Тема 1. Принципы построения компьютеров

1.1. Основные характеристики
и классификация компьютеров

Эффективное применение вычислительной техники предполагает, что каждый вид вычислений требует использования компьютера с определенными характеристиками.

Выбирая компьютер для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.д.). При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а общими вопросами организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

Архитектура компьютера – это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых строится ЭВМ.

Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Современный компьютер относится к классу открытых систем. Конкретная реализация каждого из уровней таких систем определяет особенности структурного построения, что может менять характеристики в широких пределах. Именно архитектура отражает основные принципы, положенные в основу построения компьютеров. (В последующих разделах пособия эти вопросы подробно рассматриваются.)

Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры-схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач. Указанные специалисты рассматривают понятие архитектуры в более узком смысле. Для них наиболее важные структурные особенности сосредоточены в наборе команд ЭВМ, являющемся границей между аппаратными и программными средствами.

Пользователи ЭВМ, которые обычно не являются профессионалами в области вычислительной техники, рассматривают архитектуру через более сложные аспекты, касающиеся их взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

· технические и эксплутационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность; показатели надежности, достоверности, точности; емкость оперативной и внешней памяти; габаритные размеры; стоимость технических и программных средств; особенности эксплуатации и др.);

· характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;

· состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

Важнейшими характеристиками компьютеров служат быстродействиеипроизводительность. Эти характеристики достаточно близки, но их не следует смешивать.

Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Производительность – это объем работ (например, число стандартных программ), выполняемый ЭВМ в единицу времени.

Определение характеристик быстродействия и производительности представляет собой очень сложную инженерную и научную задачу, до настоящего времени не имеющую единых подходов и методов решения. Очень часто вместо конкретных значений этих характеристик указывают только тактовую частоту микропроцессора, поскольку она непосредственно связана со скоростью вычислений.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находиться в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.

Наименьшей структурной единицей информации является бит – одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения – байтах (байт равен 8 битам). Следующими единицами измерения служат 1Кбайт =
= 2¹⁰байта = 1024 байта; 1Мбайт = 2¹⁰ Кбайта = 2²⁰ байта; 1Гбайт = 2¹⁰ Мбайта = 2²⁰ Кбайта = = 2³⁰ байта.

Обычно отдельно характеризуют емкости оперативной и внешней памяти. В настоящее время персональные ЭВМ могут иметь емкость оперативной памяти равную 64, 128, 256 Мбайтам и даже больше. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.

Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискеты составляет 1,2-2,8 Мбайта, в зависимости от типа дисковода и характеристик дискеты. Емкость жесткого диска и дисков DVD может достигать нескольких десятков Гбайтов, емкость компакт-диска (CD-ROM) – сотни Мбайтов (640 Мб и выше) и т.д. Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения и отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки операционной среды Windows 2000 требуется объем памяти жесткого диска более 1 Гб и не менее 64 Мб оперативной памяти ЭВМ.

Надежность – это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO – 2382/14-78).

Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу – сверхбольшие интегральные схемы резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит и число их соединений друг с другом. Хорошо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли). Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранение неисправностей.

Точность – возможность различать почти равные значения (стандарт ISO 2382/2-76). Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными единицами представления информации (байтом, словом, двойным словом).

Во многих применениях ЭВМ не требуется большой точности, например, при обработке текстов и документов, при управлении технологическими процессами. В этом случае достаточно использовать 8-16-разрядные двоичные коды.

При выполнении сложных математических расчетов требуется использовать более высокую разрядность 32, 64 (и даже более). Поэтому все современные ЭВМ, включая ПК, имеют возможность работы с 32- и даже с 64-разрядными машинными словами. С помощью языков программирования этот диапазон может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.

Достоверность – свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.

В настоящее время в мире произведены, работают и продолжают выпускаться миллионы вычислительных машин, относящиеся к различным поколениям, типам, классам; отличающиеся своими областями применения, техническими характеристиками и вычислительными возможностями.

Рынок современных компьютеров отличается разнообразием и динамизмом, каких еще не знала ни одна область человеческой деятельности. Каждый год стоимость вычислений сокращается примерно на 25-30%, стоимость хранения единицы информации - до 40%. Практически каждые полтора десятилетия меняется поколение машин, каждые два года - основные типы микропроцессоров, СБИС, определяющих характеристики новых ЭВМ. Такие темпы сохраняются уже многие годы.

Рынок компьютеров постоянно имеет широкую градацию классов и моделей ЭВМ. Существует большое количество классификационных признаков, по которым все это множество разделяют на группы [21,22]: по уровням специализации (универсальные и специализированные), по типоразмерам (настольные, портативные, карманные), по совместимости, по типу используемого процессора, по возможностям и назначению и др. Разделение компьютеров по поколениям, изложенное в п. 1.1, также является одним из видов классификации. Наиболее часто используют классификацию компьютеров по возможностям и назначению, а в последнее время и по роли компьютеров в сетях.

По возможностям и назначению компьютеры подразделяют на:

· суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, а также для обслуживания крупнейших информационных банков данных.

С развитием науки и техники постоянно выдвигаются новые крупномасштабные задачи, требующие выполнения больших объемов вычислений. Особенно эффективно применение суперЭВМ при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. СуперЭВМ позволяют по сравнению с другими типами машин точнее, быстрее и качественнее решать крупные задачи, обеспечивая необходимый приоритет в разработках перспективной вычислительной техники. Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров. В настоящее время самыми мощными суперкомпьютерами планеты являются Nec Earth Simulatior (35,9 TFLOP, Япония) и IBM ASCI White (7,2 TFLOP, США), установленный в Lawrence Livermore National Lab, ориентированный на разработку перспективных вооружений.

В ближайшие годы фирма IBM планирует создание еще более мощных суперЭВМ. В рамках государственного контракта (ноябрь 2002г.,290 млн. долларов) в 2004 г. должен быть построен ASCI Purple («Пурпурный») на базе 196 объединенных между собой 64-х процессорных серверов (12544 процессора). Это позволит пройти порог 100 TFLOP, 50 терабайт оперативной и 2 петабайта дисковой памяти. Затем последует Blue Gene/L, имеющий в своем составе 130 тысяч процессоров, что обеспечит пиковое быстродействие 360 TFLOP. Использование этих систем предполагается для моделирования погоды, разработки новых видов вооружения и других крупномасштабных вычислений.

· Большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров (министерства, государственные ведомства и службы, крупные банки и т.д.). Примером подобных машин, а точнее систем, могут служить младшие модели IBM RS/6000. Это очень мощные по производительности компьютеры, предназначенные для обеспечения научных исследований, для построения рабочих станций для работы с графикой, UNIX-серверов, кластерных комплексов.

· Средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами (банки, страховые компании, торговые дома, издательства). ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов. Примером машин данного класса служит IBM AS/400 – Advanced Portable Model 3 – «бизнес-компьютеры»,64-разрядные. В этих машинах особое внимание уделяется сохранению и безопасности данных, программной совместимости и т.п.

· Персональные и профессиональные компьютеры (ПК), позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.

· Мобильные и карманные компьютеры. Эта категория вычислительных средств только начинает свое бурное развитие и поэтому требует более подробного освещения. Появление микропроцессоров способствовало разработке на их основе разнообразных устройств, используемых в различных областях жизнедеятельности человека: мобильная связь, бытовая техника, авто, игровые приставки, электронные записные книжки т.п.

Невозможно дать исчерпывающую и полную классификацию подобных устройств с учетом их назначения, популярности, функциональных возможностей, размеров, мощности и т.д. Рыночный сектор этих устройств еще находится в стадии формирования, отличается большим разнообразием, мобильностью и динамикой. Аналитики предсказывают его прогрессирующее развитие на ближайшие 5-10 лет[1].

Будущее современного человека неразрывно связано с компьютерными сетями. Все ниши вычислительных устройств: от настольного компьютера до «наладонников» с узкой специализацией на всевозможные применения, – заполнены и имеют далеко не по единственному экземпляру устройств. Неудивительно, что создание компактных устройств для связи и мобильного бизнеса было подхвачено очень многими фирмами-разработчиками: Compaq, Hewlett-Packard (объединившиеся под эгидой последней), Casio, Palm Inc., Sharp, Psion, NEC, Nocia, Ericsson и др.

Появлению новых устройств способствуют следующие факторы:

– экономические – новые устройства успешно конкурируют со старыми, традиционными. Например, сотовая связь уверенно отвоевывает клиентов обычной телефонной связи;

– технологические – новые технологии обеспечивают качественно новые услуги (мобильный офис, телеконференции, предложение товаров от ближайших поставщиков и т.д.);

– социальные – мобильные телефоны и досуг с использованием Internet становятся стилем жизни;

– бизнес-факторы – бизнес требует новых типов предложений под лозунгами «Услуги в любое время и в любом месте» и предоставления каждому «Своего офиса в кармане».

Рассмотрим упрощенную градацию подобных устройств.

Ноутбуки (Notebooks). Совершенствование микропроцессоров привело к созданию мощных, дружественных и малогабаритных компьютеров, вполне способных обеспечить создание мобильного офиса различного класса с ориентацией на электронную почту, передачу факсов, доступ в Internet, например, с офиса менеджера высшего звена, практически не отличающегося от офиса с ПК настольного типа, до офиса SOHO (Small Office/Homo Office – малый офис/домашний офис).

