Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

Система программного обеспечения ЭВМ является комплексом программных средств, который можно разделить на операционную систему, пакеты прикладных программ и комплект программ технического обслуживания.

Операционные системы представляют собой важнейшую и центральную часть программного обеспечения ЭВМ, которая предназначена для эффективного управления вычислительным процессом, распределения ресурсов ЭВМ и планирования работы, организации выполнения программ при различных режимах работы машины и автоматизации процесса их подготовки, облегчения общения оператора с машиной.

Операторы и пользователи не имеют прямого доступа к устройствам ЭВМ. Их связь с ЭВМ осуществляется при помощи операционной системы, которая обеспечивает определенный уровень общения человека с машиной.

Он в основном определяется языком, на котором оно осуществляется. Аппаратурные средства ЭВМ и система ее программного обеспечения в совокупности являются вычислительной системой. При создании новой ЭВМ разработка программного обеспечения и разработка аппаратуры должны осуществляться взаимосвязано и одновременно.

Круг вопросов, которые подлежат решению при разработке архитектуры ЭВМ, можно символично разделить на вопросы общей структуры, организации общения пользователя с машиной и вычислительного процесса, вопросы логической организации хранения, представления и преобразования информации и вопросы логической организации совместной работы разнообразных устройств, а также программных и аппаратурных средств машины.

В середине XIX в. развитие атомной физики, космической и ракетной техники потребовало решения вычислительных задач такого огромного объема, что с ними было невозможно справиться с помощью имевшихся в то время перфорационных или клавишных счетных машин. Данная потребность привела к изобретению на рубеже 1940—1950-х гг. цифровых электронных вычислительных машин. Идея применения программного управления для построения устройства, которое автоматически выполняет арифметические действия, была впервые предложена английским математиком Ч. Бэббиджем уже в 1833 г. Но его попытки не увенчались успехом.

Фактически подобная идея была реализована, когда К. Цюзе в 1942 г. в Германии и Г. Айкен в 1944 г. в США сконструировали на базе электромагнитных реле вычислительные машины с управлением от перфоленты.

Идея программного управления вычислительным процессом была значительно развита американским математиком Джоном фон Нейманом, который в 1945 г. описал принцип хранимой в памяти программы.

Первые ЭВМ с хранимой в памяти программой и с программным управлением появились почти одновременно в СССР, США и Англии.

Значительный вклад в развитие отечественной вычислительной техники внес академик С. А. Лебедев. Под его руководством в 1949—1951 гг. была сконструирована первая в нашей стране ЭВМ – Малая Электронная Счетная Машина (МЭСМ), а уже в 1952—1954 гг. – Быстродействующая Электронная Счетная Машина (БЭСМ), которая выполняла 8000 операций/с и являлась в то время одной из наиболее быстродействующих ЭВМ в мире.

Одну из первых в стране ЭВМ И. С. Брук и его сотрудники Н. Я. Матюхин и М. А. Карцев построили в начале 1950-х гг. в Энергетическом институте АН СССР в Москве. Первая производившаяся промышленностью ЭВМ «Стрела» была сконструирована научным коллективом под руководством Ю. Я. Базилевского.

Советские ученые, главным образом академики С. А. Лебедев, В. С. Семенихин, М. В. Келдыш, В. М. Глушков и их научные школы, внесли серьезный вклад в развитие ЭВМ и их программного обеспечения.

На протяжении нескольких десятилетий электронная вычислительная техника быстро развивается. Появилось несколько поколений ЭВМ. Возникновение новых поколений ЭВМ произошло в результате расширения областей и развития способов их применения, которые требовали более производительных, дешевых и надежных машин.

Поколение ЭВМ определяется совокупностью взаимосвязанных особенностей и характеристик применяемой при построении машин конструктивно-технологической (особенно элементной) базы и действующей в машине архитектуры (логической организации).

Первое поколение составили ламповые ЭВМ, изготовление которых началось в начале 1950-х гг. В качестве компонентов логических элементов применялись электронные лампы. К ЭВМ этого поколения относятся изобретенные советскими инженерами и учеными ламповые вычислительные машины БЭСМ-2, «Стрела», М-2, М-3, М-20, «Минск-1», «Урал-1», «Урал-2», которые были ориентированы на решение научно-технических задач. Ламповые ЭВМ потребляли огромную мощность, имели большие габариты и малую емкость оперативной памяти, а также невысокую надежность, в первую очередь из-за частого выхода из строя электронных ламп.

