Эволюция операционных систем

Эволюция операционных систем

 

 

Появление первых операционных систем

 

 

Идея компьютера была предложена английским математиком Чарльзом Бэбиджем (Charles Babage) в середине девятнадцатого века. Его механическая «аналитическая машина» так и не смогла по-настоящему заработать, потому что технологии того времени не удовлетворяли требованиям, необходимым для изготовления нужных деталей точной механики. Конечно, никакой речи об операционной системе для этого «компьютера» не шло.

 

Настоящее рождение цифровых вычислительных машин произошло вскоре после  окончания Второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства. В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, ив программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа в  области вычислительной техники, а не использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Не было никакого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм, которые программист мог использовать для того, чтобы не писать каждый раз коды, вычисляющие значение какой-либо математической функции или управляющие стандартным устройством ввода-вывода. Операционные системы все еще не появились, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления, который представлял собой примитивное устройство ввода-вывода, состоящее из кнопок, переключателей и индикаторов. С середины 50-х годов начался новый период в развитии вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы - полупроводниковых элементов. Выросло быстродействие процессоров, увеличились объемы оперативной и внешней памяти. Компьютеры стали более надежными, теперь они могли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач.

 

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 и 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. Для решения этой проблемы были разработаны первые системы пакетной обработки, которые автоматизировали всю последовательность действий оператора по организации вычислительного процесса. Ранние системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными не для обработки данных, а для управления вычислительным процессом.

 

В ходе реализации систем пакетной обработки  был разработан формализованный  язык управления заданиями, с помощью  которого программист сообщал системе  и оператору, какие действия и  в какой последовательности он хочет  выполнить на вычислительной машине. Типовой набор директив обычно включал  признак начала отдельной работы, вызов транслятора, вызов загрузчика, признаки начала и конца исходных данных.

 

Оператор составлял пакет заданий, которые в дальнейшем без его  участия последовательно запускались  на выполнение управляющей программой - монитором. Кроме того, монитор был способен самостоятельно обрабатывать наиболее часто встречающиеся при работе пользовательских программ аварийные ситуации, такие как отсутствие исходных данных, переполнение регистров, деление на ноль, обращение к несуществующей области памяти и т. д. Пакет обычно представлял собой набор перфокарт, но для ускорения работы он мог переноситься на более удобный и емкий носитель, например на магнитную ленту или магнитный диск. Сама программа-монитор в первых реализациях также хранилась на перфокартах или перфоленте, а в более поздних - на магнитной ленте и магнитных дисках.

 

Ранние системы пакетной обработки  значительно сократили затраты  времени на вспомогательные действия по организации вычислительного  процесса, а значит, был сделан еще  один шаг по повышению эффективности  использования компьютеров. Однако при этом программисты-пользователи лишились непосредственного доступа  к компьютеру, что снижало эффективность  их работы - внесение любого исправления  требовало значительно больше времени, чем при интерактивной работе за пультом машины.

 

Развитие операционных систем в 80-е  годы

 

 

К наиболее важным событиям этого  десятилетия можно отнести разработку стека TCP/IP, становление Интернета, стандартизацию технологий локальных сетей, появление  персональных компьютеров и операционных систем для них.

 

Рабочий вариант стека протоколов TCP/IP был создан в конце 70-х годов. Этот стек представлял собой набор  общих протоколов для разнородной  вычислительной среды и предназначался для связи экспериментальной  сети ARPANET с другими «сателлитными» сетями. В 1983 году стек протоколов TCP/IP был принят Министерством обороны США в качестве военного стандарта. Переход компьютеров сети ARPANET на стек TCP/IP ускорила его реализация для операционной системы BSD UNIX. С этого времени началось совместное существование UNIX и протоколов TCP/IP, а практически все многочисленные версии Unix стали сетевыми.

 

Внедрение протоколов TCP/IP в ARPANET придало  этой сети все основные черты, которые  отличают современный Интернет. В 1983 году сеть ARPANET была разделена на две  части: MILNET, поддерживающую военные ведомства США, и новую ARPANET. Для обозначения составной сети ARPANET и MILNET стало использоваться название Internet, которое в русском языке со временем (и с легкой руки локализаторов Microsoft) превратилось в Интернет. Интернет стал отличным полигоном для испытаний многих сетевых операционных систем, позволившим проверить в реальных условиях возможности их взаимодействия, степень масштабируемости, способность работы при экстремальной нагрузке, создаваемой сотнями и тысячами пользователей. Стек протоколов TCP/IP также ждала завидная судьба. Независимость от производителей, гибкость и эффективность, доказанные успешной работой в Интернете, а также открытость и доступность стандартов сделали протоколы TCP/IP не только главным транспортным механизмом Интернета, но и основным стеком большинства сетевых операционных систем.

 

Все десятилетие было отмечено постоянным появлением новых, все более совершенных  версий ОС UNIX. Среди них были и  фирменные версии UNIX: SunOS, HP-UX, Irix, AIX и многие другие, в которых производители компьютеров адаптировали код ядра и системных утилит для своей аппаратуры. Разнообразие версий породило проблему их совместимости, которую периодически пытались решить различные организации. В результате были приняты стандарты POSIX и XPG, определяющие интерфейсы ОС для приложений, а специальное подразделение компании AT&T выпустило несколько версий UNIX System III и UNIX System V, призванных консолидировать разработчиков на уровне кода ядра.

 

Начало 80-х годов связано с  еще одним знаменательным для  истории операционных систем событием - появлением персональных компьютеров. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры ничем не отличались от класса мини-компьютеров типа PDP-11, но их стоимость была существенно ниже. Если мини-компьютер позволил иметь  собственную вычислительную машину отделу предприятия или университету, то персональный компьютер дал такую  возможность отдельному человеку. Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки «дружественного» программного обеспечения, и предоставление этих «дружественных» функций стало  прямой обязанностью операционных систем. Персональные компьютеры послужили  также мощным катализатором для  бурного роста локальных сетей, создав для этого отличную материальную основу в виде десятков и сотен  компьютеров, принадлежащих одному предприятию и расположенных  в пределах одного здания. В результате поддержка сетевых функций стала  для ОС персональных компьютеров  необходимым условием.

 

Однако и дружественный интерфейс, и сетевые функции появились  у операционных систем персональных компьютеров не сразу. Первая версия наиболее популярной операционной системы  раннего этапа развития персональных компьютеров - MS-DOS компании Microsoft - была лишена этих возможностей. Это была однопрограммная однопользовательская ОС с интерфейсом командной строки, способная стартовать с дискеты. Основными задачами для нее были управление файлами, расположенными на гибких и жестких дисках в UNIX-подобной иерархической файловой системе, а также поочередный запуск программ. MS-DOS не была защищена от программ пользователя, так как процессор Intel 8088 не поддерживал привилегированного режима. Разработчики первых персональных компьютеров считали, что при индивидуальном использовании компьютера и ограниченных возможностях аппаратуры нет смысла в поддержке мультипрограммирования, поэтому в процессоре не были предусмотрены привилегированный режим и другие механизмы поддержки мультипрограммных систем.

 

Недостающие функции для MS-DOS и подобных ей ОС компенсировались внешними программами, предоставлявшими пользователю удобный  графический интерфейс (например, Norton Commander) или средства тонкого управления дисками (например, PC Tools). Наибольшее влияние на развитие программного обеспечения для персональных компьютеров оказала операционная среда Windows компании Microsoft, представлявшая собой надстройку над MS-DOS.

 

Сетевые функции также реализовывались  в основном сетевыми оболочками, работавшими  поверх ОС. При сетевой работе всегда необходимо поддерживать многопользовательский  режим, при котором один пользователь - интерактивный, а остальные получают доступ к ресурсам компьютера по сети. В таком случае от операционной системы  требуется хотя бы некоторый минимум  функциональной поддержки многопользовательского режима. История сетевых средств MS-DOS началась с версии 3.1. Эта версия MS-DOS добавила к файловой системе  необходимые средства блокировки файлов и записей, которые позволили  более чем одному пользователю иметь  доступ к файлу. Пользуясь этими  функциями, сетевые оболочки могли  обеспечить разделение файлов между  сетевыми пользователями.

 

Вместе с выпуском версии MS-DOS 3.1 в 1984 году компания Microsoft также выпустила продукт, называемый Microsoft Networks, который обычно неформально называют MS-NET. Некоторые концепции, заложенные в MS-NET, такие как введение в структуру базовых сетевых компонентов - редиректора и сетевого сервера, успешно перешли в более поздние сетевые продукты Microsoft: LAN Manager, Windows for Workgroups, а затем и в Windows NT.

 

Сетевые оболочки для персональных компьютеров выпускали и другие компании: IBM, Artisoft, Performance Technology и другие.

 

Иной путь выбрала компания Novell. Она изначально сделала ставку на разработку операционной системы со встроенными сетевыми функциями и добилась на этом пути выдающихся успехов. Ее сетевые операционные системы NetWare на долгое время стали эталоном производительности, надежности и защищенности для локальных сетей.

 

Первая сетевая операционная система  компании Novell появилась на рынке в 1983 году и называлась OS-Net. Эта ОС предназначалась для сетей, имевших звездообразную топологию, центральным элементом которых был специализированный компьютер на базе микропроцессора Motorola 68000. Немного позже, когда фирма IBM выпустила персональные компьютеры PC XT, компания Novell разработала новый продукт - NetWare 86, рассчитанный на архитектуру микропроцессоров семейства Intel 8088.

 

С самой первой версии ОС NetWare распространялась как операционная система для центрального сервера локальной сети, которая за счет специализации на выполнении функций файл-сервера обеспечивает максимально возможную для данного класса компьютеров скорость удаленного доступа к файлам и повышенную безопасность данных. За высокую производительность пользователи сетей Novell NetWare расплачиваются стоимостью - выделенный файл-сервер не может использоваться в качестве рабочей станции, а его специализированная ОС имеет весьма специфический прикладной программный интерфейс (API), что требует от разработчиков приложений особых знаний, специального опыта и значительных усилий.

 

В отличие от Novell большинство других компаний развивали сетевые средства для персональных компьютеров в рамках операционных систем с универсальным интерфейсом API, то есть операционных систем общего назначения. Такие системы по мере развития аппаратных платформ персональных компьютеров стали все больше приобретать черты операционных систем мини-компьютеров.

 

В 1987 году в результате совместных усилий Microsoft и IBM появилась первая многозадачная операционная система для персональных компьютеров с процессором Intel 80286, в полной мере использующая возможности защищенного режима - OS/2. Эта система была хорошо продуманна. Она поддерживала вытесняющую многозадачность, виртуальную память, графический пользовательский интерфейс (не с первой версии) и виртуальную машину для выполнения DOS-приложений. Фактически она выходила за пределы простой многозадачности с ее концепцией распараллеливания отдельных процессов, получившей название многопоточности.

 

OS/2 с ее развитыми функциями  многозадачности и файловой системой HPFS со встроенными средствами  многопользовательской защиты оказалась  хорошей платформой для построения  локальных сетей персональных  компьютеров. Наибольшее распространение  получили сетевые оболочки LAN Manager компании Microsoft и LAN Server компании IBM, разработанные этими компаниями на основе одного базового кода. Эти оболочки уступали по производительности файловому серверу NetWare и потребляли больше аппаратных ресурсов, но имели важные достоинства - они позволяли, во-первых, выполнять на сервере любые программы, разработанные для OS/2, MS-DOS и Windows, а во-вторых, использовать компьютер, на котором они работали, в качестве рабочей станции.