Emulación de Unix0 en adJ

Historia de Unix0

Un sistema operativo es un programa que implementa una serie de conceptos o abstracciones para facilitarle a un usuario y a otros programas la operación de un computador.

Según [DMR1979] la primera versión de Unix operó en 1969 en Laboratorio Bell en New Jersey, Estados Unidos, debido al esfuerzo de Kenneth Thompson, Denis Ritchie, M. D. McIlroy y J. F. Ossanna de retomar e implementar lo que más pudieron del fracasado proyecto Multics (un diseño y comienzo de implementación de un sistema operativo demasiado futurista y costos para mediados de 1960).

Foto de Dennis Ritchie (de pie) y Kennet Thompson (sentado) de 1972 en Laboratorios Bell

Buscaron implementar un sistema operativo a bajo costo y en un computador "sencillo" que tuvieron disponible (un minicomputador PDP-7 producido por la empresa DEC que aunque costaba alrededor de US$70.000 era más económico que los empleandos para desarrollar Multics).
Los conceptos principales que desarrollo e implementaron fueron un sistema de archivos, operación multiusuario (para compartir el computador simultaneamente entre varios usuarios cada uno desde un teletipo), procesos y un interprete de ordenes.

Tanto en ese entonces como ahora los computadores sólo entienden lenguaje de máquina binario muy básico (a su representación como texto más legible para humanos se le llama lenguaje ensamblador, aún cuando es complejo para los humanos por su detalle y por tanto extensión). El lenguaje de máquina, se trata de una serie de instrucciones muy sencillas ordenadas y numeradas de manera lineal (digamos de 1 a N), que se ejecutan una después de otra.
Estas instrucciones permiten por ejemplo mover datos de un área de la memoria a otra, comparar dos posiciones de memoria,
saltar no a la siguiente instrucción sino a otra anterior o posterior. Es decir no tienen el concepto de usuario, archivo ni proceso. Esos son conceptos que el sistema operativo ofrece implementandolos sobre esas instrucciones tan básicas del lenguaje de máquina.

El sistema de archivos que diseñaron e implementaron (especialmente Thompson) permitía tener archivos y directorios, los cuales a su vez tenían archivos y directorios. Cada archivo o directorio estaba en unos bloques de disco especiales (se les llamó nodos-i) que tenían información de los permisos del archivo, el tamaño y los bloques del disco donde estaba la información del archivo o directorio. Para cada usuario había un directorio, y aunque era posible, no era fácil cambiar de directorio o enlazar archivos de un directorio a otro.

Contó con un sistema de procesos que inicialmente sólo permitía un proceso por teletipo, pero que si permitía operación simultanea a varios usuarios desde varios teletipo (inicialmente dos teletipos). Los programas que estaban en disco al empezar a ejecutarse se llamaron procesos. El interprete de ordenes iniciaba tales procesos y podía operar con el sistema de archivos –inicialmente el sistema de archivos, el sistema de procesos y el interprete formaban una unidad llamada el kernel del sistema operativo, aunque posteriormente (y ahora) el interprete de ordenes de implementó como un programa.

Otra idea importante que empezó a implementarse en Unix0 fue manejar algunos dispositivos (como pantalla o teclado) como si fuesen archivos, y manejar la entrada y la salida de los procesos también como si fuesen archivos. Así fue evolucionando la idea de redireccionar la entrada y la salida de los procesos y la idea de tuberías que permitían conectar la salida de un proceso con la entrada de otro.

Finalmente junto con Unix0 se desarrollo el lenguaje B del cual fue sucesor el lenguaje C en el cual están escritos practicamente todos los sistemas operativos en la actualidad.

Como se ve, tanto el diseño e implementación del sistema operativo Unix como de los lenguajes B y C, se hizo para facilitar el uso del computador a sus usuarios, que en lugar de manejar muchisimos detalles que deben programarse en lenguaje de máquina, emplean ordenes cortas y sencillas que manejan conceptos abstractos más fáciles de entender para nosotros.

El vídeo disponible en https://www.youtube.com/watch?v=pvaPaWyiuLA muestra en operación Unix0 en un PDP-7 real con un teletipo (con escritor de cintas perforadas), lector de cinta perforada y un disco duro. No es fácil contar con una de esas máquinas para volver a ver la forma de trabajo en 1969 para desarrollar Unix0, pero es posible emular ese computador, compilar las fuentes en ensamblador de Unix0 y verlo operando en un computador actual (la pantalla obrará como el papel en el que respondía el computador en el teletipo y el teclado como el teclado del teletipo donde los usuarios daban ordenes al computador en el vídeo).

Emular un PDP-7 en adJ

Es posible usar el simulador simh (ver [simh]) que entre muchas otras máquinas antiguas puede emular un PDP-7.

A noviembre de 2020 para poder correr Unix0 se requiere la versión en desarrollo de este emulador, que está en la rama master del repositorio de github https://github.com/simh/simh

Los pasos a seguir en un sistema adJ u OpenBSD son:

    $ doas pkg_add gcc
    $ mkdir -p ~/comp/unix
    $ git clone git@github.com:simh/simh.git
    $ cd  simh
    $ GCC=egcc gmake pdp7

La salida esperada de estas ordenes puede verse en [Unix0ADJ], y lo que harán es producir un programa BIN/pdp7 que puede ejecutar con:

    $ BIN/pdp7

Esto corresponde a encender un PDP-7 sin un programa a ejecutar, por lo que no hará más que dejarlo en la línea de ordenes de simh, donde por ejemplo puede examinar la configuración del computador con show device y salir con q:

    sim> show device
    PDP-7 simulator configuration

    CPU     idle disabled
    CLK     60Hz, devno=00
    PTR     devno=01
    PTP     devno=02
    TTI     devno=03
    TTO     devno=04
    LPT     devno=65-66
    DRM     disabled
    RB      disabled
    DT      devno=75-76, 8 units
    G2OUT   devno=05
    G2IN    devno=43-44
    DPY     disabled
    sim> q
    Goodbye

La siguiente tabla (extraida analizando las fuentes de simh y su documentación) explica los dispositivos mencionados:

Dispositivo Del inglés Descripción
CPU Central Processing Unit Procesador del PDP-7 de 18bit con 32K de memoria, ver foto en https://es.wikipedia.org/wiki/PDP-7
CLK Clock Reloj interno
PTR Paper Tape Reader Lector de rollos de cinta perforada. Ver fotos en https://en.wikipedia.org/wiki/Punched_tape
PTP Paper Tape Punch Perforador de rollos de cinta perforada
TTI Teletype Input Entrada de teletipo KSR 33. Es decir lo que se tecleara en el teclado. Un teletipo recibía ordenes para el computador por teclado e imprimía los resultados emitidos por el computador en su impresora. Ver fotos en https://en.wikipedia.org/wiki/Teletype_Model_33
TTO Teletype Output Salida en teltipo. Es decir lo que se imprimiera.
LPT Line Printer Impresora de líneas
DRM Drum head disk Tambor magnético (precursor de los discos duros) Ver foto en https://en.wikipedia.org/wiki/Drum_memory
RB RB09 fixed head disk Disco con una cabeza de lectura/escritura por cada pista. Diagrama en http://www.edwardbosworth.com/My5155_Slides/Chapter12/DiskBasics.htm
DT DECtape Cinta magnética de almacenamiento de la compañia DEC. Podía tener hasta 8 unidades cada una con su cinta. Ver foto en https://en.wikipedia.org/wiki/DECtape
G2IN GRAPHICS-2 Input Teclado y botones del subsistema "GRAPHICS-2" (hardware de gráficos vectoriales, ver por ejemplo https://en.wikipedia.org/wiki/DEC_GT40)
G2OUT GRAPHICS-2 Output Pantalla del subsistema "GRAPHICS-2". Puede verse simulado la forma de jugar Space Travel en http://sebras.se/space-travel-2.mp4
DPY PDP-7 Type 340 Interface. Precision Incremental CRT Display Pantalla con tubo de rayos catódicos de precisión incremental. Ver fotos en https://es.wikipedia.org/wiki/Tubo_de_rayos_cat%C3%B3dicos

Compilación cruzada de Unix0

El video disponible en https://www.youtube.com/watch?v=pvaPaWyiuLA presenta el esfuerzo por parte del museo Living Computers para restaurar Unix0 en un PDP-7 real. Fue un gran trabajo concluido en 2019, justo para celebrar los 50 años de Unix, e incluyó:

  1. Conseguir uno de los 5 computadores PDP-7 de los que actualmente se sabe que existen (de los cerca de 120 producidos hacia 1964 muchos ya fueron desbaratados o destruidos y de los que se tiene noticia sólo 2 pueden operar, ver [InvPDP7])
  2. Completar hardware perdido (disco duro) con hardware diseñado sobre FPGA.
  3. Conseguir fuentes de Unix0 en assembler y de varios programas que se desarrollaron junto con Unix0 para ese PDP-7.
  4. Hacer un controlador para ese Unix0 para el disco diseñado sobre FPGA.
  5. Desarrollar herramientas para convertir el código ensamblador en código ejecutable y ponerlo a operar en el hardware montado.

El código fuente de todo esto estaba escrito en ensamblador para el PDP-7, como parte del proyecto se afinó y se hicieron otras herramientas (incluyendo un ensamblador cruzado para PDP-7 escrito en lenguaje Perl y una implementación de compilador de lenguaje B en lenguaje B). El resultado se ha publicado como código abierto en https://github.com/DoctorWkt/pdp7-unix

Suponiendo que simh se haya dejado en la ubicación de la sección anterior es posible prepara pdp7-unix asi:

    $ cd ~/comp/unix
    $ git clone git@github.com:DoctorWkt/pdp7-unix.git
    $ cd pdp7-unix
    $ gmake

La salida esperada de estas ordenes puede verse en [Unix0ADJ] y resultaran:

  1. El archivo build/image.fs con una imagen de un disco duro RB09 que contiene en código de máquina el sistema operativo, herramientas para el mismo y directorios con datos de prueba para los usuarios ken, dmr y doug. El sistema operativo y sus herramientas queda en el directorio system. Los datos de los usuario ken y doug seran fuentes en ensamblador para una parte del sistema. En el directorio del usuario dmr quedan también otras fuentes del sistema y archivo necesarios para compilar programas escritos en lenguaje B y un ejemplo del mismo (un simple programa que escribe Hola Mundo en el teletipo.
  2. El archivo boot.rim con el código de máquina necesario para iniciar el sistema operativo del disco duro. Emulando que esta información estuviera en una cinta perforada –que era el método de arranque del PDP-7.

Ejecutar Unix0 compilado en el PDP-7 emulado

Una vez compilado puede ejecutarse como se presenta a continuaciòn (las teclas Control-E detendrán momentaneamente la emulación y lo dejarán en la línea de ordenes de simh):

  $ cd ~/comp/unix/pdp7-unix/build
  $ PDP7=../../simh/BIN/pdp7 gmake run
    ../../simh/BIN/pdp7 unixv0.simh

    PDP-7 simulator V4.0-0 Current        git commit id: e3572e1a
    CPU     idle disabled
    8KW, EAE
    .../pdp7-unix/build/unixv0.simh-13> att rb image.fs
    RB: buffering file in memory
    .../pdp7-unix/build/unixv0.simh-17> att -U g2in 12345
    Listening on port 12345
    PDP-7 simulator configuration

    CPU     idle disabled
    CLK     60Hz, devno=00
    PTR     devno=01
    PTP     devno=02
    TTI     devno=03
    TTO     devno=04
    LPT     disabled
    DRM     disabled
    RB      devno=71
    DT      disabled
    G2OUT   devno=05
    G2IN    devno=43-44
    DPY     disabled


    login: 
    Simulation stopped, PC: 01057 (DAC 5525)
    sim> q
    Goodbye
    RB: writing buffer to file

Lo que esto hará es iniciar el emulador y establecer:

  • En la CPU: 8K de RAM, uso del elemento aritmético extendido (EAE), que el emulador mantenga últimas 100 instrucciones ejecutadas

  • Activar dispositivos: disco de cabezas fijas RB09 con imagen inicial image.fs. Habilita teclado y pantalla TELNET en dispositivo GRAPHICS-2
  • Deshabilita dispositivos desconocidos para Unix0: Impresora de líneas, tambor magnético y DECtape.
  • Inicia computador empleando boot.rim como si estuviera en una cinta perforada.
  • Así cuando se completa el arranque Unix presenta el mensaje login: para dar la oportunidad de ingresar un usuario y su clave.

Si ingresa como cualquiera de los usuarios (la clave es el mismo login) podrá ejecutar cualquiera de las herramientas del sistema operativo. De varias herramientas (incluyendo el interprete de ordenes saldrá con Control-D).

A continuación se describen brevemente las conocidas (el manual completo más cercano es de 1970 y describe el Unix para PDP-11, ver [man-r])

Orden Descripción
as Ensamblador
b Compilador del lenguaje B
cat Presenta contenido de un archivo
check Chequea consistencia del sistema de archivos
chmod Cambio permisos de un directorio o archivo
chown Cambia dueño de un directorio o archivo
chrm Elimina directorio
cp Copia un archivo fuente en uno destino
date Fecha actual
db Depurador
dskres Sobreescribe sistema de archivos de lado 1 al lado 0
dsksav Sobreescribe sistema de archivos de lado 0 al lado 1
ed Editor de lìneas
init Carga como proceso 1 para manejar procesos
ln Crea un enlace de un archivo a otro
ls Lista archivos y directorios
mv Mueve un archivo o lo renombra
od Presenta contenido de un archivo en binario
rm Elimina archivo(s)
roff Prcoesa páginas del manual
sh Interprete de ordenes
stat Presenta detalles de un archivo
tm Presenta la hora
ttt Triqui
st Juego space travel (requiere terminal gráfica)

Si ingresa como usuario dmr verá entre los archivos hello.b que son fuentes de un programa en B que imprime en el teletipo Hello World! También encontrará instrucciones para compilar en el archivo b_readme y en el vìdeo https://www.youtube.com/watch?v=pvaPaWyiuLA

Referencia bibliográficas

[DMR1979] Ritchie, Dennis.M. The Evolution of the Unix Time-sharing System. AT&T Bell Laboratories Technical Journal 63 No. 6 Part 2, October 1984, pp. 1577-93. https://www.bell-labs.com/usr/dmr/www/hist.html. Recuperado en Nov.2020

[Unix0ADJ] Támara-Patiño, Vladimir. Support for pdp7-unix on OpenBSD and adJ. https://github.com/DoctorWkt/pdp7-unix/pull/229

[Behind2019] Ayse H. Restoring UNIX v0 on a PDP-7: A look behind the scenes. https://livingcomputers.org/Blog/Restoring-UNIX-v0-on-a-PDP-7-A-look-behind-the-sce.aspx

[InvPDP7] The Digital Equipment Corporation PDP–7. https://www.soemtron.org/pdp7.html

[simh] https://github.com/simh/simh

[simh-pdp18b] Supnik, Robert M. PDP-4/7/9/15 Simulator Usage 28-Apr-2020. https://github.com/simh/simh/blob/master/doc/pdp18b_doc.doc

[man-r] Ritchie, D.M. The UNIX Time-Sharing System. Draft. 1970. https://www.tuhs.org/Archive/Distributions/Research/McIlroy_v0/UnixEditionZero.txt (era también para Unix-11 que operaba en PDP-11).