Пока одно задание ожидало завершения работы устройства ввода-вывода, другое могло использовать центральный процессор. Если в оперативной памяти содержалось достаточное количество заданий, центральный процессор мог быть загружен почти на все 100 % времени. Множество одновременно хранящихся в памяти заданий требовало наличия специального оборудования для защиты каждого задания от возможного незаконного присваивания областей памяти и нанесения вреда со стороны других заданий. Для этой цели компьютеры 360-й серии и другие системы третьего поколения были оборудованы специальными аппаратными средствами. Рис. 1.5. Многозадачная система с тремя заданиями в памяти Другим важным плюсом операционных систем третьего поколения стала способность считывать задание с перфокарт на диск по мере того, как их приносили в машинный зал. При окончании выполнения каждого текущего задания операционная система могла загружать новое задание с диска в освободившийся раздел памяти и запускать это задание. Этот технический прием называется подкачкой данных, или спулингом (spooling — английское слово, которое произошло от Simultaneous Peripheral Operation On Line, то есть совместная периферийная операция в интерактивном режиме), и его также используют для выдачи полученных данных. С появлением подкачки отпала надобность как в 1401-х машинах, так и в многочисленных переносах магнитных лент. Хотя операционные системы третьего поколения неплохо справлялись с большинством научных вычислений и крупных коммерческих задач по обработке данных, но по своей сути они были все еще разновидностью систем пакетной обработки. Многие программисты тосковали по первому поколению машин, когда они могли распоряжаться всей машиной в течение нескольких часов и имели возможность быстро производить отладку своих программ. В системах третьего поколения промежуток времени между передачей задания и возвращением результатов часто составлял несколько часов, так что единственная поставленная не в том месте запятая могла стать причиной сбоя при компиляции, и получалось, что программист полдня тратил впустую. Программистам это очень не нравилось. Желание сократить время ожидания ответа привело к разработке режима разделения времени — варианту многозадачности, при котором у каждого пользователя есть свой диалоговый терминал. Если двадцать пользователей зарегистрированы в системе, работающей в режиме разделения времени, и семнадцать из них думают, беседуют или пьют кофе, то центральный процессор по очереди предоставляется трем пользователям, желающим работать на машине. Так как люди, отлаживая программы, обычно выдают короткие команды (например, компилировать процедуру на пяти страницах чаще, чем длинные (например, упорядочить файл с миллионами записей), то компьютер может обеспечивать быстрое интерактивное обслуживание нескольких пользователей. При этом он может работать над большими пакетами в фоновом режиме, когда центральный процессор не занят другими заданиями. Первая универсальная система с режимом разделения времени CTSS (Compatible Time Sharing System) была разработана в Массачусетском технологическом институте (M.I.T.) на специально переделанном компьютере IBM 7094 (Corbato et al., 1962). Однако режим разделения времени не стал действительно популярным до тех пор, пока на машинах третьего поколения не получили широкого распространения необходимые технические средства защиты. После создания успешной системы CTSS Массачусетский технологический институт, исследовательские лаборатории Bell Labs и корпорация General Electric (главный на то время изготовитель компьютеров) решили начать разработку универсальной общей компьютерной системы — машины, которая должна была поддерживать одновременную работу сотен пользователей в режиме разделения времени. За основу была взята система распределения электроэнергии. Когда вам нужна электроэнергия, вы просто вставляете штепсель в розетку и получаете столько энергии, сколько вам нужно. Проектировщики этой системы, известной как MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service — мультиплексная информационная и вычислительная служба), представляли себе одну огромную вычислительную машину, воспользоваться услугами которой мог любой проживающий в окрестностях Бостона человек. Мысль о том, что машины в десять тысяч раз мощнее, чем их мэйнфрейм GEE645, будут продаваться миллионами по 1000 долларов за штуку всего лишь через каких-нибудь 40 лет, показалась бы им чистейшей научной фантастикой. Это было бы сродни мысли о сверхзвуковых трансатлантических подводных поездах для современного человека. Успех системы MULTICS был весьма неоднозначен. Она разрабатывалась с целью обеспечения сотен пользователей машиной, немногим более мощной, чем персональный компьютер с процессором Intel 386, но имеющей более широкие возможности ввода-вывода данных. По тем временам это была не такая уж безумная идея, поскольку тогда люди умели создавать небольшие эффективные программы, то есть обладали мастерством, которое впоследствии было утрачено. Существовало много причин, по которым система MULTICS не получила глобального распространения. Не последнюю роль здесь сыграл тот факт, что эта система была написана на языке PL/I, а компилятор языка PL/I появился лишь через несколько лет, к тому же первую версию этого компилятора можно было назвать работоспособной лишь с большой натяжкой. Кроме того, система MULTICS была слишком претенциозна для своего времени, что делало ее во многом похожей на аналитическую машину Чарльза Бэббиджа