Основные характеристики ЭВМ. В процессе развития цивилизации создавались самые разнообразные технические

В процессе развития цивилизации создавались самые разнообразные технические средства, помогавшие человеку в обеспечении его жизненных потребностей, облегчавшие его труд. Многие из таких устройств называют общим словом машина. В процессе развития машинной техники можно выделить три этапа.

На первом этапе создавались машины, помогавшие человеку получать тот или иной продукт из исходного материала. К машине отошла прежде всего функция воздействия на объект труда. Мельничные жернова перемалывали зерно на муку, плугом пахали землю, на ткацком станке делали ткань, на гончарном круге — посуду. Этот класс машин можно считать рабочими машинами. Основным показателем совершенства рабочих машин является производительность,определяемая отношением количества изготовленного продукта к затраченному времени.

На втором этапе потребовались машины, создающие не сами изделия, а механическую энергию, посредством которой приводятся в действие рабочие машины. Этот класс машин можно считать энергетическими машинами. К ним относятся паровые и электрические двигатели, вырабатывающие механическую энергию за счет сжигания топлива. Основным показателем совершенства энергетических машин также является производительность, определяемая количеством выработанной энергии к затраченному времени, т. е. мощностью.

Объединение энергетических машин с рабочими машинами привело к появлению сложных устройств — систем, состоящих из трех частей: машина-двигатель (энергетическая), передаточный механизм, машина-орудие (рабочая). Дальнейшее их развитие вызвало необходимость создания машин для управления такими устройствами, т. е. потребовались машины для управления машинами.

С этого начался третий этап — бурное развитие средств облегчения умственного труда, который заключается в обработке информации. Выдающимся достижением на этом этапе явилось создание совершенно нового типа машин — электронных вычислительных машин (ЭВМ). Основным показателем совершенства вычислительных машин также является производительность, которая определяется отношением количества выполненных операций к затраченному времени. Таким образом, для всех машин самого разного назначения наиболее важной характеристикой является производительность. А вот единица измерения для этой характеристики зависит от назначения машины. При этом по аналогии с энергетическими машинами для вычислительных машин иногда вместо термина «производительность» используют термин «вычислительная мощность». Появление ЭВМ заставило пересмотреть и само определение машины. Она теперь может рассматриваться как техническое устройство, осуществляющее преобразование вещества (материала), энергии или информации.

И так, основной характеристикой ЭВМ является ее производительность, измеряемая количеством выполняемых операций за единицу времени. Однако операции различаются по сложности; естественно, что простые выполняются быстрее, а сложные медленнее. Чтобы можно было сравнивать различные модели ЭВМ по производительности, в настоящее время принято производительность оценивать количеством операций, производимых над числами с плавающей запятой за одну секунду. Такую единицу производительности ЭВМ называют флопс (от англ. слова, которое означает — операции с плавающей точкой за секунду (во многих странах целую и дробную части числа разделяют не запятой, а точкой)). Современные ЭВМ выполняют миллиарды операций в секунду, поэтому приходится пользоваться такими единицами производительности, как гигафлопс — миллиард флопс, и терафлопс — тысяча миллиардов флопс (приставкам «гига» и «тера», сокращенно обозначаемым Г и Т, соответствуют множители 10⁹ и 10¹²). При сравнении ЭВМ, разных по производительности, но принадлежащих примерно к одному классу, им предлагаются специально разработанные одинаковые тестовые задания, т.е. программы вычислений.

Другими характеристиками ЭВМ являются тактовая частота, объем памяти, разрядность, надежность, вес и габаритные размеры, потребляемая мощность, цена.

Тактовая частота в значительной степени определяет производительность ЭВМ, поскольку фактически показывает число микроопераций, выполняемых за секунду. Но отдельные операции состоят из разного количества микроопераций, поэтому имеют значение и эффективность составленной программы выполнения той или иной операции, и время обращения к памяти, и разрядность ЭВМ. Например, ЭВМ, оперирующая числами, имеющими 64 разряда, будет вдвое производительнее 32-разрядной ЭВМ (при одинаковой тактовой частоте). В настоящее время тактовая частота достигает нескольких гигагерц (ГГц), т.е. за секунду выполняется несколько миллиардов микроопераций. Увеличение производительности до нескольких тысяч миллиардов операций достигается за счет параллельного их выполнения несколькими процессорами. Например, во входящей в первую десятку по производительности суперЭВМ фирмы Hewlett Packard использованы 4096 процессоров с тактовой частотой 1,25 ГГц.

