Классификация и тенденции развития ЭВМ

Введение

Во все времена людям нужно  было считать. В туманном доисторическом прошлом они считали на пальцах  или делали насечки на костях. Примерно около 4000 лет назад, на заре человеческой цивилизации, были изобретены уже довольно сложные счисления, позволявшие  осуществлять торговые сделки, рассчитывать экономические циклы, проводит другие вычисления. Несколько тысячелетий  спустя, появились первые ручные вычислительные инструменты. А в наши дни невозможно представить решение сложных  вычислительных задач и выполнение операций, казалось бы, не связанных  с числами, без помощи «электронного  мозга», называемого компьютером  или ЭВМ.

Главное достоинство ЭВМ – реагировать  с молниеносной быстротой на импульсы электрического напряжения. Истинное величие заключено в человеке, который нашел способ преобразовывать  разнообразную информацию, поступающую  из реального мира в последовательность нулей и единиц, переводить все  многообразие нашей не подчиняющейся  строгим математическим законам  жизни в строгий язык математики, понятный электронным схемам компьютера.

Я обратилась к изучению данной темы не случайно. Во – первых, изучаемая  тема является интересной, т.к. огромное многообразие вычислительной техники  в современном мире порождает  необходимость систематизировать  данные о машинах. Человечество вступает  в такой этап развития общества, когда любому человеку, вне зависимости  от вида его деятельности, необходимы будут знания о компьютерах, сфере  их применения.

Во вторых, исследуемая тематика актуальна, т.к. для различных типов  задач нужна соответственно и  различная вычислительная техника. Поэтому рынок компьютеров постоянно  имеет широкую градацию классов  и моделей ЭВМ. Фирмы-производители  средств ВТ очень внимательно  отслеживают состояние рынка ЭВМ. Они не просто констатируют отдельные факты и тенденции, а стремятся активно воздействовать на них и опережать потребности потребителей.

Основная цель исследования - дать основные представления о  различных классах ЭВМ, их функциональных возможностях и   особенностях, назначении и сфере применения и тенденции  их развития. Достижение цели осуществляется путем решения следующих задач:

• выявление основных признаки классификации ЭВМ;
• рассмотрение характерных особенностей машин     различных   классов;
• определение основных тенденций развития вычислительной техники. 
  

Глава 1 Классификация  ЭВМ

Электронная вычислительная техника (ЭВМ)- комплекс технических средств, предназначенный для автоматической обработки информации в процессе  решения вычислительных и информационных задач.

Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято разделять на группы по определенным признакам, т. е. классифицировать. Сравнительно недавно классифицировать ЭВМ по различным признакам не составляло большого труда. Важно было только определить признак классификации, например: но назначению, по габаритам, по производительности, по стоимости, по элементной базе и т. д.

С развитием технологии производства ЭВМ классифицировать их стало все  более затруднительно, ибо стирались  грани между такими важными характеристиками, как производительность, емкость  внутренней и внешней памяти, габариты, вес, энергопотребление и др. Например, персональный компьютер, для размещения которого достаточно стола, имеет практически  такие же возможности и технические  характеристики, что и достаточно совершенная в недавнем прошлом ЭВМ Единой системы (ЕС), занимающая машинный зал в сотни квадратных метров. Поэтому разделение ЭВМ по названным признакам нельзя воспринимать как классификацию по техническим параметрам. Это, скорее, эвристический подход, где большой вес имеет предполагаемая сфера применения компьютеров.

Число классификаций ЭВМ  велико и они постоянно обновляются  и совершенствуются. Однако, мала вероятность  появления такой исчерпывающей  классификации ЭВМ, как, например, созданная  Д. И. Менделеевым периодическая  таблица химических элементов, которая  позволяет предсказать свойства неизвестного науке химического  элемента.[5, с.231]

Компьютеры могут быть классифицированы по различным признакам:

• этапам создания и элементной базе (на электронных лампах, транзисторах, микросхемах малой степени интеграции, микросхемах большой степени интеграции);
• размерам и вычислительной мощности (суперЭВМ, большие ЭВМ или мейнфреймы, малые ЭВМ, микроЭВМ, портативные или наколенные компьютеры - Lap Top, компьютеры-блокноты - Note Book, электронные секретари - Hand Help, карманные компьютеры - Palm Top);
• принципу действия (АВМ, ЦВМ, ГВМ);
• назначению (серверы и рабочие станции - клиенты);
• функциональным возможностям (универсальные, проблемно-ориентированные и специализированные ЭВМ);
• По структуре и архитектуре (однопрограммные, однопроцессорные, многопрограммные, многопроцессорные).

Кроме того, возможны классификации  ЭВМ по наличию или отсутствию у них периферийных устройств, средств  связи или включеия в сеть ЭВМ  и другим признакам.

Рассмотрим каждую из упомянутых классификаций. 

1.1 Классификация ЭВМ по принципу действия

По принципу действия вычислительные машины делятся на три большие  класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).

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

Цифровые вычислительные машины (ЦВМ)- вычислительные машины дискретного действии, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

Аналоговые вычислительные (АВМ) – вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой - либо физической величины  (чаще всего электронного напряжения).[9,с.347]

Аналоговая вычислительная машина (АВМ) – вычислительная машина, в которой каждому мгновенному значению переменной величины, участвующей в исходных соотношениях, ставится в соответствие мгновенное значение другой (машинной) величины, часто отличающейся от исходной физической природой и масштабным коэффициентом. Каждой элементарной математической операции над машинными величинами, как правило, соответствует некий физический закон, устанавливающий математические зависимости между физическими величинами на выходе и входе решающего элемента (например, законы Ома и Кирхгофа для электрических цепей, выражение для эффекта Холла, лоренцовой силы и т.д.).[8,с.215]

АВМ в основном применяется для решения следующих задач. Контроль и управление. В системах автоматического управления АВМ пользуются, как правило, для определения или формирования закона управления, для вычисления сводных параметров процесса (кпд, мощность, производительность и др.). АВМ работает как информационное устройство. Например, АВМ широко распространены для оценки экономической эффективности энергетических систем, и те же АВМ могут управлять исполнительными механизмами, т.е. служить автоматическими регуляторами. Когда закон управления заранее не определен, а заданы лишь некоторый критерий оптимальности и граничные условия, АВМ применяются в системах поиска оптимального управления и служат математической моделью объекта.[8,с.216]

Особенно важны быстродействующие АВМ, с помощью которых в условном масштабе времени можно решать некоторые итеративные задачи, задачи оптимизации, а также реализовать Монте-Карло метод, требующий многократного решения стохастических дифференциальных уравнений. Здесь АВМ резко сокращает время проведения расчетов и делает наглядным результаты.

АВМ состоят из некоторого числа решающих элементов, которые по характеру выполняемых математических операций делятся на линейные, нелинейные и логические. Линейные решающие элементы выполняют операции суммирования, интегрирования, перемены знака, умножения на постоянную величину и др. Нелинейные (функциональные преобразователи) воспроизводят нелинейные зависимости. Различают решающие элементы, предназначенные для воспроизведения заданной функции от одного, двух и большего числа аргументов. Из этого класса обычно выделяют устройства для воспроизведения разрывных функций одного аргумента (типичные нелинейности) и множительно-делительные устройства. К логическим решающим элементам относятся устройства непрерывной логики, например предназначенные для выделения наибольшей или наименьшей из нескольких величин, а также устройства дискретной логики, релейные переключающие схемы и некоторые др. специальные блоки. Для связи устройств непрерывной и дискретной логики широко пользуются гибридными логическими устройствами (например, компараторами). Все логические устройства обычно объединяются в одном, получившем название устройства параллельной логики. Оно снабжается своим наборным полем для соединения отдельных логических устройств между собой и с остальными решающими элементами АВМ.[8,с.218]

В зависимости от физической природы машинных величин различают  механические, пневматические, гидравлические, электромеханические и электронные АВМ. Наиболее распространены электронные АВМ, отличающиеся значительно более широкой полосой пропускания, удобством сопряжения нескольких машин между собой и с элементами аппаратуры управления. Эти машины собираются из готовых радиотехнических узлов и полуфабрикатов. Решающие элементы АВМ строятся в основном на базе многокаскадных электронных усилителей постоянного тока с большим коэффициентом усиления в разомкнутом состоянии и глубокой отрицательной обратной связью. В зависимости от структуры и характера входной цепи и цепи обратной связи операционный усилитель выполняет линейную или нелинейную математическую операцию или комбинацию этих операций.[8,с.218]

Вследствие не идеальности  работы отдельных решающих элементов, неточности установки их коэффициентов  передачи и начальных условий, решение, найденное с помощью АВМ, имеет погрешности. Результирующая погрешность зависит не только от перечисленных первичных источников, но и от характера и особенностей решаемой задачи. Как правило, погрешность увеличивается с ростом числа решающих (особенно нелинейных) элементов, включенных последовательно. Практически можно считать, что погрешность при исследовании устойчивых нелинейных систем автоматического управления не превышает нескольких %, если порядок набираемой системы дифференциальных уравнений не выше 10-го.

По структуре различают АВМ с ручным и с автоматическим программным управлением. В первом случае решающие элементы перед началом решения соединяются между собой в соответствии с последовательностью выполнения математических операций, задаваемых исходной задачей.[6,с.105] В машинах с программным управлением последовательность выполнения отдельных математических операций меняется в процессе решения задачи в соответствии с заданным алгоритмом решения. Изменение в ходе решения порядка выполнения отдельных операций обуславливает прерывистый характер работы машины: период решения сменяется периодом останова (для выполнения требуемых коммутаций). При таком режиме АВМ должна снабжаться аналоговым запоминающим устройством.

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.[9,с.347]

Гибридные вычислительные машины (ГВМ)- вычислительные  машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме. Они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ.[9,с.347] ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Наиболее широкое применение получили ЭВМ с электрическим  представлением дискретной информации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ) без упоминания об их цифровом характере. 

1.2 Классификация  ЭВМ по этапам создания

По этапам создания используемой электронной базе ЭВМ условно  делятся  на шесть поколений.

На протяжении более 40 лет  развития ВТ появилось, сменяя друг друга, несколько поколений ЭВМ. Появление  новых поколений мотивировалось расширением сферы и развитием  методов их применения, требовавших  более производительной, дешевой  и надежной ВТ, а также появлением новых электронных технологий. Так  как ЭВМ представляет собой систему, состоящую из технических и программных  средств, то под поколением естественно  понимать модели ЭВМ, характеризуемые  одинаковыми технологически - программными решениями (элементная база, логическая архитектура, программное обеспечение).

Между тем, в ряде случаев  оказывается весьма сложным провести классификацию ВТ по поколениям, ибо  грань между ними от поколения  к поколению становится все более  размытой.[2,с.17]