Основные классы вычислительных машин

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер — комплекс техни­ческих средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Вычислительные машины могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:

1. по принципу действия;

2. по этапам создания и элементной базе;

3. по назначению;

4. по размеру вычислительной мощности;

5. по функциональным возможностям и т. д.

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса (рис. 2.4): аналоговые, цифровые и гибридные.

Рис. 2.4. Классификация вычислительных машин по принципу действия

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Две формы представления информации в машинах

□ ЦВМ — цифровые вычислительные машины, или вычислительные машины дис­кретного действия — работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

□ АВМ — аналоговые вычислительные машины, или вычислительные машины не­прерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерыв­ной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

□ ГВМ — гибридные вычислительные машины, или вычислительные машины комбинированного действия — работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ.

АВМ весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для ре­шения их на этих машинах, как правило, не трудоемкое. 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 до 2-5%). На АВМ эффективно решаются математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения и не требующие сложной логики.

ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

В экономике (да и в науке и технике) получили подавляюще широкое распро­странение ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации — электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их циф­ровом характере.

По этапам создания и элементной базе компьютеры условно делятся на поко­ления:

□ 1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах.

□ 2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).

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

Интегральная схема — электронная схема специального назначения, выполненная в виде полупроводникового кристалла, объединяющего большое число активных элементов (диодов и транзисторов).

□ 4-е поколение, 80-90-е годы: компьютеры на больших и сверхбольших инте­гральных схемах, основная из которых — микропроцессор (десятки тысяч — миллионы активных элементов на одном кристалле).

Большие интегральные схемы столь плотно упаковывают активные элементы, что все электронное оборудование компьютера 1-го поколения (монстра, занимавшего зал площадью 100-150 м²) размещается сейчас в одном микропроцессоре площадью 1,5-2 см². Расстояния между активными элементами в сверхбольшой интегральной схеме составляют 0,11-0,15 микрона (для сравнения, толщина человеческого волоса равна нескольким десяткам микронов).

□ 5-е поколение, настоящее время: 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 инструкций 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 ему предшествующим существенно лучшие характеристики. Так, производительность компьютеров и емкость всех запоминающих устройств увеличивается, как правило, больше, чем на порядок.

По назначению компьютеры можно разделить на три группы (рис. 2.6): универ­сальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

Рис. 2.6.Классификация компьютеров по назначению

Универсальные компьютерыпредназначены для решения самых различных ин­женерно-технических, экономических, математических, информационных и т. д. задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатывае­мых данных. Они широко применяются в вычислительных центрах коллектив­ного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Характерными чертами универсальных компьютеров являются:

□ высокая производительность;

□ разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символь­ных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

□ обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логи­ческих, так и специальных;

□ большая емкость оперативной памяти;

□ развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные компьютерыпредназначены для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, с регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных, с выполнением расчетов по относительно несложным алгорит­мам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными компьюте­рами аппаратными и программными ресурсами.

Специализированные компьютерыпредназначены для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация компьютеров позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой произ­водительности и надежности их работы.

К специализированным компьютерам 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.

По размерам и вычислительной мощности компьютеры можно разделить (рис. 2.7) на сверхбольшие (суперкомпьютеры, суперЭВМ), большие, малые и сверхмалые (микрокомпьютеры или микроЭВМ).

Рис. 2.7.Классификация компьютеров по размерам и вычислительной мощности

Функциональные возможности компьютеров обусловлены такими важнейшими технико-эксплуатационными характеристиками, как:

□ типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов компь­ютера между собой (тип внутримашинного интерфейса);

□ способность компьютера одновременно работать с несколькими пользовате­лями и выполнять параллельно несколько программ (многозадачность);

□ типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, ис­пользуемых в машине;

□ наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

□ способность выполнять программы, написанные для других типов компьюте­ров (программная совместимость с другими типами компьютеров);

□ система и структура машинных команд;

□ возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;

□ эксплуатационная надежность компьютера;

□ коэффициент полезного использования компьютера во времени, определяе­мый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Некоторые сравнительные параметры классов современных компьютеров показаны в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Сравнительные параметры классов современных компьютеров

MIPS — миллион операций в секунду над числами с фиксированной запятой

Исторически первыми появились большие ЭВМ,элементная база которых про­шла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Первая большая ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) бы­ла создана в 1946 году. Эта машина весила более 30 тонн, имела быстродействие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел, занимала зал площадью около 150 м².

Производительность больших компьютеров оказалась недостаточной для ряда задач (прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, биологических исследований, моделирования экологических систем и др.). Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперкомпьютеров,самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время. Появление в 70-х годах малых компьютеровобусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой — избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые компьютеры используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компакт­ны и существенно дешевле больших компьютеров. Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-компьютера — вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых компьютеров, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.

Изобретение в 1969 году микропроцессора(МП) привело к появлению в 70-х го­дах еще одного класса компьютеров — микрокомпьютеров.Именно наличие МП послужило первоначально определяющим признаком микрокомпьютеров. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах компьютеров.

Рассмотрим кратко современное состояние некоторых классов компьютеров