Рассмотрим основные показатели надежности, по которым оцениваются элементы автоматики (к ним относятся и элементы, из которых состоит ЭВМ). При оценке надежности используется термин «отказ». Отказами в работе элемента называют как выход его из строя, так и изменение параметров, приводящее к неудовлетворительному выполнению элементом его функций. Отказы, как правило, появляются внезапно, т.е. подчиняются законам, свойственным случайным величинам. Их изучают с помощью математической статистики. Для количественной оценки надежности элементов автоматики обычно используют следующие показатели: вероятность безотказной работы в течение заданного отрезка времени; интенсивность отказов; среднее время безотказной работы.

Основной количественной характеристикой надежности является вероятность безотказной работы, т.е. вероятность того, что за определенное время не произойдет отказа в работе.

Вероятность безотказной работы элемента автоматики можно определить по результатам испытаний большого числа одинаковых элементов в течение заданного промежутка времени.

Интенсивность отказов, очень часто используется для количественной оценки надежности элементов и при расчете надежности системы автоматики, состо­ящей из нескольких элементов.

Следует отметить, что на величину интенсивности отказов и, следовательно, на среднее время безотказной работы очень сильно влияют условия эксплуатации. В вычислительных центрах создаются наилучшие условия для эксплуатации ЭВМ: поддерживается комфортная температура; помещение вентилируется, а воздух очищается; обслуживающий персонал одет в чистую одежду. Компьютеры, установленные в офисах и квартирах, в большей степени подвержены таким отрицательным воздействиям, как колебания температуры и особенно запыленность. Еще более сильным является воздействие окружающей среды на вычислительную технику, используемую для автоматизации производства. В этом случае к перечисленным выше отрицательным факторам добавляются вибрации и влияние электромагнитных полей. В наиболее сложных условиях работает так называемая бортовая вычислительная техника, устанавливаемая на движущихся объектах — автомобилях, кораблях, летательных аппаратах.

Важным показателем надежности работы ЭВМ является также среднее время восстановления работоспособности после отказа. Сокращению этого времени во многом способствуют развитые системы самодиагностики ЭВМ, позволяющие определить элемент, подлежащий замене. Процентное соотношение времени безотказной работы к сумме этого времени со временем восстановления работоспособности называют коэффициентом готовности (или доступности). Для высоконадежных ЭВМ этот коэффициент достигает 99,999 %, т.е. на простои уходит не более тысячной доли процента. Иными словами, за год работы только 5 мин уходит на простой.

Классификация ЭВМ

Компьютеры могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности по принципу действия, назначению, способам организации вычислительного процесса, размерам и вычислительной мощности, функциональным возможностям и др.

Прежде всего, вычислительные машины подразделяют по принципу действия на две большие категории: аналоговые (АВМ) и цифровые (ЦВМ).

Аналоговые компьютеры (аналоговые вычислительные машины — АВМ) — вычислительные машины непрерывного действия. Они работают с информацией, представленной в аналоговой форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины. Существуют устройства, в которых вычислительные операции выполняются с помощью гидравлических и пневматических элементов. Однако наибольшее распространение получили электронные АВМ, в которых машинными переменными служат электрические напряжения и токи.

Работа АВМ основана на общности законов, описывающих процессы различной природы. Например, колебания маятника подчиняются тем же законам, что и изменения напряженности электрического поля в колебательном контуре. И вместо того чтобы изучать реальный маятник, можно изучать его поведение на модели, реализованной на аналоговой вычислительной машине. Мало того, на этой модели можно изучать и некоторые биологические и химические процессы, подчиняющиеся тем же законам.

Основными элементами таких машин являются усилители, резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, между которыми могут устанавливаться соединения, отражающие условия той или иной задачи. Программирование задач осуществляется путем набора элементов на наборном поле. На АВМ наиболее эффективно решаются математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики. Результаты решения выводятся в виде зависимостей электрических напряжений в функции времени на экран осциллографа или фиксируются измерительными приборами.

В 40 —50-х годах XX в. электронные аналоговые вычислительные машины создавали серьезную конкуренцию только что появившимся компьютерам. Основными их достоинствами являлись высокое быстродействие (соизмеримое со скоростью прохождения электрического сигнала по цепи), наглядность представления результатов моделирования.

Среди недостатков можно отметить невысокую точность вычислений, ограниченность круга решаемых задач, ручную установку параметров задачи. В настоящее время АВМ используются лишь в очень ограниченных областях — для учебных и демонстрационных целей, научных исследований. В практике повседневной жизни они не используются.

Цифровые компьютеры (электронные вычислительные машины — ЭВМ) основаны на дискретной логике «да-нет», «ноль-единица». Все операции производятся компьютером в соответствии с заранее составленной программой. Скорость вычислений определяется тактовой частотой системы.

