Строение ЭВМ

Глава 2. Классификация ЭВМ

      Существует  достаточно много систем классификации  компьютеров, и они постоянно  обновляются и совершенствуются. Компьютеры могут быть классифицированы по различным признакам, в частности, по: назначению,

этапам создания, принципу действия, функциональным возможностям, совместимость и т.д. Мы рассмотрим наиболее значимые из них. 

2.1. Назначение

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

      Универсальные ЭВМ предназначены для решения  самых различных инженерно-технических  задач: математических, экономических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим  объемом обрабатываемых данных.

      Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных. К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести управляющие вычислительные комплексы.

      Специализированные  ЭВМ используются для решения  узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая  узкая ориентация ЭВМ позволяет  четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость. К специализированным ЭВМ можно отнести программируемые микропроцессоры специального назначения, адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами. Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Их используют при подготовке кино- и видеофильмов, а также рекламной продукции.

      Во  многих случаях с задачами специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры, но считается, что использование специализированных систем все-таки эффективнее. Критерием оценки эффективности выступает отношение производительности оборудования к величине его стоимости. 

2.2. Этапы создания

     В истории вычислительной техники  существует своеобразная периодизация ЭВМ по поколениям. В ее основу первоначально  был положен физико-технологический  принцип: машину относят к тому или  иному поколению в зависимости  от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления. Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня. Когда приводят даты, относящиеся к поколениям, то скорее всего имеют в виду период промышленного производства; проектирование велось существенно раньше, а встретить в эксплуатации весьма экзотические устройства можно и сегодня.

      В настоящее время физико-технологический  принцип не является единственным при  определении принадлежности той  или иной ЭВМ к поколению. Следует считаться и с уровнем программного обеспечения, с быстродействием, другими факторами.

      Таким образом, по этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся  на следующие 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: ЭВМ на полупроводниковых  интегральных схемах с малой  и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов на  схему);

      4–е  поколение, 80-е годы: ЭВМ на больших  и сверхбольших интегральных  схемах – микропроцессорах (десятки  тысяч – миллионы транзисторов  на схему);

      5–е  поколение, 90-е годы: ЭВМ с многими  десятками параллельно работающих  микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;

      6–е  поколение и последующие поколения:  оптоэлектронные ЭВМ с массовым  параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.¹

      Теперь  рассмотрим более подробно каждое из поколений ЭВМ.

      Первое  поколение. В основе этого поколения компьютеров лежали электронные лампы. Их использование определяло и достоинства недостатки цифровых устройств. Электронные лампы обеспечивали высокую скорость переключения логических элементов, что увеличивало скорость вычисления по сравнению с попытками создать вычислительную машину, базовый элемент которой был построен на основе электромеханического реле. Электронные лампы были достаточно долговечны и обеспечивали надежную работу компьютера. У ламповых компьютеров также были и недостатки. Эти машины стоили очень дорого, занимали огромные площади, были не совсем надежны в работе, имели маленькую скорость обработки информации и могли хранить очень мало данных. Создавались они в единичных экземплярах и использовались в основном для военных и научных целей. В качестве типичных примеров машин первого поколения можно указать американские компьютеры UNIVAC, IBM-701, IBM-704, а также советские машины БЭСМ и М-20. Типичная скорость обработки данных для машин первого поколения составляла 5-30 тысяч арифметических операций.

