Entwicklung der Betriebssysteme

Die Anfänge

Von 1945 bis etwa 1955 hatten die damals entwickelten Computer noch keine Betriebssysteme. Für immer komplexere Hardware wurden vorgefertigte Standardroutinen entwickelt, die Vorläufer der ersten Betriebssysteme.

Stapelbetrieb

Um 1955 wurde der Stapelbetrieb (Batch) eingeführt. Die Jobs waren dabei auf Lochstreifen oder Lochkarten gespeichert und wurden nacheinander eingelesen und ausgeführt. Die Stapel bestanden z. B. aus einigen Initialisierungskarten zur Auswahl der Ausgabegeräte, die Befehle in den ersten Kontrollsprachen (Job Control Language JCL) enthielten, einer Compile-Anweisung, einem FORTRAN oder ALGOL-Programm und den Karten mit den Eingabedaten. Die Maschine initialisierte das System, kompilierte das Programm und führte es anschließend aus. Die Ausgabe oder eventuelle Programmierfehler wurden meist in Papierform dem Anwender wieder ausgehändigt.

Monitorsysteme

Um die großen teuren Maschinen besser auszulasten, wurden noch vor den 1960er Jahren höhere Programmiersprachen entwickelt. Es wurden teilweise kleinere Computer verwendet, um die Jobs in den Stapeln auf Band zu schreiben, die dann ohne Verzögerung nacheinander auf großen Maschinen im SPOOL-Betrieb ablaufen konnten (SPOOL hieß „Serial Peripheral Operations Online“, d. h. serielle Online-Ein-/Ausgabe-Operationen). Ein kleines Monitorprogramm auf der großen Maschine las das Band, das viele Jobs enthielt, ein und steuerte die Ausführung. Die Ergebnisse konnten wieder auf Band geschrieben werden und später durch die kleineren Maschinen ausgedruckt werden. Ein Beispiel hierfür war der FMS (Fortran Monitor System), der auf dem Großrechner IBM 7094 lief. Kleinere und billigere IBM 1401 Maschinen dienten als Vorrechner und bereiteten die Bänder vor. FMS könnte daher als eines der ersten Betriebssysteme angesehen werden.

Timesharingsysteme

In den 1960er Jahren wurden Timesharing-Systeme entwickelt, die teuren Computer sollten im Dialogbetrieb von mehreren Benutzern verwendet werden. Der Prozessor wurde dabei periodisch unterbrochen und Programmen anderer Benutzer zugeteilt (Mehrprogrammbetrieb). Die Programme teilten sich also den Prozessor. Im Prinzip sah dies so aus, als ob jedes Programm seinen eigenen Prozessor hätte. Ein Beispiel für ein Timesharing-System war das CTSS am MIT (CTSS hieß compatible time sharing system, also kompatibles Zeitverteilsystem). Dieses System hieß kompatibel, weil zusätzlich der FMS-Monitor als Benutzer laufen konnte. Neben dem Dialogbetrieb konnte daher das JOB-SPOOLing zusätzlich nebenher, quasi im Hintergrund, ablaufen. Die Ausnutzung der IBM 7094 war damit gewährleistet.

Neue Konzepte

In diese Zeit fiel auch das ambitionierte Multics-Projekt, das neben Mehrprogrammbetrieb auch neue Konzepte wie virtuelle Speicherverwaltung und Implementation in einer höheren Programmiersprache (PL/I) zu verwirklichen versuchte.

Zu dieser Zeit kamen auch kostengünstigere Minicomputer auf, die nicht nur den Rechenzentren großer Unternehmen und Universitäten die Anschaffung eigener Computer ermöglichten. Vielmehr konnten einzelne Abteilungen eigene, kleine so genannte Datenprozessoren anschaffen. Der Begriff Computer wurde vermieden, da man darunter zu dieser Zeit die großen, teuren Geräte verstand. Minicomputer kosteten hingegen nur einen Bruchteil (ca. 20.000 bis 100.000 US-Dollar). Sie wurden Ende der 1960er und Anfang der 1970er Jahre unter anderem von den Entwicklern des Betriebssystems Unix bei AT&T eingesetzt, die am Multics-Projekt mitgearbeitet hatten, einige Konzepte übernahmen und neue entwickelten, unter anderem ein hierarchisches Dateisystem. Ein Kernel übernahm die Kontrolle über die Hardware und stellte abstrakte Funktionen zur Verfügung.

Das zum Großteil in der Programmiersprache C geschriebene Unix wurde auf viele damalige Computersysteme portiert, die großen Hersteller entwickelten aber auch eigene Betriebssysteme mit anderen Zielen wie Zuverlässigkeit und Wartbarkeit. Beispiele hiervon sind MVS der Firma IBM für deren Großrechnersysteme und VMS der Firma Digital Equipment Corporation für die VAX-Prozessorlinie. Diese Systeme waren in Assemblersprache geschrieben und auf die Produkte der jeweiligen Firmen beschränkt.

Mikroprozessoren und Heimcomputer

1971 erschien der erste Mikroprozessor (4-Bit) der Firma Intel namens 4004, der für kleine Aufgaben wie Computerterminals oder Taschenrechner geeignet war. Schon wenige Jahre später wurden dessen 8-Bit Nachfolger Intel 8008 und Intel 8080 in diversen Computern eingesetzt. Das Konzept war erfolgreich und fand schnell Nachahmer, darunter der 6502-Prozessor (der auch im Apple II und Commodore PET zum Einsatz kam) und der Zilog Z80. Diese Computer hatten bereits einfache Betriebssysteme ohne Kernel. Sie enthielten einen BASIC-Interpreter und hatten recht gute Grafikfähigkeiten, teilweise sogar in Farbe. Die Leistungsfähigkeit erreichte die einfacher Minicomputer, der Preis war sensationell günstig (ca. 1500 bis 3000 Dollar). Daher wurden diese Rechner auch Heimcomputer genannt, Privatanwender konnten sich jetzt Computersysteme leisten.

Disketten-Betriebssysteme

Viele Firmen stellten Heimcomputer her, die auch als Ersatz für die damaligen Spielkonsolen eingesetzt werden konnten. Daneben stellten einige Firmen schon professionelle Systeme her, die meist schon Diskettenlaufwerke besaßen. Rechner, die mit dem 8-Bit-Prozessor 8080 von Intel oder dem Z80 von Zilog ausgestattet waren, konnten unter dem Betriebssystem CP/M laufen, welches über eine Systemdiskette in den Speicher geladen wurde.

Die Systeme wurden jedoch einige Jahre später fast vollständig durch den IBM-PC, weniger durch den Apple Macintosh, verdrängt. Diese neuen Rechner hatten bereits 16-Bit-Mikroprozessoren (Intel 8086/8088 oder intern schon 32 Bit wie der Motorola 68000).

Für die IBM-Rechner wurde von Microsoft das Betriebssystem MS-DOS (PC-DOS) übernommen. Dieses war in der ersten Version im Wesentlichen eine schlechte Abwandlung von CP/M für 16-Bit-Prozessoren. Die Anforderungen an ein Betriebssystem dieser Zeit überschritten sehr schnell die Fähigkeiten von MS-DOS, da zu dieser Zeit Festplatten mit erheblich größeren Datenmengen als Disketten aufkamen. So wurden in der zweiten Version Konzepte aus dem Betriebssystem Xenix, einem UNIX-Clone, in MS-DOS integriert. Die Entwicklung von MS-DOS hinkte danach immer wieder den Anforderungen an Haupt- und Festplattenspeicher hinterher.

32-Bit-Mikroprozessoren

In den 1980er Jahren erschienen die ersten 32-Bit-Mikroprozessoren. Der Intel 80386 mit Unterstützung virtueller Speicherverwaltung wurde wegen seiner 8086/8088-Kompatibilität unter anderem in PC-Systemen eingesetzt. Seine Möglichkeiten wurden dort jedoch unter MS-DOS und dem von Microsoft neu erschienenen Windows-Aufsatz für MS-DOS nicht ausgenutzt. Windows verlieh dem PC standardisierte Grafikfähigkeiten und unterstützte die Computermaus als für PCs neues Eingabegerät.

32-Bit-Mikroprozessoren wie der Motorola 68020 wurden in Workstations eingesetzt. Diese zeichneten sich durch hervorragende Grafikfähigkeiten aus und waren für Einzelanwender in professionellen Bereichen (CAD, Chemie) ausgelegt. Sie begannen die Minicomputer zu verdrängen. Das Betriebssystem war meist Unix, das eine (damals noch sehr teure) Festplatte verlangte. Die Preise dieser Workstations lagen im Bereich der Minicomputerpreise, sie waren damit für Privatanwender zu teuer.

Im Bereich der UNIX-artigen Betriebssysteme kam es zu einer Reihe von Entwicklungen auf dem Bereich der Mikrokernels. Vor allem Mach erlangte hier Bedeutung.

PC-Systeme verdrängen die Workstations

Fallende Preise aller Komponenten und eine immer leistungsfähigere Grafikhardware sorgten in den 1990er Jahren dafür, dass PC-Systeme die Fähigkeiten der früheren Workstations zum Preis der Heimcomputer erreichten. Die einfachen Betriebssysteme wie MS-DOS wurden durch Nachfolgeversionen von Windows, OS/2 oder Unix-Derivaten wie Linux ersetzt. In diesen Systemen waren die frühen Konzepte der ersten Timesharingsysteme, die virtuelle Speicherverwaltung von Multics und die Dateisystemhierarchie und Netzwerk-Konzepte von Unix nahezu unverändert übernommen worden. Linux übernahm sogar die Unix-Systemaufrufe, in Zusammenhang mit den Kommandos des GNU-Projekts entstand ein Unix-kompatibles System.

Die Moderne

In den 2000er Jahren erhöhte sich die Leistungsfähigkeit der PCs und Apple-Computer weiter rasant, z. B. betrug der Takt der Intelprozessoren jetzt statt 25 MHz (ca. 1992) bis zu 3730 MHz (2005). Dies hatte keinen Einfluss auf die grundlegenden Konzepte der eingesetzten Betriebssysteme, ebenso wenig wie die aufkommenden 64-Bit Mikroprozessoren, deren erste Vertreter schon in den 1990ern erschienen.

PC-Systeme wurden zu so genannten Clustern zusammengeschlossen, die aus mehreren tausend einzelnen PCs bestehen und als Gesamtheit die Leistungsfähigkeit von Supercomputern erreichten. Für Cluster wurden jedoch ebenfalls in der Regel normale Betriebssysteme verwendet, da deren Fähigkeiten für die Anwendungen ausreichten.