Классификация эвм по типу используемого процессора
Существует достаточно много систем классификации компьютеров. Наиболее часто в технической литературе упоминаются классификация по принципу действия, назначению, вычислительной мощности, уровню специализации, типоразмерам и совместимости.
По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).
· Аналоговые вычислительные машины – это вычислительные машины непрерывного действия, обрабатывающие информацию, представленную в непрерывной аналоговой форме – в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины, например, электрического напряжения.
· Цифровые вычислительные машины –это вычислительные машины дискретного действия, т.е. работающие с информацией, представленной в дискретной, цифровой форме.
· Гибридные вычислительные машины –это вычислительные машины комбинированного действия, работающие с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме. Они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. Гибридные ЭВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными техническими комплексами.
По назначению ЭВМ также разделяются на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.
· Универсальные ЭВМ предназначены для решения различных инженерно-технических задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.
· Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных.
· Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций.
По вычислительной мощности ЭВМ подразделяются на сверхбольшие (суперЭВМ), большие ЭВМ, малые (миниЭВМ), сверхмалые (микроЭВМ) и персональные компьютеры (ПК).
· Большие ЭВМ. Это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. За рубежом компьютеры этого класса называют мэйнфреймами (mainframe). В России за ними закрепился термин большие ЭВМ..
· Мини-ЭВМ. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную деятельность с научной.
· Микро-ЭВМ. Организации, использующие микро-ЭВМ, обычно не создают вычислительные центры. Для обслуживания такого компьютера им достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких человек. Программисты вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказанного программного обеспечения, выполняют его доводку и настройку, согласовывают его работу с другими программами и устройствами компьютера
· Персональные компьютеры (ПК). Эта категория компьютеров получила особо бурное развитие в течение последних двадцати лет. Из названия видно, что такой компьютер предназначен для обслуживания одного рабочего места. Как правило, с персональным компьютером работает один человек. Персональный компьютер (Personal Computer, PC) вполне способен удовлетворить большинство потребностей малых предприятий и отдельных лиц. Персонального компьютера вполне достаточно для использования всемирной сети в качестве источника научной, справочной, учебной, культурной и развлекательной информации. Персональные компьютеры являются также удобным средством автоматизации учебного процесса по любым дисциплинам, средством организации дистанционного (заочного) обучения и средством организации досуга. Они вносят большой вклад не только в производственные, но и в социальные отношения.
· Новый стандарт устанавливает следующие категории персональных компьютеров:
· Consumer PC (массовый ПК);
· Office PC (деловой ПК);
· Mobile PC (портативный ПК);
· Workstation PC (рабочая станция);
· Entertainment PC (развлекательный ПК).
Классификация персональных компьютеров
По уровню специализации.По уровню специализации компьютеры делят на универсальные и специализированные
По типоразмерам.Различаются настольные компьютеры (desktop), настольные мини-компьютеры (slim-desk), портативные (notebook) и карманные (palmtop) модели.
Настольные модели (рис. 5)распространены наиболее широко. Они являются принадлежностью рабочего места. Эти модели отличаются простотой изменения конфигурации за счет несложного подключения дополнительных внешних приборов или установки дополнительных внутренних компонентов. Достаточные размеры корпуса в настольном исполнении позволяют выполнять большинство подобных работ без привлечения специалистов, а это позволяет настраивать компьютерную систему оптимально для решения именно тех задач, для которых она была приобретена.
Рис. 5. Настольный компьютер
Рис. 6. Портативный компьютер (notebook) |
Настольные мини–компьютеры – переходной вариант от обычного компьютера к портативному. Эти устройства, появившиеся на рынке лишь год назад, выделяются миниатюрным корпусом (в 2–3 раза меньше, чем у обычных домашних ПК). Дополняет картину тонкий жидкокристаллический монитор. Благодаря такой комплектации эти компьютеры отлично смотрятся в офисах, экономя место на рабочем столе
Портативные модели, ноут–буки (рис. 6) удобны для транспортировки. Их используют бизнесмены, коммерсанты, руководители предприятий и организаций, проводящие много времени в командировках и переездах. С портативным компьютером можно работать при отсутствии рабочего места. Особая привлекательность портативных компьютеров связана с тем, что их можно использовать в качестве средства связи. Подключив такой компьютер к телефонной сети, можно из любой географической точки установить обмен данными между ним и центральным компьютером своей организации. Для эксплуатации на рабочем месте портативные компьютеры, разнообразные модели которых показаны на рис. 8, не слишком удобны, но их можно подключать к настольным стационарным компьютерам, используемым стационарно.
Рис. 7. Карманный компьютер (palmtop) |
Аппаратная совместимость. По аппаратной совместимости различают так называемые аппаратные платформы. В области персональных компьютеров сегодня наиболее широко распространены две аппаратные платформы – IBM PC и Apple Macintosh. Принадлежность компьютеров к одной и той же аппаратной платформе повышает совместимость между ними, а принадлежность к разным платформам – понижает, зачастую до полной несовместимости.
Кроме аппаратной совместимости существуют и другие виды совместимости: совместимость на уровне операционной системы, программная совместимость, совместимость на уровне данных.
Рис. 8. Различные модели персональных компьютеров
По типу используемого процессора.Процессор – основной компонент любого компьютера. В электронно-вычислительных машинах это специальный блок, а в персональных компьютерах – специальная микросхема, которая выполняет все вычисления в компьютере.
По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные вычислительные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), а неоднородные – разнотипных ЭВМ (процессоров).
В однородных системах значительно упрощаются разработка и обслуживание технических и программных (в основном это операционные системы) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы. Упрощается обслуживание систем, облегчаются модернизация и их развитие.
Неоднородные системы находят применение и в микропроцессорных системах. Многие ЭВМ, в том числе и ПЭВМ, могут использовать сопроцессоры: десятичной арифметики, матричные и т.п.
Классификация по степени территориальной разобщённости
По степени территориальной разобщенности, вычислительные системы делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного (разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только многомашинных вычислительных систем. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа.
Учитывая успехи микроэлектроники, это совмещение может быть очень глубоким. В настоящее время появилась возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров. ЭВМ с многоядерным процессором является многопроцессорной вычислительной системой совмещённого типа.
Классификация по режиму работы
По режиму работы различают вычислительные системы, работающие в оперативном временном режиме и в неоперативном временном режиме. Оперативный – это режим реального времени. Он характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.
Как правило, вычислительные системы используют для управления технологическим процессом в реальном масштабе времени, когда обработка информации должна производиться за время, не превышающее время течения самого процесса. От вычислительных систем в этом случае требуется много: большое быстродействие и высокий уровень надежности, чрезвычайная оперативность и "живучесть", т.е. способность выполнять возлагаемые на нее функции даже при выходе из строя каких-то элементов. Современные ЭВМ еще не обеспечивают выполнение этих требований, поэтому приходится создавать специализированные вычислительные системы.
В декабре 2008 года в России создан вычислительная система (супер-ЭВМ), способная выполнять 27 триллионов операций в секунду, что в 10.000 раз больше, чем у предшествующей супер-ЭВМ. Вычислительная система установлена в Гидрометцентре России. Она включает в себя 30.000 микропроцессоров. Потребляемая мощность равна 500 КВт. Система охлаждения используется антифриз (который течет по трубам охлаждения).
Типы архитектур вычислительных систем, их особенности, преимущества и недостатки
Типы архитектур вычислительных систем
Архитектура вычислительной системы – это совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организацию системы.
Поскольку вычислительные системы появились как параллельные системы, то и рассмотрим классификацию архитектур под этой точкой зрения. Классификация архитектур была предложена М. Флинном в начале 60-х годов. Это классификация по взаимодействию потоков команд и потоков данных.
В основу классификации архитектур вычислительных систем заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков команд, существующих в системе, и независимость (не связанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Классификация до настоящего времени не потеряла своего значения. Однако, как и любая классификация, она носит временный и условный характер. Своим долголетием она обязана тому, что оказалась справедливой для вычислительных систем, в которых ЭВМ и процессоры реализуют программные последовательные методы вычислений. С появлением систем, ориентированных на потоки данных и использование ассоциативной обработки, данная классификация может быть некорректной.
В основу классификации вычислительных систем с параллельной обработкой положено понятие потока. Под потоком понимается последовательность команд или данных, обрабатываемая процессором.
Классификация основана на рассмотрении числа потоков команд и потоков данных и описывает четыре базовых архитектуры.
Архитектура ОКОД
Одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД) в английском варианте – Single Instruction Single Data (SISD) – одиночный поток инструкций – одиночный поток данных.
Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одно-машинные варианты систем, т.е. с одним вычислителем. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работы устройств ввода-вывода информации и процессора.
Архитектура ОКМД
Одиночный поток команд - множественный поток данных (ОКМД) или в английском варианте Single Instruction Multiple Data (SIMD) – одиночный поток инструкций и множественный поток данных.
Процессоры идентичны и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных.
Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними элементами.