      Второе  поколение. Полупроводниковые приборы  – транзисторы были изобретены в 1948г. Они отличались от электронных ламп малыми размерами, низким напряжением питания и малой потребляемой мощностью. Новая элементная база для компьютеров на основе транзисторов произвела революцию. Значительное уменьшение габаритов, снижение потребляемой мощности и стоимости позволило создавать архитектуры компьютера с большими функциональными возможностями, резко повысить быстродействие компьютеров до сотен тысяч и даже миллионов операций в секунду. Увеличение производительности обеспечивалось как за счет более высокой скорости работы транзисторов по сравнению с электронными лампами, так и путем введения в состав вычислительной машины нескольких обрабатывающих устройств, работающих параллельно. Площадь, требуемая для размещения компьютера, снизилась до нескольких квадратных метров, предпринимались попытки изготавливать и настольные варианты. Снижение стоимости увеличило число потенциальных пользователей компьютеров. Появились крупные фирму по производству компьютеров широкого назначения: International Business Machines (IBM), Control Data Corporation (CDC), Digital Equipment Corporation (DEC) и др.. Типичными представителями машин второго поколения являлись: PDP-8, IBM-7094, CDC-6600 (США), ATLAS (Великобритания), БЭСМ-4, М-220, Минск-32, БЭСМ-6 (СССР).  Следует отметить компьютер PDP-8 фирмы DEC - первого миникомпьютера с общей шиной, оказавшего большое влияние на развитие архитектуры персональных компьютеров.

      Третье  поколение. Машины третьего поколения  выполнены на так называемых интегральных схемах (ИС), которые из-за очень маленького размера иногда называют  микросхемами или чипами. Благодаря переходу от транзисторов к интегральным схемам изменились стоимость, размер, надежность, скорость и емкость машин. Начиная с третьего поколения вычислительные машины становятся повсеместно доступными и широко используются для решения самых разнообразных задач. Характерным для этого времен является коллективное использование машин, так как они все еще достаточно дороги, занимают большие площади и требуют сложного и дорогостоящего оборудования. Машины начали выпускаться семействами.

      Четвертое поколение. Начинает происходить переход от обычных интегральных схем к схемам с большой плотностью монтажа – большие интегральные схемы (БИС). Если обычные интегральные схемы эквивалентны тысячам транзисторных элементов, то большие интегральные схемы заменяют уже десятки и сотни тысяч таких элементов.

      Пятое поколение. Среди машин четвертого поколения стоит упомянуть семейство машин IBM/370, а также модель IBM 196, скорость которой достигла 15 миллионов операций в секунду. Отечественными представителями четвертого поколения являются машины семейства «Эльбрус». Отличительная черта четвертого поколения – наличие в одной машине нескольких маленьких центральных, главных устройств обработки информации – процессоров. Такая структура позволяет резко повысить надежность машин и скорость вычислений. Другая важная особенность – появление мощных средств, обеспечивающих работу компьютерных сетей.²

      Шестое  поколение и последующие поколения. Оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных  микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. 

2.3. Принцип действия

      По  принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса:

аналоговые  (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). Здесь критерием деления вычислительных машин является форма представления информации, с которой они работают. 

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

      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.

      Цифровые (ЦВМ) – это вычислительные машины дискретного действия, они работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

      Гибридные (ГВМ) – это вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и  в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

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

2.4. Функциональные возможности

      По  размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на сверхбольшие, большие, малые, сверхмалые (микро ЭВМ).

      Функциональные  возможности ЭВМ обусловливают  важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:

- быстродействие, измеряемое усредненным количеством  операций, выполняемых машиной за единицу времени;

- разрядность  и формы представления чисел,  с которыми оперирует ЭВМ;

- номенклатура, емкость и быстродействие всех  запоминающих устройств;

- номенклатура  и технико-экономические характеристики  внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

- типы  и пропускная способность устройств  связи и сопряжения узлов ЭВМ  между собой (внутримашинного  интерфейса);

- способность  ЭВМ одновременно работать с  несколькими пользователями и  выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);

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

- наличие  и функциональные возможности  программного обеспечения;

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

- система  и структура машинных команд;

- возможность  подключения к каналам связи  и к вычислительной сети;

- эксплуатационная  надежность ЭВМ;

- коэффициент  полезного использования ЭВМ  во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

      Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции. Первая большая ЭВМ ЭНИАК была создана в 1946 году. Эта машина имела массу более 50 т., быстродействие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел; занимала огромный зал площадью 100 кв. м. 

Производительность  больших ЭВМ оказалась недостаточной  для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.

      Появление в 70-х годах малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в  области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью  ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ.