Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Виды компьютеров и компьютерных систем



За время, прошедшее с периода появления первых ЭВМ, в развитии вычислительной техники произошли огромные перемены. На место громоздких машин первого поколения на электронных лампах пришли ЭВМ второго поколения на полупроводниковых устройствах. Быстрое развитие микроэлектроники привело к замене отдельных полупроводниковых устройств интегральными схемами (ЭВМ третьего поколения). Постоянное совершенствование микроминиатюрных интегральных электронных элементов, появление больших и сверхбольших интегральных схем дало возможность создания ЭВМ четвертого поколения, к которому можно отнести как современные большие вычислительные машины, так и персональные компьютеры.

Развитие компьютерной техники характеризуется не только совершенствованием электронных устройств, и понятие поколения ЭВМ включает, помимо элементной базы, ряд других характеристик, таких как структурные решения, вычислительные возможности, уровень развития программного обеспечения, область применения и другие. Удобные габариты и дружественный характер персональных компьютеров способствовали тому, что сейчас нет областей человеческой деятельности, где не используется этот вид вычислительной техники. В то же время находят применение и эффективное использование мощные суперкомпьютеры и вычислительные комплексы.

Высокая сложность и многообразие современных компьютерных систем приводит к тому, что достаточно сложно разделить их на отдельные виды и классы. Всякое деление будет условным, так как компьютеры одного класса могут иметь отдельные параметры, характерные для другого класса. Рассмотрим подход к классификации компьютеров по наиболее важным критериям.

По форме представления информации ЭВМ разделяются на вычислительные машины непрерывного действия (аналоговые ЭВМ), в которых данные представлены в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (например, электрического напряжения), вычислительные машины дискретного действия (цифровые ЭВМ), в которых данные представлены в цифровом виде, и гибридные.

Наибольшее распространение получили цифровые ЭВМ, именно они используются в большинстве случаев при решении экономических задач. При использовании термина «ЭВМ» или «компьютер» чаще всего имеются ввиду цифровые ЭВМ.

По степени универсальности ЭВМ разделяются на универсальные (ЭВМ общего назначения) и специализированные. ЭВМ общего назначения предназначены для решения любых задач обработки данных. Специализированные ЭВМ используются для решения ограниченного круга задач. В зависимости от назначения они могут применяться для управления сложными технологическими процессами или техническими устройствами в военном деле, при управлении летательными аппаратами, на транспорте, могут быть предназначены для обеспечения работы компьютерной сети (серверы), работы с графикой (графические рабочие станции), могут встраиваться в бытовые устройства и т.д.

По способам использования выделяются вычислительные системы коллективного пользования и ЭВМ индивидуального использования. ЭВМ, обеспечивающие коллективное использование вычислительных мощностей, позволяют организовать одновременную работу нескольких пользователей. Они обычно имеют высокую производительность и часто выступают в качестве серверов компьютерных сетей. ЭВМ индивидуального использования предназначены для обеспечения работы одного пользователя в каждый момент времени.

(Компьютерная сеть – совокупность ЭВМ и/или диалоговых устройств ввода-вывода (терминалов), объединенных средствами коммуникаций для возможности совместного использования общих технических и информационных ресурсов.

Сетевой сервер – ЭВМ, управляющая работой компьютерной сети.)

По назначению и функциональным возможностям ЭВМ разделяются на следующие виды.

Супер-ЭВМ – это компьютеры с очень высокой производительностью, способные решать задачи чрезвычайной сложности, требующие крупномасштабных вычислений. Они используются при исследовании структуры ДНК, прогнозировании погоды, моделировании ядерных реакций, управлении сложными военными и космическими объектами и т.п. В состав супер-ЭВМ могут входить сотни процессоров, они имеют большую оперативную память, производительность супер-ЭВМ вычисляется в Терафлопс – (1 Терафлопс равен 1012 операций в секунду).

Первыми Супер-ЭВМ принято считать суперкомпьютеры Крея (Cray-1 – 1976 г.). Вслед за американской фирмой Cray Incorporation к разработке суперкомпьютеров обратился ряд производителей: IBM, Hewlett-Packard, NEC и другие. Отечественные мультипроцессорные вычислительные системы МВС-6000IM, МВС-15000ВМ, МВС-100К, предназначенные для решения сложных научно-технических задач, успешно используются не только в России, но и за рубежом.

Суперкомпьютеры обычно имеют уникальную архитектуру, их цена доходит до сотен миллионов долларов. Высокая стоимость наряду с возрастающей потребностью в мощных вычислительных ресурсах привели к развитию кластерных систем.Кластерная система – совокупность ЭВМ, совместно используемых для обеспечения необходимой производительности при решении задач повышенной сложности.

При совместном функционировании даже не очень производительных и, следовательно, не очень дорогих ЭВМ можно достичь высокой производительности. Благодаря этому кластерные системы заменили дорогостоящие суперкомпьютеры для решения тех сложных задач, которые позволяют разделение на небольшие части и решение каждой из частей на отдельном компьютере с последующим их объединением.

Мэйнфрейм – это компьютер высокой или сверхвысокой производительности с большим объемом памяти, который может обеспечить обслуживание большого числа пользователей для выполнения сложной обработки больших объемов данных. В состав мэйнфреймов может входить один или несколько высокопроизводительных процессоров, допускается подключение сотен устройств ввода-вывода. Стоимость этого класса ЭВМ может доходить десятков и сотен миллионов долларов, производительность вычисляется в миллионах операций в секунду (в современных моделях – до миллиардов операций в секунду).

Исторически мэйнфреймы (их называли большими ЭВМ или универсальными ЭВМ общего назначения) являются самым старым типом ЭВМ, которые до 70-х годов прошлого века были основными среди используемых видов вычислительной техники. Тогда они имели более низкие характеристики по производительности и объему памяти. Классические мэйнфреймы 60-70 гг.: семейство IBM 360/370, а также их аналоги отечественного производства – машины семейства ЕС ЭВМ.

Мэйнфреймы используются для обслуживания больших компьютерных сетей, баз данных с большим количеством пользователей. Они обеспечивают устойчивое и безопасное выполнение интенсивной обработки данных в сочетании с относительно низкой стоимостью обработки.

В 80-х годах 20-века считалось, что мэйнфреймы постепенно будут вытеснены с одной стороны мощными супер-ЭВМ, с другой компьютерными сетями на базе мини-ЭВМ. Однако наблюдавшееся ранее сокращение мэйнфреймов прекратилось в начале 21 века, и сейчас преобладает мнение, что этот тип машин будет и далее использоваться не менее активно.

Мэйнфреймы производятся известными компаниями: IBM, Amdahl, Hitachi, Fujitsu и другими. Наибольший вклад в их развитие внесла фирма IBM. Современные модели IBM – семейства IBM System z9, IBM System z10 (буква «z» означает нулевое время простоя компьютера –«zero down time»).

Мини-ЭВМ – это компьютер высокой или сверхвысокой производительности, предназначенный для управления компьютерными сетями или решения задач высокой сложности при индивидуальном использовании. В состав мини-ЭВМ может входить один или несколько высокопроизводительных процессоров, обычно они допускают подключение меньшего, чем мэйнфреймы числа внешних устройств. Стоимость мини-ЭВМ в зависимости от назначения может составлять от нескольких тысяч до нескольких миллионов долларов, производительность наиболее мощных моделей доходит до сотен миллионов операций в секунду.

Исторически мини-ЭВМ появились в 60-х годах 20-го века и были предназначены для автоматизации управления производственными процессами. Первой считается мини-ЭВМ PDP-5, разработанная фирмой DEC для управления ядерным реактором.

В названии этого класса машин «мини-» означает не маленькая, а ограниченная по вычислительным возможностям (урезанный набор команд, упрощенная архитектура). Для многих областей применения возможности мэйнфреймов оказались избыточными, и появление более дешевых, но достаточно удобных в эксплуатации компьютеров обусловило высокий спрос на мини-ЭВМ, что привело к развитию их вычислительных возможностей. В результате сфера применения мини-ЭВМ расширилась и перешла из области управления в область обычных вычислительных работ.

Мини-ЭВМ применяются предприятиями и научными учреждениями, часто используются как серверы больших и средних сетей, а также в качестве высокопроизводительных рабочих станций при решении сложных инженерных задач (автоматизированное проектирование), научных и экономических задач, требующих большого объема вычислений.

Основными производителями этого класса машин являются фирмы: Sun, DEC, IBM, Silicon Graphics, Hewlett Packard и др. В СССР был налажен выпуск аналогов мини-ЭВМ фирмы DEC – семейство малых ЭВМ (СМ ЭВМ).

МикроЭВМ – это компьютеры ординарной производительности на основе одного или нескольких микропроцессоров. К этому классу относятся персональные ЭВМ, которые широко используются в научной и производственной сферах, в профессиональной работе специалистов самых разных областей деятельности, в быту, для развлечений.

Термин "персональный" указывает на то, что компьютер может обслуживаться и автономно использоваться одним человеком. В то же время персональные компьютеры часто применяются в относительно небольших компьютерных сетях в качестве сетевых серверов. В настоящее время персональные компьютеры (ПК) производятся в миллионах экземпляров и являются наиболее широко используемым видом ЭВМ.

Рынок ПК по технологической и программной совместимости делится на так называемые IBM-совместимые и Macintosh-совместимые ПК. Более 90% рынка ПК приходится на IBM-совместимые ПК, которые производятся большим количеством фирм во всем мире (IBM, Hewlett Packard, Dell). Огромная популярность этих компьютеров объясняется использованием в них как называемой открытой архитектуры (совокупности общепринятых стандартов организации взаимодействия устройств компьютера, позволяющей собирать их из готовых комплектующих, произведенных различными производителями). Macintosh-совместимые ПК (компьютеры фирмы Apple Computer) занимают существенно меньший сегмент рынка и находят применение в образовании, издательском деле, дизайне, музыкальной индустрии.

Фирмами Microsoft и Intel был разработан стандарт – спецификация PC99, содержащий рекомендации по составу и характеристикам компонентов ПК. Согласно этому стандарту выделяются следующие типы ПК:

· пользовательский компьютер (Consumer PC), используется автономно и может подключаться к открытым компьютерным сетям;

· офисный компьютер (Office PC), может работать в составе локальной компьютерной сети;

· мобильный компьютер (Mobile PC), может работать от автономного источника питания;

· рабочая станция (Workstation PC), используется для решения задач с большим объемом вычисления, более мощный по вычислительным возможностям по сравнению с Consumer PC и Office PC;

· игровой компьютер (Entertainment PC), используется для компьютерных игр, обработки аудио- и видеоинформации.

Позднее была разработана спецификация PC 2001, в которой собраны конкретные требования к составу и характеристикам компонентов ПК. В ней, кроме общих типов ПК, выделяются рабочие станции и мобильные компьютеры.

Еще один тип ПК – сетевые компьютеры. Это ЭВМ, которые могут использоваться только в компьютерной сети, так как не имеют внешней памяти, и все программы и данные для работы на них хранятся на сетевом сервере. Такие ПК дешевле, их легче администрировать, но вне сети работа на них невозможна.

Наиболее часто используется разделение ПК на стационарные и портативные. Стационарные или настольные ПК располагаются на столах, поэтому их называют десктопами (desktop - настольный). Они предназначены для использования в условиях подключения к стационарной электрической сети.

Портативные ПК могут использоваться как при стационарном, так и при автономном электропитании, поэтому находят применение при работе вне дома или офиса. Они делятся на переносные и карманные Переносные ПК называли лэптопами (laptop – лежащий на коленях), позднее стали называть ноутбуками (notebook – блокнотный компьютер). Ноутбуки имеют небольшие размеры (легко помещаются в портфель) и малый вес. Разновидностью этого класса являются субноутбуки (subnotebook), обладающие еще меньшим размером и весом (порядка одного килограмма).

Карманные портативные компьютеры имеют совсем малый размер (могут размещаться на ладони), в связи с чем их называют наладонными (palmtop - лежащий на ладони). Они позволяют выполнять многие виды обработки информации (текстовой, табличной, графической и другие), но все программы записаны в постоянной памяти, и установить новые программы на большинстве моделей невозможно. Карманные ПК разделяются на клавиатурные (Hand Held PC) и бесклавиатурные (Palm Top PC).

