Состояние и классификация ЭВМ

Создать такую  высокопроизводительную ЭВМ по современной  технологии на одном микропроцессоре  не представляется возможным в виду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения  электромагнитных волн (300000 км/с), ибо время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны микропроцессора) при быстродействии 100 млрд. оп/с становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поятому 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)

 векторные  МПВС, в которых все процессоры  одновременно выполняют одну  команду над различными данными  – однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD).

 матричные  МПВС, в которых микропроцессоры  одновременно выполняют разные  операции над несколькими последовательными  потоками обрабатываемых данных (МКМД или MIMD).  

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  MISD- архитектура (например, в суперкомпьютере  «Эльбрус 3»).

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

Наибольшую эффективность  показала MSIMD-архитектура, поэтому в  современных суперЭВМ чаще всего  используется именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujistu, NEC, Hitachi и др.)  

Большие ЭВМ 

Это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и  даже целых отраслей народного хозяйства. За рубежом компьютеры этого класса называют мэйнфреймами (mainframe). В России за ними закрепился термин большие ЭВМ. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков человек. На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов или групп:  
 

Центральный Процессор — основной блок ЭВМ, в котором непосредственно и происходит обработка данных и вычисление результатов. Обычно центральный процессор представляет собой несколько стоек аппаратуры и размещается в отдельном помещении, в котором соблюдаются повышенные требования по температуре, влажности, защищенности от электромагнитных помех, пыли и дыма.

Группа  системного программирования занимается разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого для функционирования самой вычислительной системы. Работников этой группы называют системными программистами. Они должны хорошо знать техническое устройство всех компонентов ЭВМ, поскольку их программы предназначены в первую очередь для управления физическими устройствами. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ более высокого уровня с оборудованием, то есть группа системного программирования обеспечивает программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы.

Группа  прикладного программирования занимается созданием программ для выполнения конкретных операций с данными. Работников этой группы называют прикладными программистами. В отличие от системных программистов им не надо знать техническое устройство компонентов ЭВМ, поскольку их программы работают не с устройствами, а с программами, подготовленными системными программистами. С другой стороны, с их программами работают пользователи, то есть конкретные исполнители работ. Поэтому можно говорить о том, что группа прикладного программирования обеспечивает пользовательский интерфейс вычислительной системы.

Группа  подготовки данных занимается подготовкой данных, с которыми будут работать программы, созданные прикладными программистами. Во многих случаях сотрудники этой группы сами вводят данные с помощью клавиатуры, но они могут выполнять и преобразование готовых данных из одного вида в другой. Так, например, они могут получать иллюстрации, нарисованные художниками на бумаге, и преобразовывать их в электронный вид с помощью специальных устройств, называемых сканерами.

Группа  технического обеспечения занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и наладкой устройств, а также подключением новых устройств, необходимых для работы прочих подразделений.

Группа  информационного  обеспечения обеспечивает технической информацией все прочие подразделения вычислительного центра по их заказу. Эта же группа создает и хранит архивы ранее разработанных программ и накопленных данных. Такие архивы называют библиотеками программ или банками данных.

Отдел выдачи данных получает данные от центрального процессора и преобразует их в форму, удобную для заказчика. Здесь информация распечатывается на печатающих устройствах (принтерах) или отображается на экранах дисплеев.  

К мейнфреймам  относятся, как правило, компьютеры, имеющие следующие характеристики:

 производительность  не менее 10 MIPS;

 основную  память емкостью от 64 до 10000 MIPS;

 внешнюю память  не менее 50 Гбайт; 

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

Основные направления эффективного применения мейнфреймов – это 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 мейнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей часто отмечается специалистами среди наиболее актуальных.  

Большие ЭВМ  отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому работа таких  суперкомпьютеров организована по непрерывному циклу. Наиболее трудоемкие и продолжительные вычисления планируют на ночные часы, когда количество обслуживающего персонала минимально. В дневное время ЭВМ исполняет менее трудоемкие, но более многочисленные задачи. При этом для повышения эффективности компьютер работает одновременно с несколькими задачами и, соответственно, с несколькими пользователями. Он поочередно переключается с одной задачи на другую и делает это настолько быстро и часто, что у каждого пользователя создается впечатление, будто компьютер работает только с ним. Такое распределение ресурсов вычислительной системы носит название принципа разделения времени.  

Родоначальником современных больших ЭВМ, по стандартам которой в последние несколько  десятилетий развивались ЭВМ этого класса в большинстве стран мира, является фирма IBM.  

Среди лучших современных  разработок мейнфреймов за рубежом  в первую очередь следует отметить: американский IBM 390, IBM 4300, (4331, 4341, 4361, 4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 году, и IBM ES/9000, созданные в 1990 году, а также японские компьютеры M 1800 фирмы Fujitsu.  

Мини 

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 научной. Мини-ЭВМ (и наиболее мощные из них супермини-ЭВМ) обладают следующими характеристиками:

производительность  до 100 MIPS;

емкость основной памяти – 4-512 Мбайт;

емкость дисковой памяти - 2-100 Гбайт;

число поддерживаемых пользователей – 16-512.  

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, 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.  

К достоинствам мини-ЭВМ можно отнести: специфичную  архитектуру с большой модульностью, лучше, чем у мейнфреймов, 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.  

Мини-ЭВМ часто  применяют для управления производственными  процессами. Например, в механическом цехе компьютер может поддерживать ритмичность подачи заготовок, узлов и комплектующих на рабочие места, управлять гибкими автоматизированными линиями и промышленными роботами, собирать информацию с инструментальных постов технического контроля и сигнализировать о необходимости замены изношенных инструментов и приспособлений, готовить данные для станков с числовым программным управлением, а также своевременно информировать цеховые и заводские службы о необходимости выполнения мероприятий по переналадке оборудования. Например, он может помогать экономистам в осуществлении контроля за себестоимостью продукции, нормировщикам в оптимизации времени технологических операций, конструкторам в автоматизации проектирования станочных приспособлений, бухгалтерии в осуществлении учета первичных документов и подготовки регулярных отчетов для налоговых органов. Для организации работы с мини-ЭВМ тоже требуется специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ.  

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

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.  

Можно привести следующую классификацию микроЭВМ:  

 Универсальные  

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

Персональные  компьютеры(ПК) – однопользовательские микроЭВМ удовлетворяющие требованиям  общедоступности и универсальности  применения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком. Пеpсональный компьютеp должен удовлетворять следующим требованиям:

 стоимость  от нескольких сотен до 5-10 тысяч  доллаpов;

 наличие внешних  ЗУ на магнитных дисках;

 объём оперативной  памяти не менее 4 Мбайт;

 наличие операционной  системы; 

 способность  работать с программами на  языках высокого уровня;

 ориентация  на пользователя-непрофессионала  (в простых моделях).  

Портативные компьютеры обычно нужны руководителям предприятий, менеджерам, учёным, журналистам, которым приходится работать вне офиса — дома, на презентациях или во время командировок.