Historie vývoje GUI (5): systémy Windows 1.0 a GEM

12. 10. 2010

Doba čtení: 19 minut

Líbí se vám článek?
Podpořte redakci

V páté části seriálu o historii vývoje grafického uživatelského rozhraní nejprve dokončíme popis komerčně nepříliš úspěšného systému Microsoft Windows 1.0 a poté se zaměříme na systém GEM, který sice nebyl na platformě IBM PC příliš rozšířený, našel však své uplatnění na počítačích Atari ST.

Obsah

1. Základní technické parametry systému Windows 1.0

2. Součásti základní instalace Windows 1.0

3. Architektura Windows 1.0

4. SDK (vývojové nástroje)

5. Stručná historie vývoje systému GEM a ViewMAX

6. Osobní počítače Atari ST – další oblíbená a rozšířená platforma s GUI

7. Atari Mega ST a BLiTTER

8. Grafický subsystém počítačů Atari ST

9. Odkazy na Internetu

1. Základní technické parametry systému Windows 1.0

V předchozí části tohoto seriálu jsme si popsali operační systém firmy VisiCorp s grafickým uživatelským rozhraním pojmenovaný Visi On, který však nebyl i přes některé své přednosti nikdy příliš komerčně úspěšný, částečně kvůli své náročnosti na technické vybavení počítače (nutnost instalace pevného disku i jeho řadiče), částečně kvůli tomu, že nebyl kompatibilní s DOSem a v počátcích vývoje tak byl poměrně drahý. Nezájem uživatelů byl i o první verzi grafické nadstavby nad DOSem s vlastním API z dílny firmy Microsoft – jednalo se Microsoft Windows 1.0, jejichž původní název měl znít Interface Manager. Dnes si přiblížíme některé technické parametry tohoto systému, protože (kupodivu) celá řada funkcí WinAPI i například některé klávesové zkratky apod. se používají i na moderních systémech Microsoft Windows (zajímavé je například sledovat, jak některé funkce WinAPI „přežily“ přechod z šestnáctibitové na 32bitovou platformu).

Obrázek 1: Bootovací obrazovka Microsoft Windows verze 1.01.

Zcela první veřejně dostupná verze Windows 1.0 obsahovala několik chyb, proto byla na trh v listopadu roku 1985 dodána opravená verze nesoucí označení Windows 1.01, kterou se budeme v dalším textu zabývat podrobněji (viz též první screenshot). V následujících měsících a letech vzniklo několik dalších oprav a úprav původní „stabilní“ verze 1.01. Například se jedná o Windows 1.02 z května 1986 s podporou evropských jazyků či Windows 1.04 z dubna 1987, v níž byla přidána podpora pro v té době nově představenou grafickou kartu VGA. Původní systém Windows 1.01 totiž pracoval pouze na počítačích PC vybavených grafickou kartou CGA (používal se monochromatický režim této karty s rozlišením 640×200 pixelů), EGA (barevný režim s rozlišením 640×350 pixelů) či Hercules, který dokázal zobrazit grafiku v monochromatickém režimu s rozlišením 720×348 pixelů. Zajímavé v tomto ohledu je to, že firma IBM vždy grafickou kartu Hercules ignorovala, tudíž pro ni neexistuje podpora ani v originálním BIOSu (systém Windows však většinu volání BIOSu stejně obcházel).

Obrázek 2: Systém (přesněji řečeno grafická nadstavba nad DOSem s vlastním API) Microsoft Windows 1.0 spuštěný na emulátoru počítače PC XT s grafickou kartou CGA.

Pro běh systému Windows 1.01, který se – jakožto „grafická nadstavba“ spouštěl z DOSu – bylo nutné mít volných minimálně 256 kB paměti RAM (kilobajty jsou skutečně uvedeny správně!) a dvě disketové jednotky, popř. jednu disketovou jednotku (pro instalaci nezbytnou) a pevný disk obsluhovaný službami DOSu. Právě možnost spuštění této grafické nadstavby bez nutnosti koupě pevného disku byla lákavá, ovšem běh Windows 1.01 byl v této konfiguraci počítače velmi pomalý, zejména při přepínání mezi aplikacemi – to byl ostatně jeden z důvodů komerčního neúspěchu tohoto systému. Vzhledem k tomu, že počítače IBM PC nebyly, na rozdíl od konkurenčních Macintoshů či Atari ST, standardně vybaveny myší, bylo ve Windows 1.01 možné většinu operací provádět pomocí klávesových zkratek. Ostatně většina těchto klávesových zkratek je používána dodnes; jejich počátek tedy najdeme již v systému 25 let starém!

