Классификация и тенденции развития ЭВМ

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах  выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды  и т. д. Важно другое: как те или  иные структурные особенности ЭВМ  связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

2. Классификация ЭВМ

      Рис. 2.²

Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято  разделять на группы по определенным признакам, т. е. классифицировать. ЭВМ могут различаться также по следующим основаниям :

1). По принципу построения и действия:³

Аналоговая  ЭВМ ( АВМ ) [analog computer ] - Вычислительная машина непрерывного действия, обрабатывающая аналоговые данные. Предназначена для воспроизведения определенных соотношений между непрерывно изменяющимися физическими величинами. Основные области применения связаны с моделированием различных процессов и систем.

Цифровая  ЭВМ ( ЦЭВМ ) [computer ] - То же, что ЭВМ. Уточнение типа (ЦЭВМ) производится в случаях, когда это особо необходимо, например, в сложных вычислительных системах, включающих ЭВМ разных видов.

Комбинированная ( аналого-цифровая ) ЭВМ [combined computer] - ЭВМ, сочетающая аналоговую и цифровую форму обработки данных.

2). По вычислительной мощности и габаритам.

• сверхбольшие (суперЭВМ)
• большие
• малые
• сверхмалые (микроЭВМ)

Функциональные  возможности ЭВМ обуславливают  важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:

• быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;
• разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;
• номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;
• номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;
• типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой (внутримашинного интерфейса);
• способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);
• типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;
• наличие и функциональные возможности программного обеспечения;
• способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ);
• система и структура машинных команд;
• возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;
• эксплуатационная надежность ЭВМ;
• коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

К суперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду. Супер-компьютеры используются для решения сложных и больших научных задач (метеорология, гидродинамика и т. п.), в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д.

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.

Большие ЭВМ за рубежом чаще всего называют мэйнфреймами (Mainframe).

Мейнфреймы  и до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный  круглосуточный режим эксплуатации. Они могут включать один или несколько  процессоров, каждый из которых, в свою очередь, может оснащаться векторными сопроцессорами (ускорителями операций с суперкомпьютерной производительностью). Наряду со сверхмощными мейнфреймами, требующими организации двухконтурной  водяной системы охлаждения, имеются  менее мощные модели, для охлаждения которых достаточно принудительной воздушной вентиляции, и модели, построенные по блочно-модульному принципу и не требующие специальных помещений  и кондиционеров.

К суперкомпьютерам часто относят и серверы.

Мини-ЭВМ надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мейнфреймами возможностями и, соответственно меньшей стоймостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную деятельность с научнойВсе 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, аппаративная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации, простая реализация микропроцессорных и многомашинных систем, высокая скорость обработки прерываний, возможность работы с форматами данных различной длины.

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.

Мини-ЭВМ  часто применяют для управления производственными процессами.

МикроЭВМ- компьютеры данного класса доступны многим предприятиям. Организации, использующие микро-ЭВМ, обычно не создают вычислительные центры. Для обслуживания такого компьютера им достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких человек. В число сотрудников вычислительной лаборатории обязательно входят программисты, хотя напрямую разработкой программ они не занимаются. Необходимые системные программы обычно покупают вместе с микроЭВМ, а разработку нужных прикладных программ заказывают более крупным вычислительным центрам или специализированным организациям.

Программисты  вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказанного  программного обеспечения, выполняют  его доводку и настройку, согласовывают  его работу с другими программами  и устройствами компьютера. Хотя программисты этой категории и не разрабатывают  системные и прикладные программы, они могут вносить в них  изменения, создавать или изменять отдельные фрагменты. Это требует  высокой квалификации и универсальных  знаний. Программисты, обслуживающие  микро-ЭВМ, часто сочетают в себе качества системных и прикладных программистов одновременно.

3). По назначению:⁴

Базовая ЭВМ [original computer ] - ЭВМ, являющаяся начальной исходной моделью в серии ЭВМ определенного типа или вида.

Универсальная ЭВМ [universal computer ] - ЭВМ, предназначенная для решения широкого класса задач. ЭВМ этого класса имеют разветвленную и алгоритмически полную систему операций, иерархическую структуру ЗУ и развитую систему устройств ввода-вывода данных.

Специализированная  ЭВМ [specialized computer ] - ЭВМ, предназначенная для решения узкого класса определенных задач. Характеристики и архитектура машин этого класса определяются спецификой задач, на которые они ориентированы, что делает их более эффективными в соответствующем применении по отношению к универсальным ЭВМ. К разряду специализированных могут быть отнесены, в частности, - “управляющие”, “бортовые“, “бытовые“ и “выделенные“ ЭВМ (см. ниже).

Управляющая ЭВМ [control computer ] - ЭВМ, предназначенная для автоматического управления объектом (устройством, системой, процессом) в реальном масштабе времени. Сопряжение ЭВМ с объектом управления производится с помощью аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей .

Бортовая  ЭВМ [onboard computer ] - Специализированная управляющая ЭВМ, устанавливаемая на борту транспортного средства (самолета, спутника, корабля, автомобиля и т.п.) и предназначенная для оптимального управления функционированием других бортовых устройств, в частности, связанных с управлением перемещением своего носителя в пространстве.

Выделенная  ЭВМ [dedicated computer ] - Разновидность (как правило) однокристальной специализированной ЭВМ, встроенной в какое-либо устройство с целью управления им или передачи ему данных. Используется в бытовой технике и других видах устройств - нагревательных приборах, часах, автомобилях, магнитофонах и т.д.

Бытовая ( домашняя ) ЭВМ  [home computer ] - То же, что - домашняя ПЭВМ или домашний ПК.

Рынок персональных и микро-ЭВМ непрерывно расширяется за счет поставок ведущих  мировых фирм: IBM, DEC, Hewlett Packard, Apple (США), COMPARE/, Siemens (Германия), ICL (Англия) и др. Отечественная промышленность, к  сожалению, здесь не представлена.

Рынок персональных и микро-ЭВМ непрерывно расширяется за счет поставок ведущих  мировых фирм: IBM, DEC, Hewlett Packard, Apple (США), COMPARE/, Siemens (Германия), ICL (Англия) и др.

3. Основные характеристики вычислительной техники.

К основным характеристикам вычислительной техники  относятся ее эксплуатационно-технические  характеристики, такие, как быстродействие, емкость памяти, точность вычислений и др.

1. Быстродействие ЭВМ рассматривается в двух аспектах. С одной стороны, оно характеризуется количеством элементарных операций, выполняемых центральным процессором в секунду. Под элементарной операцией понимается любая простейшая операция типа сложения, пересылки, сравнения п т. д. С другой стороны, быстродействие ЭВМ существенно зависит от организации ее памяти. Время, затрачиваемое на поиск необходимой информации в памяти, заметно сказывается на быстродействии ЭВМ.

В зависимости  от области применения выпускаются  ЭВМ с быстродействием от нескольких сотен тысяч до миллиардов операций в секунду. Для решения сложных  задач возможно объединение нескольких ЭВМ в единый вычислительный комплекс с требуемым суммарным быстродействием.

2. Наряду с быстродействием часто пользуются понятием производительность. Если первое обусловлено, главным образом, используемой в ЭВМ системой элементов, то второе связано с ее архитектурой и разновидностями решаемых задач. Даже для одной ЭВМ такая характеристика, как быстродействие, не является величиной постоянной. В связи с этим различают: пиковое быстродействие, определяемое тактовой частотой процессора без учета обращения к оперативной памяти; номинальное быстродействие, определяемое с учетом времени обращения к оперативной памяти; системное быстродействие, определяемое с учетом системных издержек на организацию вычислительного процесса; эксплуатационное, определяемое с учетом характера решаемых задач (состава операций или их «смеси»).
3. Емкость, или объем, памяти определяется максимальным количеством информации, которое можно разместить в памяти ЭВМ. Обычно емкость памяти измеряется в байтах. Как уже отмечалось, память ЭВМ подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя, или оперативная память, по своему объему у различных классов машин различна и определяется системой адресации ЭВМ. Емкость внешней памяти из-за блочной структуры и съемных конструкций накопителей практически неограничена.
4. Точность вычислений зависит от количества разрядов, используемых для представления одного числа. Современные ЭВМ комплектуются 32- или 64-разрядными микропроцессорами, что вполне достаточно для обеспечения высокой точности расчетов в самых разнообразных приложениях. Однако, если этого мало, можно использовать удвоенную или утроенную разрядную сетку.
5. Система команд — это перечень команд, которые способен выполнить процессор ЭВМ. Система команд устанавливает, какие конкретно операции может выполнять процессор, сколько операндов требуется указать в команде, какой вид (формат) должна иметь команда для ее распознания. Количество основных разновидностей команд невелико. С их помощью ЭВМ способны выполнять операции сложения, вычитания, умножения, деления, сравнения, записи в память, передачи числа из регистра в регистр, преобразования из одной системы счисления в другую и т. д. При необходимости выполняется модификация команд, учитывающая специфику вычислений. Обычно в ЭВМ используется от десятков до сотен команд (с учетом их модификации). На современном этапе развития вычислительной техники используются два основных подхода при формировании системы команд процессора. С одной стороны, это традиционный подход, связанный с разработкой процессоров с полным набором команд, — архитектура CISC (Complete Instruction Set Computer — компьютер с полным набором команд). С другой стороны, это реализация в ЭВМ сокращенного набора простейших, но часто употребляемых команд, что позволяет упростить аппаратные средства процессора и повысить его быстродействие — архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer — компьютер с сокращенным набором команд).
6. Стоимость ЭВМ зависит от множества факторов, в частности от быстродействия, емкости памяти, системы команд и т. д. Большое влияние на стоимость оказывает конкретная комплектация ЭВМ и, в первую очередь, внешние устройства, входящие в состав машины. Наконец, стоимость программного обеспечения ощутимо влияет на стоимость ЭВМ.
7. Надежность ЭВМ — это способность машины сохранять свои свойства при заданных условиях эксплуатации в течение определенного промежутка времени. Количественной оценкой надежности ЭВМ, содержащей элементы, отказ которых приводит к отказу всей машины, могут служить следующие показатели:⁵