Классификация ЭВМ

5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ

Классификация ЭВМ по принципу действия

Электронная вычислительная машина, компьютер — комплекс техни­ческих средств, предназначенных для автоматической обработки информа­ции в процессе решения вычислительных и информационных задач.

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).

Рекомендуемые материалы

Рис. 5.2.  Две формы представления 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 цифровые вычислительные машины, обычно называе­мые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.

Классификация ЭВМ по этапам создания

По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на 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 работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;

б-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.

Классификация ЭВМ по назначению

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированнные (рис. 5.3).

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:

• 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   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.

Классификация ЭВМ по размерам и  

 функциональным возможностям

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, измеряемое усредненным 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.

Некоторые сравнительные параметры названных классов современных ЭВМ показаны в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Сравнительные параметры классов современных ЭВМ

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 : большой ЭВМ.

Изобретение в 1969 г. микропроцессора (МП) привело к появлению в 70-х гг. еще одного класса ЭВМ — микро ЭВМ (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 современна 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 уступающим малым ЭВМ.

Рассмотрим кратко современное состояние некоторых классов ЭВМ.

5.2. БОЛЬШИЕ ЭВМ

Большие ЭВМ за рубежом часто называют мэйнфреймами (Mainframe). К мэйнфреймам относят, как правило, компьютеры, имеющие следующие характеристики:

• производительность не менее 10 MIPS;

• основную память емкостью от 64 до 10000 Мбайт;

• внешнюю память не менее 50 Гбайт;

• многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 100
пользователей).

Основные направления эффективного применения мэйнфреймов — это 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 среди наиболее актуальных.

Родоначальником современных больших ЭВМ, по стандартам которой в последние несколько десятилетий развивались ЭВМ этого класса в большинстве стран мира, является фирма IBM. Ее модели IBM 360 и IBM 370, их архитектура и программное обеспечение взяты за основу и при создании отечественной системы больших машин ЕС ЭВМ.

Среди лучших современных разработок мэйнфреймов за рубежом следует в первую очередь отметить: американские IBM 390, IBM 4300 (4331,4341, 4361,4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 г., и IBM ES/9000, созданные в 1990 г., а также японские компьютеры М 1800 фирмы Fujitsu.

Семейство мэйнфреймов IBM ES/9000 (ES — Enterprise System — система (сеть) мас­штаба предприятия) открывает новое семейство больших ЭВМ, включающее 18 моделей компьютеров, реализованных на основе архитектуры IBM 390:

• 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.

Семейство мэйнфреймов М 1800 фирмы Fujitsu пришло в 1990 г. 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 ЭВМ соответственно с 4, 6 и 8 процессорами;
последняя, старшая модель имеет основную память емкостью 2 Гбайта и 256 каналов ввода-
вывода.

Последние, наиболее мощные модели отечественных больших ЭВМ существенно ус­тупают по своим характеристикам зарубежным типам этих машин:

• ЕС 1068 имеет производительность 10 MIPS и основную память емкостью 32 Мбайта;

• ЕС1087 — 15 MIPS и 128 Мбайт;

• ЕС И 30 —50 MIPS и 8 Мбайт;

• ЕС 1170 {4-процессорный вариант) — 20 MIPS и 64 Мбайта.

Зарубежные фирмы определяют рейтинг мэйнфреймов, учитывая многие показатели:

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;

аппаратную и программную совместимость с другими ЭВМ;

поддержку сети и др.

"Слухи о смерти мэйнфреймов сильно преувеличены": по данным экспертов, на мэйнфреймах сейчас находится около 70% "компьютерной" информации; только в США в 1995 г. было установлено 40 тыс. мэйнфреймов. В России в настоящее время используется около 5 тыс. ЕС ЭВМ и примерно столько же фирменных мэйнфреймов: IBM (ES/9000 ус­тановлены в нескольких банках, на автозаводах, металлургических комбинатах), Hitachi Data System, Fujitsu и др.

5.3. МАЛЫЕ ЭВМ

Малые ЭВМ (мини-ЭВМ) — надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями.

Мини-ЭВМ (и наиболее мощные из них су пер мини-Э В М) обладают следую­щими характеристиками:

• производительность — до 100 MIPS;

• емкость основной памяти — 4-512 Мбайт;

• емкость дисковой памяти — 2-100 Гбайт;

• число поддерживаемых пользователей — 16-512.

