Unix系統簡介

資策會數位教育研究所 顧忠信

　


        提到作業系統，一般人可能馬上會想到的是微軟所發展的作業系統─DOS和Windows 95/98/NT/2000等。事實上，除了微軟的這幾套著名作業系統之外，還有一些很不錯的作業系統；例如IBM過去發展的OS/2作業系統，Macintosh電腦所採用的作業系統，PC上所使用的Linux作業系統，以及各大廠工作站或伺服器所使用的Unix作業系統。Unix所指並非單一的作業系統；而是指一系列的Unix家族：Sun OS，Sun Solaris， IBM AIX， HP-UX， IRIX， Digital Unix， BSD， FreeBSD， Linux， NetBSD， OpenBSD， Pyramid， SCO Unix等等作業系統。本篇文章針對通稱為Unix的作業系統做一簡介。

Unix 簡史
        1965年時，貝爾實驗室(Bell Labs)加入一項由奇異電子(General Electric)和麻省理工學院(MIT)合作的計畫；該計畫要建立一套多使用者、多工、多層次(multi-user、multi-processor、multi-level)的MULTICS作業系統。直到1969年，因MULTICS計畫的工作進度太慢，該計畫就被停了下來。當時，Ken Thompson（後被稱為Unix之父）已經有一個稱為「星際旅行」的程式在GE-635的機器上跑，但是反應非常的慢，正巧也被他發現了一部被閒置的PDP-7(Digital的主機)，Ken Thompson和Dernis Ritchie就將「星際旅行」的程式移植到PDP-7上。而這部PDP-7就此在整個電腦歷史上留下了芳名。

        MULTICS 其實是"MULTiplexed Information and Computing System"的縮寫，在1970年時，那部PDP-7卻只能支援兩個使用者，當時，Brian Kernighan 就開玩笑地戲稱他們的系統其實是："UNiplexed Information and Computing System"，縮寫為"UNICS"，後來，大家取其諧音，就稱其為"Unix"了。1970年可稱為是Unix元年。

         1971年，他們申請了一部PDP-11/20，申請的名義是：要發展文書處理系統。該提案被獲採納，他們也發展出了一套文書處理系統 ─ 就是現在Unix作業系統裡面文書處理系統(nroff/troff)的前身。有趣的是，沒有多久，貝爾實驗室的專利部門真的採用了這套系統作為他們處理文件的工具，而貝爾實驗室的專利部門也就順理成章地成為Unix的第一個正式使用者。當時，那部PDP-11／20只有0.5MB磁碟空間。而描述這整個系統的文件被標示為："First Edition"，版本日期是1970年11月。從此以後，Unix的版本就以系統文件的版別來稱呼。

        1973年，Ken Thompson 和 Dernis Ritchie發明了C語言之後，著手將Unix程式用高階的C語言改寫，這個時候已經是第四版了。C的前身叫B，也是他們兩個人所發明的，為了改寫Unix，他們將B語言做了一番改進，而成了C語言。這個劃時代的動作讓Unix能夠很輕易的被移植到各種不同的機器上，只要修改少許的原始程式碼，整個Unix可以在很短時間內完成移植的動作。1974年，他們在"Communications of the ACM"正式發表了Unix，吸引了更多學術界的注意與參與。從此，Unix逐漸成為網路工作站的標準，讓使用不同機器的使用者，都能使用類似的Unix作業系統，這對於網路世界的標準化有著很大的貢獻。1975年第六版(6th Edition)發表，這是真正流通到貝爾實驗室外的版本。1977年，UC BerKeley開始公開Pascal編譯器，連帶地發佈了對6th Edition的改進程式碼，這就是所謂的"1 BSD"(1st Berkeley Software Distribution)，也開創了Unix的另一個分支：BSD系列。另一個重要的歷史因素是，在Unix的誕生初期，貝爾實驗是還是一個大的集合體，包括貝爾電話公司以及西方電子(Western Electric Co.)。礙於反扥拉斯法的規定，它不能利用Unix做任何的商業行為，也因此，內部的管理階層自然沒有興趣對Unix有任何的支持，Unix就全靠一群玩家在琢磨，主要人物當然還是Ken Thompson和Dennis Richie。1979年左右Ken Thompson 在柏克萊教授作業系統的課程，也就造就了一些學生成為Unix史上的重要人物。

