2025-01-19 課程簡記

2024 年「資訊科技產業專案設計」課程補課

The Evolution of the Operating System

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影片解說:

時間軸 05:31: 並行和多執行緒程式設計
時間軸 08:02: Multics，參照從 Multics 到雲端作業系統：淺談系統程式發展和新機會
時間軸: 11:13: Intel 在 1973 年發表後繼的 8008 微處理器，隔年發表 8080 微處理器。參照 Another 50th #birthday #CPU
時間軸: 11:34: 已故資訊科技先驅 Gary Kildall 博士曾說過："You need to study other people's work. Their approaches to problem solving and the tools they use give you a fresh way to look at your work."
這句話很值得省思，不是因為有多深奧，反而是聽起來很簡單，但做起來格外困難。在 1970 年代初期，那個 UNIX 和工作站主導科技發展的年代，Gary Kildall 博士看見微處理器的未來，並與當時仍不成氣候的 Intel 合作，1972 年，他針對微處理發展 PL/M 高階程式語言，該語言比 C 語言高階，也早了一年發表。
Intel 8008 為世界上首款 8-bit CPU，有兩種運作時脈: 0.5 Mhz 和 0.8 Mhz，甚至比該公司推出的全球首款微處理器 4004 的工作時脈還低，但相較後者的 4-bit，所以整體效能要比 4004 好。Intel 8008 可支援到 16KB 的記憶體，原本是 Intel 為 Computer Terminal Corporation (CTC) 的 Datapoint 2200 所製造的微處理器 (原本編號為 Intel 1201)，但因交貨延遲而效能又比原本宣稱的差，所以慘遭退貨，不過 CTC 允許 Intel 將 8008 出售給其他客戶。
如今，我們很難想到，顯赫的 Intel 過去也有這麼艱辛的日子：被日本廠商夾殺，忍痛放棄公司主要的記憶體業務，轉向一個未知的微處理機領域，又慘遭大客戶退貨，只好頻頻調整業務和市場定位。
Gary Kildall 博士當然不是不知道這些狀況，1970 年代初期，Multics 計畫以失敗作收，而 UNIX 正在崛起，全球半導體也邁向穩定成長。除了 PL/M，他發展了改變個人電腦命運的 CP/M 作業系統，在 1973 年，這使得 Intel 8080 微處理器可控制軟碟機並透過一系列演算法 (read-ahead algorithms, file directory caches, and RAM disk)，能有效存取資料，而 Intel 沒看到這方面的市場價值。於是 Kildall 夫婦創立日後知名的 Digital Research, Inc，以銷售 CP/M 作業系統。
同時，Gary Kildall 博士也是 BIOS 概念的創立者，使得 CP/M 和後繼的 DOS 得以在各式微型電腦上運作，而不用到處修改。1981 年，CP/M 成功地運作於 3000 款硬體上，並創造 540 萬美元的年營收。後面的故事，可能大家猜得到，就是 IBM 和 Microsoft 聯手改變個人電腦的命運。要注意的是，MS-DOS 幾乎完全以 CP/M 為藍圖來設計，前者的前 26 個系統呼叫就跟後者是一致的，相關的 API 也仿造 CP/M 來實作，以至於後續 IBM 和 Digital Research, Inc. 有一系列的法律舉動。
儘管 1980 年代，Digital Research, Inc. 錯估情勢，1991 年 Novell 收購該公司，許多成果走入歷史。但毋庸置疑的是，Gary Kildall 博士不僅是微處理器領域的先驅，還引導真正的多工處理、圖形使用者界面、程式語言和編譯器，甚至包含公共電視節目、百科全書，和電話通訊系統。
在 Gary Kildall 博士過世後，Bill Gates 評論道: "one of the original pioneers of the PC revolution and a very creative computer scientist who did excellent work. Although we were competitors, I always had tremendous respect for his contributions to the PC industry."
1969 年夏季，日本 Busicom 公司要求 Intel 公司製造一套矽晶片，以供其計畫中的高性能及可程式化的計算器使用。1971 年，Intel 利用 PMOS 技術完成 4 個晶片，取名為 MCS-4，這 4 只 LSI 的編號分別為 Intel 4001 (ROM)、4002 (RAM)、4003 (10位元的移位暫存器)、4004。4004 則是只包含 4-bit 平行加法器 (Parallel Adder)、累積器 (Accumulator)、堆疊器 (Stack)、還有 16 個 4 位元的暫存器的中央處理器，隨著 IC 外部提供的指令碼，4004 可做出算術、邏輯等運算，所有運算的指令及資料都可由寫在記憶體中的程式來支配。MCS-4 不但降低了 Busicom 計算器的成本，成為史上第一台微電腦系統，而 Intel 4004 因而成了史上第一款 microprocessor。
