Geschichte Grundkurs PDF: Betriebssysteme und Computergeschichte

0.Geschichtlicher Überblick Definition: Anwendungsprogramm Unter einem Anwendungsprogramm versteht man ein Computerprogramm, welches ein oder mehrere Probleme löst, die von Benutzern eines Computers gestellt werden. Klassische Anwendungsprogramme sind beispielsweise: Textverarbeitung E-Mail-Cli...

0.Geschichtlicher Überblick Definition: Anwendungsprogramm Unter einem Anwendungsprogramm versteht man ein Computerprogramm, welches ein oder mehrere Probleme löst, die von Benutzern eines Computers gestellt werden. Klassische Anwendungsprogramme sind beispielsweise: Textverarbeitung E-Mail-Client Browser etc. Definition: Systemprogramm Unter einem Systemprogramm versteht man ein Computerprogramm, welches der Verwaltung des Betriebs eines Computers dient. Da im Kapitel Weitere Komponenten der Computerarchitektur eine Reihe von nötigen Verwaltungsaufgaben identifiziert wurden, ist bereits an dieser Stelle klar, dass ein Betriebssystem ein spezielles Systemprogramm darstellt. Definition: Betriebssystem Ein Betriebssystem ist ein Programm, das dem Benutzer und Anwendungsprogrammen elementare Dienste bereitstellt. Das Betriebssystem steuert und überwacht die Abwicklung von Programmen und regelt den Betrieb des Rechnersystems. 1.2 Betriebssystem-Geschichte Bevor wir die Entwicklungsgeschichte der Betriebssysteme betrachten, wollen wir eine Kategorisierung versuchen und den Begriff des Mehrzweckbetriebssystems, das wir im Weiteren in den Fokus unserer Betrachtung stellen, einführen. Betriebssystemkategorien. Man kann heutige Betriebssysteme grob in mehrere Kategorien einordnen, und wie man sieht, werden manche Betriebssysteme auch für verschiedene Zwecke verwendet: Großrechner oder Mainframes (High-End-Systeme wie IBM OS/390 (heute IBM zSeries10) und Siemens Fujitsu BS 2000/OSD) – Serverbetriebssysteme (Unix, Windows NT/2000/2003/XP,...) PC-Betriebssysteme (Windows-Derivate, Linux,...) Echtzeitbetriebssysteme (VxWorks, QNX, Embedded Linux, NetBSD,…) 10 zSeries heißt die aktuelle Architektur der Mainframes der Firma IBM. Gegenüber der Vorgängerarchitektur S/390 unterscheidet sich zSeries u.a. durch die 64-Bit-Adressierung. 1.2 Betriebssystem-Geschichte 15 Embedded Systems (VxWorks, QNX, Embedded Linux, NetBSD, Microsoft Windows CE) Handheld-Computer (Palm OS, Windows CE, Symbian) Smartcard-Betriebssysteme (Chipkarte mit spezieller Java Virtual Machine, JVM) Typisch für Echtzeitsysteme ist, dass hier die Forderung nach einer garantierten maximalen Reaktionszeit besteht, in der auf ein externes Ereignis (Signal eines technischen Prozesses) reagiert werden muss. Embedded Systems (eingebettete Systeme) können als Spezialfall von Echtzeitsystemen betrachtet werden (Baumgarten 2006). Als Embedded System bezeichnet man ein Rechner- bzw. Steuerungssystem, das in Geräten (Telefone, DVD-Player, Waschmaschinen, Fernseher), Fahrzeugen (Flugzeuge, Autos) oder Robotern ein gebaut ist und dort seine Aufgaben meist unsichtbar verrichtet. Embedded Sys tems kann man weitgehend als geschlossene Systeme betrachten, die eine dedizier te Aufgabe übernehmen. Das Betriebssystem ist klein ausgelegt, da meist wenige Ressourcen verfügbar sind. Oft verfügen Embedded Systems aufgrund der knap pen Ressourcen nicht über ein Betriebssystem. Die Software bedient dann direkt die Hardwareschnittstellen. Embedded Systems sind oft auch Echtzeitsysteme. 1.2.1 Historische Entwicklung Sehr interessant ist die rasche Entwicklung der Betriebssysteme in den letzten Jahren. Betrachtet man die Entwicklung von Betriebssystemen seit 1945, so kann man mehrere Generationen abgrenzen (Tanenbaum 2002). 1. Generation (ca. 1945 – 1955) Diese Generation war geprägt durch Röhrencomputer und der Programmierung in reiner Maschinensprache (kein Assembler, keine Hochsprache) Elektronenröhren wurden als Schaltelemente verwendet (ca. 20.000 Elektronenröhren). Ab ca. 1950 wurden auch Lochkarten eingesetzt. 