1.1 1950年代監督程式與批次處理的誕生#

前言：為什麼需要作業系統？#

要理解作業系統（Operating System, OS）的本質，最好的方法是回到電腦還沒有作業系統的年代。1940年代末期的電腦，如 ENIAC（1946）與 EDVAC，是完全「手工操作」的機器：程式設計師以打孔卡片或紙帶輸入程式，親自到機器前排線、設定開關、按下啟動鈕，然後盯著指示燈看結果。整台機器同一時間只服務一個人，CPU 的絕大多數時間都在「等人」——等操作員換卡片、等讀卡機就緒、等印表機輸出。

在那個年代，「作業系統」這個名詞尚不存在，但一個根本的矛盾已經浮現：電腦是極其昂貴的資源（一台機器動輒數百萬美元），而人類操作的速度遠遠跟不上機器。如何讓價值連城的 CPU 不要閒置？這個以「資源利用率」為核心的問題，驅動了此後三十年作業系統所有重要的發明。

監督程式（Supervisor）的誕生#

GM-NAA I/O（1956）：第一個公認的作業系統#

歷史上第一個被廣泛承認的作業系統，是 1956 年由通用汽車（General Motors）研究部門與北美航空（North American Aviation）為 IBM 704 大型主機合作開發的 GM-NAA I/O。它的動機非常務實：當時每家公司都要自己重寫一遍讀卡、載入程式、驅動印表機的底層程式碼。GM 的工程師索性把這些共通的輸入輸出常式集合起來，做成一套所有程式都能共用的函式庫與載入器。

這套系統的核心概念是監督程式（Supervisor / Monitor）：一個常駐在記憶體中的特殊程式，負責：

自動執行（automatic job sequencing）：把一批工作（job）放在讀卡機上，監督程式依序載入、執行、輸出，全程不需要人工介入。
I/O 常式共用：程式透過呼叫監督程式提供的副程式來讀卡與列印，避免每個程式師重複造輪子。
簡單的錯誤處理：程式結束或異常時，控制權交回監督程式，繼續下一個工作。

我們今天熟悉的「程式結束後控制權回傳給作業系統」這個基本循環，就是從這裡開始的。

FMS 與 IBSYS：批次系統的成熟#

同一時期，MIT 為 IBM 709 開發了 FMS（FORTRAN Monitor System），而 IBM 自己在 1950 年代末推出了商用產品 IBSYS（1959，用於 IBM 7090）。IBSYS 是「監督程式」概念的完整商用化：它包含工作控制語言（Job Control Language, JCL）的雛形，程式設計師用特殊卡片（如 $JOB、$FORTRAN、$DATA）告訴監督程式「這是一個工作、用 FORTRAN 編譯、然後執行」。

JCL 是一個影響深遠的發明——它把「使用者對作業系統下指令」這件事變成了正式的語言。從編譯器的角度看，JCL 其實是一種領域特定語言（DSL），其語法結構（工作、步驟、資源宣告）後來演化為 UNIX shell script 與現代工作排程系統（如 cron、Kubernetes Job）的概念祖先。

批次處理（Batch Processing）#

單一道批次與「脫機」技術#

1950年代的批次處理是單一道（single-stream）的：一次只有一個工作在機器上。即使如此，工程師仍發明了關鍵的脫機（offline）技術：由於讀卡機、印表機等機械設備極慢（讀一疊卡片要幾分鐘），IBM 使用一台較便宜的衛星電腦（如 IBM 1401）專門把卡片「預先」抄到磁帶上，再把磁帶搬到主機（如 IBM 7094）上執行；輸出同樣先寫到磁帶，再由衛星機器列印。主機的高速 CPU 於是只跟高速的磁帶打交道。

這個「用緩衝與中介媒體把慢速 I/O 與快速計算解耦」的思想，是後來所有 I/O 緩衝（buffering）、spooling 技術的源頭。

SPOOLing：假離線#

到了 1960 年代初，磁碟出現後，「脫機」可以由主機自己完成：CPU 一邊執行工作 A，一邊用中斷驅動的方式把下一個工作從卡片讀入磁碟，這稱為 SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operations On-Line）。SPOOLing 讓輸入與計算重疊（overlap），是「用軟體協調並行資源」的早期典範——今日印表機佇列仍叫 spool，正是歷史的活化石。

組譯器、載入器與「程式如何跑起來」#

監督程式的出現，也直接推動了系統軟體的分化。1950年代的程式生命週期是：組譯器（assembler）→ 載入器（loader）→ 執行。早期的載入器每個程式自帶，後來被監督程式統一提供，並發展出：

絕對載入：程式被組譯成固定起始位址的機器碼。
重定位（relocation）：監督程式在載入時把程式碼中的位址加上一個基底值，使程式可以載入到記憶體的任意位置。這是連結器（linker）與動態載入概念的萌芽，也是編譯器後端需要產生「可重定位目標碼」（relocatable object code）的原因。

從系統程式的角度，這段歷史說明了一件事：編譯器與作業系統是共同演化的。編譯器產生什麼樣的目標碼格式（絕對/可重定位/位置無關），決定了作業系統載入與記憶體管理的複雜度；反過來，作業系統提供的執行環境（堆疊、系統呼叫介面、函式庫約定）也約束了編譯器的呼叫慣例（calling convention）。

核心虛擬碼：1950年代監督程式的主迴圈#

用現代 C 語言風格重寫一個 GM-NAA I/O 式的監督程式，其核心不過數十行，卻包含了作業系統最原始的骨架：

// 極簡化的 1950 年代監督程式
char *memory[MEMORY_SIZE];   // 全部記憶體
#define SUPERVISOR_SIZE 4096 // 監督程式常駐前 4K

void supervisor_main(void) {
    while (1) {
        job_t job = read_next_job();       // 從讀卡機/磁帶讀入
        load_at(job.code, SUPERVISOR_SIZE); // 重定位並載入
        set_timer(job.max_time);            // 無限迴圈防呆
        jump_to(SUPERVISOR_SIZE);           // 交出控制權
        // 工作結束（正常或 trap）會跳回這裡
        if (abnormal_halt()) {
            print_error_dump();             // 傾印記憶體供除錯
        }
        print_separator();                  // 報表分頁
    }
}

注意兩個細節：set_timer 是為了防止一個寫壞的工作（無限迴圈）癱瘓整批工作——這是保護概念的起源；abnormal_halt 後的記憶體傾印，則是核心傾印（core dump）除錯文化的開端。

歷史意義與後續發展#

1950年代的監督程式解決了「自動依序執行」的問題，但 CPU 利用率仍受限於一個根本限制：一次只有一個工作。當工作在做 I/O 時（讀磁帶需要數秒），CPU 仍然閒置。要突破這個限制，必須讓多個工作同時駐留記憶體、在 I/O 等待時自動切換到另一個工作——這就是 1960 年代多工程式設計（multiprogramming）的課題，其巔峰之作是 IBM System/360 的 OS/360（1964，Fred Brooks 主導，其教訓化為《人月神話》）與 MIT 的 CTSS 分時系統。

換句話說，1950年代回答了「如何不用人手操作電腦」，1960年代則要回答「如何讓電腦同時服務許多人」。後者的故事，正是下一節的主題。

重點整理#

第一個作業系統是 1956 年的 GM-NAA I/O，本質是共用的 I/O 常式庫＋自動工作排程的監督程式。
批次處理的核心動機是提高昂貴 CPU 的利用率；脫機與 SPOOLing 用緩衝解耦慢速 I/O。
JCL 是「對 OS 下指令」語言的起源，可視為 shell 的祖先。
監督程式引入了重定位載入與執行期保護（timer），使編譯器、載入器、OS 的分工開始成形。