Большие эвм (Main Frame)
Применялись для обслуживания крупных областей народного хозяйства. Они характеризовались высоким быстродействием ,многопользовательским режимом работы. Доминирующее положение в выпуске компьютеров такого класса занимает фирма IBM (США). Наиболее известными моделями больших ЭВМ являлись: IBM 360, IBM 370, IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000.
На базе больших ЭВМ создавались вычислительные центры, которые содержали несколько отделов или групп. Штат обслуживания - десятки людей.
МиниЭвм
Похожи на большие ЭВМ, но меньших размеров. Работали на крупных предприятиях, научных учреждениях и организациях. Часто использовалась для управления производственными процессами. Характеризовались мультипроцессорной архитектурой, подключением до 200 терминалов, наращиваемыми дисковыми запоминающими устройствами, , разветвленной периферией. Для организации работы с миниЭВМ, был нужен вычислительный центр, но меньший чем для больших ЭВМ.
Мини-ЭВМ в осеовном ориентировались на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополнялась блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой.
Наряду с использованием для управления технологическими процессами, мини-ЭВМ применялись для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.
Родоначальником современных мини-ЭВМ можно считать компьютеры PDP-11 (Program Driven Processor – программно-управляемый процессор) фирмы DEC (Digital Equipment Corporation – Корпорация дискретного оборудования, США), они явились прообразом и наших отечественных мини-ЭВМ – Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): CM 1, 2, 3, 4, 1400, 1700 и др.
МикроЭвм
Доступны многим учреждениям. Для обслуживания достаточно вычислительной лаборатории в составе нескольких человек, с наличием прикладных программистов. Необходимые системные программы покупаются вместе с микроЭВМ, разработку прикладных программ заказывают в больших вычислительных центрах или специализированных организациях.
Персональные компьютеры
Персональный компьютер для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности должен иметь следующие характеристики:
малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
гибкость архитектуры, обеспечивающую ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;
«дружественность» операционной системы и прочего программного обеспечения, обуславливающую возможность работы с ней пользователя без специальной подготовки;
высокую надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).
Персональные компьютеры можно классифицировать по ряду признаков
Классификация ПК по конструктивным особенностям показана на рис. 1.6.
Рис. 1.6 Классификация персональных компьютеров по конструктивным особенностям
Переносные компьютеры
Переносные компьютеры – быстроразвивающийся подкласс персональных компьютеров.
Большинство переносных компьютеров имеет автономное питание от аккумуляторов, но может подключаться и к сети.
В качестве видеомониторов у них применяются плоские жидкокристаллические дисплеи.
Жидкокристаллические дисплеи (LCD – Liquid Crystal Display) бывают с активной и пассивной матрицами.
В пассивной матрице каждый элемент экрана (пиксель – picture element) выбирается на пересечении координатных управляющих прозрачных проводов, а в активной – для каждого элемента экрана есть свой управляющий провод.
Дисплей с активной матрицей более сложный и дорогой, но обеспечивает лучшее качество: большие динамичность, разрешающую способность, контрастность и яркость изображения.
Портативные рабочие станции – наиболее мощные и крупные переносные ПК. Они оформляются часто в виде чемодана и носят жаргонное название Nomadic – кочевник. Их характеристики аналогичны характеристикам стационарных ПК-рабочих станций.
По существу, это обычные рабочие станции, питающиеся от сети, но конструктивно оформленные в корпусе, удобном для переноса, и имеющие, как и все переносные ПК, плоский жидкокристаллический дисплей. Nomadic обычно имеют модемы и могут оперативно подключаться к каналам связи для работы в вычислительной сети.
Этот тип переносных компьютеров может эффективно использоваться для выездных презентаций, особенно при наличии средств мультимедиа, но может с успехом применяться и в стационарном варианте, позволяя экономить место на рабочем столе.
Портативные (наколенные) компьютеры типа «LapTop» оформляются в виде небольших чемоданчиков размером с «дипломат. Аппаратное и программное обеспечение позволяет им успешно конкурировать с лучшими стационарными ПК.
Компьютеры-блокноты (NoteBook и SubNoteBook, их называют также и OmniBook – «вездесущие») выполняют все функции настольных ПК. Конструктивно они оформлены в виде миниатюрного чемоданчика (иногда со съемной крышкой) размером с небольшую книгу. По своим характеристикам во многом совпадают с LapTop, отличаясь от них лишь размерами и несколько меньшими объемами оперативной и дисковой памяти.
Многие модели компьютеров-блокнотов имеют модемы для подключения к каналу связи и соответственно к вычислительной сети. Некоторые из них для дистанционного беспроводного обмена информацией с другими компьютерами оборудованы радиомодемами и оптоэлектронными инфракрасными портами. Питание NoteBook осуществляется от портативных аккумуляторов, обеспечивающих автономную работу в течение 3-4 ч (а в случае использования ионолитиевых аккумуляторов – до 12 ч).
Карманные компьютеры (PalmTop, что значит «наладонные») имеют массу около 300 г; типичные размеры в сложенном состоянии – 150х80х25 мм. Это полноправные персональные компьютеры, имеющие микропроцессор, оперативную и постоянную память, обычно монохромный жидкокристаллический дисплей, портативную клавиатуру, порт-разъем для подключения в целях обмена информацией к стационарному ПК.
Электронные секретари, Электронные записные книжки и т.д.(organizer – органайзеры). На сегодняшний день семейство микроЭвм постоянно пополняется новыми разновидностями: ридерами, переводчиками и т.д. На сегодняшний порой уже трудно отличить «навороченный « телефон от слабенького ПК и эта разница неуклонно уменьшается
Серверы
Особую интенсивно развивающуюся группу ЭВМ образуют многопользовательские компьютеры, используемые в вычислительных сетях, – серверы. Серверы обычно относят к микроЭВМ, но по своим характеристикам мощные серверы скорее можно отнести к малым ЭВМ и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы приближаются к суперЭВМ.
Сервер – выделенный для обработки запросов от всех станций вычислительной сети компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.) и распределяющий эти ресурсы. Такой универсальный сервер часто называют сервером приложений.
Серверы в сети часто специализируются. Специализированные серверы используются для устранения наиболее «узких» мест в работе сети: создание и управление базами данных и архивами данных, поддержка многоадресной факсимильной связи и электронной почты, управление многопользовательскими терминалами (принтеры, плоттеры) и др.
Файл-сервер (File Server) используется для работы с файлами данных, имеет объемные дисковые запоминающие устройства, часто на отказоустойчивых дисковых массивах RAID емкостью до 1 Тбайта.
Архивационный сервер (сервер резервного копирования, Storage Express System) служит для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях, использует накопители на магнитной ленте (стримеры) со сменными картриджами емкостью до 5 Гбайт. Обычно выполняет ежедневное автоматическое архивирование со сжатием информации от серверов и рабочих станций по сценарию, заданному администратором сети (естественно, с составлением каталога архива).
Факс-сервер (Net Satiafaxion) – выделенная рабочая станция для организации эффективной многоадресной факсимильной связи с несколькими факс модемными платами, со специальной защитой информации от несанкционированного доступа в процессе передачи, с системой хранения фоновых 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) предназначен для эффективного использования системных принтеров.
Сервер телеконференций имеет систему автоматической обработки видео изображений и др.
Типы микропроцессоров
Если первоначально именно наличие МП служило признаком микроЭВМ, то сейчас МП используются во всех без исключения классах ЭВМ.
Все микропроцессоры можно разделить на группы:
- Микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;
- Микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;
- Микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;
- Микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.
Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой используется с 1964 года и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000.Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC – Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.
МП типа CISC– Complete Instruction Set Computer
Микропроцессор CISC использует набор машинных инструкций, полностью соответствующий набору команд языка ассемблера. Вычисления разного типа в нем могут выполняться различными командами, даже если они приводят к одному результату (например, умножение на два и сдвиг на один разряд влево). Такая архитектура обеспечивает разнообразные и мощные способы выполнения вычислительных операций на уровне машинных команд, но для выполнения каждой команды обычно требуется большое число тактов процессора.
Для CISC-процессоров характерно:
* сравнительно небольшое число регистров общего назначения;
* большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов;
* большое количество методов адресации;
* большое количество форматов команд различной разрядности;
* преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.
Большинство современных ПК типа IBM PC используют МП типа CISC. В CISC-микропроцессоре набор команд очень богат, и довольно сложную задачу можно выполнить одной командой. Например в Intel-системе одной командой можно скопировать целую строку символов. Однако именно богатый набор команд стал традиционным источником определенных ограничений этой архитектуры, которые приводят к тому, что отдельные команды могли выполняться в несколько тактов. Этот недостаток особенно очевидно проявлялось в архитектуре 386, где команды часто выполнялись за два, а то и за четыре такта. Процессоры Intel 486, Pentium Pro, по своей производительности уже приближались к RISC-процессорам.
Примечание. В программах решения многих задач содержится большое число условных передач управления. Если процессор может заранее предсказывать направление перехода (ветвления), то его производительность значительно возрастает за счет оптимизации работы вычислительных конвейеров. В МП Pentium Pro вероятность правильного предсказания 90% против 80% у МП Pentium.
МП типа RISC – Reduced Instruction Set Computer.
Зачатки этой архитектуры уходят своими корнями к компьютерам CDC6600, разработчики которых (Торнтон, Крэй и др.) осознали важность упрощения набора команд для построения быстрых вычислительных машин. Эту традицию упрощения архитектуры С. Крэй с успехом применил при создании широко известной серии суперкомпьютеров компании Cray Research.
Среди других особенностей RISC-архитектур следует отметить наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8 – 16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные.
Для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.
Микропроцессоры с архитектурой RISC ( Reduced Instruction Set Computers ) используют сравнительно небольшой (сокращённый ) набор наиболее употребимых команд, определённый в результате статистического анализа большого числа программ для основных областей применения CISC (Complex Instruction Set Computer )- процессоров исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объеме оборудования. Арифметику RISC- процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить тактовую частоту ( значит, и производительность ) компьютера; чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC - процессоры с самого начала ориентированны на реализацию всех возможностей ускорения арифметических операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC - процессорах. Поэтому RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд и высокопроизводительней, несмотря на больший объем программ, на ( 30 % ). Существует 4 основных принципа RISC :
1. Любая операция должна выполняться за один такт, вне зависимости от ее типа.
2. Система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых простейших инструкций одинаковой длины.
3. Операции обработки данных реализуются только в формате “регистр - регистр“ (операнды выбираются из оперативных регистров процессора, и результат операции записывается также в регистр; а обмен между оперативными регистрами и памятью выполняется только с помощью команд загрузки\записи ).
4. Состав системы команд должен быть “ удобен “ для компиляции операторов языков высокого уровня
Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Именно современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большего регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд. Современные компиляторы используют также преимущества другой оптимизационной техники для повышения производительности, обычно применяемой в процессорах RISC: реализацию задержанных переходов и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд.
Если бы все действительно было так хорошо, то RISC-процессоры вытеснили бы Intel, однако этого не происходило из-за их “рискового” характера. МП типа RISC имеют очень высокое быстродействие, но программно не совместимы с СISC-процессорами. При выполнении программ, разработанных для ПК РС, они могут лишь эмулировать СISC на программном уровне, что резко снижает производительность.
На рынке RISC-систем не было совместимости, как у микропроцессоров Intel. Почти се известные фирмы разработали по несколько вариантов микросхем RISC, что привело к анархии. На рынке присутствовали десятки разных RISC-процессоров, каждый из которых работал под управлением собственной операционной системы. Для того, чтобы вкладывать большие средства в RISC-системы, разработчики должны были увидеть жизнеспособный рынок, конечные пользователи иметь широкую номенклатуру приложений.
Как бы там ни было, сейчас RISC-архитектуры в абсолютном меньшинстве. Да и компании, которые изначально слыли приверженцами RISC-концепции, так или иначе объявили, что собираются делать ставку на новые идеи, иными словами - на post-RISC-процессоры. Речь идет в первую очередь о компаниях Sun и HP, хотя и анонсировавших новые RISC-процессоры для своих серверов, но говорить о каком бы то ни было качественном прогрессе этих архитектур не приходится. Дело в том, что новые процессоры будут не только использовать шасси предыдущих серверных решений и, как следствие, смогут быть установлены в них в качестве upgrade-блоков, но и в полной мере сохранят все предыдущие наработки, за минимальным числом нововведений. Главная черта современных RISC-процессоров - двухъядерность, дающая процессорам весьма ощутимый рост производительности.
Резюме:
МП типа RISC содержат только набор простых, часто встречающихся в программах команд. При необходимости выполнения более сложных команд в МП производится их автоматическая сборка из простых. За счет наложения и параллельного выполнения команд все RISC-архитектуры могут обеспечивать быстродействие, равное тактовое частот, т.е. одна команда за один такт.
Основные отличия CISC и RISC архитектур
Основные отличия между CISC- и RISC-архитектурами кроются в различном количестве и уровнях сложности машинных команд. В классических реализациях архитектуры CISC их много, и они зачастую семантически нагружены, аналогично операторам высокоуровневых языков программирования. RISC-команды, напротив - много проще и, как следствие, для эффективного выполнения требуют весьма скрупулезной оптимизации первичного программного кода. Впрочем, сегодня грань между этими архитектурами становится все менее четкой и в ближайшем будущем, вероятно, вообще исчезнет.
Микропроцессоры типа VLIW
В попытке достижения компромисса между CISC и RISC были созданы микропроцессоры типа VLIW. Хотя идеи VLIW сформулированы уже давно, до настоящего времени они были известны в основном специалистам в области компьютерных архитектур. Имеющиеся реализации, например, VLIW Multiflow, не получили широкого распространения. Пожалуй, единственными популярными процессорами, архитектура которых близка к VLIW, была линия AP-120B/FPS-164/FPS-264 компании Floating Point Systems, которые в 80-е годы активно применялись при проведении научно-технических расчетов.
Если с RISC и CISC все более или менее понятно, то прошедшая пик популярности VLIW-архитектура "по молодости лет" остается в некотором роде загадкой. VLIW фактически подразумевает создание одного "большого" и в некотором роде виртуального процессора из параллельной группы "маленьких". Новизны бы здесь не было никакой, если бы не программный способ этого объединения - за его формирование отвечает генератор кода компилятора. Архитектурные особенности вынуждают разработчиков использовать в качестве "подпроцессоров" RISC-машины: только механизм load/store позволяет "упаковать" в одно длинное слово команды группу подкоманд, выполняющихся подпроцессорами.
Команда в этих системах содержала ряд полей, каждое из которых управляло работой отдельного блока процессора, так что все командное слово определяло поведение всех блоков процессора. Однако длина команды в FPS-х64 была равна всего 64 разрядам, что по современным меркам никак нельзя отнести к сверхбольшим.
Выделение в архитектуре VLIW компонентов командного слова, управляющих отдельными блоками МП, вводит явный параллелизм на уровень команд. Задача обеспечения эффективного распараллеливания работы отдельных блоков возлагается при этом на компилятор, который должен сгенерировать машинные команды, содержащие явные указания на одновременное исполнение операций в разных блоках. Таким образом, достижение параллелизма, обеспечиваемое в современных суперскалярных RISC-процессоров их аппаратурой, в VLIW возлагается на компилятор. Очевидно, что это вызывает сложные проблемы разработки соответствующих компиляторов. При этом распараллеливание работы происходит статически при компиляции, в то время как современные суперскалярные RISC-процессоры осуществляют это динамически.
MISC против RISC против CISC
MISC ( Компьютер с Минимальным Набором Команд ) - дальнейшее развитие идеи, состоящей в том, что принцип "простоты", изначальный для RISC процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Между тем очевидны многие проблемы RISC архитектуры:
а. RISC команды всё ещё медленны. Используется многоступенчатый конвейер для их выполнения. Однако всякий раз при ветвлении программы конвейер сбрасывается и заполняется заново. Большинство ухищрений по выделению новых ступеней конвейера и предсказанию ветвлений уже исчерпали себя.
б. С увеличением быстродействия растёт разрыв между быстрым процессором и медленной памятью. Для увеличения скорости доступа к памяти необходимо использовать кеш память для буферизации потоков данных и команд. Кеш память вносит свою гамму проблем и удорожает систему в целом.
в. RISC процессоры очень неэффективны на операциях вызова и возврата подпрограмм. Эффективность этого механизма критична для языков высокого уровня. Многие RISC процессоры используют большой регистровый файл с окнами для облегчения вызова подпрограмм. Однако, окно должно быть достаточно большое для сохранения локальных данных. Большой регистровый файл - это потеря наиболее драгоценных ресурсов процессора и замедление при переключении контекста на его сохранение и восстановление.
По мнению авторов этой концепции сокращение набора команд является эффективным шагом по повышению производительности. Они исследовали вопрос достижения высокой производительности с ограничением на максимальную простоту. Авторы MISC процессора пришли к выводу, что число команд должно быть в районе 32-х, и использовали для их кодировки 5-и разрядное поле команды.