Классификация вычислительных систем

Первые компьютеры (автоматические электронные вычислительные машины с программным управлением) были созданы в конце 40-х годов XX века и представляли собой гигантские вычислительные монстры, использовавшиеся только для вычислительной обработки информации. По мере развития компьютеры существенно уменьшились в размерах, но обросли дополнительным оборудова­нием, необходимым для их эффективного использования. В 70-х годах компью­теры из вычислительных машин сначала превратились в вычислительные системы, а затем в информационно-вычислительные системы. В табл. 2.1 показана эволюция технологий использования компьютерных систем.

Как видно из таблицы, в настоящее время основные цели использования компь­ютеров — информационное обслуживание и управление, сейчас вычислительные машины и системы по существу выполняют функции информационно-вычисли­тельных систем. Рассмотрим более подробно внутреннюю архитектуру вычисли­тельных систем (ВС).

Вычислительная система — это совокупность одного или нескольких компьюте­ров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудова­ния, организованная для совместного выполнения информационно-вычисли­тельных процессов. В вычислительной системе компьютер может быть один, но агрегированный с многофункциональным периферийным оборудованием. Сто­имость периферийного оборудования часто во много раз превосходит стоимость компьютера.

В качестве распространенного примера одномашинной ВС можно привести систему телеобработки информации. Но все же классическим вариан­том ВС является многомашинный (пример – компьютерная сеть) и многопроцессорный (пример ‑ суперкомпьютер) варианты.

Первые ВС создавались с целью увеличить быстродействие и надежность работы путем параллельного выполнения вычислительных операций. «Тормозом» в дальнейшем увеличении быстродействия компьютера является конечная скорость распространения электромагнитных волн — скорость света, равная 300 000 км/с. Время распространения сигнала между элементами ВС может значительно превышать время переключения электронных схем. По­этому строго последовательная модель выполнения операций, характерная для классической структуры компьютера — структуры фон Неймана — не позволяет существенно повысить быстродействие ВС.

Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие сис­темы; он же может также значительно повысить и надежность (при отказе одного компонента системы его функции может взять на себя другой) и достоверность функционирования системы, если операции будут дублироваться, а результаты их выполнения сравниваться.

Для современных ВС, за исключением суперкомпьютеров, критерии обоснования их необходимости уже несколько иные — важно само информационное обслуживание пользователей, сервис и качество этого обслуживания. Для суперкомпью­теров, представляющих собой многопроцессорные ВС, важнейшими показателя­ми являются их производительность и надежность.

Укрупненная блок-схема классического компьютера показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3.Блок-схема компьютера

1. Процессор(центральный процессор) — основной вычислительный блок компьютера, содержит важнейшие функциональные устройства:

· устройство управления с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины);

· арифметико-логическое устройство;

· процессорную память.

Процессор, по существу, является устройством, выполняющим все функции элементарной вычислительной машины.

2. Оперативная память— запоминающее устройство, используемое для опера­тивного хранения и обмена информацией с другими узлами машины.

3. Каналы связи(внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения цен­тральных узлов машины с ее внешними устройствами;

4. Внешние устройстваобеспечивают эффективное взаимодействие компьюте­ра с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими машинами. В состав внешних устройств обязательно входят внешняя память и устройства ввода-вывода.

Вычислительная система может строиться на основе целых компьютеров — многомашинная ВС,либо отдельных процессоров — многопроцессорная ВС.

Вычислительные системы бывают:

· однородные;

· неоднородные.

Однородная ВС строится на основе однотипных компьютеров или процессоров, позволяет использовать стандартные наборы программных средств, типовые протоколы (процедуры) сопряжения устройств. Их организация значительно проще, облегчается обслуживание систем и их модернизация.

Неоднородная ВС включает в свой состав различные типы компьютеров или про­цессоров. При построении системы приходится учитывать их различные техни­ческие и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание таких систем.

Вычислительные системы работают:

· в оперативном режиме (on-line);

· в неоперативном режиме (off-line).

Оперативные системы функционируют в реальном масштабе времени, в них реа­лизуется оперативный режим обмена информацией — ответы на запросы посту­пают незамедлительно. В неоперативных ВС допускается режим «отложенного ответа», когда результаты выполнения запроса можно получить с некоторой за­держкой (иногда даже в следующем сеансе работы системы).

Различают ВС с централизованным и децентрализованным управлением. В пер­вом случае управление выполняет выделенный компьютер или процессор, во втором — эти компоненты равноправны и могут брать управление на себя.

Кроме того, ВС могут быть:

• территориально-сосредоточенными (все компоненты размещены в непосред­ственной близости друг от друга);

· распределенными (компоненты могут располагаться на значительном расстоя­нии, пример — вычислительные сети);

· структурно одноуровневыми (имеется лишь один общий уровень обработки данных);

• многоуровневыми (иерархическими) структурами. В иерархических ВС маши­ны или процессоры распределены по разным уровням обработки информа­ции, некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выпол­нении определенных функций.

Наконец, как уже указывалось, ВС делятся на:

• одномашинные;

· многомашинные;

· многопроцессорные.

Начнем рассмотрение с одномашинных ВС, точнее — с вычислительных машин.