Архитектура систем: SMP, МРР, PVP, гибридная архитектура NUMA

Память служит, в частности, для передачи сообщений между процессорами, при этом все вычислительные устройства при обращениик ней имеют равные права и одну и ту же адресацию для всех ячеек памяти. Поэтому SMP-архитектура назы­вается симметричной. Последнее обстоятельство позволяет очень эффективно об­мениваться данными с другими вычислительными устройствами.

Лекция 5. Архитектура систем

1. SMP-архитектура

SMP (symmetric multiprocessing) - симметричная многопроцессорная архитек­тура. Главной особенностью систем с архитектурой SMP является наличие общей физической памяти, разделяемой всеми процессорами.

SMP -система строится на основе высокоскоростной системной шины (SGI PowerPath, Sun Gigaplane, DEC TurboLaser), к слотам которой подключаются функциональные блоки: процессоры (ЦП), подсистема ввода/вывода (I/O) и т. п. Для подсоединения к модулям I/O используются уже более медленные шины (PCI, VME64). Наиболее известными SMP -системами являются SMP -серверы и рабочие станции на базе процессоров Intel (IBM, HP, Compaq, Dell, ALR, Unisys, DG, Fujitsu и др.) Вся система работает под управлением единой ОС (обычно UNIX- подобной, но для Intel-платформ поддерживается Windows NT). ОС автоматически (в процессе работы) распределяет процессы по процессорам, но иногда возможна и явная привязка.

Основные преимущества SMP -систем:

| простота и универсальность для программирования. Архитектура SMP не накладывает ограничений на модель программирования, используемую при создании приложения: обычно используется модель параллельных ветвей, когда все процессоры работают независимо друг от друга. Однако можно реализовать и модели, использующие межпроцессорный обмен. Использо­вание общей памяти увеличивает скорость такого обмена, пользователь также имеет доступ сразу ко всему объему памяти. Для SMP -систем сущест­вуют довольно эффективные средства автоматического распараллеливания;

• простота эксплуатации. Как правило, SMP-системы используют систему кондиционирования, основанную на воздушном охлаждении, что облегчает

их техническое обслуживание;

• относительно невысокая цена.

Недостатки:

• системы с общей памятью плохо масштабируются.

Этот существенный недостаток SMP-систем не позволяет считать их по-настоящему перспективными. Причиной плохой масштабируемости является то, что в данный момент шина способна обрабатывать только одну транзакцию, вследствие чего возникают проблемы разрешения конфликтов при одновременном обращении нескольких процессоров к одним и тем же областям общей физической памяти. Вычислительные элементы начинают друг другу мешать. Когда произой­дет такой конфликт, зависит от скорости связи и от количества вычислительных элементов. В настоящее время конфликты могут происходить при наличии 8-24 процессоров. Кроме того, системная шина имеет ограниченную (хоть и высокую) пропускную способность (ПС) и ограниченное число слотов. Все это очевидно препятствует увеличению производительности при увеличении числа процессоров и числа подключаемых пользователей. В реальных системах можно задействовать не более 32 процессоров. Для построения масштабируемых систем на базе SMP используются кластерные или NUMA-архитектуры.

2. МРР-архитектура

МРР (massive parallel processing) - массивно-параллельная архитектура. Глав­ная особенность такой архитектуры состоит в том, что память физически разделе­на. В этом случае система строится из отдельных модулей, содержащих процес­сор, локальный банк операционной памяти (ОП), коммуникационные процессоры (рутеры) или сетевые адаптеры, иногда - жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода. По сути, такие модули представляют собой полнофункциональные компьютеры.

1 ^цп			ЦП
				_ Г i/o
			] подсистема j
°^П3 1	^11 RiV		on

Доступ к банку ОП из данного модуля имеют только процессоры (ЦП) из этого же модуля. Модули соединяются специальными коммуникационными каналами. Пользователь может определить логический номер процессора, к которому он подключен, и организовать обмен сообщениями с другими процессорами. Исполь­зуются два варианта работы операционной системы (ОС) на компьютерах МРР-архитектуры. В одном полноценная операционная система (ОС) работает только на управляющем компьютере (front-end), на каждом отдельном модуле функцио­нирует сильно урезанный вариант ОС, обеспечивающий работу только располо­женной в нем ветви параллельного приложения. Во втором варианте на каждом модуле работает полноценная UNIX-подобная ОС, устанавливаемая отдельно.

Главным преимуществом систем с раздельной памятью является хорошая мас­штабируемость: в отличие от SMP-систем, в компьютерах с раздельной памятью каждый процессор имеет доступ только к своей локальной памяти, в связи с чем не возникает необходимости в потактовой синхронизации процессоров. Практиче­ски все рекорды по производительности на сегодня устанавливаются на компью­терах именно такой архитектуры, состоящих из нескольких тысяч процессоров (ASCI Red, ASCI Blue Pacific).

Недостатки:

• отсутствие общей памяти заметно снижает скорость межпроцессорного обмена, поскольку нет общей среды для хранения данных, предназначенных для обмена между процессорами. Требуется специальная техника програм­мирования для реализации обмена сообщениями между процессорами;

• каждый процессор может использовать только ограниченный объем локаль­ного банка памяти;

• вследствие указанных архитектурных недостатков требуются значительные усилия для того, чтобы максимально использовать системные ресурсы. Именно этим определяется высокая цена программного обеспечения для массивно-параллельных систем с раздельной памятью.

Системами с раздельной памятью являются суперкомпьютеры МВС-1000, IBM RS/6000 SP, SGI/CRAY ТЗЕ, системы ASCI, Hitachi SR8000, системы Parsytec.

Компьютеры серии CRAY ТЗЕ от SGI, основанные на базе процессоров Dec Alpha 21164 с пиковой производительностью 1200 Мфлопс/с (CRAY ТЗЕ-1200), способ­ны масштабироваться до 2048 процессоров.

3. Гибридная архитектура NUMA

Главная особенность гибридной архитектуры NUMA (поп uniform memory access) - неоднородный доступ к памяти.

Гибридная архитектура совмещает достоинства систем с общей памятью и отно­сительную дешевизну систем с раздельной памятью. Суть этой архитектуры - в особой организации памяти, а именно: память физически распределена по различ­ным частям системы, но логически она является общей, так что пользователь ви­дит единое адресное пространство. Система построена из однородных базовых модулей (плат), состоящих из небольшого числа процессоров и блока памяти. Мо­дули объединены с помощью высокоскоростного коммутатора. Поддерживается единое адресное пространство, аппаратно поддерживается доступ к удаленной па­мяти, т.е. к памяти других модулей. При этом доступ к локальной памяти осуще­ствляется в несколько раз быстрее, чем к удаленной. По существу, архитектура NUMA является МРР-архитектурой, где в качестве отдельных вычислительных элементов берутся SMP-узлы. Доступ к памяти и обмен данными внутри одного SMP-узла осуществляется через локальную память узла и происходит очень быст­ро, а к процессорам другого SMP-узла тоже есть доступ, но более медленный и через более сложную систему адресации.

Структурная схема системы с гибридной сетью: четыре процессора связываются между собой при помощи кроссбара в рамках одного SMP-узла. Узлы связаны се­тью типа "бабочка" (Butterfly):

Понятие когерентности кэшей описывает тот факт, что все центральные процес­соры получают одинаковые значения одних и тех же переменных в любой момент времени. Действительно, поскольку кэш-память принадлежит отдельному компь­ютеру, а не всей многопроцессорной системе в целом, данные, попадающие в кэш одного компьютера, могут быть недоступны другому. Чтобы этого избежать, сле­дует провести синхронизацию информации, хранящейся в кэш-памяти процессо­ров.

Наиболее известными системами архитектуры cc-NUMA являются: HP 9000 V-class в SCA-конфигурациях, SGI Origin3000, Sun HPC 15000, IBM/Sequent NUMA-Q 2000. На сегодня максимальное число процессоров в cc-NUMA-системах может превышать 1000 (серия Origin3000). Обычно вся система работает под управлением единой ОС, как в SMP. Возможны также варианты динамическо­го "подразделения" системы, когда отдельные "разделы" системы работают под управлением разных ОС.

4. PVP-архитектура

PVP (Parallel Vector Process) - параллельная архитектура с векторными процессо­рами. Основным признаком PVP-систем является наличие специальных векторно­конвейерных процессоров, в которых предусмотрены команды однотипной обра­ботки векторов независимых данных, эффективно выполняющиеся на конвейер­ных, функциональных устройствах. Как правило, несколько таких процессоров (1-16) работают одновременно с общей памятью (аналогично SMP) в рамках много­процессорных конфигураций. Несколько узлов могут быть объединены с помо­щью коммутатора (аналогично МРР). Поскольку передача данных в векторном формате осуществляется намного быстрее, чем в скалярном (максимальная ско­рость может составлять 64 Гбайт/с, что на 2 порядка быстрее, чем в скалярных компьютерах), то проблема взаимодействия между потоками данных при распа­раллеливании становится несущественной. И то, что плохо распараллеливается на скалярных машинах, хорошо распараллеливается на векторных.

Таким образом, системы PVP-архитектуры могут являться компьютерами общего назначения (general purpose systems). Однако, поскольку векторные процессоры весьма дорого стоят, эти компьютеры не могут быть общедоступными.

Наиболее популярны три типа компьютеров PVP-архитектуры:

1. CRAY XI, SMP-архитектура. Пиковая производительность системы в стан­дартной конфигурации может составлять десятки терафлопс.

2. NEC SX-6, NUMA-архитектура. Пиковая производительность системы мо­жет достигать 8 Тфлопс, производительность одного процессора составляет 9,6 Гфлопс. Система масштабируется с единым образом операционной сис­темы до 512 процессоров.

3. Fujitsu-VPPSOOO (vector parallel processing), МРР-архитектура. Производи­тельность одного процессора составляет 9.6 Гфлопс, пиковая производи­тельность системы может достигать 1249 Гфлопс, максимальная емкость памяти - 8 Тбайт. Система масштабируется до 512.

FLOPS (или flops или flop/s, или флопс) — величина, используемая для измерения производительности компьютеров, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система.

5. Кластерная архитектура

Кластер представляет собой два или более компьютеров (часто называемых уз­лами), объединяемые при помощи сетевых технологий на базе шинной архитек­туры или коммутатора и предстающие перед пользователями в качестве единого информационно-вычислительного ресурса. В качестве узлов кластера могут быть выбраны серверы, рабочие станции и даже обычные персональные компьютеры. Узел характеризуется тем, что на нем работает единственная копия операционной системы. Преимущество кластеризации для повышения работоспособности стано­вится очевидным в случае сбоя какого-либо узла: при этом другой узел кластера может взять на себя нагрузку неисправного узла, и пользователи не заметят пре­рывания в доступе. Возможности масштабируемости кластеров позволяют мно­гократно увеличивать производительность приложений для большего числа поль­зователей технологий (Fast/Gigabit Ethernet, Myrinet) на базе шинной архитектуры или коммутатора. Такие суперкомпьютерные системы являются самыми дешевы­ми, поскольку собираются на базе стандартных комплектующих элементов ("off the shelf), процессоров, коммутаторов, дисков и внешних устройств.

Кластеризация может осуществляться на разных уровнях компьютерной системы, включая аппаратное обеспечение, операционные системы, программы-утилиты, системы управления и приложения. Чем больше уровней системы объединены кластерной технологией, тем выше надежность, масштабируемость и управляе­мость кластера.

Типы кластеров.

Условное деление на классы предложено Язеком Радаевским и Дугласом Эдлай-ном:

• Класс I. Класс компьютеров строится целиком из стандартных деталей, ко­торые продают многие поставщики компьютерных компонентов (низкие це­ны, простое обслуживание, аппаратные компоненты доступны из различных источников).

• Класс II. Система имеет эксклюзивные или не слишком широко распро­страненные детали. Таким образом, можно достичь очень хорошей произво­дительности, но при более высокой стоимости.

Кластеры могут существовать в различных конфигурациях. Наиболее распро­страненными типами кластеров являются:

• системы высокой надежности;

• системы для высокопроизводительных вычислений;

• многопоточные системы.

Границы между этими типами кластеров до некоторой степени размыты, и кла­стер может иметь такие свойства или функции, которые выходят за рамки пере­численных типов. Более того, при конфигурировании большого кластера, исполь­зуемого как система общего назначения, приходится выделять блоки, выполняю­щие все перечисленные функции.

Кластеры для высокопроизводительных вычислений предназначены для парал­лельных расчетов. Эти кластеры обычно собраны из большого числа компьюте­ров. Разработка таких кластеров является сложным процессом, требующим на каждом шаге согласования таких вопросов как инсталляция, эксплуатация и одно­временное управление большим числом компьютеров, технические требования параллельного и высокопроизводительного доступа к одному и тому же систем­ному файлу (или файлам) и межпроцессорная связь между узлами, и координация работы в параллельном режиме. Эти проблемы проще всего решаются при обес­печении единого образа операционной системы для всего кластера. Однако реализовать подобную схему удается далеко не всегда и обычно она применяется лишь для не слишком больших систем.

Многопоточные системы используются для обеспечения единого интерфейса к ряду ресурсов, которые могут со временем произвольно наращиваться (или со­кращаться). Типичным примером может служить группа web-серверов.

В 1994 году Томас Стерлинг (Sterling) и Дон Беккер (Becker) создали 16-узловой кластер из процессоров Intel DX4, соединенных сетью 10 Мбит/с Ethernet с дуб­лированием каналов. Они назвали его "Beowulf по названию старинной эпичес­кой поэмы. Кластер возник в центре NASA. Beowulf-кластер, как правило, явля­ется системой, состоящей из одного серверного узла (который обычно называется головным), а также одного или нескольких подчиненных (вычислительных) узлов, соединенных посредством стандартной компьютерной сети. Система строится с использованием стандартных аппаратных компонентов, таких как ПК, запускае­мые под Linux, стандартные сетевые адаптеры (например, Ethernet) и коммутато­ры. Нет особого программного пакета, называемого "Beowulf. Вместо этого име­ется несколько кусков программного обеспечения, которые многие пользователи нашли пригодными для построения кластеров Beowulf. Beowulf использует такие программные продукты как операционная система Linux, системы передачи сооб­щений PVM, MPI, системы управления очередями заданий и другие стандартные продукты. Серверный узел контролирует весь кластер и обслуживает файлы, на­правляемые к клиентским узлам.

Проблемы выполнения сети связи процессоров в кластерной системе.

Архитектура кластерной системы (способ соединения процессоров друг с другом) в большей степени определяет ее производительность, чем тип используемых в ней процессоров. Критическим параметром, влияющим на величину производи­тельности такой системы, является расстояние между процессорами. Так, соеди­нив вместе 10 персональных компьютеров, мы получим систему для проведения высокопроизводительных вычислений. Проблема, однако, будет состоять в поиске наиболее эффективного способа соединения стандартных средств друг с другом, поскольку при увеличении производительности каждого процессора в 10 раз про­изводительность системы в целом в 10 раз не увеличится.

Рассмотрим для примера задачу построения симметричной 16-процессорной сис­темы, в которой все процессоры были бы равноправны. Наиболее естественным представляется соединение в виде плоской решетки, где внешние концы исполь­зуются для подсоединения внешних устройств.

Но при соединении 16 процессоров друг с другом плоская схема является нецеле­сообразной. Для соединения 16 процессоров потребуется четырехмерный гипер­куб. Для его построения следует взять обычный трехмерный куб, сдвинуть в нуж­ном направлении и, соединив вершины, получить гиперкуб размером 4.

Топология связи, 4-х мерный гиперкуб:

¹

Архитектура гиперкуба является второй по эффективности, но самой наглядной. Используются и другие топологии сетей связи: трехмерный тор, "кольцо", "звезда" и другие.

Архитектура кольца с полной связью по хордам (Chordal Ring):

Наиболее эффективной является архитектура с топологией "толстого дерева" (fat-tree). Процессоры локализованы в листьях дерева, в то время как внутренние узлы дерева скомпонованы во внутреннюю сеть. Поддеревья могут общаться между со­бой, не затрагивая более высоких уровней сети.

Кластерная архитектура "Fat-tree":

Поскольку способ соединения процессоров друг с другом больше влияет на про­изводительность кластера, чем тип используемых в ней процессоров, то может оказаться более целесообразным создать систему из большего числа дешевых компьютеров, чем из меньшего числа дорогих.

Кластерная архитектура "Fat-tree" (вид сверху на предыдущую схему):

Лекция 6. Основные типы средств вычислительной техники

1. Направления применения СВТ

В настоящее время под словом компьютер обычно понимают цифровые вы­числительные устройства, в которых информация кодируется двоичными кодами чисел. Именно эти технические средства благодаря универсальным возможностям и являются самой массовой вычислительной техникой.

Рынок современных компьютеров отличается разнообразием и динамизмом. Каждый год стоимость вычислений сокращается примерно на 25-30%, стоимость хранения единицы информации - до 40%. Практически каждое десятилетие меня­ется поколение компьютеров, каждые два года - основные типы микропроцессо­ров - СБИС, определяющих характеристики новых компьютеров.

То, что 10-15 лет назад считалось современным большим компьютером, в на­стоящее время является устаревшей техникой с очень скромными возможностями.

В этих условиях любая предложенная классификация компьютеров очень бы­стро устаревает и нуждается в корректировке. Например, в классификациях деся­тилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микроЭВМ, которые 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 СВТ, классы и типы используемых вычислительных средств, сложившуюся конъюнктуру рынка ин­формационных технологий и его динамику, количество и качество вычислитель­ной техники, выпускаемой признанными лидерами - производителями средств СВТ и т.д.

Академик В,М. Глушков указывал, что существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов компьютеров.

Первое направление является традиционным - применение компьютерной техники 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 средства классической структуры в первую очередь и создава­лись для автоматизации вычислений.

Вторая сфера применения СВТ связана с использованием их в системах управления. Она родилась примерно в 60-е годы, когда СВТ 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. Компьютеры, 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 ком­пьютеров, сделало их многопрограммными и многопользовательскими. Для ис­ключения взаимных помех между программами пользователей в структуру ком­пьютеров были введены средства разграничения: блоки прерываний и приорите­тов, блоки защиты и т.п. Для управления разнообразной периферией стали ис­пользоваться специальные процессоры ввода-вывода данных или каналы. Именно тогда и появился дисплей как средство оперативного человеко-машинного взаи­модействия пользователя с компьютером.

Третье направление связано с применением компьютеров для решения задач искусственного интеллекта. 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. Это направление все больше наби­рает силу. Во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Для технического обеспечения этого направления нужны качественно новые структуры СВТ с большим количе­ством вычислителей (процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, компьютеры уступают место сложнейшим вычисли­тельным системам.

2. Поколения компьютеров

По этапам создания и используемой элементной базе компьютеров условно делятся на поколения:

1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронных вакуумных лампах; 2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (тран­зисторах);

3-е поколение, 70-е гг.: компьютеры на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе);

Примечание. Интегральная схема I электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов.

4-е поколение, 80-е гг.: компьютеры на больших и сверхбольших интегральных схемах - микропроцессорах (десятки тысяч - миллионы транзисторов в одном кри­сталле);

5-е поколение, 90-е гг.: компьютеры с многими десятками параллельно работаю­щих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;

6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массовым парал­лелизмом и нейронной структурой - с распределенной сетью большого числа (де­сятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейрон­ных биологических систем.

Каждое следующее поколение компьютеров имеет по сравнению с предшествую­щим существенно лучшие характеристики. Так, производительность компьютера и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок.

3. Классы компьютеров

Существование различных типов компьютеров определяется различием задач, для решения которых они предназначены. С течением времени появляются новые типы задач, что приводит к появлению новых типов компьютеров. Поэтому при­веденное ниже деление очень условно.

Типы современных компьютеров.

Тип	Сфера применения
«Одноразовые» компьютеры	Поздравительные открытки
Встроенные компьютеры	Часы, машины, различные приборы
(микроконтроллеры)
Игровые компьютеры	Домашние компьютерные игры
Персональные компьютеры	Настольные и портативные
	компьютеры
Серверы	Сетевые серверы
Комплексы рабочих станций	Супермини-компьютеры
Мэйнфреймы	Пакетная обработка данных в банке

В самой верхней строчке таблицы находятся «одноразовые» компьютеры -микросхемы, которые приклеиваются на внутреннюю сторону поздравительных открыток для проигрывания мелодий типа «Нарру Birthday», свадебного марша или чего-нибудь подобного.

Вероятно, наиболее значимым достижением в этой области стало появление микросхем RFID (Radio Frequency Identification — радиочастотная идентифика­ция). Теперь на безбатарейных микросхемах этого типа толщиной меньше 0,5 мм и себестоимостью в несколько центов устанавливаются крошечные приемопере­датчики радиосигналов; кроме того, им присваивается уникальный 128-разрядный идентификатор. При получении импульса с внешней антенны они за счет доста­точно длинного радиосигнала отправляют ответный импульс со своим номером. В отличие от размера микросхем, спектр их практического применения весьма зна­чителен: снятие штрих-кодов с товаров в магазинах, установка на транспортных средствах, определение цвета кузовов автомобилей перед их покраской в цехе, изучение миграции животных, указание температурного режима стирки предметов одежды и т. д.

Вторая категория в таблице отведена под компьютеры, которыми оснащаются разного рода бытовые устройства. Такого рода встроенные компьютеры, назы­ваемые также микроконтроллерами, выполняют функцию управления устройст­вами и организации их пользовательских интерфейсов. Это: бытовые приборы (будильники, стиральные машины, сушильные аппараты, микроволновые печи, охранные сигнализации); коммуникаторы (беспроводные и сотовые телефоны, факсимильные аппараты); периферийные устройства (принтеры, сканеры, моде­мы, приводы CD-ROM); развлекательные устройства (видеомагнитофоны, DVD-плееры, музыкальные центры, МРЗ-плееры, телеприставки); формирователи изо­бражений (телевизоры, цифровые фотокамеры, видеокамеры, объективы, фотоко­пировальные устройства); медицинское оборудование (рентгеноскопические ап­параты, томографы, кардиомониторы, цифровые термометры); военные комплек­сы вооружений (крылатые ракеты, межконтинентальные баллистические ракеты, торпеды); торговое оборудование (торговые автоматы, кассовые аппараты); иг­рушки (говорящие куклы, приставки для видеоигр, радиоуправляемые машинки и лодки).

Все микроконтроллеры можно разделить на два типа: универсальные и специ­альные. Первые фактически являют собой обычные компьютеры, уменьшенные в размере. Специальные же микроконтроллеры отличаются индивидуальной архи­тектурой и набором команд, приспособленным для решения определенного круга задач, например, связанных с воспроизведением мультимедийных данных.

Следующая категория — игровые компьютеры. Это, по существу, обычные компьютеры, в которых расширенные возможности графических и звуковых кон­троллеров сочетаются с ограничениями по объему ПО и пониженной расширяемо­стью.

Чтобы получить представление об игровых компьютерах, приведу конфигу­рации трёх популярных моделей этой категории. Первая из них — Sony PlayStation 2. В ней установлен 128-разрядный специализированный RISC-процессор с такто­вой частотой 296 МГц (он называется Emotion Engine) на базе архитектуры MIPS IV. Кроме того, PlayStation 2 оснащается модулем памяти емкостью 32 Мбайт, специальной графической микросхемой на 160 МГц, 48-канальной звуковой пла­той и DVD-приводом. Вторая рассматриваемая модель — Microsoft ХВОХ. В ней устанавливается процессор Intel Pentium III на 733 МГц, 64 Мбайт памяти, графи­ческая микросхема 300 МГц, 256-канальная звуковая микросхема, DVD-привод и жесткий диск емкостью 8 Гбайт. Наконец, третья модель называется Nintendo GameCube. Она комплектуется 32-разрядным процессором Gekko с тактовой час­тотой 485 МГц (он представляет собой модификацию RISC-процессора IBM PowerPC), памятью объемом 24 Мбайт, графической микросхемой на 200 МГц, 64-канальной звуковой микросхемой и фирменным оптическим диском емкостью 1,5 Гбайт.

Основное различие между игровыми компьютерами и ПК состоит не в произ­водительности процессора, а в том, что игровые компьютеры представляют собой закрытые, законченные системы. Расширяемость таких систем при помощи смен­ных плат не предусмотрена, хотя в некоторых моделях наличествуют интерфейсы USB и Fire Wire.

В следующую категорию входят персональные компьютеры. Именно они ассоциируются у большинства людей со словом «компьютер». Персональные компьютеры бывают двух видов: настольные и портативные (ноутбуки). Как правило, те и другие комплектуются модулями памяти общей емкостью в сотни мегабайтов, жестким диском с данными на несколько десятков гигабайтов, приво­дом CD-ROM/DVD, модемом, звуковой картой, сетевым интерфейсом, монитором с высоким разрешением и рядом других периферийных устройств. На них уста­навливаются сложные операционные системы, они расширяемы, при работе с ни­ми используется широкий спектр программного обеспечения. Некоторые специа­листы называют «персональными» компьютеры с процессорами Intel, отделяя их тем самым от компьютеров, оснащенных высокопроизводительными RISC-микросхемами (такими как Sun UltraSPARC), которые в таком случае именуются «рабочими станциями». На самом деле, особой разницы между этими двумя типа­ми нет.

Центральным компонентом любого персонального компьютера является пе­чатная плата, на которой устанавливаются модули процессора, памяти и устройств ввода-вывода (как-то: звуковая плата и модем), интерфейсы клавиатуры, мыши, дискового привода, сетевой платы и прочих периферийных устройств, а также расширительные гнезда.

Ноутбуки, кроме своей компактности, ничем не отличаются от настольных ПК. В них устанавливаются аналогичные, хотя и меньшие по размеру, аппаратные компоненты. По возможностям выполнения и набору программ настольные и пор­тативные компьютеры не различаются.

К персональным очень близки карманные компьютеры (PDA). Они еще меньше, чем ноутбуки, однако процессор, память, клавиатура, дисплей и боль­шинство других стандартных компонентов персонального компьютера в них при­сутствуют.

Особую интенсивно развивающуюся группу компьютеров образуют много­пользовательские компьютеры, используемые в вычислительных сетях, - серверы. Компьютер, работающий в локальной или глобальной сети, может специализиро­ваться на оказании информационных услуг другим компьютерам, на обслужива­нии других компьютеров. Такой компьютер и называется сервером от английско­го слова serve (в переводе - обслуживать, управлять).

Сервер - выделенный для обработки запросов от всех станций вычислитель­ной сети компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим систем­ным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам про­грамм, принтерам, факсам и др.) и распределяющий эти ресурсы. Такой универ­сальный сервер часто называют сервером приложений.

Серверы в сети часто специализируются. В классе серверов выделяется под­класс суперсерверов, необходимых в тех случаях, когда, с одной стороны, жела­тельна централизация данных, а с другой стороны, к этим данным необходимо обеспечить доступ очень большому количеству потребителей. Специализирован­ные серверы используются для устранения наиболее "узких" мест в работе сети: создание и управление базами данных и архивами данных, поддержка многоад­ресной факсимильной связи и электронной почты, управление многопользова­тельскими терминалами (принтеры, плоттеры) и др.

• Файл-сервер (File Server) используется для работы с файлами данных, имеет объемные дисковые запоминающие устройства, часто на отказоустойчивых дисковых массивах RAID.

Основная задача, решаемая файловыми серверами, - организация хранения, доступа и обмена данными (информацией) между компьютерами, людьми и дру­гими источниками и поставщиками информации.

• Архивационный сервер (сервер резервного копирования, Storage Express System) служит для резервного копирования информации в крупных много­серверных сетях; обычно выполняет ежедневное автоматическое архивиро­вание со сжатием информации от серверов и рабочих станций по сценарию, заданному администратором сети.

• Факс-сервер (Net SatisFaxion) I выделенная рабочая станция для организа­ции эффективной многоадресной факсимильной связи с несколькими фак-смодемными платами, со специальной защитой информации от несанкцио­нированного доступа в процессе передачи, с системой хранения электрон­ных факсов.

• Почтовый сервер (Mail Server) - то же, что и факс-сервер, но для организа­ции электронной почты, с электронными почтовыми ящиками.

• Сервер печати (Print Server, Net Port) предназначен для эффективного ис­пользования системных принтеров.

• Сервер телеконференций имеет систему автоматической обработки видео­изображений и др.

Host-сервер (коммутационная машина) - сервер, установленный в узлах сети и решающий вопросы коммутации и доступа к сетевым ресурсам: модемам, факс­модемам, серверам и др. ifort-сервер осуществляет приём сообщений, сборку, пра­вильность передачи, маршрутизацию, разборку и передачу сообщения.

В последние годы появилась практика их объединения в рамках кластеров ра­бочих станций (Clusters Of Workstations, COW), которые иногда называют просто «кластерами». Они состоят из нескольких персональных компьютеров или рабо­чих станций, подключенных друг к другу по высокоскоростной сети и снабжен­ных специальным программным обеспечением, которое позволяет направлять их ресурсы на решение единых задач (как правило, научных и инженерных).

Нередко в виде кластеров организуются Web-серверы. Кластеры, реализую­щие такую схему, часто называют серверными фермами {serverfarms).

Мэйнфреймы - это большие, мощные, высокопроизводительные компьюте­ры со значительным объёмом внешней и оперативной памяти. Обычно они рабо­тают не намного быстрее, чем мощные серверы, но у них выше скорость процес­сов ввода-вывода и обладают они довольно большим пространством на диске — 1 Тбайт и более (1 терабайт = 10¹² байт).

До последнего времени существовала еще одна крупная категория компьюте­ров — суперкомпьютеры. Их процессоры работали с очень высокой скоростью, в них устанавливались модули памяти общей емкостью в несколько десятков гига­байтов, высокоскоростные диски и сетевые интерфейсы.

Сейчас, когда вычислительные возможности, аналогичные тем, что предлагают суперкомпьютеры, реализуются в виде кластеров, эта категория компьютеров по­степенно отмирает.

4. Переносные компьютеры

Переносные компьютеры — быстроразвивающийся подкласс персональных компьютеров. Большинство переносных компьютеров имеют автономное питание от аккумуляторов, но могут подключаться и к сети.

Клавиатура у некоторых моделей чуть укороченная: 84-86 клавиш, но может иметься разъем для подключения и полной клавиатуры; у некоторых моделей кла­виатура раскладная. У миниатюрных компьютеров клавиатура так мала, что для нажатия клавиш используется специальная указочка.

В качестве манипулятора (устройства указания) обычно используется не мышь, а трекбол, трекпойнт или трекпад. Трекбол (Track Ball) - пластмассовый шар диаметром 15 -20 мм, вращающийся по любому направлению (напоминаю­щий стационарно укрепленную перевернутую мышь). Трекпойнт (Track Point) -специальная гибкая клавиша на клавиатуре типа ластика, прогиб которой в нуж­ном направлении перемещает курсор на экране дисплея. Трекпад (Track Pad или Touch Pad) - небольшой планшет, размещенный на блоке клавиатуры и содержа­щий под тонкой пленкой сеть проводников, воспринимающих при легком нажиме направление перемещения нажимающего объекта, например пальца. Принятый сигнал используется для управления курсором.

В качестве видеомониторов у них применяются плоские с видеопроектором жидкокристаллические дисплеи. Применяются в переносных компьютерах и сен­сорные экраны, в которых прикосновение к их поверхности обусловливает пере­мещение курсора в место прикосновения или выбор процедуры по меню, выве­денному на экран.

Переносные компьютеры весьма разнообразны: от громоздких и тяжелых (до 15 кг) портативных рабочих станций до миниатюрных электронных записных книжек массой около 100 г.

Портативные рабочие станции - наиболее мощные и крупные переносные ПК. Они оформляются часто в виде чемоданчика и носят название Nomadic - ко­чевник. Их характеристики аналогичны характеристикам стационарных ПК - ра­бочих станций. По существу, это обычные рабочие станции, питающиеся от сети, но конструктивно оформленные в корпусе, удобном для переноса, и имеющие, как и все переносные ПК, плоский жидкокристаллический видеомонитор класса не выше VGA. Nomadic обычно имеют модемы и могут оперативно подключаться к каналам связи для работы в вычислительной сети.

Портативные (наколенные) компьютеры типа «Lap Тор» оформляются в ви­де небольших чемоданчиков размером с «дипломат», их масса обычно в пределах 5 кг. Аппаратное и программное обеспечение позволяет им успешно конкуриро­вать с лучшими стационарными ПК. В современных Lap Тор часто используются микропроцессоры Pentium, Pentium Pro с большой тактовой частотой (до 200 МГц); оперативная память до 64 Мбайт; накопитель на жестком диске емкостью до 1200 Мбайт, часто съемный; возможно использование CD-ROM и другого мультимедийного обеспечения.

Компьютеры-блокноты (Note Book и Sub Note Book, их называют также и Omni Book - "вездесущие", а их облегченные варианты — субноутбуками (Subnotebook)) выполняют все функции настольных ПК. Конструктивно они оформлены в виде миниатюрного чемоданчика (иногда со съемной крышкой) раз­мером с небольшую книгу. По своим характеристикам во многом совпадают с Lap Тор, отличаясь от них лишь размерами и несколько меньшими объемами опера­тивной и дисковой памяти. Вместо винчестера некоторые модели, особенно среди Sub Note Book, имеют энергонезависимую Flash-память.

Ноутбуки и субноутбуки являются наиболее распространенными портатив­ными компьютерами. Граница между ними весьма условная. Обычно считают, что вес ноутбука колеблется от 2,2 до 4,5 кг, а субноутбука — от 0,9 до 2,7 кг. Габа­ритные размеры ноутбука составляют обычно 50x279x215 мм, а субноутбука — 38x254x190 мм. Размер экрана современного ноутбука бывает от 11,3 до 17 дюй­мов, а субноутбука — от 6,4 до 11,3 дюйма. Ноутбук обычно превосходит субно­утбук по максимальному размеру устанавливаемой оперативной памяти и емкости винчестера. Как правило, субноутбук имеет внешние приводы CD-ROM, в то вре­мя как у ноутбуков они обычно встроены.

Карманные компьютеры (Palm Тор, что значит "наладонные") имеют массу около 300 г; типичные размеры в сложенном состоянии 150x80x25 мм. Это полно­правные персональные компьютеры, имеющие микропроцессор, оперативную и постоянную память, жидкокристаллический дисплей, портативную клавиатуру, порт-разъем для подключения в целях обмена информацией к стационарному ПК.

Электронные секретари (PDA - Personal Digital Assistent, иногда их называют Hand Help - ручной помощник) имеют формат карманного компьютера (массой не более 0,5 кг), но более широкие функциональные возможности, нежели Palm Тор (в частности: аппаратное и встроенное программное обеспечение, ориентирован­ное на организацию электронных справочников, хранящих имена, адреса и номера телефонов, информацию о распорядке дня и встречах, списки текущих дел, записи расходов и т.п.), встроенные текстовые, а иногда и графические редакторы, элек­тронные таблицы.

Электронные записные книжки (organizer - органайзеры) относятся к "легчайшей категории" портативных компьютеров (к этой категории кроме них относятся калькуляторы, электронные переводчики и др.); масса их не превышает 200 г. Ор­ганайзеры пользователем не программируются, но содержат вместительную па­мять, в которую можно записать необходимую информацию и отредактировать ее с помощью встроенного текстового редактора; в памяти можно хранить деловые письма, тексты соглашений, контрактов, распорядок дня и деловых встреч.

Список литературы:

1. Гук М.Ю. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. 3-е изд. - СПб.: Пи­тер, 2006. -1072 с.

2. Поворознюк А.И. Архитектура компьютера. Архитектура микропроцессорно­го ядра и системных устройств: Учебное пособие. 4.1. - Харьков: Торнадо, 2004.1355 с.

3. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 5-е изд. 1 СПб.: Питер, 2007. - 844 с.

Дата добавления: 2014-01-06