada назван в ее честь.

Электронные лампы и коммутационные панели

После неудачных попыток Бэббиджа вплоть до Второй мировой войны в конструировании цифровых компьютеров не было практически никакого прогресса. Примерно в середине 1940-х ученные:

? Говард Айкен (Howard Aiken) в Гарварде,

? Джон фон Нейман (John von Neumann) в Институте углубленного изучения в Принстоне,

? Дж. Преспер Эккерт (J. Presper Eckert), Вильям Мочли (William Mauchley) в Пенсильванском университете,

? Конрад Цузе (Konrad Zuse) в Германии и др.

продолжили работу в направлении создания вычислительных машин. На первых машинах использовались механические реле, но они были очень медлительны, длительность такта составляла несколько секунд. Позже реле заменили электронными лампами. Машины получались громоздкими, заполняющими целые комнаты, с десятками тысяч электронных ламп, но все равно они были в миллионы раз медленнее, чем даже самый дешевый современный персональный компьютер.

В те времена каждую машину и разрабатывала, и строила, и программировала, и эксплуатировала, и поддерживала в рабочем состоянии одна команда. Все программирование выполнялось на абсолютном машинном языке, управления основными функциями машины осуществлялось просто при помощи соединения коммутационных панелей проводами. Тогда еще не были известны языки программирования (даже ассемблера не было). Не было никакого системного программного обеспечения. Об операционных системах никто и не слышал.

Обычный режим работы программиста был таков:

? записаться на определенное время на специальном стенде,

? затем спуститься в машинную комнату,

? вставить свою коммутационную панель в компьютер и провести несколько следующих часов в надежде, что во время работы ни одна из двадцати тысяч электронных ламп не выйдет из строя.

Фактически тогда на компьютерах занимались только прямыми числовыми вычислениями, например расчетами таблиц синусов, косинусов и логарифмов.

К началу 50-х, с выпуском перфокарт, установившееся положение несколько улучшилось. Стало возможно вместо использования коммутационных панелей записывать и считывать программы с карт, но во всем остальном процедура вычислений оставалась прежней.

2. Второе поколение (1950-60)

Транзисторы и системы пакетной обработки

В середине 50-х изобретение и применение транзисторов радикально изменило всю картину. Компьютеры стали достаточно надежными, появилась высокая вероятность того, что машина будет работать довольно долго, выполняя при этом полезные функции. Впервые сложилось четкое разделение между проектировщиками, сборщиками, операторами, программистами и обслуживающим персоналом.

Машины, теперь называемые мэйнфреймами, располагались в специальных комнатах с кондиционированным воздухом, где ими управлял целый штат профессиональных операторов. Только большие корпорации, правительственные учреждения или университеты могли позволить себе технику, цена которой исчислялась миллионами долларов.

Наряду с совершенствованием аппаратуры заметный прогресс наблюдался также в области автоматизации программирования и организации вычислительных работ. В эти годы появились первые алгоритмические языки, и таким образом к библиотекам математических и служебных подпрограмм добавился новый тип системного программного обеспечения - трансляторы.

Выполнение каждой программы стало включать большое количество вспомогательных работ:

- загрузка нужного транслятора (АЛГОЛ, ФОРТРАН, КОБОЛ и т.п.);

- запуск транслятора;

- получение результирующей программы в машинных кодах;

- связывание программы с библиотечными подпрограммами;

- загрузка программы в оперативную память;

- запуск программы;

- вывод результатов на периферийное устройство.

Для организации эффективного совместного использования трансляторов, библиотечных программ и загрузчиков в штат многих вычислительных центров были введены должности операторов, профессионально выполнявших работу по организации вычислительного процесса для всех пользователей этого центра.

Но как бы быстро и надежно ни работали операторы, они никак не могли состязаться в производительности с работой устройств компьютера. Большую часть времени процессор простаивал в ожидании, пока оператор запустит очередную задачу. А поскольку процессор представлял собой весьма дорогое устройство, то низкая эффективность его использования означала низкую эффективность использования компьютера в целом.

Если учитывать высокую стоимость оборудования, не удивительно, что люди довольно скоро занялись поиском способа повышения эффективности использования машинного времени. Общепринятым решением стала система пакетной обработки. Первоначально замысел состоял в том, чтобы собрать пакет заданий (колод перфокарт) в комнате входных данных и затем переписать их на магнитную ленту, используя небольшой и (относительно) недорогой компьютер, например, IBM 1401, который был очень хорош для считывания карт, копирования лент и печати выходных данных, но не подходил для числовых вычислений.