В начале 2000-х годов были выпущены устройства, объединяющие функции карманного ПК и мобильного телефона, называемые смартфонами. Они позволяют обрабатывать текстовую, табличную, графическую информацию, звонить по телефонам, работать с Интернет.

В последние десятилетия появились так называемые планшетные компьютеры, получившие свое название благодаря общему свойству: все они имеют сенсорный экран, который используется для ввода информации. По конструктивному признаку их можно разделить на «чистые планшетники» (Tablet PC), не имеющие клавиатуры, и планшетные ноутбуки или ноутбуки-трансформеры. Последние похожи на субноутбуки, но снабжены специальным креплением с разворотным механизмом, позволяющим развернуть и положить дисплей на клавиатуру.

Также к планшетным ПК относятся ультрамобильные компьютеры (UMPC), и Интернет-планшеты. Ультрамобильные компьютеры являютсясредним между бесклавиатурным планшетником и карманным компьютером. Интернет-планшеты представляют собой упрощенный вариант ПК, который можно использовать для работы с Интернет-сервисами.

Перечисленные виды планшетных ПК из-за достаточно высокой цены и ограниченных возможностей не находили большого распространения. Выпущенные фирмой Apple в 2007 году смартфон iPhone и в 2010 году планшетный компьютер iPad, в котором удачно сочетаются функциональные и эргономические характеристики, существенно повысили интерес к таким устройствам.

Состав устройств и тенденции их развития

С развитием вычислительной техники и программных средств любая ЭВМ стала рассматриваться как вычислительная система, представляющая собой совокупность двух концептуально объединенных частей: аппаратного обеспечения и программного обеспечения. Появилось понятие «архитектура ЭВМ», связанная с функциональными возможностями вычислительной системы, которые должен знать пользователь для эффективного применения системы при решении своих задач.

Архитектура ЭВМ – это модель, устанавливающая принципы организации вычислительной системы, состав, порядок и взаимодействие основных частей ЭВМ, функциональные возможности, удобство эксплуатации, стоимость, надежность.

Любая ЭВМ, в том числе и ПК, для выполнения своих функций должны иметь минимальный набор функциональных блоков. Это блок для выполнения арифметических и логических операций; блок для хранения информации (память) или запоминающее устройство; устройство для ввода исходных данных и для вывода результатов. Так как все эти устройства должны синхронно выполнять нужные действия, ими надо управлять. Поэтому в структуре любой ЭВМ необходимо иметь также устройство управления.

Все перечисленные блоки с учетом того, что в запоминающем устройстве выделяется два уровня (внутренне и внешнее) полностью соответствуют составу классической фон-Неймановской[1] структуры ЭВМ, которая уже более полувека составляет основу вычислительных машин.

Рис. 4.1 Классическая структура ЭВМ

– передача информации;

– передача управляющих сигналов;

АЛУ – блок для выполнения арифметических и логических операций;

ЗУ - запоминающее устройство;

УУ – устройство управления;

Увв – устройство ввода информации;

Увыв – устройство вывода информации.

Структура ЭВМ определяет совокупность функциональных элементов ЭВМ и способ установления связей между ними. В современных ЭВМ устройство для выполнения арифметических и логических операций и устройство управления объединены в центральный процессор. Взамен ограниченного набора устройств ввода-вывода, имеющихся в ЭВМ первых поколений, в современных машинах имеется большой арсенал устройств (разнообразные накопители на магнитных, оптических и магнитооптических дисках, сканеры, клавиатура, мышь, джойстик, принтеры, плоттеры, графопостроители). Иерархия запоминающих устройств представлена еще большим количеством уровней.

Аппаратное обеспечение (hardware) – совокупность технических средств, используемых в процессе функционирования ЭВМ и взаимодействующих друг с другом.

Структурно аппаратное обеспечение современной ЭВМ, в том числе ПК, состоит из двух основных частей: центральной и периферийной. К центральной части обычно относят: центральный процессор и основную память, поскольку именно на их основе реализуется принцип программного управления.

Центральный процессор – обеспечивает выполнение процедур обработки данных и программное управление этим процессом. Он включает арифметико-логическое устройство, устройство управления, собственные запоминающие устройства (регистры, кэш-память).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – часть процессора, обеспечивающая выполнение процедур преобразования данных.

Устройство управления (УУ) – часть процессора, обеспечивающая управление процессом обработки данных.

УУ выбирает команды из основной памяти, интерпретирует тип команды и запускает нужную схему АЛУ.

Запоминающие устройства процессора – устройства, обеспечивающие хранение данных.

Основная память ЭВМ включает оперативную и постоянную память.

Оперативная память – устройство, обеспечивающее временное хранение команд и данных в процессе выполнения программы.

Постоянная память – устройство, обеспечивающее постоянное хранение и возможность считывания критически важной для функционирования ЭВМ информации.

Основная память и запоминающие устройства процессора относятся к внутренним запоминающим устройствам. Они непосредственно взаимодействуют с процессором, имеют высокое быстродействие и относительно небольшую емкость.

Все остальные устройства ЭВМ относятся к периферийной части и называются внешними или периферийными. Внешние устройства делятся на устройства ввода-вывода и внешние запоминающие устройства.

Устройства ввода-вывода обеспечивают ввод исходных данных и вывод результатов из центральных устройств ЭВМ.

Внешние запоминающие устройства(ВЗУ) имеют большую емкость и относительно низкое быстродействие. К ним относятся накопители на магнитных дисках (НМД), накопители на магнитной ленте (НМЛ), накопители на оптических дисках (НОД), накопители на основе флэш-памяти.

В одной ЭВМ может использоваться от единиц до нескольких сотен внешних устройств. Состав этих устройств, как правило, переменный и определяется составом решаемых на конкретной ЭВМ задач. Поэтому принято говорить о конфигурации ЭВМ, понимая под этим термином конкретный состав ее устройств с учетом их характеристик.

Принято, что передача информации из периферийных устройств в ядро ПК называется операцией ввода. Передача информации из ядра ПК в периферийные устройства называется операцией вывода.

Иногда периферийные устройства делят на системные периферийные устройства, без которых компьютер не может полноценно функционировать, и дополнительные. К системным периферийным устройствам относятся клавиатура, монитор, накопитель на жестком магнитном диске, принтер. К дополнительным – разнообразные устройства для ввода и вывода информации, устройства для связи с внешней средой, для обработки мультимедийной информации.

В структуре высокопроизводительных ЭВМ имеются каналы ввода-вывода – совокупность устройств, обеспечивающих обмен данными между центральным процессором, оперативной памятью и устройствами ввода-вывода.

Каналы могут работать параллельно с центральным процессором. Их основное назначение – снять с центрального процессора часть функций по управлению обменом данными с внешними устройствами.

Эффективность использования ЭВМ определяется не только составом и характеристиками ее устройств, но и способом организации их совместной работы. Соединение компонентов ЭВМ осуществляется с помощью интерфейсов – совокупности стандартизованных аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информации между устройствами. В основе построения интерфейсов лежит использование единых способов кодирования данных, стандартизации соединительных элементов. Наличие стандартных интерфейсов позволяет унифицировать передачу информации между устройствами независимо от их особенностей.

Для разных классов ЭВМ применяются различные структуры. В высокопроизводительных ЭВМ обычно используется иерархическая структура с несколькими уровнями интерфейсов и каналами ввода-вывода. В ПК чаще всего используется структура с системной магистралью, называемой системной шиной, которая представляет собой систему функционально объединенных проводов, обеспечивающих передачу данных, адресов данных и управляющих сигналов.

Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи данных, называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет количество двоичных разрядов, передаваемых по шине одновременно. Количество проводов для передачи адресов определяет, какой объем оперативной памяти может быть адресован.

Рис. 4.2 Шинная структура ПК

ЦП – центральный процессор; ОЗУ – оперативная память; ПЗУ – постоянная память;
Контроллер – устройство управления периферийным устройством

Аппаратная платформа – совокупность технических средств, определяющих среду функционирования конкретных программ. Основой аппаратной платформы является совокупность системной (материнской) платы и тип используемого процессора

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.