Понятие о системе программного (математического)

ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭВМ

Каждая ЭМВ обладает определенными свойствами, такими как возможность обрабатывать информацию в той или иной форме, возможность определять арифметические и логические операции, операции, связанные с организацией совместной работы устройств машины и т.д.

Для придания определенных свойств ЭВМ используют средства двух видов - аппаратные и программные. Последние называются также средствами программного обеспечения. (Зарубежом аппаратное и программное обеспечение называется соответственно "жестким" и "мягким" товаром – "hard & soft").

Часть свойств ЭВМ приобретает благодаря наличию в ней электрического и электромеханического оборудования, специально предназначенных для реализации этих свойств. Примером такого устройства является АЛУ.

Ряд других свойств реализуется без специальных электронных блоков с помощью программных средств. При этом используются имеющиеся аппаратные средства ЭВМ, выполняющие действия, предписанные специальными программами.

Пример: ЭВМ может не иметь аппаратно реализованной операции извлечения корня. Но если есть программа извлечения корня, то существующие аппаратные средства могут выполнить эту операцию. Причем с точки зрения пользователя, ЭВМ приобретет свойство вычисления корня.

Следует иметь в виду, что с помощью аппаратных средств соответствующие функции ЭВМ выполняются значительно быстрее, чем программным путем, но при этом ЭВМ становится сложнее и дороже. Поэтому в малых ЭВМ с достаточно простым АЛУ стремятся как можно больше функций реализовать программным путем, а в больших ЭВМ для повышения быстродействия - по максимуму использовать аппаратные средства.

Вообще же стараются как можно оптимальнее соотнести аппаратные и программные средства, чтобы при сравнительно небольших аппаратных затратах достигнуть высокой эффективности и быстродействия.

Таким образом, аппаратные и программные средства являются тесно связанными компонентами современной ЭВМ. И, с точки зрения пользователя, как правило, неважно: аппаратно или программно выполнены те или иные функции ЭВМ. Поэтому можно говорить о виртуальной (кажущейся) ЭВМ.

Система программного (математического) обеспечения - это комплекс программных средств, в котором можно выделить операционную систему, комплект программ технического обслуживания и пакеты прикладных программ. На рис. 1.2 изображена упрощенная структура вычислительной системы как совокупности аппаратных и программных средств.

Операционная система (ОС) - это центральная и важнейшая часть программного обеспечения ЭВМ, предназначенная для эффективного управления вычислительным процессом, планирующая работу и распределение ресурсов ЭВМ, автоматизации процесса подготовки программ и организации их выполнения при различных режимах работы машины, облегчения общения оператора с машиной.

ОС состоит из программ, относящихся к двум большим группам:

Управляющие программы - осуществляют управление работой устройств ЭВМ, т.е. координируют работу устройств в процессе ввода, подготовку и выполнение других программ.

Обрабатывающие программы - осуществляют работу по подготовке новых программ для ЭВМ и исходных данных для них, например, сборка отдельно транслируемых модулей в одну или несколько исполняемых программ, работы с библиотеками программ, перезаписи массивов информации между ВП и т.д. ОС в большинстве случаев являются универсальными и не учитывают особенности конкретных аппаратных средств. В современных ЭВМ для адаптации универсальной ОС к конкретным аппаратным средствам используют аппаратно-ориентированную часть операционной системы, которая в персональных компьютерах называется BIOS (Basic Input / Output System – базовая система ввода/вывода).

Следует иметь в виду, что оператор и пользователь не имеют прямого доступа к аппаратным средствам ЭВМ. Все связи осуществляются только через ОС, обеспечивающую определенный уровень общения человека и машины. А уровень общения определяется в первую очередь уровнем языка, на котором оно происходит. На схеме представлена приближенная иерархия таких языков.

Проблемно-ориентированный - это язык, строго ориентированный на какую-либо проблему (задачу моделирования сложной системы, задачу САПР и т.д.).

Процедурно-ориентированный - это язык, ориентированный на выполнение общих процедур переработки данных (Фортран, Паскаль, Бейсик и т.д.).

Машинный язык - это самый нижний уровень языка. Команды записываются в виде двоичных кодов. Адреса ячеек памяти - абсолютны. Программирование очень трудоемко.

Рис. 1.2. Вычислительная система - совокупность программных и аппаратных средств ЭВМ

 

Ассемблер - это язык более высокого уровня, использует мнемокоды (т.е. команды обозначаются буквенными сочетаниями). Запись программы ведется с использованием символических адресов, т.е. вместо численных значений адреса используются имена. За исключением первого оператора программы, который должен быть жестко привязан к физическому адресу. (Вообще более правильно говорить язык ассемблера, поскольку Ассемблер - это служебная программа, преобразующая символические имена команд и символические адреса в команды в машинном коде и числовые адреса).

Макроязык - в первом приближении его можно определить как язык процедур, написанных на языке ассемблера, т.е. когда вместо целого комплекса команд (которые часто встречаются) используется только имя (название) этого комплекса.

Язык ОС - это язык, на котором оператор может выдавать директивы ОС, вмешиваться в ход вычислительного процесса.

Пакет программно-технического обслуживания предназначен для уменьшения трудоемкости эксплуатации ЭВМ. Эти программы позволяют провести тестирование работоспособности ЭВМ и ее отдельных устройств, определять места неисправностей.

Пакеты прикладных программ - представляют собой комплексы программ для решения определенных, достаточно широких классов задач (научно-технических, планово-экономических), а также для расширения функций ОС (управление базами данных, реализация режимов телеобработки данных, реального времени и др.).

Все это, как уже отмечалось, в совокупности с аппаратными средствами составляет вычислительную систему. Причем при создании новых ЭВМ разработка аппаратного и программного обеспечения производится одновременно. В настоящее время программное обеспечение - такой же вид промышленной продукции, как и сама ЭВМ, причем его стоимость зачастую дороже аппаратной части. Во всех развитых странах ЭВМ всегда поставляется с системой программного обеспечения в такой форме и на таких носителях информации, чтобы их использование не вызывало затруднений.

Сложность современной вычислительной системы (ВС) привела к возникновению понятия архитектуры вычислительных машин. Это понятие охватывает комплекс общих вопросов построения ВС, существенных в первую очередь для пользователя, интересующегося главным образом возможностями ЭВМ, а не деталями ее технического исполнения. К числу таких вопросов относятся вопросы общей структуры, организации вычислительного процесса и общения пользователя с машиной, вопросы логической организации представления, хранения и преобразования информации и вопросы логической организации совместной работы различных устройств, а также аппаратных и программных средств машины.

ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ

Выше рассматривались три понятия: аппаратные средства, программное обеспечение и архитектура ЭВМ. Рассмотрим коротко этапы развития ЭВМ за последние 50 лет с точки зрения этих понятий, составляющих основу классификации ЭВМ по поколениям.

Ранее отмечалось, что ближайшими прототипами современной ЭВМ можно считать машины "ЭДВАК" и "ЭДСАК", построенные в Англии и США в 1949-1950 годах. С начала 50-х годов началось массовое производство ЭВМ различных типов, которые сейчас принято относить к ЭВМ первого поколения. Следует иметь в виду, что поколения ЭВМ не имеют четких временных границ. Элементы каждого нового поколения ЭВМ разрабатывались и опробовались на ЭВМ предыдущего поколения.

Первое поколение (1955-1960 гг.)

ЭВМ этого поколения строилось на дискретных элементах и вакуумных лампах, имели большие габариты, вес, мощность, обладая при этом малой надежностью. Они использовались в основном для решения научно-технических задач атомной промышленности, реактивной авиации и ракетостроения.

Увеличению количества решаемых задач препятствовали низкая надежность и производительность, а также чрезвычайно трудоемкий процесс подготовки, ввода и отладки программы, написанной на языке машинных команд, т.е. в форме двоичных кодов.

Машины этого поколения имели быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду и ОП порядка 1К (1024 слова). В этот же период появились первые простые языки для автоматизированного программирования.

Второе поколение (1960-1965 гг.)

В качестве элементной базы использовались дискретные полупроводниковые приборы и миниатюрные дискретные детали, а в качестве технологической - печатный монтаж. По сравнению с предыдущим поколением резко уменьшились габариты и энергозатраты, возросла надежность. Возросли также быстродействие (приблизительно 500 тысяч оп/сек) и объем оперативной памяти (16-32К слов). Это сразу расширило круг пользователей, а, следовательно, и решаемых задач. Появились языки высокого уровня (Фортран, Алгол, Кобол) и соответствующие им трансляторы. Были разработаны служебные программы для автоматизации профилактики и контроля работы ЭВМ, а также для лучшего распределения ресурсов при решении пользовательских задач. (Задача экономии времени и ОП осталась, как и в первом поколении).

Все эти вышеперечисленные служебные программы оформились в ОС, которая первоначально просто автоматизировала работу оператора: ввод текста программы, вызов нужного транслятора, вызов необходимых библиотечных программ, размещение программ в основной памяти и т.д. Теперь вместе с программами и исходными данными вводилась целая инструкция о последовательности обработки программы.