В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал и оператору, какие действия и в какой последовательности он хочет выполнить на вычислительной машине.

После сбора пакета заданий, лента перематывалась, и ее относили в машинную комнату, где устанавливали на лентопротяжном устройстве. Затем оператор загружал специальную программу - монитор (прообраз сегодняшней операционной системы), которая считывала первое задание с ленты и запускала его. Выходные данные записывались на вторую ленту вместо того, чтобы идти на печать. Завершив очередное задание, операционная система автоматически считывала с ленты следующее и начинала обрабатывать его. После обработки всего пакета оператор снимал ленты с входной и выходной информацией, ставил новую ленту со следующим заданием, а готовые данные помещал на IBM 1401 для печати в автономном режиме (то есть без связи с главным компьютером).

Структура типичного входного задания начиналась с карты $JOB, на которой указывалось максимальное время выполнения задания в минутах, загружаемый учетный номер и имя программиста. Затем поступала карта $FORTRAN, дающая операционной системе указание загрузить компилятор языка Фортран с системной магнитной ленты. Эта карта следовала за программой, которую нужно было компилировать, а после нее шла карта $LOAD, указывающая операционной системе загрузить только что скомпилированную объектную программу.

Следом шла карта $RUN с данными, дающая операционной системе команду выполнять программу. Наконец, карта завершения $END отмечала конец задания. Эти примитивные управляющие перфокарты были предшественниками современных языков управления и интерпретаторов команд.

Системы пакетной обработки значительно сократили затраты на вспомогательные действия по организации вычислительного процесса, был сделан первый шаг по повышению эффективности использования компьютеров.

Большие компьютеры второго поколения использовались главным образом для научных и технических вычислений, таких как решение дифференциальных уравнений в частных производных, часто встречающихся в физике и инженерных задачах. В основном на них программировали на языке Фортран и ассемблере, а типичными операционными системами были FMS (Fortran Monitor System) и IBSYS (операционная система, созданная корпорацией IBM для компьютера IBM 7094).

3. Третье поколение (1960-1980)

Интегральные схемы и многозадачность

В это время в технической базе вычислительных машин произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что открыло путь к появлению следующего поколения компьютеров.

Фирма IBM первой использовала интегральные микросхемы, выпустив серию машин IBM/360 (аналоги этих семейств советского производства - машины серии ЕС), дававших преимущество в цене и качестве по сравнению с машинами второго поколения, созданными из отдельных транзисторов. Корпорация IBM добилась мгновенного успеха, а идею семейства совместимых компьютеров скоро приняли и все остальные основные производители.

Основное преимущество серии IBM/360 оказалось одновременно и величайшей его слабостью. По замыслу его создателей все программное обеспечение, включая операционную систему OS/360, должно было одинаково хорошо работать на всех моделях компьютеров: от небольших систем до огромных систем.

В этот период были реализованы практически все основные механизмы, присущие современным ОС:

- мультипрограммирование;

- поддержка многотерминального многопользовательского режима;

- виртуальная память;

- файловые системы;

- разграничение доступа;

- сетевая работа.

В эти годы начинается расцвет системного программирования.

Мультипрограммирование - способ организации вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера находилось одновременно несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре. Память разбивалась на несколько частей, называемых разделами, каждому из которых давалось отдельное задание. Пока одно задание ожидало завершения работы устройства ввода-вывода, другое могло использовать центральный процессор. Если в оперативной памяти содержалось достаточное количество заданий, центральный процессор мог быть загружен почти на все 100% по времени.

Эти усовершенствования значительно улучшили эффективность вычислительной системы: компьютер теперь мог использоваться почти постоянно, а не менее половины времени работы компьютера, как это было раньше.

Мультипрограммирование было реализовано в 2 вариантах:

1. В системах пакетной обработки;

2. В системах разделения времени.

1. Мультипрограммные системы пакетной обработки так же, как и их однопрограммные предшественники, имели своей целью обеспечение максимальной загрузки аппаратуры компьютера, однако решали эту задачу более эффективно.

Суть. В мультипрограммном пакетном режиме процессор не простаивал, пока одна программа выполняла операцию ввода-вывода, а переключался на другую готовую к выполнению программу.

Недостаток. Пользователь был лишен возможности интерактивно взаимодействовать со своими программами.

2. Системы разделения времени рассчитаны на многотерминальные системы, когда каждый пользователь работает за своим терминалом.

Первая серьезная операционная система с режимом разделения времени CTSS (Compatible Time Sharing System - Совместимая система разделения времени) была разработана в Массачусетсском технологическом институте (M.I.T.) на специально переделанном компьютере IBM 7094.