Obrázek 3: Aplikace Write (jednoduchý textový procesor; předchůdce WordPadu) a Clock ve verzi pro Windows 1.01.

2. Součásti základní instalace Windows 1.0

Součástí systému Windows 1.01 bylo i několik aplikací, které taktéž, podobně jako výše zmíněné klávesové zkratky, přežily ve více či méně inovované podobě až do dnešní doby. Pro obchodní (ne)úspěch systému Windows 1.0, a ostatně i všech dalších systémů nabízejících grafické uživatelské rozhraní, byla kritická nabídka dalších aplikací, než jenom těch, které byly dodávány k samotnému systému (ostatně se jednalo spíše o menší pomůcky, žádné „killer aplikace“). Ovšem příliš mnoho dalších aplikací pro Windows 1.0 nevzniklo, jejich bouřlivý vývoj nastal až s verzí Windows 3.0 o několik let později. Z hlediska historie GUI a s ní související více než pětadvacetileté rivality a současně i spolupráce mezi Microsoftem a firmou Apple je zajímavé také to, že aplikace Microsoft Word (přesněji řečeno varianta Wordu s GUI) a Microsoft Excel vznikly nejdříve pro systém Macintosh a teprve o několik let později došlo k jejich portaci na systém Microsoft Windows. Právě nabídka těchto aplikací ve variantě pro Windows v roce 1987 (Excel) a 1989 (Word) velkou měrou způsobily relativně velkou popularitu systému Windows 3.x.

Obrázek 4: Microsoft Word verze 1.0 spuštěný na počítači Apple Macintosh.

Nicméně se vraťme o několik let zpátky k Windows 1.01. Součástí tohoto systému byly mj. i následující aplikace:

Název aplikace	Stručný popis
Calculator	jednoduchá kalkulačka s jedním režimem činnosti (oproti dalším pokročilejším verzím), která byla mj. známá i chybou při zobrazení výsledku rozdílu dvou čísel, kdy byl použit špatný algoritmus zaokrouhlení (nezávislé na FPU, jedná se o čistě programovou chybu)
Calendar	kalendář umožňující ke každému datu přidat poznámku. Zajímavé je, že od Windows 95 již tento program nebyl přítomen, objevil se opět až v modernější podobě s Windows Vista :-)
Cardfile	velmi jednoduchý správce osobních informací (PIM – Personal Information Manager), který se v prakticky nezměněné podobě používal ještě v dobách Windows 98 (nutná ruční instalace z CD) i Windows NT 4.0
Clipboard viewer	prohlížeč obsahu schránky (v době Windows 1.0 byly podporované formáty přenášených dat poměrně razantně omezeny, v podstatě pouze na CF_TEXT a CF_BITMAP)
Clock	klasické „analogové“ hodiny
Notepad	pravděpodobně netřeba podrobněji představovat tento Internet's most versatile HTML editor
Paint	původně se jednalo o licencovanou verzi programu PC Paintbrush firmy ZSoft Corporation, který dokázal editovat rastrové obrázky ve formátech MSP, PCX a BMP.
Reversi	jednoduchá hra známá též pod názvem Othello
Write	textový procesor s velmi omezenými možnostmi, předchůdce dnešního WordPadu (program s podobným názvem, ale jinými vlastnostmi byl portován i na Atari ST)
Terminal	emulátor terminálu

Obrázek 5: Notepad čili Poznámkový blok se vlastně od Windows 1.01 z hlediska svých možností nijak razantně nezměnil.

