Компьютер как вычислитель лекция

Обновлено: 02.07.2024

ALMAMAT – образовательный IT-стартап, обучающий по методологии Crowd Learning & Lean Education. Обучение в ALMAMAT ориентировано на быстрое трудоустройство/аутсорсинг. Блог компании помогает новичкам сориентироваться в мире IT. В одном из предыдущих IT-ликбез постов мы разбирались с устройством компьютера. Сейчас посмотрим, как в общих чертах работает компьютер.

Компьютер – буквально «вычислитель»

Он производит последовательности вычислений и так манипулирует данными. Вычисление – это математическое преобразование входящего потока данных в исходящий.

Компьютер выполняет инструкции программ. Для этого он обрабатывает заданную изменяемую последовательность операций.

Два вопроса. Что собой представляет информация? Как ее обрабатывает машина?

Программы пишут на высокоуровневых языках программирования. Это когда текст исходного кода похож на строки англоязычного текста. Читая качественный исходный код, программист может сразу понять, что это и как работает. Компьютер читает программу по-своему. Софт под называнием транслятор (это может быть компилятор или интерпретатор) переводит понятный человеку код высокого уровня в машинный код (то есть команды из последовательностей единиц и нулей). Компиляция кода производится под особенности операционных системы, поэтому вас и спрашивают про ОСь перед загрузкой установочного файла.

Современные компьютеры массового рынка представляют информацию в виде двоичного кода (бинарного), состоящего из битов информации – 1 и 0. Бит отражает значение сигнала: 1 или 0, да или нет, истина или ложь, включено или выключено, заряжено или разряжено, есть ток или нет тока и т. д.

Как работают жесткий диск, процессор и оперативная память?

Постоянно все файлы и программы хранятся на жестком диске, накопителе информации. Его еще называют HHD и винчестер. Под корпусом 3 элемента:

1. Электромотор

Он непрерывно вращает диск с высокой скоростью, пока компьютер работает в любом режиме.

2. Непосредственно круглый жесткий диск (или несколько)

С сотнями тысяч дорожек для хранения данных и 12 секторами. Он сделан из металлического сплава и покрыт ферромагнитным слоем (с магнитными свойствами).

3. «Коромысло» / Шпиндель

Его головка намагничивает ферромагнитный слой: считывает и записывает информацию. Управляет коромыслом интегральная схема снаружи корпуса.

Как все записывается на жесткий диск? При подаче электрического тока жесткий диск движется под головкой шпинделя. В зазоре возникает магнитное поле. Головка намагничивает миллиарды микроскопических областей кристалла в ферромагнитном слое – ячейки памяти. В зависимости от электрического сигнала их «магнитный момент» оказывается в состоянии 1 или 0.

Мы вернулись к тому, с чего начали. Абсолютно все, что вы делаете, машина воспринимает как биты информации (1 или 0), как команды в виде двоичного (бинарного) кода. Что такое 1 и 0 в машинном коде? Заряженная ячейка памяти или разряженная.

Программы, загружаемые с винчестера, дают команды процессору (микросхеме с кремниевыми транзисторами). Он делает вычисления и возвращает информацию. Но не напрямую, а через оперативная память (запоминающее устройство, ОЗУ). Она временная, сбрасывается при отключении электропитания, потому что конденсаторы ОЗУ быстро теряют электрический заряд.

Широко используется сегодня модуль DRAM, разновидность устройства оперативной памяти. Это микросхема со множеством ячеек, где временно хранится информация. У них есть адреса, по которым обращается процессор. В записи информации участвуют конденсаторы и полупроводниковые транзисторы.

В основе работы оперативной памяти тоже физика: биты данных хранятся в заряженных или разряженных ячейках полупроводникового материала. Логические 1 и 0 – это изменяемое состояние конденсатора: есть заряд или нет заряда. Конденсатор в ячейке памяти – двухполюсное токопроводящее устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

Зачем нужна оперативная память? Она хранит промежуточные данные запущенных программ. Без нее обмен между процессором и жестким диском был бы медленным. Если вы покупаете дешевый ноутбук с меньшей оперативной памятью, то потом узнаете, как медленно все «думает». От объема оперативной памяти зависит, сколько команд компьютер способен выполнять параллельно. На жестком диске данные хранятся постоянно, пока вы не сотрете их или не повредите диск. Оперативная память все забывает при выключении.

Координирует описанные процессы материнская плата, к которой подключены и жесткий диск, и оперативная память, и процессор.

Не надо пугаться того, что все это физика, электроника и математика. Можно в общих чертах один раз составить представление о том, как работает «магия» IT – информационных технологий. Как сформулировал писатель-фантаст Артур Кларк в одном из Трех законов Кларка, «любая достаточно развитая технология неотличима от магии». В следующем посте ALMAMAT Blog расскажет, то такое полупроводники. almamat blog

В связи с кризисом классической структуры ЭВМ дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) ЭВМ. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений, до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.

Термин вычислительная система появился в начале - середине 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка.

Под вычислительной системой (ВС) понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации.

Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС.

Классификация вычислительных систем

Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы.

универсальные
специализированные.

многомашинные
многопроцессорные

процессоров;
оперативной памяти;
каналов связи.

Взаимодействие на уровне оперативной памяти (ОП) сводится к программной реализации общего поля оперативной памяти, что несколько проще, но также требует существенной модификации ОС. Под общим полем имеется в виду равнодоступность модулей памяти: все модули памяти доступны всем процессорам и каналам связи.

На уровне каналов связи взаимодействие организуется наиболее просто и может быть достигнуто внешними по отношению к ОС программами-драйверами, обеспечивающими доступ от каналов связи одной машины к внешним устройствам других (формируется общее поле внешней памяти и общий доступ к устройствам ввода-вывода).

Все вышесказанное иллюстрируется схемой взаимодействия компьютеров в двухмашинной ВС, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Схема взаимодействия компьютеров в двухмашинной ВС

Ввиду сложности организации информационного взаимодействия на 1-м и 2-м уровнях в большинстве многомашинных ВС используется 3-й уровень, хотя и динамические характеристики (в первую очередь быстродействие), и показатели надежности таких систем существенно ниже.

Многопроцессорные системы (МПС) содержат несколько процессоров, информационно взаимодействующих между собой либо на уровне регистров процессорной памяти, либо на уровне ОП. Этот тип взаимодействия используется в большинстве случаев, ибо организуется значительно проще и сводится к созданию общего поля оперативной памяти для всех процессоров. Общий доступ к внешней памяти и устройствам ввода-вывода обеспечивается обычно через каналы ОП. Важным является и то, что многопроцессорная вычислительная система работает под управлением единой ОС, общей для всех процессоров. Это существенно улучшает динамические характеристики ВС, но требует наличия специальной, весьма сложной ОС.

Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве объединяемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, в которых несколько процессоров обращаются с операциями типа ”чтение” и ”запись” к одним и тем же ячейкам памяти. Помимо процессоров к ОП подключаются все процессоры ввода-вывода, средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации и доступа абонентов к ОП. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС. Опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе объединяемых процессоров (от 2 до 10). Схема взаимодействия процессоров в ВС показана на схеме рис. 2. Типичным примером массовых многомашинных ВС могут служить компьютерные сети, примером многопроцессорных ВС — суперкомпьютеры.

Рис. 2. Схема взаимодействия процессоров в ВС

однородные системы
неоднородные системы.

Неоднородная ВС включает в свой состав различные типы компьютеров или процессоров. При построении системы приходится учитывать их различные технические и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание неоднородных систем.

централизованные
децентрализованные
со смешанным управлением.

В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ, интерес к децентрализованным системам постоянно растет.

В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

территориально-сосредоточенные –это когда все компоненты располагаются в непосредственной близости друг от друга;
распределенные –это когда компоненты могут располагаться на значительном расстоянии, например, вычислительные сети;
структурно-одноуровневые –это когда имеется лишь один общий уровень обработки данных;
многоуровневые(иерархические) структуры –это когда в иерархических ВС машины или процессоры распределены по разным уровням обработки информации, некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций.

На рис. 3 представлена принципиальная схема классификации вычислительных систем.

Рис. 3. Принципиальная схема классификации вычислительных систем.

Суперкомпьютеры и особенности их архитектуры

К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду. Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропроцессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), т.к. время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд операций/с становится соизмеримым со временем выполнения одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Магистральные (конвейерные) МПВС, у которых процессор одновременно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD — Multiple Instruction Single Data).
Векторные МПВС, у которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными — однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD — Single Instruction Multiple Data).
Матричные МПВС, у которых микропроцессор одновременно выполняет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных —многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD — Multiple Instruction Multiple Data).

структура MIMD в классическом ее варианте;
параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть многопроцессорная (Multiple) MISD-архитектура;
параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопроцессорная SIMD-архитектура.

Рис. 3. Условные структуры однопроцессорной (SISD) и названных многопроцессорных ВС

Кластерные суперкомпьютеры и особенности их архитектуры

Существует технология построения больших компьютеров и суперкомпьютеров на базе кластерных решений. По мнению многих специалистов, на смену отдельным, независимым суперкомпьютерам должны прийти группы высокопроизводительных серверов, объединяемых в кластер.

Кластер - это связанный набор полноценных компьютеров, используемый в качестве единого вычислительного ресурса.

Удобство построения кластерных ВС заключается в том, что можно гибко регулировать необходимую производительность системы, подключая к кластеру с помощью специальных аппаратных и программных интерфейсов обычные серийные серверы до тех пор, пока не будет получен суперкомпьютер требуемой мощности. Кластеризация позволяет манипулировать группой серверов как одной системой, упрощая управление и повышая надежность.

Важной особенностью кластеров является обеспечение доступа любого сервера к любому блоку как оперативной, так и дисковой памяти. Эта проблема успешно решается, например, объединением систем SMP-архитектуры на базе автономных серверов для организации общего поля оперативной памяти и использованием дисковых систем RAID для памяти внешней (SMP — Shared Memory multiprocessing, технология мультипроцессирования с разделением памяти).

Для создания кластеров обычно используются либо простые однопроцессорные персональные компьютеры, либо двух- или четырех- процессорные SMP-серверы. При этом не накладывается никаких ограничений на состав и архитектуру узлов. Каждый из узлов может функционировать под управлением своей собственной операционной системы. Чаще всего используются стандартные ОС: Linux, FreeBSD, Solaris, Unix, Windows NT. В тех случаях, когда узлы кластера неоднородны, то говорят о гетерогенных кластерах.

Первый подход применяется при создании небольших кластерных систем. В кластер объединяются полнофункциональные компьютеры, которые продолжают работать и как самостоятельные единицы, например, компьютеры учебного класса или рабочие станции лаборатории.
Второй подход применяется в тех случаях, когда целенаправленно создается мощный вычислительный ресурс. Тогда системные блоки компьютеров компактно размещаются в специальных стойках, а для управления системой и для запуска задач выделяется один или несколько полнофункциональных компьютеров, называемых хост-компьютерами. В этом случае нет необходимости снабжать компьютеры вычислительных узлов графическими картами, мониторами, дисковыми накопителями и другим периферийным оборудованием, что значительно удешевляет стоимость системы.

высокая суммарная производительность;
высокая надежность работы системы;
наилучшее соотношение производительность/стоимость;
возможность динамического перераспределения нагрузок между серверами;
легкая масштабируемость, то есть наращивание вычислительной мощности путем подключения дополнительных серверов;
удобство управления и контроля работы системы.

задержки разработки и принятия общих стандартов;
большая доля нестандартных и закрытых разработок различных фирм, затрудняющих их совместное использование;
трудности управления одновременным доступом к файлам;
сложности с управлением конфигурацией, настройкой, развертыванием, оповещениями серверов о сбоях и т.п.

1 пример из «жизни» систем

память: T2-P: PC1600/PC2100/PC2700/PC3200, до 2Гб, 2 DIMM слота
память: T2-R: PC1600/PC2100/PC2700, до 2Гб, 2 DIMM слота;
материнская плата: P4P8T, Intel 865G / ICH 5, 800/533/400МГц FSB
материнская плата: P4R8T, ATI RS300/IXP200, 800/533/400MГц FSB;
видео: интегрированная 64Mб
ATI Radeon 9100, DVI, 64Mб;
слоты: одинаковы для обеих систем: PCI, AGP 8x;
сеть: 10/100Mбит/с, Wireless 802.11b WiFi
сеть: 10/100Мбит/с;
аудио: 6-канальный AC97 S/PDIF выход кнопки Audio DJ, Audio CD, FM radio studio
аудио: 6-канальный AC97 S/PDIF выход;
карты памяти: Compact Flash Type I/II, Microdrive, Memory Stick, Memory Stick Pro, Secure Digital, MultiMedia Card, Smart Media Card
карты памяти: нет;
отсеки для приводов: 3.5 FDD, 3.5 HDD, 5.25 ODD
отсеки для приводов: 3.5 FDD, 3.5 HDD, 5.25 ODD;
выходы на задней панели: 4xUSB 2.0, PS/2 клавиатура, PS/2 мышь, VGA (D-SUB), Game / MIDI, RJ-45 LAN (10/100 Мбит/с), Line-in/out, выход динамиков, FM антенна, антенна адаптера 802.11b, GIGA LAN, ТВ-тюнер
выходы на задней панели: 2xUSB 2.0, PS/2 клавиатура, PS/2 мышь, VGA (D-SUB), Game / MIDI, RJ-45 LAN(10/100 Мбит/с), Line-in/out, выход наушников, FM антенна

Blue Gene будет установлен в Ливерморскую национальную лабораторию им. Лоуренса. Основные его задачи - моделирование погодных условий и изучение космического пространства.

Blue Gene будет состоять из 130 тысяч процессоров, и его производительность будет составлять 360 терафлопс.

Чипы IBM используются в системе, неформально называемой Big Mac. PowerPC 970 состоит из 1100 двухпроцессорных компьютеров Apple G5, занимая в общем списке третью строчку, с производительностью в 10,3 триллионов операций в секунду.

Процессоры Opteron используются в 2816-процессорном кластере, и его производительность составляет 8 триллионов операций в секунду.

Интересен факт, что общая производительность 500 лучших систем растет экспоненциально, увеличиваясь в десять раз примерно каждые четыре года. Порог в 1000 терафлопов (триллионов операций в секунду) планируется достигнуть к 2005 году.

Самые прочные позиции в списке у HP или IBM: соотношение числа систем - 165 против 159 в пользу HP

Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами

Существует два основных класса компьютеров:

цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде двоичных кодов;

аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т.д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.

Поскольку в настоящее время подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, далее будем рассматривать только этот класс компьютеров и слово "компьютер" употреблять в значении "цифровой компьютер".

Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.

Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд.

Команда — это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.

Например, у команды "сложить два числа" операндами являются слагаемые, а результатом — их сумма. А у команды "стоп" операндов нет, а результатом является прекращение работы программы.

Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера.

Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

память(запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;

процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство(АЛУ);

устройство ввода;

устройство вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация. Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на схеме (рис. 2.1). Жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а простыми стрелками — пути и направления передачи управляющих сигналов.

Рис. 2.1. Общая схема компьютера

Функции памяти:

приём информации из других устройств;

запоминание информации;

выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора:

обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

программное управление работой устройств компьютера.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством(АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления(УУ).

Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.

Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами.

Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода). Логическая схема триггера описана в разделе 5.7.

Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

сумматор— регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;

счетчик команд— регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

регистр команд— регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

Компьютер" - "вычислитель") - устройство или система, способная выполнять заданную, чётко определённую, изменяемую последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчётов и манипулирования данными, однако сюда относятся и операции ввода-вывода. Описание последовательности операций называется программой.
Компьютерная система - любое устройство или группа взаимосвязанных или смежных устройств, одно или более из которых, действуя в соответствии с программой, осуществляет автоматизированную обработку данных.

1. Этимология и особенности терминологии
Слово компьютер является производным от английских слов to compute, computer, которые переводятся как "вычислять", "вычислитель". Первоначально в английском языке это слово означало человека, производящего арифметические вычисления с привлечением или без привлечения механических устройств. В дальнейшем его значение было перенесено на сами машины, однако современные компьютеры выполняют множество задач, не связанных напрямую с математикой.
Впервые трактовка слова компьютер появилась в 1897 году в Оксфордском словаре английского языка. Его составители тогда понимали компьютер как механическое вычислительное устройство. В 1946 году словарь пополнился дополнениями, позволяющими разделить понятия цифрового, аналогового и электронного компьютера.
Понятие компьютер следует отличать от понятия Электронно-вычислительная машина ЭВМ; последняя является одним из способов реализации компьютера. ЭВМ подразумевает использование электронных компонентов в качестве её функциональных узлов, однако компьютер может быть устроен и на других принципах - он может быть механическим, биологическим, оптическим, квантовым и т. п., работая за счёт перемещения механических частей, движения электронов, фотонов или эффектов других физических явлений. Кроме того, по типу функционирования вычислительная машина может быть цифровой ЦВМ и аналоговой АВМ. С другой стороны, термин "компьютер" предполагает возможность изменения выполняемой программы перепрограммирования, что возможно не для всех видов ЭВМ.
В настоящее время термин ЭВМ, как относящийся больше к вопросам конкретной физической реализации компьютера, почти вытеснен из бытового употребления и в основном используется инженерами цифровой электроники, как правовой термин в юридических документах, а также в историческом смысле - для обозначения компьютерной техники 1940 - 1980-х годов и больших вычислительных устройств, в отличие от персональных.

3. Экспоненциальное развитие компьютерной техники
После изобретения интегральной схемы развитие компьютерной техники резко ускорилось. Этот эмпирический факт, замеченный в 1965 году соучредителем компании Intel Гордоном Е. Муром, назвали по его имени Законом Мура. Столь же стремительно развивается и процесс миниатюризации компьютеров. Первые электронно-вычислительные машины были огромными устройствами, весившими тонны, занимавшими целые комнаты и требовавшими большого количества обслуживающего персонала для успешного функционирования. Они были настолько дороги, что их могли позволить себе только правительства и большие исследовательские организации, и представлялись настолько экзотическими, что казалось, будто небольшая горстка таких систем сможет удовлетворить любые будущие потребности. В контрасте с этим, современные компьютеры - гораздо более мощные и компактные и гораздо менее дорогие - стали воистину вездесущими.

4. Архитектура и структура
Архитектура компьютеров может изменяться в зависимости от типа решаемых задач. Оптимизация архитектуры компьютера производится с целью максимально реалистично математически моделировать исследуемые физические или другие явления. Так, электронные потоки могут использоваться в качестве моделей потоков воды при компьютерном моделировании симуляции дамб, плотин или кровотока в человеческом мозгу. Подобным образом сконструированные аналоговые компьютеры были обычны в 1960-х годах, однако сегодня стали достаточно редким явлением.
Шинная архитектура компьютера против канальной архитектуры
Процессор
Гарвардская архитектура
Архитектура персонального компьютера
Классификация параллельных вычислительных систем
Архитектура фон Неймана
Компьютерная память
Результат выполненной задачи может быть представлен пользователю при помощи различных устройств ввода-вывода информации, таких как ламповые индикаторы, мониторы, принтеры, проекторы и т. п.

5. Квантовые ЭВМ
Квантовый компьютер - вычислительное устройство, использующее явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Квантовый компьютер оперирует не битами, а кубитами. В результате он имеет возможность обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая огромного превосходства над обычными компьютерами в ряде алгоритмов.
Полноценный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории. Разработки в данной области связаны с новейшими открытиями и достижениями современной физики. Сейчас реализованы лишь единичные экспериментальные системы, исполняющие фиксированный алгоритм небольшой сложности.
Первым практическим высокоуровневым языком программирования для такого вида компьютеров считается язык Quipper, основанный на Haskell см. Квантовое программирование.

6.1. Классификация По назначению
Настольный
Сервер
Домашний
Игровой
Домашний
Plug PC
Медиацентр
Бесшумный ПК
Рабочая станция
Игровая приставка
Моноблок
Персональный
Интернет-устройство
Интернет-планшет
Планшетный нетбук
Неттоп
Нетбук
Консольный компьютер

6.2. Классификация Суперкомпьютеры
супермини
Мини
Персональный
Мейнфрейм супермощный отказоустойчивый сервер

6.3. Классификация Малые и мобильные
Ноутбук
Мобильное интернет-устройство
Нетбук
Карманный персональный компьютер
Микро
Ультрабук
Смартбук
Субноутбук
Интернет-планшет
Планшетный ПК
Электронная книга
Handheld PC
UMPC
Stick PC
Портативная игровая система
Мобильный
Терминал
Slate PC
Смартфон
Калькулятор
Электронный переводчик
Носимый

6.4. Классификация Элементная основа цифрового компьютера
транзисторные интегральные
релейные
ферритдиодные
ламповые
транзисторные дискретные
Первая троичная ЭВМ "Сетунь" на ферритдиодных ячейках была построена Брусенцовым в МГУ.
Поверхностный характер представленного подхода к классификации компьютеров очевиден. Он обычно используется лишь для обозначения общих черт наиболее часто встречающихся компьютерных устройств. Быстрые темпы развития вычислительной техники означают постоянное расширение областей её применения и быстрое устаревание используемых понятий. Для более строгого описания особенностей того или иного компьютера обычно требуется использовать другие схемы классификаций.

6.5. Классификация Физическая реализация
Более строгий подход к классификации основан на отслеживании используемых при создании компьютеров технологий. Самые ранние компьютеры были полностью механическими системами. Тем не менее, уже в 1930-х годах телекоммуникационная промышленность предложила разработчикам новые, электромеханические компоненты реле, а в 1940-х были созданы первые полностью электронные компьютеры, имевшие в своей основе электронные лампы. В 1950 - 1960-х годах на смену лампам пришли транзисторы, а в конце 1960-х - начале 1970-х годов - используемые и сегодня полупроводниковые интегральные схемы кремниевые чипы.
Приведённый перечень технологий не является исчерпывающим; он описывает только основную тенденцию развития вычислительной техники. В разные периоды истории исследовалась возможность создания вычислительных машин на основе множества других, ныне позабытых и порою весьма экзотических технологий. Например, существовали планы создания гидравлических и пневматических компьютеров, между 1903 и 1909 годами некто Перси И. Луджет даже разрабатывал проект программируемой аналитической машины, работающей на базе пошивочных механизмов переменные этого вычислителя планировалось определять при помощи ниточных катушек.
В настоящее время ведутся серьёзные работы по созданию оптических компьютеров, использующих вместо традиционного электричества световые сигналы. Другое перспективное направление подразумевает использование достижений молекулярной биологии и исследований ДНК. И, наконец, один из самых новых подходов, способный привести к грандиозным изменениям в области вычислительной техники, основан на разработке квантовых компьютеров.
Впрочем, в большинстве случаев технология исполнения компьютера является гораздо менее важной, чем заложенные в его основу конструкторские решения.
Пневматический компьютер
Гидравлический компьютер
Механический компьютер
Оптический компьютер
Квантовый компьютер
Конечный биоавтомат Шапиро
Нанокомпьютер
Биокомпьютер
Электронный компьютер
Биокомпьютер Адлемана

7.2. Конструктивные особенности Система счисления
Примером компьютера на основе десятичной системы счисления является первая американская вычислительная машина Марк I.
Важнейшим шагом в развитии вычислительной техники стал переход к внутреннему представлению чисел в двоичной форме. Это значительно упростило конструкции вычислительных устройств и периферийного оборудования. Принятие за основу двоичной системы счисления позволило более просто реализовывать арифметические функции и логические операции.
Тем не менее, переход к двоичной логике был не мгновенным и безоговорочным процессом. Многие конструкторы пытались разработать компьютеры на основе более привычной для человека десятичной системы счисления. Применялись и другие конструктивные решения. Так, одна из ранних советских машин работала на основе троичной системы счисления, использование которой во многих отношениях более выгодно и удобно по сравнению с двоичной системой проект троичного компьютера Сетунь был разработан и реализован талантливым советским инженером Н. П. Брусенцовым.
Под руководством академика Хетагурова Я. А. разработан "высоконадёжный и защищённый микропроцессор недвоичной системы кодирования для устройств реального времени", использующий систему кодирования 1 из 4 с активным нулём.
В целом, однако, выбор внутренней системы представления данных не меняет базовых принципов работы компьютера - любой компьютер может эмулировать любой другой.

9. Применение
Первые компьютеры создавались исключительно для вычислений что отражено в названиях "компьютер" и "ЭВМ". Даже самые примитивные компьютеры в этой области во много раз превосходят людей если не считать некоторых уникальных людей-счётчиков. Не случайно первым высокоуровневым языком программирования был Фортран, предназначенный исключительно для выполнения математических расчётов.
Вторым крупным применением были базы данных. Прежде всего, они были нужны правительствам и банкам. Базы данных требуют уже более сложных компьютеров с развитыми системами ввода-вывода и хранения информации. Для этих целей был разработан язык Кобол. Позже появились СУБД со своими собственными языками программирования.
Третьим применением было управление всевозможными устройствами. Здесь развитие шло от узкоспециализированных устройств часто аналоговых к постепенному внедрению стандартных компьютерных систем, на которых запускаются управляющие программы. Кроме того, всё большая часть техники начинает включать в себя управляющий компьютер.
Четвёртое. Компьютеры развились настолько, что стали главным информационным инструментом как в офисе, так и дома. Теперь почти любая работа с информацией зачастую осуществляется через компьютер - будь то набор текста или просмотр фильмов. Это относится и к хранению информации, и к её пересылке по каналам связи. Основное применение современных домашних компьютеров - навигация в Интернете и игры.
Пятое. Современные суперкомпьютеры используются для компьютерного моделирования сложных физических, биологических, метеорологических и других процессов и решения прикладных задач. Например, для моделирования ядерных реакций или климатических изменений. Некоторые проекты проводятся при помощи распределённых вычислений, когда большое число относительно слабых компьютеров одновременно работает над небольшими частями общей задачи, формируя таким образом очень мощный компьютер.
Наиболее сложным и слаборазвитым применением компьютеров является искусственный интеллект - применение компьютеров для решения таких задач, где нет чётко определённого более или менее простого алгоритма. Примеры таких задач - игры, машинный перевод текста, экспертные системы.

Читайте также: