ЭВМ. Понятие. Основные характеристики и архитектура. История создания вычислительных машин. Поколения ЭВМ. Области применения и классификация ЭВМ.
ЭВМ (электронно-вычислительная машина) — это комплекс технических и программных средств, предназначенные для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.
Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ.
К основным характеристикам ЭВМ относятся:
Быстродействие — это число команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду.
Сравнение по быстродействию различных типов ЭВМ, не обеспечивает достоверных оценок. Очень часто вместо характеристики быстродействия используют связанную с ней характеристику производительность.
Производительность — это объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени.
Применяются также относительные характеристики производительности. Фирма Intel для оценки процессоров предложила тест, получивший название индекс iCOMP (Intel ComparativeMicroprocessor Performance). При его определении учитываются четыре главных аспекта производительности: работа с целыми числами, с плавающей запятой, графикой и видео. Данные имеют 16- и 32-разрядной представление. Каждый из восьми параметров при вычислении участвует со своим весовым коэффициентом, определяемым по усредненному соотношению между этими операциями в реальных задачах.
Емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находится в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.
Наименьшей структурной единицей информации является бит — одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения следующими единицами измерения служат 1 Гбайт = 1024 Мбайта, 1 Мбайт = 1024 Кбайта, 1 Кбайт = 1024 Байта, 1 Байт = 8 бит.
Емкость оперативной памяти (ОЗУ) и емкость внешней памяти (ВЗУ) характеризуются отдельно. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.
Надежность — это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов) 2382/14-78).
Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Применеие сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) резко сокращают число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранение неисправностей.
Точность — это возможность различать почти равные значения (стандарт ISO — 2382/2-76).
Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными единицами представления информации (байтом, словом, двойным словом).
Достоверность — это свойство информации быть правильно воспринятой.
Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратурно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.
Структура — это совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств.
Архитектура ЭВМ — это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.
Обобщенная структура ЭВМ
Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры — схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач.
Структуру ЭВМ определяет следующая группа характеристик:
· технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации т.д.);
· характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;
· состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).
Вычислительная мощность компьютера по годам
Часто называемая мощностью и скоростью процессора, и разными другими именами, вычислительная мощность — это способность компьютера обрабатывать данные. Вычислительная мощность зависит от архитектуры (и тактовой частоты) процессора — обычно процессоры с более высокой тактовой частотой и с большим размером машинного слова имеют большую вычислительную мощность.
Вы должны запомнить два основных факта о вычислительной мощности:
Вычислительная мощность фиксирована
Вычислительную мощность нельзя сохранить
Вычислительная мощность фиксирована в том смысле, что процессор имеет чётко определённую скорость. Например, если вам нужно сложить два числа (это действие в большинстве архитектур выполняется за одну машинную команду), конкретный процессор может выполнить это только с какой-то определённой скоростью. За редкими исключениями, нельзя не только сильно увеличить скорость обработки команд процессором, но и уменьшить её.
Вычислительная мощность фиксирована ещё в одном плане — она конечна. То есть существуют ограничения типов процессоров, которые можно поставить в определённый компьютер. Некоторые компьютеры поддерживают широкий диапазон процессоров с разной частотой, тогда как другие могут вообще не допускать замену процессора [1] .
Вычислительную мощность нельзя сохранить для последующего использования. Другими словами, если процессор может выполнить за одну секунду 100 миллионов команд, одна секунда простоя равносильно потере времени, достаточного для выполнения 100 миллионов команд.
Если мы примем эти факты, и посмотрим на них в несколько другом ракурсе, мы можем сказать, что процессор «производит» поток исполняемых команд с фиксированной скоростью. И если процессор «производит» выполненные команды, значит, что-то должно «потреблять» их. Эти потребители описываются в следующем разделе.
Основными потребителями вычислительной мощности являются:
Сама операционная система
Наиболее очевидными потребителями вычислительной мощности являются приложения и программы, которые по вашему желанию выполняет компьютер. От электронных таблиц до базы данных — приложения являются причиной, объясняющей существование у вас компьютера.
Простой однопроцессорный компьютер может делать в определённый момент времени только одно дело. Следовательно, если одно ваше приложение работает, всё остальное — нет. И конечно, также верно противоположное — если работает не ваше приложение, ваше приложение простаивает.
Но как же тогда в современных операционных системах одновременно может работать много разных приложений? Ответ заключается в том, что эти операционные системы многозадачны. Другими словами, они создают иллюзию того, что много всего происходит одновременно, хотя на самом деле это невозможно. Хитрость состоит в том, чтобы дать каждому процессу долю секунды для использования процессора, прежде чем другой процесс получит процессор на ещё одну долю секунды. Если такие переключения контекстов происходят достаточно часто, достигается впечатление, что несколько приложений работают одновременно.
Конечно, помимо обработки данных с помощью процессора, приложение выполняют и другие действия. Они могут ожидать ввода пользователя, а также выполнения операций ввода/вывода разными устройствами, например, дисками или графическими адаптерами. В таких случаях приложению больше не нужен процессор. И в это время процессор может использоваться другими приложениями, вовсе не выделяя время ждущему приложению.
Кроме этого процессор может использоваться ещё одним потребителем вычислительной мощности: самой операционной системой.
Важно определить, сколько вычислительной мощности потребляется операционной системой. Это объясняется тем, что операционная система в своей работе использует смесь кода уровня процессов и уровня системы. Хотя, например, с помощью монитора процессов легко определить, что делает процесс демона или службы , гораздо сложнее определить, сколько вычислительной мощности уходит на обработку ввода/вывода на уровне системы (это обычно происходит в контексте процесса, выполняющего ввод/вывод).
Говоря в общем, такого рода производственные издержки операционной системы можно разделить на две категории:
Обслуживание операционной системы
Действия, связанные с процессами
Обслуживание операционной системы включает в себя такие действия, как планирование процессов и управление памятью, тогда как действия, связанные с процессами (в частности с процессами, поддерживающими работу самой системы) — это, например, ведение системных журналов или сброс кэша ввода/вывода.
Если для выполнения необходимой вам работы недостаточно вычислительной мощности, у вас есть два выхода:
Иногда нагрузку процессора можно снизить без затрат денежных средств. Фокус состоит в том, чтобы определить, какие аспекты нагрузки вы можете исключить. Обратите внимание на следующие направления:
Снижение издержек работы операционной системы
Снижение издержек работы приложений
Ликвидация приложений целиком
Чтобы сократить эти издержки, вы должны проанализировать текущую нагрузку вашей системы и определить, какие аспекты её работы создают неприемлемую нагрузку. В частности, вы можете:
Сократить необходимость в частом переключении процессов
Сократить объём выполняемых операций ввода/вывода
Но не ждите чуда, в разумно настроенной системе вы вряд ли добьётесь заметного увеличения быстродействия, пытаясь сократить издержки операционной системы. Объясняется это тем, что разумно настроенная система, по определению настроена так, что издержки минимальны. Однако, если, например, в вашем компьютере очень мало памяти, возможно, вам удастся уменьшить издержки, сократив требования к памяти.
Снижение издержек работы приложений означает обеспечение благоприятных условий для работы приложения. Некоторые приложения ведут себя очень по-разному в разных окружениях — например, при обработке одних данных приложение может выполнять вычисления более интенсивно, чем при обработке других.
Важно осознать, что если вы намерены добиться максимально эффективной работы приложений, вы должны понимать, как они работают. Часто это означает, что вы должны сотрудничать с пользователями и/или разработчиками, чтобы найти пути повышения эффективности приложений.
Возможно, в некоторых организациях этот подход недопустим, так как часто вовсе не системный администратор определяет, какие приложения должны работать, а какие нет. Однако, если вы сможете определить приложения, «пожирающие» процессор, возможно, вам удастся убедить власть имущих отказаться от этих приложений.
При этом, скорее всего, участвовать в этом будете не только вы. Определённо частью этого процесса станут пользователи, во многих случаях они обладают необходимыми знаниями и политической властью, чтобы изменить состав приложений.
Учтите, что не всегда приложение обязательно ликвидировать на абсолютно всех компьютерах вашей организации. Возможно, вы сможете перенести требовательное к процессору приложение с перегруженного компьютера на тот, что почти не используется.
Конечно, если уменьшить потребность в вычислительной мощности невозможно, вы должны искать способы увеличения доступной мощности. Это будет стоить денег, но сделать это можно.
Самое простое, что можно сделать — определить, можно ли заменить процессор компьютера. Для этого сначала нужно определить, можно ли извлечь текущий процессор. В некоторых компьютерах (в основном в портативных) процессоры впаяны в плату, что делает замену невозможной. Однако в остальных компьютерах процессоры устанавливаются в разьём, что позволяет заменять их — по крайней мере, в теории.
Затем вы должны провести исследование и определить, есть ли более быстрые процессоры, подходящие для вашего компьютера. Например, если в данный момент у вас процессор 1 Ггц, и на рынке есть процессор того же типа, но с частотой 2 Ггц, возможно, вам удастся заменить старый.
Наконец вы должны определить, какую максимальную частоту поддерживает ваш компьютер. В продолжение приведённого выше примера, даже если существует процессор нужного типа с частотой 2 Ггц, но ваш компьютер поддерживает только процессоры с частотой 1 Ггц и ниже, просто заменить процессор не получится.
Если вы обнаружите, что установить более быстрый процессор не удастся, вам остаётся только менять материнскую плату или провести дорогостоящую упомянутую ранее «модернизацию с помощью погрузчика».
Однако некоторые компьютерные платформы позволяют реализовать несколько другой подход. Вместо того, чтобы заменять текущий процессор, почему бы не добавить ещё один?
Технология симметричной многопроцессорной обработки (Symmetric MultiProcessing, SMP) позволяет устанавливать в компьютер несколько процессоров, которые при этом будут разделять все ресурсы компьютера. Это значит, что в отличие от однопроцессорной системы, SMP-компьютер может действительно выполнять в один момент времени несколько процессов.
На первый взгляд кажется, что это просто мечта системного администратора. Первое и самое главное то, что SMP позволяет увеличивать мощность процессора, даже если заменить его на более быстрый нельзя — для этого всего лишь добавляется ещё один процессор. Однако этот гибкий подход имеет некоторые недостатки.
Первое — не все компьютеры поддерживают SMP. Чтобы в ваш компьютер можно было установить несколько процессоров, это должна поддерживать материнская плата. В противном случае может потребоваться заменить материнскую плату (как минимум).
Второй недостаток — с многопроцессорной обработкой связаны дополнительные издержки. Это объясняется тем, что чем больше процессоров, время которых должно быть распланировано, тем больше циклов процессора операционная система тратит на это планирование. Есть и ещё один недостаток — при большом количестве процессоров может увеличиваться конкуренция при обращении к ресурсам компьютера. Вследствие этих факторов установка в компьютер с двумя процессорами ещё двух не приводит к удвоению доступной вычислительной мощности. На самом деле, в зависимости от реального оборудования, рабочей нагрузки и архитектуры процессора, можно достигнуть такой точки, когда добавление ещё одного процессора в действительности ухудшит производительность.
Важно помнить также о том, что SMP не ускорит работу одного цельного приложения с единственным потоком команд. Другими словами, большая программа со сложными вычислениями, работающая в рамках одного процесса и одного потока, на компьютере SMP не будет быстрее, чем на однопроцессорном. И в действительности она может работать даже несколько медленнее, по причине появившихся издержек, связанных с SMP. Поэтому, когда заходит разговор о вычислительной мощности, многие системные администраторы считают, что надо идти по пути увеличения быстродействия обработки в одном потоке. Это даёт максимум вычислительной мощности, при этом с её использованием связано меньше ограничений.
Хотя из этого суждения можно заключить, что идея SMP никогда не была хороша, в некоторых обстоятельствах она вполне оправдана. Например, для применения SMP хорошо подходят окружения с большим числом приложений, очень требовательных к ресурсам процессора, так как при работе приложений, в течение длительного времени занимающихся только вычислениями, конкуренция между активными процессами (а значит, и издержки операционной системы) минимальна, и при этом все процессоры загружены.
Также следует учесть, что при увеличении нагрузки производительность SMP-компьютера обычно снижается более плавно. Благодаря этому технология SMP стала популярна в среде серверов и окружениях с множеством пользователей, так как постоянно меняющийся набор процессов влияет на загруженность такого компьютера меньше, чем однопроцессорного.
Замечания
В результате этого возникает необходимость так называемого «модернизация с помощью погрузчика» , то есть полной замены компьютера.
Классификация ЭВМ по размерам и вычислительной мощности
лые и сверхмалые (микрокомпьютеры или микроЭВМ).
Функциональные возможности компьютеров обусловлены такими важ-
нейшими технико-эксплуатационными характеристиками, как:
□ быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, вы-
полняемых машиной за единицу времени;
□ разрядность и формы представления чисел, которыми оперирует компь-
□ номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих уст-
□ номенклатура и технико-экономические характеристики внешних уст-
ройств 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 пользо-
вателями и выполнять параллельно несколько программ (многозадачность);
□ типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных сис-
тем, используемых в машине;
□ наличие и функциональные возможности программного обеспечения;
□ способность выполнять программы, написанные для других типов ком-
пьютеров (программная совместимость с другими типами компьютеров);
□ система и структура машинных команд;
□ возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;
□ эксплуатационная надежность компьютера;
□ коэффициент полезного использования компьютера во времени, опре-
деляемый 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 сте-
Первая большая ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)
была создана в 1946 году. Эта машина весила более 30 тонн, имела быстродей- ствие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел, занимала зал площадью около 150 м2.
Производительность больших компьютеров оказалась недостаточной для ряда задач (прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборон- ными комплексами, биологических исследований, моделирования экологиче-
ских систем и др.).Это явилось предпосылкой для разработки и создания су- перкомпьютеров,самых мощных вычислительных систем, интенсивно разви- вающихся 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 приложе- ний. Малые компьютеры используются чаще всего для управления технологи- ческими процессами. Они более компактны и существенно дешевле больших
компьютеров. Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-компьютера — 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 МП послужило первоначально определяющим признаком микроком-
пьютеров. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах компьютеров.
Рассмотрим кратко современное состояние некоторых классов компьюте-
Большие компьютеры
Большие компьютеры за рубежом часто называют мэйнфреймами(main- frame); к ним относят, как правило, компьютеры, имеющие:
□ высокую производительность не менее 100 MIPS;
□ большую основную память;
□ внешнюю память не менее 100 Гбайт;
□ многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от
16 до 1000 пользователей).
Основные направления эффективного применения мэйнфреймов — реше-
ние научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вы-
числительными сетями и их ресурсами. Последнее направление — использова-
ние мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей — часто отмечается специалистами как наиболее актуальное.
ПРИМЕЧАНИЕ
Мэйнфреймы часто именуются большими серверами (серверами-мэйнфреймами). В принципе это допустимо, но иногда вносит путаницу в терминологию. Дело в том, что сер- веры — это многопользовательские компьютеры, используемые в вычислительных сетях. Серверы обычно относят к микрокомпьютерам, но по своим характеристикам мощные сер- веры можно отнести и к малым компьютерам, и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы при- ближаются к суперкомпьютерам. Сервер — это классификационная группа компьютеров, выделяемая по сфере применения компьютеров, а микрокомпьютеры, малые компьютеры, мэйнфреймы, суперкомпьютеры — это классификационные группы компьютеров, выделяе- мые по размерам и функциональным возможностям.
Родоначальником современных больших компьютеров, по стандартам ко- торых 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 оче-
редь 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);
□ S/390 и AS/400 (4-е поколение).
Распространенными в мире являются и японские компьютеры М 1800 фирмы Fujitsu и Millennium фирмы Amdahl (теперь дочернего предприятия корпорации Fujitsu), а также мэйнфреймы 8/*, 9/*, 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 — много- процессорные компьютеры, соответственно, с 4, 6 и 8 процессорами; последняя старшая модель имеет основную память емкостью 2 Гбайт и 256 каналов ввода- вывода.
Немецкая фирма Comparex выпускала мэйнфреймы 3-го поколения (сейчас поставляются second hand системы): модели 8/8х, 8/9х, 9/8хх, 9/9хх, 99/ххх, со- держащие до 8 процессоров, оперативную память до 8 Гбайт и имеющие про- изводительность от 20 до 385 MIPS. В настоящее время производятся мэйн- фреймы 4-го поколения: М2000 и С2000, имеющие производительность, соот- ветственно, 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 уменьши-
лись габариты (конструктив 1-2 шкафа) и потребляемая мощность (8-
процессорная модель М2000 потребляет 50 КБ А, а 8-процессорная модель
99/ххх — 171 КВА и требует водяного охлаждения).
Зарубежными фирмами рейтинг мэйнфреймов определяется по многим показателям, среди них:
□ емкость основной и внешней памяти;
□ время обращения к основной памяти;
□ время доступа и трансфер внешних запоминающих устройств;
□ количество каналов и эффективность системы ввода-вывода;
□ аппаратная и программная совместимость с другими компьютерами;
□ поддержка сети и т. д.
Малые компьютеры
□ Малые компьютеры (миниЭВМ)— надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравне- нию с мэйнфреймами возможностями.
Все модели миникомпьютеров разрабатываются на основе микропроцес- сорных наборов интегральных микросхем, 32, 64 и 128-разрядных микропро- цессоров. Основные их особенности:
□ широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения;
□ аппаратная реализация большинства системных функций ввода-
□ простая реализация многопроцессорных и многомашинных систем;
□ высокая скорость обработки прерываний;
□ возможность работы с форматами данных различной длины.
К достоинствам миникомпьютеров можно отнести:
□ специфичную архитектуру с большой модульностью;
□ лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность—цена;
□ повышенную точность вычислений.
Миникомпыотеры ориентированы на использование в качестве управляю- щих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками меж-
процессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислитель- ных систем с изменяемой структурой. Наряду с использованием миникомпью- теров для управления технологическими процессами, они успешно применяют-
ся для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в сис- темах автоматизированного проектирования, в системах моделирования не- сложных объектов, в системах искусственного интеллекта.
Родоначальником современных миникомпьютеров можно считать компь- ютеры PDP-11 фирмы DEC(США), они явились прообразом и наших отечест- венных миниЭВМ — Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ 1, 2, 3, 4, 1400, 1700
и т. д. В настоящее время семейство миникомпьютеров PDP-11 включает большое число моделей, начиная от VAX-11 до VAX-3600; мощные модели миникомпьютеров класса 8000 (VAX-8250, 8820); суперминикомпыотеры клас-
са 9000 (VAX-9410, 9430) и т. д.
Миникомпыотеры VAX полностью перекрывают весь диапазон характери- стик этого класса компьютеров и в подклассе суперминикомпьютеров стирают грань с мэйнфреймами.
Среди прочих миникомпьютеров следует отметить:
□ однопроцессорные: IBM 4381, HP 9000;
□ многопроцессорные: Wang VS 7320, AT&T ЗВ 4000;
□ суперминикомпыотеры HS 4000, по характеристикам не уступаю-
Микрокомпьютеры
Микрокомпьютерывесьма многочисленны и разнообразны. Среди них можно выделить несколько подклассов (рис. 6.6).
□ Многопользовательские микрокомпьютеры — это мощные микроком-
пьютеры, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу
□ Персональные компьютеры — однопользовательские микрокомпьютеры,
удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности примене-
□ Рабочие станции (workstation) представляют собой однопользователь- ские микрокомпьютеры, часто специализированные для выполнения опреде- ленного вида работ (графических, инженерных, издательских и т. д.).
□ Серверы (server) — многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети.
□ Сетевые компьютеры (network computer) — упрощенные микрокомпью- теры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто спе- циализированные на выполнение определенного вида работ (защита сети от не- санкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, элек- тронной почты и т. д.).
Персональные компьютеры(ПК) относятся к классу микрокомпьютеров,
но ввиду их массовой распространенности заслуживают особого внимания. ПК для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности приме- нения должна обладать такими качествами, как:
□ малая стоимость ПК, находящаяся в пределах доступности для ин-
□ автономность эксплуатации без специальных требований к услови-
ям окружающей среды;
□ гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптируемость к разно-
образным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;
□ дружественность операционной системы и прочего программного обес-
печения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специ-
альной профессиональной подготовки;
□ высокая надежность работы (более 5000 часов наработки на отказ).
Среди современных ПК в первую очередь следует отметить компьютеры американской фирмы IBM (International Business Machine Corporation).
Широко известны персональные компьютеры, выпускаемые американски-
ми фирмами: Apple (компьютеры Macintosh), Compaq Computer, Hewlett-
Packard, Dell, DEC (Digital Equipment Corporation), а также фирмами Велико- британии: Spectrum, Amstrad; Франции: Micral; Италии: Olivetti; Японии: To- shiba, Matsushita (Panasonic) и Partner.
Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьютеры фирмы IBM, первые модели которых появились в 1981 году, и их
аналоги других фирм; существенно уступают по популярности ПК фирмы Ap- ple (Macintosh), занимающие по распространенности 2-е место.
В настоящее время мировой парк компьютеров составляет более четверти миллиарда штук, из них около 90% — это персональные компьютеры (компью-
теров типа IBM PC более 80% всех ПК).
Отечественная промышленность (страны СНГ) выпускала микрокомпью-
□ Apple-совместимые — диалоговые, вычислительные комплексы ДВК-1-
ДВК-4 на основе «Электроника МС-1201»; «Электроника 85», «Электроника
□ IBM PC-совместимые — ЕС1840-ЕС1842, ЕС1845, ЕС1849, ЕС1861, «Ис-
кра 1030», «Истра 4816», «Нейрон И9.66» и т. д.
По поколениям персональные компьютеры делятся на:
o 1-го поколения: используют 8-битовые микропроцессоры;
o2-го поколения: используют 16-битовые микропроцессоры;
o3-го поколения: используют 32-битовые микропроцессоры;
o4-го поколения: используют 64-битовые микропроцессоры.
Суперкомпьютеры
К суперкомпьютерамотносятся мощные многопроцессорные вычисли- тельные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду.
Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропро-
цессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленно-
го конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300
000 км/с), поскольку время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 милли- ардов операций в секунду становится соизмеримым со временем выполнения
одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде высокопарал-
лельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).
Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей.
1. Магистральные(конвейерные) МПВС, у которых процессор одновре- менно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабаты- ваемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к систе- мам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD — Multiple Instruction Single Data).
2. ВекторныеМПВС, у которых все процессоры одновременно выпол-
няют одну команду над различными данными — однократный поток команд с
многократным потоком данных (ОКМД или SIMD – Single Instruction Multiple
3. МатричныеМПВС, у которых микропроцессор одновременно выпол- няет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых дан- ных – многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD – Multiple Instruction Multiple Data).
Условные структуры однопроцессорной (SISD) и названных многопроцес-
сорных ВС показаны на рис. 6.7.
В суперкомпьютере используются все три варианта архитектуры МПВС:
□ структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпь-
ютере BSP фирмы Burrought);
□ параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть много-
процессорная (Multiple) MISD архитектура (например в суперкомпьютере
□ параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопро-
цессорная SIMD архитектура (например в суперкомпьютере Cray 2).
Наибольшую эффективность показала MSIMD архитектура, поэтому в со- временных суперкомпьютерах чаще всего находит применение именно она (су- перкомпьютеры фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachi и т. д.)- Первый суперкомпью- тер был задуман в 1960 и создан в 1972 году (машина ILLIAC IV с производи- тельностью 20 MFLOPS), а начиная с 1975 года лидерство в разработке супер- компьютеров захватила фирма Cray Research, выпустившая Cray 1 с производи- тельностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 8 Мбайт, а в 1984 го- ду — Cray 2, в полной мере реализовавший архитектуру MSIMD и ознамено- вавший появление нового поколения суперкомпьютеров. Производительность Cray 2 — 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти — 2 Гбайт (классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресурсов компьютера — «ка- ждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайт оперативной памяти»).
В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперкомпью-
теров, начиная от простых офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y- MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SX-3 и SX-X
компании NEC, VP 2000 компании Fujitsu (обе фирмы японскиеХ VPP 500 ком-
пании Fujitsu Siemens (немецко-японская) и т. д., производительностью не-
сколько десятков тысяч MFLOPS.
Среди лучших суперкомпьютеров можно отметить и отечественные супер-
компьютеры. В сфере производства суперкомпьютеров Россия, пожалуй, впер-
вые, представила собственные оригинальные модели компьютеров (все осталь- ные, включая и ПЭВМ, и малые ЭВМ, и универсальные компьютеры за редким исключением, например ЭВМ «Рута НО», копировали зарубежные решения, и, в первую очередь, разработки фирм США).
В СССР, а позднее в России была разработана и реализуется (сейчас, прав- да, почти заморожена) государственная программа разработки суперкомпьюте- ров. В рамках этой программы были спроектированы и выпущены такие супер-
компьютеры, как повторяющая Cray-архитектуру модель «Электроника СС БИС», оригинальные разработки: ЕС 1191, ЕС 1195, ЕС 1191.01, ЕС 1191.10,
detector