Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ»
Факультет Экономики и Управления
Кафедра «Систем управления энергетикой и промышленными предприятиями»
Реферат по дисциплине:
Информатика.
Тема:
«Классификация компьютеров. Особенности и технические характеристики классов»
Дата:29.11.09
Екатеринбург 2009
Введение.
С ранних времен человек всячески пытается облегчить свой труд. С того момента, как первобытный человек взял в руки палку, орудия в его руках начали преобразовываться и стремительно развиваться. В человеческих руках стали появляться копья, топоры, плуг, меч…и так до первой ракеты.
Появление, собственно, компьютеров и вычислительных машин позволило науке сделать огромный рывок в развитии. Стало возможным проводить всевозможные операции, которые человеческому мозгу не подвластны.
Компьютер – это устройство или средство, предназначенное для обработки информации. Однако компьютер может обрабатывать только ту информацию, которая представлена в числовой форме. Информацию в иной форме представления для ввода в компьютер необходимо преобразовать в числовую форму.
Так как человек не обходится одной сферой деятельности, он создает различные орудия для данной деятельности. Компьютеры этому не исключения. Каждый компьютер имеет свое назначение. Каждая отрасль производства стремится к тому, чтобы максимально улучшить коэффициент полезного действия, увеличить производительность, а так же сделать данный процесс наиболее дешевым. В этом то и состоит главная задача вычислительных машин — упрощать и ускорять работу!
Существуют различные классификации компьютерной техники:
по этапам развития (по поколениям);
по архитектуре;
по производительности;
по условиям эксплуатации;
по количеству процессоров;
по потребительским свойствам и т.д.
Четких границ между классами компьютеров не существует
. По мере совершенствования структур и технологии производства, появляются новые классы компьютеров, границы существующих классов существенно изменяются.
Поколения компьютеров. Технические характеристики и особенности классов.
| Деление компьютерной техники на поколения — весьма условная, нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером.
|
Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы
(лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Краткая историческая справка(Нулевое поколение)
История счётных устройств насчитывает много веков. Ниже в хронологическом порядке приводятся некоторые наиболее значимые события этой истории, их даты и имена участников.
«Нулевое»
— примерно до 1940 года. Вычислительный элемент — механический. Простые арифметические операции. Арифмометры, механические счетные машины.
Около 500 г. н.э.
Изобретение счётов
(абака) — устройства, состоящего из набора костяшек, нанизанных на стержни.
1614 г
.
Шотландец Джон Непер изобрёл логарифмы. Вскоре после этого Р. Биссакар создал логарифмическую линейку.
1642г.
Французский ученый Блез Паскаль
приступил к созданию арифметической машины
— механического устройства с шестернями, колёсами, зубчатыми рейками и т.п. Она умела "запоминать" числа и выполнять элементарные арифметические операции.
1670-1680 гг
Готфилд Дейбниц сконструировал счетную машину, которая выполняла все четыре арифметические действия.
1804 г
.
Французский инженер Жаккар
изобрёл перфокарты
для управления автоматическим ткацким станком, способным воспроизводить сложнейшие узоры. Работа станка программировалась колодой перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом челнока.
1834 г
.
Английский ученый Чарльз Бэббидж
составил проект "аналитической" машины,
в которую входили: устройства ввода и вывода информации, запоминающее устройство для хранения чисел, устройство, способное выполнять арифметические операции, и устройство, управляющее последовательностью действий машины. Команды вводились с помощью перфокарт. Проект не был реализован.
1876 г
.
Английский инженер Александер Белл
изобрёл телефон.
1878 г
.
Русский ученый П. Чебышев
сконструировал счетную машину, выполняющую сложение и вычитание многознычных чисел.
1890 г
.
Американский инженер Герман Холлерит
создал статистический табулятор,
в котором информация, нанесённая на перфокарты, расшифровывалась электрическим током. Табулятор использовался для обработки результатов переписи населения в США.
1892 г
.
Американский инженер У. Барроуз
выпустил первый коммерческий сумматор.
1897 г
.
Английский физик Дж. Томсон
сконструировал электронно-лучевую трубку
.
1901 г
.
Итальянский физик Гульельмо Маркони
установил радиосвязь между Европой и Америкой
.
1904—1906 гг.
Сконструированы электронные диод
и триод.
1930 г
.
Профессор Массачусетского технологического института (МТИ) Ванневар Буш
построил дифференциальный анализатор
, с появлением которого связывают начало современной компьютерной эры. Это была первая машина, способная решать сложные дифференциальные уравнения, которые позволяли предсказывать поведение таких движущихся объектов, как самолет, или действие силовых полей, например, гравитационного поля.
1936 г
. Английский математик Алан Тьюринг
и независимо от него Э. Пост
выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины.
Они доказали принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии возможности её алгоритмизации.
1938 г
.
Немецкий инженер Конрад Цузе
построил первый чисто механический компьютер.
1938 г
.
Американский математик и инженер Клод Шеннон
показал возможность применения аппарата математической логики для синтеза и анализа релейно-контактных переключательных схем.
1939 г
.
Американец болгарского происхождения профессор физики Джон Атанасофф
создал прототип вычислительной машины на базе двоичных элементов.
1941 г. Конрад Цузе
сконструировал первый универсальный компьютер на электромеханических элементах. Он работал с двоичными числами и использовал представление чисел с плавающей запятой.
1944 г
.
Под руководством американского математика Говарда Айкена
создана автоматическая вычислительная машина "Марк—1"
с программным управлением. Она была построена на электромеханических реле, а программа обработки данных вводилась с перфоленты.
Начиная с этого события, можно уже говорить о зарождении первого поколения вычислительных машин.
1945 г
. Джон фон Нейман
в отчёте "Предварительный доклад о машине Эдвак" сформулировал основные принципы работы и компоненты современных компьютеров.
1946 г
.
Американцы Дж. Эккерт
и Дж. Моучли
сконструировали первый электронный цифровой компьютер "Эниак"
(Electronic Numerical Integrator and Computer). Машина имела 20 тысяч электронных ламп и 1,5 тысячи реле. Она работала в тысячу раз быстрее, чем "Марк—1", выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений.
1948 г
.
В американской фирме Bell Laboratories физики Уильям Шокли
,Уолтер Браттейн
и Джон Бардин
создали транзистор
. За это достижение им была присуждена Нобелевская премия.
1948 г
. Норберт Винер
(Norbert Wiener) опубликовал книгу "Кибернетика",
оказавшую влияние на все последующие исследования в области искусственного интелекта.
1949 г
.
В Англии под руководством Мориса Уилкса
построен первый в мире компьютер с хранимой в памяти программой EDSAC.
1951 г
.
В Киеве построен первый в континентальной Европе компьютер МЭСМ
(малая электронная счетная машина), имеющий 600 электронных ламп. Создатель С.А. Лебедев.
1951—1955 гг.
Благодаря деятельности российских ученых С.А. Лебедева, М.В. Келдыша, М.А. Лаврентьева, И.С. Брука, М.А. Карцева, Б.И. Рамеева, В.С. Антонова, А.Н. Невского, Б.И. Буркова
и руководимых ими коллективов Советский Союз вырвался в число лидеров вычислительной техники, что позволило в короткие сроки решить важные научно-технические задачи овладения ядерной энергией и исследования Космоса.
1952 г
.
Под руководством С.А. Лебедева
в Москве построен компьютер БЭСМ—1
(большая электронная счетная машина) — на то время самая производительная машина в Европе и одна из лучших в мире.
1953 г
. Джей Форрестер
реализовал оперативную память на магнитных сердечниках
(сore memory), которая существенно удешевила компьютеры и увеличила их быстродействие. Память на магнитных сердечниках широко использовалась до начала 70-х годов. На смену ей пришла память на полупроводниковых элементах.
1955—1959 гг.
Российские ученые А.А. Ляпунов, С.С. Камынин, Э.З. Любимский, А.П. Ершов, Л.Н. Королев, В.М. Курочкин, М.Р. Шура-Бура
и др. создали "программирующие программы"
— прообразы трансляторов. В.В. Мартынюк
создал систему символьного кодирования
— средство ускорения разработки и отладки программ.
1955—1959 гг.
Заложен фундамент теории программирования (А.А. Ляпунов, Ю.И. Янов, А.А. Марков, Л.А. Калужин
) и численных методов (В.М. Глушков, А.А. Самарский, А.Н. Тихонов
). Моделируются схемы механизма мышления и процессов генетики, алгоритмы диагностики медицинских заболеваний (А.А. Ляпунов, Б.В. Гнеденко, Н.М. Амосов, А.Г. Ивахненко, В.А. Ковалевский
и др.).
1958 г
. Джек Килби
из фирмы Texas Instruments создал первую интегральную схему.
1957 г
.
Первое сообщение о языке Фортран
(Джон Бэкус
).
1957 г
.
Американской фирмой NCR создан первый компьютер на транзисторах.
1959 г
.
Под руководством С.А. Лебедева
создана машина БЭСМ—2
производительностью 10 тыс. опер./с. С ее применением связаны расчеты запусков космических ракет и первых в мире искусственных спутников Земли.
1959 г
.
Создана машина М—20,
главный конструктор С.А. Лебедев.
Для своего времени одна из самых быстродействующих в мире (20 тыс. опер./с.). На этой машине было решено большинство теоретических и прикладных задач, связанных с развитием самых передовых областей науки и техники того времени. На основе М—20 была создана уникальная многопроцессорная М—40
— самая быстродействующая ЭВМ того времени в мире (40 тыс. опер./с.). На смену М—20 пришли полупроводниковые БЭСМ—4
и М—220
(200 тыс. опер./с.).
1959 г
.
Первое сообщение о языке Алгол,
который надолго стал стандартом в области языков программирования.
1961 г
.
Фирма IBM Deutschland реализовала подключение компьютера к телефонной линии с помощью модема.
1964 г
.
Начат выпуск семейства машин третьего поколения — IBM/360.
1965 г
. Дж. Кемени
и Т. Курц
в Дортмундском колледже (США) разработали язык программирования Бейсик.
1965 г
. Сеймур Пейперт
(Seymour Papert) разработал язык LOGO
— компьютерный язык для детей.
1967 г
.
Под руководством С.А. Лебедева
организован крупно-серийный выпуск шедевра отечественной вычислительной техники — миллионника БЭСМ—6,
— самой быстродействующей машины в мире. За ним последовал "Эльбрус"
— ЭВМ нового типа, производительностью 10 млн. опер./с. 1968 г.
Основана фирма Intel,
впоследствии ставшая признанным лидером в области производства микропроцессоров и других компьютерных интегральных схем.
1970 г
.
Швейцарец Никлаус Вирт
разработал язык Паскаль.
1971 г
. Эдвард Хофф
разработал микропроцессор Intel—4004,
состоящий из 2250 транзисторов, размещённых в кристалле размером не больше шляпки гвоздя. Этот микропроцессор стал поистине революционным изобретением, открывшем путь к созданию искусственных интеллектуальных систем вообще и персонального компьютера в частности.
1971 г
.
Французский учёный Алан Колмари
разработал язык логического программирования Пролог
(PROgramming in LOGic).
1972 г
. Деннис Ритчи
из Bell Laboratories разработал язык Си.
1973 г
. Кен Томпсон
и Деннис Ритчи
создали операционную систему UNIX.
1973 г
.
Фирма IBM
(International Business Machines Corporation) сконструировала первый жёсткий диск типа
"винчестер".
1974 г
.
Фирма Intel
разработала первый универсальный восьмиразрядный микропроцессор 8080
с 4500 транзисторами.
1974 г. Эдвард Робертс,
молодой офицер ВВС США, инженер-электронщик, построил на базе процессора 8080 микрокомпьютер Альтаир
, имевший огромный коммерческий успех, продававшийся по почте и широко использовавшийся для домашнего применения. Компьютер назван по именем звезды, к которой был запущен межпланетный корабль "Энтерпрайз" из телесериала "Космическая одиссея".
1975 г
.
Молодой программист Пол Аллен
и студент Гарвардского университета Билл Гейтс
реализовали дляАльтаира
язык Бейсик.
Впоследствии они основали фирму Майкрософт
(Microsoft), являющуюся сегодня крупнейшим производителем программного обеспечения.
1975 г
.
Фирма IBM начала продажу лазерных принтеров
.
1976 г
.
Студенты Стив Возняк
и Стив Джобс,
устроив мастерскую в гараже, реализовали компьютерApple—1,
положив начало корпорации Apple
.
1978 г
.
Фирма Intel
выпустила микропроцессор 8086.
1979 г
.
Фирма Intel
выпустила микропроцессор 8088.
Корпорация IBM приобрела крупную партию этих процессоров для вновь образованного подразделения по разработке и производству персональных компьютеров.
1979 г
.
Фирма SoftWare Arts
разработала первый пакет деловых программ VisiCalc
(Visible Calculator) для персональных компьютеров.
1980 г
.
Корпорация Control Data
выпустила суперкомпьютер Cyber (Сайбер) 205.
1980 г
.
Японские компании Sharp, Sanyo, Panasonic, Casio
и американская фирма Tandy
вынесли на рынок первый карманный компьютер,
обладающий всеми основными свойствами больших компьютеров.
1981 г
.
Фирма IBM
выпустила первый персональный компьютер IBM PC
на базе микропроцессора 8088.
1982 г
.
Фирма Intel
выпустила микропроцессор 80286,
содержащий 134 000 транзисторов и способный выполнять любые программы, написанные для его предшественников. С тех пор такая программная совместимость остается отличительным признаком семейства микропроцессоров Intel.
1982 г
. Митч Капор
(Mitch Kapor) представил систему Lotus 1—2—3,
которая победила в конкурентной борьбе Visicalc.
1983 г.
Корпорация Apple Computers
построила персональный компьютер Lisa
— первый офисный компьютер, управляемый манипулятором мышь.
1983 г
. Гибкие диски
получили распространение в качестве стандартных носителей информации.
1983 г
.
Фирмой Borland
выпущен в продажу компилятор Turbo Pascal, разработанный Андерсом Хейльсбергом
(Anders Hejlsberg).
1984 г
.
Создан первый компьютер типа Laptop
(наколенный), в котором системный блок объединен с дисплеем и клавиатурой в единый блок.
1984 г
.
Фирмы Sony
и Phillips
разработали стандарт записи компакт-дисков CD-ROM.
1984 г
.
Корпорация Apple Computer
выпустила компьютер Macintosh
на 32-разрядном процессоре Motorola 68000
— первую модель знаменитого впоследствии семейства Macintosh c удобной для пользователя операционной системой, развитыми графическими возможностями, намного превосходящими в то время те, которыми обладали стандартные IBM-совместимые ПК с MS-DOS. Эти компьютеры быстро приобрели миллионы поклонников и стали вычислительной платформой для целых отраслей, таких например, как издательское дело и образование.
1984 г
.
Появилась некоммерческая компьютерная сеть FIDO.
Ее создатели Том Дженнингс
и Джон Мэдил.
В 1995 году в мире насчитывалось около 20 тысяч узлов этой сети, объединяющих 3 млн. человек.
1985 г
.
Фирма Intel
выпустила микропроцессор 80386,
, насчитывающий уже 275000 транзисторов. Этот 32-разрядный "многозадачный" процессор обеспечивал возможность одновременного выполнения нескольких программ.
1985 г
. Бьярн Страуструп
из Bell Laboratories
опубликовал описание созданного им объектно-ориентированного языка С++.
1989 г
.
Американская фирма Poquet Computers Corporation
представила новый компьютер класса Subnotebook — Pocket PC.
1989 г
. Тим Бернерс-Ли
предложил язык гипертекстовой разметки HTML
(HyperText Markup Language) в качестве одного из компонентов технологии разработки распределенной гипертекстовой системы World Wide Web.
1989 г
.
Фирма Intel
выпустила микропроцессор Intel 486 DX.
Поколение процессоров i486 ознаменовало переход от работы на компьютере через командную строку к режиму "укажи и щелкни". Intel 486 стал первым микропроцессором со встроенным математическим сопроцессором, который существенно ускорил обработку данных, выполняя сложные математические действия вместо центрального процессора. Количество транзисторов — 1,2 млн.
Корпорация Microsoft выпустила графическую оболочку MS Windows 3.0.
1990 г
.
Выпуск и ввод в эксплуатацию векторно-конвейерной суперЭВМ "Эльбрус 3.1"
. Разработчики — Г.Г. Рябов, А.А. Соколов, А.Ю. Бяков.
Производительность в однопроцессорном варианте — 400 мегафлопов.
1991 г
.
Финский студент Линус Торвальдс
(Linus Torvalds) распространил среди пользователей Интернет первый прототип своей операционной системы Linux.
Заинтересованные в этой работе программисты стали поддерживать Linux, добавляя драйверы устройств, разрабатывая разные продвинутые приложения и др. Атмосфера работы энтузиастов над полезным проектом, а также свободное распространение и использование исходных текстов стали основой феномена Linux. В настоящее время Linux — очень мощная система, к тому же — бесплатная.
1992 г
.
В этом году начался бурный рост популярности Internet и World Wide Web в связи с появлением web-браузера Mosaic,
разработанного в Национальном центре по приложениям для суперкомпьютеров в Университете штата Иллинойс. Разработчики Эрик Бина
и Марк Андриссен.
1993 г
.
Фирма Intel
выпустила микропроцессор Pentium,
который научил компьютеры работать с атрибутами "реального мира" — такими, как звук, голосовая и письменная речь, фотоизображения.
1994 г
.
Начало выпуска фирмой Power Mac
серии фирмы Apple Computers — Power PC.
1994
г
.
Компания Netscape Communication
выпустила браузер Netscape Navigator.
1995 г
.
Фирма Microsoft
выпустила в свет операционную систему Windows 95.
1995
г
.
Фирма Microsoft
выпустила браузер Internet Explorer.
Началась война браузеров, в которой пока побеждает Internet Explorer.
1995 г
.
Фирма Intel
выпустила микропроцессор Pentium Pro,
насчитывающий 5,5 миллионов транзисторов. Процессор разрабатывался как мощное средство наращивания быстродействия 32-разрядных приложений для серверов и рабочих станций, систем автоматизированного проектирования, программных пакетов, используемых в машиностроении и научной работе. Все процессоры Pentium Pro оснащены второй микросхемой кэш-памяти, еще больше увеличивающей быстродействие.
1997 г
.
Фирма Intel
выпустила микропроцессор Pentium II,
насчитывающий 7,5 миллионов транзисторов. Процессор Pentium II использует технологию Intel MMX, обеспечивающую эффективную обработку аудио, визуальных и графических данных. Кристалл и микросхема высокоскоростной кэш-памяти помещены в корпус с односторонним контактом, который устанавливается на системной плате с помощью одностороннего разъема — в отличие от прежних процессоров, имевших множество контактов. Процессор дает пользователям возможность вводить в компьютер и обрабатывать цифровые фотоизображения, создавать и редактировать тексты, музыкальные произведения, сценки для домашнего кино, передавать видеоизображения по обычным телефонным линиям.
1997 г
.
Компания Sun Microsystems
приняла стандарт объектно-ориентированного языка программирования Java
(произносится "джава"), созданного для реализации принципа "Написано однажды — работает везде". В применении к интернету Java — технология создания "апплетов" — небольших программ, которые загружаются на компьютер пользователя вместе со страницей сайта и позволяют "оживлять" эту страницу. Апплеты могут обеспечивать странице дополнительную функциональность, например, реализовывать мультипликационные иллюстрации.
1998 г
.
Выпуск в свет операционной системы Windows 98.
1999 г
.
Появление 64-разрядного микропроцессора Mersed.
2000 г
.
Появление 64-разрядных микропроцессоров Itanium
и AMD.
2000 г
.
Выпуск в свет операционной системы Windows 2000.
Первое поколение ЭВМ
Первая рабочая
ЭВМ была сконструирована в США и получила название ЭНИАК(15 февраля 1946 г). Этим событием принято обозначать зарождение первого поколения компьютеров. По поводу первой ЭВМ нет однозначного ответа. Например немцы считают, что первая ЭВМ создана ими для расчета артиллерийских выстрелов. Это своеобразный «эффект Попова», который заключается в том, что народ считает изобретение великой вещи принадлежит им. Это можно понять, так как в разных концах света в 40е годы стали практически одновременно строиться электронные машины для вычисления.
На самом деле первая ЭВМ появилась в 1941 году в Германии — это была Z3 молодого инженера Конрада Цузе. Но удивить мир было суждено не гражданину поверженного во Второй мировой Рейха, а американцам из Пенсильванского университета, которые 15 февраля 1946 года запустили 30-тонную ЭВМ ENIAC. Это было не только военное поражение Германии.
К первому поколению
обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов. В их схемах использовались электронные лампы и реле
. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами
, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.
Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства.
Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду
.
| Но это только техническая сторона ENIAC был размером с целый дом и весил 30 т.
На его создание потратили 0,5 млн. долларов. Он потреблял 200 кВт энергии. Лампа выходила из строя каждые 7-8 минут. Он мог сложить два числа за 3 мск. |
Очень важна и другая — способы использования компьютеров, стиль программирования, особенности математического обеспечения.
Программы для этих машин писались на языке конкретной машины
. Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы и производил по ним счет. Процесс отладки был наиболее длительным по времени.
ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы
и реле
; оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках.
Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.
ЭВМ первого поколения отличались невысокой надежностью, требовали системы охлаждения и имели значительные габариты. Процесс программирования требовал значительного искусства, хорошего знания архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. Сначала использовалось программирование в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились автокоды и ассемблеры, в определенной мере автоматизирующие процесс программирования задач. ЭВМ первого поколения использовались для научно-технических расчетов.
Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах не было,
поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штеккера с нужным гнездом.
Примерами машин I-го поколения могут служить Mark 1, ENIAC, EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), - первая машина с хранимой программой. UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый экземпляр Юнивака был передан в Бюро переписи населения США. Позднее было создано много разных моделей Юнивака, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, Юнивак стал первым серийным компьютером. Кроме того, это был первый компьютер, где вместо перфокарт использовалась магнитная лента.
Несмотря на ограниченность возможностей, эти машины позволили выполнить сложнейшие расчёты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др.
Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета.
Эти проблемы начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования
. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.
Первые отечественные ламповые вычислительные машины МЭСМ и БЭСМ были созданы под руководством академика С. А. Лебедева. МЭСМ (малая электронная счетная машина), созданная в 1951 г., сыграла важную роль в подготовке первых в стране программистов, инженеров и конструкторов ЭВМ, интенсифицировала разработку электронных элементов специально для применения в ЭВМ. БЭСМ (большая электронная счетная машина), являясь в то время самой быстродействующей ЭВМ в мире (8000 опер/с), открыла серию машин, получивших широкое распространение в СССР. В первой половине 50-х гг. у нас в стране появились ЭВМ серий «Стрела» и «Урал», а в 60-х гг.— «Проминь», «Мир», «Минск», «Раздан». Эти машины могли справиться с широким кругом математических и логических задач, встречающихся при решении научных и сложных инженерных проблем.
Второе поколение
Второе поколение
(период от конца 50-х до конца 60-х годов). В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор. Транзисторы быстро внедрялись в радиотехнику. В 60-х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения. Соединение элементов: печатные платы и навесной монтаж проводов. Габариты значительно уменьшились. Производительность от сотен тысяч до 1 млн. операций в секунду. Быстродействие
— до сотен тысяч операций в секунду,
ёмкость памяти
— до нескольких десятков тысяч слов.
Упростилась эксплуатация. Во времена второго поколения активно стали развиваться языки программирования высокого уровня, средства которых допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде
. Компьютеры второго поколения имели до 32 Кбайт оперативной памяти, а скорость вычислений их была от 200000 до 300000 операций в секунду.
Развитие программного обеспечения характеризуется созданием развитых макроассемблеров, повышающих уровень общения с ЭВМ, но являющихся в основе своей машинно-ориентированными языками низкого уровня. В ассемблерах впервые появляются средства раздельной компиляции и перемещаемости программ, которая явилась первым шагом к виртуализации ресурсов и появлению специальных промежуточных языков, а также новых системных программ - загрузчиков и компоновщиков. Конец 50-х годов характеризуется началом этапа автоматизации программирования, приведшим к появлению языков программирования B0,Commercial Translator,FACT, MathMatic и, наконец, появлением целого ряда проблемно-ориентированных языков программирования высокого уровня (ЯВУ): Fortran (1957 г.), явившийся первым языком такого класса, Algol-60, АКИ-400 и др. Дальнейшим развитием программной составляющей вычислительной техники было создание развитых библиотек стандартных программ на различных языках программирования и различного назначения, мониторов и диспетчеров для управления режимом работы ЭВМ и планированием ее ресурсов, заложивших прочные основы последующей концепции операционных систем следующего поколения.
Программа, написанная на алгоритмическом языке, непонятна компьютеру, воспринимающему только язык своих собственных команд. Поэтому специальные программы, которые называются трансляторами
, переводят программу с языка высокого уровня на машинный язык.
Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы
, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.
Первыми из них были ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ, Составление программы перестало зависеть от модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее. Программирование как элемент грамотности стало широко распространяться, главным образом среди людей с высшим образованием.
Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах. Благодаря этому появилась возможность создавать на ЭВМ информационно-справочные, поисковые системы. Такие системы связаны с необходимостью длительно хранить на магнитных носителях большие объемы информации.
В рамках второго поколения все более четко проявляется дифференциация ЭВМ на малые, средние и большие, позволившая существенно расширить сферу применения ВТ, приступить к созданию автоматизированных систем управления предприятиями (АСУ), целыми отраслями (ОАСУ) и технологическими процессами (АСУТП). Однако данный прогресс обеспечивался не только собственно развитием ЭВМ, большую роль здесь играло и развитие сопутствующего оборудования (средства ввода/вывода, внешняя память и др.). При этом, от поколения к поколению данная компонента компьютерной информатики играет все большую роль, во многом определяя уровень интерфейса пользователя с ЭВМ и их возможности по обработке информации.
Третье поколение
Третье поколение
(период от конца 60-х до конца 70-х годов). Элементная база: интегральные схемы (ИС), которые вставляются в специальные гнезда на печатной плате. Увеличилась производительность от сотен тысяч до миллионов операций в секунду. Более оперативно производится ремонт обычных неисправностей. Увеличились объемы памяти. Первые интегральные схемы содержали в себе десятки, затем – сотни элементов (транзисторов, сопротивлений и др.). Когда степень интеграции (количество элементов) приблизилось к тысяче, их стали называть большими интегральными схемами – БИС; затем появились сверхбольшие интегральные схемы – СБИС.
ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. Это были машины на ИС. Немного позднее стали выпускаться машины серии IBM-370, построенные на БИС. В нашей стране в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ) по образцу IBM 360/370.
Наиболее важным критерием различия ЭВМ второго и третьего поколений является существенное развитие архитектуры ЭВМ, удовлетворяющей требованиям как решаемых задач, так и работающих на них программистов
Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.
Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.
Значительно более мощным становится программное обеспечение, обеспечивающее функционирование ЭВМ в различных режимах эксплуатации. Появляются развитые cистемы управления базами данных (СУБД), системы автоматизирования проектных работ (САПР) различного назначения, совершенствуются АСУ, АСУТП и др. Большое внимание уделяется созданию пакетов прикладных программ (ППП) различного назначения. По-прежнему появляются новые и развиваются существующие языки и системы программирования, количество которых достигает уже порядка 3000. Наиболее широкое применение ЭВМ третьего поколения нашли в качестве технической основы создания больших и сверхбольших информационных систем. Важную роль в решении данной проблемы сыграло создание программного обеспечения (СУБД), обеспечивающего создание и ведение баз и банков данных различного назначения. Разнообразие вычислительных и программных средств, а также периферийного оборудования поставило на повестку дня вопросы эффективного выбора комплексов программно-вычислительных средств для тех или иных приложений.
Примеры машин третьего поколения — семейства IBM—360, IBM—370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.
Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.
На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств – магнитные диски. Накопители на магнитных дисках (НМД) работают гораздо быстрее, чем накопители на магнитных лентах (НМЛ). Широко используются новые типы устройств ввода-вывода: дисплеи, графопостроители.
В этот период существенно расширились области применения ЭВМ. Стали создаваться базы данных, первые системы искусственного интеллекта, системы автоматизированного проектирования (САПР) и управления (АСУ).
В 70-е годы получило мощное развитие линия малых (мини) ЭВМ. Своеобразным эталоном здесь стали машины американской фирмы DEC серии PDP. В нашей стране по этому образцу создавалась серия машин СМ ЭВМ (Система малых ЭВМ). Они меньше, дешевле, надежнее больших машин. Машины этого типа хорошо приспособлены для целей управления различными техническими объектами: производственными установками, лабораторным оборудованием, транспортными средствами. По этой причине их называют управляющими машинами. Во второй половине 70-х годов производство мини-ЭВМ превысило производство больших машин.
Четвертое поколение
Четвертое поколение
(от конца 70-х годов по настоящее время). Очередное революционное событие в электронике произошло в 1971 году, когда американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора. Первоначально микропроцессоры стали встраивать в различные технические устройства: станки, автомобили, самолеты. Такие микропроцессоры осуществляют автоматическое управление работой этой техники.
Парк всех машин четвертого поколения можно условно разделить на пять основных классов:
· микро-ЭВМ,
· персональные компьютеры (ПК),
· мини-ЭВМ, специальные ЭВМ,
· ЭВМ общего назначения,
· супер-ЭВМ.
С появлением микропроцессоров связано одно из важнейших событий в истории вычислительной техники - создание и применение микроЭВМ. Существенное отличие микроЭВМ от своих предшественников являются их малые габариты (размеры бытового телевизора) и сравнительная дешевизна. Это первый тип компьютеров, который появился в розничной продаже. Самой популярной разновидностью ЭВМ сегодня являются персональные компьютеры. Начало широкой продажи персональных ЭВМ связано с именами С. Джобса и В. Возняка, основателей фирмы "Эппл компьютер" (Apple Computer), которая с 1977 года наладила выпуск персональных компьютеров "Apple". С 1982 года фирма IBM приступила к выпуску модели персонального компьютера, ставшего эталоном на долгие времена – IBM PC (Personal Computer). Фирма придерживалась принципа открытой архитектуры и магистрально-модульного построения компьютера (любой изготовитель может установить свои комплектующие к компьютеру).
Быстродействие составляет до нескольких десятков миллионов операций в секунду, ёмкость оперативной памяти порядка 1 — 64 Мбайт.
Наиболее важный в концептуальном плане критерий, по которому ЭВМ четвертого поколения можно отделить от ЭВМ третьего поколения, состоит в том, что первые проектировались уже в расчете на эффективное использование современных языков программирования и упрощения процесса программирования для проблемного программиста. В аппаратном отношении для них характерно широкое использование ИС- технологии и быстродействующих запоминающих устройств. Наиболее известной серией ЭВМ четвертого поколения можно считать IBM/370, которая в отличие от не менее известной серии IBM/360 третьего поколения, располагает более развитой системой команд и более широким использованием микропрограммирования. В старших моделях 370-й серии был реализован аппарат виртуальной памяти, позволяющий создавать для пользователя видимость неограниченных ресурсов оперативной памяти.
Есть и другая линия в развитии ЭВМ четвертого поколения. Это суперЭВМ. Машины этого класса имеют быстродействие сотни миллионов и миллиарды операций в секунду. Первой суперЭВМ четвертого поколения была американская машина ILLIAK-4, за ней появились CRAY, CYBER и др. Из отечественных машин к этой серии относится многопроцессорный вычислительный комплекс ЭЛЬБРУС. Развитие таких вычислительных систем происходит по пути увеличения числа процессоров и их быстродействия. Современные многопроцессорные вычислительные комплексы включают в себя десятки тысяч процессоров. Их быстродействие исчисляется сотнями миллиардов операций в секунду.
Современные ЭВМ превосходят компьютеры предыдущих поколений компактностью, огромными возможностями и доступностью для разных категорий пользователей. Основные технические характеристики современного персонального компьютера: процессор (быстродействие – тактовая частота, разрядность), оперативная и внешняя память (объем памяти, скорость доступа к памяти и др.), видеопамять, средства ввода-вывода, средства коммуникации и др.
Очень важно правильно выбрать конфигурацию компьютера:
тип основного микропроцессора и материнской платы;
объем основной и внешней памяти;
номенклатуру устройств внешней памяти;
виды системного и локального интерфейсов;
тип видеоадаптера и видеомонитора;
типы клавиатуры, принтера, манипулятора, модема и др.
Важнейшей характеристикой является производительность компьютера. Основными факторами повышения производительности ПК являются:
увеличение тактовой частоты;
увеличение разрядности микропроцессора;
увеличение внутренней частоты микропроцессора;
конвейеризация выполнения операций в микропроцессоре и наличие кэш-памяти команд;
увеличение количества регистров микропроцессорной памяти;
наличие и объем кэш-памяти;
возможность организации виртуальной памяти;
наличие математического сопроцессора;
наличие процессора OverDrive;
пропускная способность системной шины и локальной шины;
объем ОЗУ и его быстродействие;
быстродействие накопителя жестких магнитных дисков;
пропускная способность локального дискового интерфейса;
организация кэширования дисковой памяти;
объем памяти видеоадаптера и его пропускная способность;
пропускная способность мультикарты, содержащей адаптеры дисковых интерфейсов и поддерживающей последовательные и параллельный порты для подключения принтера, мыши и др.
ЭВМ пятого поколения
ЭВМ пятого поколения
– это программа в Японии по развитию вычислительной техники и искусственного интеллекта. Основным их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень. Машины пятого поколения – это реализованный искусственный интеллект. В них будет возможным ввод с голоса, голосовое общение, машинное "зрение", машинное "осязание". Многое уже практически сделано в этом направлении.
ЭВМ пятого поколения должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:
1. Обеспечивать простоту применения ЭВМ путем эффективных систем ввода-вывода информации, диалоговой обработки информации с использованием естественных языков, возможности обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов (интеллектуализация ЭВМ);
2. Упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках; усовершенствовать инструментальные средства разработчиков;
3. Улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества ЭВМ, обеспечить их разнообразие и высокую адаптируемость к приложениям.
Пятое поколение компьютеров это название «плана действий» по развитию IT-индустрии. И не смотря на то, что пятое поколение базируется на микропроцессорах как и четвертое т.е. у них общая элементная база. А именно по этому критерию разделяют компьютеры на поколения. Тем не менее сегодняшние компьютеры относят к пятому поколению.
Япония начала свою широкомасштабную программу в начале 80-х. Их цель не изменять элементную базу компьютеров. А изменить и усовершенствовать, технические подходы, методы программирования и развивать научное направление в области искусственного интеллекта. На начало своего проекта Япония вложила пол миллиарда долларов США. На тот момент она не была настолько технически развита как США, Европа. Министерство международной торговли и промышленности Японии поставило четкую цель – пробиться в лидеры. Именно в то время зародился термин «пятое поколение компьютеров». ЭВМ пятого поколения должны достигнуть сверхпроводимости и в них должно быть интегрировано огромное количество процессоров на одной подложке.
Японский центр по развитию и обработки информации поставил перед собой цели. Главной из них это развитие технологий по логической обработке знаний, одно из ведущих направлений искусственного интеллекта. Создание рабочих станций с высокой производительностью и распределенными функциями. Создание суперкомпьютеров пятого поколения для научных вычислений которые будут оперировать огромными базами данных и базами знаний.
Уже тогда существовала потребность в ЭВМ с процессорами работающими параллельно и извлекающими данные из структурно построенных баз данных, использую интерфейс логических языков высокого уровня. Производительность таких машин должна достигать одного миллиарда логических заключений в секунду. Необходимо создать такую вычислительную среду, которая внутри себя будет создавать собственную виртуальную среду в зависимости от задачи.
Одним из способов повышения производительности ЭВМ пятого поколения это реализация программных решений на аппаратном уровне. Научные достижения в области искусственного интеллекта. Необходимо переводить на практическую базу. Это машинный набор текста под диктовку с распознаванием речи. И программный переводчик с языка на язык. Программно определить смысл текста для принятия решения о том в какую рубрику необходимо его поместить. Супер ЭВМ должны решать задачи массового применения
Данный проект Япония планировала завершить за 10 лет. И к началу 90-х выйти на новый уровень технического развития. На тот момент Япония прочно завоевала рынок бытовой электроники и автомобильной промышленности, что очень сильно беспокоило США. В ответ американца начали развивать собственные программы в области параллельных вычислений. Наиболее крупными проектами занималась американская корпорация по Микроэлектроники и Компьютерной Технологии (MCC). Европа уверенна в будущем параллельных вычислений. Начинает планы в этой отрасли Британская компания Alvey.
В советском союзе предприняли попытку не отстать от западных коллег. Было желание создать свой прототип ЭВМ пятого поколения. Для будущего мультипроцессорного компьютера, придумали яркое название «МАРС». Но уже тогда отставание от японцев, в области микроэлектроники, было на 10-15 лет. Весь проект базировался на старых инженерно-технических решениях. И морально устаревших языках программирования типа Модула-2. Удалось создать многопроцессорный компьютер «МАРС». Это было его единственное отличие от остальных ЭВМ. И данная машина не соответствовала определению: «компьютер пятого поколения».
Однако реализация проекта «компьютер пятого поколения» оказалось сложнее чем предполагалась изначально и не осуществима за десять лет. В качестве базового языка для ЭВМ пятого поколения, был выбран функциональный язык программирования «Пролог». Но он не поддерживал параллельные вычисления. Его работа в мультипроцессорной среде оказалась не эффективна. Не смотря на все попытки модернизировать его. Было принято решение по созданию новых типов языков программирования. Данная задача оказалась весьма сложной. Корпорациями занимающееся разработкой программного обеспечения были предложены новые языки. Но каждый из них обладал существенными недостатками. Что не позволяло в полной степени использовать параллельные вычисления.
Возникли и аппаратные трудности для создания ЭВМ пятого поколения. Техническое развитие быстро преодолело те трудности, которые перед началом проекта считались не выполнимыми. Параллельная работа нескольких процессоров, не давала той высокой производительности, на которую изначально рассчитывали. Разработанные в лаборатории машины. Быстро устаревали. Появлялись коммерческие компьютеры, которые по скорости уже превосходили их. Проект под названием «ЭВМ пятого поколения» оказался не удачным. Т.к. развитие информационных технологий пошло по другому пути.
Появился графический интерфейс пользователя. Который изначально не был предусмотрен в компьютерах пятого поколения. Появился Интернет, который изменил представления о структуре хранения и обработки информации. Развивались поисковые машины, которые использовали новые методы обработки данных
В начале проекта «пятое поколение ЭВМ» планировали полный переход на логические языки программирования. Типа Пролог. Но они себя не оправдали. Главная идея была в том, чтобы система самообучалась. Система доходила до своего пика, а затем падала. И все обучение нужно было повторять.
Планы замены программных средств их аппаратными аналогами, был неудачен. Такое виденье у инженеров было в предыдущем поколении компьютеров. Но на сегодняшний день. Ситуация изменилась в корне. Процесс развития информационных технологий пошел по обратному пути. Аппаратное обеспечение упрощалось. Предоставляя универсальность. А все задачи перекладывались на программное обеспечение.
Идеи Японских ученых были не удачными. Изначально был не верно выбран вектор развития компьютеров. Перспектива развития аппаратных средств была недооценена. Возможности в развитии искусственного интеллекта были переоценены. Даная область оказалась сложнее чем рассчитывали. Многие теоретические разработки в данной области так и не нашли своего практического применения. Искусственный интеллект так и не вышел за рамки академических задач. Многие методы так и остались забавой ученных.
Классификация компьютеров по архитектуре.
Архитектура ЭВМ
Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.
Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ. Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рисунке.
Положения фон Неймана:
- Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода)
- Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти
- Управляющее устройство – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками)
- Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме
- Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве
- Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода
- Один из важнейших принципов – принцип хранимой программы – требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация. Арифметико-логическое устройство и устройство управления в современных компьютерах образуют процессор ЭВМ. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом. Процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Процессор является преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств. Запоминающие устройства обеспечивают хранение исходных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также программ. Они включают: оперативные (ОЗУ), сверхоперативные СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ) запоминающие устройства. Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В СОЗУ хранится наиболее часто используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в СОЗУ и ОЗУ, непосредственно доступна процессору. Внешние запоминающие устройства (накопители на магнитных дисках, например, жесткий диск или винчестер) с емкостью намного больше, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом, используются для длительного хранения больших объемов информации. Например, операционная система (ОС) хранится на жестком диске, но при запуске компьютера резидентная часть ОС загружается в ОЗУ и находится там до завершения сеанса работы ПК. ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) и ППЗУ (перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства) предназначены для постоянного хранения информации, которая записывается туда при ее изготовлении, например, ППЗУ для BIOS. В качестве устройства ввода информации служит, например, клавиатура. В качестве устройства вывода – дисплей, принтер и т.д.
В построенной по схеме фон Неймана ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в устройстве управления.
Общеизвестно что компьютеры имеют разную внутреннюю структуру, элементы и разные виды связей между ними.
Например по архитектуре можно классифицировать компьютеры следующим образом:
- компьютеры с шинной архитектурой
- компьютеры с канальной архитектурой
Параллельные и конвейерные архитектуры.
Рассмотрим также понятие параллельной обработки. Затраты времени как при числовой, так и нечисловой обработке легко снизить путем распараллеливания операций. Это означает, что сходные действия над группами данных выполняются одновременно одинаковыми процессорами. Параллелизм – это естественное решение проблемы обработки больших наборов данных с повторяющейся структурой. Для организации параллельной обработки требуется: Составление параллельных программ, т.е. отображение в явной форме параллельной обработки с помощью специальных конструкций языка, ориентированного на параллельные вычисления; Автоматическое обслуживание параллелизма. Последовательная программа может быть автоматически проанализирована и выявлена явная или скрытая параллельная обработка. Она должна быть преобразована в явную Отображение параллельной обработки вручную или автоматически на рабочие алгоритмы, использующие специфические характеристики заданной архитектуры. При этом параллельные архитектуры, в особенности такие как матричные процессоры достигают высокой производительности именно с учетом архитектурных ограничений. Конвейерная обработка. Конвейерная обработка улучшает использование аппаратных ресурсов для заданного набора процессов. Пример конвейерной организации сборочный транспортер на производстве. Если транспортер использует аналогичные, но не тождественные изделия, то это – последовательный конвейер., если же все изделия одинаковые, то это – векторный конвейер. В архитектуре вычислительных машин традиционными примерами последовательных конвейеров являются конвейерное устройство обработки команд и арифметико-логическое устройство. Конвейеры содержащие циклы называются циклическими. Конвейеры можно подразделять на однофункциональные и многофункциональные, а также на статические и динамические. Многофункциональный конвейер может перестраиваться при переходе от одной группы заданий к другой, тогда как в динамическом конвейере такая перестройка может производится между отдельными заданиями. Конвейерное устройство умножения, выполняющее одну определенную функцию, называется однофункциональным статическим конвейером.
Неклассические типы архитектур вычислительных машин.
В ЭВМ классической архитектуры, чтобы найти значение элемента данных мы указываем начальное значение адреса блока памяти, а затем смещение конкретно элемента относительно начального адреса. Эти два значения складываются и получается искомый адрес. Этот вид памяти называется адресуемым. При ассоциативной адресации данные выбираются не по адресу, а по содержимому полей. Вначале пытались отразить ассоциативную адресацию и параллельную обработку на ЭВМ классической архитектуры, в которой один процессор обращается к памяти по адресу. В этой архитектуре для обработки всей информации мы располагаем всего лишь одним процессором. При этом миллиарды символов информации находятся в состоянии ожидания передачи через канал и обработки. При этом затраты времени будут очень большими. При использовании вышеизложенных концепций на этом уровне требуется внести в архитектуру два изменения: А) использовать параллельные процессоров, т.е. параллелизм обработки; Б) приблизить процессоры к данным, чтобы устранить постоянную передачу данных, т.е. распределенную логику. Кроме того в ЭВМ классической архитектуры обращение к памяти происходит по адресу, что приемлемо при числовой обработке, однако для организации нечисловой обработки, где обращение происходит по содержание приходится вводить режим эмуляции ассоциативной адресации с помощью основного адресного доступа. При этом создаются специальные таблицы для перевода ассоциативного запроса в адрес. Учитывая, количество информации , легко представить с какими затратами связана обработка этих таблиц. Современные же СУБД должны уметь эффективно работать и с системами нечисловой обработки. В общих чертах новая архитектура должна удовлетворять следующим требованиям: -параллелизм и использование процессоров в памяти; ассоц
Наибольшую эффективность показала MSIMD-архитектура, поэтому в современных супер-ЭВМ чаще всего используется именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujitsu, NEC, 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 захватила фирма Cray Research, выпустившая ЭВМ Cray 1 с производительностью 160 MFLOPS и объе-мом оператив¬ной 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 составляла 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти – 2 Гбайта. Классическое соотношение, так как 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. – 900 шт.) начиная от простеньких офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SХ-3 и SX-X фирмы NEC, VP 2000 фирмы Fujitsu, VPP 500 фирмы Siemens и другие. Их производительностью составляет несколько десятков тысяч MFLOPS. Среди лучших суперЭВМ можно отметить и отечественные суперкомпьютеры.
Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:
1. Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).
2. Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.
3. Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.
Классификация компьютеров по функциональным возможностям.
Схема классификации компьютеров, исходящая из их производительности, размеров и функционального назначения, приведена на рис. 1. Следует отметить, что вопрос об отнесении конкретного компьютера к одной из категорий этой схемы может иметь неоднозначный ответ, привязанный к конкретной исторической обстановке или доминирующему поколению ЭВМ.
Место супер-ЭВМ
в этой иерархии уже обсуждалось. Определить супер-ЭВМ можно лишь относительно: это самая мощная вычислительная система, существующая в соответствующий исторический период. В настоящее время наиболее известны мощные супер-ЭВМ “Cray” и “IBM SP2” (США). Модель “Сгау-3”, выпускаемая с начала 90-х годов на основе принципиально новых микроэлектронных технологий, является 16-процессорной машиной с быстродействием более 10 млрд. операций в секунду (по другим данным 16) над числами с “плавающей точкой” (т.е. длинными десятичными числами; такие операции гораздо более трудоемки, чем над целыми числами); в модели CS 6400 число процессоров доведено до 64. Супер-ЭВМ требуют особого температурного режима, зачастую водяного охлаждения (или даже охлаждения жидким азотом). Их производство по масштабам несопоставимо с производством компьютеров других классов (так, в 1995 г. корпорацией “Cray” было выпущено всего около 70 таких компьютеров).
Суперкомпьютеры
— это очень мощные компьютеры с производительностью свыше 100 мегафлопов (1 мегафлоп — миллион операций с плавающей точкой в секунду). Они называются сверхбыстродействующими
. Эти машины представляют собой многопроцессорные
и (или) многомашинные
комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и переднего края
(high end).
Оксфордский толковый словарь по вычислительной технике, изданный почти 10 лет назад, в 1986 году, сообщает, что суперкомпьютер - это очень мощная ЭВМ с производительностью свыше 10 MFLOPS (миллионов операций с плавающей запятой в секунду). Сегодня этот результат перекрывают уже не только рабочие станции, но даже, по крайней мере, по пиковой производительности, и ПК. В начале 90-х годов границу проводили уже около отметки в 300 MFLOPS. В этом году, судя по появившимся в печати сообщениям, специалисты двух ведущих "суперкомпьютерных" стран, - США и Японии, - договорились о подъеме планки до 5 GFLOPS.
Однако такой подход к определению суперЭВМ не совсем корректен. Очевидно, что, современный двухпроцессорный компьютер Cray C90 любой здравомыслящий человек назовет суперЭВМ. А тем не менее, его пиковая производительность меньше 2 GFLOPS. С этим вопросом тесно связаны и ограничения (ранее - КОКОМ, теперь - Госдепартамента США) на поставку высокопроизводительных средств вычислительной техники другим странам. Компьютеры с производительностью свыше 10 000 млн. теоретических операций в сек. (MTOPS), согласно определению Госдепартамента США, считаются суперкомпьютерами [1].
Более корректно, на наш взгляд, перечислить основные признаки, характеризующие суперЭВМ, среди которых кроме высокой производительности следует отметить:
самый современный технологический уровень (например, GaAs-технология);
специфические архитектурные решения, направленные на повышение быстродействия (например, наличие операций над векторами);
цена, обычно свыше 1-2 млн. долл.
Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма
и конвейеризации вычислений
.
В этих машинах параллельно, то есть одновременно, выполняется множество похожих операций (это называется мультипроцессорной обработкой
). Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию
.
Что такое конвееpная обработка
? Приведем сравнение — на каждом рабочем месте конвейера выполняется один шаг производственного процесса, а на всех рабочих местах в одно и то же время обрабатываются различные изделия на всевозможных стадиях. По такому принципу устроено арифметико-логическое устройство суперкомпьютера.
Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры
, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами — векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры
и параллельный конвейерный механизм обработки
. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном — выдаёт сразу векторные команды.
Векторная аппаратура очень дорога, в частности, потому, что требуется много сверхбыстродействующей памяти под векторные регистры.
Наиболее распространённые суперкомпьютеры — массово-параллельные
компьютерные системы. Они имеют десятки тысяч процессоров
, взаимодействующих через сложную, иерархически организованую систему памяти.
В качестве примера рассмотрим характеристики многоцелевого массово-параллельного суперкомпьютера среднего класса Intel Pentium Pro 200
. Этот компьютер содержит 9200 процессоров Pentium Pro на 200 Мгц, в сумме (теоретически) обеспечивающих производительность 1,34 Терафлоп
(1 Терафлоп равен 1012
операций с плавающей точкой в секунду), имеет 537 Гбайт памяти и диски ёмкостью 2,25 Терабайт. Система весит 44 тонны (кондиционеры для неё — целых 300 тонн) и потребляет мощность 850 кВт.
Суперкомпьютеры используются для решения сложных и больших научных задач (метеорология, гидродинамика и т. п.), в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д.
Элементная база — микросхемы сверхвысокой степени интеграции.
Можно ли как-то точно определить, что есть суперкомпьютер, а что есть высокопроизводительная установка? Ученые и специалисты спорят о критериях до сих пор. Но в одном нет сомнения: если в каждый момент времени взять 500 самых мощных машин мира, то все специалисты согласятся, что их можно смело называть суперкомпьютерами. Так что, вполне можно придерживаться такого определения. C 1993 года в мире ведется рейтинг пятисот самых мощных компьютеров — TOP-500 http://www.top500.org. Рейтинг обновляется 2 раза в год — в июне и ноябре. На сайте TOP-500 есть база данных всех выпусков рейтинга с 1993 года, есть очень удобные средства поиска http://www.top500.org/sublist/ в этой базе данных. Легко, например, узнать, сколько суперкомпьютеров было в такой-то стране за весь период существования рейтинга или в тот или иной год. Легко узнать, сколько суперкомпьютеров попало в этот список (за все годы существования рейтинга, или в определенный год) от некоторого производителя: IBM, HP, и т.д. Можно узнать, сколько было отечественных разработок. Поскольку наши производители еще не такие именитые, как IBM, в графе «Производитель» их помечают словами «собственная разработка» — «self-made».
Чем суперкомпьютеры отличаются по устройству от простых (персональных) компьютеров? Каковы их архитектурные особенности? Сегодня все суперкомпьютеры — это мультипроцессорные системы, т.е. это системы, в которых не один и не два процессора (как в большинстве персоналок), а очень много — сотни, тысячи, до десятка тысяч. Архитектура у суперкомпьютеров бывает разная: векторная, конвейерная и др. Но на сегодняшний день самая популярная архитектура суперкомпьютеров (72% в списке TOP-500) — кластеры. Кластерная архитектура подразумевает создание суперкомпьютера по следующей схеме: -Берутся так называемые вычислительные узлы — самые обычные компьютеры, как и у простых пользователей. Вот только процессоров в узле обычно несколько: от 2-х до 8-ми. Если не вдаваться в детали, то можно сказать, что используются комплектующие, широко доступные на рынке: обычные (SMP-мультипроцессорные) материнские платы, обычные процессоры (от Intel, от AMD или от IBM и т.п.), память, диски. -Как правило, все эти комплектующие собираются в специальном корпусе, в компактном исполнении, в компактном форм-факторе. Обычно это выглядит так, как будто привычную персоналку "раскатали в тонкий (порядка 3 см) блин". -Затем берется большое количество таких узлов — сотни и даже тысячи. Узлы устанавливаются в специальные шкафы и соединяются между особой сверхбыстрой сетью, которая используется для организации параллельного счета. Иногда для этого используют широкодоступные сетевые технологии, например, Gigabit Ethernet. Однако когда речь идет о серьезном подходе к суперкомпьютеру, то используют особые сетевые решения, специальную сеть для оптимальной организации параллельного счета: InfiniBand, SCI, Myrinet и др. Кроме этой «сети для счета», обычно узлы связывают еще одной сетью — для передачи данных и программ. Здесь уже используют, как правило, обычные сетевые технологии (сегодня это, как правило, Gigabit Ethernet). Более того, часто в суперкомпьютере бывает и третья, одельная управляющая сеть, которая регулирует такие вопросы как включение-выключение электропитания, Reset отдельных узлов, вышедших из повиновения и т.д. Конструктивно все это выглядит довольно внушительно. Даже если мы рассматриваем суперкомпьютеры с 100 до 500-го места списка TOP-500, то это от 2-х до 10-ти шкафов, в которые компактно упакованы вычислительные узлы. Первая сотня в списке TOP-500 — это десятки шкафов оборудования. А машины из первой десятки списка TOP-500 занимает огромное помещение, заставленное сотней шкафов. Иногда для таких машин даже строят специальное здание, как это было для известного японского суперкомпьютера Earth Simulato. Сегодня он занимает седьмое место в Top500, а ранее долгое время (с ноября 2001 по июнь 2004 года, шесть выпусков рейтинга Top500!) он был самым мощным суперкомпьютером в мире. Рис.1 Японский суперкомпьютер Earth Simulator (3-ий этаж компьютера) В этом здании на первом этаже располагается электростанция, поскольку Earth Simulator потребляет шесть мегаватт электроэнергии. Второй этаж занимают только коммуникации — кабельные сети. Третий этаж заставлен полностью шкафами с оборудованием. Размеры каждого этажа 65х50 метров, высота — 7 метров. А, скажем, наш самый мощный суперкомпьютер отечественной разработки «СКИФ К-1000», который представляет собой 8 шкафов (которые занимают около 5 кв.м), 288 вычислительных узлов, 576 процессоров, для своего размещения требует помещения в 20 кв. метров. Кроме узлов в шкафах тянутся 2,5 километра кабеля с примерно 2000 разъемов, которые надо было, ничего не напутав, правильно подсоединить. Потребляет эта установка 89 киловатт. Несколько слов о том, что такое производительность суперкомпьютера. Измеряется она в количестве вычислительных арифметических операций, выполняемых суперкомпьютером за одну секунду. Современные суперкомпьютеры способны выполнять миллиарды (GFlops) и триллионы операций в секунду (TFflops).
Суперкомпьютер «Ломоносов»
Технические характеристики суперкомпьютера "Ломоносов"
| Пиковая производительность |
420Тфлопс |
| Реальная производительность |
350Тфлопс |
| Эффективность (соотношение пиковой и реальной производительности) |
83% |
| Число вычислительных узлов |
4 446 |
| Число процессоров |
8 892 |
| Число процессорных ядер |
35 776 |
| Число типов вычислительных узлов |
3 (T-Blade2, T-Blade 1.1, платформа на базе процессора PowerXCell 8i) |
| Основной тип вычислительных узлов |
T-Blade2 |
| Процессор основного типа вычислительных узлов |
Intel® Xeon X5570 |
| Оперативная память |
56 576ГБ |
| Общий объем дисковой памяти вычислителя |
166 400ГБ |
| Занимаемая площадь |
252 кв.м |
| Энергопотребление вычислителя |
1.5 МВт |
| Интерконнект |
QDR Infiniband |
| Система хранения данных |
Трехуровневая с параллельной файловой системой |
| Объем системы хранения данных |
до 1 350ТБ |
| Операционная система |
Clustrx T-Platforms Edition |
Суперкомпьютер «Ломоносов» - первый гибридный суперкомпьютер такого масштаба в России и Восточной Европе. В нем используется 3 вида вычислительных узлов и процессоры с различной архитектурой. Перед установкой в МГУ им. М.В. Ломоносова система прошла тщательное тестирование на производстве компании «Т-Платформы». В качестве основных узлов, обеспечивающих свыше 90% производительности системы, используется инновационная blade-платформа, получившая название T-Blade2. По вычислительной плотности на квадратный метр занимаемой площади – 30Тфлопс/м2 – эта система превосходит все мировые аналоги. T-Blade2 на базе процессоров Intel® Xeon X5570 обеспечивает производительность 18TFlops в стандартной стойке высотой 42U. В суперкомпьютере также задействованы blade-системы T-Blade 1.1 с увеличенным объемом оперативной памяти и локальной дисковой памятью для выполнения специфических задач, особенно требовательных к этим параметрам системы. Третий тип узлов – платформы на базе многоядерного процессора PowerXCell 8i, использующиеся в качестве мощных ускорителей для ряда задач. Все три типа вычислительных узлов были разработаны компанией «Т-Платформы».
Платформа T-Blade2 была сконструирована инженерами «Т-Платформы» «с нуля» - все платы и механические компоненты являются собственными разработками компании. T-Blade2 выходит за рамки традиционных возможностей blade-систем. Новая платформа позволяет создавать суперкомпьютеры высшего диапазона производительности, не уступающие специализированным нестандартным вычислителям с массивно-параллельной архитектурой (MPP).
Суперкомпьютеры на базе T-Blade2 обеспечивают высокую эффективность реальных приложений за счет принципиально новых технологий, таких как выделенные сети барьерной синхронизации и глобальных прерываний. Они позволяют за минимальное время синхронизировать вычислительные процессы на отдельных узлах и ускорить обмен данными между процессорами.
В качестве системной сети, связывающей узлы суперкомпьютера «Ломоносов», используется интерконнект QDR Infiniband с пропускной способностью до 40Гб/сек. Для максимально бесконфликтной передачи данных в интегрированных коммутаторах InflniBand предусмотрено избыточное количество внешних портов: их суммарная пропускная способность составляет 1,6Тбит/сек.
Система хранения данных
Суперкомпьютер использует трехуровневую систему хранения данных суммарным объемом до 1 350ТБ с параллельной файловой системой Lustre. Система хранения данных обеспечивает одновременный доступ к данным для всех вычислительных узлов суперкомпьютера с агрегированной скоростью чтения данных - 20Гб/сек и агрегированной скоростью записи - 16Гб/сек.
Специализированное программное обеспечение
Суперкомпьютер работает под управлением пакета Clustrx - разработки компании T-Massive Computing, входящей в состав холдинга «Т-Платформы». Clustrx ОС устраняет критические ограничения масштабируемости, присущие современным операционным системам, обеспечивая более эффективное использование ресурсов крупных инсталляций размером до 25000 узлов. Пакет Clustrx содержит все необходимые компоненты для управления суперкомпьютером и организации удобного доступа пользователей к системе. Clustrx обеспечивает ежесекундный мониторинг до 300 метрик на каждом вычислительном узле, использует технологии агрессивного энергосбережения и автоматического реагирования на критические ситуации.
Отказоустойчивость
Добиться требуемого уровня отказоустойчивости позволило резервирование всех критических подсистем и компонентов суперкомпьютерного комплекса – от вентиляторов и блоков питания в вычислительных узлах до систем электропитания и охлаждения. Высокую надежность blade-систем обеспечивает отсутствие кабельных соединений и жестких дисков внутри шасси, а также целый ряд конструктивных решений, таких как специально разработанные разъемы для модулей памяти.
Применение
Система будет использоваться для решения ресурсоемких вычислительных задач в рамках фундаментальных научных исследований, а также для проведения научной работы в области разработки алгоритмов и программного обеспечения для мощных вычислительных систем.
Большие ЭВМ (Main Frame)
Мэйнфрейм — большая универсальная ЭВМ — высокопроизводительный компьютер со значительным объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенный для организации централизованных хранилищ данных большой ёмкости и выполнения интенсивных вычислительных работ.
Большие компьютеры
применяют для обслуживания крупных областей народного хозяйства. Они характеризуются 64-разрядными параллельно работающими процессорами (количество которых достигает до 100), интегральным быстродействием до десятков миллиардов операций в секунду, многопользовательским режимом работы. Доминирующее положение в выпуске компьютеров такого класса занимает фирма IBM (США). Наиболее известными моделями суперЭВМ являются: IBM 360, IBM 370, IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000.
Технические характеристики мейнфреймов
· Вертикальное масштабирование образуется путем наращивания количества процессоров в одной системе.
· Горизонтальное масштабирование реализуется путем объединения мощных компьютеров в один логический компьютер. Можно объединить, практически, любое количество компьютеров. Они могут быть, географически, удаленны друг от друга.
· Высокая надежность хранения данных. В мейнфреймах обеспечивается путем использования RAID-массивов. С возможностью горячей замены. Производиться круглосуточное резервирование данных.
· Горячая замена, практически, любых компонентов. Дисков, оперативной памяти и даже процессоров.
· Мейнфрейм имеют высокий контроль над ошибками. Моментальное тестирование данных в памяти при их использовании. Дублирование каналов связи с периферийным оборудованием.
· Криптографическая защита данных на аппаратном уровне.
· Централизованное хранение данных. Дает высокую надежность и актуальность.
В архитектурном плане мейнфреймы представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры (в терминологии IBM - селекторные, блок-мультиплексные, мультиплексные каналы и процессоры телеобработки) обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.
· Среднее время наработки на отказ
. Время наработки на отказ современных мейнфреймов оценивается в 12–15 лет. Надёжность мейнфреймов — это результат их почти 60-летнего совершенствования. Группа разработки VM/ESA затратила двадцать лет на удаление ошибок из операционной системы, и в результате была создана система, которую можно использовать в самых ответственных случаях.
· Повышенная устойчивость систем
. Мейнфреймы могут изолировать и исправлять большинство аппаратных и программных ошибок за счёт использования следующих принципов:
· Дублирование: два резервных процессора, запасные микросхемы памяти, альтернативные пути доступа к периферийным устройствам.
· Горячая замена всех элементов вплоть до каналов, плат памяти и центральных процессоров.
· Целостность данных
. В мейнфреймах используется память с коррекцией ошибок. Ошибки не приводят к разрушению данных в памяти, или данных, ожидающих вывода на внешние устройства. Дисковые подсистемы построенные на основе RAID-массивов с горячей заменой и встроенных средств резервного копирования защищают от потерь данных.
· Рабочая нагрузка
. Рабочая нагрузка мейнфреймов может составлять 80–95 % от их пиковой производительности. Для UNIX–серверов, обычно, рабочая нагрузка не может превышать 20–30 % от пиковой загрузки. Операционная система мейнфрейма будет тянуть всё сразу, причём все приложения будут тесно сотрудничать и использовать общие куски ПО.
· Пропускная способность
. Подсистемы ввода-вывода мейнфреймов разработаны так, чтобы работать в среде с высочайшей рабочей нагрузкой на ввод-вывод данных.
· Масштабирование
. Масштабирование мейнфреймов может быть как вертикальным, так и горизонтальным. Вертикальное масштабирование обеспечивается линейкой процессоров с производительностью от 5 до 200 MIPS и наращиванием до 12 центральных процессоров в одном компьютере. Горизонтальное масштабирование реализуется объединением ЭВМ в Sysplex (Sys
tem Complex
) — многомашинный кластер, выглядящий с точки зрения пользователя единым компьютером. Всего в Sysplex можно объединить до 32 машин. Географически распределённый Sysplex называют GDPS. В случае использования ОС VM для совместной работы можно объединить любое количество компьютеров. Программное масштабирование — на одном мейнфрейме может быть сконфигурировано фактически бесконечное число различных серверов. Причем все серверы могут быть изолированы друг от друга так, как будто они выполняются на отдельных выделенных компьютерах и в тоже же время совместно использовать аппаратные и программные ресурсы и данные.
· Доступ к данным
. Поскольку данные хранятся на одном сервере, прикладные программы не нуждаются в сборе исходной информации из множества источников, не требуется дополнительное дисковое пространство для их временного хранения, не возникают сомнения в их актуальности. Требуется небольшое количество физических серверов и значительно более простое программное обеспечение. Всё это, в совокупности, ведёт к повышению скорости и эффективности обработки.
· Защита
. Встроенные в аппаратуру возможности защиты, такие как криптографические устройства, и Logical Partition, и средства защиты операционных систем, дополненные программными продуктами RACF или VM:SECURE, обеспечивают совершенную защиту.
· Пользовательский интерфейс
. Пользовательский интерфейс у мейнфреймов всегда оставался наиболее слабым местом. Сейчас же стало возможно для прикладных программ мейнфреймов в кратчайшие сроки и при минимальных затратах обеспечить современный веб-интерфейс.
· Сохранение инвестиций
— использование данных и существующих прикладных программ не влечёт дополнительных расходов по приобретению нового программного обеспечения для другой платформы, переучиванию персонала, переноса данных и тд.
| группа технического обслуживания |
центральный процессор |
группа подготовки данных |
| группа системных программистов |
отдел выдачи результатов |
группа прикладных программистов |
| группа информационной поддержки |
На базе больших ЭВМ
создают вычислительный центр, который содержит несколько отделов или групп (структура которого изображена на рис. 2). Штат обслуживания - десятки людей.
Структура вычислительного центра на базе большой ЭВМ
Центральный процессор - основной блок ЭВМ, в котором происходит обработка данных и вычисление результатов. Представляет собой несколько системных блоков в отдельной комнате, где поддерживается постоянная температура и влажность воздуха.
Группа системного программирования - занимается разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого для функционирования вычислительной системы. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ с оборудованием, то есть программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы.
Группа прикладного программирования - занимается созданием программ для выполнения конкретных действий с данными, то есть обеспечение пользовательского интерфейса вычислительной системы.
Группа подготовки данных - занимается подготовкой данных, которые будут обработаны на прикладных программах, созданных прикладными программистами. В частности, это набор текста, сканирование изображений, заполнение баз данных.
Группа технического обеспечения - занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и отладкой аппаратуры, подсоединением новых устройств.
Группа информационного обеспечения - обеспечивает технической информацией все подразделения вычислительного центра, создает и сохраняет архивы разработанных программ (библиотеки программ) и накопленных данных (банки данных).
Отдел выдачи данных - получает данные от центрального процессора и превращает их в форму, удобную для заказчика (распечатка).
Большим ЭВМ присуща высокая стоимость оборудования и обслуживания, поэтому работа организована непрерывным циклом.
Большие ЭВМ более доступны, чем “супер”. Они также требуют специального помещения, иногда весьма немалого, поддержания жесткого температурного режима, высококвалифицированного обслуживания. Такую ЭВМ в 80-е годы мог себе позволить завод, даже крупный вуз. Классическим примером служат выпускавшиеся еще недавно в США машины серии IBM 370 и их отечественные аналоги ЕС ЭВМ. Большие ЭВМ используются для производства сложных научно-технических расчетов, математического моделирования, а также в качестве центральных машин в крупных автоматизированных системах управления. Впрочем, скорость прогресса в развитии вычислительной техники такова, что возможности больших ЭВМ конца 80-х годов практически по всем параметрам перекрыты наиболее мощными “супер-мини” середины 90-х. Несмотря на это, выпуск больших машин продолжается, хотя цена одной машины может составлять несколько десятков миллионов долларов.
МиниЭВМ
Похожа на большие ЭВМ, но меньших размеров. Используют на крупных предприятиях, научных учреждениях и организациях. Часто используют для управления производственными процессами. Характеризуются мультипроцессорной архитектурой, подключением до 200 терминалов, дисковыми запоминающими устройствами, которые наращиваются до сотен гигабайт, разветвленной периферией. Для организации работы с миниЭВМ, нужен вычислительный центр, но меньший чем для больших ЭВМ.
Мини-ЭВМ появились в начале 70-х годов. Их традиционное использование -либо для управления технологическими процессами, либо в режиме разделения времени в качестве управляющей машины небольшой локальной сети. Мини-ЭВМ используются, в частности, для управления станками с ЧПУ, другим оборудованием. Среди них выделяются “супер-мини”, имеющие характеристики, сравнимые с характеристиками больших машин (например, в 80-х годах таковыми считалось семейство VAX-11 фирмы DEC и его отечественные аналоги – СМ 1700 и др.).
МикроЭВМ
Доступны многим учреждениям. Для обслуживания достаточно вычислительной лаборатории в составе нескольких человек, с наличием прикладных программистов. Необходимые системные программы покупаются вместе с микроЭВМ, разработку прикладных программ заказывают в больших вычислительных центрах или специализированных организациях.
Программисты вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказанного программного обеспечения, выполняют его настройку и согласовывают его работу с другими программами и устройствами компьютера. Могут вносить изменения в отдельные фрагменты программного и системного обеспечения.
Микро-ЭВМ обязаны своим появлением микропроцессорам. Среди них выделяют многопользовательские, оборудованные многими выносными терминалами и работающие в режиме разделения времени; встроенные, которые могут управлять станком, какой-либо подсистемой автомобиля или другого устройства (в том числе и военного назначения), будучи его малой частью. Эти встроенные устройства (их часто называют контроллерами) выполняются в виде небольших плат, не имеющих рядом привычных для пользователя компьютера внешних устройств.
Термин “рабочая станция” используется в нескольких, порой несовпадающих, смыслах. Так, рабочей станцией может быть мощная микро-ЭВМ, ориентированная на специализированные работы высокого профессионального уровня, которую нельзя отнести к персональным компьютерам хотя бы в силу очень высокой стоимости. Например, это графические рабочие станции для выполнения работ по автоматизированному проектированию или для высокоуровневой издательской деятельности. Рабочей станцией могут называть и компьютер, выполняющий роль хост-машины в подузле глобальной вычислительной сети. Компьютеры фирм “Sun Microsystems”, “Hewlett-Packard”, стоимостью в десятки раз большей, чем персональные компьютеры, являются одно- или многопроцессорными машинами с огромным (по меркам ПК) ОЗУ, мультипроцессорной версией операционной системы, несколькими CD ROM- накопителями и т.д.
Нельзя, наконец, не сказать несколько слов об устройствах, приносящих большую пользу и также являющихся ЭВМ (поскольку они чаще всего и электронные, и вычислительные),-аналоговых вычислительных машинах (АВМ). Они уже полвека хотя и находятся на обочине развития современной вычислительной техники, но неизменно выживают. Известны системы, в которых АВМ сопрягаются с цифровыми, значительно увеличивая эффективность решения задач в целом. Основное в АВМ – они не цифровые, обрабатывают информацию, представленную не в дискретной, а в непрерывной форме (чаще всего в форме электрических токов). Их главное достоинство – способность к математическому моделированию процессов, описываемых дифференциальными уравнениями (порой очень сложных) в реальном масштабе времени. Недостаток – относительно низкая точность получаемых решений и неуниверсальность.
Серверы
Сервером называется мощный компьютер, выделенный
из группы персональных компьютеров
(или рабочих станций
) для выполнения какой-либо сервисной задачи без непосредственного участия человека. Сервер и рабочая станция могут иметь одинаковую аппаратную конфигурацию, так как различаются лишь по участию в своей работе человека за консолью.
На сервере хранятся большие объемы информации. К нему предъявляются повышенные требования по быстродействию и надежности работы. В сервере должна быть предусмотрена возможность резервирования всей хранимой информации.
- По назначению серверы делят:
- Сервер приложений для обработки запросов от всех станций и предоставления доступа к системным ресурсам
- Файл-сервер(Data Server) — для работы с базами данных
- Архивационный сервер(Storage Express System) для резервного копирования информации в многосерверных сетях
- Факс-сервер(Net SatisFaxion) для для организации эффективной многоадресной факсимильной связи
- Почтовый сервер(Mail Server) для организации э/п
- Сервер печати(Print Server) для эффективного использования системных принтеров.
- Сервер телеконференций для обслуживания станций телеконференциями и новостями.
Любой компьютер может стать сервером, имея соответствующее ПО
Рабочие станции
Рабо́чая ста́нция
(англ. workstation
) — комплекс технических и программных средств, предназначенных для решения определенного круга задач.
1) Рабочая станция как место работы специалиста представляет собой полноценный компьютер или компьютерный терминал (устройства ввода-вывода, отделённые и часто удалённые от управляющего компьютера), набор необходимого ПО, по необходимости дополняемые вспомогательным оборудованием: печатающее устройство, внешнее устройство хранения данных на магнитных и/или оптических носителях, сканер штрих-кода и пр.
В отечественной литературе также использовался термин АРМ (автоматизированное рабочее место), но в более узком смысле, чем «рабочая станция».
2) Также термином «рабочая станция» обозначают компьютер в составе локальной вычислительной сети (ЛВС) по отношению к серверу. Компьютеры в локальной сети подразделяются на рабочие станции и серверы. На рабочих станциях пользователи решают прикладные задачи (работают в базах данных, создают документы, делают расчёты). Сервер обслуживает сеть и предоставляет собственные ресурсы всем узлам сети, в том числе и рабочим станциям.
Существуют достаточно устойчивые признаки конфигураций рабочих станций, предназначенных для решения определённого круга задач, что позволяет обособлять их в отдельный профессиональный подкласс: мультимедиа(обработка изображений, видео, звука), САПР, ГИС, полевая работа и пр. Каждый такой подкласс может иметь присущие ему особенности и уникальные компоненты (в скобках даны примеры областей использования): большой размер видеомонитора и/или несколько мониторов (САПР, ГИС, биржа), быстродействующая графическая плата (кинематограф и мультипликация, компьютерные игры), большой объём накопителей данных (фотограмметрия, мультипликация), наличие сканера (фотография), защищённое исполнение (вооружённые силы, полевые работы) и пр.
X-терминалы.
X-терминалы представляют собой комбинацию бездисковых рабочих станций и стандартных ASCII-терминалов. Бездисковые рабочие станции часто применялись в качестве дорогих дисплеев и в этом случае не полностью использовали локальную вычислительную мощь. Одновременно многие пользователи ASCII- терминалов хотели улучшить их характеристики, чтобы получить возможность работы в многооконной системе и графические возможности. Совсем недавно, как только стали доступными очень мощные графические рабочие станции, появилась тенденция применения "подчиненных" X-терминалов, которые используют рабочую станцию в качестве локального сервера. На компьютерном рынке X-терминалы занимают промежуточное положение между персональными компьютерами и рабочими станциями. Поставщики X-терминалов заявляют, что их изделия более эффективны в стоимостном выражении, чем рабочие станции высокого ценового класса, и предлагают увеличенный уровень производительности по сравнению с персональными компьютерами. Быстрое снижение цен, прогнозируемое иногда в секторе X-терминалов, в настоящее время идет, очевидно, благодаря обострившейся конкуренции в этом секторе рынка. Многие компании начали активно конкурировать за распределение рынка, а быстрый рост объемных поставок создал предпосылки для создания такого рынка. В настоящее время уже достигнута цена в $1000 для Х-терминалов начального уровня, что делает эту технологию доступной для широкой пользовательской базы. Как правило, стоимость X-терминалов составляет около половины стоимости сравнимой по конфигурации бездисковой машины и примерно четверть стоимости полностью оснащенной рабочей станции. Что такое X-терминал? Типовой X-терминал включает следующие элементы:
. Экран высокого разрешения - обычно размером от 14 до 21 дюйма по диагонали;
. Микропроцессор на базе Motorola 68xxx или RISC-процессор типа Intel i960, MIPS R3000 или AMD29000;
. Отдельный графический сопроцессор в дополнение к основному процессору, поддерживающий двухпроцессорную архитектуру, которая обеспечивает более быстрое рисование на экране и прокручивание экрана;
. Базовые системные программы, на которых работает система X-Windows и выполняются сетевые протоколы;
. Программное обеспечение сервера X11;
. Переменный объем локальной памяти (от 2 до 8 Мбайт) для дисплея, сетевого интерфейса, поддерживающего TCP/IP и другие сетевые протоколы.
. Порты для подключения клавиатуры и мыши. X-терминалы отличаются от ПК и рабочих станций не только тем, что не выполняет функции обычной локальной обработки. Работа X-терминалов зависит от главной (хост) системы, к которой они подключены посредством сети. Для того, чтобы X-терминал мог работать, пользователи должны инсталлировать программное обеспечение многооконного сервера X11 на главном процессоре, выполняющим прикладную задачу (наиболее известная версия X11 Release 5). Х- терминалы отличаются также от стандартных алфавитно-цифровых ASCII и традиционных графических дисплейных терминалов тем, что они могут быть подключены к любой главной системе, которая поддерживает стандарт X- Windows. Более того, локальная вычислительная мощь X-терминала обычно используется для обработки отображения, а не обработки приложений (называемых клиентами), которые выполняются удаленно на главном компьютере (сервере). Вывод такого удаленного приложения просто отображается на экране X-терминала. Минимальный объем требуемой для работы памяти X-терминала составляет 1 Мбайт, но чаще 2 Мбайта. В зависимости от функциональных возможностей изделия оперативная память может расширяться до 32 Мбайт и более. Оснащенный стандартной системой X-Windows, X-терминал может отображать на одном и том же экране множество приложений одновременно. Каждое приложение может выполняться в своем окне, и пользователь может изменять размеры окон, их месторасположение и манипулировать ими в любом месте экрана. X-Windows - результат совместной работы Масачусетского технологического института (MIT) и корпорации DEC. Система X-Windows (известная также под именем X) в настоящее время является открытым де-факто стандартом для доступа к множеству одновременно выполняющихся приложений с возможностями многооконного режима и графикой высокого разрешения на интеллектуальных терминалах, персональных компьютерах, рабочих станциях и X-терминалах. Она стала стандартом для обеспечения интероперабельности (переносимости) продуктов многих поставщиков и для организации доступа к множеству приложений. В настоящее время X-Windows является стандартом для разработки пользовательского интерфейса. Более 90% поставщиков UNIX-рабочих станций и многие поставщики персональных компьютеров адаптировали систему X-Windows и применяют в качестве стандарта.
Классификация по размерам
Классификация по размеру
· настольные (desktop);
· портативные (notebook);
· карманные (palmtop).
· Настольный ноутбук (DeskNote)
· Планшетный (Tablet PC)
Наиболее распространенными являются настольные ПК, которые позволяют легко изменять конфигурацию. Портативные удобны для пользования, имеют средства компьютерной связи. Карманные модели можно назвать "интеллектуальными" записными книжками, разрешают хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ.
Laptop
(наколенник, от lap>
— колено и top
— поверх). По размерам близок к обычному портфелю. По основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК. Сейчас компьютеры этого типа уступают место ещё меньшим.
Notebook
(блокнот, записная книжка). По размерам он ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Помещается в портфель-дипломат. Для связи с офисом его обычно комплектуют модемом. Ноутбуки зачастую снабжают приводами CD—ROM.
Многие современные ноутбуки включают взаимозаменяемые блоки со стандартными разъёмами. Такие модули предназначены для очень разных функций. В одно и то же гнездо можно по мере надобности вставлять привод компакт-дисков, накопитель на магнитных дисках, запасную батарею или съёмный винчестер. Ноутбук устойчив к сбоям в энергопитании. Даже если он получает энергию от обычной электросети, в случае какого-либо сбоя он мгновенно переходит на питание от аккумуляторов.
Palmtop
(наладонник) — самые маленькие современные персональные компьютеры. Умещаются на ладони. Магнитные диски в них заменяет энергонезависимая электронная память. Нет и накопителей на дисках — обмен информацией с обычными компьютерами идет линиям связи. Если Palmtop дополнить набором деловых программ, записанных в его постоянную память, получится персональный цифровой помощник
(Personal Digital Assistant).
Возможности портативных компьютеров постоянно расширяются. Например, современный карманный компьютер iPAQ 3150
располагает всем необходимым для: ведения списка задач, хранения записок, включая аудиофайлы, работы с календарем, чтения электронной почты, синхронизации с РС, мобильным телефоном. Помимо этого iPAQ позволяет: проигрывать видео и звуковые ролики, бродить по Интернету, просматривать и редактировать документы и электронные таблицы, хранить файлы, искать в них слова, просматривать картинки вести домашнюю бухгалтерию, играть в игры, читать электронные книги с помощью Microsoft Reader, полноценно работать с программным обеспечением.
Классификация по применению и специализации.
Классификация по уровню специализации
· универсальные;
· специализированные.
· Проблемно-ориентированные
Универсальные ЭВМ предназначены для решения различных технических, экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большими объемами 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 (двоичные, десятичные, символьные) 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 внешних устройств.
Проблемно-ориентированные ЭВМ
служат для решения довольно 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.
Cпециальные
компьютеры служат для решения более узкого класса задач или даже одной задачи, требующей многократного решения, и функционируют в особых условиях эксплуатации. Машинные ресурсы специальных компьютеров часто ограничены. Однако их узкая ориентация позволяет реализовать заданный класс задач наиболее эффективно.
Специальные компьютеры управляют технологическими установками, работают в операционных или машинах скорой помощи, на ракетах, самолётах и вертолётах, вблизи высоковольтных линий передач или в зоне действия радаров, радиопередатчиков, в неотапливаемых помещениях, под водой на глубине, в условиях пыли, грязи, вибраций, взрывоопасных газов и т.п. Существует много моделей таких компьютеров. Познакомимся с одной из них.
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
На базе универсальных ПК можно создать любую конфигурацию для работы с графикой, текстом, музыкой, видео и т.п.. Специализированные ПК созданы для решения конкретных задач, в частности, бортовые компьютеры в самолетах и автомобилях. Специализированные мини-ЭВМ для работы с графикой (кино- видеофильмы, реклама) называются графическими станциями. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры в единую сеть, называются файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации через Интернет, называются сетевыми серверами.
Компьютер Ergotouch
(Эрготач) исполнен в литом алюминиевом полностью герметичном корпусе, который легко открывается для обслуживания. Cтенки компьютера поглощают практически все электромагнитные излучения как изнутри, так и снаружи. Машина оборудована экраном, чувствительным к прикосновениям. Компьютер можно, не выключая, мыть из шланга, дезинфицировать, дезактивировать, обезжиривать. Высочайшая надежность позволяет использовать его как средство управления и контроля технологическими процессами в реальном времени. Компьютер легко входит в локальную сеть предприятия.
Важное направление в создании промышленных компьютеров — разработка "операторского интерфейса"
— пультов управления, дисплеев, клавиатур и указательных устройств во всевозможных исполнениях. От этих изделий напрямую зависит комфортность и результативность труда операторов.
Классификация по совместимости
Существует великое множество типов компьютеров, которые собираются из деталей, изготовленных разными производителями. Важным является совместимость обеспечения компьютера:
· аппаратная совместимость (платформа IBM PC и Apple Macintosh)
· совместимость на уровне операционной системы;
· программная совместимость;
· совместимость на уровне данных.
Классификация компьютеров по системе счисления.
Двоичный, троичный, четверичный или десятичный
Примером компьютера на основе десятичной системы счисления является первая американская вычислительная машина Марк I.
Важнейшим шагом в развитии вычислительной техники стал переход к внутреннему представлению чисел в двоичной форме. Это значительно упростило конструкции вычислительных устройств и периферийного оборудования. Принятие за основу двоичной системы счисления позволило более просто реализовывать арифметические функции и логические операции.
Тем не менее переход к двоичной логике был не мгновенным и безоговорочным процессом. Многие конструкторы пытались разработать компьютеры на основе более привычной для человека десятичной системы счисления. Применялись и другие конструктивные решения. Так, одна из ранних советских машин работала на основе троичной системы счисления, использование которой во многих отношениях более выгодно и удобно по сравнению с двоичной системой (проект троичного компьютера Сетунь был разработан и реализован талантливым советским инженером Н. П. Брусенцовым).
В компьютерах (процессорах), созданных Хитогуровым в МИФИ, применялась четверичная система счисления с передачей одного четверичного значения по четырём сигнальным проводам (на одном — высокое напряжение, на трёх — низкое).
Наибольшей плотностью записи данных обладает система счисления с основанием, равным основанию натуральных логарифмов, то есть числу е = 2,71… Из целочисленных систем счисления наибольшей плотностью записи данных обладает троичная система счисления, двоичная и четверичная системы счисления делят второе место.
Поэтому, при одинаковой технологии (число инверторов на 1 мм²), троичные компьютеры имеют значительно большую ёмкость оперативной памяти и большую производительность процессора. Троичная логика целиком включает в себя двоичную логику, как центральное подмножество, поэтому троичные компьютеры могут всё, что могут двоичные, плюс возможности троичной логики. Например, операции умножения и деления на 3 и на 3n
в двоичных компьютерах выполняются микропрограммами, а в троичных компьютерах выполняются аппаратно одной командой сдвига на 1 или n разрядов вправо или влево. Троичные алгоритмы работают быстрее двоичных алгоритмов, но на двоичных компьютерах это преимущество теряется.
Ещё больший объём памяти и производительность имеют компьютеры с нецелочисленной системой счисления с нецелочисленным основанием равным числу е = 2,71…
В целом, однако, выбор внутренней системы представления данных не меняет базовых принципов работы компьютера — любой компьютер может эмулировать любой другой.
Классификация ЭВМ по принципу действия.
По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса
- аналоговые (АВМ)
- цифровые (ЦВМ)
- гибридные (ГВМ).
Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представле-ния информации, с которой они работают 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 электрическо-го напряжения).
Существуют несколько видов аналоговых компьютеров:
- механические
- пневматические
- гидравлические
- электромеханические
- электронные
Представлением числа в механических аналоговых компьютерах служит, например, количество поворотов шестерёнок механизма. В электрических — используются различия в напряжении. Они могут выполнять такие операции, как сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование, интегрирование и инвертирование.
При работе аналоговый компьютер имитирует процесс вычисления, при этом характеристики, представляющие цифровые данные, в ходе времени постоянно меняются.
Результатом работы аналогового компьютера являются либо графики, изображённые на бумаге или на экране осциллографа, либо электрический сигнал, который используется для контроля процесса или работы механизма.
Эти компьютеры идеально приспособлены для осуществления автоматического контроля над производственными процессами, потому что они моментально реагируют на различные изменения во входных данных. Такого рода компьютеры широко используются в научных исследованиях. Например, в таких науках, в которых недорогие электрические или механические устройства способны имитировать изучаемые ситуации.
В ряде случаев с помощью аналоговых компьютеров возможно решать задачи, меньше заботясь о точности вычислений, чем при написании программы для цифровой ЭВМ. Например, для электронных аналоговых компьютеров без проблем реализуются задачи, требующие решения дифференциальных уравнений, интегрирования или дифференцирования. Для каждой из этих операций применяются специализированные схемы и узлы, обычно с применением операционных усилителей. Также интегрирование легко реализуется и на гидравлических аналоговых машинах.
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 составляет 2-5 %). На АВМ эффективнее всего 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. Самое 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.
Соединяет в себе преимущества аналоговых и цифровых систем:
- Многообразие возможностей управления и программирования, присущее ЦВМ
- Принципиальная повторяемость набора состояний системы, присущая ЦВМ.
- Непосредственное взаимодействие с контролируемой и управляемой аппаратурой, присущее АВМ. Отсутствие в критичных узлах дополнительных преобразований физических величин процесса и обусловленных этим временных задержек и погрешностей дискретизации.
- Сравнительно малое количество простых элементов, реализующих сложные функциональные зависимости, присущее АВМ.
Для взаимодействия аналоговых и цифровых узлов ГВМ применяются специальные устройства преобразования, в частности, АЦП и ЦАП, управляемые усилители, коммутаторы и т. п.
Различают следующие классы гибридных вычислительных систем:
-аналого-ориентированные,
-цифро-ориентированные
-сбалансированные
В системах первого типа ЦВМ используется как дополнительное внешнее устройство к основной АВМ. ЦВМ, управляя аналоговой машиной, строит сложные нелинейные зависимости, запоминает полученные результаты и управляет работой АВМ.
В системах второго типа АВМ используется как дополнительное внешнее устройство ЦВМ. В этом случае АВМ моделирует элементы реального оборудования (в том числе и с участием реальных деталей оного), а также служит для многократного выполнения небольших функционально сложных подпрограмм, тем самым значительно экономя вычислительную мощность цифрового модуля.
Эффективный гибридный комплекс может быть создан только в результате тщательного исследования предметной области, уточнения всех особенностей применения и детального анализа типичных задач.
Исходя из всего этого, к разным частям комплекса предъявляются отдельные наборы требований, а в целом синтезируется его рациональная структура.
Поэтому говорить о какой-то единой архитектуре гибридных вычислительных систем в корне неверно.
Построение универсальных гибридных систем, ориентированных на решение широкого класса задач. Такой гибридный комплекс состоит из:
- АВМ однократного действия,
- АВМ с повторением решения,
- Сеточной модели,
- Устройств связи между машинами,
- Специального оборудования для решения задач статистического моделирования,
- Периферийного оборудования.
Построение таких систем означает написание специализированных программ под соответствующее оборудование и специальных программ, обслуживающих связь машин в единый комплекс, а также автоматизирующих процесс подготовки и постановки задач на едином языке программирования комплекса.
Классификация по производительности.
Различают компьютеры:
- Начального уровня (Easy PC)
- Среднего уровня (MainStream)
- Высшего класса (High End)
Заключение.
Компьютеры очень важны для современного общества. Без них жизнь была бы намного сложнее. Они везде: в самолетах, автомобилях, на тяжелых производствах, и даже в карманах некоторых из нас.
Наука не стоит на месте. Поэтому компьютерная техника будет развиваться. Человечество стоит на пороге 5 поколения ЭВМ. Развиваются карманные, мини, большие и суперкомпьютеры. Увеличивается их производительность, при уменьшении размеров.
С развитием техники мы будем видеть все новые виды компьютеров и будут появляться новые классы. Интересно, что ожидает нас в будущем?
Список литературы.
1.Учебник по информатике для 10-11, 7-9 классов. Автор: Макарова.
2.Учебник по информатике для вузов. Автор: А. Н. Степанов
3.Угринович Н. Д. «Информатика и информационные технологии»
4.Энциклопедия. Том 22. Информатика. Главный редактор Хлебалина Е.А., вед. научн. редактор А.Г. Леонов.
5.Основы информатики. Кузнецов А.А.
6.Информатика. Кушниренко А.Г.
7.Журнал «Наука и Жизнь» за апрель 2006
8.Журнал «Энергия промышленного роста» (ст. №1-2[13] январь - февраль 2007 )
9.Журнал «Мир ПК» №1 за 2000г
10. Учебник по информатике под редакцией С. В. Симоновича. Питер 2002г
11.Учебник по информатике под редакцией Э.Д. Романовой. 3-е издание переработанное и дополненное. Москва, «Эксмо» 2008г
12. Журнал «ТехСовет» № 11 (53) от 15 ноября 2007
7.Интернет- источники:
- http://thl.narod.ru
- http://www.computer-encyclopedia.ru
- http://chernykh.net
- www.lessons-tva.info
- http://ru.wikipedia.org
- www.physics.uni-altai.ru
- http://kodnet.ru
- http://schools.keldysh.ru
- http://tonnel.ru
- http://www.itpedia.ru
- http://www.sci.aha.ru
- http://book.kbsu.ru
- http://www.tspu.tula.ru
- http://dic.academic.ru
- http://www.osp.ru
- http://www.nkj.ru
- http://www.t-platforms.ru
Содержание
Введение. 2
Поколения компьютеров. Технические характеристики и особенности классов. 3
Краткая историческая справка(Нулевое поколение) 4
Первое поколение ЭВМ
.. 11
Второе поколение
. 13
Третье поколение
. 15
Четвертое поколение
. 16
ЭВМ пятого поколения
. 18
Классификация компьютеров по архитектуре. 22
Архитектура ЭВМ... 22
Положения фон Неймана: 22
Параллельные и конвейерные архитектуры.
23
Неклассические типы архитектур вычислительных машин.
24
Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы: 26
супер-ЭВМ
. 27
Суперкомпьютер «Ломоносов». 31
Технические характеристики суперкомпьютера "Ломоносов". 31
Система хранения данных. 32
Специализированное программное обеспечение. 32
Отказоустойчивость. 32
Применение. 33
Большие ЭВМ (Main Frame) 33
МиниЭВМ... 37
МикроЭВМ... 37
Серверы.. 38
Рабочие станции. 39
X-терминалы.
39
Классификация по размерам.. 42
Классификация по размеру. 42
Классификация по применению и специализации. 44
Классификация по уровню специализации. 44
Классификация по совместимости. 46
Классификация компьютеров по системе счисления. 47
Классификация ЭВМ по принципу действия. 49
Классификация по производительности. 52
Заключение. 53
Список литературы. 54