Гладких Б.А. Информатика от абака до интернета. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

§ 3.3] ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 221

ровщик соответствует плановому отделу, супервизор – диспетчерскому

отделу, а система управления файлами подобна складскому хозяйству.

Как мы уже отмечали, эта аналогия очень глубока и продуктивна, так

как позволяет использовать в алгоритмах ОС математические модели и

методы, разработанные для организации производства.

На протяжении 60-х годов шло непрерывное совершенствование

мультипрограммных ОС, развивалась их теория, накапливался бесцен-

ный практический опыт. Высшим достижением в этой области можно

считать OS/360 MVT (Multiprogramming with Variable number of Tasks –

мультипрограммирование с переменным числом задач), созданную IBM

для знаменитой серии машин третьего поколения. Разработка системы

и сопровождающего базового программного обеспечения потребовала

многих тысяч человеко-лет труда квалифицированных системных про-

граммистов, она отлаживалась и шлифовалась не один год; создав ее,

IBM стала лидером по производству больших программных систем.

Пакетные ОС 60-х годов заботились лишь об од-

ном – экономии ресурсов компьютера. О про-

граммистах никто не думал, оплата их труда не

шла ни в какое сравнение со стоимостью машин-

ного времени. Из-за закрытости ВЦ программу в

лучшем случае удавалось пропускать через машину 1–2 раза в сутки,

программисты с тоской вспоминали о 50-х годах, когда двери машин-

ных залов были для них открыты.

Возникла проблема – нельзя ли так организовать вычислительный

процесс, чтобы, с одной стороны, каждый пользователь имел бы неог-

раниченный доступ к машинным ресурсам, а с другой – эти ресурсы

использовались бы с высоким КПД (в 70-е годы ЭВМ были все еще

очень дорогими).

Выход был найден в принципе

разделения времени (русское со-

кращение РВ, английское TS – t

ime sharing), предложенным профессо-

ром Джоном Маккарти, уже известном нам в качестве автора языка

Lisp. В соответствии с этим принципом на ЭВМ одновременно запуска-

лось несколько задач, каждая из них последовательно получала квант

времени. К каждой задаче привязывалось устройство общения с поль-

зователем (вначале телетайп, потом появились дисплеи) и выделялась

своя область памяти. В результате у каждого пользователя складыва-

лось впечатление, что он один работает с компьютером. То есть на ап-

паратуре одной ЭВМ средствами операционной системы организуется

70-е годы:

диалоговые ОС

с разделением

времени

222 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

несколько воображаемых – виртуальных – машин. Естественно, реаль-

ная ЭВМ должна быть достаточно мощной, для того чтобы вместить

все виртуальные машины.

Просто было только на бумаге. На практике возникло множество

проблем, потребовался длительный период времени, прежде чем систе-

мы с разделением времени стали реальностью. В своем развитии они

прошли несколько стадий.

Экспериментальная стадия. Родина систем РВ – Массачусетсский

технологический институт (МТИ). Идея Джона Маккарти, высказанная

им еще в 1959 году, была впервые реализована в 1961 году, когда под

руководством адъюнкт-профессора Фернандо Корбато (Corbato, Fer-

nando; р. 1926) была создана экспериментальная ОС РВ для ЭВМ IBM-

7090 под названием CTSS (Compartible Time Sharing System). В резуль-

тате опытов с ней родился замысел крупномасштабного проекта созда-

ния вычислительной системы коллективного пользования MAC

(Multiplexed Access Computer), который реализовывался совместно с

Bell Laboratories и General Electric при финансовой поддержке Агентст-

ва перспективных исследований (Advanced Research Projects Agency –

ARPA) Министерства обороны США. Следует сказать, что это агентст-

во сыграло выдающуюся роль в развитии информационных технологий,

1 2 3

Процессор

1 2 3 1 2 3

Пользователь 1

Пользователь 2

Пользователь 3

Квант процессорного времени

Квантование времени

§ 3.3] ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 223

в частности в создании компьютерных сетей, о чем мы будем более

подробно говорить в четвертой главе.

Проект MAC, программным ядром которого была операционная

система Multics, осуществлялся в течение многих лет, вплоть до начала

70-х годов; он оказал огромное влияние на всю последующую историю

операционных систем как экспериментальный полигон для отработки

новых идей. К работе над проектом широко привлекались студенты и

аспиранты, все результаты, в отличие от промышленных разработок,

широко обсуждались и публиковались. На системе Multics выросло це-

лое поколение системных программистов, в том числе будущий созда-

тель Unix Кеннет Томпсон, автор языка PL/1 Джордж Рэдин и др., она

вдохновила Кемени и Курца на создание многопользовательского

Бэйсика.

Промышленная стадия. Еще при создании системы CTSS стало

совершенно ясно, что для успешной реализации ОС РВ требуется тес-

нейшее взаимодействие программистов-разработчиков ядра ОС и ин-

женеров, производящих модификацию аппаратуры компьютера для ра-

боты в режиме разделения времени. Для проекта Multics, например,

фирма General Electric поставила специальную технику. Поэтому разра-

г. Кембридж, штат Массачусетс, в котором расположен

Массачусетсcкий технологический институт, отделен рекой

Чарльз от Бостона

224 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

ботка промышленных ОС РВ в начале 70-х годов переместилась в фир-

мы-производители ЭВМ.

Первой ЭВМ семейства IBM S/360, работающей в режиме разделе-

ния времени, стала модель 67, выпущенная в 1971 году. Для нее и по-

следующих моделей серии 370 была разработана операционная система

OS/VM – Virtual Mashines.

Фирма DEC, вырвавшаяся во второй половине 60-х годов на второе

место благодаря изобретению мини-ЭВМ, ответила выпуском ОС

RSX-11 для 16-битовой PDP-11 и системы MVS для 32-битовой VAX.

Поскольку архитектура мини-ЭВМ намного проще и логичнее, чем у

мэйнфреймов, их системы получились дешевле, надежнее и эффектив-

нее, что способствовало постепенному вытеснению мэйнфреймов с

рынка.

Когда первые сливки с рынка диалоговых ОС были сняты, выясни-

лось, что дальнейшее совершенствование их характеристик дается с

большим трудом по двум причинам.

Во-первых, разработка эффективных вычислительных систем тре-

бует глубоких теоретических исследований. Политика механического

наращивания сил и средств здесь не проходит. Концептуально новая

идея, основанная на точном математическом расчете, может дать боль-

ше, чем труд целой компании программистов.

Во-вторых, реализация таких систем – мучительный и долгий про-

цесс. Из-за высокой сложности алгоритмов, необходимости программи-

рования на уровне машинных команд и трудностей взаимодействия с

аппаратурой в реальном времени неизбежны многочисленные ошибки.

Отладка систем требует длительного времени и больших средств. На-

дежная операционная система как марочное вино – должна вызревать в

течение многих лет.

Долгая история Unix. Указанные выше обстоятельства объективно

привели к тому, что разнообразие промышленных операционных сис-

тем, наблюдавшееся в 60-е годы, в течение 70-х резко сократилось. Од-

нако и это разнообразие с точки зрения программистов было излишним.

Дело в том, что исполняемые программные модули, как правило, рабо-

тоспособны только в среде конкретной ОС. С развитием прикладного

программного обеспечения стало весьма обременительным разрабаты-

вать варианты программ для различных операционных систем. Идеаль-

ной для прикладного программиста была бы единая для различных ап-

паратных платформ унифицированная операционная система. Долгий

§ 3.3] ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 225

путь к этому идеалу оказался связанным с созданной в Bell Laboratories

операционной системой Unix.

Разработка системы не стояла в планах фирмы, это была личная

инициатива молодого системного программиста Кеннета Томпсона

(Thompson, Kenneth L.; р. 1943). Самая первая однопользовательская

версия системы была разработана им в 1969 году для мини-ЭВМ PDP-7,

в 1971 году Томпсон реализовал систему на Ас-

семблере для PDP-11, при этом многие принципи-

альные черты Unix (принципы мультипрограмми-

рования, организация файлов) были заимствованы

им из Multics (сначала система называлась Unics в

пику Multics, но затем буквы «cs» превратились в

«x»). В 1973 году вместе с Деннисом Ричи, соз-

давшим специально для этого машинно-независи-

мый язык Си, они переписали программы Unix на

этом языке, что сразу сделало ее потенциально мо-

бильной. Для переноса системы на другой тип

компьютера нужно было переделывать только не-

значительную часть ядра ОС.

Согласно американским антитрестовским зако-

нам, владевшая Bell Laboratories корпорация

American Telephone and Telegraph (AT&T) не имела

права продавать систему, поэтому Unix безвозмездно разошлась по

многочисленным университетам. Благодаря бесплатности, масштаби-

руемости, переносимости и абсолютной открытости (система поставля-

лась вместе с исходными текстами программ на Си), Unix стала пользо-

ваться огромной популярностью в научном и образовательном мире.

Варианты ОС были реализованы практически для всех аппаратных

платформ – от 8-разрядных микропроцессоров до супер-ЭВМ Cray.

Система непрерывно совершенствовалась на протяжении всех 70-х и

80-х годов, становясь от версии к версии все более мощной и зрелой.

Мощный толчок распространению Unix в эти годы дало развитие

интернета, для которого общедоступная бесплатная система была на-

ходкой.

Однако доступность исходного кода Unix имела и обратную сторо-

ну: модификации системы, проводимые в различных организациях,

скоро привели к тому, что отдельные версии стали плохо согласовы-

ваться друг с другом. Речь шла уже не об одной, а о целом классе Unix-

подобных ОС. Кроме бесплатных, различными производителями ЭВМ

Создатель первой

версии OC Unix

Кеннет Томпсон

(р. 1943)

226 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

были выпущены коммерческие версии Unix под фирменными назва-

ниями. Так, IBM назвала свою систему AIX, Microsoft — Xenix, Sun

Microsystems – Solaris и т.д.

Отечественные ОС с разделением времени. В Советском Союзе

интенсивная разработка промышленных операционных систем началась

сразу после появления в 1966 году первого «миллионника» – машины

БЭСМ-6 с производительностью более миллиона оп./с. Для ЭВМ такой

производительности потери процессорного времени из-за работы опе-

ратора с внешними устройствами слишком расточительны.

В ведущих программистских коллективах было создано сразу не-

сколько систем с разделением времени для БЭСМ-6. Первая родилась в

1968 году в стенах ИТМ и ВТ, создавшего саму машину. Она носила

название «Диспетчер-68» и была разработана под руководством Льва

Николаевича Королева (р. 1926). Обновленная в 1970 году версия сис-

темы называлась «Новый диспетчер» – НД-70.

Свой вариант ОС разработали в «космическом» Институте при-

кладной математики (ИПМ) под руководством Э.З. Любимского, фами-

лия которого уже нами упоминалась в связи с написанием транслятора

с Алгола. По утверждениям авторов, ОС ИПМ оказалась схожей с со-

временной Unix.

Кеннет Томпсон (сидит) и Деннис Ричи перенесли Unix

на ЭВМ PDP-11 с двумя телетайпами в качестве

терминалов (1971–1973 гг.)

§ 3.3] ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 227

На основе Диспетчера-68 и НД-70 в нескольких организациях были

созданы свои варианты ОС для БЭСМ-6. Так, в Объединенном институ-

те ядерных исследований (г. Дубна), где ЭВМ обрабатывала информа-

цию, снимаемую со множества физических приборов, была разработана

ОС «Дубна», а в одном секретном институте Челябинска под руково-

дством Владимира Федоровича Тюрина (р. 1937) была создана самая

популярная ОС для БЭСМ-6 под названием «Диспак», которая прошла

через все модификации машины и работала вплоть до 90-х годов.

Микропроцессорная революция, произошедшая

на пороге 80-х годов, существенно изменила

подход к операционным системам. Многие про-

блемы, волновавшие разработчиков ОС для мэйнфреймов, отпали сами

собой. Для персонального компьютера не нужна

сложная многопользовательская система с разде-

лением времени, само понятие ОС применительно

к первым микрокомпьютерам может применяться с

большими натяжками.

CP/M. Для первого поколения 8-битовых пер-

сональных ЭВМ фактическим стандартом стала

простейшая ОС CP/M – Control Program for

Microcomputers, написанная в 1976 году Гэри

Килдолом (Kildall, Gary; 1942–1994), основавшим в

1984 году вместе со своей женой компанию Digital

Research.

MS DOS. Когда в 1980 году IBM стала готовить к выпуску IBM PC,

у нее еще не было собственных программистов, имеющих опыт разра-

ботки программ для микрокомпьютеров. Рас-

сматривались две возможности: либо заказать у

авторитетной Digital Research 16-битную версию

CP/M, либо придумать что-нибудь совершенно

новое. По чисто случайным обстоятельствам пе-

реговоры с Килдолом не состоялись (он улетел

на собственном самолете на отдых, а его жена

отвергла категорическое требование IBM сохра-

нять соглашение в строжайшей тайне), тогда

«голубой гигант» обратился к начинающей фир-

ме Microsoft, известной своими интерпретатора-

80–90-е годы:

настольные ОС

Создатель OC

CP/M Гэри Килдол

(1942–1994)

228 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

ми Бэйсика для различных персональных компьютеров. Быстро сориен-

тировавшись в обстановке, молодые предприниматели купили за

50 000 долларов у Тима Паттерсона (Tim Patterson) из фирмы Seattle

Computer Products операционную систему Q-DOS (Quick and Dirty – бы-

страя и грязная), адаптировали ее и выпустили в 1981 году под фирмен-

ным названием MS DOS – Microsoft Disk Operating System. Этот заказ

имел для Билла Гейтса и Пола Аллена эпохальные последствия – он по-

ложил начало многолетнему сотрудничеству с IBM и взлету Microsoft.

MS DOS ожидала удивительная судьба, вместе с компьютерами

IBM PC она живет уже более 20 лет. На ней выросло не одно поколение

программистов; даже сейчас, в начале нового века, знание этой класси-

ческой системы считается необходимым для системного программиста.

Система проста и надежна, требует минимум ресурсов, работает на

самых слабых процессорах. Вместе с тем она имеет ряд принципиаль-

ных недостатков: нет встроенных средств управления расширенной па-

мятью и внешними устройствами, отсутствует графический интерфейс

с пользователем. Каждый программист вынужден решать эти задачи по-

своему, что сильно усложняет процесс проектирования, установки и

сопровождения прикладных программ.

Общение пользователя с системой MS DOS происходит на «птичь-

ем» языке, требующем знания точного синтаксиса нескольких десятков

команд. Для того чтобы создать или скопировать файл средствами са-

мой системы, нужно написать в командной строке несколько строк не-

MS DOS базировалась на Q-DOS, купленной у Тима Паттерсона

из фирмы Seattle Computer Products

§ 3.3] ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 229

удобоваримого текста. Для облегчения этой работы независимыми про-

изводителями были созданы командно-файловые оболочки, позволяю-

щие производить простейшие операции с файлами с помощью клавиш

управления курсором. Самая известная из них – Norton Commander,

разработанная легендарным программистом эпохи DOS Питером

Нортоном (Norton, Peter). На любом снимке тех лет с экрана IBM PC

хорошо видны две голубые панели этой исключительно простой и

удобной программы. Даже после появления Windows профессиональ-

ные программисты предпочитали работать с файлами не стандартными

средствами, а старой и доброй оболочкой Norton или ее преемником –

системой Far. Созданная Нортоном фирма Symantec очень популярна в

компьютерном мире благодаря многочисленным вспомогательным про-

граммам – утилитам, выполняющим, по меткому выражению некото-

рых экспертов, функции «огнетушителя, бронежилета и спасательного

круга для персональных компьютеров». Недаром личный автомобиль

Питера Нортона имеет уникальный номерной знак «Mr IBM PC».

Mac-OS и NeXTSTEP. В предыдущей главе мы уже рассматривали

историю появления графического пользовательского интерфейса. На-

помним, что первой массовой операционной системой, в которой он

был реализован, была Mac-OS, разработанная в 1984 году фирмой Apple

для своих «Макинтошей» и основанная на идейном багаже, накоплен-

ном за многие годы центром Xerox PARC. Во многом благодаря этой

Классический двухоконный интерфейс системы Norton Commander

или ее преемников (например, Far) знаком каждому программисту

230 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

операционной системе «Маки» в 80-е годы отвоевали значительную

долю рынка персональных компьютеров.

Новый решительный шаг в развитии настольных ОС был сделан

лидером Apple Стивом Джобсом после его неожиданного ухода из ком-

пании в 1985 году и организации фирмы NeXT Inc. Операционная сис-

тема NeXTSTEP, выпущенная в 1987 году для компьютера NeXT, была

построена совершенно по-новому, с использованием самых передовых

идей объектно-ориентированного программирования. Однако этот ре-

Mас-OS версии 1.0 (1984 г.). За 20 лет

внешний вид системы почти не изменился

OC NeXTSTEP (1987 г.)