Какие бывают вычислительные машины
Какие бывают вычислительные машины
По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса (рис. 5.1): аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).
Рис.5.1. Классификация вычислительных машин по принципу действия.
Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (рис. 5.2).
Рис.5.2. Две формы предоставления информации в машинах:
а- аналоговая; б- цифровая импульсная.
Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5 %). На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.
Классификация ЭВМ по этапам создания
По этапамсозданияи используемой элементнойбазе ЭВМ условно делятсяна поколения:
1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;
2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах);
5-е поколение, 90-е гг.: ЭВМ с многими десятками параллельно работающихмикропроцессоров,позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;
Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предшествующим существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок.
Классификация ЭВМ по назначению
По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общегоназначения),проблемно-ориентированные и специализированные (рис. 5.3).
Рис.5.3. Классификация ЭВМ по назначению.
Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.
Характерными чертами универсальных ЭВМ являются:
Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.
К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.
Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.
К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.
Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям
По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить (рис. 5.4) на сверхбольшие (суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ).
Рис. 5.4. Классификация ЭВМ по размерам и вычислительной мощности
Функциональные возможности ЭВМ обусловливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:
Некоторые сравнительные параметры названных классов современных ЭВМ показаны в табл. 5.1.
Таблица 5.1. Сравнительные параметры классов современных ЭВМ
Вычислительная машина
Устройство или совокупность устройств, предназначенных для механизации и автоматизации процесса обработки информации (вычислений).
Современные В. м. по способу представления информации подразделяются на 3 класса: а) аналоговые вычислительные машины (См. Аналоговая вычислительная машина) (АВМ), в которых информация представлена в виде непрерывно изменяющихся переменных, выраженных физическими величинами (угол поворота вала, сила электрического тока, напряжение и т.д.); б) цифровые вычислительные машины (См. Цифровая вычислительная машина) (ЦВМ), в которых информация представлена в виде дискретных значений переменных (чисел), выраженных комбинацией дискретных значений какой-либо физической величины; в) гибридные вычислительные системы (См. Гибридная вычислительная система), в различных узлах которых информация представлена тем или другим способом.
Исторически первыми появились цифровые вычислительные устройства, например счёты и их многочисленные предшественники (см. Вычислительная техника). В 17 в. французским учёным Б. Паскалем, а позднее немецким математиком Г. В. Лейбницем были построены первые ЦВМ. Первой пригодной для практического применения В. м. стал Арифмометр Томаса де Кольмара (1820). В 1874 был создан получивший широкое распространение арифмометр В. Т. Однера. В начале 20 в. появились Счётно-аналитические машины для выполнения различных статистических, бухгалтерских и финансово-банковских операций.
Идея создания универсальной ЦВМ принадлежит профессору Кембриджского университета Ч. Беббиджу. Он разработал проект (1833) В. м., по своему устройству близкой к современной. Проект опережал запросы времени и технические возможности реализации.
Развитие теории релейно-контактных схем, а также опыт эксплуатации телефонной аппаратуры и счётно-перфорационных машин (См. Счётно-перфорационные машины) позволили в 30-х гг. 20 в. приступить к разработке В. м. с программным управлением первоначально на электромагнитных реле. Первая такая машина «МАРК-1» была построена в США в 1944. Первая электронная ЦВМ «ЭНИАК» (электронный цифровой интегратор и вычислитель) была построена также в США в 1946.
В Советском Союзе электронная ЦВМ «МЭСМ» (малая электронная счётная машина) была разработана в 1950 под руководством академика С. А. Лебедева в АН УССР. «МЭСМ» положила начало работам в области математического электронного машиностроения в СССР. В последующие годы в СССР создан ряд различных по производительности и техническому решению ЦВМ для удовлетворения нужд народного хозяйства (БЭСМ, «Стрела», М-20, М-220, «Минск», «Урал», «Мир» и др.).
