Появление мультипрограммных операционных систем

Следующий важный период развития операционных систем относится к 1965-1975 годам.

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. Большие функциональные возможности интегральных схем сделали возможным реализацию на практике сложных компьютерных архитектур, таких, например, как IBM/360.[6]

В этот период были реализованы практически все основные механизмы, присущие современным операционным системам: мультипрограммирование, мультипроцессирование, поддержка многотерминального многопользовательского режима, виртуальная память, файловые системы, разграничение доступа и сетевая работа.[6]

В эти годы начинается расцвет системного программирования. В условиях резко возросших возможностей компьютера по обработке и хранению данных выполнение только одной программы в каждый момент времени оказалось крайне неэффективным. Решением стало мультипрограммирование — способ организации вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера находилось одновременно несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре.[2]

Так появился резидентный монитор – к монитору добавили подпрограммы управления защитой памяти и оформили всё в виде отдельной программы. [1]

Резидентный монитор – это уже зачатки операционной системы в том виде, в котором её воспринимают сегодня. Теперь прикладные программы стали содержать только реализацию своего алгоритма, обращаясь за вспомогательными алгоритмами к монитору, используя при этом фиксированный набор правил, называющийся прикладным программным интерфейсом, и впервые стало возможно говорить о переносимости прикладных программ с одной ЭВМ на другую. С возникновения программного интерфейса начался процесс отделения правил работы с ЭВМ от аппаратуры, а ЭВМ стали «приближаться» к человеку. [1]

Программный интерфейс позволил создавать абстрактные понятия, совершенно невыразимые в аппаратуре. Например, появилось понятие файла и соответственно файловой системы – набора интерфейсов и структур данных для организации храпения информации. Возникло понятие процесса (или задачи) как потребителя ресурсов и единицы работы ЭВМ.[1]

Резидентный монитор всегда находится в оперативной памяти ЭВМ (потому его и назвали резидентным), поскольку его подпрограммы нужны для выполнения всех остальных программ, для которых стали применять термины «прикладные программы» или «пользовательские программы».[1]

Таким образом, мультипрограммирование было реализовано в двух вариантах — в системах пакетной обработки и разделения времени. Разница заключалась в том, что системы пакетной обработки были направлены на обеспечение максимальной загрузки аппаратуры компьютера, а также в мультипрограммном пакетном режиме процессор не простаивал, пока одна программа выполняла операцию ввода-вывода, что позволяло использовать компьютер наиболее эффективно. Хотя в системах пакетной обработки пользователь по-прежнему был лишен возможности интерактивно взаимодействовать со своими программами. Поэтому что бы вернуть пользователям хоть какое-то ощущение непосредственного взаимодействия с компьютером был разработан новый вариант МС - систем 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 счет 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 пользователя.[2]

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 операционные системы получили название систем удаленного 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 удаленной работы терминалов в операционных системах появились специальные программные модули, реализующие различные (в то время, как правило, нестандартные) протоколы связи, Такие вычислительные системы с удаленными терминалами, сохраняя централизованный характер обработки данных, в какой-то степени являлись прообразом современных сетей, а соответствующее системное программное обеспечение — прообразом сетевых операционных систем.[6]

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 надежно защитить коды и данные одной программы от непреднамеренной или преднамеренной порчи другой программой. В процессорах появился привилегированный и пользовательский режимы работы, специальные регистры для быстрого переключения с одной программы на другую, средства защиты областей памяти, а также развитая система прерываний.[6]

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.[2]

Система прерываний позволяла синхронизировать работу различных устройств компьютера, работающих параллельно и асинхронно, таких как каналы ввода-вывода, диски, принтеры. Аппаратная поддержка операционных систем стала с тех пор неотъемлемым свойством практически любых компьютерных систем, включая персональные компьютеры.[2]

Еще одной важной тенденцией этого периода является создание семейств программно-совместимых машин и операционных систем для них. Вскоре идея программно-совместимых машин стала общепризнанной.[2]

Программная совместимость требовала и совместимости операционных систем. Однако такая совместимость подразумевает возможность работы на больших и на малых вычислительных системах, с большим и с 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, разработка ОС/360, объем кода, для которой составил 8 Мбайт, стоила компании IBM 80 миллионов долларов.[5]

Однако, несмотря на необозримые размеры и множество проблем, ОС/360 и другие ей подобные операционные системы этого поколения действительно удовлетворяли большинству требований потребителей. За это десятилетие был сделан огромный шаг вперед и заложен прочный фундамент для создания современных операционных систем.

Появление Microsoft

В начале 1970-х в работе люди полагались на пишущие машинки. Если была необходима копия документа, использовался мимеограф или копирка. Немногие знали о микрокомпьютерах, но два молодых ученых, Билл Гейтс (Bill Gates) и Пол Аллен (Paul Allen),были уверены, что персональные компьютеры — это дорога в будущее.[5]

В 1975 году Гейтс и Аллен создают компанию с названием Microsoft. Как и большинство вновь создаваемых предприятий, Microsoft начинает свою историю с небольших масштабов, но имеет глобальную цель — компьютер на каждый рабочий стол и в каждый дом. В течение следующих лет Microsoft приступает к изменению принципов работы, сложившихся в обществе. В результате Microsoft концентрирует свои усилия на новой операционной системе — программном обеспечении, которое управляет работой оборудования компьютера и выступает в качестве связующего звена между оборудованием и программами, например текстовым процессором. Это платформа, на основе которой могут выполняться программы. Компания назвала свою новую операционную систему MS‑DOS.[6]

Когда в 1981 году в свет вышел персональный компьютер IBM PC под управлением MS‑DOS, публике был представлен абсолютно новый язык. Ввод различных замысловатых команд после комбинации «C:» постепенно становится частью повседневной работы. Пользователи открывают для себя клавишу с обратной косой чертой (\).[6]

Операционная система MS‑DOS оказалась эффективной, но сложной для понимания многими людьми. Поэтому требуется более совершенный способ создания операционной системы. [3,6]