История развития операционных систем

В мультипрограммных системах пакетной обработки пользователь по-прежнему был лишен возможности интерактивного взаимодействия со своими программами. Для того, чтобы хотя бы частично вернуть пользователям ощущение непосредственного взаимодействия с компьютером, был разработан другой вариант мультипрограммных систем - системы разделения времени. Этот вариант рассчитан на многотерминальные  системы, когда каждый пользователь работает за своим терминалом. В  числе первых операционных систем разделения времени, разработанных в середине 60-х годов, были TSS/360 (компания IBM), CTSS и MULTICS (Массачусетский технологический  институт совместно с Bell Labs и компанией General Electric). Вариант мультипрограммирования, применяемый в системах разделения времени, был нацелен на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного владения вычислительной машиной за счёт периодического выделения  каждой программе своей доли процессорного  времени. В системах разделения времени  эффективность использования оборудования ниже, чем в системах пакетной обработки, что явилось платой за удобства работы пользователей. Многотерминальный  режим использовался не только в  системах разделения времени, но и в  системах пакетной обработки. При этом не только оператор, но и все пользователи получали возможность формировать  свои задания и управлять их выполнением  со своего терминала. Такие ОС получили название систем удалённого ввода заданий. Терминальные комплексы могли располагаться  на большом расстоянии от процессорных стоек, соединяясь с ними с помощью  различных глобальных связей - модемных соединений телефонных сетей или  выделенных каналов. Для поддержания  удалённой работы терминалов в операционных системах появились специальные программные модули, реализующие различные (в то время, как правило, нестандартные) протоколы связи. Такие вычислительные системы с удалёнными терминалами, сохраняя централизованный характер обработки данных, в какой-то степени являлись прообразом современных сетей, а соответствующее системное программное обеспечение - прообразом сетевых операционных систем.

В компьютерах 60-х годов  большую часть действий по организации  вычислительного процесса взяла  на себя операционная система. 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  надёжно защитить коды и данные одной  программы от непреднамеренной или  преднамеренной порчи другой программы. В процессорах появился привилегированный  и пользовательский режим работы, специальные регистры для быстрого переключения с одной программы  на другую, 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 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.

Ещё одной важной тенденцией этого периода является создание семейств программно - совместимых  машин и операционных систем для  них. Примерами семейств программно - совместимых машин, построенных  на интегральных микросхемах, являются серии машин IBM/360, IBM/370 и PDP-11.

Программная совместимость  требовала и совместимости операционных систем. Однако такая совместимость  подразумевает возможность работы на больших и малых вычислительных системах, с большим и малым  количеством разнообразной периферии, в коммерческой области и в  области научных исследований. Операционные системы, построенные с намерением удовлетворить всем этим противоречивым требованиям, оказались чрезвычайно  сложными. Они состояли из многих миллионов  ассемблерных строк, написанных тысячами программистов, и содержали тысячи ошибок, вызывающих нескончаемый поток  исправлений. Операционные системы  этого поколения были очень дорогими. Так, например, разработка OS/360, объём  кода для которой составил 8 Мбайт, стоила компании IBM 80 миллионов долларов.

Однако, несмотря на необозримые  размеры и множество проблем, OS/3600 и другие ей подобные операционные системы этого поколения действительно  удовлетворяли большинству требований потребителей. За это десятилетие  был сделан огромный шаг вперёд и  заложен прочный фундамент для  создания современных операционных систем.

.2 Операционные системы  и глобальные сети

В начале 70-х годов появились  первые сетевые операционные системы, которые в отличие от многотерминальных  ОС позволяли не только рассредоточить пользователей, но и организовать распределённое хранение и обработку данных между  несколькими компьютерами, связанными электрическими связями. Любая сетевая  операционная система, с одной стороны, выполняет все функции локальной  операционной системы, а с другой стороны, обладает некоторыми дополнительными  средствами, позволяющими ей взаимодействовать  по сети с операционными системами  других компьютеров. Программные модули, реализующие сетевые функции, появлялись в операционных системах постепенно, по мере развития сетевых технологий, аппаратной базы компьютеров и возникновения  новых задач, требующих сетевой  обработки.

Хотя теоретические работы по созданию концепций сетевого взаимодействия велись почти с самого появления  вычислительных машин, значимые практические результаты по объединению компьютеров  в сети были получены в конце 60-х, когда с помощью глобальных связей и техники коммутации пакетов  удалось реализовать взаимодействие машин класса мэйнфреймов и суперкомпьютеров. Эти дорогостоящие компьютеры часто  хранили уникальные данные и программы, доступ к которым необходимо было обеспечить широкому кругу пользователей, находившихся в различных городах  на значительном расстоянии от вычислительных центров.

В 1969 году Министерство обороны  США инициировало работы по объединению  суперкомпьютеров оборонных и научно - исследовательских центров в  единую сеть. Эта сеть получила название ARPANET и явилась отправной точкой для создания самой известной  ныне глобальной сети - Интернета. Сеть ARPANET объединяла компьютеры разных типов, работавшие под управлением различных  ОС с добавленными модулями, реализующими коммуникационные протоколы, общие  для всех компьютеров сети.