По этой схеме строились системы: первая супер-ЭВМ — ILLIAC-IV, отечественные параллельные системы — ПС-2000, ПС-3000. Идея векторной обработки широко использовалась в таких известных супер-ЭВМ, как Cyber-205 и Gray-I, II, III. Узким местом подобных систем является необходимость изменения коммутации между процессорами, когда связь между ними отличается от матричной. Кроме того, задачи, допускающие широкий матричный параллелизм, составляют достаточно узкий класс задач.
Структуры вычислительных систем этого типа, по существу, являются структурами специализированных супер-ЭВМ (большой объем вычислений по одной программе, но с большим количеством данных, подлежащих обработке).
Архитектура МКОД
Множественный поток команд - одиночный поток данных (МКОД)или в английском варианте Multiple Instruction Single Data (MISD) – множественный поток инструкций – одиночный поток данных.
Этот тип архитектуры предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. В современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой параллельно работают различные функциональные блоки, и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды.
Выгоды такого вида обработки понятны. Прототипом таких вычислений может служить схема любого производственного конвейера. В ВС этого типа конвейер должны образовывать группы процессоров. Однако при переходе на системный уровень очень трудно выявить подобный регулярный характер в универсальных вычислениях. Кроме того, на практике нельзя обеспечить и “большую длину” такого конвейера, при которой достигается наивысший эффект. Вместе с тем конвейерная схема нашла применение в так называемых скалярных процессорах супер-ЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.
Архитектура МКМД
Множественный поток команд - множественный поток данных (МКМД) или в английском варианте Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) – множественный поток инструкций – множественный поток данных.
Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственными потоками команд. Такая схема использования вычислительных систем часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности.
Компьютеры могут быть классифицированы по ряду признаков: по принципу действия, назначения, способу организации вычислительного процесса, размерам вычислительной мощности, а также способности к параллельному выполнению программ.
1.1 Классификация ЭВМ по принципу действия. Делятся на 3 больших класса АВМ(аналоговые), ЦВМ(цифровые) и ГВМ(гибридные).
Критерием деления вычислительных машин на эти три класса являются форма представления информации, с которой они работают.
1.2 Классификация ЭВМ по этапам создания. Условно делятся на поколения.
Первое поколение – 50-е годы, ЭВМ на электронных вакуумных лампах.
Второе поколение, 60-е годы; ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).
Третье поколение, 70-е годы; ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе).
Интегральная схема – это электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число электронных элементов, т.е диодов и транзисторов.
Четвертое поколение, 80-е годы; ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах – микропроцессорах (десятки тысяч – миллионы транзисторов в одном
Пятое поколение, 90-е годы; ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;
Шестое и последующие поколения; оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейтронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейтронных биологических систем.
1.3 По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.
Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.
Характерными чертами универсальных ЭВМ является:
2)разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой степени их представления;
3)обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;
4)большая емкость оперативной памяти;
Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.
Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.
1.4 Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям
По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на сверхбольшие, большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ).
Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементарная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции, но производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ – самых мощных вычислительных систем интенсивно развивающихся и в настоящее время. Появление в 70-х годах малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-ЭВМ – вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых ЭВМ, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ. Изобретение в 1969 году микропроцессора привело к появлению в 70-х годах еще одного класса ЭВМ – микроЭВМ.
Устройство ПК.
Разнообразие современных компьютеров очень велико, но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:
1) Память, состоящую из перенумерованных ячеек
2) Процессор, включающий в себя устройство управления и логическая арифметика устройства
3) Устройства Ввода-вывода
Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.
1) Прием информации из других устройств
2) Запоминание информации
3)Выдача информации по запросу в другие устройства машины
1) Обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций
2) Программное управление работой устройств компьютера
Та часть процессора, которая выполняет команды. Называется АЛУ (арифметико-логическое устройство), а другая его часть, выполняющая функции управления устройством называется УУ (устройство управления).
В составе процессора имеется ряд специализированных, дополнительных ячеек в памяти, называемых регистрами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая тригером, которая способна хранить одну двоичную цифру. Регистр представляет собой совокупность тригеров, связанных друг с другом определенным образом общей системой управления. Некоторые важные регистры имеют свои названия:
1) Сумматор-это регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции.
2) Счетчик команд-это регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды.
3) Регистр команд-регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные для хранения кодов адресов операндов.
Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название - системная магистраль).
Шина - это кабель, состоящий из множества проводников. По одной группе проводников - шине данных передаётся обрабатываемая информация, по другой - шине адреса - адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали - шина управления, по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др).
Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины. Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.
Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом, передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки памяти или адрес периферийного устройства. Необходимо, чтобы разрядность шины позволила передать адрес ячейки памяти. Таким образом, словами разрядность шины ограничивает объем оперативной памяти ЭВМ, он не может быть больше чем , где n – разрядность шины. Важно, чтобы производительности всех подсоединённых к шине устройств были согласованы. Неразумно иметь быстрый процессор и медленную память или быстрый процессор и память, но медленный винчестер.
Ниже представлена схема устройства компьютера, построенного по магистральному принципу:
В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию. Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие.
Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок - контроллер (другие названия - адаптер, плата, карта). Для установки контроллеров на материнской плате имеются специальные разъёмы - слоты.
Программное управление работой периферийного устройства производится через программу - драйвер, которая является компонентой операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством.
Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъёмы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты. Последовательные (COM – порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы информации на большие расстояния. Параллельные (LPT - порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы информации на небольшие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства.
Минимальная конфигурация компьютера включает в себя: системный блок, монитор, клавиатуру и мышь.
Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенных для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства ВС является компьютер.
Компьютер – это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных.
Механические первоисточники.
Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения было создано на базе механических часов. В 1623 году его разработал Вильгельм Шикард (Германия). В 1642 году французский механик Блез Паскаль разработал механический калькулятор. В 1673 году математик и философ Лейбниц создал механический калькулятор, который мог выполнять операции умножения и деления путем многократного повторения операций сложения и вычитания.
Идея программирования вычислительных операций пришла из той же часовой промышленности. Старинные монастырские часы были настроены так, чтобы в заданное время включался механизм, связанный с системой колоколов. Такое программирование называется жестким.
Идея гибкого программирования механических устройств с помощью перфорированной бумажной ленты впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке Жаккарда.
В 1666 году Лейбниц предложил к использованию двойную систему счисления, а именно с помощью нуля и единицы.
Занимаясь исследованием законов мышления, Джордж Буль в первой половине XIX века применил в логике систему формальных обозначений и правил, близкую к математической. Впоследствии эту систему назвали логической алгеброй (булевой алгеброй). Результатом формального расчета логического выражения является одного из двух логических значений: истина или ложь.
Не вся система была использована при создании ЭВМ, но четыре операции лежат в основе работы всех видов процессоров современных компьютеров.
Методы классификации компьютеров.
Классификация по назначению:
Он связан с тем, как компьютер применяется:
1) большие ЭВМ – для больших организаций и даже народного хозяйства. На базе таких ЭВМ создают вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов:
- группа системного программирования;
- группа прикладного программирования;
- группа подготовки данных;
- группа технического обслуживания;
- группа информационного обеспечения;
- отдел выдачи данных.
Большие ЭВМ позволяют решать несколько задач. Он переключается с одной задачи на другую и делает это настолько быстро и часто, что у каждого пользователя создается впечатление, будто компьютер работает только с ним. Такое распределение ресурсов ВС носит название принципа разделения времени.
2) мини-ЭВМ – используются крупными предприятиями, НИИ, ВУЗами.
3) микро-ЭВМ – для вычислительных лабораторий.
4) персональные компьютеры (ПК) – предназначены для обслуживания одного рабочего места. ПК, начиная с 1999 года, классифицируются с помощью международного сертификационного стандарта PC99 на следующие категории:
Классификация по уровню специализации:
- универсальные – используются для решения задач широкого круга.
- специализированные – для решения конкретного круга задач (например, бортовые компьютеры, графические станции, файловые и сетевые сервера).
Универсальные компьютеры могут замещать специализированные, но не всегда это эффективно. Критерием оценки эффективности выступает отношение производительности к величине его стоимости.
Классификация по типоразмерам:
- настольные – принадлежат рабочему месту;
- портативные – удобны для транспортировки, работа возможна при отсутствии рабочего места;
- нормальные – выполняют функции «инки». Они позволяют хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ. Многие ПК жестко ориентированы на решение определенных прикладных программ.
Классификация по совместимости:
- аппаратная совместимость – возможность подключения к ПК оборудования разных производителей. Наиболее распространенной аппаратной платформой для аппаратной совместимости является IBM PC;
- совместимость на уровне ОС;
- совместимость на уровне данных.
Классификация по типу используемого процессора.
Процессор – основной компонент ПК, предназначенный для выполнения всех вычислений. Типа процессора характеризует технические свойства компьютера.
Чтобы иметь представление о возможностях ЭВМ, их принято разделять на группы по различным признакам. Совсем недавно разделять ЭВМ по различным признакам не составляло пратически никакого труда. Важно было только обозначить признак классификации, к примеру: по назначению, по производительности, по габаритам, по стоимости, по элементной базе и т. д.
С развитием технологии производства ЭВМ классифицировать их стало все более сложно, так как стирались видимые грани между такими характеристиками, как производительность, емкость внутренней и внешней памяти, габариты, вес, энергопотребление и др. Например, персональный компьютер, для размещения которого вполне достаточно письменного стола, имеет такие же возможности и технические характеристики, что и достаточно совершенная в совсем недалеком прошлом ЭВМ Единой системы (ЕС), занимающая машинный зал в несколько сотен квадратных метров. Поэтому разделение ЭВМ по приведенным признакам не стоит воспринимать как классификацию по техническим параметрам. Это, вероятней всего, эвристический подход, где большую значимость имеет предполагаемая сфера применения компьютеров.
По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса (рис. 5.1): аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).
Рис.5.1. Классификация вычислительных машин по принципу действия.
Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (рис. 5.2).
Рис.5.2. Две формы предоставления информации в машинах:
а- аналоговая; б- цифровая импульсная.
Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) - вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.
Аналоговые вычислительные машины (АВМ) - вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения)
Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; 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 2-5 %). На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.
Гибридные вычислительные машины (ГВМ) - вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
Наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации - электронные цифровыевычислительные машины, обычноназываемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания обихцифровомхарактере.
По этапамсозданияи используемой элементнойбазе ЭВМ условно делятсяна поколения:
1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;
2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах);
3-е поколение, 70-е гг.: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе);
Примечание. Интегральная схема - электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов.
4-е поколение, 80-е гг.: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах - микропроцессорах (десятки тысяч - миллионы транзисторов в одном кристалле);
5-е поколение, 90-е гг.: ЭВМ с многими десятками параллельно работающихмикропроцессоров,позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;
6-е и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой - с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предшествующим существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок.
По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общегоназначения),проблемно-ориентированные и специализированные (рис. 5.3).
Рис.5.3. Классификация ЭВМ по назначению.
Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.
Характерными чертами универсальных ЭВМ являются:
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 ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.
К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.
Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.
К специализированным ЭВМ 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 функциональным возможностям ЭВМ можно разделить (рис. 5.4) на сверхбольшие (суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ).
Рис. 5.4. Классификация ЭВМ по размерам и вычислительной мощности
Функциональные возможности ЭВМ обусловливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:
· быстродействие, измеряемоеусредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;
· разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;
· 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 ЭВМ между собой (внутримашинного интерфейса);
· способность ЭВМ 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 ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ);
· система и структура машинных команд;
· возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;
· эксплуатационная надежность ЭВМ;
· коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.
Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.
Примечание. Первая большая ЭВМ ЭНИАК (Electronic Numerical Integrator and Computer) была создана в 1946 г. (в 1996 г. отмечалось 50-летие создания первой ЭВМ). Эта машина имела массу более 50 т, быстродействие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел; занимала огромный зал площадью около 100 кв.м.
Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.
Появление в 70-х гг. малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой - избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ.
Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-ЭВМ - вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых ЭВМ, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.
Изобретение в 1969 г. микропроцессора (МП) привело к появлению в 70-х гг, еще одного класса ЭВМ - микроЭВМ (рис. 5.5). Именно наличие МП служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.
Рис.5.5. Классификация микроЭВМ.
Многопользовательские микроЭВМ - это мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.
Персональные компьютеры (ПК) - однопользовательские микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.
Рабочие станции (work station) представляют собой однопользовательские мощные микроЭВМ, специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др.).
Серверы (server) - многопользовательские мощные микроЭВМ в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех станций сети.
Конечно, вышеприведенная классификация весьма условна, ибо мощная современная ПК, оснащенная проблемно-ориентированным программным и аппаратным обеспечением, может использоваться и как полноправная рабочая станция, и как многопользовательская микроЭВМ, и как хороший сервер, по своим характеристикам почти не уступающий малым ЭВМ.
Программное обеспечение. Базовое (BIOS), системное, прикладное, средства разработки. Функции ОС. Windows, Linix, FreeBSD. Текстовые процессоры, электронные таблицы, базы данных. Средства Internet. Графические средства. Трансляция программ. Fortran. COBOL. Декомпозиция. Структурное программирование (Дейкстра). Три управляющие конструкции. 1971 – Вирт, Паскаль. Фирма Borland (Ф. Кан). Керниган и Ричи, ООП.
Читайте также: