Классификация ЭВМ по производительности и габаритам

По этим параметрам ЭВМ делятся на:

- суперЭВМ;

- большие ЭВМ;

- средние ЭВМ;

- малые (мини) ЭВМ;

- персональные компьютеры;

- микроЭВМ;

- микропроцессоры.

Первые и вторые предназначены для выполнения работ, связанных с обработкой и хранением больших объемов информации и проведением сложных расчетов.

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

Типовая модель суперЭВМ 2000 г. имеет следующие параметры:

- высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродействием примерно 100 000 MFLOPS (Million Floating Operations Per Se­cond – миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой) в секунду);

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

- разрядность 64; 128 бит.

Фирма Cray Research ведет работу по созданию суперЭВМ производительностью 1 TFLOPS = 1000000 MFLOPS.

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

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

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

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

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

Условные структуры однопроцессорной (SISD – Single Instruction Single Data) и на­званных многопроцессорных вычислительных систем показаны на рисунке. В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:

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

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

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

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 производительностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 64 Мбайта, а в 1984 г. – ЭВМ Cray 2, в пол­ной мере реализовавшую архитектуру MSIMD и ознаменовавшую появление нового поко­ления суперЭВМ. Производительность Cray 2 – 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти – 2 Гбайта. Классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресур­сов ЭВМ – каждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайта оперативной памяти.

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперЭВМ (в 1991 г. – 900 шт.), начиная от простых офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray Research и др., производительнос­тью несколько десятков тысяч MFLOPS; среди лучших суперЭВМ можно отметить и оте­чественные суперкомпьютеры.

В сфере суперЭВМ Россия, пожалуй, впервые представила собственные оригинальные модели ЭВМ. Все остальные: и ПК, и малые, и универсальные ЭВМ, за редким исключени­ем (например, ЭВМ Рута 110), на базе отечественной технологии копировали зарубежные разработки (в первую очередь разработки фирм США).

Большие ЭВМ – это универсальные ЭВМ общего назначения. Обладают быстродействием до сотен миллионов операций в секунду и до десятков миллиардов операций в секунду при организации параллельного вычислительного процесса. Емкость внешней памяти больших ЭВМ определяется количеством подключаемых внешних устройств. Обычно это пакеты больших дисков диаметром 60 см. Устройства внешней памяти больших ЭВМ критичны к температурному режиму, поэтому их располагают в отдельных гермозонах с постоянной температурой. Доминирующее положение в выпуске компьютеров такого класса занимает фирма IBM (США). Наиболее известными моделями супер- и больших ЭВМ являются: IBM 360, IBM 370, IBM 390, IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000. В СССР и России созданы ЭВМ ЕС1030, ЕС1060, ЕС1068, 1087, 1130, 1170 (аналоги IBM).

На базе супер- и больших ЭВМ создают вычислительный центр, который содержит несколько отделов или групп (структура которого изображена на рис.). 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 прикладными программами, созданными 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).

Основные параметры больших ЭВМ:

- производительность 10 MIPS (миллионов операций с фиксированной запятой в секунду);

- основная память емкостью от 64 до 10000 Мбайт;

- внешняя память не менее 50 Гбайт;

- многопользовательский режим работы (обслуживает одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Большим ЭВМ присуща высокая стоимость оборудования (десятки миллионов $) и обслуживания, поэтому работа организована непрерывным циклом.

Средние ЭВМ обладают меньшими вычислительными возможностями по сравнению с большими. Размещаются в нескольких стойках (шкафах). В СССР выпускались ЕС1036, ЕС1020. На западе –IBM (International Business Machines).

Малые ЭВМ (мини-ЭВМ) — надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с большими ЭВМ возможностями. Располагаются в 2–3-х стойках: в одной стойке – ЦП, ПУ, ОП; во второй – УВВ; в третьей – внешняя память. Все модели мини-ЭВМ разрабатываются на основе микропроцессорных наборов ин­тегральных микросхем, 16-, 32-, 64-разрядных микропроцессоров. Основные их особеннос­ти: широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения, аппаратная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации, простая реализа­ция микропроцессорных и многомашинных систем, высокая скорость обработки прерыва­ний, возможность работы с форматами данных различной длины.

К достоинствам мини-ЭВМ можно отнести: специфичную архитектуру с большой мо­дульностью, лучшее, чем у больших ЭВМ, соотношение производительность/цена, повы­шенная точность вычислений.

Мини-ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислитель­ных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура перифе­рийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой.

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

На западе выпускались мини-ЭВМ PDP-11 (Program Driver Processor – программно-управляемый процессор) фирмы DEC (Digital Equip­ment Corporation – Корпорация дискретного оборудования, США), они явились прообразом и наших отечественных мини-ЭВМ – Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ 1, 2, 3, 4, 1400, 1700 и др., Электроника-100/25, Электроника-79. Основные параметры миниЭВМ:

- производительность до 100 MIPS;

- емкость основной памяти 4–512 Мбайт;

- емкость дисковой памяти 2–100 Гбайт;

- число поддерживаемых пользователей 16–512.

Персональные компьютеры – однопользовательские микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

Персональный компьютер для удовлетворения этим требованиям должен иметь следующие характеристики:

- малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального поку­пателя;

- автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

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

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

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

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

Широко известны персональные компьютеры, выпускаемые американскими фирмами: Compaq Computer, Apple (Macintosh), Hewlett Packard, Dell, DEC, а также фирмами Великоб­ритании: Spectrum, Amstrad; Франции: Micral; Италии: Olivetti; Японии: Toshiba, Panasonic и Partner.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьюте­ры клона (архитектуры определенного направления) IBM, первые модели которых появи­лись в 1981 г. Они имеют так называемую открытую архитектуру, обеспечивающую взаимозаменяемость и расширение отдельных частей компьютера. Существенно им уступают по популярности персональные компьютеры клона DEC (Digital Equipment Corporation), имеющие закрытую архитектуру, в частности, широко известные ПК Macintosh фирмы Apple, занимающие по распространенности 2-е место. Стоимость закрытой архитектуры меньше, но для замены узлов надо менять все аппаратное обеспечение. Для них используется своя ОС OS/2 (называемая полуосью).

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

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

Отечественная промышленность (страны СНГ) выпускала DEC-совместимые компьютеры (диало­говые вычислительные комплексы ДВК-1 — ДВК-4 на основе Электроники МС-1201, Элек­троники 85, Электроники 32 и др.) и IBМ PC-совместимые компьютеры (ЕС1840 – ЕС1842, ЕС1845, ЕС 1849, ЕС1861, Искра 1030, Искра 4816, Нейрон И9.66 и др.). Остальные типы отечественных ПК (Агат, Микроша, Спектр, Орбита, БК и др.) существенно уступают по своим характеристикам вышеназванным. Причем если еще лет 12-15 назад мы ориенти­ровались в основном на DEC-совместимые ПК, то сейчас подавляющее большинство отече­ственных персональных компьютеров собирается из импортных комплектующих и относится к IBM PC-совместимым.

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

- ПК 1-го поколения – используют 8-битные микропроцессоры;

- ПК 2-го поколения – используют 16-битные микропроцессоры;

- ПК 3-го поколения – используют 32-битные микропроцессоры;

- ПК 4-го поколения – используют 64-битные микропроцессоры.

Классификацию ПК по конструктивным особенностям можно представить в виде диаграммы:

Рассмотрим переносные ПК. Это быстро развивающийся класс ПК. По прогнозам, сделанным в 1997 г., в 1998 г. более 50 % пользователей должны были использовать переносные ПК, а в 2000 г. – до 81 %. Однако эти прогнозы в России не оправдались, по-видимому, из-за высокой цены переносных ПК (от 1000 $).

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

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

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

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

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

В последнее время используются и цветные дисплеи. У цветных дисплеев каждый пиксель состоит из 3 – 4 отдельных подпикселей, покрытых тонкими светофильтрами разных цветов. Разрешающая способность большинства жидко­кристаллических дисплеев от 640×480 пикселей.

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

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

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

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

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

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

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

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

Переносные компьютеры весьма разнообразны: от громоздких и тяжелых (до 15 кг) портативных рабочих станций до миниатюрных электронных записных книжек массой около 100 г. Рассмотрим кратко некоторые типы переносных ПК и приведем их характерис­тики.

Портативные рабочие станции – наиболее мощные и крупные перенос­ные ПК. Они оформляются часто в виде чемодана. Их характеристики аналогичны характеристикам стационарных ПК – рабочих станций: мощные микропроцессоры, часто типа RISC, с тактовой частотой более 300 МГц, опе­ративная память емкостью более 64 Мбайт, гигабайтные дисковые накопители, быстродейст­вующие интерфейсы и мощные видеоадаптеры с видеопамятью до 4 Мбайт. Они обычно имеют модемы и могут оперативно подключаться к каналам связи для работы в вычисли­тельной сети.

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

Портативные (наколенные) компьютеры типа "Lap Top" оформляют­ся в виде небольших чемоданчиков размером с "дипломат", их масса обычно в пределах 5 – 10 кг. Аппаратное и программное обеспечение позволяет им успешно конкурировать с лучшими стационарными ПК. В современных Lap Top часто используются микропроцессо­ры Pentium, Pentium Pro с большой тактовой частотой (более 500 МГц); оперативная память более 64 Мбайт; накопитель на жестком диске емкостью более 1200 Мбайт, часто съемный; возмож­но использование CD-ROM и другого мультимедийного обеспечения.

Компьютеры-блокноты (Note Book и Sub Note Book, их называют также и Omni Book – "вездесущие") выполняют все функции настольных ПК. Конструктивно они оформлены в виде миниатюрного чемоданчика (иногда со съемной крышкой) размером с небольшую книгу. По своим характеристикам во многом совпадают с Lap Top, отличаясь от них лишь размерами и несколько меньшими объемами оперативной и дисковой памяти (дисковод "флоппи" и винчестер часто внешние). Вместо винчестера некоторые модели, особенно среди Sub Note Book (уменьшенный вариант Note Book), имеют энергонезависи­мую Flash-память емкостью 10–20 Мбайт.

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

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

Лидерами среди Note Book, по-видимому, являются модели IBM ThinkPad, опреде­ляющие стандарт среди этого подкласса ПК. Но имеются выдающиеся представители Note Book и у многих других фирм: Toshiba, Compaq, Hewlett Packard и др.

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

Карманные компьютеры (Palm Top, что значит "наладонные") имеют массу около 300 г; типичные размеры в сложенном состоянии 150´80´25 мм. Это полноправные персональные компьютеры, имеющие микропроцессор, оперативную и постоянную память, монохромный или цветной жидкокристаллический дисплей, портативную клавиатуру, порт-разъем для подключения в целях обмена информацией к стационарному ПК.

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

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

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

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

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

Есть разъем для подключения к компьютеру, небольшой жидкокристал­лический дисплей. Благодаря низкому потреблению мощности питание от аккумулятора обеспечивает без подзарядки хранение информации до 5 лет. К сожалению, большинство органайзеров не русифицированы, а программную русификацию сделать невозможно. Поэтому следует выбирать русифицированные органайзеры.

Микропроцессорные ЭВМ – представляют собой объединение на одной плате микропроцессора, каналов ввода/вывода и регистров памяти. На базе МП можно создать устройства управления любой бытовой техникой.

4 Системы счисления и представление данных