Az Operációs rendszerek kialakulásának története I. A számítógép generációk 0-I-II.

Az oPerációsrendszer kialakulása Kialakulásuk hosszas folyamat volt. Az OS szorosan kötődik a számítógép architektúráihoz melyeken futottak, ezért vizsgáljuk meg őket a szg. generációk tükrében: Mechanikus és digitális gépek kialakulása (XVII-XIX.sz első fele) I. generáció: vákuumcsöves és kapcsolós architektúrák (1945-1955) II. generációs: Tranzisztorok és kötegelt rendszerek (1955- 1965) III. generáció: Integrált áramkörök és multiprogramozás (1965-1980) IV. generáció: Személyi számítógépek korszaka(1980-1991) korszaka V. generáció: párhuzamos és asszociatív mikroprocesszoros gépek (1991-napjainkig), valóban akkor lenne nagy generációs lépés ha elérnénk az igazi mesterséges intelligencia létrejöttét.

Az 1. digitális gépek tervei Xviii-XiX sz. Lyukkártyás szövőgépek és verklik (tekerős zenegépek) már a XVIII. sz. elején megjelentek. Az első digitális gép terve Charles Babbage (1792-1871) angol matematikus, nevéhez köthető – élete nagyját és vagyonát analitikai gépek kikísérletezésére szánta, de ezek sosem működtek tökéletesen, mechanikus mivoltuk miatt – nehézkes volt előállítani az precíz és apró fogaskerekeket és egyéb alkatrészeket. Nem volt operációs rendszere gépeinek! Babbage rájött, kell, hogy valami irányítsa a gépet, azaz hogy szükséges a software!

Nagyobb mérföldkövek 1847-54 George Boole áramkörelméletben is alkalmazható logikai algebrája a későbbi digitális működésű gépek tervezésének alapjait jelentette. 1887 Herman Hollerith(1860–1929) nagy tömegű adat statisztikai feldolgozására alkalmas gépet épít. A gép lyukkártyákat tudott rendezni (soliter)és szétválogatni. Hollerith1924-ben alapított cégéből fejlődött ki a későbbi IBM. 1936-ban Konrad Zuse megalkotta az első programozható elektromechanikus számológépet, a Z3-at.

1939–ben Vincent Atanasoff és asszisztense, Clifford Berry megterveztek egy csak elektronikus egységekből álló digitális alapú számológépet, az Atanasoff– Berry Computer-t (ABC). Ezt tekintjük egyben a világ első számítógépének. Németországban Zuse szintén továbbfejlesztette korábbi programozható számológépét 1939- ben Z2, majd 1941-ben Z3 néven. Ez utóbbi tekinthető az első szabadon programozható, teljesen programvezérelt számítógépnek. 24 bites szavakkal dolgozott, memóriájában 16 adatot tudott tárolni. Felépítése hasonló a mai gépekhez: processzort (ALU), vezérlőegységet (CU), memóriát, bemeneti egységet (szalag) és kimeneti egységet tartalmaz.

1940-es években megjelentek az olyan analóg számítógépek, amelyek már numerikus egyenletek megoldásait is ki tudták számítani 1943-ban az angol titkosszolgálat Alan Turing matematikus vezetésével megépíttette a Colossust –relékből épült fel, második világháborús német katonai rejtjelezőkód megfejtését segítette.  (Turing nevéhez egy a számítástechnika egyik alapelve a Turing-gép elve is fűzhető).  1939-1944 Howard Aiken vezetésével az Automatic Sequence Controlled Calculator-t (ASCC) – az első teljesen automatikus sz.gép, más néven Mark I-et. A találmány elődeivel ellentétben már tízes számrendszerben számolt.

Babbege szg-el szemben követelt alapelvei Ne kelljen mindig beállítani a számokat, meg lehessen adni egyszerre az összes számot és műveletet (pl.: lyukkártya segítségével oldható meg); legyen utasítás (a művelet a lyukkártyán); legyen külső programvezérlés (a lyukkártyákon tárolt utasítássorozat, a program); legyen bemeneti egység (ez a lyukkártyát olvasó berendezés); legyen olyan egység, amely a kiindulási és a keletkezett számokat tárolja (memória); legyen aritmetikai egység, amely számológépen belül a műveleteket végzi el; legyen kimeneti egység (a gép nyomtassa ki az eredményt).

A Babbage gép elméleti programnyelve Mint már rájött kell szoftver, alkalmazta Ada Lovelacet (Lort Byron angol költő lánya), aki leírta azon módszereket, ahogyan a képzeletbeli gépet programmal lehessen kezelni – azaz programpt lehet rá készíteni. Megjelennek nála az algoritmusok egyes lépései (GOTO, STOP). A hölgy így a világ első programozója lett. Később róla nevezték el az ADA programnyelvet.

Babbage nevéhez fűződő gépek: „Analytical engine” nevű gép (1834), amely 20 jegyű számokkal végzett volna műveletet ha meg tudja építeni.  És a később megépített gőzhajtású Differenciál gép (Difference Engine), ami a függvények  differenciálhányados-függvényét közelítő módszerekkel számolta ki.

Colossus Z3

I. generáció: vákuumcsövek és kapcsolók (1945-55) A digitális számítógépek építése a hirtelen megszaladt kort követően kissé „leült”megtorpant kissé. Az előző nagyobb nevek tevékenységét figyelhetjük meg itt is. Howard Aiken (Harvard Egyetem) Neummann János (Institute for Advanced Study - Princeton) J.Presper Eckert (University of Pennsylvania) John Williem Munchel (University of Pennsylvania) Konrad Zuse (Németország)

I. Generáció: gépeinek jellemzői Az első ilyen gépek mechanikus reléket (kapcsolókat) használtak, lassúak voltak, 1-1 ciklus másodpercekig is eltarthatott A reléket vákuumcsövekre cserélték Hatalmas méretűek > óriási csarnokok kellettek a 10 000 db vákuumcsövet is magába foglaló gépekhez. Több milliószor lassabbak voltak mint mai gépeink. Külön csapat tervezte, épített és programozott , kezelt, karbantartást végzett és javított minden gépet.

I. Generációs gépek programozása Abszolút gépi nyelvű programozás folyt Kapcsolótáblákat készítettek az alapfunkciók futtatásához . Nem léteztek még programnyelvek Nem volt OS Egyszerű numerikus számításokra használták > pl.: sin, cos, logaritmikus táblák kiszámítása Munkamenet: adott programozó által készített kapcsolótábláját behelyezte a gépbe, elindította, majd reménykedett, hogy a 10-20e vákuumcső közül egy se gyulladjon ki míg a „programja” fut . 1950-ben a lyukkártyák megjelenésével javult a helyzet, ekkor már kártyán voltak a programok, , ezek váltották a kapcsolótáblákat.

Nagyobb mérföldkövek 1943-1946 között készült el az ABC után a második teljesen elektronikus számítógép, az ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator). Csak a számításhoz szükséges adatokat tárolta. Elektroncsővel működött A programozása kizárólag gépi nyelven történt, sok energiát használt fel, gyakori volt a meghibásodás.

Neumann János irányította az EDVAC megépítését is 1944-ben, amelyet 1952-ben helyeztek üzembe. Ez volt az első olyan számítógép, amely a memóriában tárolja a programot is. Ennek a számítógépnek a terve és a továbbfejlesztett Neumann-elvek alapján készülnek a mai számítógépek is. Az elektronikus számítógépek logikai tervezésében kiemelkedő érdemeket szerzett a magyar származású Neumann János. Alapvető gondolatait – a kettes számrendszer alkalmazása, memória, programtárolás, utasításrendszer – Neumann- elvekként emlegetjük.

1951-ben Neumann az Institute for Advanced Study (IAS) kutatóintézetnél megépítette az IAS- komputert, amely a nagy amerikai tudományos intézetek digitális elektronikus számítógépeinek mintájául szolgált a következő években. A korszak hivatalos kezdete: 1951. június 5- én: az első UNIVAC-ot (Universal Automatic Computer) leszállították az Egyesült Államok Népszámlálási Hivatala számára. Az UNIVAC már szöveges információt is tudott kezelni. Az UNIVAC volt az első, kereskedelmi forgalomban elérhető számítógép. Az Egyesült Államokban 1955-ben már 46 UNIVAC számítógépet helyeztek üzembe. Európában sorozatban gyártott számítógép a Sztrela első példánya 1953-ban készült el. Össz 7 készült belőle Eu és Ázsia területi egyetemekben kaptak helyt.

A Neumann-ELV Soros utasítás végrehajtás (az utasítások végrehajtása időben egymás után történik - Ellentéte a párhuzamos utasításvégrehajtás, amikor több utasítás egyidejűleg is végrehajtható) Kettes (bináris) számrendszer használata Belső memória (operatív tár) használata a program és az adatok tárolására Teljesen elektronikus működés Széles körű felhasználhatóság Központi vezérlőegység alkalmazása

Neumann elvű szg. felépítése központi egység: központi feldolgozó egység: központi vezérlő egység aritmetikai-logikai egység regiszterblokkok gyorsítómemória matematikai társprocesszor operatív tár (memória) háttértárak perifériák input perifériák output perifériák Központi egység (CPU) Memória (ROM -csak olvasható, RAM -olvasható, írható és bővíthető Háttértárak –merevlemez,flash,CD / DVD,SSD,stb.) Bemenet (billentyűzet,egér stb.) Kimenet (monitor, nyomtató, stb.)

Strela számítógép és kezelője IAS számítógép Neumann János és az IAS Strela számítógép és kezelője

ENIAC és operátorai

UNIVAC és kezelője UNIVAC gép, gépterem és kezelői

Öf. I. generáció (1945-1955) műveletvégzéshez elektroncsöveket használnak programozás nehezen megtanulható, gépi nyelven néhány tízezer művelet/mp nagy energia felhasználás gyakori hibák miatt költséges az első tisztán elektronikus gép, 1943–46 ENIAC: 18 ezer elektroncső, 10 ezer kondenzátor, 70 ezer ellenállás, 30 tonnás tömeg, 800 kW teljesítményfelvétel Neumann-elvek: 1946 ENIAC építési tapasztalatai alapján az első belső programvezérlésű:1949 EDVAC az első sorozatban gyártott számítógép:1951 UNIVAC

II. generáció: Tranzisztorok és kötegelt rendszerek (1955-65) 1950-megjelentek az első tranzisztorok – így 10 éven belül megbízhatóvá váltak a számítógépek. Szétvált az iparág tervezőkre, gyártókra, kezelőkre, karbantartókra és programozókra. Nagyszámítógépek- MAINFRAMEK: különlegesen légkondicionált termeket igényeltek, szakképzett kezelőket igényeltek. Nagyvállalatok, kormányzati szervek, egyetemeknek volt rá csak keretük. Un. feladatokat hajtottak végre (programok vagy több programból álló programsorok).

II. Generációs gépek általános Működése/programozása I. A programozó papíron megírta a programot FORTRAN vagy ASSEMBLY nyelven. A programokat kártyákra lyukasztották A kártyacsomagot a beviteli terembe vitték, ahol az egyik kezelő a gépbe helyezte és elindította a számítást. És csak vártak… Ha a gép végzett egy épp futó feladattal, a kezelő átment a nyomtatóhoz, az eredményt letépte róla és a kiviteli terembe vitte, ahol a programozó hozzájuthatott. Ha a FAORTRAN fordítóra volt szükség , a kezelő elhozta az állománytároló rekeszekből és azt is beolvastatta. Belátható, hogy a gépidő főként a kezelő oda-vissza sétálásával telt.