為什麼要使用Unix系統
        由於Unix是一種多人多工的作業系統，它的好處是，一台電腦可以同時服務許多使用者，而每一個使用者也可在同一時間執行多個工作。一般來言，一部主機的CPU大部分的時間都是在等候使用者的所下達的指令而已，真正在工作的時間其實不多；所以使用者只要使用終端機連線到一部Unix主機，該部主機即可讓所有的使用者共用資源，而不需再在每個使用者所使用的機器上裝同樣的軟體，這其實是相當經濟、划算做法。
長久以來，使用Unix作業系統主要是在政府機構、學校或是研究機構等。現在，由於網際網路的發達，加上電腦在生活中扮演著相當重要的角色，愈來愈多其他領域的使用者都開始接觸到Unix系統。Unix在企業界的發展更是驚人；目前Unix系統進入企業界的數量也已經相常龐大了，尤其是一些需處理大量資料，要求高可靠度的場合中，更是非Unix系統不可。HP， Sun， IBM， Silicon Graphics等等公司的工作站也都已從實驗室走向企業中；目前，個人電腦也都可以提供Unix了。一般而言，幾乎所有的電腦(包含Notebook Computer)都可以安裝Unix系統了。

Unix是什麼？
        如前所述，Unix 所指的是一種通常是由 C 語言所寫成的作業系統，是一種多人多工(Multi-user Multi-task)的作業系統，既然如此，Unix系統又是如何執行其工作？我們就需要了解組成Unix作業系統的主要部分。Unix主要是由三個部分所組成的：「系統核心」(Kernel)、「檔案系統」(File System) 和「命令解譯程式」(Shell)。系統的最內層是所謂的「系統核心」，是由Bell Labs的Ken Thompson早在1969年所發展出來的，當初它是一些具有管理系統功能的程式，用來控制一些週邊裝置，如：磁碟、磁帶、印表機、終端機及其它硬體裝置等等，並協調系統做資源分配（因為Unix是一種多人多工的作業系統）。「檔案系統」負責管理所有使用該主機的使用者的檔案、目錄以及一些週邊裝置。系統的最外層是一個「命令解譯程式」（一般稱之為shell），shell做為使用者與「系統核心」之間的溝通介面。使用者所下達的命令，都是由shell解讀之後，再傳達給kernel，由Kernel對週邊裝置、系統資源等進行實際上的操作。

主要的 Unix流派
        Unix 有兩大流派：那就是 AT&T 的 System V與 BSD (Berkeley Software Distribution)。SVR4 是兩大流派融合後的產物。1991年底，與 System V 針鋒相對的 Open Software Foundation 推出了 OSF/1。

        以下是 System V、BSD、OSF/1 的主要版本以及特色。

        AT&T 的 System V，Intel系列的機器多半使用此系列，是移植版本最多的Unix，當然在移植時都會加入一些由 BSD 發展的有用功能，例如 csh、job control、 termcap、curses、vi、symbolic link。

System V的主要版本：

 ◆ System III (1982)：AT&T 第一個拿來賣錢的Unix
   ˙FIFOs (named pipes)

 ◆ System V (1983)：
   ˙IPC package (shm，msg，sem)

 ◆ SVR2 (1984)：
   ˙shell 函數 (sh)
   ˙SVID (System V Interface Definition)

 ◆ SVR3 (1986)：
   ˙STREAMS (從 V8 得來的靈感)，poll()，TLI (網路軟體)
   ˙RFS
   ˙共用程式庫（shared libs）
   ˙SVID 2
   ˙demand paging (如果硬體有支援的話)

 ◆ SVR3.2：
   ˙併入 Xenix (Intel 80386)
   ˙網路

 ◆ SVR4 (1988)，融合了System V、BSD、SunOS是各種Unix中的主流
   ˙取自SVR3者：系統管理，terminal 介面，印表機，RFS，STREAMS，uucp
   ˙取自BSD者：FFS，TCP/IP，sockets，select()，csh
   ˙取自 SunOS 者：NFS，OpenLook GUI，X11/NeWS， 具有記憶體映對檔案的虛擬記憶體子系統（virtual memory subsystem with memory-mapped files），共用程式庫
   ˙ksh
   ˙ANSI C
   ˙國際化（Internationalization） (8-bit clean)
   ˙ABI (Application Binary Interface - routines instead of traps)
   ˙POSIX， X/Open， SVID3

 ◆ SVR4.1
   ˙非同步 I/O (from SunOS?)

 ◆ SVR4.2 (based on SVR4.1ES)
   ˙Veritas FS， ACLs

        Berkeley Software Distribution (BSD)。VAX、RISC、各式工作站多用之。比起System V來BSD 的變動比較快而且學術研究的味道比較濃一點。Unix 之所以能夠流行，BSD居功闕偉。許多對 Unix的加強改進都是由BSD先做出來的。

BSD的主要版本：

  ◆ 2.xBSD (1978)給PDP-11用的
   ˙csh

 ◆ 3BSD (1978)：
   ˙虛擬記憶體

 ◆ 4.0BSD (1980)：
   ˙termcap， curses
   ˙vi

 ◆ 4.1BSD：後來AT&T CRG版本皆以此為本
   ˙job 控制
   ˙automatic kernel config
   ˙vfork()

 ◆ 4.2BSD (1983)：
   ˙TCP/IP， sockets， ethernet
   ˙UFS： 長檔名， symbolic links
   ˙新的 reliable signals (SVR3 採用了 4.1 的 reliable signals)
   ˙select()

 ◆ 4.3BSD (1986)

 ◆ 4.3 Tahoe (1988)：4.3BSD附加對Tahoe(一款32位元的超級迷你電腦) 的支援及一些新東西
   ˙Fat FFS
   ˙新的 TCP 演算法

 ◆ 4.3 Reno (1990) for VAX， Tahoe， HP 9000/300：
   ˙大部份的 P1003.1
   ˙NFS (from Sun)
   ˙MFS (記憶體檔案系統)
   ˙OSI：TP4，CLNP，ISODE's FTAM，VT and X.500; SLIP
   ˙Kerberos

 ◆ Net1與Net2 (June 1991)
   ˙4.4BSD (alpha June 1992) for HP 9000/300， Sparc， 386， DEC

        Open Software Foundation(OSF) 於 1991 年底推出了 OSF/1。OSF/1 需要 SVR2 授權。符合 SVID 2、 SVID 3、 POSIX、 X/Open 等標準。 Apollo，Dec，HP，IBM等大廠商都是 OSF 的成員。
 ◆ OSF/1 (1991)：
    ￭ 以Mach 2.5 的核心為基礎
    ￭ 對稱式多重處理
    ￭  處理緒（thread)
    ￭  邏輯式容量（logical volumes)， 磁碟鏡射(disk mirroring)，UFS (原生的)，S5 FS，NFS
    ￭  系統安全之加強(B1加一些B2，B3或C2)，4.3BSD的系統管理
    ￭  STREAMS，TLI/XTI，sockets
    ￭  共用程式庫，動態程式載入器 (包括核心)
    ￭  Motif GUI

 ◆ Release 1.3 (Jun 1994)
    ￭  以 MACH 3.0 的微核心為基礎
    ￭  符合規格1170草案的標准
    ￭  Data Capture I/F，Common Data Link I/F
    ￭  支援ISO 10646 與 64-bit
    ￭  以 Mach 3.0 為基礎的 OSF/1 MK (mircokernel)

