Поколения ЭВМ

Классификация средств ЭВТ

В настоящее время в мире произведены и работают миллионы вычислительных машин, относящихся к различным поколениям, типам, классам. Вычислительные машины отличаются областями применения, техническими характеристиками и вычислительными возможностями. Традиционно электронную технику подразделяют на аналоговую и цифровую.

В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется в виде, аналоговых величин: тока, напряжения, угла поворота какого-то механизма и т.п. Эти машины обеспечивают приемлемое быстродействие, но не очень высокую точность вычислений (0,001 – 0,01). Подобные машины распространены не очень широко. Они используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе различных стендов по отработке сложных образцов техники. По своему назначению их можно рассматривать как специализированные вычислительные машины.

В настоящее время под словом ЭВМ обычно понимают цифровые вычислительные машины, в которых информация кодируется двоичными кодами чисел. Именно эти машины благодаря универсальным возможностям и являются самым массовым инструментом вычислительной техникой, при этом всё чаще используется англоязычное слово – компьютер.

Рынок современных компьютеров отличается разнообразием и динамизмом, каких ещё не знала ни одна область человеческой деятельности. Каждый год стоимость вычислений сокращается примерно на 25-30%, стоимость хранения единицы информации – до 40%.

То, что 10-15 лет назад считалось современной большой ЭВМ, в настоящее время является устаревшей техникой с очень скромными возможностями. Современный персональный компьютер с быстродействием в сотни миллионов операции в секунду становится доступным средством для массового пользователя.

В классификации десятилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микроЭВМ, которые сейчас почти исчезли из обихода. Вместе с тем существует целый ряд закономерностей развития вычислительной техники, которые позволяют предвидеть и предсказывать основные результаты этого поступательного движения. Необходимо анализировать традиционные и новые области применения ЭВМ, классы и типы используемых вычислительных средств, сложившуюся конъюнктуру рынка информационных технологий и его динамику, количество и качество вычислительной техники, выпускаемой признанными лидерами-производителями средств ЭВТ и т.д. Коротко рассмотрим некоторые из этих вопросов, выяснение которых позволит понять, какая вычислительная техника необходима для решения определенных задач.

Первое направление является традиционным – применение ЭВМ для автоматизации вычислений. Научно-техническая революция во всех областях науки и техники постоянно выдвигает, новые научные, инженерные, экономические задачи, которые требуют проведения крупномасштабных вычислений (задачи проектирования новых образцов техники, моделирования сложных процессов, атомная и космическая техника и др.). Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и их приложений. Первые, а затем и последующие вычислительные машины классической структуры в основном и создавались для: автоматизации вычислений.

Второе направление применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления. Она зародилась примерно в шестидесятые годы, когда ЭВМ стали интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Математическая база этой новой сферы практически отсутствовала, в течение последую­щих 15-20 лет она была создана.

Новое применение вычислительных машин потребовало видоиз­менения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов обработки.

Сопряжение с каналами связи потребовало усложнения режимов работы ЭВМ, сделало их многопрограммными и многопользовательскими. Для исключения взаимных помех между программами пользователей в структуру машин были введены средства разграничения: блоки прерываний и приоритетов, блоки защиты, средства измерения времени и т.п. Для управления разнообразной периферией стали использоваться специальные процессоры ввода-вывода данных или каналы.

Одновременно со структурными изменениями ЭВМ происходило и качественное изменение характера вычислений. Доля чисто математических расчетов постоянно сокращалась, и на сегодняшний день она составляет около 10% от всех вычислительных работ. Машины все больше стали использоваться для новых видов обработки: текстов, графики, звука и др. Для выполнения этих работ в настоящее время применяются в основном ПЭВМ.

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Для технического обеспечения этого направления нужны качественно новые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей (ЭВМ или процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам.

В настоящее время в основном выпускаются четыре класса компьютеров:

1. Большие ЭВМ (mainframe), которые представляют собой многопользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа.