Карманные персональные компьютеры (КПК), имеют очень широкую номенклатуру и градацию. В отдельных случаях их возможности могут не уступать возможностям среднего компьютера, в других – быть примитивными настолько, что к компьютерам их можно отнести с большой натяжкой. Чтобы не потеряться в анализе достоинств и недостатков различных моделей, очень часто рассматривают их по принадлежности к отдельным платформам, которые лежат в основе устройств и предопределяют спектр их приложений.

Большинство из них принадлежит к одной из трех распространенных и конкурирующих платформ: Pocket PC, Psion, Palm. Все платформы предполагают использование средств работы с текстовыми документами, программы ведения личных финансов, словари, игры и т.п. Но мощность этих средств в разных платформах сильно отличается.

Наиболее близка к настольным ПК платформа Pocket PC. Она предполагает использование упрощенного пакета Microsoft Office, поддерживает электронную почту и сотовую связь, работу с Internet. Возможно подключение MediaPlayer для прослушивания музыки с компакт-дисков. Установка MPEGplayer позволяет просматривать фильмы. Имеется и другое развитое программное обеспечение для различных применений этих устройств.

Платформа Psion поддерживает электронную почту, имеет Internet-браузер, синхронизируется с сотовыми телефонами, содержит упрощенный прошитый язык программирования, может использовать русификаторы текста. Возможности функционального расширения ограничены.

Платформа Palm неплохо синхронизируется с записной книжкой, ежедневником, но имеет слабую поддержку почты и сотовой связи. Очень слабые возможности расширения.

· Встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами. Успехи микроэлектроники позволяют создавать миниатюрные вычислительные устройства, вплоть до однокристальных ЭВМ. Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (телефонах, телевизорах, электронных часах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, тепло-, водоснабжении, регулировке движения транспорта и т.д.), на производстве (робототехнике, управлении технологическими процессами). Постепенно они входят в нашу жизнь, все больше изменяя среду обитания человека.

С развитием сетевых технологий все больше начинает использоваться другой классификационный признак, отражающий место и роль ЭВМ в сети. Согласно ему предыдущая классификация отражается на сетевой среде:

– мощные машины, включаемые в состав сетевых вычислительных центров и систем управления гигантскими сетевыми хранилищами информации;

– кластерные структуры;

– серверы;

– рабочие станции;

– сетевые компьютеры.

Мощные машины и системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний. По характеристикам их можно отнести к классу суперЭВМ, но в отличие от них они являются более специализированными и ориентированными на обслуживание мощных потоков информации.

Кластерные структуры представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие под единым управлением несколько серверов. Это позволяет гибко управлять ресурсами сети, обеспечивая необходимую производительность, надежность, готовность и другие характеристики.

Серверы – это вычислительные машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов сети. Различают файл-серверы, серверы приложений, факс-серверы, почтовые, коммуникационные, Web-серверы и др.

Термин «рабочая станция» отражает факт наличия в сетях абонентских пунктов, ориентированных на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами. Этот термин как бы отделяет их от ПК, обеспечивающих работу основной массы непрофессиональных пользователей, работающих обычно в автономном режиме.

Сетевые компьютеры. На базе существующих стандартных микропроцессоров появляется новый класс устройств, получивший это название. Само название говорит о том, что они предназначаются для использования в компьютерных сетях. В зависимости от выполняемых функций и от контекста под этим термином понимают совершенно различные устройства от простейшего компьютера – наладонника до специализированных сетевых устройств[2].

Высокие скорости вычислений, обеспечиваемые ЭВМ различных классов, позволяют перерабатывать и выдавать все большее количество информации, что, в свою очередь, порождает потребности в создании связей между отдельно используемыми ЭВМ. Поэтому все современные компьютеры в настоящее время имеют средства подключения к сетям связи и объединения в системы.

Перечисленные типы ЭВМ, которые должны использоваться в индустриально развитых странах, образуют некое подобие пирамиды с определенным соотношением численности ЭВМ каждого слоя и набором их технических характеристик. Распределение вычислительных возможностей по слоям должно быть сбалансировано.

Требуемое количество суперЭВМ для отдельной развитой страны должно составлять 100-200, больших ЭВМ - тысячи, средних - десятки и сотни тысяч, ПЭВМ - миллионы, встраиваемых микро-ЭВМ - миллиарды.

Все используемые ЭВМ различных классов образуют машинный парк страны, жизнедеятельность которого и его информационное насыщение определяют успехи информатизации общества и научно-технического прогресса страны.

Формирование сбалансированного машинного парка является сложной политической, экономической и социальной проблемой, решение которой требует многомиллиардных инвестиций. Для этого должна быть разработана соответствующая структура: создание специальных производств (элементной базы ЭВМ, программного обеспечения и технических связей), смена поколений машин и технологий, изменение форм экономического и административного управления, создание новых рабочих мест и т.д.

Дата добавления: 2014-12-29