Основные характеристики ЭВМ

1.

2.
Основные характеристики ЭВМ

Первые электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились немногим более полувека назад. За это время микроэлектроника, вы­числительная техника и вся индустрия информатики стали одними из основных составляющих мирового научно-технического прогресса. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает распространяться вширь и вглубь. В настоящее время ЭВМ используются не только для выполнения сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т.д. Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатывать любые виды информации: числовую, текстовую, табличную, графическую, видео, звуковую.

Электронная вычислительная машина
— это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы. Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения.

Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

Структура
— совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.д.). При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а общими вопросами организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

Архитектура ЭВМ
— это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ. В последующих разделах учебника эти вопросы подробно рассматриваются.

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. Перечисленные специалисты рассматривают понятие архитектуры в более узком смысле. Для них наиболее важные структурные особенности сосредоточены в наборе команд ЭВМ, разграничивающем аппаратные и программные средства.

Сами же пользователи ЭВМ, которые обычно не являются профессионалами в области вычислительной техники, рассматривают архитектуру через более высокоуровневые аспекты, касающиеся их взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

• 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 и др.);

• 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).

Важнейшими характеристиками ЭВМ являются быстродействие и производительность. И хотя эти характеристики тесно связаны, тем не менее их не следует смешивать. Быстродействие, характеризуется

• стандартные универсальные тесты для ЭВМ, предназначенных для крупномасштабных вычислений (например, пакет математических задач Linpack, по которому ведется список ТОР 500, включающий 500 самых производительных компьютерных установок в мире);

• специализированные тесты для конкретных областей применения компьютеров (например, для тестирования ПК по критериям офисной группы приложений используется тест Winstone97-Business, для группы «домашних компьютеров» — WinBench97-CPUMark32, а для группы ПК для профессиональной работы — 3DWinBench97-UserScene).

Отметим, что результаты оценивания ЭВМ по различным тестам несопоставимы. Наборы тестов и области применения компьютеров должны быть адекватны.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость за­поминающих устройств. Она измеряется количеством структурных единиц информации, которые одновременно можно разместить 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 — байтах (байт равен восьми битам). Следующими единицами измерения служат: 1Кбайт=210 бай-та=1024 байта, 1Мбайт =210 Кбайта=220 байта, 1 Гбайт=210 Мбай-та=220 Кбайта=230 байта.

Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти. Современные персональные ЭВМ могут иметь емкость оперативной памяти, равную 64 — 256 Мбайтам и даже больше. Этот показатель очень важен для определения, какие про­граммные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.

Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискеты составляет 1,2; 1,4; 2,88 Мбайта в зависимости от типа дисковода и характеристик дискет. Емкость жесткого диска и дисков DVD может достигать нескольких десятков Гбайтов, емкость компакт-диска (CD-ROM) — сотни Мбайтов (640 Мбайт и выше) и т.д. Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения и отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки операционной среды Windows 2000 требуется объем памяти жесткого диска более 600 Мбайт и не менее 64 Мбайт оперативной памяти ЭВМ.

Надежность — это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов) -2382/14-78).

числом определенного типа команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Производительность — это объем работ (например, число стандартных программ), выполняемый ЭВМ в единицу времени.

Определение характеристик быстродействия и производительности представляет собой очень сложную инженерную и научную задачу, до настоящего времени не имеющую единых подходов и методов решения.

Казалось бы, что более быстродействующая вычислительная техника должна обеспечивать и более высокие показатели производительности. Однако практика измерений значений этих характеристик для разнотипных ЭВМ может давать противоречивые результаты. Основные трудности в решении данной задачи заключены в проблеме выбора: что и как измерять. Укажем лишь наиболее распространенные подходы.

Одной из альтернативных единиц измерения быстродействия была и остается величина, измеряемая в MIPS (MillionInstructionsPerSecond — миллион операций в секунду). В качестве операций здесь обычно рассматриваются наиболее короткие операции типа сложения. MIPS широко использовалась для оценки больших машин второго и третьего поколений, но для оценки современных ЭВМ применяется достаточно редко по следующим причинам:

• набор команд современных микропроцессоров может включать сотни команд, сильно отличающихся друг от друга длительностью выполнения;

• значение, выраженное в MIPS, меняется в зависимости от особен­ностей программ;

• значение MIPS и значение производительности могут противоре­чить друг другу, когда оцениваются разнотипные вычислители (например, ЭВМ, содержащие сопроцессор для чисел с плавающей точкой и без такового).

При решении научно-технических задач в программах резко уве­личивается удельный вес операций с плавающей точкой. Опять же для больших однопроцессорных машин в этом случае использовалась и продолжает использоваться характеристика быстродействия, выраженная в MFPOPS (MillionFloatingPointOperationsPerSecond — миллион операций с плавающей точкой в секунду). Для персональных ЭВМ этот показатель практически не применяется из-за особенностей решаемых задач и структурных характеристик ЭВМ.

Для более точных комплексных оценок существуют тестовые наборы, которые можно разделить на три группы:

• наборы тестов фирм-изготовителей для оценивания качества собственных изделий (например, компания Intel для своих микропроцессоров ввела показатель iCOMP-IntelComparativeMicroprocessorPerformance);

В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых величин: тока, напряжения, угла поворота какого-то механиз­ма и т.п. Эти машины обеспечивают приемлемое быстродействие, но

Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу — сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) — резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Хоро­шо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли). Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранять неисправности.

Точность
— возможность различать почти равные значения (стандарт ISO — 2382/2-76). Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, которая в зависимости от класса ЭВМ может составлять 32, 64 и 128 двоичных разрядов.

Во многих применениях ЭВМ не требуется большой точности, например при обработке текстов и документов, при управлении технологическими процессами. В этом случае достаточно воспользоваться 8- и 16-разрядными двоичными кодами. При выполнении же сложных математических расчетов следует использовать высокую разрядность (32, 64 и даже более). Для работы с такими данными применяются соответствующие структурные единицы представления информации (байт, слово, двойное слово). Программными способами диапазон представления и обработки данных может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.

Достоверность
— свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратно-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.

3.
Классификация средств
ЭВТ

В настоящее время в мире произведены, работают и продолжают выпускаться миллионы вычислительных машин, относящихся к различным поколениям, типам, классам; отличающихся своими областями применения, техническими характеристиками и вычислительными возможностями. Традиционно электронную вычислительную технику подразделяют на аналоговую и цифровую.

Не очень высокую точность вычислений (0,001 — 0,01). Подобные машины распространены не очень широко. Они используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе различных стендов по отработке сложных образцов техники. По своему назначению их можно рассматривать как специализированные вычислительные машины.

В настоящее время под словом ЭВМ обычно понимают цифровые вычислительные машины, в которых информация кодируется двоичными кодами чисел. Именно эти машины благодаря универсальным возможностям и являются самой массовой вычислительной техникой.

Рынок современных компьютеров отличается разнообразием и динамизмом, каких еще не знала ни одна область человеческой деятельности. Каждый год стоимость вычислений сокращается примерно на 25—30%, стоимость хранения единицы информации — до 40%. Практически каждое десятилетие меняется поколение машин, каждые год-два — основные типы микропроцессоров, определяющих характеристики новых ЭВМ. Такие темпы сохраняются уже многие годы.

То, что 10—15 лет назад считалось современной большой ЭВМ, в настоящее время является устаревшей техникой с очень скромными возможностями. Современный персональный компьютер с быстродействием в сотни миллионов операций в секунду становится доступным средством для массового пользователя.

В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быстро устаревает и нуждается в корректировке. Например, в клас­сификациях десятилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микро ЭВМ, которые сейчас почти исчезли из обихода. Вместе с тем существует целый ряд закономерностей развития вычислительной техники, которые позволяют предвидеть и предсказывать основные результаты этого поступательного движения. Необходимо анализировать традиционные и новые области применения ЭВМ, классы и типы используемых вычислительных средств, сложившуюся конъюнктуру рынка информационных технологий и его динамику, количество и качество вычислительной техники, выпускаемой признанными лидерами — производителями средств ЭВТ и т.д. Коротко рассмотрим эти основные вопросы, выяснение которых позволит понять, какая вычислительная техника необходима для решения определенных задач.

Академик В.М. Глушков указывал, что существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ.

Первое направление является традиционным — применение ЭВМ для автоматизации вычислений. Научно-техническая революция во всех областях науки и техники постоянно выдвигает новые научные, инженерные, экономические задачи, которые требуют проведения крупномасштабных вычислений (задачи проектирования новых образцов техники, моделирования сложных процессов, атомная и космическая техника и др.). Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и их приложений. Первые, а затем и последующие вычислительные машины классической структуры в основном и создавались для автоматизации вычислений.

Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления. Она зародилась примерно в шестидесятые годы, когда ЭВМ стали Интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Математическая база этой новой сферы практически отсутствовала, в течение последующих 15—20 лет она была создана.

Новое применение вычислительных машин потребовало видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов обработки.

Сопряжение с каналами связи потребовало усложнения режимов работы ЭВМ, сделало их многопрограммными и многопользовательскими. Для исключения взаимных помех между программами пользователей в структуру машин были введены средства разграничения: блоки прерываний и приоритетов, блоки защиты, средства измерения времени и т.п. Для управления разнообразной периферией стали использоваться специальные процессоры ввода-вывода данных или каналы. Именно тогда и появился дисплей как средство оперативного человеко-машинного взаимодействия пользователя с ЭВМ.

Новой сфере работ в наибольшей степени отвечали мини-ЭВМ. Именно они стали использоваться для управления отраслями, предприятиями, корпорациями. Машины нового типа удовлетворяли следующим требованиям:

• были более дешевыми по сравнению с большими ЭВМ, обеспечивающими централизованную обработку данных;

• были более надежными, особенно при работе в контуре управления;

• обладали большой гибкостью и адаптируемостью настройки на конкретные условия функционирования; ,

• имели архитектурную прозрачность, т.е. структура и функции ЭВМ были понятны пользователям.

Одновременно со структурными изменениями ЭВМ происходило и качественное изменение характера вычислений. Доля чисто математических расчетов постоянно сокращалась, и на сегодняшний день она составляет около 10% от всех вычислительных работ. Машины все больше стали использоваться для новых видов обработки: текстов, графики, звука и др. Для выполнения этих работ в настоящее время применяются в основном ПЭВМ.

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач искусственного и

нтеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Это направление постепенно набирает силу. Во многих областях науки и техни­ки создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Для технического обеспечения этого направления нужны качественно новые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей (ЭВМ или процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам.

Даже это краткое перечисление областей применения ЭВМ показывает, что для решения различных задач нужна соответственно и разная вычислительная техника. Поэтому рынок компьютеров постоянно имеет широкую градацию классов и моделей ЭВМ. Фирмы-производители очень внимательно отслеживают состояние рынка ЭВМ. Они не просто констатируют отдельные факты и тенденции, а стремятся активно воздействовать на них и опережать потребности потребителей. Так, например, фирма IBM, производящая примерно 80% мирового машинного парка, в настоящее время выпускает в основном четыре класса компьютеров, перекрывая ими широкий класс задач пользователей.

• Большие ЭВМ (mainframe), которые представляют собой много­пользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа. Казалось бы, что с появлением быстро прогрессирующих ПЭВМ большие ЭВМ обречены на вымирание, однако они продолжают развиваться, и выпуск их снова стал увеличиваться, хотя их доля в общем парке постоянно снижается. По оценкам IBM, около половины всего объема данных в информационных системах мира должно храниться именно на боль­ших машинах. Новое их поколение предназначено для использова­ния в сетях в качестве крупных серверов. Начало этого направле­ния было положено фирмой IBM еще в 60-е годы выпуском машин IBM/360, IBM/370. Эти машины получили широкое распростране­ние в мире.

Развитие ЭВМ данного класса имело и имеет большое значение для России. В 1970—1990 гг. основные усилия нашей страны в об­ласти вычислительной техники были сосредоточены на программе ЕС ЭВМ (Единой системы ЭВМ), заимствовавшей архитектуру IBM 360/370. Было выпущено несколько десятков тысяч ЭВМ этой сис­темы. Более 5000 ЭВМ серии ЕС еще продолжают работать в раз­личных учреждениях и на производствах. Большинство АСУ верх-

него уровня государственного управления в РФ (в силовых струк­турах, банках, на транспорте, в связи и т.д.) оснащены этими маши­нами. Накоплен громадный программно-информационный задел, который следует рассматривать как элемент национального досто­яния (по стоимости) и элемент национальной безопасности (по стра­тегической значимости). Поэтому принято решение и дальше разви­вать это направление. После подписания соглашения с фирмой IBM в марте 1993 г. Россия получила право производить 23 новейшие модели-аналоги ЭВМ IBMS/390. По расходам на управление и эк­сплуатацию эти машины оказываются эффективнее других вычис­лительных средств.

• Машины RS/6000 — очень мощные по производительности, пред­назначены для построения рабочих станций для работы с графи­кой, UNIX-серверов, кластерных комплексов. Первоначально эти машины предполагалось применять для обеспечения научных ис­следований.

• Средние ЭВМ, предназначенные в первую очередь для работы в финансовых структурах (ЭВМ типа AS/400 (AdvancedPortableModel 3) — «бизнес-компьютеры», 64-разрядные). В этих маши­нах особое внимание уделяется сохранению и безопасности дан­ных, программной совместимости и т.д. Используются в качестве серверов локальных сетей и сетей корпораций, успешно конкури­руют с многопроцессорными серверами других фирм.

• Компьютеры на платформе микросхем фирмы Intel. IBM-совмес­тимые компьютеры этого класса составляют примерно 50% рын­ка всей компьютерной техники. Более половины их поступает в сферу малого бизнеса. Несмотря на столь внушительный объем выпуска персональных компьютеров этой платформы, фирма IBM проводит большие исследования и развивает собственную альтер­нативную платформу, получившую название PowerPC. Это направление, по мнению фирмы, позволило бы значительно улучшить структуру аппаратных средств ПК, а значит, и эффективность их применения. Однако новые модели этой платформы пока не вы­держивают конкуренции с IBMPC. Немаловажным здесь является и неразвитость рынка программного обеспечения, поэтому у массового пользователя это направление не Находит спроса, и доля компьютеров с процессорами PowerPC пока еще незначительна.

Кроме перечисленных типов вычислительной техники, необходимо отметить класс вычислительных систем, получивший название суперЭВМ. С развитием науки и техники постоянно выдвигаются новые крупномасштабные задачи, требующие выполнения больших объемов вычислений. Особенно эффективно применение суперЭВМ при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. В этом случае ЭВМ позволяет методами численного моделирования получить результаты вычислительных экспери­ментов, обеспечивая приемлемое время и точность решения, т.е. ре­шающим условием необходимости разработки и применения подоб­ных ЭВМ является экономический показатель «производительность/ стоимость». СуперЭВМ позволяют по сравнению с другими типами машин точнее, быстрее и качественнее решать масштабные задачи, обеспечивая необходимый приоритет в разработках перспективной вы­числительной техники. Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров. Об­разцы таких машин уже выпускаются несколькими фирмами: nCube (гиперкубические ЭВМ), ConnectionMachine, MassPar, NCR/Teradata, KSR, IBMRS/6000, MPP и др.

На рубеже тысячелетий фирма IBM объявила о разработке в рам­ках ANSI (стратегической компьютерной инициативы) новой супер­ЭВМ, которая будет содержать более миллиона микропроцессоров типа PentiumIII (1020); по расчетам она должна иметь быстродействие 1015 операций в секунду.

Необходимо отметить и еще один класс наиболее массовых средств ЭВТ — встраиваемые микропроцессоры. Успехи микроэлектроники позволяют создавать миниатюрные вычислительные устройства, вплоть до однокристальных ЭВМ. Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (телефонах, телевизорах, электронных часах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, тепло-, водоснабжении, регулировке движения транспорта и т.д.), на производстве (робото­технике, управлении технологическими процессами). Постепенно они входят в нашу жизнь, все больше изменяя среду обитания человека.

Таким образом, можно предложить следующую классификацию средств вычислительной техники, в основу которой положено их раз­деление по быстродействию:

• суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных за­дач, для обслуживания крупнейших информационных банков дан­ных;

• большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориаль­ных и региональных вычислительных центров;

• средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными тех­нологическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработ­кой информации в качестве сетевых серверов;

• персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлет­ворять индивидуальные потребности пользователей. На базе это­го класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня;

• встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматиза­цию управления отдельными устройствами и механизмами.

С развитием сетевых технологий все больше начинает использо­ваться другой классификационный признак, отражающий место и роль ЭВМ в сети:

• мощные машины и вычислительные системы для управления ги­гантскими сетевыми хранилищами информации;

• кластерные структуры;

• серверы;

• рабочие станции;

• сетевые компьютеры.

Мощные машины и вычислительные системы
предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний. По своим характеристикам их можно отнести к классу суперЭВМ, но в отличие от них они являются более специализированными и ориенти­рованными на обслуживание мощных потоков информации.

Кластерные структуры
представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие несколько серверов. Это позволяет гибко управлять ресурсами сети, обеспечи­вая необходимую производительность, надежность, готовность и дру­гие характеристики.

Серверы — это вычислительные машины и системы, управляю­щие определенным видом ресурсов сети. Различают файл-серверы, серверы приложений, факс-серверы, почтовые, коммуникационные, Web-серверы и др.

Термин «рабочая станция
» отражает факт наличия в сетях або­нентских пунктов, ориентированных на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами. Этот термин как бы отделяет их от ПЭВМ, обеспечивающих работу основной массы непрофессио­нальных пользователей, работающих обычно в автономном режиме.

Сетевые компьютеры
представляют собой упрощенные персональ­ные компьютеры, вплоть до карманных ПК. Их основным назначени­ем является обеспечение доступа к сетевым информационным ресур­сам. Вычислительные возможности у них достаточно низкие.

Высокие скорости вычислений, обеспечиваемые ЭВМ различных классов, позволяют перерабатывать и выдавать все большее количе­ство информации, что, в свою очередь, порождает потребности в со­здании связей между отдельно используемыми ЭВМ. Поэтому все со­временные ЭВМ в настоящее' время имеют средства подключения к сетям связи и объединения в системы.

Перечисленные типы ЭВМ, которые должны использоваться в ин­дустриально развитых странах, образуют некое подобие пирамиды с определенным соотношением численности ЭВМ каждого слоя и набо­ром их технических характеристик. Распределение вычислительных возможностей по слоям должно быть сбалансировано. Например, система обработки данных, используемая на Олимпийских играх в Ат­ланте (примерно такая же система была и в Японии), содержала: 4 больших ЭВМ S/390, 16 систем RS/6000, более 80 систем AS/400, бо­лее 7000 IBMPC, более 1000 лазерных принтеров, более 250 локаль­ных сетей TokenRing и др. Многие ПЭВМ имели сопряжение с датчи­ками скорости, времени и т.д.

Требуемое количество суперЭВМ для отдельной развитой страны должно составлять 100—200, больших ЭВМ — тысячи, средних — десятки и сотни тысяч, ПЭВМ — миллионы, встраиваемых микро-. ЭВМ — миллиарды. Все используемые ЭВМ различных классов об­разуют машинный парк страны, жизнедеятельность которого и его информационное насыщение определяют успехи информатизации об­щества и научно-технического прогресса страны. Формирование сба­лансированного машинного парка является сложной политической, экономической и социальной проблемой, решение которой требует мно­гомиллиардных инвестиций. Для этого должна быть разработана со­ответствующая структура: создание специальных производств (эле­ментной базы ЭВМ, программного обеспечения и технических связей), смена поколений машин и технологий, изменение форм экономичес­кого и административного управления, создание новых рабочих мест и т.д.

4.
Общие
принципы построения
современных
ЭВМ

Основным принципом построения всех современных ЭВМ являет­ся программное управление. В основе его лежит представление алго­ритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

«Алгоритм — конечный набор предписаний, определяющий реше­ние задачи посредством конечного количества операций». «Програм­ма для ЭВМ — упорядоченная последовательность команд, подлежа­щая обработке» (стандарт ISO 2382/1-84 г.). Следует заметить, что строгого, однозначного определения алгоритма, равно как и однознач­ных методов его преобразования в программу вычислений, не суще­ствует. Принцип программного управления может быть осуществ­лен различными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцов ЭВМ. Суть его заключается в сле­дующем.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, дол­жны быть представлены в виде программы, состоящей из последова­тельности управляющих слов — команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнды — переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, проме­жуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоич­ными цифрами «О» и «1». Поэтому различные типы информации, раз­мещенные в памяти ЭВМ, практически не различимы, идентификация их возможна лишь при выполнении программы, согласно ее логике, по контексту.

Каждый тип информации имеет свои форматы — структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами «О» и «1». Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, представлена полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Примени­тельно к числовой информации выделяют знаковые разряды, знача­щие разряды чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного, принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом. Для больших ЭВМ размер слова составляет 4 байта, для ПЭВМ — 2 байта. В качестве структурных элементов информации различают также полуслово, двойное слово и др.

Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обоб­щенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рис. 1.

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решае­мых задач и данные к ним. Сначала введенная информация полнос­тью или частично запоминается в оперативном запоминающем уст­ройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее уст­ройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информа­ции, где преобразуется в специальный программный объект — файл. Файл — это имеющий имя информационный массив (программа, дан­ные, текст и т.п.), размещаемый во внешней памяти и рассматривае­мый как неделимый объект при пересылках и обработке.

При использовании файла в вычислительном процессе его содер­жимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматичес­кого выполнения программ путем принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рис. 1штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ ко­манды дешифрируются устройством управления: определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса опе­рандов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифмети­ческие и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят суммато­ры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Оно каж­дый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Резуль­таты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в па­мять. Отдельные признаки результатов г (г=0, г<0, г>0 и др.) устрой­ство управления использует для изменения порядка выполнения ко­манд программы. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв) информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машин­ных операций. Например, ЭВМ типа IBMPC имеют около 200 раз­личных операций (170 — 230 в зависимости от типа микропроцессо­ра). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрог­рамме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последователь­ностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная мик­рокоманда — это простейшее преобразование данных типа алгебраи­ческого сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.