Эволюция операционных систем. Основные этапы развития.

История развития операционных систем насчитывает уже более половины века и неразрывно связана с техническим уровнем развития электроники, материаловедения, математического аппарата, всех тех дисциплин науки и техники, без которых немыслимо построить вычислительный комплекс. Поэтому этапы развития операционных систем тесно связаны с определенными этапами научно-технического прогресса в данной области.

Первый период (1945 – 1955 гг.)

Первые электронные вычислительные машины появились после второй мировой войны. В 40-х были созданы первые вычислительные устройства, основанные на лампах, и появился принцип программы, хранящейся в памяти машины (Говард Айкен из Гарвардского университета, Джон фон Нейман из Института углубленного изучения в Принстоне и другие, июнь 1945 г.). Вычислительные машины были громоздкими, занимающими несколько комнат. Их конструкция предполагала использование нескольких тысяч электронных ламп. Такой же громоздкой была и работа с вычислительной машиной. Одна группа людей одновременно выполняла их обслуживание, эксплуатацию и программирование. Такие машины вполне можно отнести к категории экспериментальных, и выполняемые на них вычисления, скорее, носили пробный (экспериментальный) характер. Программирование выполнялось исключительно на машинном языке, т.е. последовательным вводом с клавишного пульта кодов команд и данных, и ни о каком системном или прикладным программным обеспечении речи не шло. Программа загружалась в память машины с помощью коммутационной панели либо с колоды перфокарт. Существующие устройства ввода/вывода не были стандартизированы и представляли собой примитивные пульты с набором переключателей, кнопок и индикаторов. Всеми ресурсами вычислительной машины распоряжался обслуживающий ее персонал, который вручную запускал программу на исполнение, выделял ей необходимый объём памяти и визуально контролировал весь процесс вычислений. Вычислительная система выполняла одновременно только одну операцию (ввод-вывод или собственно вычисления). Отладка программ велась с пульта управления с помощью изучения состояния памяти и регистров машины. Однако уже в этот период времени были созданы библиотеки математических и служебных программ, к которым программист мог обращаться при выполнении основной программы.

В конце этого периода появляется первое системное программное обеспечение: в 1951–1952 гг. возникают прообразы первых компиляторов с символических языков (Fortran и др.), а в 1954 г. Nat Rochester разрабатывает Ассемблер для IBM-701.

Существенная часть времени уходила на подготовку запуска программы, а сами программы выполнялись строго последовательно. Такой режим работы называется последовательной обработкой данных. В целом первый период характеризуется крайне высокой стоимостью вычислительных систем, их малым количеством и низкой эффективностью использования. Так, ЭВМ UNIVAC I, разработанная в марте 1951 года, содержала 5000 ламп и могла работать со скоростью 1000 операций в секунду. Стоимость такой машины составляла 159000 долларов США.

Второй период (1955 г. – начало 60-х).

В середине 50-х годов ХХ века начался новый период в развитии вычислительной техники. На смену реле и лампам пришли полупроводниковые транзисторы. Это позволило увеличить производительность процессоров, резко возрос объём оперативной и внешней памяти, появились принципиально новые устройства сопряжения. В целом вычислительная система стала более сложной, что изменило отношение к ней со стороны операторов. Возникла необходимость в автоматизации вычислительных работ и, как следствие, упрощение самого процесса программирования. В эти годы появились первые алгоритмические языки и сопутствующее им специальное программное обеспечение – трансляторы. Среди языков того времени наибольшее распространение получили АЛГОЛ и Фортран.

Выполнение любых вычислений стало включать большее количество последовательной работы, а именно: ввод текста программ, загрузка нужного транслятора, связывание программ с библиотечными подпрограммами, получение результирующей программы в машинных кодах, загрузка кода в оперативную память, запуск программ и, наконец, вывод результатов на внешнее устройства. То есть сам процесс вычислений занимает только одну из составных частей в многочисленных вычислительных операциях. Это потребовало введения в штат вычислительных центров высококвалифицированных операторов ЭВМ.

Понятно, что как бы быстро и надежно не работали операторы, производительность устройств вычислительной машины выше. Следовательно, часть времени машина просто простаивает в ожидании очередных действий оператора. Для решения данной проблемы были разработаны первые системы пакетной обработки, которые автоматизировали всю последовательность действий оператора по организации вычислительного процесса. Это были первые системные программы – прообразы современных операционных систем. Система пакетной обработки представляла типовой набор директив, включающий признак начала отдельной работы, вызов транслятора, вызов загрузчика, признак начала и конца исходных данных. Для удобства работы с директивами был разработан формализованный язык управления заданиями (прообраз команд DOS). Оператор составляет пакет заданий, которые последовательно запускались на исполнение специальной управляющей программой – монитором. Монитор мог самостоятельно обрабатывать аварийные ситуации и контролировать использование оперативной памяти. Пакет обычно представлял собой набор перфокарт, содержимое которых последовательно вводилось в машину с помощью специального устройства. Отметим, что устройство позволяло устанавливать в него несколько пакетов перфокарт, отсюда, собственно, и название данного набора директив – системы пакетной обработки.

Системы пакетной обработки существенно ускорили выполнение вспомогательных действий по организации вычислительного процесса, однако программисты–пользователи лишились непосредственного доступа к машине, что снижало эффективность работы самих программистов. Любое исправление в программе в процессе ее отладки требовало больших затрат времени. Так или иначе, сами вычисления контролировали другие - обслуживающий персонал вычислительных центров.

Компьютеры второго поколения использовались главным образом для научных и технических расчетов, таких, например, как решение дифференциальных уравнений. Программирование велось на Фортране или Ассемблере, а типичными операционными системами служили FMS (Fortran Monitor System) и IBSYS (операционная система компании IBM для компьютера IBM 7094).

Третий период (начало 60-х – 1980 г.).

Появление в 1965-1975 годах вычислительных машин на базе интегральных схем открыло новую страницу в развитии вычислительной техники. Новые машины имели сложную развитую архитектуру, наиболее приближённую к архитектуре современных компьютеров. К этому времени полностью определились с основным периферийным оборудованием. Типичными представителями таких машин являются серии ЭВМ IBM/360 или их отечественные аналоги – ЭВМ семейства ЕС. Так как машины этой серии имели одинаковую структуру и набор команд, то программы, написанные для одного компьютера, могли работать в принципе и на всех других. Еще одним преимуществом серии компьютеров IBM/360 было то, что данные ЭВМ могли использоваться как в научных целях (числовые вычисления для науки и техники), так и для коммерческого использования (сортировка и печать данных). Это предопределило успех фирмы IBM, которая заявила себя мировым лидером на рынке вычислительных машин. Идею семейства совместимых компьютеров стали принимать и другие производители. Операционная система OS/360 была предназначена для работы на всех компьютерах данного семейства машин независимо от того, какое предназначение было у используемого компьютера (расчет прогноза погоды или обычное копирование информации с перфокарт на магнитные ленты).

Несмотря на то, что операционная система OS/360 была очень громоздкой и сложной (миллионы строк на ассемблере), именно в этот период были реализованы практически все основные механизмы, встраиваемые в современные операционные системы: многозадачность, поддержка многопользовательского режима, виртуальная память, файловая система и т.п. Из направления прикладной математики, связанного с программированием, выделяется отдельная отрасль - системное программирование. В условиях резко возросших вычислительных мощностей выполнение только одного задания в каждый момент времени оказалось малоэффективным. Решение было найдено в мультипрограммировании (многозадачности) – способе организации вычислительного процесса, при котором в оперативную память загружается несколько задач одновременно, но попеременно выполняющихся на одном процессоре. Мультипрограммирование было реализовано в двух вариантах: в хорошо зарекомендовавшей себя системе пакетной обработки и в системе разделения времени (разработчик – Массачусетсский технологический институт, IBM 7094), благодаря которой у каждого пользователя появился свой диалоговый терминал.

Использование интегральных схем позволило значительно уменьшить размеры вычислительных машин. Такие ЭВМ стали называть мини-компьютеры (PDP-1, корпорация DEC, 1961 год), и, хотя стоимость их составляла порядка 120 000 долларов США, они были коммерчески успешными и имели хороший спрос. Их стоимость составляла 5% от стоимости ЭВМ IBM 7094, однако, некоторые операции компьютеры серии PDP выполняли с такой же скоростью.

Именно для компьютеров серии PDP-7 специалист фирмы Bell Labs Кен Томпсон разработал однопользовательскую версию операционной системы MULTICS, которая позже развилась в операционную систему UNIX, у которой затем появились разновидности System V (корпорация AT&T), BSD (Калифорнийский институт Беркли) и другие. Для операционной системы UNIX Кен Томпсон и Денис Ритчи разработали язык C, который до сих пор является лидирующим в области системного программирования. В 1974 году они опубликовали статью “The UNIX Timesharing System” в журнале Commun. of the ACM, благодаря которой система UNIX стала популярной.