在 Intel 受理 Busicom 委託開發的同年，美國專門製造智慧型終端機 Datapoint 公司委託 Intel 和 TI 這兩間公司來設計一個非常基礎的 CPU，希望將此電路製作在單一的晶片上。後來 Intel 公司成功，但速度卻較 Datapoint 公司的要求幾乎慢 10 倍，Datapoint 公司拒絕該產品，Intel 只好自行研究改良後，於 1972 年 4 月公開上市，宣佈為 Intel 8008，但這對市場的衝擊有限，因為功能太受限。Intel 再接再厲，於 1974 年推出了強化版本的微處理機 8080，工作速度為 2MHz，具備 7組 8-bit 暫存器，64K 的記憶定址空間，加以寬廣的指令集。至此，微處理器的市場因為 Intel 8080 的存在而起飛
時間軸: 14:53: Bill Gates 的母親與 IBM 執行長 John Opel 共同擔任非營利組織 United Way 的聯合主席。參見: Remembering Mike Maples, Sr.
時間軸: 15:29: 於是 Gates 從一家當地電腦製造商購買 QDOS。980 年，美國西雅圖上映一幕決定科技產業未來數十年格局的會議：Microsoft 的年輕主席比爾·蓋茲，帶著皺巴巴的西裝走進 IBM 的會議室。儘管他的裝扮與對方一眾穿著得體律師們形成鮮明對比，但這不影響談判的結果。最終，IBM 與 Microsoft 達成協議，前者以約 8 萬美元的一次性費用，購得 MS-DOS 的永久授權，同時也取得 Microsoft BASIC 語言的授權。然而，比爾·蓋茲的高瞻遠矚並未止步於此，他保留將 DOS 授權給其他公司的權利。這一策略為微軟日後的成功奠定了基石。
Microsoft 原本並沒有自己開發的作業系統，在 IBM 公司談判的前一年，還跟 AT&T 授權 UNIX，成為日後廣為在微電腦運作的 Xenix。Microsoft 最初只是 IBM 的代辦人，將其引導至 Digital Research 商討授權 CP/M 系統。然而，Digital Research 的律師拒絕簽署保密協議，導致談判破裂。比爾·蓋茲見此情況，果斷向西雅圖電腦公司購買由 Tim Paterson 開發的 QDOS（Quick and Dirty Operating System）。微軟稍作修改，將其改名為 MS-DOS，並成功交付給 IBM，讓首款 IBM PC 如期上市。
MS-DOS 的成功讓 Microsoft 一舉成名，但比爾·蓋茲的真正聰明之處在於，他抓住市場中的增長機會，將 DOS 授權給其他 PC 製造商，從而成為眾多 IBM PC 相容機型 (即仿製品) 時代不可或缺的軟體供應商。在 Intel 推出 286、386 等新型處理器後，微軟逐步改進 MS-DOS，並開始涉足圖形介面的開發。
隨著市場對圖形使用者介面的需求增加，Microsoft 於 1985 年推出第一版 Windows。然而，Windows 1.0 無論在功能還是效能上都顯得捉襟見肘，未能獲得廣泛認可。Microsoft 並未因此氣餒，而是持續改進，於 1990 年推出革命性的 Windows 3.0。這版不僅擁有吸引人的圖形介面，還支援虛擬 8086 模式，使得 DOS 應用程式能夠與 Windows 同時運行。Windows 3.0 一經推出便大受歡迎，成為 Microsoft 征服個人電腦市場的利器。
Microsoft 的成功並非僅靠技術本身。在市場策略上，微軟積極與 IBM PC 相容電腦製造商合作，提供優惠的 Windows 授權方案，確保其作業系統在每台新電腦中成為標配。同時，微軟也積極開發應用軟體，如 Word、Excel 和 PowerPoint，進一步鞏固其生態系統。
OS/2 的開發初期是 IBM 與微軟合作的產物。IBM 希望藉由 OS/2 建立一個無法輕易被複製的生態系統，並以此重新掌控個人電腦市場。然而，隨著 Windows 的成功，微軟逐漸認識到自己的獨立發展潛力。雙方在技術方向和市場策略上的分歧最終導致合作破裂。
1990 年，微軟與 IBM 分道揚鑣。IBM 繼續開發 OS/2 2.0，嘗試進一步推進 32 位元技術；而微軟則專注於 Windows 的改進，並開始著手開發 Windows NT 系列，旨在提供工業級穩定性與多平台支援。
1994 年，IBM 推出 OS/2 Warp，這是其進一步挑戰 Windows 95 的希望所在。OS/2 Warp 引入許多創新特性，包括高效的多工處理和 Windows 3.1 相容子系統，以允許 16 位元 Windows 應用程式直接運作在 OS/2 Warp 上。然而，Windows 95 在使用者體驗和市場滲透率上的表現遠超 OS/2，成為壓倒性勝利者。
OS/2 Warp 指 OS/2 3.0 與 4.0。OS/2 3.0 於 1994 於 Windows 95 推出前發表，OS/2 4.0 是 1996 推出，當時的硬體價格相當高昂，能順暢運作的基本需求是個硬傷，這個分道揚鑣前的合作讓微軟獲得許多進階系統的技術，當然除了 OS/2 本身運作的高門檻外，IBM 內部還有大型主機與個人電腦的各種矛盾。Windows 95 不僅改善圖形介面，還加入許多實用功能，如即插即用和使用者友好的操作邏輯。同時，Microsoft 繼續與電腦製造商緊密合作，使其作業系統成為業界標準。而 OS/2 的高硬體需求和有限的應用程式生態，成為其推廣的最大障礙。
OS/2 的失敗是一場巨人與新興力量的較量。IBM 雖擁有龐大的資源和技術實力，但其內部的目標矛盾與策略錯誤，使其錯失了關鍵機遇。相較之下，微軟以靈活的市場策略和對未來技術的敏銳洞察，迅速崛起並主導了個人電腦市場。這段歷史不僅是兩家公司的興衰記錄，更是一個時代的縮影。參見: Half an operating system: The triumph and tragedy of OS/2
時間軸 16:22: VisiCalc 帶動 Apple II 個人電腦的銷售，其後的 Lotus 1-2-3 一度壟斷個人電腦的電子試算表市場。在 IBM 還以「藍色巨人」姿態稱霸電腦產業的時代，Lotus 1-2-3 是 IBM PC (及其「相容」電腦) 的殺手級應用程式，當時和 dBase 和 WordPerfect 等軟體視為必備程式。

透過 Linux 核心重新認識數位化世界: 藉由 Dominic Walliman 製作的〈Map of Computer Science〉短片，探討電腦科學的多個面向，諸如電腦網路、圖形處理、抽象機器及理論 (如Turing machine)、NP-Complete 問題、計算機架構、排序演算法、資料壓縮、現代密碼學、形式化方法、作業系統排程、異質多核運算、編譯器，和程式語言，來回顧今日的 Linux 核心 ── 電腦科學的子學科幾乎都可反映在 Linux 核心中。

解說錄影

slides: Operating System 101: The Evolution of Operating Systems

有鑑於部分教材對於作業系統概念的描述過於拘泥某些過時細節（惡名昭彰的案例就是恐龍書，書越來越厚，但讀者反而無所適從)，授課教師整理一份簡報，搭配計算機結構課程使用，不過內容應該足夠通用，日後學習 Linux 核心或 RTOS 也有助益。〈Introduction to Operating Systems〉簡報從並行 (concurrency) 出發，介紹作業系統以下關鍵主題：

System Calls → protection, API/ABI, wrapper function, bootstrapping
Emulation vs. Virtualization → interpretation is slow
Hypervisor → context switch, CPU virtualization
Memory Management → address space/translation, memory virtualization, paging
Process Management → process lifecycle, threads (race condition, mutual exclusion, concurrent data structures, false sharing)

從 Revolution OS 看作業系統生態變化