2. Generation (ca. 1955 – 1965) In dieser Generation wurden bereits Transistoren verwendet. Die Verarbeitung wurde Stapelverarbeitung (Batch-Verarbeitung) genannt, wobei die IBM-Systeme 1401 und 7094 hier sehr bekannt waren. Jobs wurden von Lochkarten auf ein Magnetband eingelesen und dann hintereinander abgearbeitet. Ein Programm nach dem anderen wurde ausgeführt, die Ergebnisse auf Band gespeichert und am Ende ausgedruckt. Die Hardware wurde über ein recht einfaches Betriebssystem gesteuert. [ Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement zum Schalten und Verstärken von elektrischen Signalen ohne mechanische Bewegung. Nach Moore’s Law verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren in Prozessoren ca. alle 18 Monate] 3. Generation (ca. 1965 – 1980) Durch Integrated Circuits (ICs), kleinere integrierte Schaltungen, wurden die Rechner immer kleiner12. Bekannte Systeme zu dieser Zeit waren IBM System/360 (Serie von Rechnern) und IBM System/370, 3080 und 3090. Multiprogramming (Mehrprogrammbetrieb, Multitasking) wurde eingeführt. Mehrere Programme liefen also bereits gleichzeitig oder quasi-gleichzeitig im Rechnersystem ab. Während der E/A-Wartezeit wurde die CPU für einen neuen Job vergeben. Das Spooling, also das Übernehmen von auszuführenden Jobs von einem Plattenspeicher, wurde entwickelt. Die Ergebnisse wurden von den Jobs wieder auf einen Plattenspeicher geschrieben. Später kam das sog. Timesharing (mit Mehrbenutzerbetrieb) als Variante des Multiprogrammings hinzu. Der Online-Zugang über Terminal war nun möglich, und die CPU wurde auf alle Benutzer aufgeteilt. Am M.I.T. entwickelte man die Betriebssysteme CTSS13 und MULTICS14. DEC entwickelte die Minicomputer DEC PDP-1 und PDP-11 auf denen Unix als Betriebssystem eingeführt wurde. 4. Generation (ca. 1980 – heute) In dieser Generation wurden Personal Computer und Workstations entwickelt und eingesetzt. Durch Large-Scale-Integration (LSI Schaltungen) mit Tausenden von Transistoren auf einem Silizium-Chip wurde die Hardware immer kleiner und schneller. Die Betriebssysteme IBM OS/360, MS-DOS, Unix, Unix BSD, Unix System V, IBM OS/2, Microsoft Windows-Derivate und Linux kamen auf dem Markt. Die Benutzerfreundlichkeit stieg immer mehr durch komfortable Bediensysteme, sog. grafische Oberflächen (X-Windows, Motif, OS/2 Presentation Manager). Geschichte von Microsoft Windows und Unix Das Betriebssystem mit der größten Verbreitung ist Windows, das aus MS-DOS (Microsoft Disk Operating System) hervorging. MS-DOS wurde 1981 im IBM Auftrag von Microsoft entwickelt. Microsoft kaufte es seinerseits von der Firma Seattle Computer Products. Es wurde zunächst auf Basis eines Intel-8088- Prozessors als 8-Bit-Betriebssystem (es unterstützte also einen 8-Bit-Datenbus) auf dem Markt gebracht und bis MS-DOS V8.0 weiterentwickelt. 12 Integrierte Schaltkreise (IC) sind auf einem einzigen Stück Halbleitersubstrat untergebrachte elektronische Schaltungen. 13 CTSS ist die Abkürzung für Compatible Timer Sharing System. 14 MULTICS steht abkürzend für “MULTIplexed Information and Computing Service”. MS-DOS war ein einfaches Betriebssystem mit Kommandozeilen-orientierter Benutzeroberfläche. Die Basis war QDOS (quick and dirty operating system), Betriebssystem für den Mikroprozessor Intel 8088. QDOS wurde 1981 von Microsoft übernommen und zu MS-DOS weiterentwickelt und wurde von Tim Paterson bei der Firma Seattle Computer Products entwickelt. Das Betriebssystem war CP/M sehr ähnlich, hatte aber einige Verbesserungen bei der Dateiverwaltung, z.B. das FAT-Dateisystem, das wir in Kapitel 8 noch betrachten werden. Die Ursprungsversion von MS-DOS unterstützte noch keine Festplatte, sondern nur Floppy Laufwerke. Windows war zunächst nur eine grafische Oberfläche für MS-DOS, entwickelte sich anfangs sehr langsam voran und war durch die Kompatibilität zu MS-DOS 1.2 Betriebssystem-Geschichte 19 sehr eingeschränkt und auch fehleranfällig. Erst mit Windows NT und Windows 95 gelang der Durchbruch. Heute sind mit Windows 2003/2008 bzw. XP/Vista und Windows 7 leistungsfähige Betriebssysteme auf dem Markt, die sowohl im Arbeitsplatzbereich, als auch im Serverbereich eingesetzt werden. Die Geschichte von Windows und dessen Ursprung in MS-DOS bzw. QDOS ist in Abbildung 1-7 etwas vereinfacht skizziert. Das heutige Windows setzt immer noch auf Windows NT (New Technology) auf. Die Planung von Microsoft ist nicht genau