2. Машины для обеспечения научных исследований. Пример такой машины это RS/6000 – очень мощные по производительности, предназначены для построения рабочих станций для работы с графикой, UNIX-серверов, кластерных комплексов

3. Средние ЭВМ, предназначенные в первую очередь для работы в финансовых структурах (ЭВМ типа AS/400(Advanced Portable Model3) – «бизнес - компьютеры», 64-разрядные).

4. Персональные компьютеры на платформе микросхем фирмы Intel. Это IBM совместимые компьютеры поступающие в сферу малого бизнеса и личного пользования. Потребление компьютеров этой серии исчисляется миллионами, несмотря на столь внушительный объем выпуска персональных компьютеров этой платформы, фирма IВМ проводит большие исследования и развивает собственную альтернативную платформу, получившую название Роwer РС. Это на­правление, по мнению фирмы, позволило бы значительно улучшить структуру аппаратных средств ПК, а значит, и эффективность их применения. Однако новые модели этой платформы пока не вы­держивают конкуренции с IBM PC. Немало- важным здесь является неразвитость рынка программного обеспечения, поэтому у массового пользователя это направление не находит спроса, и доля компьютеров с процессорами Power РС пока еще незначительна.

Кроме перечисленных типов вычислительной техники, необходимо отметить особый класс вычислительных систем, получивший название суперЭВМ. Их развитие связано с тем, что современной наукой и техникой 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. В этом случае ЭВМ позволяет методами численного моделирования получить результаты вычислительных экспериментов, обеспечивая приемлемое время и точность решения, т.е. решающим условием необходимости разработки и применения подобных ЭВМ является экономический показатель «производительность/ стоимость».Например это задачи моделирования процессов в земной атмосфере, океане и т.п. СуперЭВМ позволяют по сравнению с другими типами машин точнее, быстрее и качественнее решать масштабные 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. Образцы таких машин уже выпускаются несколькими фирмами: nCube (гиперкубические ЭВМ), Connection Machine, Mass Par, NCR/Teradata, KSR, IBM RS/6000, MPP и др.­

На рубеже тысячелетий фирма IВМ объявила о разработке в рамках ANSI (стратегический компьютерной инициативы) новой супер-ЭВМ, которая будет содержать более миллиона микропроцессоров типа Pentium (10²⁰) по расчетам она должна иметь быстродействие 10¹⁵ операций в секунду.

Необходимо отметить и еще один класс наиболее массовых средств ЭВТ–встраиваемые микропроцессоры. 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, в городском хозяйстве, на производстве. Постепенно они входят в нашу жизнь, все больше изменяя среду обитания человека.

Таким образом, можно предложить следующую классификацию средств вычислительной техники, в основу которой положено их разделение по быстродействию:

· суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных и задач моделирования;

· большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров

· средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов;

· персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (APM) для специалистов различного уровня;

· встраиваемее микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.

С развитием сетевых технологий все больше начинает использоваться другой классификационный признак, отражающий место и роль ЭВМ в сети:

· мощные машины и вычислительные системы для управления гигантскими сетевыми хранилищами информации

· кластерные структуры;

· серверы

· рабочие станции

· сетевые компьютеры

Мощные машины и вычислительные системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний. По своим 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 несколько серверов. Это позволяет гибко управлять ресурсами сети, 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.

Рабочие станции – это абонентские пункты в сетях, ориентированные на работу основной массы непрофессиональных пользователей с сетевыми ресурсами. Этот термин как бы отделяет их от ПЭВМ, обеспечивающих работу основной массы непрофессиональных пользователей, работающих обычно в автономном режиме.

Сетевые компьютеры представляют собой упрощенные профессиональные компьютеры, вплоть до карманных ПК. Их основными назначением является обеспечение доступа к сетевым информационным ресурсам, при этом вычислительные возможности у них достаточно низкие.

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

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

Ключевая роль в современной инфраструктуре информатизации принадлежит системам коммуникаций и вычислительным сетям, в которых сосредоточены новейшие средства вычислительной техни­ки, информатики, связи, а также самые прогрессивные информацион­ные технологии. Именно они обеспечивают пользователям широкий набор информационно-вычислительных услуг с доступом к локаль­ным и удаленным машинным ресурсам, технологиям и базам данных.

На пути развития электронной вычислительной техники (начиная с середины 40-х годов) можно выделить четыре поколения больших ЭВМ, отличающихся элементной базой, функционально-логической органи­зацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристика­ми, степенью доступа к ЭВМ со стороны пользователей. Смене поколений сопутствовало изменение основных технико-эксплуатационных и технико-экономических показателей ЭВМ, и в первую очередь та­ких, как быстродействие, емкость памяти, надежность и стоимость. При этом одной из основных тенденций развития было и остается стремле­ние уменьшить трудоемкость подготовки программ решаемых задач, облегчить связь операторов с машинами, повысить эффективность ис­пользования ЭВМ. Это диктовалось и диктуется постоянным ро­стом сложности и трудоемкости задач, решение которых возлагается, на ЭВМ в различных сферах применения.

Возможности улучшения технико-эксплуатационных показателей ЭВМ в значительной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение обычно в первую очередь характе­ризуется используемой элементной базой.

Машины первого поколения имели внушительные размеры (десятки квадратных метров площади, систему охлаждения и по­требляли большую мощность). При этом они имели сравнительно малое быстродей­ствие, малую емкость оперативной памяти, невысокую надежность работы и недостаточно развитое программное обеспечение. Но в ЭВМ этого поколения были заложены основы логического построения машин и продемонстрированы возможности цифровой вычислитель­ной техники.

Основным активным элементом ЭВМ первого поколения являлась электронная лампа, остальные компоненты электронной аппарату­ры — это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Для построения оперативной памяти ЭВМ уже с середины 50-х годов начали применяться специально разработанные для этой цели эле­менты — ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистере­зиса. В качестве устройства ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфо­раторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин), а затем специально для ЭВМ были разработаны электромеханичес­кие запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатающие устройства.

В машинах второго поколения (в конце 50-х годов) на смену лампам пришли транзисторы. В отличие от ламповых ЭВМ транзис­торные машины обладали большим быстродействием, емкостью опе­ративной памяти и надежностью. Существенно уменьшились разме­ры, масса и потребляемая мощность. Значительным достижением явилось применение печатного монтажа. Повысилась надежность электромеханических устройств ввода-вывода, их удельный вес в общей структуре ЭВМ увеличился. Машины второго поколения обладали большими вычислительными и логическими возможностями.

Особенность машин второго поколения — их дифференциация по применению. Появились машины для решения научно-технических и экономических задач, для управления производственными процесса­ми и различными объектами (управляющие машины).

Наряду с техническим совершенствованием ЭВМ развиваются ме­тоды и приемы программирования вычислений, высшей ступенью ко­торых является появление автоматического программирования, требующее ми­нимальных затрат труда математиков-программистов. Большое раз­витие и применение получили алгоритмические языки, существенно упрощающие процесс подготовки задач к решению на ЭВМ. С появ­лением алгоритмических языков резко сократились штаты «чистых» программистов, поскольку составление программ на этих языках стало под силу самим пользователям.

В период развития и совершенствования машин второго поколе­ния наравне с однопрограммными появились многопрограммные (муль­типрограммные) ЭВМ. В отличие от однопрограммных машин, в которых программы выполняются только поочередно(развернуто во времени), в многопрог­раммных ЭВМ возможна совместная реализация нескольких программ за счет организации параллельной работы основных устройств ма­шины.

Третье поколение ЭВМ (в конце 60-х — начале 70-х годов) харак­теризуется широким применением интегральных схем. Интегральная схема представляет собой законченный логический функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. Благодаря использованию интегральных схем удалось существенно улучшить технические и эксплуатационные характеристики машин. Этому способствовало также применение многослойного печатного монтажа.