II. Generációs gépek általános Működése/programozása II./1. A sok és hasztalan gépidő miatt kitalálták a KÖTEGELT RENDSZEREK–et. A bemeneti teremben összegyűjtöttek egy kötegre való feladatot. Ezeket mágnesszalagra olvasták egy olcsóbb számítógéppel pl.: IBM 1410 – jó kártyaolvasó szalagmásoló, nyomtató, de gyengébb számító egységgel bírt. Kb 1 órányi anyag után visszatekerték és átvitték a szalagolvasóba a szalagot. Egy jobb számítási készséggel bíró (drágább) gép működött itt. pl. IBM 7094.

II. Generációs gépek általános Működése/programozása II./2. Itt elindult egy speciális program > a mai OS elődje! Mely beolvasta az első programot és elindította annak futását. Nyomtatás helyet szalagra íródott a program. Ha befejeződött, jött automatikusan a következő. Amikor végzett az egész köteggel, és minden felíródott a bemeneti szalagot kicserélte a következő kötegre, a kimeneti szalagot pedig egy off-line külön teremben lévő nyomtatóba tette amely kinyomtatta a programok eredményeit. Tipikus rendszer: Fortran Monitor System (FMS)

FMS feladat

II. Generációs gépek általános Működése/programozása II./3. Tipikus bemeneti feladat felépítése: $JOB>kártya, maximalizálta a futási időt (min), meghatározta a terhelendő számlaszámot és a programozó nevét. $FORTRAN>kártya, jelezte az OS-nek hoyg töltse be a FORTRAN fordítót a rendszerszalagról. Eztán jött a FORTRAN PROGRAM – a fordítandó program $LOAD>kártya,utasított a szg.-et a most fordított program betöltésére. A lefordított programot gyakran munkaszalagra írták és explicit kérésre töltötték be. $RUN>kártya, a program futását kéri a mögötte következő adatokkal Program adatai $END>kártya, jelzi a feladat végét.

II. Generációs gépek általános Működése / OS-ei II./4. Egyszerű vezérlőkártyákkal dolgoztak, a mai feladatvezérlők és parancsértelmezők elődei. Többnyire tudományos és mérnöki számításokat végeztek pl: parciális differenciál-egyenletek numerikus megoldása Főként fortran és assembly nyelveken programoztak Tipikus OS-eik: FMS (Fortran Monitor System), IBSYS (IMB OS a 7094-es géphez).

II. Generációs gépek általános tulajdonságai 1. már tranzisztorokat tartalmaztak – ami lecsökkentette a méretüket. Ferritgyűrűs tárakkal látták el őket:  közvetlen hozzáférésű memória egyik korai típusa. Az információ tárolását a mágnesezhető kerámiagyűrű mágneses polaritásának felhasználásával végzi. Ezeknél a gépeknél jelenik meg a megszakítás- rendszer: amelyekkel a hardveres jelzéseket a számítógépek kezelni tudják. Ekkor jelentek meg az operációs rendszerek

II. Generációs gépek általános tulajdonságai 2. Megjelentek a magas szintű programozási nyelvek  pl.: FORTRAN. Memóriaként mágnestárat használtak, a háttértár mágnesszalag, majd mágneslemez. Ezek a gépek 50 000-100 000 művelet/másodperc sebességet értek el. A népszerű gépek közé tartoztak például az IBM 700/7000 sorozata (pl. 7040, 7070, 7090 modellek), és az IBM 1410.

IBM 1410 IBM 7094

ÖF – II. Generáció (1955-1965) az elektroncsövek helyett megjelenik a jóval kisebb dióda és tranzisztor kapcsolási idő, gépi méretek, energia igény csökken 100 ezer  művelet/mp a tranzisztor révén sokkal megbízhatóbb gépek megjelennek az első programozási nyelvek az 1948-ban feltalált tranzisztort csak 1958-ban építik be először a nagy univerzális számítógépek ideje:1960–66 Magas szintű programozási nyelvek megjelenése: az első volt a FORTRAN az 1963-ban megjelent PDP 5 (DEC) gép volt az első, ami nagyjából elfért egy asztalon