3.1. 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:

• принципу действия; □ этапу создания и элементной базе; □ назначению;

• способу организации вычислительного процесса; □ размеру, □ вычислительной мощности; функциональным возможностям; □ способности к параллельному выполнению программ и т. д.

1 . По принципу действия вычислительные машины делятся на три класса (рис.4):

□ аналоговые (АВМ); □ цифровые (ЦВМ); □ гибридные (ГВМ).

Рис.4. Классификация вычислительных машин по принципу действия

Критерием деления ВМ на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (рис.5).

Р ис.5. Две формы представления информации в машинах

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

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

ГВМ — гибридные вычислительные машины — 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.

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

2. По этапам создания и элементной базе ЭВМ 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 (тысячи транзисторов в одном корпусе).

□ 4-е, 80-90-е: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах, основная из которых — микропроцессор (сотни тысяч — десятки миллионов в кристалле).

ПРИМЕЧАНИЕ ---------------------------------------------------------------------------------------------------

Большие интегральные схемы столь плотно упаковывают активные элементы, что все электронное оборудование компьютера 1-го поколения (монстра, занимавшего зал площадью 100-150 кв. м) размещается сейчас в одном микропроцессоре площадью 1,5-2 кв. см. Расстояния между активными элементами в сверхбольшой интегральной схеме составляют 0,15-0,25 микрона (для сравнения, толщина человеческого волоса составляет несколько десятков микрон).

□ 5-е поколение, настоящее время: компьютеры с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.

□ 6-е и последующие поколения: это возможно будут оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

ПРИМЕЧАНИЕ. Каждое следующее поколение компьютеров имеет по сравнению с предшествующим ему существенно лучшие характеристики. Так, производительность компьютеров и емкость всех запоминающих устройств увеличивается, как правило, больше чем на порядок.

3 . По назначению компьютеры можно разделить на три группы (рис.6):

● универсальные (общего назначения);

● проблемно-ориентированные;

● специализированные.

Универсальные компьютеры предназначены для решения самых различных инженерно-технических, экономических, математических, информационных и т. д. задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они используются в ВЦ коллективного пользования и 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 (арифметических, логических, специальных);

• большая емкость оперативной памяти;

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

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

Специализированные компьютеры предназначены 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.

4. По размерам и вычислительной мощности компьютеры можно разделить (рис.7) на сверхбольшие (суперкомпьютеры, суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микрокомпьютеры или микроЭВМ).

Рис.7. Классификация компьютеров по размерам и вычислительной мощности

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

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

□ разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует компьютер;

□ 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 компьютера между собой (тип внутримашинного интерфейса);

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

□ 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 вычислительной сети;

□ эксплуатационная надежность компьютера;

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

Некоторые сравнительные параметры классов современных ЭВМ в табл. 2.

Таблица 2. Сравнительные параметры классов современных компьютеров

Параметры	Класс компьютера
	Супер-	Большие	Малые	Микро-
	компьютеры	компьютеры	компьютеры	компьютеры
Производительность, MIPS	1000-1000000	100-10000	10-1000	10-100
Емкость ОП, Мбайт	2000-100000	512-10000	128-2048	32-512
Емкость ВЗУ, Гбайт	500-50000	100-10000	20-500	10-50
Разрядность, бит	64-256	64-128	32-128	32-128

Примечание. MIPS — миллион операций в секунду над числами с фиксированной запятой.

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

Первая большая ЭВМ ЭНИАК (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 огромный зал, площадью около 150 кв. м.

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 создания суперкомпьютеров, самых мощных ВС, интенсивно развивающихся и в настоящее время. Появление в 70-х годах малых компьютеров обусловлено, 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.