История развития операционных систем

Для того, чтобы избежать потерь процессорного времени, неизбежных при работе по расписанию, была разработана  концепция пакетной обработки заданий, сущность которой поясняет следующий  рисунок (Рисунок 1).

 

Рисунок 1 - Структура вычислительной системы с пакетной обработкой

Впервые, пакетная система  была разработана в середине 50-х  компанией General Motors для машин IBM 701. По-видимому, это была первая операционная система. Основная идея пакетной обработки состоит  в том, чтобы управление загрузкой  программ и распечатку результатов  поручить маломощным и относительно дешевым машинам-сателлитам, которые  подключаются к большой (основной) машине через высокоскоростные электронные  каналы. При этом большая ЭВМ будет  только решать задачу, полученную от машины-сателлита, и после завершения задачи передавать результаты по высокоскоростному каналу другой машине-сателлиту для распечатки.

Системы пакетной обработки  заданий, реализованные в 50-е годы, стали прообразом современных операционных систем. В них впервые было реализовано  программное обеспечение, используемое для управления исполнением прикладных программ.

 

Возникновение многозадачных операционных систем

Первые многозадачные  операционные системы появились  в 60-е годы в результате дальнейшего  развития систем пакетной обработки  заданий. Основным стимулом к их появления  стали новые аппаратные возможности  ЭВМ.

Во-первых, появились новые  эффективные носители информации, на которых можно было легко автоматизировать поиск требуемых данных: магнитные  ленты, магнитные цилиндры и магнитные  диски. Это, в свою очередь, изменило структуру прикладных программ –  теперь они могли в процессе работы загрузить дополнительные данные для  вычислений или процедуры из стандартных  библиотек.

Заметим теперь, что простая  пакетная система, приняв задачу, обслуживает  ее вплоть до полного завершения, а  это значит, что во время загрузки дополнительных данных или кода процессор  простаивает, при этом стоимость  простоя процессора возрастает с  ростом его производительности, так  как более производительный процессор  мог бы сделать за время простоя  большее количество полезной работы.

Во-вторых, производительность процессоров существенно возросла, и потери процессорного времени  в простых пакетных системах стали  недопустимо велики.

В этой связи логичным шагом  стало появление многозадачных  пакетных систем. Необходимым условием для создания многозадачных систем является достаточный объем памяти компьютера. Для многозадачности  объем памяти должен быть достаточен для размещения, по крайней мере, двух программ одновременно [9, стр.56].

Основная идея многозадачности  вполне очевидна – если текущая  программа приостанавливается в  ожидании завершения ввода-вывода, то процессор переходит к работе с другой программой, которая в  данный момент готова к выполнению.

Однако, переход к другой задаче должен быть сделан так, чтобы  сохранить возможность вернуться  к брошенной задаче спустя некоторое  время и продолжить ее работу с  точки останова. Для реализации такой  возможности в операционную систему  потребовалось ввести специальную  структуру данных, определяющую текущее  состояние каждой задачи – контекст процесса. Контекст процесса определен  в любой современной операционной системе таким образом, чтобы  данных из него было бы достаточно для  полного восстановления работы прерванной задачи.

Появление многозадачности  потребовало реализации в составе  операционной системы сразу нескольких фундаментальных подсистем, которые  также представлены в любой современной  операционной системе. Перечислим их:

1) подсистема управления  процессорами – определяет какую  задачу и в какое время следует  передать процессору для обслуживания;

2) подсистема управления  памятью – обеспечивает бесконфликтное  использование памяти сразу несколькими  программами;

3) подсистема управления  процессами – обеспечивает бесконфликтное  разделение ресурсов компьютера (например, магнитных дисков или  общих подпрограмм) сразу несколькими  программами.