С 50-х годов XX в., когда пошел процесс бурного развития цифровых вычислительных машин на базе электронных схем, стали использовать термин «электронные цифровые вычислительные машины» (ЭЦВМ). Затем, когда благодаря успехам микроэлектроники эти машины получили преимущественное (по сравнению с аналоговыми) распространение, прилагательное «цифровые» отбросили, как само собой разумеющееся. Теперь, когда говорят ЭВМ, то имеют в виду именно цифровые машины, хотя и АВМ тоже чаще всего являются электронными.

В наиболее общей классификации ЭВМ подразделяют по мощности, т.е. по производительности.

Самые мощные ЭВМ получили название суперЭВМ. Суперкомпьютеры — это ЭВМ, обладающие максимальными возможностями в плане быстродействия и объема вычислений. Используются для решения задач национального и общечеловеческого масштабов — национальная безопасность, исследования в области биологии и медицины, моделирование поведения больших систем, прогноз погоды и т.д. Для оценки их производительности используется единица измерения терафлопс. Такие машины представляют собой по существу вычислительные комплексы, состоящие из нескольких шкафов или стоек, в которых размещены сотни или тысячи процессоров. Потребляемая мощность таких комплексов достигает сотен киловатт. Они способны решать самые сложные вычислительные и моделирующие задачи в реальном масштабе времени. Между фирмами, разрабатывающими и производящими такие суперЭВМ, идет своеобразное соревнование за лидерство. В сети Интернет на специальном сайте можно найти информацию о 500 самых мощных в мире на данное время суперЭВМ.

На ступеньку ниже по сравнению с суперЭВМ можно поместить большие ЭВМ (мэйнфреймы) - компьютеры, которые используются в крупных научных центрах и университетах для проведения исследований, в корпоративных системах — банках, страховых, торговых учреждениях, на транспорте, в информационных агентствах и издательствах. Мэйнфреймы объединяются в крупные вычислительные сети и обслуживают сотни и тысячи терминалов — машин, на которых непосредственно работают пользователи и клиенты.

Мини-компьютеры — это специализированные ЭВМ, которые используются для выполнения определенного вида работ, требующих относительно больших вычислительных мощностей: графика, инженерные расчеты, работа с видео, верстка полиграфических изданий и т.п.

Микрокомпьютеры — это самый многочисленный и многоликий класс ЭВМ, основу которого составляют персональные компьютеры, в настоящее время использующиеся практически во всех отраслях человеческой деятельности. Миллионы людей используют их в своей профессиональной деятельности для взаимодействия через Интернет, развлечения и отдыха.

В последние годы сложилась систематика, отражающая разнообразие и особенности большого класса компьютеров, на которых работают непосредственные пользователи. Эти компьютеры различаются вычислительной мощностью, системным и прикладным программным обеспечением, набором периферийных устройств, интерфейсом с пользователем и, как следствие, размерами и ценой. Однако все они построены на общих принципах и единой элементной базе, обладают высокой степенью совместимости, общими интерфейсами и протоколами обмена данными между собой и сетями. Основу этого класса машин составляют персональные компьютеры, которые в приведенной выше систематике соответствуют классу микроЭВМ.

Такая систематика, как и любая другая, достаточно условна; поскольку четкой границы между различными классами компьютеров провести невозможно, появляются модели, которые трудно отнести к определенному классу. И тем не менее она в общих чертах отражает существующее в настоящее время разнообразие вычислительных устройств.

Серверы (от англ. serve — «обслуживать», «управлять») — многопользовательские мощные ЭВМ, обеспечивающие функционирование вычислительных сетей. Они служат для обработки запросов от всех рабочих станций, подключенных к сети. Сервер предоставляет доступ к общим сетевым ресурсам — вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам — и распределяет эти ресурсы между пользователями. В любом учреждении персональные компьютеры объединяются в локальную сеть — это позволяет обеспечить обмен данными между компьютерами конечных пользователей и рационально использовать системные и аппаратные ресурсы. Дело в том, что подготовка документа на компьютере (будь то счет на товар или научный отчет) занимает значительно больше времени, чем его печать. Гораздо выгоднее иметь один мощный сетевой принтер на несколько компьютеров, а распределением очереди на печать будет заниматься сервер. Если компьютеры объединены в локальную сеть, удобно иметь на сервере единую базу данных — прайс-лист всех товаров магазина, план работы научного учреждения и т.д. Кроме того, сервер обеспечивает общий выход в Интернет для всех рабочих станций, разграничивает доступ к информации различных категорий пользователей, устанавливает приоритеты доступа к общим сетевым ресурсам, ведет статистику пользования Интернетом, контроль за работой конечных пользователей и т.д.