В машинах третьего поколения значительно расширился набор раз­личных электромеханических устройств для ввода и вывода инфор­мации. Развитие этих устройств носит эволюционный характер, но их характеристики совершенствуются гораздо медленнее, чем характе­ристики электронного оборудования.

Программное обеспечение машин третьего поколения получило дальнейшее развитие, особенно это касается операционных систем. Развитые операционные системы многопрограммных машин, снабжен­ных периферийными устройствами ввода-вывода с автономными пультами абонентов, обеспечивают управление работой ЭВМ в раз­личных режимах: пакетной обработки, разделения времени, запрос-ответ и др.

Например, в режиме разделения времени многим абонентам пре­доставляется возможность одновременного, непосредственного и опе­ративного доступа к ЭВМ. Вследствие большого различия инерцион­ности человека и машины у каждого из одновременно работающих абонентов складывается впечатление, будто ему одному предостав­лено машинное время.

При разработке машин третьего поколения получили развитие системы автоматизации проектирования (САПР). Основной объем доку­ментации, необходимой для монтажа, разрабатывается с помощью ЭВМ.В дальнейшем эти методы будут играть важнейшую роль в развитии ЭВМ.

Для машин четвертого поколения (конец 70-х годов) характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень ин­теграции способствует увеличению плотности компоновки электрон­ной аппаратуры, повышению ее надежности и быстродействия, сни­жению стоимости. Это, в свою очередь, оказывает существенное воз­действие на логическую структуру ЭВМ и ее программное обеспече­ние. Более тесной становится связь структуры машины и ее программ­ного обеспечения, особенно операционной системы.

Отчетливо проявляется тенденция к унификации ЭВМ, созданию машин, представляющих собой единую систему. Ярким выражением этой тенденции является создание и развитие ЕС ЭВМ — Единой сис­темы электронных вычислительных машин.

Промышленный выпуск первых моделей ЕС ЭВМ был начат в 1972 г., при их создании были использованы все современные достиже­ния в области электронной вычислительной техники, технологии и кон­струирования ЭВМ, в области построения систем программного обес­печения. Объединение знаний и производственных мощностей стран-разработчиков позволило в довольно сжатые сроки решить сложную комплексную научно-техническую проблему. ЕС ЭВМ представляла собой непрерывно развивающуюся систему, в которой улучшались технико-эксплуатационные показатели машин, совершенствовалось периферийное оборудование и расширялась, его номенклатура.

Кроме указанных выше больших ЭВМ, со второй половины 50-х годов начали развиваться мини-ЭВМ, отличающиеся меньшими фун­кциональными возможностями главным образом из-за ограниченного набора команд и меньшей разрядности чисел.

С появлением в США микропроцессоров (1971 г.) начал развивать­ся новый класс вычислительных машин — микроЭВМ. За короткое время микропроцессоры прошли большой путь развития: от первого поколения 4- и 8-разрядных микропроцессоров, выполненных по канальной МОП-технологии, до четвертого поколения 32- и 64-разряд­ных микропроцессоров.

В настоящее время реализуется программа по разработке в бли­жайшие 8—10 лет новых типов компьютеров:

• многопроцессорных компьютеров с высокой степенью параллелиз­ма обработки информации;

• компьютеров с нейронными сетями;

• компьютеров, в которых для передачи информации используется свет.

Появление персональных компьютеров — это наиболее яркое и динамично развивающееся направление в области вычислительной техники. С внедрением персональных компьютеров решение задач информа­тизации общества поставлено на реальную основу. Кроме того, по­требовался новый подход к организации систем обработки данных, к созданию новых информационных технологий. Возникла необходи­мость перехода от систем централизованной обработки данных к системам распределенной обработки данных, т.е. к компьютерным (вычислительным) сетям различных уровней — от локальных до гло­бальных. Появились качественно новые возможности как в развитии ЭВМ, так и их применении.

Дата добавления: 2014-01-06