Основные классы вычислительных машин

Вычислительные машины могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:

Ÿ назначению;

Ÿ способу организации вычислительного процесса;

Ÿ размерам и вычислительной мощности;

Ÿ функциональным возможностям;

Ÿ способности к параллельному выполнению программ.

По назначениюкомпьютерыможно разделить на три группы (рис. 3.8): универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

Рис. 3.8. Классификация компьютеров по назначению

Универсальные компьютеры предназначены для решения самых различных инженерно-технических, экономических, математических, информационных и т. п. задач.

Характерными чертами универсальных компьютеров являются:

Ÿ высокая производительность;

Ÿ разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

Ÿ обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;

Ÿ большая емкость оперативной памяти;

Ÿ развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные компьютеры предназначены для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими процессами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными, по сравнению с универсальными компьютерами, аппаратными и программными ресурсами.

Специализированные компьютерыпредназначены для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация компьютеров позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

К специализированным компьютерам можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

По размерам и вычислительной мощности компьютеры можно разделить (рис. 3.9) на сверхбольшие (суперкомпьютеры, суперЭВМ), большие, малые и сверхмалые(микрокомпьютеры или микроЭВМ).

Рис. 3.9. Классификация компьютеров по размерам и вычислительной мощности

Функциональные возможности компьютеров обусловлены такими важнейшими технико-эксплуатационными характеристиками, как:

Ÿ быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени);

Ÿ разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует компьютер;

Ÿ номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;

Ÿ номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

Ÿ типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов компьютера между собой (тип внутримашинного интерфейса);

Ÿ способность компьютера одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять параллельно несколько программ (многозадачность);

Ÿ типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;

Ÿ наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

Ÿ способность выполнять программы, написанные для других типов компьютеров (программная совместимость с другими типами компьютеров);

Ÿ система и структура машинных команд;

Ÿ возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;

Ÿ эксплуатационная надежность компьютера;

Ÿ коэффициент полезного использования компьютера во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Некоторые сравнительные параметры названных классов современных компьютеров показаны в табл. 3.3.

Таблица 3.3. Сравнительные параметры классов современных компьютеров

ПРИМЕЧАНИЕ

MIPS — миллион операций в секунду над числами с фиксированной запятой.

Исторически первыми появились большие ЭВМ (ENIAC, UNIVAC), элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Вскоре производительность больших компьютеров оказалась недостаточной для ряда задач (прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, биологических исследований, моделирования экологических систем и др.). Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперкомпьютеров, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время. Появление в 70-х годах малых компьютеров обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой — избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые компьютеры используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и существенно дешевле больших компьютеров. Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению суперминикомпьютера — вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых компьютеров, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.

Изобретение в 1969 г. микропроцессора (МП) привело к появлению в 70-х годах еще одного класса компьютеров — микрокомпьютеров. Именно наличие МП послужило первоначально определяющим признаком микрокомпьютеров. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах компьютеров.

Рассмотрим кратко современное состояние некоторых классов компьютеров.

Большие компьютеры

Большие компьютеры за рубежом часто называют мэйнфреймами(mainframe); к ним относят, как правило, компьютеры, имеющие:

Ÿ производительность не менее 100 MIPS;

Ÿ основную память емкостью от 512 до 10 000 Мбайт;

Ÿ внешнюю память не менее 100 Гбайт;

Ÿ многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Основные направления эффективного применения мэйнфреймов — решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление — использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей — часто отмечается специалистами как наиболее актуальное.

ПРИМЕЧАНИЕ

Мэйнфреймы часто именуются большими серверами (серверами-мэйнфреймами). В принципе это допустимо, но иногда вносит путаницу в терминологию. Дело в том, что серверы — это многопользовательские компьютеры, используемые в вычислительных сетях. Серверы иногда относят к микрокомпьютерам, но по своим характеристикам мощные серверы можно отнести и к малым компьютерам, и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы приближаются к суперкомпьютерам. Сервер — это классификационная группа компьютеров, выделяемая по сфере применения компьютеров, а микрокомпьютеры, малые компьютеры, мэйнфреймы, суперкомпьютеры — это классификационные группы компьютеров, выделяемые по размерам и вычислительной мощности.

Родоначальником современных больших компьютеров, по стандартам которых в последние несколько десятилетий развивались машины этого класса в большинстве стран мира, являются машины фирмы IBM. Модели IBM 360 и IBM 370 с их архитектурой и программным обеспечением взяты за основу и при создании отечественной системы больших машин ЕС ЭВМ.

Среди лучших разработок мэйнфреймов за рубежом последних двух десятилетий следует, в первую очередь, отметить американские:

Ÿ IBM 3090, IBM 4300 (4331, 4341, 4361, 4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 году (2-е поколение мэйнфреймов);

Ÿ IBM ES/9000, созданные в 1990 году (3-е поколение);

Ÿ S/390 и AS/400 (4-е поколение).

Семейство мэйнфреймовIBM ES/9000 (ES — Enterprise System) открывает семейство больших компьютеров, включающее 18 моделей компьютеров, реализованных на основе архитектуры IBM 390:

Ÿ младшая модель ES/9221 model 120 имеет основную память емкостью 256 Мбайт, производительность десятки MIPS и 12 каналов ввода-вывода;

Ÿ старшая модель ES/9021 model 900 имеет 6 векторных процессоров, основную память емкостью 9 Гбайт, производительность тысячи MIPS и 256 каналов ввода-вывода, использующих волоконно-оптические кабели.

В 1997 году IBM завершила программу трансформации своих больших компьютеров на биполярных микросхемах в малогабаритные мэйнфреймыS/390, использующие КМОП-микросхемы. Семейство S/390 включает 14 моделей машин. Характеристики новых моделей по сравнению с характеристиками 3-го поколения мэйнфреймов улучшены примерно в 1,3 раза (объем оперативной памяти примерно удваивается — до 16 Гбайт). В семейство S/390 входят мэйнфреймы от однопроцессорной модели с быстродействием 50 MIPS до 10-процессорной модели с ожидаемым быстродействием 500 MIPS. В настоящее время уже выпускаются модели S/390 на процессорах G4 и G5, S/390 Multiprice 2000. Для повышения производительности и других характеристик систем можно объединять до 32 машин S/390 в кластеры по технологии S/390 Parallel Sysplex (создавая, по существу, суперкомпьютер).

Семейство S/390 широко используется во всех странах мира, в том числе и в Российской Федерации (большую партию машин закупило, например, МПС РФ).

ПРИМЕЧАНИЕ

Более того, учитывая высокую квалификацию наших специалистов, фирма IBM доверила выполнять сборку моделей семейства S/390 на предприятиях РФ.

В 1999 году была анонсирована линейка мэйнфреймов средней производительности AS/400, включающая в свой состав 12 моделей. Максимальная емкость оперативной памяти нового семейства составляет 16 Гбайт, а дисковой памяти — 2,1 Тбайт. В уже выпускаемых моделях AS/400 серий 720, 730 и 740 используется до 12 процессоров PowerPC и Pentium. В настоящее время «бизнес-компьютеры» AS/400 — самые популярные в мире. Интенсивно закупаются они и в России банками, государственными структурами и прочими предприятиями. Популярность системы обусловлена хорошим соотношением производительность/цена, очень высокой надежностью (вероятность безотказной работы в течение часа составляет 0,9994), хорошим программным обеспечением.

Распространенными в мире являются и японские компьютеры М 1800 фирмы Fujitsu и Millennium фирмы Amdahl (теперь дочернего предприятия корпорации Fujitsu), а также мэйнфреймы8/*, 9/*, M2000 и C2000 немецкой фирмы Comparex Information Systems. Семейство мэйнфреймовM 1800 фирмы Fujitsu пришло в 1990 году на смену моделям V 780 и включает в себя 5 новых моделей: Model-20, 30, 45, 65, 85; старшие модели Model-45, 65, 85 — многопроцессорные компьютеры, соответственно, с 4, 6 и 8 процессорами; последняя старшая модель имеет основную память емкостью 2 Гбайт и 256 каналов ввода-вывода.

Новое 4-е поколение мэйнфреймов (преемник машин 3-го поколения Millennium 400 и 500) фирма Amdahl стала производить в 1999 году. Пока выпускаются модели Millennium 700 и 800; первые имеют производительность 685 MIPS, а вторые — 1000 MIPS и содержат по 12 процессоров.

Немецкая фирма Comparex выпускала в 90-е годы мэйнфреймытретьего поколения: модели 8/8x, 8/9x, 9/8xx, 9/9xx, 99/xxx, содержащие до 8 процессоров, оперативную память до 8 Гбайт и имеющие производительность от 20 до 385 MIPS. В настоящее время производятся мэйнфреймы 4-го поколения: М2000 и С2000, имеющие производительность, соответственно, до 990 и 870 MIPS, объем оперативной памяти до 8000 и 16 000 Мбайт. Среднее время наработки на отказу этих систем чрезвычайно большое — 12 лет. По сравнению с машинами 3-го поколения существенно уменьшились габариты (конструктив 1–2 шкафа) и потребляемая мощность (8-процессорная модель М2000 потребляет 50 КВА, а 8-процессорная модель 99/ххх — 171 КВА и требует водяного охлаждения).

На российских предприятиях используется большое количество мэйнфреймов Comparex, в частности, в РАО Газпром, в Главном управлении информационных ресурсов ФАПСИ и прочих.

Зарубежными фирмами рейтинг мэйнфреймов определяется по многим показателям, среди них:

Ÿ надежность,

Ÿ производительность;

Ÿ емкость основной и внешней памяти;

Ÿ время обращения к основной памяти;

Ÿ время доступа и трансфер внешних запоминающих устройств;

Ÿ характеристики кэш-памяти;

Ÿ количество каналов и эффективность системыввода-вывода;

Ÿ аппаратная и программная совместимость с другими компьютерами;

Ÿ поддержка сети и т. д.

Внешний вид типичного мэйнфрейма показан на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Внешний вид большой вычислительной машины

Достаточно подробное рассмотрение мэйнфреймов в настоящем разделе обусловлено тем, что современному пользователю компьютера, привыкшему к повсеместному засилью ПК, трудно объяснить, что бывает и другая вычислительная техника. По данным экспертов, на мэйнфреймах сейчас находится около 70% «компьютерной» информации; только в США установлены сотни тысяч мэйнфреймов.

Малые компьютеры

Малые компьютеры (миниЭВМ) — надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями. Миникомпьютеры (и наиболее мощные из них суперминикомпьютеры) обладают следующими характеристиками:

Ÿ производительность — до 1000 MIPS;

Ÿ емкость основной памяти —до 8000 Мбайт;

Ÿ емкость дисковой памяти — до 1000 Гбайт;

Ÿ число поддерживаемых пользователей — 16–1024.

Все модели миникомпьютеров разрабатываются на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем, 32, 64 и 128-разрядных микропроцессоров. Основные их особенности:

Ÿ широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения;

Ÿ аппаратная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации;

Ÿ простая реализация многопроцессорных и многомашинных систем;

Ÿ высокая скорость обработки прерываний;

Ÿ возможность работы с форматами данных различной длины.

К достоинствам миникомпьютеров можно также отнести:

Ÿ специфичную архитектуру с большой модульностью;

Ÿ лучшее чем у мэйнфреймов соотношение производительность/цена;

Ÿ повышенную точность вычислений.

Миникомпьютеры ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой. Наряду с использованием миникомпьютеров для управления технологическими процессами, они успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Родоначальником современных миникомпьютеров можно считать компьютеры PDP-11 фирмы DEC (США), они явились прообразом и наших отечественных миниЭВМ — Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ 1, 2, 3, 4, 1400, 1700 и т. д. В настоящее время семейство миникомпьютеров PDP-11 включает большое число моделей, начиная от VAX-11 до VAX-3600; мощные модели миникомпьютеров класса 8000 (VAX-8250, 8820); суперминикомпьютеры класса 9000 (VAX-9410, 9430) и т. д.

Модели VAX обладают широким диапазоном характеристик:

Ÿ количество процессоров от 1 до 32;

Ÿ производительность от 10 до 1000 MIPS;

Ÿ емкость основной памяти — от 512 Мбайт до 2 Гбайт;

Ÿ емкость дисковой памяти — от 50 Гбайт до 500 Гбайт;

Ÿ число каналов ввода-вывода до 64.

Миникомпьютеры VAX полностью перекрывают весь диапазон характеристик этого класса компьютеров и в подклассе суперминикомпьютеров стирают грань с мэйнфреймами.

Среди прочих миникомпьютеров следует отметить:

Ÿ однопроцессорные: IBM 4381, HP 9000;

Ÿ многопроцессорные: Wang VS 7320, AT&T 3B 4000;

Ÿ суперминикомпьютеры HS 4000, по характеристикам не уступающие мэйнфреймам.

Микрокомпьютеры

Микрокомпьютеры весьма многочисленны и разнообразны. Среди них можно выделить несколько подклассов (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Классификация микрокомпьютеров

Ÿ Многопользовательские микрокомпьютеры — это мощные микрокомпьютеры, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

Ÿ Персональные компьютеры — однопользовательские микрокомпьютеры, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

Ÿ Рабочие станции(workstation) представляют собой однопользовательские микрокомпьютеры для работы в вычислительных сетях, часто специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и т. д.).

Ÿ Cерверы (server) — многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети.

Ÿ Сетевые компьютеры (network computer) — упрощенные микрокомпьютеры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализированные на выполнение определенного вида работ (защита сети от несанкционированного доступа, организацию просмотра сетевых ресурсов, электронной почты и т. д.).