Первые устройства непрерывного действия появились в 16—17 вв. К ним относятся Логарифмическая линейка и номограммы для расчётов, связанных с навигацией. В середине 19 в. появились простейшие механические интеграторы. Значительное развитие работы по АВМ получили на рубеже 19 и 20 вв. Были разработаны машины для решения дифференциальных уравнений, электромеханическая интегрирующая машина и др. В СССР начало разработки АВМ относится к 1927 и связано с работами С. А. Гершгорина, М. В. Кирпичёва, И. С. Брука, В. С. Лукьянова и др. В 50—60-х гг. было создано несколько типов АВМ, многие из которых нашли широкое применение.
Развитие электронных В. м. (ЭВМ) тесно связано с достижениями в области электронной техники. Первые ЭВМ создавались на вакуумных радиоприборах; эти В. м. принято называть машинами первого поколения. Развитие полупроводниковой радиоэлектроники позволило перейти к конструированию В. м. второго и третьего поколения; для них характерно усложнение логической схемы и наличие программного обеспечения, являющегося программным продолжением аппаратной части В. м. Технология изготовления В. м. второго поколения мало отличалась от технологии изготовления В. м. первого поколения: на смену вакуумным радиолампам пришли полупроводниковые триоды (транзисторы) и диоды. В. м. третьего поколения выполняются на интегральных схемах (См. Интегральная схема), содержащих в одном модуле десятки транзисторов, резисторов и диодов. Переход к производству В. м. на интегральных схемах потребовал почти полного пересмотра технологии производства ЭВМ.
Основой для построения аналоговых вычислительных машин является теория математического моделирования (См. Моделирование). Используя аналогии между различными по физической природе явлениями, в АВМ моделируют рассчитываемые процессы. Большую часть оборудования АВМ составляют линейные и нелинейные решающие элементы. В электронных АВМ — это операционные усилители постоянного тока (интегратор, усилитель, инвертор), блоки коэффициентов, типичных нелинейностей, запаздывания и т.д. Для решения конкретной задачи блоки АВМ соединяют между собой в необходимых комбинациях. Выходные данные на АВМ получают по показаниям индикаторов в узловых точках схемы. АВМ характеризуется высоким быстродействием, простотой сопряжения с исследуемым объектом, возможностью лёгкого изменения параметров исследуемой задачи как при её подготовке, так и в процессе решения, сравнительно невысокой точностью и ограниченностью класса решаемых задач.
Решение задачи на цифровых вычислительных машинах заключается в последовательном выполнении арифметических операций над числами, соответствующими величинам, представляющим исходные данные. Числа представляются обычно в виде совокупности механических, пневматических или электрических импульсов и фиксируются элементами, каждый из которых может принимать ряд устойчивых состояний, строго соответствующих определённой цифре числа. Перед решением на ЦВМ задача расчленяется на ряд последовательных простых операций и устанавливается их очерёдность, т. е. составляется Программа вычислений.
По способу управления цифровые В. м. подразделяются на 3 класса: с ручным управлением, с жёсткой программой и универсальные. К ЦВМ с ручным управлением относятся настольные клавишные вычислительные машины (См. Клавишная вычислительная машина), арифмометры, рычажные В. м. и др. Современные настольные ЦВМ изготовляются почти полностью на электронных элементах, Управление вычислительным процессом осуществляется вручную, что определяет низкую скорость вычислений. ЦВМ с ручным управлением являются средством механизации расчётных работ и пригодны для решения лишь простейших задач с ограниченным объёмом вычислений.
ЦВМ с жёсткой программой. К ним относятся табуляторы, специализированные машины, ориентированные на решение узкого круга задач, например бортовые вычислители и т.п. В этих В. м. управление вычислительным процессом осуществляется автоматически программой, набираемой на коммутационной доске или постоянно заложенной в конструкцию машины. ЦВМ с коммутируемой программой являются средством частичной автоматизации вычислительного процесса и быстро вытесняются универсальными ЦВМ. В. м. с программой, заложенной в конструкции, применяются в тех случаях, когда нужны простота, надёжность, низкая стоимость, малые габариты и масса, главным образом в условиях разового действия (например, на ракетах).
Универсальные ЦВМ с автоматическим программным управлением — наиболее совершенное средство автоматизации трудоёмких процессов умственной деятельности человека. Современная универсальная ЦВМ представляет собой сложный автоматизированный вычислительный комплекс, в состав которого входят Процессор, оперативное запоминающее устройство, одно или несколько внешних запоминающих устройств большой ёмкости, устройства ввода — вывода информации и др. Управление вычислительным процессом осуществляется устройством управления и программой вычислений, размещаемой в памяти ЭВМ. Загрузка отдельных устройств, координация их работы, управление последовательностью решения задач осуществляются программными средствами. Комплекс программ, выполняющих эти и ряд других функций, называется математическим обеспечением (См. Математическое обеспечение). Для описания решения задачи используются алгоритмические языки алгол, фортран, кобол и др. (см. Язык программирования). Ввод исходных данных, программ и вывод результатов в виде, наиболее удобном для потребителя, осуществляются комплексом устройств ввода — вывода, входящих в состав универсальной ЦВМ (см. Ввод данных, Вывод данных). Исходные данные могут задаваться в виде графиков, цифровой и текстовой документации, изображения рассчитываемого объекта (например, общий вид здания, профиль крыла самолёта и т.д.), светозвуковой индикации и пр.
ЦВМ характеризуются высокой производительностью, точностью получаемых результатов и алгоритмической универсальностью, обусловленной тем, что перестройка ЦВМ на решение новой задачи состоит лишь в замене программы вычислений и исходных данных, хранящихся в памяти В. м., без изменения конструкции самой машины.
Гибридные вычислительные системы состоят из органически связанных между собой АВМ и ЦВМ. Обмен информацией между В. м. непрерывного и дискретного действия осуществляется через специальные преобразователи. Для комбинированной системы типично разделение функций между машинами: АВМ используется для воспроизведения быстро протекающих процессов с ограниченными точностями переменных величин, а ЦВМ — для вычислений с более высокой точностью и для статистической обработки результатов. В гибридной вычислительной системе сочетаются высокая точность и быстродействие, которые сложнее получать с помощью только одной из В. м.
Вычислительные машины
Вычислительные машины, являются неотъемлемой частью современной жизни. В повседневной жизни человек ежесекундно сталкивается с разного рода вычислениями или результатом таковых.
В процессе своего развития вычислительная техника прошла долгий путь эволюции от простейших палочек для вычисления до машин, способных выполнить любое математическое действие в тысячные доли секунды.
Самым простым примером продвинутой вычислительной машины, является компьютер, который постоянно принимает, обрабатывает и передает данные. Весь текст и картинки, которые видны на экране для компьютера, выглядят как бинарный код из «1» и «0».
В зависимости от порядка расположения «1» и «0» вычислительная машина выводит на экран тот или иной символ.
История развития вычислительных машин
История развития вычислительных машин начала еще в древние времена, когда для выполнения простейших вычислительных операций, человек использовал средства для визуализации счета.
Первыми известными приспособлениями для вычисления являются счетные палочки. Далее, в процессе эволюции счетные палочки изменили свой внешний вид. Например, во многих религиях для отсчета количества прочитанных молитв стали применять четки.
Не так давно, на одном из античных судов было найдено устройство, которое могло выполнять простые математические операции. Главной особенностью этой находки, являлось назначение устройства: механизм был создан для вычисления лунных фаз и, скорее всего, использовались как календарь.
Ученые пришли к выводу, что технология производства такой машины была утеряна, и более человеку не удавалось создать подобного аппарата вплоть до эпохи процветания.
Греческие купцы, имели при себе специальные таблички, на которых была изображена своеобразная система подсчета, отдаленно напоминающую современную таблицу умножения.
Для определения качественных характеристик таких, как килограммы, для подсчета использовались простые весы. Процесс вычислений заключался в следующем: прибор оценивал вес изделия, переводя его в числовое значение.
Процесс эволюции систем для счета происходил в следующей хронологии:
Разработка вычислительных машин не стоит на месте. Ученые говорят о скором появлении оптического или фотонного вычислителя, который сможет работать в 1000 раз быстрее, чем обыкновенный компьютер.
Первые механические вычислительные машины
Главное отличие механической вычислительной техники от современной заключается в использовании при вычислениях механической силы. В механических приборах алгоритмы запускались при помощи шестерней и рычагов, и требовали ручного ввода информации.
Долгий путь эволюции такой вычислительной техники отмечен созданием двух наиболее продвинутых аппаратов Паскаля и Бэббиджа. Эти механические вычислительные машины разработаны в разные времена и использовали прогрессивные методы подсчета чисел.
Вычислительная машина Бэббиджа
Машина Бэббиджа – это универсальный вычислительный прибор, который так и не был создан. До нашего времени дошли чертежи этой машины, на основе которой современные ученые собрали прототип машины и доказали, что разработка была удачной.
Английский математик Чарльз Бэббидж при создании своей машины опирался на труды предшественников 18 века. Основополагающими трактатами для разработки проекта стала работа немецкого ученого Иоганна Мюллера. Книга о механических вычислениях, изданная в 1788 году и труды Гаспара де Порни по созданию иерархической структуры для организации массовых вычислений.
Разностная машина, которая впервые была описана Бэббиджем в 1822 году в своей книге, могла считать значения многочленов до шестой степени. В том же 1822 году, ученый приступил к созданию своего аппарата, сразу по старту проекта, который спонсировало правительство, начались трудности.
Механические вычисления, требовали высочайшей точности в производстве деталей. Небольшие отклонения в расчетах могло привести к высокой погрешности в результате.
Подрядчик, который взялся изготавливать оборудование и запчасти для вычислительной машины, не смог выполнить детали с необходимой точностью. Поэтому машина так и не была собрана, а финансирование проекта в скором времени прекратилось. По оставшимся документам, вычислительный механизм собрали уже в конце 20 века.
Вычислительная машина Паскаля
Ученый Блэз Паскаль вырос в семье французского сборщика налогов. Главной мотивацией для создания суммирующей машины, стало стремление облегчить процесс подсчета налогов. В 1642 году Паскаль занялся разработкой методов и алгоритмов работы будущего устройства.
Счетная машина, которую ученый назвал «Паскалита», представляла собой ящик с наборными колесами. Путем вращения колес вводилось необходимое число, а в верхней части в специальных «окошках», пользователь мог увидеть сумму введенных чисел.
Первоначально, машина могла считать в пределах четырехзначных чисел. В процессе усовершенствования, машина снабдили 8 оконцами, что позволило вести вычисления для более крупных чисел и сложных выражений.
Несмотря на успех, который принесла Паскалю его суммирующая машина, больших объемов продаж добиться не удалось. Это было связано с высокой стоимостью запчастей и сложностями производства.
Хотя именно принцип передачи информации в машине, путем движения связанных между собой колес, более трех веков использовался в производстве и разработке счетных машин по всему миру. Машина Паскаля, была одной из первых реально работающих образцов механической вычислительной техники.
Классификация вычислительных машин
Все вычислительные машины можно разделить на три одинаковые группы, различия которых заключается в методах исчисления данных и способах обработки.
Вычислительные комплексы, системы и сети
К вычислительным комплексам, системам и сетям, относится группа вычислительной техники, которая работает в одном направлении и обеспечивает расчет необходимых величин по данным из нескольких источников. Самым обычным примером вычислительной сети – является компьютерная сеть. Как правило, такие группы оборудования применяются в промышленности, для достижения оптимизации вычислений.
Механические вычислительные машины
В современном виде вычислительные механические машины – это довольно сложное и точное оборудование. Самой распространенной формой механических вычислительных машин являются разнообразные счетчики.
Цифровые вычислительные машины
В цифровых вычислительных машинах, алгоритм расчетов производится, благодаря поступлению определенных дискретных значений, которые в свою очередь после подсчета выводятся на экран в виде цифрового значения.
Большинство ЦВМ используют импульсы или специальный, общепринятый двоичный код. Это сделано, для того чтобы вычислительные комплексы и системы, могли обмениваться между собой информацией «понятной» для всех машин.
Аналоговые вычислительные машины
Главным отличием аналоговой машины от цифровой или механической является беспрерывность действий по обработке данных. При этом вычисления могут вести за собой какое-то механическое, гидравлическое или электронное действие.
Самым ярким примером, является автоматическая коробка передач у автомобиля, которая постоянно получает данные о режимах работы двигателя и соответственно произведенным расчетам переключает скорости.
Электромеханические вычислительные машины
История первых электромеханических машин, начинается вместе с созданием нового электронного элемента – реле. Ведущие разработчики, сразу оценили возможность переделывать механическое движение в определенный электрический код при помощи реле.
Сразу несколько групп инженеров начали заниматься такими машинами в тридцатых годах двадцатого века. В это время развитие электроники пошло быстрее и разработку электромеханических счетных машин быстро закрыли. За неполные 7 лет разработок, на основе релейного действия, было создано две машины – «Марк 1» и «Марк 2».
На современном производстве применение электромеханических машин сведено к минимуму из-за появления более продвинутого оборудования.
Релейные вычислительные машины
После того как электрические реле стали набирать популярность, было создано несколько машин, которые при помощи механической силы могли вести определенные вычисления. Через некоторое время механическую силу полностью заменили силой тока, которая и питала релейную установку.
Первая удачная и надежная машина – РВМ-1 (Релейно вычислительная машина) была создана в 1957 году. Устройство использовало в работе одновременно 550 реле. Скорость подсчета такой машины была 0,5 секунд на выполнение одной операции, при этом устройство могло работать постоянно – без остановок.
РВМ-1 применялась на протяжении 10 лет в финансовой системе. Последний раз на территории нашей страны ее запускали для пересчета финансовой системы СССР в 1967 году. Именно тогда была зафиксирована самая большая нагрузка, и за одну секунду машина смогла выполнить до 20 операций умножения крупных чисел.
Простые вычислительные машины
Примером простых вычислительных машин является самый простой калькулятор. Первые машины этого вида начали выпускаться во второй половине 20-го века. Простая вычислительная машина нуждается в помощи оператора, задачей которого является ввод цифр. Пик развития таких машин пришелся на восьмидесятые года 20 века, а их вид практически не изменился.
Простые вычислительные машины, рассчитаны на обработку таких действий, как:
Упоминание единичных простых машин, можно встретить и в более раннем периоде. Но тогда большой популярностью простые вычислительные машины не пользовались из-за высоких требований к знаниям оператора машины и большой себестоимостью.
Производители и поставщики вычислительных машин
Современные вычислительные машины, в 90% случаев являются персональными компьютерами, на которых установлены специальные программы, позволяющие выполнять необходимые вычисления мгновенно.
Среди представителей этой индустрии можно отметить компании: «НИКС», DNS, Meijin, «МЦСТ», «Т-Платформы» и другие.
Мировыми лидерами являются компании Intel и Kingston. Серверное оборудование является большой вычислительной машиной, которая постоянно обрабатывает и передает данные.
Крупным производителем серверов является компания Dell. На продукции этой компании в мире работает около 23% серверов различного профиля и назначения.
Поставками вычислительной техники занимаются крупные торговые сети, специализирующиеся на компьютерном обеспечении. Заказ партии вычислительных машин можно сделать по интернету или в самом магазине. Некоторые из этих компаний имеют собственные производства по сборке оборудования. Среди поставщиков можно выделить сеть магазинов «Кей», «Ситилинк», «Юлмарт».
Больше о производителях и поставщиках вычислительных машин можно узнать на ежегодной выставке «Связь».
Классификация ЭВМ
Материал из ПИЭ.Wiki
Содержание
Классификация ЭВМ по принципу действия.
Компьютер – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).
Критерием деления вычислительных машин на эти три класса являются форма представления информации, с которой они работают.
Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5 %). На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.
Наиболее широкое распространение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами.
Классификация ЭВМ по этапам создания.
По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:
Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предыдущими существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличивается, как правило, больше чем на порядок.
Классификация ЭВМ по назначению
По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.
Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.
Характерными чертами универсальных ЭВМ является:
Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.
К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.
Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.
К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адептеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.К таким компьютерам также относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов. Бортовые компьютеры управляют средствами ориентации и навигации, осуществляют контроль за состоянием бортовых систем, выполняют некоторые функции автоматического управления и связи, а также большинство функций оптимизации параметров работы объекта (например, оптимизацию расхода топлива объекта в зависимости от конкретных условий движения). Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети, называют сетевыми серверами.
Во многих случаях с задачами специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры, но считается, что использование специализированных систем все-таки эффективнее. Критерием оценки эффективности выступает отношение производительности оборудования к величине его стоимости.
Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям
По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на сверхбольшие, большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ).
Функциональные возможности ЭВМ обусловливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:
Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции. Первая большая ЭВМ ЭНИАК была создана в 1946 году. Эта машина имела массу более 50 т., быстродействие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел; занимала огромный зал площадью 100 кв.м.
Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.
Появление в 70-х годах малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ.
Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-ЭВМ – вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых ЭВМ, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.
Изобретение в 1969 году микропроцессора привело к появлению в 70-х годах еще одного класса ЭВМ – микроЭВМ. Именно наличие микропроцессора служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.
СуперЭВМ
К СуперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов – десятки миллиардов операций в секунду.
Типовая модель суперЭВМ 2000 г. по прогнозу будет иметь следующие характеристики:
Фирма Cray Research намерена в 2000 г. создать суперЭВМ производительностью 1 TFLOPS = 1000000 MFLOPS.
Создать такую высокопроизводительную ЭВМ по современной технологии на одном микропроцессоре не представляется возможным в виду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300000 км/с), ибо время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны микропроцессора) при быстродействии 100 млрд. оп/с становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поятому суперЭВМ создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).
Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:
В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:
Наибольшую эффективность показала MSIMD-архитектура, поэтому в современных суперЭВМ чаще всего используется именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujistu, NEC, Hitachi и др.)
Большие ЭВМ
Это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. За рубежом компьютеры этого класса называют мэйнфреймами (mainframe). В России за ними закрепился термин большие ЭВМ. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков человек. На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов или групп:
К мейнфреймам относятся, как правило, компьютеры, имеющие следующие характеристики:
Основные направления эффективного применения мейнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление – использование мейнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей часто отмечается специалистами среди наиболее актуальных.
Большие ЭВМ отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому работа таких суперкомпьютеров организована по непрерывному циклу. Наиболее трудоемкие и продолжительные вычисления планируют на ночные часы, когда количество обслуживающего персонала минимально. В дневное время ЭВМ исполняет менее трудоемкие, но более многочисленные задачи. При этом для повышения эффективности компьютер работает одновременно с несколькими задачами и, соответственно, с несколькими пользователями. Он поочередно переключается с одной задачи на другую и делает это настолько быстро и часто, что у каждого пользователя создается впечатление, будто компьютер работает только с ним. Такое распределение ресурсов вычислительной системы носит название принципа разделения времени.
Родоначальником современных больших ЭВМ, по стандартам которой в последние несколько десятилетий развивались ЭВМ этого класса в большинстве стран мира, является фирма IBM.
Среди лучших современных разработок мейнфреймов за рубежом в первую очередь следует отметить: американский IBM 390, IBM 4300, (4331, 4341, 4361, 4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 году, и IBM ES/9000, созданные в 1990 году, а также японские компьютеры M 1800 фирмы Fujitsu.
Надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мейнфреймами возможностями и, соответственно меньшей стоймостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную деятельность с научной. Мини-ЭВМ (и наиболее мощные из них супермини-ЭВМ) обладают следующими характеристиками:
Все модели мини-ЭВМ разрабатываются на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем, 16-, 32-, 64-разрядных микропроцессоров. Основные их особенности: широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения, аппаративная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации, простая реализация микропроцессорных и многомашинных систем, высокая скорость обработки прерываний, возможность работы с форматами данных различной длины.
К достоинствам мини-ЭВМ можно отнести: специфичную архитектуру с большой модульностью, лучше, чем у мейнфреймов, соотношение производительность/цена, повышенная точность вычислений.
Мини-ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой.
Мини-ЭВМ часто применяют для управления производственными процессами. Например, в механическом цехе компьютер может поддерживать ритмичность подачи заготовок, узлов и комплектующих на рабочие места, управлять гибкими автоматизированными линиями и промышленными роботами, собирать информацию с инструментальных постов технического контроля и сигнализировать о необходимости замены изношенных инструментов и приспособлений, готовить данные для станков с числовым программным управлением, а также своевременно информировать цеховые и заводские службы о необходимости выполнения мероприятий по переналадке оборудования. Например, он может помогать экономистам в осуществлении контроля за себестоимостью продукции, нормировщикам в оптимизации времени технологических операций, конструкторам в автоматизации проектирования станочных приспособлений, бухгалтерии в осуществлении учета первичных документов и подготовки регулярных отчетов для налоговых органов. Для организации работы с мини-ЭВМ тоже требуется специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ.
Наряду с использованием для управления технологическими процессами мини-ЭВМ успешно применяется для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.
МикроЭВМ
Компьютеры данного класса доступны многим предприятиям. Организации, использующие микро-ЭВМ, обычно не создают вычислительные центры. Для обслуживания такого компьютера им достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких человек. В число сотрудников вычислительной лаборатории обязательно входят программисты, хотя напрямую разработкой программ они не занимаются. Необходимые системные программы обычно покупают вместе с микроЭВМ, а разработку нужных прикладных программ заказывают более крупным вычислительным центрам или специализированным организациям.
Программисты вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказанного программного обеспечения, выполняют его доводку и настройку, согласовывают его работу с другими программами и устройствами компьютера. Хотя программисты этой категории и не разрабатывают системные и прикладные программы, они могут вносить в них изменения, создавать или изменять отдельные фрагменты. Это требует высокой квалификации и универсальных знаний. Программисты, обслуживающие микро-ЭВМ, часто сочетают в себе качества системных и прикладных программистов одновременно.
Можно привести следующую классификацию микроЭВМ:
Универсальные
Многопользовательские микроЭВМ – это мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.
Персональные компьютеры(ПК) – однопользовательские микроЭВМ удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком. Пеpсональный компьютеp должен удовлетворять следующим требованиям:
Портативные компьютеры обычно нужны руководителям предприятий, менеджерам, учёным, журналистам, которым приходится работать вне офиса — дома, на презентациях или во время командировок.
Основные разновидности портативных компьютеров:
Laptop (наколенник, от lap — колено и top — поверх). По размерам близок к обычному портфелю. По основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК. Сейчас компьютеры этого типа уступают место ещё меньшим.
Notebook (блокнот, записная книжка). По размерам он ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Помещается в портфель-дипломат. Для связи с офисом его обычно комплектуют модемом. Ноутбуки зачастую снабжают приводами CD-ROM. Многие современные ноутбуки включают взаимозаменяемые блоки со стандартными разъёмами. Такие модули предназначены для очень разных функций. В одно и то же гнездо можно по мере надобности вставлять привод компакт-дисков, накопитель на магнитных дисках, запасную батарею или съёмный винчестер. Ноутбук устойчив к сбоям в энергопитании. Даже если он получает энергию от обычной электросети, в случае какого-либо сбоя он мгновенно переходит на питание от аккумуляторов.
Palmtop (наладонник) — самые маленькие современные персональные компьютеры. Умещаются на ладони. Магнитные диски в них заменяет энергонезависимая электронная память. Нет и накопителей на дисках — обмен информацией с обычными компьютерами идет линиям связи. Если Palmtop дополнить набором деловых программ, записанных в его постоянную память, получится персональный цифровой помощник (Personal Digital Assistant).
Специализированные
Рабочие станции представляют собой однопользовательские мощные микроЭВМ, специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др.)