В вычислительных машинах второго поколения, возникших в конце 1950-х гг., электронные лампы заменили транзисторами, что значительно повысило надежность, уменьшило размеры ЭВМ, снизило потребление мощности. Это позволило создать ЭВМ, наделенные более высокой производительностью и большими логическими возможностями. Наряду с машинами, предназначенными для научных расчетов, возникли ЭВМ для решения задач обработки данных и управления производственными процессами.

В нашей стране были созданы ЭВМ различного назначения: малые ЭВМ серий «Мир» и «Наири», средние ЭВМ со скоростью работы 5—30 тыс. операций/с – «Минск-2», «Минск-22», «Минск-32», «Раздан-2», «Раздан-3», «Урал-14», БЭСМ-4, М-220 и управляющие вычислительные машины ВНИИЭМ-3, «Днепр» и др.

Второе поколение ЭВМ позволило значительно расширить сферу применения вычислительной техники, приступить к созданию АСУ технологическими процессами, предприятиями и отраслями.

Стремление к повышению быстродействия, надежности, снижению стоимости аппаратуры привело к возникновению новой элементной базы вычислительной техники – интегральных микросхем, на базе которых были созданы ЭВМ третьего поколения.

Они возникли во второй половине 1960-х гг. в США и появились в СССР в начале 1970-х гг. в качестве машин Единой Системы ЭВМ и Системы Малых ЭВМ – машин на интегральных микросхемах.

В машинах третьего поколения особое внимание уделено уменьшению трудоемкости в подготовке программ, предназначенных для решения задач на ЭВМ, повышению эффективности применения дорогостоящего оборудования машин, облегчению связи оператора и машины, упрощению эксплуатационного обслуживания ЭВМ, что достигается с помощью специальных операционных систем.

Сравнительно недавно появились ЭВМ, которые следует отнести к четвертому поколению.

Конструктивно-технологической базой этих ЭВМ являются большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные микросхемы, которые содержат десятки тысяч транзисторов на одном кристалле. Главным образом на БИС строят памяти ЭВМ.

К ним относятся такие новые средства вычислительной техники, как микропроцессоры и создаваемые на их базе микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ и микропроцессоры нашли широкое применение в системах и устройствах автоматизации измерений, управления технологическими процессами и обработки данных, при построении различных специальных цифровых машин и устройств.

Вычислительные возможности микроЭВМ оказались достаточными для создания на их основе персональных ЭВМ, получивших в настоящее время широкое распространение.

Характерным для крупных ЭВМ этого поколения становится наличие нескольких процессоров, которые ориентированы на выполнение определенных операций, на решение некоторых классов задач или процедур. В рамках этого поколения изобретаются многопроцессорные вычислительные системы с быстродействием в несколько сотен миллионов операций в секунду.

Примером крупных вычислительных систем четвертого поколения, является многопроцессорный комплекс «Эльбрус-2» с суммарным быстродействием до 100 млн операций/с, с системой команд, которая приближена к языкам высокого уровня, и стековой организацией обращений к памяти.

В последнее время определились контуры нового, пятого поколения ЭВМ. Согласно этому проекту вычислительные системы этого поколения, помимо более высокой надежности и производительности при более низкой стоимости, обладают качественно новыми свойствами: возможностью взаимодействия с ЭВМ с помощью естественного языка, графических изображений и человеческой речи; способностью системы обучаться, делать логические суждения, производить ассоциативную обработку информации, вести «разумную» беседу с человеком; способностью системы «понимать» содержание базы данных и использовать эти «знания» при решении задач.

В ЭВМ пятого поколения емкость основной памяти и быстродействие машин составляют соответственно 0,5—5 Мбайт и 2 млн операций/с для персональных компьютеров и 8—160 Мбайт и 1—100 млрд операций/с для сверхпроизводительных ЭВМ.

В них применяются сверхбольшие интегральные микросхемы, имеющие до 1—10 млн транзисторов на кристалл.