Почти сразу после появления  многозадачных операционных систем, было замечено, что многозадачность  полезна не только для повышения  коэффициента использования процессора. Например, на основе многозадачности  можно реализовать многопользовательский  режим работы компьютера, т.е. подключить к нему несколько терминалов одновременно, причем для пользователя за каждым терминалом будет создана полная иллюзия, что он работает с машиной  один. До эпохи массового использования  персональных компьютеров, многопользовательский  режим был основным режимом работы практически для всех ЭВМ. Повсеместная поддержка многопользовательского режима резко расширила круг пользователей  компьютеров, сделала его доступным  для людей различных профессий, что в конечном итоге и привело  к современной компьютерной революции  и появлению ПК.

В качестве вывода отмечу, что  появление многозадачности было вызвано желанием максимально использовать процессор, исключив по возможности  его простои, и в настоящее  время многозадачность является неотъемлемым качеством практически  любой современной операционной системы.

Операционные  системы с поддержкой виртуальной  памяти

Появление системы виртуальной  памяти в конце 60-х, стало последним  шагом на пути к современным операционным системам. Появление в дальнейшем графических пользовательских интерфейсов  и даже поддержка сетевого взаимодействия уже не были столь революционными решениями, хотя и существенно повлияли и на развитие аппаратуры компьютеров, и на развитие самих операционных систем.

Толчком к появлению виртуальной  памяти стали сложности управления памятью в многозадачных операционных системах. Основные проблемы здесь  следующие:

- Программы, как правило,  требуют для своего размещения  непрерывную область памяти. В  ходе работы, когда программа  завершается, она освобождает  память, но этот регион памяти  далеко не всегда пригоден  для размещения новой программы.  Он или слишком мал, и тогда  для размещения программы приходится  искать участок в другой области  памяти, или слишком велик, и  тогда после размещения новой  программы останется неиспользуемый  фрагмент. При работе операционной  системы, вскоре образуется очень  много таких фрагментов – суммарный  объем свободной памяти велик,  но разместить новую программу  не удается так как нет ни  одной достаточно длинной непрерывной  свободной области. Такое явление  называется фрагментацией памяти.

- В случае, когда несколько  программ одновременно находятся  в общей памяти, ошибочные или  преднамеренные действия со стороны  какой-либо программы могут нарушить  выполнение других программ, кроме  того, данные или результаты работы  одних программ могут быть  несанкционированно прочитаны другими  программами.

Решающей предпосылкой для  появления системы виртуальной  памяти стал механизм свопинга (от англ. to swap – менять, обменивать).

Идея свопинга состоит  в том, чтобы выгружать из ОЗУ  во вторичную память (на магнитный  диск) программы, временно снятые с  выполнения, и загружать их обратно  в ОЗУ, когда они становятся готовыми к дальнейшему выполнению. Таким  образом, происходит постоянный обмен  программами между ОЗУ и вторичной памятью [3, стр.82].

Свопинг позволяет освободить место в оперативной памяти для  загрузки новых программ за счет выталкивания во вторичную память программ, которые  не могут выполняться в данный момент. Свопинг достаточно эффективно решает проблему нехватки оперативной  памяти и фрагментации, но не решает проблемы защиты.

Виртуальная память также  основана на выталкивании части программ и данных из оперативной памяти во вторичную память, но реализуется  гораздо сложнее и требует  обязательной поддержки от аппаратных средств процессора. Конкретные механизмы  работы виртуальной памяти будут  рассмотрены в дальнейшем.

В конечном итоге, система  виртуальной памяти организует собственное  адресное пространство для каждой запущенной программы, которое называется виртуальное  адресное пространство. При этом участки  виртуального адресного пространства, по усмотрению операционной системы, могут  отображаться либо на участки оперативной  памяти, либо на участки вторичной  памяти (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Отображение виртуального адресного пространства

При использовании виртуальной  памяти, программы не смогут ошибочно или преднамеренно обратиться к  данным других программ или самой  операционной системы – подсистема виртуальной памяти гарантирует  защиту данных. Кроме того, неиспользуемые в данный момент области виртуального адресного пространства отображаются во вторичную память, т.е. данные из этих областей хранятся не в ОЗУ, а  во вторичной памяти, что решает проблему нехватки оперативной памяти. Наконец, области виртуального адресного  пространства могут отображаться на произвольные участки ОЗУ, при этом соседние участки виртуального адресного  пространства не обязательно должны быть соседними в ОЗУ, что решает проблему фрагментации.

Как уже было сказано, виртуальная  память впервые была использована в  реальных операционных системах в конце 60-х, но широкое распространение  виртуальная память получила только в 80-х (UNIX, VAX/VMS), а повсеместно стала  применяться в персональных компьютерах  лишь в середине 90-х годов (OS/2, Linux, Windows NT).

Графические интерфейсы пользователя

С конца 80-х, персональные компьютеры получили повсеместное распространение, и в сообщество пользователей  ПК оказалось вовлечено множество  людей различных специальностей. Многие из них не имели специальной  компьютерной подготовки, но хотели использовать компьютер в своей работе, т.к. использование компьютера давало ощутимые преимущества в их деле.

С другой стороны, усложнение операционных систем и прикладных программ сделало управление ими достаточно сложной задачей даже для специалистов, и интерфейс командной строки, который к этому времени стал стандартом для операционных систем, перестал удовлетворять практическим запросам.

Наконец, появились, новые  аппаратные возможности: цветные графические  мониторы, высокопроизводительные графические  контроллеры и манипуляторы типа мышь.

Таким образом, в конце 80-х  сложились все условия для  повсеместного перехода на графический  интерфейс пользователя: с одной  стороны возникла потребность в  более простом и удобном механизме  управления компьютером, с другой стороны, развитие аппаратных средств позволяло  построить такой механизм.

Основная идея графического интерфейса пользователя состоит в  следующем:

- пользователю, в зависимости  от текущей ситуации, предлагается  выбрать один из нескольких  альтернативных вариантов дальнейших  действий;

- возможные варианты действий  пользователя представлены на  экране ЭВМ в виде текстовых  строк (меню) или схематичных рисунков (пиктограмм);

- для выбора одного  из вариантов дальнейших действий  достаточно совместить на экране  монитора указатель (курсор) с  элементом меню или пиктограммой  и нажать заранее определенную  клавишу (обычно это <пробел>, <ввод> или кнопка мышки), чтобы  проинформировать систему о сделанном  выборе.

Первый графический интерфейс  был разработан в 1981 году в компании Xerox. Говорят, что посещение главой компании Microsoft Билом Гейтсом компании Xerox и знакомство с ее разработками в области графических пользовательских интерфейсов, подвигли Microsoft на создание собственных графических интерфейсов  пользователя.

Использование графического интерфейса оказалось настолько  простым и интуитивно понятным, что  компьютеры в настоящее время  стали эффективно использовать в  своей работе люди, которые даже не имеют никакого представления  об архитектуре самого компьютера, операционной системы или прикладной программы [2, стр.152].

В конечном итоге, появление  графических интерфейсов пользователя в составе операционных систем и  прикладных программ оказало колоссальное влияние на компьютеризацию современного общества.

Встроенная  поддержка сети

Встроенная сетевая поддержка  в составе операционных системах общего назначения впервые появилась  в середине 90-х, и первоначально  обеспечивала только доступ к удаленным  файлам, расположенным на дисках другого  компьютера. Первоначально, поддержка  сети требовалась только в небольших  офисах для совместной работы нескольких компьютеров над одним документом.

Однако развитие сети Интернет быстро привело к необходимости  встроить сетевую поддержку даже в операционные системы для домашних компьютеров. Кроме того, интересно  отметить, что постоянное снижение стоимости домашних компьютеров  в последние годы вызвало к  жизни домашние компьютерные сети, когда в одной семье используется несколько компьютеров с возможностью совместного использования общего принтера, сканера или другого  оборудования.