Новости
Главная / Студентам / ААС / Лекция 4. Основные классы современных ЭВМ

Лекция 4. Основные классы современных ЭВМ

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Вычислительные машины могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:

  • по принципу действия;
  • этапам создания и элементной базе;
  • назначению;
  • способу организации вычислительного процесса;
  • размеру и вычислительной мощности;
  • функциональным возможностям;
  • способности к параллельному выполнению программ и т. д.

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса (рис. 3): аналоговые, цифровые и гибридные.

Рисунок 3 – Классификация вычислительных машин по принципу действия

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (рис. 4):

  1. ЦВМ (цифровые вычислительные машины), или вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.
  2. АВМ (аналоговые вычислительные машины), или вычислительные машины не прерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).
  3. ГВМ (гибридные вычислительные машины), или вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстро действующими техническими комплексами.
Рисунок 4 – Две формы представления информации в вычислительных машинах

В экономике (да и в науке и технике) наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.

По этапам создания и элементной базе компьютеры условно делятся на поколения:

  • 1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;
  • 2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах);
  • 3-е поколение, 70-е годы: компьютеры на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе);
  • 4-е поколение, 80-90-е годы: компьютеры на больших и сверхбольших интегральных схемах, основная из которых – микропроцессор (десятки тысяч – миллионы активных элементов на одном кристалле).
  • 5-е поколение, настоящее время: компьютеры со многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.
  • 6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

По назначению компьютеры можно разделить на три группы (рис. 5):

  1. универсальные (общего назначения);
  2. проблемно-ориентированные;
  3. специализированные.
Рисунок 5 – Классификация компьютеров по назначению

Универсальные компьютеры предназначены для решения самых различных инженерно-технических, экономических, математических, информационных и им подобных задач.

Характерными чертами универсальных компьютеров являются:

  • высокая производительность;
  • разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичные, десятичные, символьные – при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;
  • обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;
  • большая емкость оперативной памяти;
  • развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные компьютеры предназначены для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами и процессами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными, по сравнению с универсальными компьютерами, аппаратными и программными ресурсами.

Специализированные компьютеры предназначены для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация компьютеров позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности работы. К специализированным компьютерам можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

Но размерам и вычислительной мощности компьютеры можно разделить на следующие классы (рис. 6):

  1. сверхбольшие (суперкомпьютеры, суперЭВМ);
  2. большие;
  3. малые;
  4. сверхмалые (микрокомпьютеры или микроЭВМ).
Рисунок 6 –Классификация компьютеров по размерам и вычислительной мощности

Функциональные возможности компьютеров обусловлены следующими важнейшими технико-эксплуатационными характеристиками:

  • быстродействие (измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени);
  • разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует компьютер;
  • номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;
  • номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;
  • типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов компьютера между собой (типы используемых внутримашинных интерфейсов);
  • способность компьютера одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять параллельно несколько программ (многозадачность);
  • типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;
  • наличие и функциональные возможности программного обеспечения;
  • способность выполнять программы, написанные для других типов компьютеров (программная совместимость с другими типами компьютеров);
  • система и структура машинных команд;
  • возможность подключения к каналам связи и к вычислительным сетям;
  • эксплуатационная надежность компьютера;
  • коэффициент полезного использования компьютера во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

4.1 Большие компьютеры

Большие компьютеры за рубежом часто называют мэйнфреймами (mainframe); к ним относят, как правило, компьютеры, имеющие:

  • производительность не менее 100 MIPS;
  • основную память емкостью от 512 до 10 000 Мбайт;
  • внешнюю память не менее 100 Гбайт;
  • многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление – использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей – часто отмечается специалистами как наиболее актуальное.

Родоначальником современных больших компьютеров, по стандартам которых в последние несколько десятилетий развивались машины этого класса в большинстве стран мира, являются машины фирмы IBM. Модели IBM 360 и IBM 370 с их архитектурой и программным обеспечением взяты за основу и при создании отечественной системы больших машин ЕС ЭВМ.

Зарубежными фирмами рейтинг мэйнфреймов определяется по многим показателям, среди них:

  1. надежность;
  2. производительность;
  3. емкость основной и внешней памяти;
  4. время обращения к основной памяти;
  5. время доступа и трансфер внешних запоминающих устройств;
  6. характеристики кэш-памяти;
  7. количество каналов и эффективность системы ввода-вывода;
  8. аппаратная и программная совместимость с другими компьютерами;
  9. поддержка сети и т. д.

4.2 Малые компьютеры

Малые компьютеры (мини-ЭВМ) – надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими, по сравнению с мэйнфреймами, возможностями. Мини-компьютеры (и наиболее мощные из них суперминикомпьютеры) обладают следующими характеристиками:

  1. производительность – до 1000 MIPS;
  2. емкость основной памяти – до 8000 Мбайт;
  3. емкость дисковой памяти – до 1000 Гбайт;
  4. число поддерживаемых пользователей – 16-1024.

Все модели мини-компьютеров разрабатываются на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем, 32,64 и 128-разрядных микропроцессоров. Основные их особенности:

  • широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения;
  • аппаратная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации;
  • простая реализация многопроцессорных и многомашинных систем;
  • высокая скорость обработки прерываний;
  • возможность работы с форматами данных различной длины. К достоинствам мини-компьютеров можно отнести:
  • специфичную архитектуру с большой модульностью;
  • лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность/цена;
  • повышенную точность вычислений.

4.3 Микрокомпьютеры

Микрокомпьютеры весьма многочисленны и разнообразны. Среди них можно выделить несколько подклассов (рис. 7).

Рисунок 7 – Классификация микрокомпьютеров
  1. Многопользовательские микрокомпьютеры – это мощные микрокомпьютеры, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.
  2. Персональные компьютеры – однопользовательские микрокомпьютеры, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.
  3. Рабочие станции (workstation) представляют собой однопользовательские микрокомпьютеры для работы в вычислительных сетях, часто специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и т. д.).
  4. Серверы (server) – многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети.
  5. Сетевые компьютеры (network computer) – упрощенные микрокомпьютеры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализированные на выполнение определенного вида работ (защита сети от несанкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, электронной почты и т. д.).

Персональные компьютеры

Персональные компьютеры (ПК) относятся к классу микрокомпьютеров, но ввиду их массовой распространенности заслуживают особого внимания. ПК для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности применения должны обладать следующими качествами:

  • малая стоимость ПК, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
  • автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
  • гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптируемость к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;
  • дружественность операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;
  • высокая надежность работы (более 5000 часов наработки на отказ).

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьютеры фирмы IBM, первые модели которых появились в 1981 году, и их аналоги других фирм; существенно уступают по популярности ПК фирмы Apple (Macintosh), занимающие по распространенности 2-е место.

Персональные компьютеры можно классифицировать по ряду признаков.

По поколениям персональные компьютеры делятся следующим образом:

  • 1-го поколения – используют 8-битовые микропроцессоры;
  • 2-го поколения – используют 16-битовые микропроцессоры;
  • 3-го поколения – используют 32-битовые микропроцессоры;
  • 4-го поколения – используют 64-битовые микропроцессоры.

Классификация ПК по конструктивным особенностям показана на рис. 8.

Рисунок 8 – Классификация ПК по конструктивные особенностям

4.4 Суперкомпьютеры

К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов – десятки миллиардов операций с плавающей запятой в секунду (Mflops).

Суперкомпьютеры применяются для решения таких сложных вычислительных задач, как задачи обеспечения государственной безопасности, задачи исследования космоса, метеопрогнозы (в том числе предсказание мощности и траекторий движения ураганов, прогнозирование глобального потепления), биохимические исследования животных и человека, контроль работоспособности ядерного оружия и надежности АЭС и др.

Типовая модель современного суперкомпьютера:

  • высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродействием более 100 000 Mflops;
  • емкость: оперативной памяти 20-500 Гбайт, дисковой памяти  1-10 Тбайт (1Тбайт = 1024 Гбайт);
  • разрядность 64-256 бит.

Суперкомпьютеры создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

  1. Магистральные (конвейерные) МПВС, у которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД, или MISD – Multiple Instruction Single Data).
  2. Векторные МПВС, у которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными – однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД, или SIMD – Single Instruction Multiple Data).
  3. Матричные МПВС, у которых микропроцессоры одновременно выполняют разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных – многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД, или MIMD – Multiple Instruction Multiple Data).