Несмотря на относительно невысокую производительность по сравнению с большими ЭВМ, микро-ЭВМ находят применение и в крупных вычислительных центрах. Там им поручают вспомогательные операции, для которых нет смысла использовать дорогие суперкомпьютеры. К таким задачам, например, относится предварительная подготовка данных.
Серверы
Серверы – многопользовательские мощные микроЭВМ в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех станций сети.
Серверы обычно относят к микроЭВМ, но по своим характеристикам мощные серверы скорее можно отнести к малым ЭВМ и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы приближаются к суперЭВМ.
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. 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 емкостью до 1 Тбайта.
Архивационный сервер (сервер резервного копирования, Storage Express System ) служит для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях, использует накопители на магнитной ленте (стриммеры) со сменными картриджами емкостью до 5 Гбайт; обычно выполняет ежедневное автоматическое архивирование со сжатием информации от серверов и рабочих станций по сценарию, заданному администратором сети (естественно, с составлением каталога архива).
Факс-сервер ( Net SatisFaxion ) – выделенная рабочая станция для организации эффективной многоадресной факсимильной связи с несколькими факс-модемными 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 телеконференций имеет систему автоматической обработки видеоизображений и др.
Рабочая станция
Рабочей станцией называется совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для решения профессиональных задач. Это специализированный высокопроизводительный компьютер для тех, кому необходима надежная и производительная система, гарантирующая стабильную и эффективную работу приложений. Использование рабочих станций позволяет вывести ваше предприятие на новый профессиональный уровень вне зависимости от того, в какой области вы развиваетесь.
Рабочие станции решают широкий спектр задач:
Решения, использующие последние технологии, позволяют рабочим станциям более эффективно справиться с высокими вычислительными нагрузками. Рабочие станции адаптированы на решение профессиональных задач за счет оптимизации как аппаратной части, так и драйверов.
Повышенная надежность достигается за счет использования только высококачественной компонентной базы, длительному стресс-тестированию на этапе разработки и тотальному контролю качества при производстве изделия.
Отдельным сегментом в линейке рабочих станций являются графические станции, оснащаемые профессиональными видеоадаптерами, созданными специально для решения профессиональных задач, связанных со сложной визуализацией, конструированием и 3D-моделированием, разработкой и производством, созданием медиа контента и научной деятельностью.
Графические станции проходят тестирование и сертифицирование на совместимость и эффективную работу с приложениями от ведущих разработчиков профессионального профильного программного обеспечения, таких как Catia и SolidWorks от Dassault Systemes, AutoCAD и Inventor от Autodesk, Компас 3D от Аскон, ProEngineer от ProTechnologies, NX от Siemens PLM Software, с продуктами компаний ANSYS, Adobe и многих других.
Платформы рабочих станций предоставляют большую гибкость в модернизации. Большее количество слотов PCI и PCI-E дает возможность установки профильных плат расширения. Большее количество слотов памяти и возможность установки второго процессора в двухпроцессорных системах увеличивает диапазон выбора производительности.
Конечно, вышеприведенная классификация весьма условна, ибо мощный современный персональный компьютер, оснащенные проблемно-ориентированным программным и аппаратным обеспечением, может использоваться и как полноправная рабочая станция, и как многопользовательная микроЭВМ, и как хороший сервер, но по своим характеристикам почти не уступающий малым ЭВМ.
Список литературы:
А.П. Пятибратов, А.С. Касаткин, Р.В. Можаров. «ЭВМ, МИНИ – ЭВМ и микропроцессорная техника в учебном процессе». – М: Изд-во МГУ, 1997
А.П. Пятибратов, А.С. Касаткин, Р.В. Можаров. «Электронно-вычислительные машины в управлении». – СПб.: «Питер», 1997
В.Э. Фигурнов. IBM PC для пользователя. / Издание 7-е. М. ИНФРА 1997г
А.Н. Салтовский, Ю.А. Первин. Как работает ЭВМ: серия Мир знаний. / М. Просвещение 1986
А.Г. Кушниренко, Г.В. Лебедев, Р.А. Сворень. Основы информатики и вычислительной техники. / М. Просвещение 1991