Пачкин С.Г. Вычислительные машины, системы и сети

Подождите немного. Документ загружается.

- по способам организации вычислительного процесса;

- по конструктивным особенностям.

Рассмотрим некоторые из этих классификаций.

1.2.1 Классификация ЭВМ по поколения

Идея делить машины на поколения, вызвана к жизни тем,

что за время короткой истории своего развития компьютерная

техника проделала большую эволюцию как в смысле элемент-

ной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в

смысле изменения её структуры, появления новых возможно-

стей, расширения областей применения и характера использова-

ния.

Хотя все основные идеи положенные в основу работы вы-

числительной машины Чарльз Бэббидж сформулировал ухе в

19-ом веке, действительно электронной вычислительная машина

становится с реализацией её на базе электронных ламп.

Каждое поколение компьютеров в начальный момент раз-

вития характеризуется качественным скачком в росте основных

характеристик компьютера, вызванным обычно переходом на

новую элементную базу, а также относительной стабильностью

архитектурных и логических решений.

Разбиение поколений компьютеров по годам весьма услов-

но. В то время, как начиналось активное использование компь-

ютеров одного поколения, создавались посылки для возникно-

вения следующего. Таким образом, кроме элементной базы и

временного интервала используются следующие показатели

развития компьютеров одного поколения:

- быстродействие;

- архитектура;

- программное обеспечение;

- уровень развития внешних устройств;

- широта области применения компьютеров.

Некоторые классификации стоит отдельно проводить в

пределах каждого поколения ЭВМ. Опираясь на указанные по-

казатели охарактеризуем ЭВМ каждого поколения.

Первое поколение ЭВМ

Основным активным элементом

ЭВМ первого поколе

ния являлась

электронная лампа, осталь

ные

компоненты электронной аппаратуры —

это обычные резисторы, кон

денсаторы,

трансформаторы. Для построения оперативной памяти

ЭВМ уже с середины 50-х годов начали применяться спе-

циально разработанные для этой цели элементы — ферри-

товые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса.

В качестве устройства ввода-вывода сначала использо-

валась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы,

ленточные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-

перфорационных машин), а затем специально для ЭВМ бы-

ли разработаны электромеханические запоминающие уст-

ройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстро-

действующие печатающие устройствах.

Машины первого поколения имели внушитель

ные

размеры, потребляли большую мощность, имели сравни-

тельно малое быстродействие; малую емкость опе

ративной

памяти, невысокую надежность работы и недостаточно

развитое программное обеспечение.

Структура ЭВМ первого поколения полностью соот-

ветствовала машине Джон фон Неймана. Программирова-

ние велось в машинных кодах. Емкость ОЗУ составляла 2

тысячи слов, а ввод информации производился с перфолен-

ты и кинопленки.

Повышение быстродействия ЭВМ шло за счет увели-

чения ее памяти и улучшения архитектуры: ис

пользование

двоичных кодов для представления чи

сел и команд, а также

размещение их в увеличиваю

щейся памяти ЭВМ упростили

структуру процессора и повысили производительность об-

работки данных.

В ЭВМ этого поколения были заложены основы логи-

ческого построения машин и продемонстрированы воз-

можности цифровой вычислительной техники.

Второе поколение ЭВМ

На смену лампам в машинах второго

поколения (в конце 50-х годов

) пришли

транзисторы. В отличие от лампо

вых ЭВМ

транзис

торные машины обладали большими

быстродействием, емкостью опе

ративной

памяти и надежно

стью. Существенно

уменьшились размеры, масса и потреб

ляемая мощность.

Значительным достижением явилось применение печатного

монтажа. Повысилась надежность электромеханических

устройств ввода-вывода, удельный вес которых увеличил-

ся. Машины второго поколения обладали большими вы-

числительными и логическими возможностями.

Особенность машин второго поколения — их диффе-

ренциация по применению. Появились машины для ре-

шения научно-

технических и экономических задач, для

управления производственными процесса

ми и различными

объектами (управляющие машины).

Наряду с техническим совершенствованием ЭВМ раз-

виваются методы и приемы программирования вычисле-

ний, высшей ступенью которых является ав

томатическое

программирование. Большое развитие и применение полу-

чили алгоритмические языки, существенно упрощаю

щие

процесс подготовки задач к решению на ЭВМ. С появ-

лением алгоритмических языков резко сокра

тились штаты

«чистых» программистов, поскольку состав

ление программ

на этих языках стало под силу самим пользователям.

В период развития и совершенствования машин второ-

го поколе

ния наравне с однопрограммными появились

многопрограммные (мультипрограммные) ЭВМ. В отли-

чие от однопрограммных машин, в которых программы

выполняются только поочередно, в многопрограммн

ых

ЭВМ возможна совместная реализация нескольких про-

грамм

Максимальное быстродействие 10

-10

операций в се-

кунду, занимаемый объём – 30м3 .

Третье поколение ЭВМ

Третье поколение ЭВМ (в конце 60-х —

начале 70-х годов) харак

теризуется широким

применением интегральных схем.

Интегральная

схема представляет собой закон

ченный

логический функциональный блок, соответствую-

щий достаточно сложной транзисторной схеме.

Благодаря использованию интегральных схем удалось су-

щественно улучшить технические и эксплуатационные ха-

рактеристики машин. Этому способствовало также приме-

нение многослойного печатного монтажа.

В машинах третьего поколения значительно расши-

рился набор различных электромеханических уст-

ройств для ввода и вывода информации

. Развитие этих

устройств носит эволюционный характер: их характеристи-

ки совершенствуются гораздо медленнее, чем характе-

ристики электронного оборудования.

Программное обеспечение машин третьего поколения

получило дальнейшее развитие, особенно это касается опе-

рационных систем. Развитые операционные системы мно-

гопрограммных машин, снабженных периферийными уст-

ройствами ввода-вывода с автономными пультами абонен-

тов, обеспечивают управление работой ЭВМ в раз

личных

режимах: пакетной обработки, разделения времени, запрос-

ответ и др.

В машинах третьего поколения существенно расшире-

ны возможности по обеспечению непосредственного дос-

тупа к ним со стороны абонентов, находящихся на различ-

ных, в том числе и значи

тельных, расстояниях. Удобство

общения абонента с машиной достигается за счет р

азвитой

сети абонентских пунктов, связанных с ЭВМ информаци-

онными каналами связи.

Например, в режиме разделения времени многим або-

нентам предоставляется возможность одновременного, не-

посредственного и оперативного доступа к ЭВМ.

Максимальное быстродействие 10

-10

операций в се-

кунду, занимаемый объём – 5-10м3

Четвёртое поколение ЭВМ

Для машин четвертого поколения

(конец 70-х годов

) характерно

применение

больших интегральных

схем (БИС). Высокая степень ин-

теграции способствует увеличению плотност

и компоновки

электронной аппаратуры, повышению ее надежности и бы-

стродействия, сни

жению стоимости. Это, в свою очередь,

оказывает существенное воздействие на логическую струк-

туру ЭВМ и ее программное обеспече

ние. Более тесной

становится связь структуры машины и ее программ

ного

обеспечения.

Кроме указанных выше больших ЭВМ, со второй по-

ловины 50-х годов начали развиваться мини-ЭВМ, отли-

чающиеся меньшими фун

кциональными возможностями

главным образом из-

за ограниченного набора команд и

меньшей разрядности чисел, представляющих обрабаты-

ваемые данные.

Характерные свойства ЭВМ четвертого поколения:

- Мультипроцессорность.

- Параллельно-последовательная обработка.

- Языки высокого уровня.

- Появляются первые сети ЭВМ.

Максимальное быстродействие компьютеров 4-го по-

коления 10

-10

о/с.

Первый персональный компьютер создали в апреле

1976 года два друга, Стив Джобс (1955 г.р.) — со

трудник

фирмы Atari, и Стивен Возняк (1950 г.р.), рабо

тавший на

фирме Hewlett-Packard. На базе интегрального 8-

битного

контроллера жестко запаянной схемы популярной элек-

тронной игры, работая вечерами в

автомобильном гараже, они сделали простенький

программируемый на языке Бей

сик игровой

компьютер “Apple

”, имевший бешеный успех. В

начале 1977 года была зарегистрирована Apple

Comp

., и началось производство первого в мире

персонального компьютера Apple.

Пятое поколение ЭВМ

ЭВМ пятого поколения характери-

зуются наряду с ис

пользованием более

мощных СБИС применением принци

па

“управления потоками данных

” (в

отличие от принципа

Джона фон

Неймана “управления потоками команд”), новыми р еше-

ниями в архитектуре вычислительной системы и использо-

ванием принципов искусственного интеллекта.

С ЭВМ пятого поколения связывают наряду с другими

особенностями возможность ввода данных и команд голо-

сом. Начало разработки ЭВМ этого поколения можно отне-

сти ко второй половине 1980-х гг.; внедрение первых образ-

цов - первая половина 1990-х гг.

Кратко основную концепцию ЭВМ пятого поколения

можно сформулировать следующим образом:

1 - Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с па-

раллельно-векторной структурой

, одновременно

выполняющих десятки после

довательных инструкций

программы.

2- Компьютеры с многими сотнями параллельно рабо-

тающих процессоров

, позволяющих строить системы

обработки данных

и знаний, эффективные сетевые

компьютерные системы.

Максимальное быстродействие ПК достигло 10

-10

операций в секунду и более. Происходит отход от архи-

тектуры фон Неймана.

Благодаря операционной системе,

обеспечивающей простоту общения с этой ЭВМ,

большой библиотеке при

кладных программ по

раз

личным отраслям человеческой деятельности,

а также малой стои

мости ЭВМ становится

необходимой принадлежностью инжене

ра,

исследователя, экономиста, врача, агронома,

преподавателя, редактора, секретаря и да

же

ребенка.

Шестое поколение

О шестом поколении можно пока только мечтать...

Электронные и оптоэлектронные компьютеры с мас-

совым параллелизмом, нейронной структурой, с распре-

деленной сетью большого числа (десятки тысяч) микро-

процессоров, моделирующих архитектуру нейронных био-

логических систем.

Компьютер, созданный на основе нейронных сетей

(нейрокомпьютер) пока не существует самостоятельно, но

сами нейронные сети активно моделируется на современ-

ных компьютерах.

Один из разработчиков нейрокомпьютеров А.

Н.Горбань считает: "

Пять поколений ЭВМ следуют друг за

другом. Нарождающееся шестое настолько от

личается

от предыдущих, что лучше говорить не о поколениях и

даже не о новых видах, родах или семействах, а о но

вом

царстве - масштаб дистанции между нейрокомпьюте-

рами и обыч

ными ЭВМ соответствует различиям между

царствами живых организмов."

Чем отличаются машины второго царства?

1 - Большое число параллельно работающих простых эле-

ментов - нейронов (от нескольких десятков до 106-

108),

что обеспечивает колоссальный скачок в быстродейст-

вии.

2 - Место программирования занимает обучение (воспита-

ние) - машина учится решать задачи, изменяя парамет

ры

нейронов и связей между ними".

Так как персональные компьютеры нынешнего, пятого по-

коления ЭВМ получили широкое распространение, то их от-

дельно можно классифицировать по поколениям:

ПК 1-го поколения - используют 8-битные микропроцессоры;

ПК 2-го поколения - используют 16-битные микропроцессоры;

ПК 3-го поколения - используют 32-битные микропроцессоры;

ПК 4-го поколения - используют 64-битные микропроцессоры.

1.2.2 Классификация ЭВМ по областям применения

Как уже говорилось, все классификации со временем уст-

раивают или требуют корректировки. Но развитие ЭВМ позво-

ляет использовать его в большем количестве отраслей. При

этом, говоря о применении ЭВМ, обычно выделяют сферы дея-

тельности человека, которые требуют использования качествен-

но различных типов ЭВМ. Рассмотрим их последовательно.

Первое направление является традиционным — примене-

ние ЭВМ для автоматизации вычислений. Отличительной

особенностью этого направления является наличие хорошей ма-

тематической основы, заложенной развитием математических

наук и их приложений.

Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием

их в системах управления. Как мы уже говорили, она зароди-

лась примерно в шестидесятые годы, когда ЭВМ стали интен-

сивно внедряться в контуры управления автоматических и авто-

матизированных систем.

Новое применение вычислительных машин потребовало

видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управле-

нии, должны были не только обеспечивать вычисления, но и

автоматизировать сбор данных и распределение результатов об-

работки. Сопряжение с каналами связи потребовало усложнения

режимов работы ЭВМ, сделало их многопрограммными и мно-

гопользовательскими. Для управления разнообразной перифе-

рией стали использоваться специальные процессоры ввода-

вывода данных или каналы. Именно тогда и появился дисплей

как средство оперативного человеко-машинного взаимодействия

пользователя с ЭВМ.

Новой сфере работ в наибольшей степени отвечали мини-

ЭВМ. Именно они стали использоваться для управления отрас-

лями, предприятиями, корпорациями. Машины нового типа

удовлетворяли следующим требованиям:

• были более дешевыми по сравнению с большими ЭВМ,

обеспечивающими централизованную обработку данных;

• были более надежными, особенно при работе в контуре

управления;

• обладали большой гибкостью и адаптируемостью на-

стройки на конкретные условия функционирования;

• имели архитектурную прозрачность, т.е. структура и

функции ЭВМ были понятны пользователям.

Одновременно со структурными изменениями ЭВМ проис-

ходило и качественное изменение характера вычислений. Доля

чисто математических расчетов постоянно сокращалась, и на

сегодняшний день она составляет около 10% от всех вычисли-

тельных работ. Машины все больше стали использоваться для

новых видов обработки: текстов, графики, звука и др. Для вы-

полнения этих работ в настоящее время применяются в основ-

ном ПЭВМ.

Третье направление связано с применением ЭВМ для ре-

шения задач искусственного интеллекта. Задачи искусственного

интеллекта предполагают получение не точного результата, а

чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном

смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехни-

ки, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одно-

го языка на другой, планирования с учетом неполной информа-

ции, составления прогнозов, моделирования сложных процессов

и явлений и т.д. Это направление постепенно набирает силу. Во

многих областях науки и техники создаются и совершенствуют-

ся базы данных и базы знаний, экспертные системы. Для техни-

ческого обеспечения этого направления нужны качественно но-

вые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей

(ЭВМ или процессорных элементов), обеспечивающих паралле-

лизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место

сложнейшим вычислительным системам.

Даже это краткое перечисление областей применения ЭВМ

показывает, что для решения различных задач нужна соответст-

венно и разная вычислительная техника. Поэтому рынок ком-

пьютеров постоянно имеет широкую градацию классов и моде-

лей ЭВМ.

1.2.3 Классификация по размерам и вычислительной

мощности

Градация ЭВМ по критериям физических размеров и про-

изводительности существовала не всегда, а после появления не

всеми воспринималась однозначно.

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элемент-

ная база которых прошла путь от электронных ламп до инте-

гральных схем со сверхвысокой степенью интеграции. Таким

образом, в пределах каждого поколения ЭВМ можно произвести

градацию по вычислительной мощности. При этом выделение

классов будет чисто условным, и опираться на перечень и мас-

штаб решаемых задач.

Можно предложить следующую классификацию средств

вычислительной техники, в основу которой положено их раз-

деление по быстродействию:

• суперЭВМ для решения крупномасштабных вычисли-

тельных задач чаще всего глобального, планетарного или

государственного масштаба;

• большие ЭВМ для комплектования ведомственных, тер-

риториальных и региональных вычислительных центров;

• средние ЭВМ (миниЭВМ) широкого назначения для

управления сложными технологическими производст-

венными процессами. Появились малых ЭВМ в 70-х гг

обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области

электронной элементной базы, а с другой - избыточно-

стью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Они

более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ.

ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления

распределенной обработкой информации в качестве сете-

вых серверов какого либо предприятия;

• персональные и профессиональные ЭВМ (микроЭВМ),

позволяющие удовлетворять индивидуальные потребно-

сти пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся

автоматизированные рабочие места (АРМ) для специали-

стов различного уровня;