История ОС. Отечественные ОС. Диалекты UNIX. Режимы пакетной обработки, мультипрограммирования, разделения времени

Отечественные операционные системы

При анализе истории развития области ИТ следует иметь в виду особые условия, в которых развивались эти разработки как в СССР (России), так и в США, начиная с 1950-х гг. – "холодная война" и "железный занавес". Вследствие этого, все эти разработки, как в области аппаратуры, так и в области программного обеспечения, были строго засекречены (по мнению автора, в СССР – даже более строго, чем в США, так как о работах американских специалистов мы все же имели возможность узнавать из журналов). Такая ситуация приводила к тому, что аналогичные идеи подчас возникали и реализовывались по обе стороны "железного занавеса" примерно в одно и то же время, при почти полном отсутствии информации о работах друг друга. Однако в этом были и своего рода положительные стороны: на эти работы выделялись значительные средства правительством и отраслевыми министерствами, на эти средства создавались и развивались весьма сильные команды разработчиков (прежде всего – в области аппаратуры, операционных систем и компиляторов). В конце 1980-х – начале 1990-х гг., в известный переходный период в СССР и России, когда начинали создаваться группы для работы по outsourcing – проектам, финансируемые фирмами США, американские специалисты были просто поражены, обнаружив в России сильнейшие исследовательские и промышленные группы в области ИТ, предлагающие и реализующие массу своих идей, находящиеся в курсе новейших разработок, а своим теоретическим уровнем, разработками в области структур данных и эффективных алгоритмов подчас опережавшие лучшие американские команды. Автору этих строк посчастливилось стать руководителем одной из таких групп, работавшей в течение многих лет с фирмой Sun в стенах математико-механического факультета СПбГУ. Все описанные тенденции существенно повлияли на разработку аппаратуры и операционных систем. Отечественные разработчики, почти ничего не зная об аналогичных работах американских коллег, создавали свои оригинальные системы, в том числе – ОС. Например, идея многопоточности (multi-threading) была реализована в ОС "Эльбрус" [ 12 ] еще в конце 1970-х гг., а в популярных зарубежных ОС (UNIX, Solaris, Windows NT) многопоточность появилась только в конце 1980-х – начале 1990-х гг. К сожалению, имело место и существенное отставание советских и российских ИТ-специалистов от американцев – прежде всего, в области разработки элементной базы и технологии производства компьютеров, а также в области графических пользовательских интерфейсов (GUI).

Среди передовых оригинальных отечественных разработок в области компьютерной аппаратуры и ОС 1960-х – 1970-х гг. следует выделить прежде всего ЭВМ БЭСМ-6, ее операционные системы: ОС ДИСПАК, ОС ДИАПАК, ОС ИПМ и ее системное и прикладное программное обеспечение. Разработчиком БЭСМ-6, ОС ДИСПАК и ОС ДИАПАК был Институт точной механики и вычислительной техники АН СССР под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева, основателя всей нашей отечественной вычислительной техники. Разработчик ОС ИПМ – Институт прикладной математики АН СССР. ЭВМ БЭСМ-6 и ее программное обеспечение следует признать уникальными. В их развитии участвовали многие академические и университетские коллективы не только СССР, но и зарубежных стран - достаточно вспомнить такие системы, как АЛГОЛ-ГДР - реализацию расширения Алгола-60 с развитыми математическими библиотеками, выполненную нашими коллегами из Германии, а также реализацию Паскаля для БЭСМ-6, разработанную специалистами из Польской Академии наук. Операционные системы для БЭСМ-6 поддерживали пакетный (с учетом приоритетов и ресурсов заданий) и диалоговый режимы взаимодействия с компьютером, страничную организацию виртуальной памяти, работу с внешними устройствами и телекоммуникационными каналами, работу в локальных сетях. К каждой БЭСМ-6 были подключены десятки терминалов, работавших под управлением диалоговых систем ДИМОН, ДЖИН и др. (это при объеме оперативной памяти БЭСМ-6 всего в 32 страницы по 4096 байтов и быстродействии до 1 млн. операций в секунду). Работу БЭСМ-6 и ее ОС отличала высокая надежность. Руководитель разработки ОС ДИСПАК – В.Ф. Тюрин.

Другой передовой отечественной разработкой 1970-х – 1980-х гг. была разработка многопроцессорных вычислительных комплексов (МВК) "Эльбрус-1" и "Эльбрус-2" [ 12 ] . В разработке программного обеспечения системы "Эльбрус" автор курса со своей командой принимал активное участие в течение 15 лет. Идейным вдохновителем проекта "Эльбрус" стал сам С.А. Лебедев, затем им руководили академик Всеволод Сергеевич Бурцев, а после него – чл.-корр. АН СССР Борис Арташесович Бабаян. Следует признать, что у "Эльбруса" были зарубежные прототипы и задолго до его появления были написаны академические зарубежные работы, заложившие научные основы подобных компьютерных архитектур, например, [ 13 ] . Коммерческим прототипом "Эльбруса" была известная серия компьютеров фирмы Burroughs (США): B5000 / B5500 / B6700 / B7700. Однако разработчикам "Эльбруса" и его операционной системы удалось предложить и реализовать целый ряд собственных оригинальных идей и методов. Основными принципами "Эльбруса", как и его предшественников, являлись: теговая архитектура (каждое слово памяти, кроме данных, содержало тег – код типа данных, хранящихся в этом слове, по которому аппаратура контролировала правильность выполнения операции), динамизм и аппаратная поддержка типичных (подчас весьма сложных) последовательностей действий, используемых при реализации языков высокого уровня - например, вход в процедуру по указателю на нее, с установкой дисплей-регистров, ссылающихся на доступные процедуре области локальных данных. ОС "Эльбрус" поддерживала создание процессов и операции над ними, аналогичные тем, которые впоследствии в зарубежных разработках были названы многопоточностью (multi-threading); была реализована математическая (виртуальная) память с поддержкой страничного распределения виртуальной памяти (на диске) и сегментного распределения физической (оперативной) памяти. Динамизм выражался в том, что отсутствовала статическая линковка; все программы и модули загружались в память только динамически, при первом вызове. Также динамически, при первом запросе, по прерыванию, выделялся каждый массив математической памяти. Подобные принципы были для своего времени передовыми, использование тегов значительно повысило надежность. Однако, с современной точки зрения, идеологию "Эльбруса", по-видимому, нельзя считать гибкой и эффективной, так как все аппаратные операции и соответствующие действия ОС были реализованы в общем виде, и практически отсутствовала какая-либо возможность оптимизаций, например, для более быстрого вызова процедуры в случае отсутствия необходимости обращения к ее аргументам, для быстрого доступа к статической области памяти и т.д. Более подробно принципы "Эльбруса" описаны в монографии [ 12 ] .

Были и другие интересные отечественные разработки новых архитектур компьютеров и их операционных систем, прежде всего - оригинальные специализированные компьютеры для различных применений и их операционные системы (в основном, по своему классу и назначению, они были системами реального времени).

Однако в начале 1970-х годов в развитии отечественной вычислительной техники и ее системного программного обеспечения начался новый, неожиданный для большинства пользователей и специалистов, этап. Правительство СССР приняло беспрецедентное решение о создании, в качестве основной на достаточно долгий период времени (как изначально планировалось, на 20-30 лет, что оказалось утопией), отечественной серии - Единой Системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) - путем копирования американских компьютеров серии IBM 360. Соответственно, все базовое системное программное обеспечение, в том числе и ОС, также было адаптировано к использованию в СССР (либо использовалось в оригинальном виде – с сообщениями на английском языке и т.д.). Это решение вызвало большие проблемы с финансированием у разработчиков отечественных архитектур компьютеров. Это также вызвало большие сложности у пользователей и разработчиков программного обеспечения, так как далеко не все хорошо владели английским языком (ныне в этом последнем отношении ситуация гораздо лучше). Появились, например, системы-обертки, обеспечивающие русскоязычный интерфейс: с их помощью все задания для ЕС писались с использованием русскоязычной мнемоники, затем конвертировались в англоязычный Job Control Language (язык управления заданиями IBM 360), а все сообщения, выдаваемые в качестве результатов, переводились на русский язык. Это было интересным подходом, однако не прижилось. Документация по IBM 360 постепенно была переведена на русский язык, появилась русскоязычная справочная и учебная литература по ЕС ЭВМ. К сожалению, отечественные аналоги аппаратуры IBM 360 – машины серии ЕС ЭВМ – оказались гораздо менее надежными, чем их прототипы. В течение еще нескольких лет было принято еще одно правительственное решение – об аналогичном копировании американских миникомпьютеров серий PDP 10 и PDP 11, под общим названием "Система Мини-ЭВМ" (СМ ЭВМ). Были выпущены компьютеры этой серии СМ-1, СМ-2, СМ-3 и СМ-4. Были и другие аналогичные работы по копированию зарубежных архитектур компьютеров и выпуске на этой основе отечественных аналогов. Фактически, можно сказать, что, благодаря подобному подходу, срок использования зарубежных ОС в СССР и в России был продлен не менее чем на 15-20 лет, что просто беспрецедентно. Копирование машин IBM 360 и PDP, с одной стороны, дало возможность советским программистам освоить новые развитые операционные системы, языки программирования, библиотеки программ, с другой – отбросило нашу отчественную вычислительную технику еще дальше назад. Один из классиков компьютерной науки, профессор Эдсгер Дейкстра (E. Dijkstra) в 1977 г. на научном семинаре в Ленинграде в АН СССР не без иронии заметил, что "решение русских о копировании IBM-360 можно считать серьезной победой США в холодной войне".

Разумеется, история отечественных ОС на этом не закончилась. Например, в настоящее время ведется разработка отечественной свободно распространяемой операционной системы на базе Linux. Среди отечественных программистов многие являются специалистами весьма высокого уровня по операционным системам.

Особенности операционных систем для компьютеров общего назначения (mainframes)

Пакетный режим .Более подробное рассмотрение операционных систем начнем с особенностей ОС для mainframes.

Один из основных режимов работы ОС – пакетный режим (batch mode) – режим пропуска и одновременной обработки пользовательских заданий ( jobs ) – программ, введенных с внешнего носителя или с терминала, с учетом их приоритетов и требуемых ими ресурсов. При этом ОС пытается максимально сэкономить время пропуска пакета заданий, формируя их оптимальным образом, - например, запускать на процессоре короткое задание, пока более длинное выполняет ввод-вывод.

Уже в самых первых ОС была реализована другая основная возможность - автоматическая передача управления от одного задания к другому при завершении или прекращении предыдущего задания. Для этого ОС использует резидентный (постоянно находящийся в памяти по фиксированным адресам) монитор – программу, осуществляющую поочередную передачу управления от задания к заданию, по мере их завершения. Алгоритм работы монитора следующий. При запуске компьютера управление передается монитору, который выбирает очередное задание и передает ему управление. По окончании задания управление возвращается монитору, и т.д.

Распределение памяти в однозадачной ОС с пакетной обработкой заданий

Рис. 2.1. Распределение памяти в простой системе пакетной обработки

Оно очень простое: операционная система занимает постоянно смежную область памяти (например, по меньшим адресам), остальная область памяти отдана пользовательской программе. Такая операционная система является однозадачной – обрабатывает, выполняет и хранит в оперативной памяти в каждый момент времени только одно пользовательское задание (программу). По окончании текущего задания ОС загружает в освободившуюся область памяти следующее задание. Разумеется, такой режим работы недостаточно удобен и эффективен, так как при выполнении задания возможны прерывания на выполнение ввода-вывода и другие паузы, во время которых ОС могла бы дать возможность выполняться другим очередным заданиям.