3. Architektura Windows 1.0

Prakticky téměř celá funkcionalita systému Windows 1.0 byla „skryta“ ve třech souborech – KERNEL.EXE, USER.EXE a GDI.EXE, jejichž velikost nepřesahovala v souhrnu 250 kB. První ze jmenovaných souborů obsahoval funkce jádra celé grafické nadstavby, v souboru USER.EXE byly obsaženy funkce pro práci s grafickým uživatelským rozhraním (vytváření oken, menu a dalších prvků GUI) a konečně v souboru GDI.EXE se nacházely funkce umožňující nízkoúrovňovou i vysokoúrovňovou práci s grafikou. Právě díky GDI („Graphics Device Interface“) bylo možné psát aplikace do značné míry nezávislé na konkrétní konfiguraci počítače, protože téměř všechny funkce GDI pracovaly bez ohledu na to, jaká grafická karta je pro vykreslení grafických tvarů a bitmap používána a zda se vůbec jedná o grafickou kartu – stejným způsobem jako s grafickou obrazovkou totiž bylo možné provádět i vykreslování do souboru nebo tisk na tiskárně (i když zprvu byla tato kooperace a jednotnost v ovládání různých zařízení značně chybová a spíše teoretická).

Obrázek 6: Taktéž možnosti aplikace Paint (PaintBrush či Malování) zůstaly z velké části zachovány – práce s bloky, kresba základních geometrických obrazců, výplně, Bézierovy křivky, airbrush.

Celkem měli programátoři přístup k přibližně 400 systémovým funkcím, z nichž většina je dostupná ve WinAPI dodnes, i když v poněkud upravené podobě – většinou se jedná o rozšíření pro 32bitový systém a taktéž podporu Unicode (ostatně i všechny tři uvedené soubory najdeme minimálně ještě ve Windows XP v jejich reinkarnované podobě KERNEL32.DLL, USER32.DLL a GDI32.DLL). WinAPI bylo od začátku koncipováno takovým způsobem, že před programátory příliš neuzavíralo vnitřní architekturu systému, což na jednu stranu bylo výhodné, neboť programy (a viry…) mohly těžit z této znalosti, na stranu druhou však byla především práce s GUI, například vytváření oken a reakce na události, poměrně zdlouhavá, takže programy využívající WinAPI byly dlouhé, s mnoha opakujícími se úseky kódu provádějícím nízkoúrovňové operace (pro porovnání knihovny GDI a USER poskytovaly funkce, které se nacházely zhruba na polovině cesty mezi poměrně nízkoúrovňovou knihovnou Xlib a například toolkity GTK a Qt).

Obrázek 7: Změna velikosti spodního okna v systému Windows 1.01.

4. SDK (vývojové nástroje)

„The original hello world program in the Windows 1.0 SDK was a bit of a scandal. HELLO.C was about 150 lines long, and the HELLO.RC resource script had another 20 or so more lines. (…) Veteran C programmers often curled up in horror or laughter when encountering the Windows hello-world program.“
Charles Petzold

Firma Microsoft dodávala kromě základní sady programů popsaných ve druhé kapitole ke svému systému Windows 1.0 i vývojové nástroje umožňující programování aplikací pro tento systém. Za cenu nepřesahující 500 dolarů, což byla v kontextu doby poměrně vysoká cena (Turbo Pascal 1 se například prodával za 49,99 dolarů), dostali vývojáři na sedmi disketách celé SDK (software development kit) obsahující mj. i speciální verzi Microsoft C Compileru verze 3.0, překladač takzvaných resource skriptů (obsahujících například ikony, texty, definice dialogů aj.), sestavovací program (linker), assembler a taktéž několik manuálů o celkovém objemu cca 1000 stránek.

Obrázek 8: Čtyři aplikace uspořádané do nepřekrývajících se oken.

Všechny funkce tehdy platného WinAPI byly exportovány do jediného souboru pojmenovaného WINDOWS.H o téměř neuvěřitelné délce (samozřejmě na tehdejší poměry ovlivněné především rychlostí preprocesoru a překladače) osmdesáti kilobajtů.Vývojové nástroje dostupné v SDK se spouštěly přímo z DOSu, takže programátor až po slinkování výsledného programu mohl provést přepnutí do Windows a program odzkoušet. Kvůli neexistenci ochrany paměti a kooperativnímu multitaskingu končila většina chyb havárií celého systému; na alespoň základní vzájemnou izolaci jednotlivých aplikací a zvýšení stability systému si museli programátoři i uživatelé ještě několik let počkat.

Obrázek 9: Při programování aplikací ve WinAPI se musela smyčka pro zpracování událostí (event handler) psát ručně.

5. Stručná historie vývoje systému GEM a ViewMAX

Dalším operačním systémem s plnohodnotným grafickým uživatelským rozhraním, který bylo možné používat (nejenom) na osobních počítačích kompatibilních s IBM PC, byl systém GEM neboli Graphical Environment Manager. Tento systém byl vyvíjen firmou Digital Research Inc. (DRI), která je mj. známá i jako výrobce systému DR-DOS, který konkuroval MS-DOSu, jenž v některých ohledech překonával. GEM pro počítače PC byl plnohodnotným operačním systémem, tedy nikoli nadstavbou nad DOSem, což se mu však stalo osudným, protože nedokázal spouštět DOSové aplikace. Navíc byla po vydání první verze GEMu pro PC v roce 1985 firma Digital Research zažalována firmou Apple kvůli podobnosti vzhledu a chování GEMu s grafickým uživatelským rozhraním Macintoshe (připomeňme si podobnou kauzu s Windows 1.0 popsanou v předchozí části tohoto seriálu). Firma DRI reagovala stažením první verze GEMu a úpravou jeho grafického uživatelského rozhraní takovým způsobem, aby se verze 2 vyhnula podobným nepříjemnostem.

Obrázek 10: Systém GEM běžící na osobním počítači PC vybaveném grafickou kartou EGA (je použitý grafický režim s rozlišením 640×350 pixelů).

Jádro GEMu bylo použito i v několika DOSových aplikacích, například ve známém programu Ventura Publisher a později se GEMový desktop objevil i v samotném DR-DOSu pod názvem ViewMAX jako souborový manažer. Ovšem to již GEM téměř nadobro z platformy IBM PC ustoupil jiným systémům, zejména kvůli nedostatku aplikací a programátorů, kteří by pro něj portovali popř. vytvářeli nové aplikace. Zcela jiný však byl vývoj na počítačích Atari ST, kde se GEM stal téměř nedílnou součástí operačního systému TOS (kromě samotného GEMu byl součástí TOSu i GEMDOS, tj. obdoba DOSu firmy DRI, BIOS, XBIOS, Desktop atd.). Vzhledem k tomu, že další vývoj TOSu a samozřejmě i GEMu převzala firma Atari, nevztahovala se na tuto platformu žaloba podaná firmou Apple na DRI, což se ukázalo být jako velká výhoda – zatímco GEM na PC vyklidil pozici dalším systémům, na Atari ST se TOS+GEM používal a vyvíjel po dobu delší než 10 let, jak si ostatně řekneme v následující části tohoto seriálu.

Obrázek 11: GEM Painter ve verzi pro osobní počítače PC (porovnejte s následujícím obrázkem).

6. Osobní počítače Atari ST – další oblíbená a rozšířená platforma s GUI

V tomto seriálu jsme si již několikrát zmínili o 32bitovém mikroprocesoru Motorola 68000 a jeho poměrně značném vlivu na vývoj grafického uživatelského rozhraní. Tímto mikroprocesorem byla vybavena jak neúspěšná i když v mnoha směrech průkopnická Apple Lisa, tak i obchodně mnohem úspěšnější Macintosh a grafická pracovní stanice Sun-1 se svým na svou dobu téměř neuvěřitelně velkým framebufferem umožňujícím práci s obrazem o rozlišení 1024×1024 pixelů. Ovšem to není zdaleka vše, protože tento všestranný mikroprocesor (a samozřejmě i jeho vylepšené varianty) byl využit v osobních počítačích Atari ST a Amiga. Ve zbylých kapitolách se budeme – zejména kvůli souvislosti se systémem GEM – věnovat především počítačům Atari ST. Základním modelem celé řady Atari ST je počítač Atari 520ST s mikroprocesorem Motorola 68000 taktovaným na 8 MHz a 512 kB operační paměti (jak jsme si již řekli dříve, bylo nutné kapacitu operační paměti pečlivě vyvažovat, aby měl počítač dostatečný výkon a přitom nebyl příliš drahý – konstruktéři před sebou stále měli odkaz Apple Lisa).

Obrázek 12: GEM Painter v šestnáctibarevném grafickém režimu.

Od modelu Atari 520ST se odvozovaly jak méně výkonné a levnější varianty (uvažovalo se například o Atari 130 ST se 128 kB RAM, který však nikdy nebyl skutečně prodáván, ostatně i Atari 260 ST byl i přes svoje označení nakonec namísto 256 kB RAM osazen plnými 512 kB), tak i varianty v některém směru či směrech rozšířené. Model Atari 520 ST+ byl například nabízen s 1 MB RAM, modely s označením STF obsahovaly disketovou jednotku, modely STM modulátor umožňující přímé připojení televizoru a konečně modely STFM obsahovaly jak disketovou jednotku, tak i modulátor. Další vylepšení představoval počítač Atari 1040 STF(M) z roku 1986, který měl zdroj zabudovaný přímo do těla počítače a nikoli v samostatné krabičce. Tyto počítače byly původně dodávány s jedním megabajtem operační paměti, přičemž maximálně je bylo možné osadit až čtyřmi megabajty RAM, což již z Atari dělalo slušnou grafickou pracovní stanici. Varianta s jedním megabajtem se prodávala za 995 dolarů – jednalo se o první počítač s 1MB RAM, který byl prodáván za cenu pod tisíc dolarů, což samozřejmě firma Atari nezapomněla zdůrazňovat ve svých reklamách (zmiňovala se v nich rovnice 1 KB RAM = $1).

Obrázek 13: Osobní mikropočítač Atari 520 ST.

7. Atari Mega ST a BLiTTER

Ovšem z hlediska vývoje grafického uživatelského rozhraní byl prvním skutečně významným krokem vpřed až počítač Atari Mega ST, přesněji řečeno jeho modely Atari Mega ST 1, Atari Mega ST 2 a Atari Mega ST 4. Jediný rozdíl mezi těmito modely byl v kapacitě operační paměti, která byla rovna buď jednomu, dvěma nebo čtyřem megabajtům. Procesor zůstával stále stejný, tj. obligátní Motorola M68000. Taktovací frekvence se také nezměnila, byla tedy rovna 8MHz, což je, zejména v porovnání s novějšími Amigami, nedostatečné (ovšem díky relativně nízké ceně se Mega ST staly velmi oblíbenými modely, zejména v Evropě). Důležitou novinkou Atari Mega ST byla přítomnost nového VLSI čipu pojmenovaného příznačně BLiTTER. Tento čip, podobně jako blittery na jiných platformách (viz například zmiňovaný Sun-1), dokázal bez asistence mikroprocesoru přenášet bloky dat a taktéž provádět šestnáct základních bitových operací mezi pixely zdrojové a cílové bitmapy.

Obrázek 14: Osobní mikropočítač Atari 1040 STFM.

BLiTTER navíc obsahoval i malou „texturovací“ paměť, do níž bylo možné uložit bitmapový vzorek, kterým bylo možné vyplňovat obdélníkové části obrazu. Teprve s využitím BLiTTERu se stala práce s grafikou na osobních počítačích Atari ST příjemnější – mikroprocesor nemusel být zdržován neustálými přenosy dat, s použitím BLiTTERu bylo možné zobrazovat kvalitní a rychlé animace bez nežádoucího „trhání“ obrazu. BLiTTER bylo možné také použít pro celoobrazovkový scrolling či scrolling pouze části obrazu (okna), emulaci spritů atd. Tento čip byl použit i v dalších modelech počítačů Atari, například v Atari STE, které měly rozšířenou barvovou paletu na 4096 barev (každá barvová složka byla reprezentována čtyřmi, nikoli pouze třemi bity) a možnost instalace paměťových modulů typu SIMM, podobně jako osobní počítače kompatibilní s PC.

Obrázek 15: Základní deska osobního počítače Atari 520 STE, na které jsou vyznačeny všechny významné čipy a konektory.

8. Grafický subsystém počítačů Atari ST

Při práci se systémem GEM se samozřejmě v plné míře využívaly grafické schopnosti počítače Atari ST, které byly v porovnání s tehdejší cenově srovnatelnou konkurencí na velmi dobré úrovni (Atari ST bylo v tomto ohledu překonáno pouze Amigou). Například již popsané osobní počítače Macintosh z roku 1984 nabízely svým uživatelům ve svých prvních verzích jediný monochromatický režim s rozlišením 512×342 pixelů zobrazovaný na malém monitoru zabudovaném do skříně počítače. Počítače IBM PC vybavené grafickou kartou CGA na tom ovšem byly mnohem hůře: tato karta podporovala buď monochromatický „hi-res“ :-) režim s rozlišením 640×200 pixelů nebo čtyřbarevný režim s rozlišením 320×200 pixelů, ovšem s fixní barevnou paletou (přesněji řečeno – na výběr byly dvě barevné palety, jedna horší než druhá :-). Kapacita framebufferu byla pouze 16kB. Naproti tomu uživatelé osobních počítačů Atari ST mohli využít i grafické režimy s poměrně velkým rozlišením umožňující práci s barvami (záleželo ovšem také na tom, jaký monitor byl k Atari ST připojen). Tyto režimy si popíšeme v následujících odstavcích.

Obrázek 16: Screenshot ze hry Golden Axe spuštěné ve čtyřbarevném režimu grafické karty CGA na IBM PC.

Prvním režimem, který se využíval především ve hrách, byl grafický režim s rozlišením 320×200 pixelů a šestnácti barvami vybíranými z barvové palety 512 barev. Vzhledem k tomu, že snímková frekvence byla při použití tohoto režimu rovna 50 Hz nebo 60 Hz, bylo možné k Atari ST připojit téměř jakýkoli kompozitní monitor, což samozřejmě snižovalo pořizovací cenu celého počítače. Jednoduchým výpočtem můžeme zjistit, že při použití tohoto režimu byla využita téměř celá kapacita framebufferu: 320×200×4/8=32000 bajtů (čtyřka ve výpočtu znamená čtyři bity na pixel, tj. šestnáct různých kombinací).

Obrázek 17: Známá hra – Xenon the Megablast používala v Atari verzi výše popsaný šestnáctibarevný grafický režim s rozlišením 320×200 pixelů. Na tomto screenshotu je skutečně pouze šestnáct barev, jak se můžete přesvědčit v prakticky jakémkoli grafickém editoru.

Druhým grafickým režimem, který se již poměrně často používal spolu se systémem GEM, byl barevný grafický režim o rozlišení 640×200 pixelů ve čtyřech barvách. Barvová paleta měla opět rozsah 512 barev a stejné byly i obnovovací frekvence obrazu. Jednalo se o často používaný režim při práci s kancelářskými aplikacemi v případě, že nebyl k dispozici firemní monochromatický monitor. I tento grafický režim využíval téměř celou kapacitu framebufferu: 640×200×2/8=32000 bajtů (dvojka ve výpočtu znamená dva bity na pixel).

Obrázek 18: Desktop počítače Atari ST (spuštěný v emulátoru) zobrazený ve čtyřbarevném grafickém režimu (povšimněte si, že namísto originálního TOSu je zde použita jeho GPL varianta).

Třetím režimem byl monochromatický grafický režim s poměrně velkým rozlišením 640×400 pixelů. Pokud počítač pracoval v×tomto režimu, bylo k němu nutné připojit firemní monochromatický monitor. Obnovovací frekvence byla rovna 72Hz, což je (zejména s ohledem na dobu prodeje tohoto typu počítače) ergonomická a i na déletrvající práci příjemná hodnota. Zejména díky tomuto režimu a kvalitní klávesnici i monitoru je možné ještě dnes vidět počítače Atari řady ST v provozu (skutečně!), používají se například jako terminály (na rozdíl od PCček nemají větrák a jsou stylové :-) nebo jako MIDI sekvencery. Framebuffer je opět využit do posledního kilobajtu: 640×400/8=32000 bajtů.

Obrázek 19: Desktop počítače Atari ST (taktéž spuštěný v emulátoru) zobrazený v monochromatickém grafickém režimu s rozlišením 640×400 pixelů.

Obrázek 20: Jeden odstavec z předchozího článku importovaný do textového procesoru 1st Word Plus běžícího v operačním systému TOS s grafickou nadstavbou GEM. Podrobnější technické parametry TOSu a GEMu i jejich postupný vývoj si řekneme v následující části tohoto seriálu.