После успеха системы CTSS Массачусетсский технологический институт, система исследовательских лабораторий Bell Labs и корпорация General Electric решили начать разработку «компьютерного предприятия общественного пользования» - машины, которая должна была поддерживать сотни одновременных пользователей в режиме разделения времени. Так была разработана операционная система MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service - мультиплексная информационная и вычислительная служба). Вариант мультипрограммирования, применяемый в системах разделения времени, был нацелен на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного владения вычислительной машиной за счет периодического выделения каждой программе своей доли процессорного времени.

Недостаток. Система была написана на языке PL/1, а компилятор языка PL/1 появился лишь через несколько лет.

К настоящему времени идея компьютерного предприятия общественного пользования выдохлась, но она может благополучно вернуться к жизни в форме массивных централизованных Интернет-серверов, выполняющих основную часть работы, к которым будут присоединены относительно «глупые» пользовательские машины.

Реализация мультипрограммирования потребовала внесения очень важных изменений в аппаратуру компьютера, непосредственно направленных на поддержку нового способа организации вычислительного процесса. При разделении ресурсов компьютера между программами необходимо обеспечить быстрое переключение процессора с одной программы на другую, а также надежно защитить коды и данные одной программы от непреднамеренной или преднамеренной порчи другой программой. В процессорах появился привилегированный и пользовательский режимы работы, средства защиты областей памяти, а также развитая система прерываний.

В привилегированном режиме, предназначенном для работы программных модулей операционной системы, процессор мог выполнять все команды, в том числе и те из них, которые позволяли осуществлять распределение и защиту ресурсов компьютера.

Программам, работающим в пользовательском режиме, некоторые команды процессора были недоступны. Таким образом, только ОС могла управлять аппаратными средствами и исполнять роль монитора и арбитра для пользовательских программ, которые выполнялись в непривилегированном, пользовательском режиме.

Система прерываний позволяла синхронизировать работу различных устройств компьютера, работающих параллельно и асинхронно, таких как каналы ввода-вывода, диски, принтеры и т.п.

Вывод: Аппаратная поддержка операционных систем стала с тех пор неотъемлемым свойством практически любых компьютерных систем, включая персональные компьютеры.

Еще одним важным моментом развития во времена третьего поколения был феноменальный рост числа мини-компьютеров, начиная с выпуска машины PDP-1 корпорацией DEC. За этой машиной последовала целая серия других PDP (в отличие от семейства IBM, полностью несовместимых), завершенная - PDP-11.

Кен Томпсон (Ken Thompson), один из специалистов по компьютерам в Bell Libs, работавший над проектом MULTICS, впоследствии нашел мини-компьютер РDР-7, которым никто не пользовался, и решил написать усеченную однопользовательскую версию системы MULTICS. Эта работа позже развилась в операционную систему UNIX, ставшую популярной в академическом мире, в правительственных управлениях и во многих компаниях. Программный код для UNIX был на 90% написан на языке высокого уровня С.

По причине широкой доступности исходного кода различные организации создали свои собственные (несовместимые) версии, что привело к хаосу. Были разработаны две главные версии:

- System V корпорации AT&T;

- BSD (Berkeley Software Distribution) Калифорнийского университета Беркли.

Эти системы, в свою очередь, распадаются на отдельные разновидности. Чтобы стало возможным писать программы, работающие в любой UNIX-системе, Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) разработал стандарт системы UNIX, называемый POSIX, который теперь поддерживают большинство версий UNIX.

Стандарт POSIX переделяет минимальный интерфейс системного вызова, который должны поддерживать совместимые системы UNIX. Некоторые другие операционные системы теперь тоже поддерживают интерфейс POSIX.

4. Четвертое поколение (с 1980 года по наши дни)

Персональные компьютеры

Следующий период в эволюции операционных систем связан с появлением Больших Интегральных Схем (LSI, Large Scale Integration) - кремниевых микросхем, содержащих тысячи транзисторов на одном квадратном сантиметре. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры (первоначально называемые микрокомпьютерами) были во многом похожи на мини-компьютеры класса PDP-11, но, конечно, отличались по цене.

В 1974 году, когда компания Intel выпустила Intel 8080 - первый универсальный 8-разрядный центральный процессор, - для него потребовалась операционная система, с помощью которой можно было бы протестировать новинку. Компания Intel привлекла к разработкам и написанию нужной операционной системы одного из своих консультантов Гэри Килдэлла (Gary Kildall). Сначала Килдэлл с другом сконструировали контроллер для 8-дюймового гибкого диска, недавно выпущенного компанией Shugart Associates, и подключили этот диск к процессору Intel 8080.

Таким образом, появился первый микрокомпьютер с диском. Затем Килдэлл создал дисковую операционную систему, названную СР/М (Control Program for Microcomputers - программа управления для микрокомпьютеров). Когда Килдэлл заявил о своих правах на СР/М, корпорация Intel удовлетворила его просьбу, поскольку не думала, что у микрокомпьютеров с диском есть будущее. Позже Килдэлл создал свою компанию Digital Research для дальнейшего развития и продажи СР/М.

В 1977 году компания Digital Research переработала СР/М, чтобы сделать эту систему пригодной для работы на микрокомпьютерах с процессорами Intel 8080 или Zilog Z80, а также с другими процессорами.

В начале 80-х корпорация IBM разработала IBM PC (Personal Computer - персональный компьютер) и начала искать для него программное обеспечение. Сотрудники IBM связались с Биллом Гейтсом (Bill Gates), чтобы получить лицензию на право использования его интерпретатора языка Бейсик (BASIC). Они также поинтересовались, не знает ли он операционную систему, которая работала бы на PC. Гейтс посоветовал обратиться к Digital Research, тогда главенствующей компании по операционным системам. Но Килдэлл отказался встречаться с IBM, послав вместо себя подчиненного. Что еще хуже, его адвокат даже отказался подписывать соглашение о неразглашении, касающееся еще не выпущенного PC, чем полностью испортил дело. Корпорация IBM снова обратилась к Гейтсу с просьбой обеспечить ее операционной системой.

После повторного запроса IBM Гейтс выяснил, что у местного изготовителя компьютеров, Seattle Computer Products, есть подходящая операционная система DOS (Disk Operating System - дисковая операционная система). Он направился в эту компанию с предложением выкупить DOS (предположительно за $50000), которое компания Seattle Computer Products с готовностью приняла. Затем Гейтс создал пакет программ DOS/BASIC, и пакет был куплен IBM.

Когда корпорация IBM захотела некоторых усовершенствований в программе, Билл Гейтс пригласил для этой работы Тима Патерсона (Tim Paterson), человека, написавшего DOS, ставшего первым служащим еще не оперившейся компании Гейтса Microsoft. Видоизмененная система была переименована в MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System) и быстро заняла доминирующее положение на рынке IBM PC.

Самым важным оказалось решение Гейтса продать MS-DOS компьютерным компаниям для установки вместе с их оборудованием, в отличие от попыток Килдэлла продавать СР/М конечным пользователям.

Когда в 1983 году появился компьютер IBM PC/AT с центральным процессором Intel 80286, система MS-DOS уже прочно стояла на ногах, а СР/М доживала свои последние дни. Позже система MS-DOS широко использовалась на компьютерах с процессорами 80386 и 80486.

Хотя первоначальная версия MS-DOS была довольно примитивна, последующие версии системы выходили с все лучше разработанными свойствами, включая многое, позаимствованное от UNIX.

СР/М, MS-DOS и другие операционные системы для первых микрокомпьютеров полностью основывались на вводе команд с клавиатуры. Затем, благодаря исследованиям, проведенным в 60-е годы Дагом Энгельбартом (Doug Engelbart) в научно-исследовательском институте Стэнфорда (Stanford Research Institute), это свойство операционных систем изменилось. Энгельбарт изобрел графический интерфейс пользователя (GUI, Graphical User Interface), состоящий из окон, значков, различных меню и мыши. Эту идею переняли разработчики из Xerox PARC и встроили в сконструированные ими машины.

Однажды Стив Джобc (Steve Jobs), тот самый, который изобрел компьютер Apple, посетил PARC, где увидел GUI и тотчас осознал его потенциальную ценность, практически не осознаваемую руководством Xerox. Тогда Джобc приступил к созданию Apple с графическим интерфейсом. Это привело к проекту Lisa, который был слишком дорог и потерпел коммерческую неудачу.

Вторая попытка Джобса, Apple Macintosh, имела огромный успех не только из-за дешевизны, но и потому, что на нем работал дружественный интерфейс, то есть предназначенный для пользователей, ничего не знающих о компьютерах и, более того, вовсе не желающих чему-либо обучаться.

Когда корпорация Microsoft решила создать преемника MS-DOS, она находилась полностью под влиянием успехов компании Macintosh. Была разработана система, получившая название Windows, базой для которой послужил GUI.