В 1974 году компания IBM объявила о создании собственной сетевой  архитектуры для своих мэйнфреймов, получившей название SNA (System Network Architecture). Эта многоуровневая архитектура, во многом подобная стандартной модели OSI, появившейся несколько позже, обеспечивала взаимодействие типа «терминал - терминал», «терминал - компьютер» и  «компьютер - компьютер» по глобальным связям. Нижние уровни архитектуры  были реализованы специализированными  аппаратными средствами, наиболее важным из которых является процессор телеобработки. Функции верхних уровней SNA выполнялись  программными модулями. Один из них  составлял основу программного обеспечения  процессора телеобработки. Другие модули работали на центральном процессоре в составе стандартной операционной системы IBM для мэйнфреймов.

В это же время в Европе велись активные работы по созданию и  стандартизации сетей X.25. Эти сети с  коммутацией пакетов не были привязаны  к какой-либо конкретной операционной системе. После получения статуса  международного стандарта в 1974 году протоколы X.25 стали поддерживаться многими операционными системами. С 1980 года компания IBM включила поддержку  протоколов X.25 в архитектуру SNA и  в свои операционные системы.

.3 Операционные системы  мини-компьютеров и первые локальные  сети

К середине 70-х годов широкое  распространение получили мини-компьютеры, такие как PDP-11, Nova, HP. Мини-компьютеры первыми использовали преимущества больших интегральных схем, позволившие  реализовать достаточно мощные функции  при сравнительно невысокой стоимости  компьютера.

Многие функции мультипрограммных  многопользовательских ОС были усечены, учитывая ограниченность ресурсов мини-компьютеров. Операционные системы мини-компьютеров  часто стали делать специализированными, например только для управления в  реальном времени (ОС RT-11 для мини-компьютеров PDP-11) или только для поддержания  режима разделения времени (RSX-11M для  тех же компьютеров). Эти операционные системы не всегда были многопользовательскими, что во многих случаях оправдывалось  невысокой стоимостью компьютеров.

Важной вехой в истории  операционных систем явилось создание ОС UNIX. Первоначально эта операционная система предназначалась для  поддержания режима разделения времени  в мини-компьютере PDP-7. С середины 70-х годов началось массовое использование  ОС UNIX. К этому времени программный  код для UNIX был на 90% написан на языке высокого уровня С. Широкое  распространение эффективных С-компиляторов сделало UNIX уникальной для того времени  ОС, обладающей возможностью сравнительно лёгкого переноса на различные типы компьютеров. Поскольку эта ОС поставлялась вместе с исходными кодами, то она  стала первой открытой ОС, которую  могли совершенствовать простые  пользователи-энтузиасты. Хотя UNIX была первоначально разработана для  мини-компьютеров, гибкость, элегантность, мощные функциональные возможности  и открытость позволили ей занять прочные позиции во всех классах  компьютеров: суперкомпьютерах, мэйнфреймах, мини-компьютерах, серверах и рабочих  станциях на базе RISC-процессоров, персональных компьютерах.

Независимо от версии, общими для UNIX чертами являются:

1. многопользовательский режим со средствами защиты данных от несанкционированного доступа,
2. реализация мультипрограммной обработки в режиме разделения времени, основанная на использовании алгоритмов вытесняющей многозадачности,
3. использование механизмов виртуальной памяти и свопинга для повышения уровня мультипрограммирования,
4. унификация операций ввода-вывода на основе расширенного использования понятия "файл",
5. иерархическая файловая система, образующая единое дерево каталогов независимо от количества физических устройств, используемых для размещения файлов,
6. переносимость системы за счет написания ее основной части на языке C,
7. разнообразные средства взаимодействия процессов, в том числе и через сеть,
8. кэширование диска для уменьшения среднего времени доступа к файлам.

Доступность мини-компьютеров  и вследствие этого их распространённость на предприятиях послужили мощным стимулом для создания локальных сетей. Предприятие  могло себе позволить иметь несколько  мини-компьютеров, находящихся в  одном здании или даже в одной  комнате. Естественно, возникала потребность  в обмене информацией между ними и в совместном использовании  дорогого периферийного оборудования.

Первые локальные сети строились с помощью нестандартного коммуникационного оборудования, в  простейшем случае - путём прямого  соединения последовательных портов компьютеров. Программное обеспечение также  было нестандартным и реализовывалось  в виде пользовательских приложений. Первое сетевое приложение для ОС UNIX - программа UUCP (UNIX-to- UNIX Copy program) - появилась  в 1976 году и начала распространяться с версией 7 AT&T UNIX с 1978 года. Эта  программа позволяла копировать файлы с одного компьютера на другой в пределах локальной сети через  различные аппаратные интерфейсы - RS-232, токовую петлю и т.п., а  кроме того, могла работать через  глобальные связи, например модемные.

операционный система  многопользовательский глобальный сеть

4.4 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.

Интернет стал отличным полигоном  для испытаний многих сетевых  операционных систем, позволившим в  реальных условиях проверить возможности  их взаимодействия, степень масштабируемости, способность работы при экстремальной  загрузке, создаваемой сотнями и  тысячами пользователей. Независимость  от производителей, гибкость и эффективность  сделали протоколы TCP/IP не только главным  транспортным механизмом Интернета, но и основным стеком большинства сетевых  ОС.

Всё десятилетие было отмечено постоянным появлением новых, всё 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.