Тема: архитектура компьютеров
Компьютер - это универсальное (многофункциональное) электронное программно-управляемое устройство для хранения, обработки и передачи информации.
Исторический экскурс
Когда Чарльз Бэббидж разрабатывал аналитическую счетную машину в тридцатых годах XIX века, он предположил, что для успешной работы необходимы как минимум следующие устройства:
устройство для обработки данных, в котором непосредственно осуществляются вычисления (“мельница);
устройство для хранения данных (“склад”);
устройство для управления процессом вычислений (“контора”).
Архитектура аналитической счетной машины с точки зрения Ч.Бэббиджа
Разработке Бэббиджа не суждено было воплотиться в действующей модели, но идеи о разделении отдельных операций процесса вычислений между отдельными “специализированными” устройствами получили дальнейшее развитие в принципах архитектуры компьютеров, традиционно называемых принципами фон Неймана (сороковые годы ХХ века).
Начиная с первых ЭВМ, реализовывалась схема взаимодействия устройств компьютера, представленная на рисунке:
Рис. Схема взаимодействий устройств компьютера согласно архитектуре фон Неймана
Обозначения:
УУ – устройство управления
АЛУ – арифметико-логическое устройство
Типы эвм
Рассмотрим классификацию современных компьютеров по функциональным возможностям:
Класс больших компьютеров
С активным развитием и внедрением во все сферы нашей жизни компьютерных сетей происходит смещение акцентов по приоритетам и назначению в классе больших компьютеров. Особенно явно наметилась тенденция использования больших компьютеров в сетях, что в недалеком будущем, скорее всего, несколько изменит представление о сфере использования сверхмощных ЭВМ.
В этом классе можно выделить две группы — серверы и суперкомпьютеры.
СЕРВЕРЫ
Сервер (server) — мощный компьютер в вычислительных сетях, который обеспечивает обслуживание подключенных к нему компьютеров и выход в другие сети.
На сервере хранятся большие объемы информации, которыми пользуются подключенные к нему компьютеры. В наши дни это направление компьютерной техники интенсивно развивается.
Группа серверов насчитывает множество моделей различных уровней мощности. Некоторые из них можно отнести к классу малых машин, другие настолько мощны, что представляют собой суперкомпьютеры. Сервером может быть любой компьютер, оснащенный необходимыми программами и устройствами. Например, сервер средней производительности можно создать из компонентов персональных компьютеров. При этом цена его окажется вполне приемлемой, а занимаемая площадь не увеличится. К серверу предъявляются повышенные требования по быстродействию и надежности. В нем должно быть предусмотрено резервирование всей хранимой информации. Профилактические и ремонтные работы должны производиться без его остановки и отключения других компьютеров.
Часто серверы специализируются на обслуживании рабочих станций в какой-то определенной области, например: одни из них выделяются для создания и управления базами и архивами данных, другие — для поддержки факсимильной связи и электронной почты, третьи — для управления многопользовательскими принтерами, плоттерами и др. В зависимости от назначения определяют такие типы серверов: сервер приложений, файл-сервер, архивационный сервер, факс-сервер, почтовый сервер, сервер печати, сервер телеконференций.
Сервер приложений обрабатывает запросы от всех станций вычислительной сети и предоставляет им доступ к общим системным ресурсам (базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.). Файл-сервер (File Server, Data Server) — для работы с базами данных и использования файлов информации, хранящихся в ней. Он имеет надежные отказоустойчивые дисковые накопители с большими объемами (до Терабайта).
Архивационный сервер (Storage Express System) — для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях. Он использует накопители на магнитной ленте (стриммеры) со сменными картриджами емкостью до 5 Гбайт. Обычно выполняет ежедневное автоматическое архивирование информации от подключенных серверов и рабочих станций.
Факс-сервер (Net SatisFaxion) — для организации эффективной многоадресной факсимильной связи, с несколькими факсмодемными платами, со специальной защитой информации от несанкционированного доступа в процессе передачи, с системой хранения электронных факсов.
Почтовый сервер (Mail Server) — то же, что и факс-сервер, но для организации электронной почты, с электронными почтовыми ящиками.
Сервер печати (Print Server, Net Port) — для эффективного использования системных принтеров.
Сервер телеконференций — компьютер, имеющий программу обслуживания пользователей телеконференциями и новостями, он также может иметь систему автоматической обработки видеоизображений и др.
Как вы знаете, назначение всякого компьютера определяется программным обеспечением. Поэтому любой компьютер, если установить на нем соответствующее сетевое программное обеспечение, способен стать сервером. Кроме того, один компьютер одновременно может выполнять несколько функций — быть, к примеру, почтовым сервером, сервером новостей, сервером приложений и т. д.
СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ
Первые суперкомпьютеры (модели Cray) стала выпускать компания Cray Research в середине 70-х годов. Их быстродействие исчислялось десятками и сотнями миллионов операций в секунду, что по тем временам воспринималось как чудо. Это была новая веха в развитии вычислительной техники, т. к. была предложена иная, по сравнению с существующей фон-неймановской, структура и организация работы всех устройств.
В суперкомпьютерах используется иной — мультипроцессорный (многопроцессорный) принцип обработки информации.
Основная идея создания мультипроцессорной обработки — расчленение решаемой задачи на несколько параллельных подзадач или частей. Каждая часть решается на своем процессоре. За счет такого разделения существенно увеличивается производительность. Параллельное вычисление особенно эффективно в задачах, где применяется большое количество операций с матрицами (таблицами). Так, например, при суммировании чисел в таблице можно выиграть во времени более чем в десять раз по сравнению с однопроцессорным компьютером.
Когда мультипроцессорную систему используют для решения задач, которые нельзя разделить, тогда возможен другой принцип организации структуры — конвейерный.
Единая задача разбивается на ряд элементарных участков, каждый из которых будет решаться на своем процессоре. Участков программ столько, сколько процессоров. Каждый из них вступает в действие после окончания работы предыдущего и выполняет только определенную функцию. Управляющая программа определяет для очередной задачи, какие процессоры и сколько их надо выделить, чтобы решить ее, по какой программе будет работать каждый процессор. В результате для каждой задачи образуется свой набор процессоров, причем каждый настроен на выполнение одного какого-то участка общей задачи. Из этого следует, что любая задача образует свою структуру компьютера. Так возникло понятие виртуального (условного) компьютера, структура которого определяется структурой задачи.
По прогнозам аналитиков потребность в суперкомпьютерах в будущем будет сокращаться. Все меньше и меньше находится желающих тратить миллионы долларов на приобретение подобных компьютеров. Более дешевые малые компьютеры из года в год постоянно наращивают свои вычислительные мощности и уже во многом не уступают ранним моделям суперкомпьютеров. Это связано и с тем, что идеи мультипроцессорной обработки успешно реализуются и в компьютерах других классов. Следует ожидать, что постепенно суперкомпьютеры станут выполнять роль суперсерверов.
КЛАСС МАЛЫХ КОМПЬЮТЕРОВ
Малые компьютеры появились в 70-х годах. Их появление было связано, с одной стороны, с тем, что для решения многих задач не требовались мощности больших ЭВМ, а с другой — необходимо было использовать возможности компьютеров для управления технологическими процессами. Такая потребность определялась тем, что в этот период повсеместно стали внедряться автоматизированные системы управления, где требовалось устройство, оперативно и надежно перерабатывающее информацию.
Среди малых компьютеров выделим три подкласса: персональные, производственные, портативные.
ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ
Определение «персональный» не означает принадлежность компьютера человеку на правах личной собственности. Оно возникло потому, что человек получил возможность общаться с ЭВМ самостоятельно (персонально) без посредничества профессионала-программиста. При этом не требуется знаний специального языка. Программное обеспечение поддерживает «дружественную» форму диалога человека с компьютером.
Персональные компьютеры используются сейчас повсеместно. Их основное назначение — выполнение рутинной работы: поиск информации, составление типовых форм документации, фиксация результатов исследования, подготовка текстов разного рода от простейших документов до издательской верстки и пр.
Общедоступность и универсальность персонального компьютера обеспечивается за счет наличия следующих характеристик:
«дружественность» интерфейса взаимодействия человека с компьютером, что позволяет работать на нем без специальной подготовки в компьютерной области;
малая стоимость, ориентированная на покупательскую способность населения;
небольшие габариты и отсутствие специальных требований к условиям окружающей среды (может устанавливаться в любом месте);
открытость архитектуры, когда каждая новая деталь совместима со старыми и легко устанавливается в компьютере, также легко осуществляется его модернизация;
большое количество программных средств для различных областей применения, во многих случаях обеспечивающих принятие человеком решений;
совместимость на программном и физическом уровне новых версий и моделей;
высокая надежность работы.
Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются модели клона (архитектуры определенного направления) персональных компьютеров фирмы IBM. Второе место по распространимости занимают модели Macintosh фирмы Apple.
В настоящее время персональный компьютер стал «мультимедийным», т. е. обрабатывает не только текстовую и числовую информацию, но и эффективно работает со звуком и изображением. Это стало возможным как благодаря появлению новых моделей микропроцессоров, так и благодаря:
новым звуковым платам, обеспечивающим цифровую обработку аудиосигналов;
дешевым графическим платам, с помощью которых на экран выводятся качественные изображения с несколькими миллионами оттенков цветов;
■ дешевым и качественным сканерам и принтерам.
Существенное удешевление персонального компьютера за последние два года сделало его общедоступным предметом обихода. Наряду с этим, оснастив некоторые модели соответствующими программами и устройствами, можно превратить его или в рабочую станцию, или в многопользовательскую ЭВМ, или в сервер и пр. Гибкость архитектуры персональных компьютеров обеспечивает ее адаптивность к разнообразным вменениям в сфере управления, науки, образования, в быту.
ПОРТАТИВНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ
Портативные компьютеры являются в настоящее время самыми престижными в мире. Название этого класса компьютеров происходит от латинского слова «porto» - «ношу» и означает, что эти компьютеры легко переносимы. Они часто оформлены в виде чемоданчиков или папок и, в свою очередь, делятся на несколько типов. Самый распространенный и привычный ноутбук («note book» — англ.) — блокнотный персональный компьютер. Он имеет высокое быстродействие; большой, четкий и яркий экран дисплея; малое энергопотребление, т. к. его источником является батарея. Если же портативный компьютер предназначен только для работы в дороге и является дополнением к основному настольному, то он должен иметь хороший модем, более длительное время работы от батареи, значительно меньший вес. Ни в какой другой компьютерной технике не достигается больше компромиссов, чем в ноутбуках!
Современные блокнотные компьютеры снабжены жесткими дисками большой емкости, имеют отсеки для подсоединения CD-ROM, приемлемый вес. Однако, как и у любого товара широкого потребления, у этих компьютеров должна быть доступная цена.
Существует множество типов портативных компьютеров. Например, в качестве манипулятора используют не мышь, а другое устройство указания. Иногда эти функции выполняет сенсорный экран, где команда вводится в соответствии с местом прикосновения.
Другой тип — очень маленькие портативные компьютеры, всего до 200 г, — органайзеры (англ. — «organizer») — электронные записные книжки. Они фактически являются лишь электронными устройствами, т. к. не имеют собственного процессора, но благодаря своим функциональным возможностям относятся к данному классу.
ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ
Эти компьютеры предназначены для использования в производственных условиях. Они встраиваются в технологический процесс производства какой-нибудь продукции, осуществляют управление технологическими линиями и станками. С их помощью управляют самолетами и поездами, проводят исследования и испытания новых приборов, механизмов, устройств. Это неотъемлемая часть производственного цикла.
Учитывая их важную роль в производстве, к ним предъявляются повышенные требования по надежности безотказной работы, устойчивости к различным колебаниям параметров окружающей среды (температуре, вибрации, пыли и пр.). Поэтому обычные персональные компьютеры не могут использоваться как промышленные.
При их изготовлении придерживаются стандарта, называемого евромеханикой, где учитываются все необходимые требования. Например, микропроцессор изготавливается по специальной технологии в специальном корпусе. Промышленный компьютер, собранный по этому стандарту, может использовать платы различных производителей.