Но в небольших сетях роль сервера иногда, можно поручить и обычной ЭВМ, не отличающейся от друг ЭВМ этой же сети ни по производительности, ни по объему памяти. В этом случае термин «сервер» относится именно к функциональному назначению ЭВМ. Часто при этом к слову «сервер» добавляются еще слова, характеризующие назначение данного сервера: сервер файлов, сервер печати, сервер баз данных, сервер удаленного доступа и др.

Наиболее распространенный вид ЭВМ — персональные компьютеры. Персональный компьютер — это наиболее распространенный класс компьютеров, способных решать задачи различного уровня — от составления бухгалтерской отчетности до инженерных расчетов. Он рассчитан в основном на индивидуальное использование (отсюда название класса, к которому он относится). Персональный компьютер (ПК) имеет специальные средства, позволяющие включать его в состав локальных и глобальных сетей.

Современный ПК имеет столь высокую производительность, что может использоваться в качестве сервера при объединении в сеть нескольких ПК. Благодаря весьма развитому программному обеспечению на ПК можно выполнять и создавать самые разнообразные программы.

При объединении нескольких ПК в сеть каждый из них можно использовать память и программное обеспечение, которые имеются в мэйнфрейме или сервере данной сети. В этом случае собственная память каждого ПК в сети может быть очень небольшая по объему. Главное, что требуется от этого ПК, это возможность ввода информации для управления процессом вычислений и ввод информации, т.е. отображение результатов процесса вычислений. Проще говоря, достаточно иметь клавиатуру и экран. Так устройство называют терминальным, или коротко терминале Довольно часто терминалом (или рабочей станцией) называют подключенный к сети ПК.

Современные ПК имеют различные конструктивные исполнения. Наиболее распространенной и привычной является настольная конструкция ПК. В ее состав входит системный блок, устройство вывода информации — монитор и устройство ввода, т.е. клавиатура и мышь. Все эти составные части могут быть объединены в одном небольшом наколенном ПК, называемом лэптоп. Он представляет собой переносной компьютер.

Ноутбук (от англ. по1еЬоок — «записная книжка») — этот устоявшийся термин совершенно неправильно отражает особенности этого класса персональных компьютеров. Его размеры и масса больше соответствуют формату большой книги, а функциональные возможности и технические характеристики полностью соответствуют обычному настольному ПК. Другое дело, что эти устройства более компактные, легкие и, самое главное, потребляют значительно меньше электроэнергии, что позволяет работать от аккумуляторов. Программное обеспечение этого класса ПК, начиная от операционной системы и заканчивая прикладными программами, абсолютно ничем не отличается от настольных компьютеров. В недавнем прошлом этот класс ПК определялся как Laptop — «наколенник». Это название значительно более точно отражало их особенности, но оно почему-то так и не прижилось.

Итак, основная особенность персональных компьютеров класса ноутбуков — мобильность. Небольшие габаритные размеры и масса, моноблочное исполнение позволяют легко размещать его в любом месте рабочего пространства, переносить с одного места на другое в специальном чехле или чемоданчике типа «дипломат», а питание от аккумуляторов — позволяет использовать даже в дороге (машине или самолете).

Все модели ноутбуков можно условно подразделить на три класса: универсальные, для бизнеса и компактные (субноутбуки). Универсальные ноутбуки являются полноценной заменой настольного ПК, поэтому они имеют относительно большие размеры и массу, но вместе с тем отличаются большим размером экрана и удобной клавиатурой, аналогичной настольному ПК. Имеют обычные встроенные накопители: CD-ROM (R, RW, DVD), винчестер и флоппи-дисковод. Такая конструкция практически исключает возможность использовать его как «дорожный» ПК. Заряда аккумуляторов хватает только на 2 — 3 ч работы.

Ноутбуки бизнес-класса предназначены для использования в офисе, дома, в дороге. Они имеют существенно меньшие габаритные размеры и массу, минимальный состав встроенных устройств, но расширенные средства для подключения дополнительных устройств. ПК этого класса служат скорее дополнением для офисного или домашнего десктопа, а не их заменой.

Компактные ноутбуки (субноутбуки) являются воплощением самых передовых достижений компьютерной технологии. Они имеют самую высокую степень интеграции различных устройств (в материнскую плату встроены такие компоненты, как поддержка звука, видео, локальной сети). Ноутбуки этого класса обычно снабжаются беспроводными интерфейсами устройств ввода (дополнительная клавиатура, мышь), имеют встроенный радиомодем для связи с Интернетом, в качестве накопителей информации используются компактные смарт-карты и т.д. При этом масса таких устройств не превышает 1 кг, а толщина — около 1 дюйма (2,4 см). Заряда аккумуляторов хватает на несколько часов работы, однако и стоят такие компьютеры в два-три раза дороже обычных ПК.

Карманный персональный компьютер (КПК) — состоит из тех же частей, что и настольный компьютер: процессора, памяти, звуковой и видеосистемы, экрана, слотов расширения, с помощью которых можно увеличить память или добавить другие устройства. Батарейное питание обеспечивает работу в течение двух месяцев. Все эти составляющие очень компактны и тесно интегрированы, благодаря чему аппарат весит 100...200 г и помещается на ладони, в нагрудном кармане рубашки или дамской сумочке. Недаром эти устройства называют еще «наладонниками».

Однако функциональные возможности КПК сильно отличаются от настольного компьютера или ноутбука. Прежде всего, у него относительно небольшой экран, как правило, нет клавиатуры и мыши, поэтому взаимодействие с пользователем организовано иначе: для этого используется экран КПК — он чувствителен к нажатию, для чего пользуются специальной палочкой, которая называется «стилус». Для набора текста на КПК применяется так называемая виртуальная клавиатура — ее клавиши отображаются прямо на экране, а текст набирается стилусом. Другое важное отличие — отсутствие винчестера, поэтому объемы хранимой информации относительно невелики. Основным хранилищем программ и данных является встроенная память объемом до 64 Мбайт, а роль дисков выполняют карточки флэш-памяти. На этих карточках хранятся программы и данные, которые не обязательно размещать в памяти быстрого доступа (фото-альбомы, музыка в формате МРЗ, электронные книги и др.). Из-за этих особенностей КПК часто используют в паре с настольным ПК, для чего существуют специальные интерфейсные кабели.

Ноутбук и КПК предназначены для совершенно разных задач, построены на разных принципах и лишь дополняют друг друга, но никак не заменяют. С ноутбуком работают точно так же, как с настольным компьютером, а КПК включают и выключают по несколько раз на дню. Загрузка программ и выключение происходит практически мгновенно.

По техническим характеристикам современные КПК вполне сравнимы с настольными компьютерами, которые выпускались всего несколько лет назад. Этого вполне достаточно для качественного воспроизведения текстовой информации, например при работе с электронной почтой или текстовым редактором. Современные КПК снабжаются также встроенным микрофоном, динамиками и гнездами для подключения наушников. Связь с настольным ПК и другими периферийными устройствами осуществляется через порт USB инфракрасный порт (IrDA) или Bluetooth (современный беспроводной интерфейс).

Кроме специальной операционной системы КПК обычно снабжаются встроенными приложениями, в состав которых входит текстовый редактор, табличный редактор, планировщик, браузер для работы в Интернете, набор диагностических программ и т.д. В последнее время компьютеры класса Pocket PC стали снабжаться встроенными средствами связи с Интернетом (в качестве внешнего модема может использоваться и обычный сотовый телефон).

Благодаря своим возможностям карманные персональные компьютеры можно рассматривать не просто как упрощенный ПК с урезанными возможностями, а как совершенно равноправный член компьютерного сообщества, имеющий свои неоспоримые преимущества даже по сравнению с самыми продвинутыми моделями настольных компьютеров.

Электронные секретари — имеют формат карманного компьютера (массой не более 0,5 кг), но используются для других целей. Они ориентированы на использование электронных справочников, хранящих имена, адреса и номера телефонов, информацию о распорядке дня и встречах, списки текущих дел, записи расходов и т.п. Электронный секретарь может иметь встроенный текстовый и графи­ческие редакторы, электронные таблицы и другие офисные приложения.

Большинство электронных секретарей имеют модемы и могут обмениваться ин­формацией с другими ПК, а при подключении к вычислительной сети могут получать и отправлять электронную почту и факсы. Некоторые электронные секретари для дистанционного беспроводного обмена информацией с другими компьютерами оборудованы радиомодемами и инфракрасными портами. Электронные секретари имеют небольшой жидкокристаллический дисплей, обычно размещенный в откидной крышке компьютера. Ручной ввод информации возможен с миниатюрной клавиатуры или с использованием сенсорного экрана, как у КПК. Компьютером электронного секретаря можно назвать лишь с большими оговорками: иногда эти устройства относят к категории сверхпортативных компьютеров, иногда к категории «интеллектуальных» калькуляторов, другие считают, что это, ско­рее, органайзер с расширенными возможностями.

Электронные записные книжки — относятся к «легчайшей категории» портативных компьютеров (масса их не превышает 200 г). Органайзеры имеют вмес­тительную память, в которую можно записать необходимую информацию и отредактировать ее с помощью встроенного текстового редактора; в памяти можно хранить деловые письма, тексты соглашений, контрактов, распорядок дня и деловых встреч. В органайзер встроен внутренний таймер, который напоминает о важных событиях. Доступ к информации может быть защищен паролем. Органайзеры часто оснащают встроенным переводчиком, имеющим несколько словарей.

Вывод информации осуществляется на небольшой монохромный жидкокристаллический дисплей. Благодаря низкому потреблению мощности питание от аккумулятора обеспечивает без подзарядки хранение информации до пяти лет.

Смартфон — компактное устройство, сочетающее в себе функции сотового телефона, электронной записной книжки и цифровой фотокинокамеры с мобильным доступом в Интернет. Смартфон имеет микропроцессор, оперативную память, постоянное запоминающее устройство; выход в Интернет осуществляется по каналам сотовой связи. Качество фотоснимков невысокое, но достаточное для использования в Интернете и пересылки по электронной почте. Время видеозаписи — порядка 15 с. Имеет встроенный накопитель для смарт-карт. Заряда батарей хватает для 100 ч работы. Масса 150 г. Очень удобное и полезное устройство, однако его стоимость соизмерима с ценой хорошего настольного компьютера.

Следующий вид — встраиваемые ЭВМ, которые предназначены для управления технологическими и производственными процессами. Они получают информацию от датчиков, контролирующих ход того или иного процесса, и выдают управляющие сигналы на исполнительные устройства, изменяющие ход этого процесса в нужном направлении. Эти ЭВМ «встраиваются» в систему автоматического управления (САУ), являются ее частью и взаимодействуют с другими элементами САУ. Обычно алгоритм выработки управляющих сигналов уже заложен в ЭВМ (аппаратным или программным путем), а человек-оператор может изменять настройки (т. е. отдельные количественные показатели) этого алгоритма. Встраиваемые ЭВМ называют также управляющими.

В настоящее время получили очень широкое распространение различные бытовые приборы с процессорным управлением (стиральные машины, микроволновые печи, кухонные автоматы и т.п.). В них заложен небольшой набор фиксированных программ, выбор между которыми осуществляет пользователь.

Процессор (важнейший элемент ЭВМ) используется и в многочисленных игровых приставках, в которых заложены несколько неизменяемых программ. В процессе игры входные сигналы вводятся игроком-пользователем с помощью небольшой клавиатуры, а на небольшом экране-дисплее отображается игровая ситуация. Мобильные телефоны также включают в себя элементы вычислительной техники, обеспечивающие соединение с абонентом, хранение в памяти информации и т.п. Современные мобильные телефоны по существу уже являются многофункциональными устройствами и содержат большое количество элементов вычислительной техники.

Многочисленные калькуляторы также являются простыми ЭВМ со сравнительно низким быстродействием и небольшим набором выполняемых математических операций.

На нижнюю ступень можно поставить простые игры для маленьких детей всего с единственной программой и миниатюрным дисплеем.

Четкую грань между всеми рассмотренными видами ЭВМ провести трудно. Наращивать информационную и вычислительную мощности можно путем объединения нескольких ЭВМ. Например, из нескольких мэйнфреймов можно получить суперЭВМ, добавив несколько стоек или шкафов, в которых смонтированы элементы вычислительной техники. Порой так делают лишь на период решения какой-либо сложной задачи, а после ее выполнения составные части суперЭВМ снова эксплуатируют порознь. Такую «сборную» ЭВМ иногда называют кластер. Из нескольких серверов (даже из двух) можно образовать мэйнфрейм, если с помощью специальных программ обеспечивается одновременное выполнение нескольких задач с нескольких терминалов (т.е. обычных ПК). В свою очередь, сервером можно считать и высокопроизводительный ПК, в который можно быстро вставлять несколько дополнительных жестких дисков. Еще раз напомним, что функции сервера может в локальной сети выполнять и обычный пер­сональный компьютер.

Первыми вычислительными машинами были аналоговые вычислительные устройства. Их возможности не столь универсальны, как у цифровых машин, но они обладают определенными достоинствами, благодаря которым достаточно широко применяются в производственной и научной сферах деятельности человека. В быту человек с ними встречается не часто, поэтому они менее известны, чем цифровые.

Механические аналоговые вычислительные устройства благодаря своей простоте (а следовательно, низкой стоимости и малым расходам на эксплуатацию) достаточно широко используются при подсчете изделий на конвейере, определении площадей на картах и графиках, типовых расчетах по заранее известным простым формулам и т.п.

Электромеханические АВМ до сих пор широко применяются в судовождении для навигации (прокладка пути) и обсервации (определение места), при управлении технологическими процессами, требующими определенных соотношений между небольшим числом регулируемых параметров, и в иных подобных случаях, когда необходим расчет по заранее известным простым формулам.

Электронные АВМ весьма широко используются для моделирования процессов, описываемых дифференциальными уравнениями. Это обширнейшая область применения. К тому же разработаны способы моделирования и для нелинейных процессов.

