Классификации ЭВМ

ПоколенияЭВМ

Вскоре после появления первых ЭВМ стало очевидным, что новая вычислительная техника открывает огромные перспективы в самых раз­личных областях. Отрасль стала развиваться очень быстро и динамично, хотя и здесь наблюдалась некоторая периодичность, связанная с необ­ходимостью накопления определенного багажа знаний для очередного прорыва. До середины 80-х годов процесс эволюции вычислительной техники четко делится на ряд поколений; в основе этого деления лежат различия в элементной базе.

1-е поколение (1945-1954 гг.) - это время становления машин с архи­тектурой фон Неймана; их главной элементной базой были радиолампы. В этот период формируется типовой набор структурных элементов, входящих в состав ЭВМ. У всех разработчиков сложилось примерно одинаковое представление о том, из каких компонентов должна состоять типичная ЭВМ: центральный процессор, оперативная память, устройства

ввода-вывода.

Машины первого поколения были весьма громоздки, потребляли большое количество энергии и имели невысокую надежность. Набор внешних запоминающих устройств был очень ограниченным, а систе­мы ввода-вывода - неразвитыми. Быстродействие тогдашних ЭВМ со­ставляло порядка 10-20 тыс. операций в секунду. Для их структуры был характерен жесткий циклвыполнения операций - следующая команда могла выполняться только после окончания предыдущей. Во время ввода и вывода данных центральный процессор простаивал, его АЛУ было за­нято передачей информации между ВЗУ и оперативной памятью.

В ЭВМ первого поколения, по существу, отсутствовала система про­граммного обеспечения. Данные вводились с помощью перфокарт и набора переключателей, а программазадавалась соединением гнезд на специальных наборных платах. Программирование осуществлялось на машинном языке конкретной ЭВМ. Пользователь сам осуществлял ввод и отладку программ, обеспечивал управление вычислительным процес­сом при возникновении непредвиденных или недопустимых ситуаций. В результате время, затрачиваемое на разработку программ, намного превышало время счета.

Эффективность использования машинного времени также была низ­кой, половина его расходовалась на отладку программ. Основной задачей информационных технологий в тот период была экономия машинного времени и объемов памяти. Тем не менее, несмотря на указанные недостатки, машины первого поколения позволили добиться значительных успехов в автоматизации вычислительных работ.

К первому поколению отечественных ЭВМ относятся БЭСМ-1, БЭСМ-2, «Урал-1», «Урал-2», «Стрела», М-2, М-3, «Минск-1», М-20 и др., ориентированные в основном на решение научно-технических задач.

2-е поколение ЭВМ (1955-1964 гг.) появляется с заменой громозд­ких ламп на миниатюрные транзисторы; линии задержки как элементы оперативной памяти вытесняет память на магнитных сердечниках. Это позволило существенно повысить производительность и надежность машин при одновременном уменьшении их габаритных размеров, массы и потребляемой мощности.

В архитектуре также произошли изменения - появились аппаратные средства для выполнения операций с плавающей точкой. Программисты стали использовать алгоритмические языки высокого уровня (Algol, Fortran, Cobol и др.); это создавало предпосылки для появления перено­симого программного обеспечения, не зависящего от типа ЭВМ. Вскоре появились компиляторы для этих языков, библиотеки стандартных под­программ и т.д. Важным новшеством стали процессоры ввода-вывода; эти специализированные устройства позволяли разгрузить центральный процессор и осуществлять операции ввода-вывода параллельно с про­цессом вычислений. Для эффективного управления ресурсами машины впервые стали использоваться операционные системы (ОС).

Благодаря развитию средств программирования значительно рас­ширилась сфера применения вычислительной техники; появились ЭВМ не только для научно-технических расчетов, но и для решения планово-экономических задач, управления производственно-технологическими процессами и др.