Все модели мини-ЭВМ разрабатываются на основе микропроцессорных наборов ин­тегральных микросхем, 16-, 32-, 64-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-ЭВМ можно отнести: специфичную архитектуру с большой мо­дульностью, лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность/цена, повы­шенная точность вычислений.

Мини-ЭВМ 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 для управления технологическими процессами мини-ЭВМ успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных систе­мах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования неслож­ных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Родоначальником современных мини-ЭВМ можно считать компьютеры PDP-11 (Pro­gram Driven Processor — программно-управляемый процессор) фирмы DEC (Digital Equip­ment Corporation — Корпорация дискретного оборудования, США), они явились прообразом и наших отечественных мини-ЭВМ — Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ 1, 2,3,4, 1400, 1700 и др.

В настоящее время семейство мини-ЭВМ PDP-11 включает большое число моделей — от VAX-И до VAX-3600; мощные модели мини-ЭВМ класса 8000 (VAX-8250, 8820); супермини-ЭВМ класса 9000 (VAX-9410, 9430) и др.

Модели VAX обладают широким диапазоном характеристик:

количество процессоров — от 1 до 16;

производительность — от 1 до 600 MIPS;

емкость основной памяти — от 4 Мбайт до 2 Гбайт;

емкость дисковой памяти— от 2 до 300 Гбайт;

число каналов ввода-вывода — до 32.

Иными словами, мини-ЭВМ VAX полностью перекрывают весь диапазон характерис­тик этого класса компьютеров и в подклассе супермини стирают грань с мэйнфреймами.

Среди прочих мини-ЭВМ следует отметить:

• однопроцессорные: IBM 43 81, HP 9000;

• многопроцессорные: Wang VS 7320, AT&T 3В 4000;

• супермини-ЭВМ HS 4000, по характеристикам не уступающая мэйнфреймам.

5.4. ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ

Персоналъный компьютер для удовлетворения требованиям общедоступности и нереальности применения должен иметь следующие характеристики:

малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального поку­пателя;

автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

гибкость архитектуры, обеспечивающую ее адаптивность к разнообразным примене­ниям в сфере управления, науки, образования, в быту;

"дружественность" операционной системы и прочего программного обеспечения, обу­словливающую возможность работы с ней пользователя без специальной профессио­нальной подготовки;

высокую надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).

Среди зарубежных ПК (табл. 5.2) следует отметить компьютеры американской фирмы VI: IBM PC/XT, IBM PC/AT на микропроцессорах 80286 (16-разрядные), IBM PS/2 8030 -12 8080 (PS — Personal System), все PS, кроме PS/2 8080, — 16-разрядные, PS/2 8080 — •разрядная, IBM PC на МП 80386 и 80486 (32-разрядные), IBM PC на МП Pentium и Pen-in Pro (64-разрядные).

Широко известны персональные компьютеры, выпускаемые американскими фирмами: mpaq Computer, Apple (Macintosh), Hewlett Packard, Dell, DEC, а также фирмами Великобритаании: Spectrum, Amstrad; Франции: Micral; Италии: Olivetty; Японии: Toshiba, Panasonic.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьютеры клона (архитектуры определенного направления) IBM, первые модели которых появи­сь в 1981г. Существенно им уступают по популярности персональные компьютеры клона 1C (Digital Equipment Corporation).

В начале 90-х гг. мировой парк компьютеров составлял примерно 150 млн. шт., из них около 90% — это персональные компьютеры, в частности профессиональных ПК типа IBM : более 100 млн. шт. (около 75% всех ПК); профессиональных ПК типа DEC около 5 млн.

За рубежом самыми распространенными моделями компьютеров в настоящее время являются IBM PC с микропроцессорами Pentium и Pentium Pro.

Примечание. Производство ПК с МП 80486 и ниже практически уже прекра­щено.

Отечественная промышленность (страны СНГ) выпускала DEC-совместимые (диалоговые вычислительные комплексы ДВК-1 — ДВК-4 на основе Электроники МС-1201, Электроники 85, Электроники 32 и др.) и IBM PC-совместимые (ЕС 1840 — ЕС 1842, ЕС 1845, Л849, ЕС1861, Искра 1030, Искра 4816, Нейрон И9.66 и др.) компьютеры. Остальные типы отечественных ПК (Агат, Микроша, Спектр, Орбита, БК и др.) существенно уступают своим характеристикам вышеназванным. Причем если еще лет 10-15 назад мы ориентировались в основном на DEC-совместимые ПК, то сейчас подавляющее большинство отечественных персональных компьютеров собирается из импортных комплектующих и носится к IBM PC-совместимым.

Таблица 5.2. Усредненные характеристики современных ПК IBM PC

Персональные компьютеры можно классифицировать по ряду признаков. По поколениям персональные компьютеры делятся следующим образом:

• ПК 1-го поколения — используют 8-битные микропроцессоры;

• ПК 2-го поколения — используют 16-битные микропроцессоры;

• ПК 3-го поколения — используют 32-битные микропроцессоры;

• ПК 4-го поколения — используют 64-битные микропроцессоры.
Классификация ПК по конструктивным   особенностям   показана на рис. 5.6.

Рис. 5.6.  Классификация персональных компьютеров по конструктивным особенностям

5.5. СУПЕРЭВМ

К суперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду.

Типовая модель суперЭВМ 2000 г., по прогнозу, будет иметь следующие характеристики:

• высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродействием примерно 100 000 MFLOPS;

• емкость: оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1-10 Тбайт (1 Гбайт = 1000 Гбайт);

• разрядность 64; 128 бит.

Фирма Cray Research намерена к 2000 г. создать суперЭВМ производительностью TFLOPS = 1 000 000 MFLOPS.

Создать такую высокопроизводительную ЭВМ по современной технологии на одном микропроцессоре не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), ибо время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд. оп/с становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поэтому суперЭВМ создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

 магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых дан­ных; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD — Multiple Instruction Single Data);

векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными — однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD — Single Instruction Multiple Data); 

матричные МПВС, в которых МП одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных — мно­гократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD — Multiple Instruction Multiple Data).

Условные структуры однопроцессорной (SISD — Single Instruction Single Data) и названных многопроцессорных вычислительных систем показаны на рис. 5.7 .

В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:

структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burroughs);

параллельно-конвейерная модификация, иначе, MMISD, т.е. многопроцессорная (Mul­tiple) MISD-архитектура (например, в суперкомпьютере "Эльбрус 3 ^» );

параллельно-векторная модификация, иначе, MSIMD, т.е. многопроцессорная SIMD-архитектура например, в суперкомпьютере Cray 2).

Наибольшую эффективность показала MSIMD-архитектура, поэтому в современных суперЭВМ чаще всего используется именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujitsu, ЕС, Hitachi и др.).

Первая суперЭВМ была задумана в 1960 г. и создана в 1972 г. (машина ILLIAC IV с производительностью 20 MFLOPS), а начиная с 1974 г. лидерство в разработке суперЭВМ 1хватила фирма Cray Research, выпустившая ЭВМ Cray 1 производительностью 50 MFLOPS и объемом оперативной памяти 64 Мбайта, а в 1984 г. — ЭВМ Cray 2, в полной мере реализовавшую архитектуру MSIMD и ознаменовавшую появление нового поколения суперЭВМ. Производительность Cray 2 — 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти — 2 Гбайта. Классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресурсов ЭВМ — каждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайта оперативной памяти.

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперЭВМ (в 1991 г. — )0 шт.), начиная от простеньких офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray -МР С90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SX-3 и SX-X фирмы NEC, P 2000 фирмы Fujitsu (Япония), VPP 500 фирмы Siemens (ФРГ) и др., производительностью несколько десятков тысяч MFLOPS; среди лучших суперЭВМ можно отметить и отечественные суперкомпьютеры.

Рис. 5.7.  Условные структуры вычислительных систем:

а — SISD (однопроцессорная); б — MISD (конвейерная);

в — SIMD (векторная); г — MIMD (матричная)

В сфере суперЭВМ Россия, пожалуй, впервые представила собственные оригинальные модели ЭВМ. Все остальные: и ПК, и малые, и универсальные ЭВМ, за редким исключением (например, ЭВМ Рута ПО), на базе отечественной технологии копировали зарубежные разработки (в первую очередь разработки фирм США).

В СССР, а позднее в России была разработана и реализуется (сейчас, правда, почти заморожена) государственная программа разработки суперкомпьютеров. По этой программе были разработаны и частично выпущены такие суперЭВМ, как повторяющая архитектура Cray Электроника СС БИС; оригинальные разработки: ЕС 1191, 1195, 1191.01, 1191.1 Эльбрус 1, 2, 3, ЗБ. Разработка ЕС1191 с производительностью 1200 MFLOPS из-за нехватки средств заморожена; офисные варианты ЕС 1195 и ЕС1191.01 имеют производительность соответственно 50 и 500 MFLOPS; идет разработка ЕС 1191.10 с ожидаемой производительностью 2000 MFLOPS.

5.6. СЕРВЕРЫ

Особую интенсивно развивающуюся группу ЭВМ образуют многопользовательские компьютеры, используемые в вычислительных сетях, — серверы. Серверы обычно относят к микроЭВМ, но по своим характеристикам мощные серверы скорее можно отнести к малым ЭВМ и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы приближаются к суперЭВМ.

Пример 5.1. Сервер Marshall-NP на базе МП Pentium-100 имеет основную память до 512 Мбайт, дисковую память — до 3 Гбайт. Суперсервер CRAY 6400 имеет 64 про­цессора, основную память до 16 Гбайт, дисковую память 2000 Гбайт, 64 канала ввода-вывода.

Сервер — выделенный для обработки запросов от всех станций вычислительной сети компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и ,р.) и распределяющий эти ресурсы. Такой универсальный сервер часто называют сервером приложений.

Серверы в сети часто специализируются. Специализированные серверы «пользуются для устранения наиболее "узких" мест в работе сети: создание и управление азами данных и архивами данных, поддержка многоадресной факсимильной связи и электронной почты, управление многопользовательскими терминалами (принтеры, плот-еры) и др.

Файл-сервер (File Server) используется для работы с файлами данных, имеет объемные дисковые запоминающие устройства, часто на отказоустойчивых дисковых массивах LAID емкостью до 1 Тбайта.

Архивационный сервер (сервер резервного копирования, Storage Express Sys-;m) служит для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях, использует накопители на магнитной ленте (стриммеры) со сменными картриджами емкостью о 5 Гбайт; обычно выполняет ежедневное автоматическое архивирование со сжатием информации от серверов и рабочих станций по сценарию, заданному администратором сети  (естественно, с составлением каталога архива).

Факс-сервер (Net SatisFaxion) — выделенная рабочая станция для организации эффективной многоадресной факсимильной связи с несколькими факсмодемными платами, о специальной защитой информации от несанкционированного доступа в процессе передачи, с системой хранения электронных факсов.

Почтовый сервер (Mail Server) — то же, что и факс-сервер, но для организации электронной почты, с электронными почтовыми ящиками.

Сервер печати (Print Server, Net Port) предназначен для эффективного использования системных принтеров.

Сервер телеконференций имеет систему автоматической обработки видеоизображений и др.

5.7. ПЕРЕНОСНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ

Переносные компьютеры — быстроразвивающийся подкласс персональных компьютеров.

Большинство переносных компьютеров имеют автономное питание от аккумулятора но могут подключаться и к сети.

В качестве видеомониторов у них применяются плоские с видеопроектором жидкокристаллические дисплеи, реже — люминесцентные для презентаций или газоразрядные.

Жидкокристаллические дисплеи (LCD — Liquid Crystal Display) бывают активной и пассивной матрицами.

В пассивной матрице каждый элемент экрана (пиксель — picture element) выбираете на пересечении координатных управляющих прозрачных проводов, а в активной — дл каждого элемента экрана есть свой управляющий провод.

Дисплей с активной матрицей более сложный и дорогой, но обеспечивает лучшее качество: большие динамичность, разрешающую способность, контрастность и яркость изображения.

Наряду с монохромными в последнее время широко используются и цветные дисплеи. У цветных дисплеев каждый пиксель состоит из 3 - 4 отдельных подпикселей, покрыты тонкими светофильтрами разных цветов. Разрешающая способность большинства жидкокристаллических дисплеев не превосходит 640x480 пикселей.

Наращивание аппаратных средств у многих переносных компьютеров выполняете подключением плат специальной конструкции, так называемых PCMCIA-карт (спецификация Personal Computer Memory Card International Association, первоначально ориентированная лишь на платы памяти). Большинство PCMCIA-карт поддерживают технологию Plu and Play, не требующую при установке дополнительной платы выключения ПК или какой либо его дополнительной настройки.

Наряду с платами ОЗУ используются более интенсивно платы ПЗУ и Flash-памятью последние у миниатюрных ПК часто применяются вместо дисковой памяти.

Клавиатура чаще всего чуть укороченная: 84-86 клавиш (вместо 101 у настольных ПК), но может иметься разъем для подключения и полной клавиатуры; у некоторых моде лей клавиатура раскладная. У миниатюрных компьютеров клавиатура бывает так мала, что для нажатия клавиш используется специальная указочка.

В качестве манипулятора (устройства указания) обычно используется не мышь, а трекбол, трекпойнт или трекпад.

Трекбол (Track Ball) — пластмассовый шар диаметром 15-20 мм, вращающийся по любому направлению (напоминающий стационарно укрепленную перевернутую мышь).

Трекпойнт (Track Point) — специальная гибкая клавиша на клавиатуре типа ластика, прогиб которой в нужном направлении перемещает курсор на экране дисплея.

Трекпад (Track Pad или Touch Pad) — небольшой планшет, размещенный на блок клавиатуры и содержащий под тонкой пленкой сеть проводников, воспринимающих npи легком нажиме направление перемещения нажимающего объекта, например пальца. Принятый сигнал используется для управления курсором.

Применяются в переносных компьютерах и сенсорные экраны, в которых прикосновение к их поверхности обусловливает перемещение курсора в место прикосновения или выбор процедуры по меню, выведенному на экран.

Переносные компьютеры весьма разнообразны: от громоздких и тяжелых (до 15 кг) портативных рабочих станций до миниатюрных электронных записных книжек массой около 100 г.

Портативные рабочие станции — наиболее мощные и крупные переносные ПК. Они оформляются часто в виде чемодана и носят жаргонное название Nomadic — кочевник. Их характеристики аналогичны характеристикам стационарных ПК - рабочих станций: мощные микропроцессоры, часто типа RISC, с тактовой частотой до 300 МГц, оперативная память емкостью до 64 Мбайт, гигабайтные дисковые накопители, быстродействующие интерфейсы и мощные видеоадаптеры с видеопамятью до 4 Мбайт.

По существу, это обычные рабочие станции, питающиеся от сети, но конструктивно оформленные в корпусе, удобном для переноса, и имеющие, как и все переносные ПК, плоский жидкокристаллический видеомонитор класса не выше VGA. Nomadic обычно имеют модемы и могут оперативно подключаться к каналам связи для работы в вычислительной сети.

Этот тип переносных компьютеров может эффективно использоваться для выездных презентаций, особенно при наличии средств мультимедиа, но может с успехом применяться л в стационарном варианте, позволяя экономить место на рабочем столе.

Портативные (наколенные) компьютеры типа "LapТор" оформляются в виде небольших чемоданчиков размером с "дипломат", их масса обычно в пределах 3 - 10 кг. Аппаратное и программное обеспечение позволяет им успешно конкурировать с лучшими стационарными ПК.

Компьютеры-блокноты (Note Book и Sub Note Book, их называют также и Omni Book — "вездесущие") выполняют все функции настольных ПК. Конструктивно они оформлены в виде миниатюрного чемоданчика (иногда со съемной крышкой) размером с небольшую книгу. По своим характеристикам во многом совпадают с Lap Top, отличаясь от них лишь размерами и несколько меньшими объемами оперативной и дисковой памяти (дисковод "флоппи" и винчестер часто внешние). Вместо винчестера некоторые модели особенно среди Sub Note Book (уменьшенный вариант Note Book), имеют энергонезависимую Flash-память.

Многие модели компьютеров-блокнотов имеют модемы для подключения к канал; связи и соответственно к вычислительной сети. Некоторые из них для дистанционного бес проводного обмена информацией с другими компьютерами оборудованы радиомодемами и оптоэлектронными инфракрасными портами. Последние обеспечивают межкомпьютерную связь на расстоянии нескольких десятков метров и в пределах прямой видимости. Возможность связи индицируется появлением на экране компьютера специальной пиктограммы Имеют жидкокристаллические монохромные и цветные дисплеи небольшого размера. Клавиатура всегда укороченная, манипуляторы типа Track Point и Track Pad. Наращивание ресурсов выполняется картами PCMCIA.

Питание Note Book осуществляется от портативных аккумуляторов, обеспечивающие автономную работу в течение 3 - 4 ч (а в случае использования ионолитиевых аккумуляторов и до 12 ч).

Лидерами среди Note Book, по-видимому, являются модели IBM ThinkPad, определяющие стандарт среди этого подкласса ПК. Но имеются выдающиеся представители Not* Book и у многих других фирм: Toshiba, Compaq, Hewlett Packard и др.

По существу, имея под рукой Note Book, вы имеете всегда и на своем рабочем месте, i дома, и в дороге современный офисный компьютер, что для бизнесмена является уже ж роскошью, а необходимостью.

Карманные компьютеры (Palm Тор, что значит "наладонные") имеют масс) около 300 г; типичные размеры в сложенном состоянии 150x80x25 мм. Это полноправные персональные компьютеры, имеющие микропроцессор, оперативную и постоянную память, обычно монохромный жидкокристаллический дисплей, портативную клавиатуру, порт-разъем для подключения в целях обмена информацией к стационарному ПК.

Электронные секретари (PDA — Personal Digital Assistent, иногда их назы­вают Hand Help — ручной помощник) имеют формат карманного компьютера (массой не более 0,5 кг), но более широкие функциональные возможности, нежели Palm Top (в част­ности: аппаратное и встроенное программное обеспечение, ориентированное на организа­цию электронных справочников, хранящих имена, адреса и номера телефонов, информацию о распорядке дня и встречах, списки текущих дел, записи расходов и т.п.), встроенные текстовые, а иногда и графические редакторы, электронные таблицы.

Большинство PDA имеют, модемы и могут обмениваться информацией с другими ПК, а при подключении к вычислительной сети могут получать и отправлять электронную почту и факсы. Некоторые из них имеют даже автоматические номеронабиратели. Новей­шие модели PDA для дистанционного беспроводного обмена информацией с другими ком­пьютерами оборудованы радиомодемами и инфракрасными портами.

Ручной ввод информации возможен с клавиатуры (клавиатура QWERTY у моделей HP 100LX, Casio Boss, Psion Series), у некоторых моделей (Newton Message Pad, Dyna Pad, Versa Pad и др.) имеется "перьевой" ввод: сенсорный экран, указка (перо) и экранная эмуляция клавиатуры (указкой можно "нажимать" клавиши на экране), у некоторых моделей (Sharp izard) имеется гибридный ввод: с клавиатуры, для выбора пунктов меню и некоторых рукописных записей — перьевой ввод.

Электронные секретари обычно имеют небольшой жидкокристаллический дисплей иногда размещенный в съемной крышке компьютера) и возможность наращивания ресурсов по спецификации PCMCIA. PDA, пожалуй, самый быстроразвивающийся вид портативныx компьютеров.

Электронные записные книжки (organizer — органайзеры) относятся к легчайшей категории портативных компьютеров (к этой категории кроме них относятся калькуляторы, электронные переводчики и др.); масса их не превышает 200 г. Органайзеры пользователем не программируются, но содержат вместительную память, в которую можно писать необходимую информацию и отредактировать ее с помощью встроенного текстового редактора; в памяти можно хранить деловые письма, тексты соглашений, контрактов, распорядок дня и деловых встреч. В органайзер встроен внутренний таймер, который напоминает звуком о деле в заданное время. Есть защита информации от несанкционированного доступа, обычно по паролю.

Есть разъем для подключения к компьютеру, небольшой монохромный жидкокристалический дисплей. Благодаря низкому потреблению мощности питание от аккумулятора вспенивает без подзарядки хранение информации до 5 лет. К сожалению, большинство органайзеров не русифицированы, а программную русификацию сделать невозможно.

5.8. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Представление о совершенствовании технологии использования компьютеров дает табл. 5.4.

Та б л и ц а 5.4. Совершенствование технологии использования компьютеров

Главной тенденцией развития вычислительной техники в настоящее время являете дальнейшее расширение сфер применения ЭВМ и, как следствие, переход от отдельны: машин к их системам — вычислительным системам и комплексам разнообразных конфигураций с широким диапазоном функциональных возможностей и характеристик.

Наиболее перспективные, создаваемые на основе персональных ЭВМ, территориально распределенные многомашинные вычислительные системы — вычислительные сети — ориентируются не столько на вычислительную обработку информации, сколько на коммуникационные информационные услуги: электронную почту, системы телеконференций и информационно-справочные системы.

Специалисты считают, что в начале XXI в. в цивилизованных странах произойдет смена основной информационной среды. Удельные объемы информации, получаемой обществом по традиционным информационным каналам (радио, телевидение, печать) и компьютерным сетям, можно проиллюстрировать следующей диаграммой, показанной на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Информационная среда в обществе ближайшего будущего

Уже сегодня пользователям глобальной вычислительной сети Internet стала, практически любая находящаяся в хранилищах знаний этой сети неконфиденциальная информация. Можно почитать или посмотреть, например, любую из нескольких сотен религиозных книг, рукописей или картин в библиотеке Ватикана, оформленных в виде файлов послушать музыку в Карнеги Холл, "заглянуть" в галереи Лувра или в кабинет президента США в Белом доме; пользователи этой суперсети могут получить для изучения интересующую их статью или подборку статей по нужной тематике, "опубликовать" в сети свою новую работу, обсудить ее с заинтересованными специалистами.

В сети Internet реализован принцип "гипертекста", согласно которому абонент, выбирая встречающиеся в читаемом тексте ключевые слова, может получить необходимые дополнительные пояснения и материалы для углубления в изучаемую проблему. Используя этот принцип, абонент может прочитать электронную газету, персонифицированную на любую интересующую его тематику, с любой степенью подробности и достоверности. Электронная почта Internet позволяет получить почтовое отправление из любой точки Зем­ного шара (где есть терминалы этой сети) через 5 с, а не через неделю или месяц, как это имеет место при использовании обычной почты.

В Массачусетском университете (США) создана электронная книга, куда можно описывать любую информацию из сети; читать эту книгу можно, отключившись от сети, lbtohomho, в любом месте. Сама книга в твердом переплете, содержит тонкие жидкокристаллические индикаторы — страницы с бумагообразной синтетической поверхностью и 1ысоким качеством "печати".

При разработке и создании собственно ЭВМ существенный и устойчивый приоритет в последние годы имеют сверхмощные компьютеры — суперЭВМ и миниатюрные, и сверхминиатюрные ПК. Ведутся, как уже указывалось, поисковые работы по созданию ЭВМ 6-го поколения, базирующихся на распределенной нейронной архитектуре, — ней­рокомпьютеров. В частности, в нейрокомпьютерах могут использоваться уже имеющиеся специализированные сетевые МП — транспьютеры.

Транспьютер — микропроцессор сети со встроенными средствами связи.

Ближайшие прогнозы по созданию отдельных устройств ЭВМ:

•     микропроцессоры с быстродействием 1000 MIPS и встроенной памятью 16 Мбайт; I   

•     встроенные сетевые и видеоинтерфейсы;

•    плоские (толщиной 3-5 мм) крупноформатные дисплеи с разрешающей способнос­тью 1000x800 пикселей и более;

•    портативные, размером со спичечный коробок, магнитные диски емкостью более 100 Гбайт. Терабайтные дисковые массивы на их основе сделают практически ненуж­ным стирание старой информации.

Повсеместное использование мультиканальных широкополосных радио-, волоконноптических, а в пределах прямой видимости и инфракрасных каналов обмена информацией между компьютерами обеспечит практически неограниченную пропускную способность (трансфер до сотен миллионов байт в секунду).

Широкое внедрение средств мультимедиа, в первую очередь аудио- и видеосредств (вода и вывода информации, позволит общаться с компьютером на естественном языке. Мультимедиа нельзя трактовать узко, только как мультимедиа на ПК. Можно говорить о бытовом (домашнем) мультимедиа, включающем в себя и ПК, и целую группу потребительских устройств, доводящих потоки информации до потребителя и активно забирающих ин­формацию у него.

Этому уже сейчас способствуют:

•  зарождающиеся технологии медиа-серверов, способных собирать и хранить огромней­шие объемы информации и выдавать ее в реальном времени по множеству одновре­менно приходящих запросов;

•  системы сверхскоростных широкополосных информационных магистралей, связы­вающие воедино все потребительские системы.

Названные ожидаемые технологии и характеристики устройств ЭВМ совместно с их общей миниатюризацией могут сделать всевозможные вычислительные средства и системы вездесущими (вспомните альтернативное название компьютера-блокнота: Omni Book), привычными, обыденными, естественно насыщающими нашу повседневную жизнь.

Специалисты предсказывают в ближайшие годы возможность создания компьютерной модели реального мира, такой виртуальной (кажущейся, воображаемой) системы, в которой мы можем активно жить и манипулировать виртуальными предметами. Простейший прообраз такого кажущегося мира уже сейчас существует в сложных компьютерных играх. Но в будущем можно говорить не об играх, а о виртуальной реальности в нашей повседневной жизни, когда нас в комнате, например, будут окружать сотни активных компьютерных устройств, автоматически включающихся и выключающихся по мере надобности, активно отслеживающих наше местоположение, постоянно снабжающих нас ситуационно необходимой информацией, активно воспринимающих нашу информацию и управляющих многими бытовыми приборами и устройствами.

Информационная революция затронет все стороны жизнедеятельности, появятся системы, создающие виртуальную реальность:

• компьютерные системы — при работе на ЭВМ с "дружественным интерфейсом" абоненты по видеоканалу будут видеть виртуального собеседника, активы общаться с ним на естественном речевом уровне с аудио- и видеоразъяснениями, советами, подсказками. "Компьютерное одиночество", так вредно влияющее на психику активных пользователей ЭВМ, исчезнет;

• системы автоматизированного обучения —при наличии обратной видеосвязи абонент будет общаться с персональным виртуальным учителем, учитывающим психологию, подготовленность, восприимчивость ученика;

• торговля — любой товар будет сопровождаться не магнитным кодом, нанесенным на торговый ярлык, а активной компьютерной табличкой, дистанционно общающейся с потенциальным покупателем и сообщающей всю необходимую ему информацию - что, где, когда, как, сколько и почем.

И так далее, и тому подобное.

Техническое обеспечение, необходимое для создания таких виртуальных систем:

• дешевые, простые, портативные компьютеры со средствами мультимедиа;

• программное обеспечение для "вездесущих" приложений;

• миниатюрные приемопередающие радиоустройства (трансиверы) для связи компьютеров друг с другом и с сетью;

• распределенные широкополосные каналы связи и сети.

Многие предпосылки для создания указанных компонентов, да и простейшие их про образы уже существуют.

Но есть и проблемы. Важнейшая из них — обеспечение прав интеллектуальной собственности и конфиденциальности информации, чтобы личная жизнь каждого из нас не стал всеобщим достоянием.

КЛЮЧЕВЫЕ ПОНЯТИЯ

                              Аналоговая вычислительная                              магистральная (конвейер-

                              машина                                                                            ная)

                            Жидкокристаллический дис-                                       матричная

плей                                                                                                                    Мэйнфрейм (большая ЭВМ)

Карманный компьютер                                                                                Наколенный компьютер

                          Компьютер-блокнот (Note                                              Нейрокомпьютер

Book)                                                                                                                 Переносной компьютер

Малая ЭВМ (мини-ЭВМ)                                                                            Персональный компьютер

МикроЭВМ                                                                                                      Портативная рабочая станция

Многопроцессорная вычисли-                                                                   Проблемно-ориентированная
тельная система                                                                                             ЭВМ

векторная                                                                                                         Рабочая станция

Сервер                                                                                                                Файл-сервер

Сервер печати                                                                                                 Цифровая вычислительная ма-

Сервер приложений                                                                                       шина

Специализированная ЭВМ                                                                         Электронная записная книжка

СуперЭВМ                                                                                                       (органайзер)

Универсальная ЭВМ                                                                                     Электронный секретарь

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какова многоаспектная классификация вычислительных машин?

2. Что такое цифровая вычислительная машина, аналоговая, гибридная?

3. Что такое большие вычислительные машины (мэйнфреймы), малые вычислительные машины, микроЭВМ и каковы их основные характеристики?

4. Что такое проблемно-ориентированные вычислительные машины и каково их назначение? Рейтинг мэйнфреймов.

5. Что такое нейрокомпьютер?

6. Что такое транспьютер?

7. Что такое специализированные вычислительные машины и каковы их основные характеристики?

8. Что такое суперЭВМ? Каковы их разновидности?

9. Что такое сервер, специализированный сервер? Назовите их разновидности.

10. Что такое рабочая станция?

11. Какие виды переносных ЭВМ вы знаете и каковы их основные параметры?

Вам также может быть полезна лекция "11. Инфракрасное излучение".

12. Дайте классификацию микроЭВМ.

13. Какие поколения ЭВМ существуют и каковы их основные параметры?

14. Какие поколения ПК существуют и каковы их основные параметры?

15. Назовите важнейшие технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ.

16. Каковы возможности наколенных ПК, компьютеров-блокнотов, карманных ПК, элек­тронных секретарей?

17. Назовите основные тенденции развития вычислительной техники.