Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ

Аппаратное обеспечение (hardware) - совокупность технических средств, используемых в процессе функционирования ЭВМ и взаимодействующих друг с другом.

Программное обеспечение (software) - совокупность программ для ЭВМ и методических материалов по их применению.

Программное обеспечение (ПО) делится на системное (общее) и прикладное (специальное).

Системное ПО - совокупность программ, обеспечивающих управление устройствами ЭВМ и процесс выполнения прикладных программ. Основой системного ПО являются операционные системы (ОС).

Прикладное ПО - совокупность программ, обеспечивающих решение конкретных прикладных задач.

Для выполнения многих прикладных программ необходимо служебное (обеспечивающее, вспомогательное) ПО (интерпретаторы, СУБД, специальные утилиты). Служебное ПО занимает промежуточное место между системным и прикладным ПО.

Аппаратно-программное обеспечение (firmware) - совокупность программ и данных, сохраняемых в ПЗУ и критически важных для функционирования ЭВМ данного типа.

Обычно конкретная прикладная программа может выполняться только на определенном типе ЭВМ, с использованием определенного системного и служебного ПО. Поэтому часто говорят об аппаратных, программных и программно-аппаратных платформах.

Аппаратная платформа - совокупность технических средств, определяющих среду функционирования конкретных программ. Основой аппаратной платформы является совокупность системной (материнской) платы и типа используемого процессора. Выполняемая на ЭВМ программа состоит из команд конкретного процессора. Каждый тип процессора (Intel, PowerPC, Alpha, Sparc и т.д.) имеет свою систему команд, которые сильно различаются. Программа, закодированная в системе команд одного процессора, не может быть выполнена на ЭВМ, использующей процессор, имеющий другую систему машинных команд. В некоторых процессорах предусмотрена возможность эмуляции команд других процессоров.

Программная платформа - совокупность системных и/или служебных программ, создающих среду выполнения конкретных прикладных программ.

Обычно прикладные программы создаются применительно к использованию в среде конкретного системного ПО (операционной системы, ОС). Например, программы, предназначенные для исполнения в среде Windows, не могут исполняться в среде ОС OS/2 и наоборот. При этом программы, рассчитанные на применение в среде OS/2 или Windows, могут иметь общую аппаратную платформу, например, ЭВМ на процессорах Intel. В этом случае программной платформой является конкретная ОС.

В качестве программной платформы может выступать и служебное ПО. Например, программа созданная на языке программирования PL/SQL, используемом в СУБД Oracle, обычно может выполняться на любой аппаратной платформе, под управлением любой ОС, но только в среде СУБД Oracle для данной аппаратной платформы и данной ОС. Программа на языке Java может исполняться на любой аппаратной платформе, под управлением любой ОС, но только в том случае, если на данной ЭВМ установлена так называемая исполнительная машина Java, обеспечивающая выполнение программ на языке Java в среде данной ОС. В рассмотренных случаях говорят, что в качестве программной платформы выступает СУБД Oracle, либо исполнительная машина Java, соответственно.

Программно-аппаратная платформа - совокупность аппаратных средств, системного и служебного ПО, необходимых для функционирования конкретных прикладных программ.

Большинство существующих на данный момент программ реализовано для программно-аппаратной платформы WIntel (Windows, Intel), то есть требуют для своей эксплуатации ЭВМ на основе процессоров Intel (или совместимых с ними) и функционирующих под управлением той или иной разновидности ОС Windows.

Современная классификация ЭВМ

Общие принципы классификации

Существует несколько видов классификации ЭВМ. Наиболее значимыми являются классификации по:

· степени универсальности;

· способам использования;

· степени производительности;

· особенностям архитектуры.

Классификация по степени универсальности

По степени универсальности выделяют:

· ЭВМ общего назначения (универсальные);

· Специализированные (встроенные) ЭВМ.

ЭВМ общего назначения могут использоваться для решения любых задач обработки данных.

Специализированные (встроенные) ЭВМ - это ЭВМ, предназначенные для решения ограниченного круга задач. Обычно специализированные ЭВМ используются для управления сложными техническими устройствами. Каждая специализированная ЭВМ рассчитана на решение ограниченного круга задач и, как правило, не может использоваться вне того устройства, в которое встроена. Встраиваются в системы автоматического управления сложными устройствами или технологическими процессами на производстве, транспорте, связи, военном деле и т.д. Часто встраиваются в бытовые устройства.

Классификация по способам использования.

По способам использования выделяют:

· ЭВМ коллективного использования;

· ЭВМ индивидуального использования.

ЭВМ коллективного использования - это ЭВМ, предназначенныедля обслуживания одновременной работы нескольких пользователей. ЭВМ коллективного использования обычно имеют существенно более высокую производительность, чем ЭВМ индивидуального использования и обычно выступают в качестве серверов компьютерных сетей (сетевых серверов).

Компьютерная сеть - совокупность ЭВМ и/или диалоговых устройств ввода-вывода (терминалов), объединенных средствами коммуникаций для возможности совместного использования общих технических и информационных ресурсов.

Сетевой сервер - ЭВМ, управляющая работой компьютерной сети.

ЭВМ индивидуального использования - это ЭВМ, способные в каждый момент времени обеспечить эксплуатацию только со стороны единственного пользователя.

Классификация по степени производительности

· ЭВМ ординарной производительности.

· ЭВМ высокой производительности;

· ЭВМ сверхординарной производительности (супер-ЭВМ);

Деление по степени производительности является очень условным. ЭВМ, которые несколько лет назад относились к классу ЭВМ высокой производительности, на сегодняшний день являются ЭВМ ординарной производительности.

ЭВМ ординарной производительности - предназначены для решения рядовых задач индивидуальных пользователей или обслуживания малых компьютерных сетей. Массовые персональные компьютеры являются ЭВМ ординарной производительности.

ЭВМ высокой производительности - одно- или многопроцессорные ЭВМ, предназначенные для обслуживания компьютерных сетей среднего и большого размера или индивидуального применения при решении задач повышенной сложности.

ЭВМ сверхординарной производительности (супер-ЭВМ) - многопроцессорные ЭВМ, предназначенные для решения задач чрезвычайной сложности. Основными приложениями супер-ЭВМ являются обслуживание очень больших компьютерных сетей, моделирование ядерных реакций, исследование структуры ДНК, управление сложными военными и космическими объектами, криптография, метеорология.

Супер-ЭВМ имеют десятки, сотни и даже тысячи процессоров, ОЗУ до нескольких десятков Тбайт, емкость ВЗУ до нескольких Пбайт, обеспечивают возможность подключения большого числа внешних устройств, а их стоимость составляет от сотен тысяч до десятков миллионов долларов. Они практически всегда имеют уникальную архитектуру и проектируются по специальному заказу, часто применительно к использованию для решения определенного класса задач. Быстродействие супер-ЭВМ (также впрочем, как и ЭВМ других классов) измеряется в специальных единицах – кратных MIPS и MFLOPS.
MIPS (Million instrution per second) - единица измерения

быстродействия компьютеров (миллион арифметических

операций над числами с фиксированной точкой).

MFLOPS (Million flowting points operation per second) - единица

измерения быстродействия компьютеров (миллион

арифметических операций над числами с плавающей точкой в секунду).

Суперкомпьютеры

Рассмотрим в качестве примера характеристики одного из самых мощных компьютеров современности. 4 июня 2006 года в японском исследовательском институте RIKEN (Иокогама) был введён в действие разработанный здесь петафлопсный суперкомпьютер MDGrape-3. Это компьютер, специально предназначенный для анализа математических моделей сворачивания белков.

Его теоретическая производительностью 1000 триллионов операций в секунду. Дело в том, что производительность суперкомпьютеров измеряется с помощью рейтингового теста, который называется Linpack. Linpack предполагает решение систем линейных алгебраических уравнений с плотно заполненной матрицей высокого порядка. Однако для MDGrape-3 такой способ определения производительности не подходит - его производительность рассчитывается теоретически.

Суперкомпьютер собран на основе процессоров MDGrape-3, изготовленных фирмой Hitachi. Производительность каждого из них 230 Гфлопс. Всего компьютер содержит 201 вычислительный модуль, каждый из состоит из 24 процессоров MDGrape-3.

Для того, чтобы в полной мере задействовать указанные вычислительные мощности, решаемая задача должна быть проанализирована на предмет одновременного решения различных её частей и для каждой из этих частей должна быть подготовлена программа, которая исполняется соответствующим вычислительным модулем.

Эту подготовительную работу главного вычислительного ядра обеспечивают две группы серверов на основе процессоров Intel. Одна группа - кластер, содержащий 65 серверов, каждый из которых состоит из 256 двухъядерных процессоров Intel Xeon (Dempsey). Вторая группа - 37 серверов, каждый содержит 74 одноядерных процессора Xeon 3,2 ГГц. Все эти компьютеры объединены в единую систему компанией SGI Japan.

Ближайший к MDGrape-3 по производительности компьютер -, американский IBM BlueGene/L, расположенный в Ливерморской ядерной лаборатории. Он возглавляет Top500 - рейтинг суперкомпьютеров на основе прохождения теста Linpack. Производительность его примерно втрое ниже, чем у MDGrape-3.

Определение списка Top500 - списка 500 самых мощных компьютеров планеты проводится два раза в год. Каждый раз список довольно существенно меняется, но можно отметить некоторые общие закономерности. Рассмотрим их.

Наибольшее число суперкомпьютеров насчитывается в Америке, далее идёт Азия и на третьем месте - Европа. Конкретно на конец 2006 в Америке насчитывалось 298 представителей списка Top500, в Азии 93 (из них 29 в Японии и 28 в Китае); в Европе 83 - суперкомпьютера.

Если оставить в стороне процессоры, разработанные специально для суперкомпьютеров и рассмотреть применение для этой цели обычных процессоров, то картина будет выглядеть следующим образом. На процессорах Intel собрана 301 система, на процессорах IBM Power - 84 системы, и 81 система на процессорах AMD (Opteron).

Если говорить о конкретных системах, достигающих максимальной производительности, то, как уже упоминалось, на первом месте американский суперкомпьютер BlueGenel с теоретической производительностью 360-терафлопс. Следом за ним – также американский суперкомпьютер теоретическая производительность которого немного превышает 100-терафлопс, все остальные машины не дотягивают до 100-терафлопс. Реальная производительность, как уже упоминалось выше, замеряется в тесте Linpack и может быть существенно ниже.

Эксперты в области суперкомпьютеров в качестве гипотетического идеала рассм атривают петафлопсная машину. Они уверенно высказывают предположение, что до начала 2010 года, компьютер, способный показать такую производительность в тесте Linpack создан не будет. Напомним, что производительность MDGrape рассчитана теоретически, архитектура этого компьютера не приспособлены для запуска теста Linpack.

Достаточно давно среди разработчиков суперкомпьютеров и экспертов в этой области ведётся дискуссия о необходимости замены слишком узкого и неадекватного теста Linpack более объективным, итспытаниями. Однако ситуация не меняется. Другие тесты разработаны, но расчёт рейтинга Top500 на их основе задерживается, поскольку это новшество сильно изменит привычную расстановку сил среди производителей суперкомпьютеров, что приведёт к существенному изменению ситуации в этой отрасли IT-индустрии.

Наконец, пара слов о значении суперкомпьютеров для решения экономических задач. Многие математические модели экономики сводятся к оптимизационным задачам, причём некоторые из них могут быть решены только простым перебором. Большое количество рассматриваемых вариантов не позволяло применить существующие компьютеры для решения таких задач - их производительности явно не хватало для получения результата в обозримое время. Ситуация существенно изменится, когда мощность персональных компьютеров приблизится к мощности суперкомпьютеров. Возможно, это звучит фантастически, но Intel приблизил сказку к реальности, представив перспективную разработку 80 - ядерного, терафлопсного микропроцессора. Не исключено, что скоро на столах работников экономических служб предприятий будут стоять компьютеры по производительности близкие к ныне существующим суперкомпьютерам и работникам экономических служб и IT- специалистам их обслуживающим надо быть к этому готовым.

С точки зрения производительности следует рассматривать не только отдельно взятые ЭВМ, но и их совместно функционирующие конгломераты. Часто несколько ЭВМ объединяются в кластеры. Кластер - совокупность ЭВМ, совместно используемых для обеспечения необходимой производительности при решении задач повышенной сложности.

Высокой производительности компьютерной системы можно достичь при совместном функционировании даже ЭВМ ординарной производительности. Сложная задача разделяется на небольшие части, каждая часть решается на ЭВМ ординарной производительности, потом результаты решения объединяются (компьютерная графика в кинофильмах - покадровая обработка, криптография). Но не все задачи можно разделить на такие части, некоторые задачи нужно решать в реальном масштабе времени. Поэтому конгломераты ЭВМ малой и средней производительности в обозримом будущем не смогут заменить супер-ЭВМ.

Классификация по особенностям архитектуры

· Мэйнфреймы

· Мини-ЭВМ

· Персональные ЭВМПерсональные ЭВМ (Микро-ЭВМ)

· Сетевые компьютеры

· Портативные (мобильные) устройства

Строго определения указанных классов дать нельзя.

Мэйнфрейм - ЭВМ, высокой или сверхординарной производительности, использующая один или несколько высокопроизводительных процессоров, обеспечивающая подключение большого числа внешних устройств и предназначенная для обслуживания большого числа пользователей при осуществлении ими сложной обработки больших объемов данных.

Основные их характеристики:

· один или несколько высокопроизводительных процессоров;

· ОЗУ от нескольких до нескольких сотен Гбайт;

· высокопроизводительные каналы ввода-вывода;

· емкость ВЗУ - до десятков Тбайт;

· допускают подключение сотен устройств ввода-вывода;

· имеют стоимость от десятков тысяч до нескольких миллионов долларов;

· практически всегда выступают в качестве ЭВМ коллективного использования.

Исторически это самый старый тип ЭВМ. Классические мэйнфреймы 60-70 гг.- это семейство IBM 360/370. Тогда они имели характеристики объема ОЗУ и ВЗУ ниже, чем современные ПК. Они были взяты за основу при проектировании советских ЕС ЭВМ. С 80х гг. мэйнфреймы активно вытесняются сетями, основанными на высокопроизводительных мини-ЭВМ.

Основное назначение мэнфреймов на текущий момент - обслуживание больших компьютерных сетей. В США установлено более 40 тыс. мэйнфреймов и в их базах данных хранится 70% информации крупных корпораций. В России используется порядка 5 тыс. мэйнфреймов (в основном, устаревших).

Основные производители мэйнфреймов IBM, Hitachi, Fujitsu и т.д. Наиболее распространенная современная линия мэйнфреймов ES/390 (Enterprise System) выпускается компанией IBM.

Мини-ЭВМ - ЭВМ, высокой или сверхординарной производительности, использующая один или несколько высокопроизводительных процессоров, предназначенная для управления крупными компьютерными сетями или решения задач высокой сложности при индивидуальном использовании.

Чаще всего используются как серверы средних и больших сетей, но нередко применяются как индивидуально используемые ЭВМ для решения задач повышенной сложности. В последнем случае их часто называют высокопроизводительными рабочими станциями.

Под высокопроизводительными рабочими станциями обычно понимаются индивидуально используемые мини-ЭВМ, использующие так называемые RISC-процессоры и ту или иную разновидность операционной системы Unix. В последнее время многие производители высокопроизводительных станций все чаще начинают использовать CISC-процессоры Intel и OC Windows NT/2000.

Высокопроизводительные рабочие станции обычно используются для решения сложных инженерных задач (автоматизированное проектирование), научных и экономических задач, требующих большого объема вычислений, в компьютерном дизайне, в кинематографии и т.д. Грань между высокопроизводительными рабочими станциями и персональными ЭВМ быстро стирается. Теперь многие из перечисленных задач можно решать и с помощью компьютеров, традиционно относимых к классу персональных ЭВМ.

Исторически, мини-ЭВМ возникли в начале 70х гг. как более дешевое решение, рассчитанное на средние фирмы в противовес дорогостоящим мэйнфреймам, которые были доступны только крупным богатым организациям. До последнего времени активно вытесняли мэйнфреймы, поскольку имели лучшее соотношение производительность/цена.

Основные их характеристики:

· один или несколько высокопроизводительных процессоров;

· обычно используют ту или иную разновидность ОС Unix;

· ОЗУ до десятков и сотен Гбайт;

· емкость ВЗУ до нескольких сотен Гбайт;

· обычно допускают подключение меньшего, чем мэйнфреймы числа внешних устройств;

· имеют стоимость от нескольких тысяч до нескольких миллионов долларов.

Основные производители: Sun, IBM, Silicon Graphics, Hewlett Packard и др.

Персональные ЭВМ (ПЭВМ, ПК, PC) - ЭВМ ординарной производительности, допускающие использование относительно небольшого числа устройств ввода-вывода.

Термин "персональный компьютер" используется для того, чтобы указать на то, что это ЭВМ, архитектура которой ориентирована, главным образом, на индивидуальное использование. Однако ПК часто используются и в качестве сетевых серверов для управления относительно небольшими сетями (ПК-серверы). Персональные ЭВМ разделяют на стационарные и портативные.

Стационарные ПК (настольные ПК, desktop PC) предназначены для использования в условиях подключения к стационарной электрической сети.

Портативные ПК (мобильные ПК) имеют небольшие размеры, малый вес и могут использоваться как при стационарном, так и при автономном электропитании.

Различают портфельные (ноутбуки, субноутбуки, notebooks, subnotebooks) и карманные (КПК, PDA, Pocket PC) портативные ПК. Карманные и часть портфельных ПК с точки зрения особенностей архитектуры относятся к особому классу мобильных устройств. Традиционные ноутбуки и субноутбуки также являются мобильными устройствами, но с точки зрения основных особенностей архитектуры идентичны настольным ПК.

Сейчас 92-93% рынка настольных и портативных портфельных ПК приходится на так называемые IBM-совместимые ПК. Их производят тысячи фирм-производителей во всем мире. Основные производители: Hewlett Packard, Dell, IBM. В них используются процессоры Intel или совместимые с ними. 5-6% рынка приходится на ПК фирмы Apple Computer. Эти ПК имеют иную аппаратную платформу, основаны на других процессорах. В основном они применяются в издательском деле и профессиональными художниками.

Своей популярностью IBM-совместимые ПК обязаны так называемой открытой архитектуре. Открытая архитектура - совокупность общепринятых стандартов организации взаимодействия различных устройств ЭВМ. Позволяет собирать ПК из готовых комплектующих, произведенных различными производителями.

Сетевые компьютеры - это ЭВМ, предназначенные только для использования в компьютерной сети. Они не имеют ВЗУ и загружают программы с сетевого сервера. Исполнение программ происходит на самом сетевом компьютере, но программы и обрабатываемые ими данные хранятся на сетевом сервере. Этим они принципиально отличаются от традиционных ПК, загружающих ОС и прикладные программы с собственных дисков.

Идея создания и применения сетевых компьютеров возникла относительно недавно. Ее выдвинули и поддерживали компании, не желающие мириться с фактической монополией Intel и Microsoft. Достоинство сетевых компьютеров в том, что их легче администрировать, поскольку все программы хранятся в единственном экземпляре на сетевом сервере. Недостаток в том, что вне сети они не могут функционировать. К сожалению, идея не получила должного распространения.

Мобильные устройства. Точного определения понятия "мобильные устройства" нет. В широком смысле к мобильным устройствам относятся все разновидности цифровых переносных устройств. В более узком понимании под мобильными устройствами называют переносные ПК. Как уже говорилось, ноутбуки и субноутбуки по своей архитектуре практически идентичны обычным настольным ПК. Как отдельную группу мобильных устройств следует рассматривать карманные компьютеры (КПК), которые имеют особую архитектуру, используют свои типы процессоров. Они разделяются на:

· Клавиатурные (Hand Held PC)

· Бесклавиатурные (Palm Top PC)

В отличие от настольных и портативных портфельных ПК, КПК не имеют электро-механических компонент. Основные используемые программы записаны в ПЗУ, а файлы с данными размещаются в основной памяти.

Основными программными платформами являются Pocket Windows и Palm OS. Реже используется ОС EPOC.

В последнее время наблюдается большой рост интереса к КПК. Становится популярной идея объединения в КПК нескольких устройств: собственно КПК, мобильного телефона, цифровой камеры, диктофона, приемника, MP3-плеера. Для них используется термины "смартфон" и "коммуникатор" обозначающий гибрид мобильного телефона и КПК.

Дата добавления: 2014-11-20