в XIX столетии. Итак, MULTICS внесла множество оригинальных идей в компьютерную литературу, но превратить ее в серьезный продукт и добиться весомого коммерческого успеха оказалось намного труднее, чем ожидалось. Исследовательские лаборатории Bell Labs вышли из проекта, а компания General Electric вообще ушла с рынка компьютерных технологий. Однако Массачусетский технологический институт проявил упорство 1 В этой книге мы будем использовать термины «процедура», «подпрограмма» и «функция» в одном значении. — Примеч. авт. 1.2. История операционных систем 35 и со временем довел систему до работоспособного состояния. В конце концов она была продана компании Honeywell, выкупившей компьютерный бизнес General Electric, и установлена примерно в 80 больших компаниях и университетах по всему миру. Несмотря на свою малочисленность, пользователи MULTICS продемонстрировали приверженность этой системе. Компании General Motors, Ford и Агентство национальной безопасности США отказались от системы MULTICS только в конце 1990-х годов, спустя 30 лет после ее выпуска и после многолетних попыток заставить компанию Honeywell обновить оборудование. К концу XX века идея создания такого общего компьютера уже выдохлась, но она может возродиться в виде облачных вычислений, когда относительно небольшие компьютеры (включая смартфоны, планшеты и им подобные устройства) подключены к серверам, принадлежащим огромным удаленным центрам обработки данных, где и производятся все вычисления, а локальный компьютер используется просто для обслуживания пользовательского интерфейса. Скорее всего, существование такой системы будет мотивировано тем, что большинство пользователей не захотят заниматься администрированием все более и более сложных и привередливых компьютерных систем и предпочтут доверить эту работу команде профессионалов, работающих на компанию, обслуживающую сервер. Электронная коммерция уже развивается в этом направлении, компании, занимающиеся ею, используют мультипроцессорные серверы, с которыми соединяются простые машины клиентов. Все это очень напоминает замысел системы MULTICS. Несмотря на коммерческую неудачу, система MULTICS оказала существенное влияние на последующие операционные системы (особенно на UNIX и ее производные, на FreeBSD, Linux, IOS и Android). Этот факт описан во многих статьях и книгах (Corbato et al., 1972; Corbato and Vyssotsky, 1965; Daley end Dennis, 1968; Organick, 1972; Saltzer, 1974). Системе MULTICS также посвящен до сих пор активный веб-сайт www. multicians.org, содержащий большой объем информации о системе, ее проектировщиках и пользователях. Еще одной важной разработкой времен третьего поколения были мини-компьютеры, невероятный взлет популярности которых начался с выпуска корпорацией DEC машины PDP-1. Компьютеры PDP-1 обладали оперативной памятью, состоящей всего лишь из 4 К 18-битовых слов, но стоили всего 120 тыс. долларов за одну машину (это меньше 5 % от цены IBM 7094) и поэтому расхватывались как горячие пирожки. Некоторые виды нечисловой работы они выполняли так же быстро, как и машины IBM 7094, в результате чего родилась новая отрасль производства. За этой машиной вскоре последовала целая серия компьютеров PDP других моделей (в отличие от семейства IBM, полностью несовместимых), и как кульминация появилась модель PDP-11. Кен Томпсон (Ken Thompson), один из ведущих специалистов Bell Labs, работавший над проектом MULTICS, чуть позже нашел мини-компьютер PDP-7, которым никто не пользовался, и решил написать упрощенную однопользовательскую версию системы MULTICS. Эта работа позже переросла в операционную систему UNIX®, ставшую популярной в академических кругах, правительственных учреждениях и во многих компаниях. История развития UNIX уже многократно описывалась в самых различных книгах (например, Salus, 1994). Часть этой истории будет рассказана в главе 10. А пока достаточно сказать, что из-за широкой доступности исходного кода различные организации создали свои собственные (несовместимые) версии, что привело к полному хаосу. Были разработаны две основные версии: System V корпорации AT&T и BSD (Berkeley Software Distribution) Калифорнийского университета Беркли. У них также были последующие варианты. Чтобы появилась возможность писать программы, работающие в любой UNIX-системе, Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) разработал стандарт системы UNIX, названный POSIX, который в настоящее время поддерживается большинством версий UNIX. Стандарт POSIX определяет минимальный интерфейс системных вызовов, который должны поддерживать совместимые с ним системы UNIX. Фактически на данный момент POSIX-интерфейс поддерживается также рядом других операционных систем. Между прочим стоит упомянуть, что в 1987 году автор выпустил в образовательных целях небольшой клон системы UNIX, так называемую систему MINIX. Функционально система MINIX очень похожа на UNIX, включая поддержку стандарта POSIX. С тех пор исходная версия превратилась в MINIX 3, систему, обладающую высокой модульностью и ориентированную на достижение очень высокой надежности. Она способна на лету определять и заменять дефектные и даже поврежденные модули (например, драйверы устройств ввода-вывода) без перезагрузки и нарушения хода выполнения запущенных программ. Также доступна книга, в которой описывается ее внутренняя работа, а в приложении приводится исходный код (Tanenbaum and Woodhull, 2006). Система MINIX 3 имеется в свободном доступе (включая весь исходный код) в Интернете по адресу www.minix3.org.
Желание получить свободно распространяемую версию MINIX (в отличие от образовательной) привело к тому, что финский студент Линус Торвальдс (Linus Torvalds) создал систему Linux. Система MINIX стала непосредственным вдохновляющим фактором и основой для этой разработки, которая первоначально поддерживала различные особенности MINIX (например, ее файловую систему). С тех пор система Linux во многом и многими была существенно расширена, но все еще сохраняет исходную структуру, общую для MINIX и UNIX. Читателям, интересующимся подробной историей развития Linux и свободного программного обеспечения, можно порекомендовать прочитать книгу Глина Муди (Moody, 2001).
1.5. Четвертое поколение (с 1980 года по наши дни): персональные компьютеры.
Следующий период эволюции операционных систем связан с появлением БИС — больших интегральных схем (LSI, Large Scale Integration) — кремниевых микросхем, содержащих тысячи транзисторов на одном квадратном сантиметре. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры (первоначально называемые микрокомпьютерами) были во многом похожи на мини-компьютеры класса PDP-11, но, конечно же, отличались по цене. Если появление мини-компьютеров позволило отделам компаний и факультетам университетов иметь собственный компьютер, то с появлением микропроцессоров возможность купить персональный компьютер получил каждый человек.
В 1974 году, когда корпорация Intel выпустила Intel 8080 — первый универсальный 8-разрядный центральный процессор, — для него потребовалась операционная система, с помощью которой можно было бы протестировать новинку. Корпорация Intel привлекла к разработкам и написанию нужной операционной системы одного из своих консультантов Гэри Килдэлла (Gary Kildall). Сначала Килдэлл с другом сконструировали контроллер для 8-дюймового гибкого диска, недавно выпущенного компанией Shugart Associates, и подключили этот диск к процессору Intel 8080. Таким образом появился первый микрокомпьютер с диском. Затем Килдэлл создал дисковую операционную систему, названную CP/M (Control Program for Microcomputers — управляющая программа для микрокомпьютеров). Когда Килдэлл заявил о своих правах на CP/M, корпорация Intel удовлетворила его просьбу, поскольку не думала, что у микрокомпьютеров с диском есть будущее. Позже Килдэлл создал компанию Digital Research для дальнейшего развития и продажи CP/M.
В 1977 году компания Digital Research переработала CP/M, чтобы сделать ее пригодной для работы на микрокомпьютерах с процессорами Intel 8080 или Zilog Z80, а также с другими процессорами. Затем было написано множество прикладных программ, работающих в CP/M, что позволило этой системе занимать высшую позицию в мире микрокомпьютеров целых 5 лет.
В начале 1980-х корпорация IBM разработала IBM PC (Personal Computer — персональный компьютер)1 и начала искать для него программное обеспечение. Сотрудники IBM связались с Биллом Гейтсом, чтобы получить лицензию на право использования его интерпретатора языка Бейсик. Они также поинтересовались, не знает ли он операционную систему, которая работала бы на IBM PC. Гейтс посоветовал обратиться к Digital Research, тогда главенствующей компании в области операционных систем. Но Килдэлл отказался встречаться с IBM, послав вместо себя своего подчиненного. Что еще хуже, его адвокат даже отказался подписывать соглашение о неразглашении, касающееся еще не выпущенного IBM PC, чем полностью испортил дело. Корпорация IBM снова обратилась к Гейтсу с просьбой обеспечить ее операционной системой. После повторного обращения Гейтс выяснил, что у местного изготовителя компьютеров, Seattle Computer Products, есть подходящая операционная система DOS (Disk Operating System — дисковая операционная система). Он направился в эту компанию с предложением выкупить DOS (предположительно за $50 000), которое компания Seattle Computer Products с готовностью приняла. Затем Гейтс создал пакет программ DOS/BASIC, и пакет был куплен IBM. Когда корпорация IBM захотела внести в операционную систему ряд усовершенствований, Билл Гейтс пригласил для этой работы Тима Патерсона (Tim Paterson), человека, написавшего DOS и ставшего первым служащим Microsoft — еще не оперившейся компании Гейтса.
Желание получить свободно распространяемую версию MINIX (в отличие от образовательной) привело к тому, что финский студент Линус Торвальдс (Linus Torvalds) создал систему Linux. Система MINIX стала непосредственным вдохновляющим фактором и основой для этой разработки, которая первоначально поддерживала различные особенности MINIX (например, ее файловую систему). С тех пор система Linux во многом и многими была существенно расширена, но все еще сохраняет исходную структуру, общую для MINIX и UNIX. Читателям, интересующимся подробной историей развития Linux и свободного программного обеспечения, можно порекомендовать прочитать книгу Глина Муди (Moody, 2001).
1.5. Четвертое поколение (с 1980 года по наши дни): персональные компьютеры.
Следующий период эволюции операционных систем связан с появлением БИС — больших интегральных схем (LSI, Large Scale Integration) — кремниевых микросхем, содержащих тысячи транзисторов на одном квадратном сантиметре. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры (первоначально называемые микрокомпьютерами) были во многом похожи на мини-компьютеры класса PDP-11, но, конечно же, отличались по цене. Если появление мини-компьютеров позволило отделам компаний и факультетам университетов иметь собственный компьютер, то с появлением микропроцессоров возможность купить персональный компьютер получил каждый человек.
В 1974 году, когда корпорация Intel выпустила Intel 8080 — первый универсальный 8-разрядный центральный процессор, — для него потребовалась операционная система, с помощью которой можно было бы протестировать новинку. Корпорация Intel привлекла к разработкам и написанию нужной операционной системы одного из своих консультантов Гэри Килдэлла (Gary Kildall). Сначала Килдэлл с другом сконструировали контроллер для 8-дюймового гибкого диска, недавно выпущенного компанией Shugart Associates, и подключили этот диск к процессору Intel 8080. Таким образом появился первый микрокомпьютер с диском. Затем Килдэлл создал дисковую операционную систему, названную CP/M (Control Program for Microcomputers — управляющая программа для микрокомпьютеров). Когда Килдэлл заявил о своих правах на CP/M, корпорация Intel удовлетворила его просьбу, поскольку не думала, что у микрокомпьютеров с диском есть будущее. Позже Килдэлл создал компанию Digital Research для дальнейшего развития и продажи CP/M.
В 1977 году компания Digital Research переработала CP/M, чтобы сделать ее пригодной для работы на микрокомпьютерах с процессорами Intel 8080 или Zilog Z80, а также с другими процессорами. Затем было написано множество прикладных программ, работающих в CP/M, что позволило этой системе занимать высшую позицию в мире микрокомпьютеров целых 5 лет.
В начале 1980-х корпорация IBM разработала IBM PC (Personal Computer — персональный компьютер)1 и начала искать для него программное обеспечение. Сотрудники IBM связались с Биллом Гейтсом, чтобы получить лицензию на право использования его интерпретатора языка Бейсик. Они также поинтересовались, не знает ли он операционную систему, которая работала бы на IBM PC. Гейтс посоветовал обратиться к Digital Research, тогда главенствующей компании в области операционных систем. Но Килдэлл отказался встречаться с IBM, послав вместо себя своего подчиненного. Что еще хуже, его адвокат даже отказался подписывать соглашение о неразглашении, касающееся еще не выпущенного IBM PC, чем полностью испортил дело. Корпорация IBM снова обратилась к Гейтсу с просьбой обеспечить ее операционной системой. После повторного обращения Гейтс выяснил, что у местного изготовителя компьютеров, Seattle Computer Products, есть подходящая операционная система DOS (Disk Operating System — дисковая операционная система). Он направился в эту компанию с предложением выкупить DOS (предположительно за $50 000), которое компания Seattle Computer Products с готовностью приняла. Затем Гейтс создал пакет программ DOS/BASIC, и пакет был куплен IBM. Когда корпорация IBM захотела внести в операционную систему ряд усовершенствований, Билл Гейтс пригласил для этой работы Тима Патерсона (Tim Paterson), человека, написавшего DOS и ставшего первым служащим Microsoft — еще не оперившейся компании Гейтса.
