Министерство  образования и науки Республики Казахстан

     Карагандинский  Государственный Технический Университет 
 
 
 

     Кафедра информационных систем 
 
 
 
 
 
 

     Реферат

     на  тему:

     "История  развития операционных систем" 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнил(а):

     Петриченко  Д.С.

     Принял:

     Кудряшов  Н.Н. 
 
 
 
 
 
 
 

      Караганда 2012 

Оглавление 

1 Общая история развития операционных систем 3

1.1 Появление первых операционных систем 3

1.2 Система пакетной обработки - прообраз современной операционной системы 3

1.3 Возникновение многозадачных операционных систем 5

1.4 Операционные системы с поддержкой виртуальной памяти 6

1.5 Графические интерфейсы пользователя 8

1.6 Встроенная поддержка сети 9

2 История развития наиболее распространенных операционных систем 10

2.1 Операционная система UNIX 10

2.2 Операционная система Linux 12

2.3 Операционная система Windows 13 
 
 

1 Общая история  развития операционных  систем

1.1 Появление первых  операционных систем

     Первые  ЭВМ были построены и нашли  практическое применение в 40-е годы XX века. Первоначально они использовались для решения единственной частной  задачи – расчет траектории артиллерийских снарядов в системах ПВО. В силу специфики  применения (решение единственной задачи), первые ЭВМ не использовали никакой операционной системы. В тот период времени, решением задач на ЭВМ занимались в основном сами же разработчики ЭВМ, а процесс использования ЭВМ представлял собой не столько решение прикладной задачи, сколько исследовательскую работу в области вычислительной техники.

     Вскоре  ЭВМ начали успешно применять  для решения других задач: анализ текстов и решение сложных  прикладных задач из области физики. Круг потребителей услуг ЭВМ несколько  расширился. Однако, для решения  каждой конкретной задачи в то время  необходимо было написать заново не только код, реализующий алгоритм решения, но и процедуры ввода-вывода и  другие процедуры управления процессом  вычисления.

     Поэтому для разрешения указанных проблем  были созданы специальные библиотеки процедур ввода-вывода (BIOS – Base Input-Output System). Тщательно отлаженные и эффективные  процедуры из BIOS можно было легко  использовать с любыми новыми программами, не затрачивая время и силы на разработку и отладку стандартных процедур для ввода и вывода данных.

     Таким образом, с появлением BIOS программное  обеспечение разделилось на системное  и прикладное программное обеспечение. Причем прикладное программное обеспечение  непосредственно ориентировано  на решение полезных задач, в то время  как системное программное обеспечение  ориентировано исключительно на поддержку работы и упрощение  разработки прикладного программного обеспечения.

     Однако, BIOS еще не является операционной системой, т.к. не выполняет важнейшую для  любой операционной системы функцию  – управление процессом вычислений прикладной программы. Кроме того, BIOS не обеспечивает и другие важные функции  операционной системы – хранение и запуск прикладных программ. BIOS и  библиотеки математических процедур, которые появились примерно в  то же время, просто облегчали процесс  разработки и отладки прикладных программ, делали их более простыми и надежными. Тем не менее, создание BIOS стало первым шагом на пути к  созданию полноценной операционной системы.

1.2 Система пакетной обработки - прообраз современной операционной системы

     По  мере дальнейшего развития электронно-вычислительных машин, с расширением сферы их применения, на первый план быстро вышла  проблема недостаточной эффективности  использования дорогостоящей ЭВМ.

     В 50-е годы персональных компьютеров  еще не было, и любая ЭВМ была очень дорогой, громоздкой и относительно редкой машиной. Для доступа к  ней со стороны различных научных  учреждений составлялось специальное  расписание. К указанному времени  программист должен был прийти в  машинный зал, загрузить свою задачу с колоды перфокарт, дождаться завершения вычислений и распечатать результаты.

     При использовании жесткого расписания, если программист не успевал закончить  расчеты за отведенное время, он все  равно должен был освободить машину, так как для нее была запланирована  новая задача. Но это означает, что  машинное время было затрачено впустую  – результатов то не получено! Если же по какой либо причине расчеты  завершались раньше ожидаемого срока, то машина просто простаивала.

     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.

1.3 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.

     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.

1.4 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.

     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).

1.5 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 новы 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.

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

1.6 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.

     Вершиной  интеграции при сетевом взаимодействии являются сетевые операционные системы, объединяющие ресурсы всех компьютеров  сети в общий сетевой ресурс, доступный  любому компьютеру сети. Разумное использование  сетевой операционной системы позволяет  решать сложные переборные или оптимизационные  задачи при наличии в сети достаточно большого количества ЭВМ, каждая из которых  в отдельности не в состоянии  решить задачу за приемлемое время.

2 История развития наиболее распространенных операционных систем

2.1 Операционная система  UNIX

     Проект  операционной системы Multics 

     В проекте Multics в период 1965 – 1969 гг. совместно  участвовали компании Bell Labs и General Electric. Целью проекта Multics было создание новой  многопользовательской многозадачной  интерактивной операционной системы, сочетающей удобство использования  с мощной и эффективной системой управления ресурсами. В основу Multics были положены следующие технические  решения:

     - виртуальная память с сегментно-страничной  организацией, контролирующая права  доступа на запись, чтение или  исполнение для каждого сегмента;

     - централизованная файловая система,  обеспечивающая организацию данных, даже находящихся на разных  физических устройствах, в виде  единой древовидной структуры  каталогов/файлов;

     - отображение содержимого файла  в виртуальное адресное пространство  процесса с использованием механизмов  управления виртуальной памятью.

     Все эти решения характерны и для  современных операционных систем. Однако проект Multics не был завершен. Руководство  компании Bell Labs приняло решение о  выходе из проекта, посчитав дальнейшее финансирование проекта нецелесообразным, так как большие средства, уже  вложенные в проект, не приносили  отдачи.

     Несмотря  на досрочное прекращение, в ходе проекта Multics были определены базовые  принципы управления ресурсами и  архитектуры операционных систем, которые  успешно используются до настоящего времени, а специалисты, участвующие  в проекте, получили бесценный опыт. Среди участников проекта Multics были Кен Томпсон и Деннис Ритчи, будущие  авторы первой версии UNIX. 

     Возникновение операционной системы UNIX 

     После прекращения проекта Multics, Кен Томпсон, Деннис Ритчи и некоторые другие сотрудники Bell Labs продолжили исследовательскую  работу в области операционных систем, и вскоре предложили идею усовершенствованной  файловой системы. По счастливому стечению обстоятельств, компания Bell Labs в то время испытывала острую потребность  в удобных и эффективных средствах  ведения документации, и новая  файловая система могла здесь  оказаться полезной.

     В 1969 Кен Томпсон реализовал на машине PDP-7 операционную систему, включающую в себя новую файловую систему, а  также специальные средства управления процессами и памятью, позволяющие  работать на одной машине PDP-7 сразу  двум пользователям в режиме разделения времени. Первыми пользователями новой  операционной системы стали сотрудники патентного отдела Bell Labs.

     Брайан  Керниган предложил назвать новую  систему UNICS – Uniplexed Information and Computing System. Название понравилось разработчикам, отчасти еще и потому, что напоминало Multics. Вскоре название стали записывать как UNIX – произносится также, но запись короче на одну букву. Это название дошло до настоящего времени.

     В 1971 году, после переноса UNIX на PDP-11, была выпущена первая редакция документации, и новая операционная система  появилась уже официально.

     Первая  редакция UNIX была написана на ассемблере, что накладывало определенные трудности  при переносе операционной системы  на другие платформы, поэтому для  работы над второй редакцией UNIX, Кен  Томпсон разработал собственный  язык программирования B. Вторая редакция вышла в 1972 году и содержала программные  каналы, позволяющие устанавливать  взаимодействие между программами, одновременно выполняющимися на ЭВМ.

     Появление операционной системы, написанной не на ассемблере, было революционным шагом  в области системного программирования, но язык B содержал в себе ряд ограничений, сдерживающих его применение. Поэтому  в 1973 году Деннис Ритчи разработал язык C, и операционная система была переписана на новом языке.

     В 1975 году появилась первая коммерческая версия UNIX, известная как UNIX v.6 и UNIX начала свое триумфальное шествие по миру. 

     Основные  этапы развития UNIX 

     1976. В университете г. Беркли сложилась  группа студентов и профессоров,  серьезна занявшаяся системой UNIX. В последствие группой университета  Беркли основала собственную  ветвь развития ОС UNIX – BSD UNIX (Berkeley Software Distribution). В ветви BSD впервые  появились такие известные компоненты UNIX, как текстовый редактор vi, стек  протоколов TCP/IP, страничный механизм  в системе управления виртуальной  памятью.

     1977. Первый опыт по переносу UNIX на  другую аппаратную платформу  (отличную от PDP-11). В университете  Воллонгонга в Австралии профессор  Джюрис Рейндфельдс частично  перенес UNIX на 32 разрядную машину.

     1978. Томпсон и Ритчи в Bell Labs осуществили  полный перенос UNIX на 32 разрядную  машину. Перенос сопровождался существенными  изменениями в организации системы,  которые позволили упростить  последующие переносы UNIX на другие платформы. Одновременно язык C был расширен практически до современного состояния.

     1978. Специально для поддержки UNIX в  Bell Labs создано подразделение USG (UNIX Support Group).

     1982. USG выпустила UNIX System III, которая аккумулировала  лучшие решения, представленные  в различных версиях UNIX, известных  к тому времени. Впервые представлены  именованные программные каналы.

     1983. Выход Unix System V. В ней впервые  представлены семафоры, средства  разделения памяти и очереди  сообщений, а для повышения  производительности использовано  кэширование данных.

     1984. USG преобразована в лабораторию  по развитию UNIX – USDL (UNIX System Development Laboratories). Выпущена версия UNIX System V Release 2 (SVR2). В системе реализована возможность блокировки файлов и копирования совместно используемых страниц памяти при записи.

     1986. Появление графического интерфейса  для UNIX-подобных операционных  систем – графическая система  X Windows.