Совершенствование аппаратного обеспечения, построенного на полупроводниковой базе, привело к тому, что появилась возможность строить в ЭВМ помимо центрального (основного) процессора еще ряд вспомогательных процессоров. Эти процессоры управляли всей периферией, в частности устройствами ввода/вывода, избавляли от вспомогательной работы центральный процессор. Одновременно совершенствовались и ОС. Это позволило на ЭВМ второго поколения реализовать режим пакетной обработки программ, а также режим разделенного времени, необходимый для параллельного решения нескольких задач управления производством. На машинах второго поколения были впервые опробованы ОП на ферритовых кольцах (так называемые кубы памяти). Все это позволило поднять производство ЭВМ и привлечь к ней массу новых пользователей.

Третье поколение (1965-1970 гг.)

В качестве элементной базы использовались интегральные схемы малой интеграции с десятками активных элементов на кристалл, а также гибридные микросхемы из дискретных элементов. Это позволило сократить габариты и мощность, повысить быстродействие, снизить стоимость универсальных (больших) ЭВМ. Но самое главное - появилась возможность создания малогабаритных, надежных, дешевых машин - мини-ЭВМ. Мини-ЭВМ первоначально предназначались для замены аппаратно-реализуемых контроллеров в контурах управления (в том числе ЭВМ), различных объектов и процессов. Появление мини-ЭВМ позволило сократить сроки разработки контроллеров, поскольку вместо разработки оригинальных сложных логических схем требовалось купить мини-ЭВМ и запрограммировать ее надлежащим образом. Универсальное устройство обладало избыточностью, однако, малая цена и универсальность периферии оказались очень большим плюсом, обеспечившим высокую экономическую эффективность.

Но вскоре потребители обнаружили, что после небольшой доработки можно решать и вычислительные задачи. Простота обслуживания новых машин и их низкая стоимость позволили снабдить подобными вычислительными машинами небольшие коллективы исследователей, разработчиков, учебных заведений и т.д. В начале 70-х гг. с термином мини-ЭВМ уже связывали два существенно различных типа вычислительной техники:

- контроллер - универсальный блок обработки данных и выдачи управляющих сигналов, серийно выпускаемый для использования в различных специализированных системах контроля и управления;

- небольших габаритов универсальная ЭВМ, проблемно-ориентированная пользователем на ограниченный круг задач в рамках одной лаборатории, технологического участка и т.д.

Четвертое поколение (с 1970 г.)

Успехи микроэлектроники позволили создать БИС и СБИС, содержащие десятки тысяч активных элементов. Это позволило разработать более дешевые ЭВМ с большой ОП. Стоимость одного байта памяти и одной машинной операции резко снизилась. Но затраты на программирование почти не сократились. Поэтому на первый план вышла задача экономии человеческих, а не машинных ресурсов.

Для этого разрабатывались новые ОС, позволяющие пользователю вести диалог с ЭВМ. Это облегчало работу пользователя и ускоряло разработку программ. Это потребовало, в свою очередь, организовать одновременный доступ к ЭВМ целого ряда пользователей, работающих с терминалов.

Совершенствование БИС и СБИС привело в начале 70-х гг. к появлению новых типов микросхем – микропроцессоров (в 1968 г. фирма Intel по заказу Дейта-Дженерал разработала и изготовила первые БИС микропроцессоров, которые первоначально предполагалось использовать как составные части больших процессоров).

Первоначально под микропроцессором понималась БИС, в которой полностью размещен процессор простой архитектуры, т.е. АЛУ и УУ. В результате были созданы дешевые микрокалькуляторы и микроконтроллеры - управляющие - устройства, построенные на одной или нескольких БИС, содержащие процессор, память и устройства сопряжения с датчиками и исполнительными механизмами. С совершенствованием их технологического производства и, следовательно, падением цен микрокалькуляторы начали внедряться даже в бытовые приборы и автомашины.

В 70-е же годы появились первые микро-ЭВМ - универсальные вычислительные системы, состоящие из процессора, памяти, схем сопряжения с устройствами ввода/вывода и тактового генератора, размещенные в одной БИС (однокристальная ЭВМ) или в нескольких БИС, установленных на одной печатной плате (одноплатные ЭВМ).

Совершенствование технологии позволило изготовить СБИС, содержащие сотни тысяч активных элементов, и сделать их достаточно дешевыми. Это привело к созданию небольшого настольного прибора, в котором размещалась микро-ЭВМ, клавиатура, экран, магнитный накопитель (кассетный или дисковый), а также схема сопряжения с малогабаритным печатающим устройством, измерительной аппаратурой, другими ЭВМ и т.д. Этот прибор получил название персональный компьютер.

В 1976г. была зарегистрирована компания Apple Comp (Стив Джекоб и Стефан Возняк), которая и начала выпуск первых в мире персональных компьютеров "Макинтош".

Благодаря ОС, обеспечивающей простоту общения с этой ЭВМ больших библиотечных прикладных программ, а также низкой стоимости, персональный компьютер начал стремительно внедрятся в различные сферы человеческой деятельности во всем мире. Об областях и целях его использования можно прочитать в многочисленных литературных источниках. По данным на 1985 год общий объем мирового производства уже составил 200×10⁶ микропроцессоров и 10×10⁶ персональных компьютеров в год.

Что касается больших ЭВМ этого поколения, то происходит дальнейшее упрощение контакта человек-машина. Использование в больших ЭВМ микропроцессоров и СБИС позволило резко увеличить объем памяти и реализовать некоторые функции программ ОС аппаратными методами.

Например, аппаратная реализация транслятора с языка высокого уровня и т.п. Это сильно увеличило производительность ЭВМ, хотя несколько возросла и цена.

Характерным для крупных ЭВМ 4-го поколения является наличие нескольких процессоров, ориентированных на выполнение определенных операций, процедур или решение определенных классов задач. В рамках этого поколения создаются многопроцессорные вычислительные системы с быстродействием в несколько десятков или сотен миллионов оп/сек и многопроцессорные управляющие комплексы повышенной надежности с автоматическим изменением структуры.

Примером вычислительной системы 4-го поколения является многопроцессорный комплекс "Эльбрус-2" с суммарным быстродействием 100×10⁶ оп/сек или вычислительная система ПС-2000, содержащая до 64 процессоров, управляемых общим потоком команд. При распараллеливании вычислительного процесса суммарная скорость достигает 200×10⁶ оп/сек. Следует иметь в виду, что подобные супер-ЭВМ развивают максимальную производительность только при решении определенных типов задач (под которые они и строились). Это задачи сплошных сред, связанные с аэродинамическими расчетами, прогнозами погоды, силовыми энергетическими полями и т.д. Производство супер-ЭВМ во всем мире составляет в настоящее время десятки штук в год и строятся они, как правило, «под заказ».

Пятое поколение

Характерной особенностью пятого поколения ЭВМ является то, что основные концепции этого поколения были заранее формулированы в явном виде. Задача разработки принципиально новых компьютеров впервые поставлена в 1979 году японскими специалистами, объединившими свои усилия под эгидой научно-исследовательского центра по обработке информации - JIPDEC. В 1981 г. JIPDEC опубликовал предварительный отчет, содержащий детальный многостадийный план развертывания научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с целью создания к 1991 г. прототипа ЭВМ нового поколения.

Указанная программа произвела довольно сильное впечатление сначала в Великобритании, а затем и в США. Под эгидой JIPDEC прошли ряд международных конференций, в частности - "Международная конференция по компьютерным системам пятого поколения" (1981 г.), на которых полностью оформился "образ компьютера пятого поколения". Были разработаны концепции создания не только поколения ЭВМ в целом, но и вопросы архитектуры основных типов ЭВМ этого поколения, структуры программных средств и языков программирования, разработки наиболее перспективной элементной базы и способов хранения информации.

Следует отметить, однако, что оптимистические прогнозы японских специалистов не сбылись. До сих пор не создан компьютер в полной мере удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к компьютерам пятого поколения.

Прежде чем перейти к изучению дальнейшего материала, следует сделать некоторые замечания. Дело в том, что, несмотря на общие принципы функционирования всех ЦВМ, их конкретные реализации существенно различаются. Особенно это касается супер-ЭВМ, решающих весьма специфические задачи. Да и обычные серийные большие ЭВМ общего назначения работают, как правило, в составе вычислительных центров и доступ к ним возможен только через терминалы. Кроме того, их архитектура, аппаратное и программное обеспечение достаточно сложны для первоначального изучения. Поэтому в дальнейшем основное внимание в курсе будет уделено ЭВМ, построенным на базе микропроцессоров, т.е. персональным компьютерам. Это имеет смысл еще и потому, что ЭВМ, построенные на базе микропроцессорных комплектов, представляют наибольший интерес для современного инженера, поскольку непосредственно участвуют в работе систем автоматизации производственных процессов, обрабатывают данные научных экспериментов, принимают и обрабатывают потоки информации в каналах связи, решают небольшие расчетные инженерные задачи и т.д. В ряде случаев для решения конкретных задач пользователь сам на базе микропроцессорных комплектов создает специализированные контроллеры и ЭВМ.

Рассмотрим очень коротко основное отличие структур больших и малых ЭВМ общего назначения.