На рис. 1 цифровые ЭВМ расположены слева направо в порядке возрастания производительности. Но и здесь возможны исключения. Например, управляющие ЭВМ для пилотирования сверхзвуковых аппаратов или для слежения за подобными объектами должны работать в реальном масштабе времени и иметь очень высокую производительность, хотя большой набор программ для них и не требуется.

Классифицируют ЭВМ и по таким признакам, как режимы работы и обслуживания, структурный состав, способы функционирования и представления информации, размещение, назначение и др.

По режиму работы ЭВМ подразделяют на однопрограммные и мультипрограммные.

ОднопрограммныеЭВМ могут работать только в режиме, при котором выполняется не более одной программы пользователя. Они переходят к выполнению следующей программы лишь по окончании предыдущей. Ресурсы ЭВМ используются только действующей программой. При работе ЭВМ возможны простои на период ввода или вывода информации.

МультипрограммныеЭВМ могут работать в режиме, при котором одновременно выполняется несколько программ пользователя. Применение этого режима позволяет более эффективно использовать оборудование машины путем совмещения операций (например, ввода, вывода, счета), уменьшить время, потребное для решения комплекса задач, с некоторым увеличением времени для решения каждой отдельной задачи. Последнее достигается за счет уменьшения времени ожидания очереди на решение.

По режимам обслуживания ЭВМ подразделяют на ЭВМ индивидуального пользования, пакетной обработки и коллективного пользования.

ЭВМ индивидуального пользования наиболее удобны в эксплуатации. Все ресурсы ЭВМ предоставляются одному пользователю, но при этом эффективность применения аппаратных средств и программного обеспечения снижается.

ЭВМ с режимом пакетной обработки выполняют программы, записанные заранее во внешней памяти. Пользователи при этом не имеют непосредственного доступа к ЭВМ, т. е. программы не могут выполняться в режиме диалога. Для обработки программ их приходится несколько раз (после исправлений) последовательно вводить в пакеты программ. Эффективность работы при этом снижается.

ЭВМ с режимом коллективного пользования предоставляют аппаратные и программные ресурсы одновременно нескольким пользователям. При этом каждому пользователю выделяется терминал, с помощью которого он связывается с ЭВМ, следит за выполнением своих программ, осуществляет запросы к ЭВМ. Режим коллективного пользования может быть реализован только высокопроизводительными вычислительными системами.

По структурному составу ЭВМ подразделяют на однопроцессорные(одномашинные), многомашинные и многопроцессорные. Многопроцессорные ЭВМ в отличие от многомашинных могут работать с общим полем оперативной памяти.

Многопроцессорные и многомашинные ЭВМ создаются как для увеличения производительности, так и для повышения надежности. В ЭВМ повышенной надежности выход из строя одной машины не приводит к полному отказу всей вычислительной системы, так как функции отказавшего устройства могут взять на себя другие. Многопроцессорные и многомашинные ЭВМ повышенной надежности обычно имеют избыточные резервные устройства и специальные средства управления ресурсами для отключения неисправных устройств и подключения резервных.

По способу размещения ЭВМ и вычислительные системы подразделяют на сосредоточенные, с телеобработкой и вычислительные сети.

Оборудование сосредоточенныхЭВМ расположено практически в одном помещении, а устройства связываются между собой по стандартным внутренним интерфейсным линиям связи.

У вычислительных систем с телеобработкойнекоторые источники и потребители информации, в том числе и терминалы, могут располагаться на удалении от вычислительного ядра. Для связи с удаленными терминалами и другими периферийными устройствами используются стандартные и нестандартные линии связи.

Вычислительные сетипредставляют собой территориально разнесенные многомашинные системы, объединенные каналами связи.

По способу функционирования ЭВМ подразделяют на ЭВМ, работающие в реальном масштабе времени, и ЭВМ, работающие независимо от текущего реального времени.

ЭВМ реального времениспособны к быстрой реакции на запросы, обладают высоким быстродействием и имеют в своем составе таймерное (временное) устройство. Таймерное устройство (таймер) необходимо для отслеживания времени и установки задаваемых временных интервалов. ЭВМ реального времени используются обычно в системах управления объектами и технологическими процессами. Результаты обработки параметров состояний управляемых объектов и процессов в таких системах непосредственно используются для воздействия на эти объекты или процессы. Чем меньше время реакции на таймерный или внешний запрос, чем быстрее ЭВМ определяет воздействие на объекты управления после запросов, тем лучше будет функционировать система управления.

По назначению ЭВМ подразделяют на управляющие, информационно-справочные и общего назначения.

Управляющие(а некоторые из них выше были упомянуты как встраиваемые) ЭВМ работают обычно в реальном масштабе времени. Часто они являются структурными составляющими специализированных систем управления, например корабельных, самолетных, ракетно-космических и т.п. В этих случаях специали­зированные управляющие ЭВМ отличаются от обычных повышенными требованиями к массогабаритным характеристикам и условиями эксплуатации, но, в первую очередь, — надежностью. В связи со спецификой использования и стабильностью программного обеспечения в специализированных ЭВМ сокращены или полностью отсутствуют некоторые программные средства управления вычислительным процессом, связанные с загрузкой в память программ, динамическим распределением памяти и т.п. В них шире используется постоянная память для хранения программ и констант, уменьшен формат операндов (обрабатываемых данных), сокращен список команд. Управляющие ЭВМ предназначены для автоматизации различных процессов, позволяют изменять (перенастраивать) программы управления, но набор программ у них существенно меньше, чем у ПК. Поскольку благодаря массовому выпуску ПК их стоимость непрерывно снижается, порой целесообразно не создавать специализированную ЭВМ, а использовать в качестве таковой обычный ПК.

Специализация ЭВМ в смысле их проблемной ориентации в некоторых случаях ограничивается выбором конфигурации и состава аппаратных средств, а также программ операционных систем и пакетов прикладных программ. Подобным способом может быть достигнута, например, ориентация (в смысле — предназна­чение) ЭВМ для информационно-справочных систем, т.е. информационно-справочныхЭВМ. Они в основном предназначены для большого числа неквалифицированных пользователей, таких как покупатели супермаркетов, читатели библиотек, пассажиры на вокзалах и т. п.

ЭВМ общего назначениясостоят из максимального количества предусмотренных для данного типа ЭВМ устройств, а их математическое обеспечение должно быть приспособлено для решения задач любого типа.

По способам передачи и обработки информации различают:

параллельныеЭВМ, ведущие передачу и обработку параллельно по всем разрядам;

последовательные ЭВМ, в которых передача и обработка чисел идет последовательно разряд за разрядом;

смешанныеЭВМ, осуществляющие передачу и обработку па­раллельно по группе разрядов и последовательно по группам раз­рядов, как, например, в байте параллельно обрабатываются все 8 двоичных разрядов, а в слове, состоящем из нескольких байтов, обрабатывается последовательно байт за байтом.

По числу адресов, содержащихся в составе команды, различают трех-, двух-, одно- и нулъадресные ЭВМ.

По системам счисления различают двоичные ЭВМ, в которых все вычисления ведутся в двоичной системе счисления, имеющей только две цифры — 0 и 1, и десятичныеЭВМ.

По форме представления чисел различают:

ЭВМ с фиксированной запятой,позволяющие вести счет при условии, что запятая для всех вводимых в данной задаче чисел будет фиксирована на строго определенном месте, которое может быть выбрано перед началом решения задачи;

ЭВМ с плавающей запятой,не требующие фиксации запятой в определенном месте. Для фиксации порядка числа выделяются специальные разряды, косвенно определяющие место располо­жения запятой для каждого числа в отдельности. Цифровая ЭВМ с плавающей запятой может работать в режиме с фиксированной запятой. При этом разряды, отводимые для представления порядка числа, используются для расширения диапазона представле­ния чисел с фиксированной запятой.

По структуре различают:

ЭВМ с жесткой структурой,не позволяющие изменять структуру, вводить дополнительные устройства или заменять одни устройства другими;

ЭВМ с модульной структурой,строящиеся на основе легко заменяемых модулей. В качестве модуля может рассматриваться арифметико-логическое устройство, часть оперативной памяти или даже весь процессор. Такая структура позволяет варьировать состав модулей и тем самым изменять основные параметры ЭВМ в довольно широких пределах.

По характеру управления различают:

синхронные ЭВМ, работающие в жестко заданных временных интервалах, которые вырабатываются в виде тактовых импульсов специальным генератором;

асинхронные ЭВМ, работающие без жестко заданных интервалов. Время начала следующей операции определяется окончанием предыдущей.

По этапам создания и элементной базе цифровые компьютеры условно подразделяются на пять поколений:

I поколение (1950-е гг.) — ЭВМ на электронных вакуумных лампах;

II поколение (1960-е гг.) — ЭВМ на полупроводниковых элементах (транзисторах);

III поколение (1970-е гг.) — ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенями интеграции (десятки и сотни транзисторов в одном корпусе);

IV поколение (1980-е гг.) — ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах — микропроцессорах (миллионы транзисторов в одном кристалле);

V поколение (1990-е гг. — по настоящее время) — суперкомпьютеры с тысячами параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки огромных массивов информации; персональные ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах и дружественных интерфейсах с пользователем, что определяет их внедрение практически во все сферы деятельности человека. Сетевые технологии позволяют объединить пользователей ЭВМ в единое информационное общество.

Поиск по сайту: