Вычислительные ссистемы,сети и телекомуникации

Принципы построения компьютера

ны 50-х годов начали применяться специально разработанные для этой цели элементы – ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве устройства вво- да-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, лен- точные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин), а за- тем специально были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатающие устройства.

Компьютеры этого поколения имели значительные размеры, потребляли большую мощность. Быстродействие этих машин составляло от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду, емкость памяти – несколько тысяч машинных слов, надеж- ность исчислялась несколькими часами работы.

В этих ЭВМ автоматизации подлежал только шестой этап, так как практически отсут- ствовало какое-либо программное обеспечение. Все пять предыдущих этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятельно, вплоть до получения машинных кодов программ. Трудоемкий и рутинный характер этих работ был источником большого коли- чества ошибок в заданиях. Поэтому в ЭВМ следующих поколений появились сначала эле- менты, а затем целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.

На смену ламп пришли транзисторы в машинах второго поколения (начало 60- х годов). Компьютеры стали обладать большими быстродействием, емкостью оперативной памяти, надежностью. Все основные характеристики возросли на 1-2 порядка. Существенно были уменьшены размеры, масса и потребляемая мощность. Большим достижением явилось применение печатного монтажа. По- высилась надежность электромеханических устройств ввода-вывода, удельный вес которых увеличился. Машины второго поколения стали обладать большими

вычислительными и логическими возможностями.

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

Наряду с техническим совершенствованием ЭВМ развиваются методы и приемы программирования вычислений, высшей ступенью которых является появление систем автоматизации программирования, значительно облегчающих труд математиков- программистов. Большое развитие и применение получили алгоритмические языки, су- щественно упрощающие процесс подготовки задач к решению. С появлением алгорит- мических языков резко сократились штаты программистов, поскольку составление про- грамм на этих языках стало под силу самим пользователям.

Широкое применение алгоритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран и др.) и соответствующих им трансляторов, позволяющих автоматически формировать машин- ные программы по их описанию на алгоритмическом языке, привело к созданию библио- тек стандартных программ, что позволило строить машинные программы блоками, ис- пользуя накопленный и приобретенный программистами опыт. Новые программные средства здесь еще не объединялись в отдельные пакеты под общим управлением. Отме- тим, что временные границы появления всех этих нововведений достаточно размыты. Обычно их истоки можно обнаружить уже в недрах ЭВМ предыдущих поколений.

Третье поколение ЭВМ (в конце 60-х – начале 70-х годов) характеризуется широ- ким применением интегральных схем. Интегральная схема представляет собой закон- ченный логический и функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. Благодаря использованию интегральных схем удалось еще более

11

Принципы построения компьютера

общения абонента с машиной достигается за счет развитой сети абонентских пунктов, связанных с ЭВМ информационными каналами связи, и соответствующего программного обеспечения.

Например, в режиме разделения времени многим абонентам предоставляется воз- можность одновременного, непосредственного и оперативного доступа к ЭВМ. Вследст- вие большого различия инерционности человека и машины у каждого из одновременно работающих абонентов складывается впечатление, будто ему одному предоставлено ма- шинное время.

Здесь еще в большей степени проявляется тенденция к унификации ЭВМ, созда- нию машин, представляющих собой единую систему. Ярким примером этой тенденции служит отечественная программа создания и развития Единой системы электронных вы- числительных машин (ЕС ЭВМ).

ЕС ЭВМ представляла собой семейство (ряд) программно-совместимых машин, по- строенных на единой элементной базе, на единой конструктивно-технологической осно- ве, с единой структурой, единой системой программного обеспечения и единым унифи- цированным набором внешних устройств.

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

Для машин четвертого поколения (80-е годы) характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, усложнению ее функций, повышению надежности и быстродействия, снижению стоимости. Это в свою очередь оказало сущест- венное воздействие на логическую структуру ЭВМ и ее программное обеспечение. Более тесной стала связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно опера- ционной системы.

