Лекции_операционные системы (Информатики)

Фрагмент учебника «Операционные системы, сети и интернеттехнологии» С.А.Жданов, Н.Ю.Иванова, В.Г.Маняхина, С.Н.Мягков.

Смена поколения происходит с появлением новых элементов,

изготовленных по принципиально иным технологиям.

Рассмотренные нами ЭВМ, начиная с ENIAC, относятся к первому поколению (1946 – конец 50-х годов) ЭВМ, так как работали на радиолампах. В таких ЭВМ было около 18 тысяч электронных ламп. Поэтому они были громоздки – занимали целые машинные залы и весили около 30 тонн. Скорость вычислений составляла 10 – 20 тыс. операций в секунду. Эксплуатация ЭВМ первого поколения была очень сложной, частая замена ламп, борьба с перегревом машины. ЭВМ первого поколения, как правило,

разрабатывались и обслуживались одной командой.

Программирование осуществлялось в машинных кодах, поэтому за пультом машины работали специалисты высокой квалификации,

которые досконально знали устройство машины. Программы загружались в память компьютера с помощью переключателей пульта управления или чуть позже при помощи перфокарт и перфолент. Большая часть времени уходила на подготовку запуска программы. ЭВМ одновременно могла выполнить только одну операцию (или операцию ввода-вывода, или какие-либо вычисления). Программы выполнялись строго последовательно.

Такой режим работы называется последовательная обработка данных. Отладка программ велась с помощью изучения состояния памяти и регистров машины. Как правило, программист получал распечатку (чаще всего в виде массива цифр), анализировал результаты, вносил изменения в программу, снова загружал ее в память при помощи перфокарт и запускал программу. Таким образом, дорогостоящее оборудование простаивало большую часть времени, поэтому данный период характеризуется крайне высокой стоимостью вычислений и низкой эффективностью.

21

Фрагмент учебника «Операционные системы, сети и интернеттехнологии» С.А.Жданов, Н.Ю.Иванова, В.Г.Маняхина, С.Н.Мягков.

Второе поколение (конец 50-х – конец 60-х годов) ЭВМ основывалось на полупроводниковых приборах – транзисторах и диодах, что позволило уменьшить габариты компьютеров, снизить потребляемую мощность и увеличить надежность. Теперь эти машины называют мэйнфреймами. Скорость компьютеров возросла до миллиона операций в секунду. Появились процессоры для работы с действительными числами и для управления вводом-выводом.

Эксплуатация стала проще. Появились алгоритмические языки и первые трансляторы (программы, преобразующие текст,

написанный на алгоритмическом языке, в программу, состоящую из машинных команд). Процесс программирования стал проще. Стали использоваться редакторы связей, библиотеки математических и служебных подпрограмм. Тогда же произошло разделение персонала на программистов (разработчиков) и операторов

(специалистов по эксплуатации). Программист записывал на бумаге программу на языке программирования и переносил ее на перфокарты, затем колода перфокарт передавалась оператору ЭВМ,

который занимался утомительным вводом готовых программ,

записанных на перфокартах или перфолентах. Причем оператору ЭВМ сначала нужно было ввести с пульта ЭВМ программу-

транслятор, которая так же хранилась на перфокартах или перфоленте, затем таким же образом ввести исходную программу и,

получив результат трансляции – программу в машинных кодах,

которая зачастую также выводилась на перфокарты или перфоленту из-за небольшого объема оперативной памяти ЭВМ, снова ввести полученные двоичные коды оттранслированной программы, а также подгрузить двоичные коды тех системных подпрограмм, которые реализовывали управление операциями ввода-вывода. Только после этого загруженная в память ЭВМ программа могла считывать

22

Фрагмент учебника «Операционные системы, сети и интернеттехнологии» С.А.Жданов, Н.Ю.Иванова, В.Г.Маняхина, С.Н.Мягков.

исходные данные и осуществлять необходимые вычисления. Чтобы автоматизировать труд оператора, была разработана специальная управляющая программа, которую оператор в начале работы загружал в память ЭВМ и затем неоднократно использовал ее всякий раз, когда нужно было проделать описанные выше процедуры для ввода очередной программы в память ЭВМ. Эта управляющая программа и стала прообразом операционной системой, предназначенной не для обработки данных, как другие программы, а исключительно для управления вычислительным процессом. Поскольку для повышения эффективности задания

(программы) с похожими запрашиваемыми ресурсами ЭВМ начали собирать вместе, создавая пакет заданий, то программу,

управляющую этим процессом, назвали системой пакетной обработки. Системы пакетной обработки автоматизировали последовательный запуск программ из одного пакета, тем самым сокращая время простоя процессора.

Среди отечественных машин ко второму поколению относятся БЭСМ-3М, БЭСМ-4, М-220 и М-222, которые были созданы уже на полупроводниковых транзисторах и диодах. Особо следует отметить замечательную машину БЭСМ-6. Ее называли гигантом. Гигантом не по размерам, а по мощности,

производительности (миллион операций в секунду). Долгое время БЭСМ-6 считалась одной из лучших ЭВМ в мире. Также в стране разрабатывались и другие серии ЭВМ – «Урал» и «Минск».

Рис. 2.3. БЭСМ-6.

23

Фрагмент учебника «Операционные системы, сети и интернеттехнологии» С.А.Жданов, Н.Ю.Иванова, В.Г.Маняхина, С.Н.Мягков.

Третье поколение (конец 60-х – конец 70-х годов) в основе имеют интегральные схемы – полупроводниковые кристаллы,

содержащие большое количество соединенных между собой транзисторов и других элементов. Первой линейкой ЭВМ третьего поколения считается IBM/360 (1964 г.). Это была серия программно-

совместимых машин от небольших коммерческих компьютеров,

которые использовались в банках и страховых компаниях для сортировки и печати данных, и заканчивая большими ЭВМ. Они различались ценой и производительностью (быстродействием процессора, объемом памяти, количеством устройств ввода-вывода и т.д.). Однако все эти машины имели одинаковую архитектуру и набор команд, а, следовательно, программы, написанные для одного компьютера, могли работать и на других компьютерах этой серии

(раньше приходилось заново переписывать программное обеспечение при получении более новой ЭВМ, так как каждая машина имела свой набор команд и отличия в архитектуре).

Рис. 2.4. IBM System/360.

Отечественные ЭВМ разделились на два семейства: большие

(ЕС ЭВМ) и малые (СМ ЭВМ – класс мини-ЭВМ). Размеры ЕС ЭВМ уменьшились, ЭВМ представляли собой две стойки и дисплей и уже

24

Фрагмент учебника «Операционные системы, сети и интернеттехнологии» С.А.Жданов, Н.Ю.Иванова, В.Г.Маняхина, С.Н.Мягков.

не нуждались в специальном помещении. Скорость работы составляла до нескольких миллионов операций в секунду.

Увеличился объем памяти, память разделилась на оперативную память (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ), появились магнитные диски,

ленты, дисплеи и графопостроители. В структуре ЭВМ появился принцип модульности и магистральности – прообраз современной системной шины.

Рис. 2.5. ЕС ЭВМ.

Появление магнитных лент и дисков позволило усовершенствовать операции ввода-вывода. Данные стали считываться в память ЭВМ не непосредственно с перфокарт, а с магнитной ленты или диска. Когда текущее задание заканчивалось,

операционная система загружала новое задание с диска в оперативную память и запускала его. Записывать (вводить) новые пакеты заданий на магнитный диск или ленту можно было в любое время по мере того, как их приносили в машинный зал. Это прием получил название подкачка данных, или spooling (SPOOL Simultaneous Peripheral Operation On Line – совместные периферийные операции в режиме подключения). Его также использовали для выдачи полученных данный.

25

Фрагмент учебника «Операционные системы, сети и интернеттехнологии» С.А.Жданов, Н.Ю.Иванова, В.Г.Маняхина, С.Н.Мягков.

Введение техники подкачки-откачки данных в пакетные системы позволило совместить реальные операции ввода-вывода одного задания с выполнением другого задания, то есть пока программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как раньше, а выполняет другую программу. Так операционные системы стали реализовывать мультипрограммный режим (многозадачность).

В этот период также встала проблема планирования заданий.

Магнитные ленты – устройства последовательного доступа, то есть информация считывается в том порядке, в каком записана. Диск являлся устройством произвольного доступа, т.е. информацию можно было считывать произвольно, с любого места, поэтому появилась возможность выбора очередного выполняемого задания.

Пакетные системы стали заниматься планированием заданий в зависимости от запрошенных ресурсов, срочности вычислений и т.д.

В тот период стали активно развиваться всевозможные устройства ввода и вывода данных. Появление терминалов

(устройств, сочетающих в себе клавиатуру и монитор) позволило осуществлять ввод данных непосредственно пользователем (минуя оператора ЭВМ) и получать результаты в удобном виде на экране терминала. К ЭВМ можно было подключить несколько десятков терминалов и дать возможность одновременно работать нескольким пользователям. Развитие интерфейсных функций операционных систем позволило реализовать диалоговый режим работы, когда пользователь сам, без посредника, взаимодействует с ЭВМ,

используя определенный набор команд. Чтобы обеспечить многопользовательский (многотерминальный) режим работы, в этот период были разработаны системы разделения времени, которые организовывали работу процессора таким образом, что он

26

Фрагмент учебника «Операционные системы, сети и интернеттехнологии» С.А.Жданов, Н.Ю.Иванова, В.Г.Маняхина, С.Н.Мягков.

переключается между задачами не только на время операций ввода-

вывода, но и просто по прошествии определенного времени, тем самым создавая эффект параллельного выполнения программ разных пользователей.

Интересно, что терминальные комплексы могли быть расположены на большом расстоянии от ЭВМ и соединялись с ней при помощи различных глобальных связей – модемных соединений телефонных сетей или выделенных каналов. Нужно было поддержать удаленную работу терминалов, поэтому в операционных системах, обслуживающих ЭВМ с удаленными терминалами,

появился специальный программный модуль, реализующий различные протоколы связи. Эти операционные системы являются

прообразом сетевых операционных систем.

Вехой в истории третьего поколения ЭВМ стал выпуск мини-

компьютеров PDP корпорацией DEC в 1961 г. PDP-1 обладали небольшой оперативной памятью, но несмотря на это, некоторые виды нечисловых работ выполняли почти с такой же скоростью, как и мощные машины, а стоили в двадцать раз дешевле их, что делало их доступными для большего числа предприятий, компаний и

Фрагмент учебника «Операционные системы, сети и интернеттехнологии» С.А.Жданов, Н.Ю.Иванова, В.Г.Маняхина, С.Н.Мягков.

операционная система UNIX, ставшая самой популярной системой.

Таким образом, именно в этот период операционная система стала неотъемлемым элементом компьютера. Уже тогда были реализованы практически все основные механизмы, которые мы наблюдаем в современных операционных системах:

многозадачность (мультипрограммирование),

мультипроцессирование, поддержка многотерминального многопользовательского режима, виртуальная память, файловые системы, разграничение прав доступа и сетевая работа.

Четвертое поколение (конец 70-х и по настоящее время)

связано с разработкой больших интегральных схем и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС) – кремниевых микросхем,

содержащих тысячи транзисторов на одном квадратном сантиметре.

В июне 1971 года была впервые разработана очень сложная универсальная интегральная микросхема, названная микропроцессором – важнейшим элементом компьютеров четвертого поколения. Первый микропроцессор был создан фирмой

Intel в 1971 году. Появились многопроцессорные суперЭВМ и микропроцессорные персональные ЭВМ (персональные компьютеры). Если раньше миникомпьютер могли иметь отдельные предприятия, учебные заведения, то персональный компьютер сделал это возможным для отдельного человека, наступила эра персональных компьютеров.

Поскольку возможности первых персональных компьютеров были очень скромны и их нельзя было сравнивать с ЭВМ,

построенных на базе высокопроизводительных RISC-процессоров,

то и операционные системы для персональных компьютеров упростились, достаточно было обеспечить однозадачный однопользовательский режим работы. Однако, параллельно для

28

Фрагмент учебника «Операционные системы, сети и интернеттехнологии» С.А.Жданов, Н.Ю.Иванова, В.Г.Маняхина, С.Н.Мягков.

суперЭВМ продолжали совершенствоваться многозадачные,

многопользовательские операционные системы, среди которых доминировала операционная система UNIX.

В начале 1980-х компанией IBM был выпущен персональный компьютер IBM PC на основе процессора Intel 8088. Компания

Microsoft предложила IBM пакет, включавший собственный интерпретатор BASIC и операционную систему DOS (Disk Operating System – дисковая операционная система). Компьютеры Apple II

работали с операционной системой APPLE DOS, а ряд компьютеров разных фирм на базе процессоров Intel 8080 использовали операционную систему CP/M. Все эти операционные системы имели интерфейс командной строки, с помощью которого пользователи вводили команды с клавиатуры.

Рис. 2.7. IBM PC.

Но постепенно скорость микропроцессоров персонального компьютера возросла до миллиарда операций в секунду. Работать на компьютере стало удобнее, так как интерфейс стал более дружественным, появилась возможность подключения дополнительных устройств, обеспечивается совместимость и доступность программного обеспечения. Программирование на ЭВМ четвертого поколения связано с появлением новых языков и

29

Фрагмент учебника «Операционные системы, сети и интернеттехнологии» С.А.Жданов, Н.Ю.Иванова, В.Г.Маняхина, С.Н.Мягков.

сред программирования, новых принципов программирования. Это повлияло на развитие операционных систем и появление широкого класса программ прикладного характера. Наиболее популярными системами для персональных компьютеров с дружественным графическим интерфейсом являются семейства Microsoft Windows, Linux и Mac OS X (для компьютеров Apple Macintosh).

Рис. 2.8. Apple Macintosh (1984 г.)

С середины 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых и распределенных операционных систем. В сетевых и распределенных операционных системах пользователи могут получить доступ к ресурсам другого сетевого компьютера.

Наиболее известная сетевая операционная система 80-х годов

Novell NetWare, которая предназначалась для сервера локальной сети и обеспечивала максимально возможную скорость удаленного доступа к файлам и повышенную безопасность данных. Другие разработчики дополняли операционные системы общего назначения сетевыми модулями, и в 90-ые годы практически все наиболее популярные операционные системы стали сетевыми и

30