Unix有關的標準：
 ◆ IEEE：
    ￭  802.x (LAN) standards (LLC，ethernet，token ring，token bus)
    ￭  POSIX (ISO 9945?)：Portable Operating System I/F (Unix，VMS and OS/2)
      ˙1003.1： 函數庫(大部分是 system call) - 除了signals與terminal界面外，多取自於V7。
      ˙1003.2： shell 與公用程式
      ˙1003.3： 測試方法與合格標準
      ˙1003.4： real-time：binary semaphores，process memory locking， memory-mapped files，shared memory，priority scheduling，real-time signals， clocks and timers，IPC message passing，synchronized I/O，asynchronous I/O， real-time files
      ˙1003.5： Ada language bindings
      ˙1003.6： 系統安全
      ˙1003.7： 系統管理(包括印表)
      ˙1003.8： 透通式檔案存取（transparent file access）
      ˙1003.9： FORTRAN language bindings
      ˙1003.10：高速計算（super computing）
      ˙1003.12：與協定種類無關的介面（protocol-independent I/Fs）
      ˙1003.13： 即時外觀（real-time profiles）
      ˙1003.15： 高速計算批次處理介面（supercomputing batch I/Fs）
      ˙1003.16： C-language bindings
      ˙1003.17： directory services
      ˙1003.18： POSIX standardized profile
      ˙1003.19： FORTRAN 90 language bindings

 ◆ X/Open
    ￭  X/Open Portability Guides (XPGn)：
      ˙XPG2 (1987)：命令與公用程式，系統呼叫與函數庫，terminal 界面(curses，termio)，IPC (SV)，國際化，程式語言 (C， COBOL)，資料管理(ISAM，SQL)
      ˙XPG3 (1989)
      ˙XPG4 (1992)
    ￭  XOM 系列的介面：
      ˙XOM (X/Open Object Management)需遵循的通用介面機制（generic I/F mechanisms for following）
      ˙XDS (X/Open Directory Service)
      ˙XMH (X/Open Mail )
      ˙XMP (X/Open Management Protocols)

 ◆ AT&T
    ￭  System V Interface Definition (SVID)
    ￭  SVID1 (1985，SVR2)
      ˙Vol 1：系統呼叫與函數庫(類似XPG2.1)
    ￭  SVID2 (1986，SVR3)
      ˙Vol 1：系統呼叫與函數庫(基礎，核心延伸)
      ˙Vol 2：指令與公用程式 (基礎，進階，管理，軟體發展 )，終端機介面
      ˙Vol 3：終端機介面，STREAMS and TLI，RFS
    ￭  SVID3
    ￭  APIs
    ￭  Transport Library Interface (TLI)
    ￭  ACSE/Presentation Library Interface (APLI)

 ◆ COSE (Common Open Software Environment) [IBM，HP，SunSoft，others]： 目的在使不同的 Unix 平台可以更緊密的結合。可劃分為底下幾個項目：
    ￭  桌面環境
    ￭  應用程式的 API (也就是 Spec 1170 - 一個統一的程式介面)的成就。消彌了 SCO， AIX，Solaris，HP-UX，UnixWare間的差異。
    ￭  分散式計算環境 (OSF的 DCE 與 SunSoft的 ONC)
    ￭  物件技術 (OMG的CORBA)
    ￭  繪圖
    ￭  多媒體
    ￭  系統管理

 ◆ PowerOpen Environment (POE)由 PowerOpen Association(POA) 所推動。是個在 PowerPC這顆 chip上用的 Unix-like OS 的標準。其重要的特色為：
    ￭  建構於PowerPC上
    ￭  與硬體匯流排無關
    ￭  從膝上型電腦到超級電腦都可以用的系統
    ￭  必須是個多人多工的作業系統
    ￭  支援網路
    ￭  Xwindows的擴充， Motif
    ￭  是否符合標準由一個獨立的機構(POA)來測試與認定