В четвертом поколении с появлением в США микропроцессоров (1971 г.) возник новый класс вычислительных машин – микроЭВМ, на смену которым пришли персо- нальные компьютеры (ПК, начало 80-х годов). В этом классе ЭВМ наряду с БИС стали ис- пользоваться сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) 32-, а затем 64-разрядности.

Появление ПК – наиболее яркое событие в области вычислительной техники, до последнего времени самый динамично развивающийся сектор отрасли. С их внедрением решение задач информатизации общества было поставлено на реальную основу.

Основная цель использования ПК – формализация профессиональных знаний. Здесь, в первую очередь, автоматизируется рутинная часть работ (сбор, накопление, хра- нение и обработка данных), которая занимает более 75% рабочего времени специали- стов-прикладников. Применение ПК позволило сделать труд специалистов творческим, интересным, эффективным. В настоящее время ПК используются повсеместно, во всех сферах деятельности людей. Новые сферы применения изменили и характер вычисли- тельных работ. Так, инженерно-технические расчеты составляют не более 9-15%, в боль- шей степени ПК теперь используются для автоматизации управления сбытом, закупками, управления запасами, производством, для выполнения финансово-экономических расче- тов, делопроизводства, игровых задач и т.п.

13

Принципы построения компьютера

проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряже- ния друг с другом. Системные программисты создают программы управления техниче- скими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты про- грамм более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач. Указанные специалисты рас- сматривают понятие архитектуры в более узком смысле. Для них наиболее важные структурные особенности сосредоточены в наборе команд ЭВМ, являющемся границей между аппаратными и программными средствами.

Пользователи ЭВМ, которые обычно не являются профессионалами в области вы- числительной техники, рассматривают архитектуру через более сложные аспекты, ка- сающиеся их взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со сле- дующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

•технические и эксплутационные характеристики ЭВМ (быстродействие и произ- водительность; показатели надежности, достоверности, точности; емкость опера- тивной и внешней памяти; габаритные размеры; стоимость технических и про- граммных средств; особенности эксплуатации и др.);

•характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возмож- ность изменения структуры;

•состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программиро- вания).

Важнейшими характеристиками компьютеров служат быстродействие и произво- дительность. Эти характеристики достаточно близки, но их не следует смешивать.

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

времени.

Определение

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

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

Определение одновременно размещен в памяти.

Наименьшей структурной единицей информации является бит – одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения

– байтах (байт равен 8 битам). Следующими единицами измерения служат 1Кбайт =

=210байта = 1024 байта; 1Мбайт = 210 Кбайта = 220 байта; 1Гбайт = 210 Мбайта = 220 Кбайта =

=230 байта.

15

Принципы построения компьютера

сам; отличающиеся своими областями применения, техническими характеристиками и вычислительными возможностями.

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

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

По возможностям и назначению компьютеры подразделяют на:

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

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

тированный на разработку перспективных вооружений.

Вближайшие годы фирма IBM планирует создание еще более мощных суперЭВМ.

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

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

17

Принципы построения компьютера

среднего компьютера, в других – быть примитивными настолько, что к компьютерам их можно отнести с большой натяжкой. Чтобы не потеряться в анализе достоинств и недостат- ков различных моделей, очень часто рассматривают их по принадлежности к отдельным платформам, которыележат в основе устройств ипредопределяют спектр ихприложений.

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

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

Платформа Psion поддерживает электронную почту, имеет Internet-браузер, син- хронизируется с сотовыми телефонами, содержит упрощенный прошитый язык про- граммирования, может использовать русификаторы текста. Возможности функциональ- ного расширения ограничены.

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

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

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

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

–кластерные структуры;

–серверы;

–рабочие станции;

–сетевые компьютеры.

Мощные машины и системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых

банков данных и банков знаний. По характеристикам их можно отнести к классу супер- ЭВМ, но в отличие от них они являются более специализированными и ориентирован- ными на обслуживание мощных потоков информации.

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

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

19