durchschaubar. So ist noch nicht ersichtlich, wann ein Betriebssystem auf dem Markt kommt, das nicht mehr auf NT basiert. Windows NT hatte im Jahre 2000 einen Codeumfang von ca. 29 Mio. LOC (Lines of Code). Bei Windows Vista spricht man bereits von einem Codeumfang von 50 Mio. LOC. Dem gegenüber wirkt Linux, ein Unix-Derivat, mit ca. 2,2 Mio. LOC sehr schlank (Tanenbaum 2002). Unix entstand aus dem Betriebssystem MULTICS zunächst unter einer PDP-7 und wurde von Ken Thompson und Dennis Ritchie in den Bell Labs entwickelt. Danach entstanden zwei inkompatible Versionen: BSD Unix aus der Berkeley University als Vorgänger von Sun OS und System V von AT&T. Das BSD-System findet man heute in Derivaten wie FreeBSD, OpenBSD, BSDI, Mac OS X und NetBSD wieder. Standardisierungsbemühungen der IEEE15 brachten gegen Ende der 80er Jahre einen Standard namens POSIX (Portable Operating System Interface) hervor, der eine einheitliche Schnittstelle eines kompatiblen Unix-Systems definiert. Andere Standardisierungsbemühungen gibt es von der Open Group16, die durch diverse Unix-Hersteller unterstützt wird. Weiterhin gilt das System V, das ursprünglich von den USL (Unix System Laboratories) von AT&T stammt, als Standard gehandelt. Wir haben also derzeit drei Standardisierungsbemühungen im Unix-Umfeld (siehe Abbildung 1-8). Die neueste Standardisierung von Unix-Systemen ist die sog. Single Unix Specification, die seit dem Jahr 2003 in einer Version 3 vorliegt und auch durch einen internationalen Standard der ISO/IEC17 genormt ist. Dieser Standard wurde gemeinsam 15 IEEE = Institute for Electrical and Electronic Engineers, vergleichbar mit VDI in Deutschland. 16 Die Open Group ist ein Konsortium aus mehreren Unternehmen, die (u.a.) Unix-Systeme herstellen. 17 ISO = International Standardisation Organisation; die Unix-Norm heißt 9945:2003. IEC = International Electrotechnical Commission; IEC ist ein internationales elektrotechnisches 1 Einführung 20 von IEEE und der Open Group entwickelt. Den Normierungen sind im Wesentlichen Schnittstellenspezifikationen für die Unix-Kommandos und Systemdienste unterworfen. Die Unix-Hersteller müssen nachweisen, dass sie die Standards erfüllen, und dürfen dann ihre Unix-Produkte als standardkonform bezeichnen. Eine Zertifizierung nach dem ISO-Standard erlaubt z.B. die Führung des Labels Unix 0.3. Linus Torwalds begann schließlich 1991 aus dem Unix-Clone MINIX von Tanenbaum das Betriebssystem Linux als Open-Source-Unix zu entwickeln. Linux V1.0 wurde schließlich im Jahre 1994 und Linux 2.0 im Jahre 1996 freigegeben. Heute ist Linux das populärste Unix-Derivat und ist zertifiziert nach POSIX 1003.1a. Weiterhin implementiert Linux auch die Systemaufrufe von SVID Release 4 und BSDUnix. Entwicklung von Unix: Das Video beginnt mit der Entwicklung von Unix durch Ken Thompson, Dennis Ritchie und andere an den Bell Labs in den 1970er Jahren. Unix war ursprünglich frei zugänglich und wurde von der akademischen Gemeinschaft weit verbreitet. Kommerzialisierung: In den 1980er Jahren begann AT&T, das geistige Eigentum an Unix besaß, das Betriebssystem kommerziell zu vermarkten. Dies führte zu Lizenzgebühren und Einschränkungen, die die Verwendung von Unix erschwerten. Unix-Kriege: Die Unix-Kriege waren eine Reihe von rechtlichen Auseinandersetzungen über die Verwendung und Weiterentwicklung von Unix. Diese Kriege betrafen verschiedene Unternehmen und Institutionen, die Unix-Software entwickelt und vertrieben haben. Entstehung von BSD: Während der Unix-Kriege entwickelte die Universität Berkeley die Berkeley Software Distribution (BSD), eine Unix-Variante, die frei verfügbar war und viele Verbesserungen gegenüber dem Original-Unix enthielt. Linux: Das Video erklärt auch die Entstehung von Linux durch Linus Torvalds in den 1990er Jahren. Linux wurde als freies und Open-Source-Betriebssystem entwickelt und hat sich seitdem weltweit verbreitet. Einfluss auf moderne Betriebssysteme: Beide, Unix und Linux, haben einen großen Einfluss auf moderne Betriebssysteme und die Entwicklung von Software und Hardware gehabt. Sie sind die Grundlage vieler heutiger Betriebssysteme, einschließlich macOS und verschiedenen Server-Betriebssystemen.