4. Классификация и краткий обзор современных компьютеров

Современные компьютеры можно разбить на 4 основных класса.

• Суперкомпьютеры.

• Универсальные компьютеры общего назначения (Mainframe).

• Миникомпьютеры.

• Микроконтроллеры.

Суперкомпьютеры

Суперкомпьютеры находятся на верхушке компьютерной пирамиды. Они необходимы для работы с приложениями, требующими производительности даже не в миллиарды, а триллионы, квадриллионы и даже квинтиллионы операций с плавающей запятой в секунду.

Создать такие компьютеры на одном микропроцессоре невозможно. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде многопроцессорных вычислительных систем с высоким параллелизмом выполнения вычислительных операций.

Суперкомпьютеры могут включать в себя десятки и сотни тысяч микропроцессоров. Оперативная память в современных суперкомпьютерах достигает 100 и более Гбайт (в Sequoia предусматривается оперативная память емкостью более терабайта), при внешней памяти до 10 и более Тбайт (1 Тбайт – 10¹² байт).

В суперкомпьютерах используется весь арсенал параллельной обработки информации для достижения основной цели, которая позволяет их выделять в отдельный класс компьютеров.

Самые мощные современные суперкомпьютеры уже преодолели уровень производительности равный 1 петафлопсу (10¹⁵ операций с плавающей запятой в секунду). Конечно, надо иметь в виду, что наряду с огромной производительностью, максимальным объемом оперативной и внешней памяти, суперкомпьютеры, как правило, имеют свое специализированное программное обеспечение для решения задач, позволяющих распараллеливание алгоритма обработки информации.

Список 500 самых мощных суперкомпьютеров мира два раза в год публикуется в Интернете (TOP 500 Supercomputers).

Самым мощным суперкомпьютером в России является суперкомпьютер «Ломоносов», установленный в МГУ. В последней редакции списка TOP 500 он занимает 13 место. Пиковая производительность этого компьютера составляет 1,37 петафлопс, реальная максимальная – 674 терафлопс.

Mainframe

Универсальные компьютеры общего назначения или, как их называют в западных странах, “Mainframe” (главная рама), в не таком уже далёком прошлом были основным типом выпускаемых компьютеров. К этому типу компьютеров относились, например, первый американский компьютер «ENIAC», и наши компьютеры серии МЭСМ, БЭСМ, М-20 и др. Пик их развития пришелся где-то на 60-70 годы XX века. В это время в массовом масштабе выпускались знаменитые американские компьютеры фирмы IBM семейства IBM 360/370, а также наши компьютеры семейства ЕС ЭВМ.

В это время основной идеологией вычислительных технологий была концентрация вычислительных средств в общем центре, и развитие периферии под крышей мощных вычислительных центров. Эта тенденция оправдывала постоянное увеличение мощности компьютеров, не особенно считаясь с их стоимостью. Но то, что устраивало крупные предприятия и госучреждения никак не годилось для предпринимателей средней руки, небольших офисов. Мощности этих компьютеров для них были излишними, а стоимость слишком высока. Возить же программы для отладки и обработки на крупные вычислительные центры становилось также очень неудобно. Как один из выходов предлагался и реализовывался способ развития удаленных терминалов на базе компьютеров с разделением времени, которые устанавливались в таких малых предприятиях и офисах. Однако это развитие не получило широкого распространения ввиду появления другого выхода из этой ситуации – появление небольших но достаточно мощных и недорогих так называемых мини-компьютеров.

И вот в 80 годах производство мини-компьютеров стало преобладать, особенно после появления персональных компьютеров. И в конце 80 годов стали поговаривать, что класс компьютеров «Mainframe» обречен на вымирание. Дело осложнялось еще тем, что компьютеры эти той поры представляли собой закрытые (замкнутые) системы, т.е. ориентированные на образование вычислительных комплексов из аппаратных и программных средств, созданных специально под эти комплексы и не приспособленных к связи таких комплексов в единую систему. В то время как новая разновидность компьютеров – мини-компьютеры очень легко объединялись друг с другом через соответствующие

интерфейсы, образуя мощные системные комплексы.

И только, когда в 1991 году корпорация IBM объявила о выпуске компьютеров с архитектурой ESA/390 (Enterprise System Architecture – архитектура систем масштаба предприятия), компьютеры типа Mainframe стали отвоевывать свои позиции. Основное достоинство этой архитектуры – ее открытость, т.е. возможность объединятся с другими компьютерами в мощные вычислительные системы. Это позволяет использовать такие компьютеры в качестве центров интеграции неоднородного вычислительного комплекса. ESA предполагает совместную работу со всеми альтернативными системами в рамках единого комплекса и одновременно реализует ряд специфических функций, которые обеспечивают Mainframes центральное место в подобных системах.

Мини-компьютеры

Развитие мини-компьютеров началось с того, что в начале 70 годов молодые и честолюбивые компании, такие как DEC (Digital Equipment Corporation), стали выпускать сравнительно небольшие компьютеры, которые в 70 и начале 80 годов называли компактными универсальными ЭВМ. Они были рассчитаны на решение широкого круга задач но, в отличие от Mainframe'ов, имели упрощенную организацию и, как следствие, на порядок меньшую стоимость. Эти компьютеры оказались прекрасно приспособленными для приложений, не требующих большой производительности, достаточно дешевых и не требующих специальных условий эксплуатации. Этот класс компьютеров в дальнейшем специализировался главным образом в четырех направлениях:

• персональные компьютеры;

• серверы;

• рабочие станции;

• промышленные мини-компьютеры.

Персональные компьютеры.

Основной, массовой разновидностью мини-компьютеров являются в настоящее время персональные компьютеры ПК (Personal computer - PC). (Заметим, кстати, что аббревиатура PC относится только к персональным компьютерам корпорации IBM, а также компьютеров, совместимых с ними).

В настоящее время ПК составляют основную массу мини.

Персональные компьютеры, которые в настоящее время имеются на рынке, принято подразделять на:

- стационарные (настольные) ПК;

- портативные (переносные) ПК.

Современные Портативные или мобильные персональные компьютеры можно разделить на ПК следующего типа:

- Notebook (блокноты), весом порядка 1,0 кг и менее. Оформляются они обычно в виде небольшого чемоданчика, или папки для бумаг. В настоящее время их производство получило наиболее широкое развитие.

- Tablet PC (планшетные ПК), имеющие размер с небольшую книгу или блокнот.

- Palmtop (наладонные, карманные - КПК), размером, например, 100×60×15 мм и весом 100…300 г.

В настоящее время получают все большее распространение комбинации портативных ПК (планшетных и КПК) с мобильными телефонами, так называемые смартфоны (smartphone – умный телефон), и коммуникаторы (Communicator). Разница между ними только в том, в какой пропорции фирма-изготовитель закладывает в них особенности устройства связи и особенности портативного компьютера.

Серверы

Серверы (Server) локальных и региональных компьютерных сетей – это высокопроизводительные мини-компьютеры, которые служат как бы узловыми точками переприема запросов в информационной сети, а также для хранения некоторой общей информации. Такого типа серверы могут использоваться и как серверы глобальных сетей, однако в последнем случае чаще всего используются компьютеры типа Mainframe. Надо сказать, что понятие сервер во многом функциональное, так что в простых локальных сетях в качестве серверов могут использоваться и обычные ПК. Но все-таки в качестве серверов достаточно серьезных сетей используются более мощные и надежные мини-компьютеры с увеличенным объемом оперативной и внешней памяти.

Рабочие станции

К рабочим станциям (workstation – WKS) относятся мини-компьютеры повышенной производительности, ориентированные на эффективное использование в инженерной практике (САПР, системы обработки изображений и пр.). Рабочие станции обычно имеют мощный центральный процессор с производительностью до 10000 MIPS и больше, ОЗУ емкостью до нескольких десятков гигабайт и внешнюю дисковую память емкостью в сотни гигабайт и даже несколько терабайт. Кроме того, они, как правило, включают в себя расширенный набор периферийных устройств. Обычно они имеют графический монитор с высокой разрешающей способностью (не менее 1800×1440 точек), мощные принтеры и сканеры, а также различные устройства манипуляции. Интересно, что спрос на эти профессиональные системы растет непрерывно и, главное, 75% распродаж приходится на долю таких далеких от науки и техники пользователей, как финансовые, страховые и медицинские компании.

Промышленные мини-компьютеры

Еще одно направление в области мини-компьютеров представляет собой мини-компьютеры, специально предназначенные для управления производственными процессами в условиях промышленного предприятия. Они представляют собой набор модулей мини-компьютера (CPU, ЗУ, Chip-Set, периферийного оборудования и т.п.), изготавливаемых в виде особо надежных и прочных конструкций плат модулей. Их набор, в специальных фрейм-каркасах, дает возможность создавать мини-компьютеры различной конфигурации, специально приспособленные для работы в тяжелых промышленных условиях.

Надо отметить, что часто такого класса мини-компьютеры относят к типу промышленных контроллеров, поскольку, в основном, они служат для автоматического управления технологическими процессами и используются без установки мониторов.

Микроконтроллеры

Микроконтроллером – МК или однокристальной ЭВМ – ОЭВМ, называют вычислительную систему, реализованную на одном кристалле кремния, т.е. в виде одной интегральной микросхемы, ориентированную, как правило, на выполнение алгоритмов цифрового управления различными объектами или процессами.

Современный микроконтроллер может содержать в себе:

---Центральный процессор (основной узел обработки информации и выработки управляющих сигналов системы);

---Внутреннюю постоянную и оперативную память (для хранения исходной, а также промежуточной информации и результатов ее обработки);

---Таймеры (для генерирования, а также возможности измерения интервалов времени);

---Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) (для преобразования входной аналоговой информации в цифровую, с которой работает процессор);

---Широтно-импульсные модуляторы (ШИМ) (для генерирования широтно-модулированных аналоговых сигналов при управлении электродвигателями и другими аналоговыми исполнительными устройствами);

---Модули обработки событий (представленных входными импульсными сигналами);

---Контроллеры прерываний (для эффективного восприятия внешних событий требующих внимания процессора);

---Параллельные и последовательные порты ввода/вывода (для связи микроконтроллера с внешней средой – управляемым процессом, объектом);

и многое другое.

Таким образом, на базе одной микросхемы – микроконтроллера, с добавлением минимального количества дополнительных компонентов, можно построить многофункциональную цифровую управляющую систему.

Они все больше и больше внедряются и в периферийные устройства самих компьютеров, как контроллеры управления внешних запоминающих устройств, клавиатур, принтеров, сканеров, модемов и пр.

Причем, современные МК имеют производительность десятки и сотни MIPS и оперируют 8,16 и даже 32 разрядными операндами. То есть по сложности эквивалентны большим вычислительным машинам недавнего прошлого.

Следует заметить, что кроме рассмотренной классификации, иногда рассматривают классификацию по признаку универсальности их применения.

Так различают:

---Универсальные компьютеры, предназначенные для широкого применения, с примерно равной степенью эффективности использования для решения задач самого различного класса задач.

---Проблемно-ориентированные компьютеры, предназначенные для эффективного решения определенного класса задач, хотя в то же время, с несколько меньшей производительностью их можно использовать и для решения задач любого класса.

---Специализированные компьютеры, предназначенные для эффективного решения сравнительно узкого класса задач и приспособленного для использования только в пределах этого класса задач. Зато они обладают более простой структурой, дешевизной производства и максимальной производительностью в пределах разрешенной области.