Появление первых вычислительных машин
Идея компьютера была предложена английским математиком Чарльзом Бэбиджем (Charles Babbage) в середине девятнадцатого века. Однако его механическая "аналитическая машина" по-настоящему так и не заработала.
Подлинное рождение цифровых вычислительных машин произошло вскоре после окончания второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства. Для этого периода характерно следующее:
- компьютер представлял собой скорее предмет исследования, а не инструмент для решения каких-либо практических задач из других областей;
- одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины;
- программирование осуществлялось исключительно на машинном языке;
- не было никакого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм;
- операционные системы еще не появились, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления.
С середины 50-х годов начался следующий период в развитии вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы — полупроводниковых элементов. В этот период:
- выросло быстродействие процессоров, увеличились объемы оперативной и внешней памяти;
- компьютеры стали более надежными;
- появились первые алгоритмические языки, и, таким образом, к библиотекам математических и служебных подпрограмм добавился новый тип системного программного обеспечения — трансляторы;
- были разработаны первые системные управляющие программы — мониторы, которые автоматизировали всю последовательность действий оператора по организации вычислительного процесса.
Программные мониторы — первые операционные системы
Программные мониторы явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными не для обработки данных, а для управления вычислительным процессом.
В ходе реализации мониторов был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какие действия и в какой последовательности он хотел бы выполнить на вычислительной машине. Типовой набор директив обычно включал признак начала отдельной работы, вызов транслятора, вызов загрузчика, признаки начала и конца исходных данных.
Оператор составлял пакет заданий, которые в дальнейшем без его участия последовательно запускались на выполнение монитором. Кроме того, монитор был способен самостоятельно обрабатывать наиболее распространенные аварийные ситуации, возникающие при работе пользовательских программ, такие как отсутствие исходных данных, переполнение регистров, деление на ноль, обращение к несуществующей области памяти и т.д.
Мультипрограммирование
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, представителем которого является, например, IBM/360.
В этот период были реализованы практически все основные механизмы, присущие современным ОС: мультипрограммирование, мультипроцессирование, поддержка многотерминального многопользовательского режима, виртуальная память, файловые системы, разграничение доступа и сетевая работа. В эти годы начинается расцвет системного программирования. Из направления прикладной математики, представляющего интерес для узкого круга специалистов, системное программирование превращается в отрасль индустрии, оказывающую непосредственное влияние на практическую деятельность миллионов людей.
В условиях резко возросших возможностей компьютера, связанных с обработкой и хранением данных, выполнение только одной программы в каждый момент времени оказалось крайне неэффективным.
Начались разработки в области мультипрограммирования.
Мультипрограммирование — способ организации вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера находится одновременно несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре.
Мультипрограммирование было реализовано в двух вариантах:
- пакетная обработка;
- разделение времени.
Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени.
Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используется следующая схема функционирования (рис.1.2): в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммный набор, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие к ресурсам различные требования, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины. Например, в мультипрограммном наборе желательно присутствие и вычислительных задач, и задач с интенсивным вводом-выводом. Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается "выгодное" задание. Следовательно, в вычислительных системах, работающих под управлением пакетных ОС, невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени.
Рис. 1.2. Централизованный характер вычислений в системах пакетной обработки.
В системах пакетной обработки переключение процессора с одной задачи на другую происходит по инициативе самой активной задачи, например, когда она "отказывается" от процессора из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Поэтому существует высокая вероятность того, что одна задача может надолго занять процессор, и выполнение интерактивных задач станет невозможным. Взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что пользователь приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок повышает эффективность функционирования аппаратуры, но снижает эффективность работы пользователя.
В системах разделения времени пользователям (или одному пользователю) предоставляется возможность интерактивной работы сразу с несколькими приложениями. Для этого каждое приложение должно регулярно взаимодействовать с пользователем. Понятно, что в пакетных системах возможности диалога пользователя с приложением ограничены.
В системах разделения времени эта проблема решается за счет того, что ОС принудительно периодически приостанавливает приложения, не дожидаясь, когда они сами освободят процессор. Всем приложениям попеременно выделяется квант процессорного времени, таким образом, пользователи, запустившие программы на выполнение, получают возможность поддерживать с ними диалог.
Системы разделения времени призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки — изоляцию пользователя-программиста от процесса выполнения задач. Каждому пользователю в этом случае предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант небольшой, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них использует машину единолично.
Ясно, что системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе. Кроме того, производительность системы снижается из-за дополнительного расходования вычислительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Это вполне соответствует тому, что критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя. Вместе с тем, мультипрограммное выполнение интерактивных приложений повышает и пропускную способность компьютера (пусть и не в такой степени, как пакетные системы). Аппаратура загружается лучше, поскольку пока одно приложение ждет сообщения пользователя, другие приложения могут обрабатываться процессором.