Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
Вычислительные машины (ВМ) могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:
- принцип действия;
- этапы создания и элементная база;
- назначение;
- способ организации вычислительного процесса;
- размер, вычислительная мощность;
- функциональные возможности;
- способность к параллельному выполнению программ и т. д.
Но принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса (рис. 4):
-аналоговые;
-цифровые;
-гибридные.
Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (рис. 5).
Рис. 4 и 5
ЦВМ- цифровые вычислительные машины или вычислительные машины дискретного действия - работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее в цифровой форме.
АВМ — аналоговые вычислительные машины или вычислительные машины непрерывного действия — работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаше всего электрического напряжения).
ГВМ — гибридные вычислительные машины или вычислительные машины комбинированного действия — работают с информацией, представленной и в цифровой и аналоговой форме; они совмещают и себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
АВМ весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения их на этих машинах, как правило, не трудоемкое. Скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность до 2-5 %). На АВМ эффективно решаются математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.
В экономике (да и в науке и технике) получили подавляющее применение 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).
Интегральная схема (ИС) — электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число активных элементов (диодов и транзисторов).
4-е поколение, 80-90-е годы: компьютеры на больших и сверхбольших интегральных схемах, основная из которых — микропроцессор (сотни тысяч — десятки миллионов активных элементов в одном кристалле).
Большие интегральные схемы (БИС) столь плотно упаковывают активные элементы, что все электронное оборудование компьютера 1-го поколения (монстра, занимавшего зал площадью 100-150 кв. м) размещается сейчас в одном микропроцессоре площадью 1,5-2 кв. см. Расстояния между активными элементами в сверхбольшой интегральной схеме составляют 0,15-0,25 микрона (для сравнения, толщина человеческого волоса составляет несколько десятков микрон).
5-е поколение, настоящее время: компьютеры с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно ВЫПОЛНЯЮЩИХдесятки 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.
Каждое следующее поколение компьютеров имеет по сравнению с предшествующим ему существенно лучшие характеристики. Так, производительность компьютеров и емкость всех запоминающих устройств увеличивается, как правило, больше чем на порядок.
Но назначению компьютеры можно разделить на три группы (рис. 6):
Универсальные компьютеры предназначены для решения самых различных инженерно-технических, экономических, математических, информационных и т. д. задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и других мощных вычислительных комплексах.
- разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, 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; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по сравнительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными, по сравнению с универсальными компьютерами, аппаратными и программными ресурсами.
Специализированные компьютеры предназначены для решенияопределенного узкогокруга задач или реализациистрого определеннойгруппы функций. Такаяузкая ориентация компьютеров позволяетчетко специализироватьих структуру, существенно снизить их сложность истоимость при сохранении высокой производительности инадежности их 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.
По размерам и вычислительной мощности компьютеры можно разделить (рис. 7) на сверхбольшие (суперкомпьютеры, суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микрокомпьютеры или микроЭВМ).
Рис.7. Классификация компьютеров по размерам и вычислительной мощности
Функциональные возможности компьютеров обусловлены такими важнейшими технико-эксплуатационными характеристиками, как:
- 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 (тип внутримашинного интерфейса);
- способность компьютера одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);
-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 иструктура машинных команд;
- возможность подключения к каналам связи и вычислительной сети;
- эксплуатационная надежность компьютера;
- коэффициент полезного использования компьютера во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.
Некоторые сравнительные параметры названных классов современных компьютеров показаны в табл. 1
Таблица 1Сравнительные параметры классов современных компьютеров
MIPS — миллион операций в секунду над числами с фиксированной запятой.
Исторически первыми появились большие ЭВМ,элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.
Первая большая ЭВМ ЭНИ АК (Electronic Numerical Integrator and Computer) была создана в 1946 году. Эта машина весила более 30 тонн; имела быстродействие несколько сотен операций в секунду; оперативную память емкостью 20 чисел; занимала огромный зал, площадью около 150 кв. м.
Производительность больших компьютеров оказалась недостаточной для ряда задач (прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, биологических исследований, моделирования экологических систем и др.), Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперкомпьютеров,самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время. Появление в 70-х годах малых компьютеровобусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой — избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые компьютеры используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и существенно дешевле больших компьютеров. Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-компыотера —. вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых компьютеров, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ. Изобретение в 1969 году микропроцессора(МП) привело к появлению в 70-х годах еще одного класса компьютеров — микрокомпьютеров.Именно наличие послужило первоначально определяющим признаком микрокомпьютеров. Сейчасмикропроцессоры используются во всех без исключенияклассах компьютеров.
Рассмотрим кратко современное состояние некоторых классов компьютеров.
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.
Мэйнфреймы часто именуются большими серверами (серверами-мэйнфреймами). В принципе это допустимо, но иногда вносит путаницу в терминологию. Дело в том, что серверы — это многопользовательские компьютеры, используемые в вычислительных сетях. Серверы обычно относят к микрокомпьютерам, но по своим характеристикам мощные серверы можно отнести и к малым компьютерам, и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы приближаются к суперкомпьютерам.
Сервер— это классификационная группа компьютеров, выделяемая по сфере применения компьютеров, а микрокомпьютеры, малые компьютеры, мэйнфреймы, суперкомпьютеры — это классификационные группы компьютеров, выделяемые по размерам и функциональным возможностям.
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.
Среди лучших разработок мэйнфреймов за рубежом следует в первую очередь отметить американские:
-IBM 3090, IBM 4300 (4331, 4341, 4361, 4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 году (2-е поколение мэйнфреймов);
-IBM ES/9000, созданные в 1990 году (3-е поколение мэйнфреймов);
-S/390 и AS/400 (4-е поколение мэйнфреймов).
Семейство мэйнфреймов IBM ES/9000 (ES — Enterprise System) открывает семейство больших компьютеров, включающее 18 моделей компьютеров, реализованных на основе архитектуры IBM390:
младшая модель ES/9221 model 120 имеет основную память емкостью 256 Мбайт, производительность десятки MIPS и 12 каналов ввода-вывода;
-старшая модель ES/9021 model 900 имеет 6 векторных процессоров, основную память емкостью 9 Гбайт, производительность тысячи MIPS и 256 каналов ввода-вывода, использующих волоконно-оптические кабели.
В 1997 году IBM завершила программу трансформации своих больших компьютеров на биполярных микросхемах в малогабаритные мэйнфреймы S/390, использующие КМОП-микросхемы. Семейство S/390 будет включать 14 моделей машин. Характеристики новых моделей по сравнению с характеристиками 3-го поколения мэйнфреймов улучшены примерно к 1,3 раза (объем оперативной памяти примерно удваивается — до 16 Гбайт). В семейство S/390 входят мэйнфреймы от однопроцессорной модели с быстродействием 50 MIPS до 10-процессорной модели с ожидаемым быстродействием 500 MIPS. В настоящее время уже выпускаются модели S/390 на процессорах G4 и G5, S/390 Multiprice 2000. Для повышения производительности и других характеристик систем можно объединять до 32 машин S/390 в кластеры по технологии S/390 Parallel Sysplex (создавая, по существу, суперкомпьютер).
Семейство S/390 широко используется во всех странах мира, в том числе и в Российской Федерации (большую партию машин закупило, например, МПС РФ).
Более того, учитывая высокую квалификацию наших специалистов, фирма IBM доверила выполнять сборку моделей семейства S/390 на предприятиях РФ.
В 1999 году была анонсирована система мэйнфреймов средней производительности AS/400, включающая в свой состав 12 моделей. Максимальная емкость оперативной памяти нового семейства составляет 16 Гбайт, а дисковой памяти — 2,1 Тбайт. В уже выпускаемых моделях AS/400 серий 720,730 и 740 используется до 12 процессоров Power PC и Pentium И. В настоящее время «бизнес-компьютеры» AS/400 — самые популярные в мире. Интенсивно закупаются они и в России банками, государственными структурами и прочими предприятиями. Популярность системы обусловлена хорошим соотношением производительность/цена, очень высокой надежностью (вероятность безотказной работы составляет 0,9994), хорошим программным обеспечением.
Распространенными в мире являются и японские компьютеры М 1800 фирмы Fujitsu и Millennium фирмы Amdaxl (теперь дочернего предприятия корпорации Fujitsu), а также мэйнфреймы М2000 и С2000 немецкой фирмы Comparex Information Systems. Семейство мэйнфреймов М 1800 фирмы Fujitsu пришло в 1990 году на смену моделям V 780 и включает в себя 5 новых моделей: Model-20, 30,45,65,85; старшие модели Model-45,65,85 — многопроцессорные компьютеры соответственно с 4, 6 и 8 процессорами; последняя, старшая модель имеет основную память емкостью 2 Гбайт и 256 каналов ввода-вывода.
Новое, 4-е поколение мэйнфреймов (преемник машин 3-го поколения Millennium 400 и 500) фирма Amdahl стала выпускать в 1999 году. Пока выпускаются мо дели Millennium 700 и 800; первые имеют производительность 6S5 MIPS, а вторые— 1000 MIPS и содержат но 12 процессоров.
Немецкая фирма Comparex выпускала мэйнфреймы 3-ГО поколения (сейчас поставляются second-hand системы): модели 8/8х, 8/9х, 9/8хх, 9/9хх, 99/ххх, содержащие до 8 процессоров, оперативную память до 8 Гбайт и имеющие производительность от 20 до 385 MIPS. Б настоящее время выпускаются мэйнфреймы 4-го поколения: М2000 и С2000, имеющие производительность соответственно до 990 и 870 MIPS, объем оперативной памяти до 8000 и 16 000 Мбайт. Среднее время наработки на отказ у этих систем чрезвычайно большое — 12 лет. По сравнению с машинами 3-го поколения существенно уменьшились габариты (конструктив 1 -2 шкафа) и потребляемая мощность (8-процессорная модель М2000 потребляет 50 КВА, а 8-процес-сорная модель 99/ххх — 171 КВА и требует водяного охлаждения).
На российских предприятиях используется большое количество мэйнфреймов Comparex, в частности в РАО «Газпром», в Главном управлении информационных ресурсов ФАПСИ и т. д.
Зарубежными фирмами рейтинг мэйнфреймов определяется по многим показателям, среди них:
-надежность,
-производительность;
-емкость основной и внешней памяти;
-время обращения к основной памяти;
-время доступа и трансфер внешних запоминающих устройств;
- характеристики кэш-памяти;
-количество каналов и эффективность системы ввода-вывода;
-аппаратная и программная совместимость с другими компьютерами;
-поддержка сети и т. д.
Достаточно подробное рассмотрение мэйнфреймов в настоящей лекции обусловлено тем, что современному пользователю компьютера, привыкшему к повсеместному засилью ПК, трудно объяснить, что бывает и другая вычислительная техника. По данным экспертов, па мэйнфреймах сейчас находится около 70 % «компьютерной» информации; только в США установлены сотни тысяч мэйнфреймов.
Малые компьютеры
Малые компьютеры (мини-ЭВМ) — падежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями. Мини-компьютеры (и наиболее мощные из них супер-мини-компьютеры) обладают следующими характеристиками:
-производительность — до 1000 MIPS;
-емкость основной памяти — до 8000 Мбайт; -емкость дисковой памяти — до 1000 Гбайт;
-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 микропроцессорных 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; Q повышенная точность вычислений.
Мини-компьютеры ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой. Наряду с использованием мини-компьютеров для управления технологическими процессами, они успешно применяются для вычислений и многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.
Родоначальником современных мини-компьютеров можно считать компьютеры PDP-11 фирмы DEC (США), они явились прообразом и наших отечественных мини-ЭВМ - Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ 1,2,3,4,1400, 1700 и т. д. В настоящее время семейство мини-компьютеров PDP-11 включает большое число моделей начиная от VAX-11 до VAX-3G00; мощные модели миим-компыо герои класса 8000 (VAX-8250,8820); супермшш-компыотеры класса 9000 (VAX-9410,9430) и т. д.
Модели VAX обладают широким диапазоном характеристик:
- количество процессоров от 1 до 32;
- производительность от 10 до 1000 MIPS;
- емкость основной памяти — от 512 Мбайт до 2 Гбайт;
- емкость дисковой памяти — от 50 до 500 Гбайт;
- число каналов ввода-вывода до 64.
Мини-компьютер VAX полностью перекрывают весь диапазон характеристик этого класса компьютеров и в подклассе супермини - компьютеры стирают грань с мэйнфреймами.
Среди прочих мини-компьютеров следует отметить:
- однопроцессорные: IBM 4381, HP 9O00;
- ногопроцессорные: Wang VS 7320, AT&T ЗВ 4000;
- супермини-компьютеры HS 4000, но характеристикам не уступающие мэйн фреймам.
Микрокомпьютеры
Микрокомпьютеры весьма многочисленны и разнообразны. Среди них можно выделить несколько подклассов (рис. 8).
Рис. 8. Классификация микроЭВМ
Многопользовательские микрокомпьютеры — это мощные микрокомпьютеры, оборудованные несколькими видеотерминалами и работающие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям,
Рабочие станции (work station) представляют собой однопользовательские микрокомпьютеры, часто специализированные для выполнения определенного ВИД! работ (графически;., инженерных, издательских и т. д.).
Серверы (sewer) — многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети,
Сетевые компьютеры (network computer) — упрощенные микрокомпьютеры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализированные на выполнении определенного вида работ (защита сети от несанкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, электронной почты и т. д,),