В СССР в этот период были созданы различные по назначению и возможностям полупроводниковые ЭВМ - БЭСМ-4, «Урал-16», «Минск-32», М-222, «Мир», «Наири». Их производительность не превышала 50-100 тыс. операций в секунду, а емкость основной памяти - 32 тыс. машинных слов.

3-е поколение (1965-1970 гг.) характеризуется новым радикальным обновлением элементной базы - вместо транзисторов в различных узлах ЭВМ стали использоваться интегральные микросхемы. Это позволило не только заметно повысить производительность машин, но также умень­шить их габариты и стоимость. Появились сравнительно недорогие мини-ЭВМ; они все шире использовались для управления технологическими процессами на производстве, в системах сбора и обработки информации. Производительность ЭВМ третьего поколения достигала нескольких миллионов операций в секунду, емкость основной памяти измерялась сотнями килобайт.

Одновременно с новыми аппаратными и архитектурными решениями интенсивно развиваются технологии программирования. Именно в этот период активно разрабатываются теоретические основы программиро­вания, компиляции, баз данных, операционных систем и т.д. Создаются прикладные программы для самых различных областей деятельности, в которых была формализована значительная часть знаний по математике, физике, различным инженерным дисциплинам, технологии, организации производства.

Отличительной особенностью ЭВМ третьего поколения стала воз­можность работы в мультипрограммном режиме, при котором за счет параллельной работы основных устройств обеспечивается одновременное выполнение программ различных пользователей, повышается эффектив­ность использования дорогостоящего оборудования, уменьшается время его простоя. Тогда же в широких масштабах началась работа по унификации и стандартизации технических и программных средств, создаются семейства ЭВМ, образующие единую систему. Для этой цели в 1969 г. СССР заключил соглашение о сотрудничестве с рядом европейских стран в области вычислительной техники, которое обеспечило разработку и производство Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) и системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ). Примерами таких семейств могут служить IBM System 360 и их отечественный аналог - ЕС ЭВМ.

4-е поколение ЭВМ (1970-1984 гг.) базировалось уже на больших интегральных схемах. Использование этих схем, содержавших до 1 млн компонентов на кристалл, способствовало значительному увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее на­дежности, увеличению быстродействия и снижению стоимости. Произ­водительность машин достигла десятков и сотен миллионов операций в секунду, объем основной памяти - десятков мегабайт. При такой степени интеграции элементов стало возможным создание функционально полной ЭВМ очень малых габаритов - персонального компьютера. Дальнейшее развитие отрасли было уже неразрывно связано с прогрессом в области микропроцессорной техники.

В 1975 г. на основе процессора Intel 8080 был создан первый массовый персональный компьютер Альтаир. Одну из первых моделей ПК при­думали в 1979 г. Стив Возняк и Стивен Джобе; позднее она послужила прототипом для Apple Macintosh. К концу 70-х годов, в основном благо­даря усилиям фирмы Intel, разработавшей микропроцессоры Intel 8086 и Intel 8088, были созданы реальные предпосылки для быстрого роста вычислительных и эргономических характеристик компьютеров, что в немалой степени способствовало росту их популярности.

Пятое поколение ЭВМ, работы по созданию которых начались в ряде стран примерно с 1982 г., было связано с рядом принципиально новых идей. В отличие от предыдущих поколений, его возникновение не имело прямого отношения к аппаратным новшествам. С самого начала эти ЭВМ были ориентированы на обработку не данных, а знаний. Такой подход, связанный с созданием самообучающихся машин, владеющих методами логического мышления, обеспечит возможность ассоциативной обработ­ки информации и решение задач без четко сформулированных условий. Взаимодействие человека и ЭВМ станет простым и естественным, по­явится возможность общаться с машиной на неформальном уровне.

Современная классификация компьютеров

Все многообразие выпускаемых в настоящее время компьютеров можно классифицировать по нескольким признакам:

1) исходя из аппаратных особенностей, их различают по количеству процессоров (одно-, многопроцессорные) и по принципу построения (с открытой или закрытой архитектурой). Среди компьютеров с открытой архитектурой в отдельную группу въщеяяют IBM-совместимые, которые используют единую систему команд процессора (и, следовательно, имеют единое программное обеспечение);

2) по характеру использования в сети различают компьютеры сетевые и автономные;

3) по целевому назначению - общего назначения и специализированные;

4) по количеству одновременно работающих пользователей - персональные и коллективного пользования.

Персональные компьютеры позволяют работать в один и тот же мо­мент времени только одному человеку, тогда как компьютер коллектив­ного пользования позволяет многим людям одновременно подключаться к его аппаратным ресурсам (к таким компьютерам относятся, например, сетевые серверы).

Персональные компьютеры, в свою очередь, весьма разнообразны. Прежде всего их подразделяют по типу используемого процессора. По степени мобильности различают стационарные и портативные (пере­носные) ПК, по месту использования - домашние и офисные.

Настольные ПК общего назначения - самая распространенная их категория; они могут решать самые разнообразные прикладные задачи и подходят для большинства пользователей.

Широкую известность получила классификация персональных ком­пьютеров «PC 99 System Design Guide», предложенная Intel и Microsoft. Эти компании разделяют все современные ПК на следующие катего­рии:

Consumer PC (потребительские);

Office PC (офисные);

Entertainment PC (развлекательного назначения);

Mobile PC (мобильные);

Workstation PC (рабочие станции).

Среди специализированных компьютеров в особые группы выделяют суперкомпьютеры и кластерные системы.

Высокий уровень вычислительной мощности суперкомпьютеров связан с принципиально новой концепцией их архитектуры, а также с достижениями современной микроэлектроники. Они находят примене­ние в метеорологии, аэродинамике, сейсмологии, военных исследованиях, атомной и ядерной физике, физике плазмы, математическом моделиро­вании сплошных сред. Во всех этих областях приходится осуществлять моделирование сложных процессов в реальном времени, что приводит к стремительному увеличению объемов вычислений. Производительность суперкомпьютеров измеряется в миллионах операций с плавающей точкой в секунду, так называемых «мегафлопах» (каждая такая операциятребует выполнения множества операций с двоичными числами).

Кластерная система представляет собой объединение нескольких компьютеров, но для операционной системы, системного программного обеспечения, прикладных программ и пользователей они выглядят как одна машина. Такие системы в последнее время получили широкое распространение, так как обеспечивают высокую степень отказоу­стойчивости; при необходимости исполняемые программы мгновенно переключаются с вышедшего из строя узла на работающий. Наиболее широко кластеры применяются при управлении сложными базами данных (например, в банковском деле). В такой системе множество процессоров разделяет доступ к единой базе данных, что позволяет достичь высокой скорости обработки запросов и поддерживать работу в реальном времени большого числа одновременно подключенных пользователей.

Контрольные вопросы и задания

1.Как работают аналоговые вычислительные машины?

2. Перечислите наиболее известные разновидности аналоговых вычислительных систем.

3. В чем состоит основное отличие цифровых вычислительных систем от аналоговых?

4. Какие принципы положены в основу построения машин фон Неймана?

5. Что такое каналввода-вывода? В чем различие селекторного и мультиплексного каналов?

6. Какие устройства входят в состав ЭВМ? Укажите их состав и назначение.

7. Какие принципы используются в работе оперативной памяти ЭВМ?

8. Назовите основные компоненты процессора.

9. Опишите алгоритмфункционирования процессора.

10.Для чего нужна система прерываний? Как она работает?

11.Как функционирует система управления прямым доступом к памяти?

12.В чем заключается принцип открытой архитектуры?

13.Опишите эволюцию элементной базы ЭВМ.

14.Дайте краткую характеристику различных поколений ЭВМ.

15.Когда и кем был создан первый персональный компьютер?

16.По каким признакам классифицируются ПК?