Основные классы вычислительных машин

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 (общего назначения);

- проблемно-ориентированные;
- специализированные.

Рис.6. Классификация компьютеров по назначению

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.

Характерными чертами универсальныхкомпьютеров являются:

- высокая производительность;

- 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,

Персональные компьютеры — однопользовательские микрокомпьютеры, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

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,),

Поиск по сайту: