Первые компьютеры (автоматические электронные вычислительные машины с программным управлением) были созданы в конце 40-х годов XX века и представляли собой гигантские вычислительные монстры, использовавшиеся только для вычислительной обработки информации. По мере развития компьютеры существенно уменьшились в размерах, но обросли дополнительным оборудованием, необходимым для их эффективного использования. В 70-х годах компьютеры из вычислительных машин сначала превратились в вычислительные системы, а затем в информационно-вычислительные системы.
В настоящее время основные цели использования компьютеров — информационное обслуживание и управление, сейчас вычислительные машины и системы, по существу, выполняют функции информационно-вычислительных систем. Рассмотрим более подробно внутреннюю архитектуру вычислительных систем (ВС).
Вычислительная система — это совокупность одного или нескольких компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов. В вычислительной системе компьютер может быть один, но агрегированный с многофункциональным периферийным оборудованием. Стоимость периферийного оборудования часто во много раз превосходит стоимость компьютера. В качестве распространенного примера одномашинной ВС можно привести систему телеобработки информации. Все же классическим вариантом ВС является многомашинный и многопроцессорный варианты.
Первые ВС создавались с целью увеличить быстродействие и надежность работы путем параллельного выполнения вычислительных операций. Как это ни парадоксально, тормозом в дальнейшем увеличении быстродействия компьютера является конечная скорость распространения электромагнитных волн — скорость света, равная 300 000 км/с. Время распространения сигнала между элементами ВС может значительно превышать время переключения электронных схем. Поэтому чисто последовательная модель выполнения операций, характерная для классической структуры компьютера — структуры фон Неймана, — не позволяет существенно повысить быстродействие ВС.
Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие системы; он же может также значительно повысить и надежность (при отказе одного компонента системы его функции может взять на себя другой), и достоверность функционирования системы, если операции будут параллельно дублироваться, а результаты их выполнения сравниваться или мажоритироваться.
Для современных ВС, за исключением суперкомпьютеров, критерии обоснования их необходимости уже несколько иные — важно само информационное обслуживание пользователей, сервис и качество этого обслуживания. Для суперкомпьютеров, представляющих собой многопроцессорные ВС, важнейшими показателями являются их производительность и надежность. Укрупненная блок-схема классического компьютера показана на рис. 3.
1. Процессор{центральный процессор) — основной вычислительный блок компьютера, содержит важнейшие функциональные устройства:
-Устройство управления с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины).
-Арифметико-логическое устройство.
-Процессорную память.
Процессор, по существу, является устройством, выполняющим все функции элементарной вычислительной машины.
2. Оперативная память — запоминающее устройство, используемое для оперативного хранения и обмена информацией с другими узлами машины.
3. Каналы связи(внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения центральных узлов машины с ее внешними устройствами.
4. Внешние устройстваобеспечивают эффективное взаимодействие компьютера с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими машинами. В состав внешних устройств обязательно входят внешняя память иустройства ввода-вывода.
Вычислительная система может строиться на базе либо целых компьютеров (многомашинная ВС), либо на базе отдельных процессоров (многопроцессорная ВС).
Вычислительные системы бывают следующих видов:
- однородные и неоднородные.
Однородная ВСстроится на базе однотипных компьютеров или процессоров. Однородные системы позволяют использовать стандартные наборы технических, программных средств, стандартные протоколы (процедуры) сопряжения устройств, Поэтому их организация значительно проще, облегчается обслуживание систем и их
Неоднородная ВСвключает в свой состав различные типы компьютеров или процессоров. При построении системы приходится учитывать их различные технические и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание неоднородных систем.
Вычислительные системы работают в следующих режимах:
- оперативном (on-line);
- неоперативном (off-line).
Оперативныесистемы работают в реальном масштабе времени, в них реализуется оперативный режим обмена информацией — ответы на запросы поступают незамедлительно.
В неоперативныхВС допускается режим «задержанного ответа», когда результаты выполнения запроса можно получить с некоторой задержкой (иногда далее в следующем сеансе работы системы).
Различают ВС с централизованным и децентрализованным видом управлением. В первом случае управление выполняет выделенный компьютер или процессор, во втором — эти компоненты равноправны и могут брать управление на себя.
Кроме того, ВС могут делиться на следующие подвиды:
- территориально-сосредоточенными (все компоненты располагаются в непосредственной близости друг от друга);
- распределенными (компоненты могут располагаться на значительном расстоянии, например, вычислительные сети);
- структурно-одноуровневыми (имеется лишь один общий уровень обработки данных);
- многоуровневыми (иерархическими) структурами. В иерархических ВС машины или процессоры распределены по разным уровням обработки информации, некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций.
Наконец, как уже указывалось, ВС делятся на следующие:
-одномашинные; - многомашинные;
-многопроцессорные.
Начнем рассмотрение с одномашинных ВС, точнее, с вычислительных машин.