Типы компьютеров обобщенная классификация по мощности и назначению таненбаум

Обновлено: 07.07.2024

Книга Эндрю Таненбаума, всемирно известного специалиста в области информационных технологий, писателя и преподавателя, выходящая уже в пятом издании, посвящена структурной организации компьютера. В ее основе лежит идея иерархической структуры, в которой каждый уровень выполняет вполне определенную функцию. В рамках этого нетрадиционного подхода подробно описываются цифровой логический уровень, уровень архитектуры команд, уровень операционной системы и уровень языка ассемблера.
Книга рассчитана на широкий круг читателей: как на студентов, изучающих компьютерные технологии, так и на тех, кто самостоятельно знакомится с архитектурой компьютера.

Современные многоуровневые машины.
Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Существуют машины даже с шестью уровнями (рис. 1.2). Уровень 0 - аппаратное обеспечение машины. Его электронные схемы выполняют программы, написанные на языке уровня 1. Ради полноты нужно упомянуть о существовании еще одного уровня, расположенного ниже уровня 0. Этот уровень не показан на рис. 1.2, так как он попадает в сферу электронной техники и, следовательно, не рассматривается в этой книге. Он называется уровнем физических устройств. На этом уровне находятся транзисторы, которые являются примитивами для разработчиков компьютеров. Объяснять, как работают транзисторы, - задача физики.

На самом нижнем уровне, цифровом логическом уровне, объекты называются вентилями. Хотя вентили состоят из аналоговых компонентов, таких как транзисторы, они могут быть точно смоделированы как цифровые средства. У каждого вентиля есть одно или несколько цифровых входных данных (сигналов, представляющих 0 или I). Вентиль вычисляет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16,32 или 64, формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела. Из вентилей также может состоять сам компьютер. Подробно вентили и цифровой логический уровень мы рассмотрим в главе 3.

Содержание
Предисловие 14
От издателя перевода 16
Глава 1. Введение 17
Многоуровневая компьютерная организация 17
Языки, уровни и виртуальные машины 17
Современные многоуровневые машины 20
Развитие многоуровневых машин 23
Развитие компьютерной архитектуры 28
Нулевое поколение — механические компьютеры (1642-1945) 30
Первое поколение — электронные лампы (1945-1955) 32
Второе поколение — транзисторы (1955-1965) 35
Третье поколение — интегральные схемы (1965-1980) 37
Четвертое поколение — сверхбольшие интегральные схемы (1980-?) 39
Пятое поколение — невидимые компьютеры 41
Типы компьютеров 42
Технологические и экономические аспекты 42
Широкий спектр компьютеров 44
Одноразовые компьютеры 45
Микроконтроллеры 47
Игровые компьютеры 49
Персональные компьютеры 50
Серверы 52
Комплексы рабочих станций 52
Мэйнфреймы 52
Семейства компьютеров 53
Pentium 4 54
Знакомство с микросхемой UltraSPARC III 59
Знакомство с микросхемой 8051 61
Единицы измерения 64
Краткое содержание книги 65
Вопросы и задания 66
Глава 2. Организация компьютерных систем 69
Процессоры 69
Устройство центрального процессора 70
Выполнение команд 71
Системы RISC и CISC 75
Принципы разработки современных компьютеров 77
Параллелизм на уровне команд 78
Параллелизм на уровне процессоров 83
Основная память 87
Бит 87
Адреса памяти 88
Упорядочение байтов 89
Код исправления ошибок 91
Кэш-память 95
Сборка модулей памяти и их типы 98
Вспомогательная память 99
Иерархическая структура памяти 100
Магнитные диски 101
Дискеты 105
IDE-диски 105
SCSI-диски 107
RAID-массивы 109
Диски CD-ROM 113
Диски CD-R 117
Диски CD-RW 120
DVD-диски 120
Диски Blu-Ray 123
Ввод-вывод 123
Шины 123
Терминалы 127
Видеопамять 131
Мыши 132
Принтеры 134
Телекоммуникационное оборудование 140
Цифровые фотокамеры 149
Коды символов 151
Краткое содержание главы 155
Вопросы и задания 156
Глава 3. Цифровой логический уровень 161
Вентили и булева алгебра 161
Вентили 161
Булева алгебра 164
Реализация булевых функций 166
Эквивалентность схем 168
Основные цифровые логические схемы 171
Интегральные схемы 171
Комбинаторные схемы 173
Арифметические схемы 179
Тактовые генераторы 183
Память 185
Защелки 185
Триггеры 187
Регистры 190
Организация памяти 190
Микросхемы памяти 194
ОЗУ и ПЗУ 197
Микросхемы процессоров и шины 200
Микросхемы процессоров 201
Компьютерные шины 203
Ширина шины 205
Синхронизация шины 207
Арбитраж шины 212
Принципы работы шины 215
Примеры центральных процессоров 217
Pentium 4 217
UltraSPARC III 225
8051 229
Примеры шин 231
Шина ISA 232
Шина PCI 234
PCI Express 243
Шина USB 248
Интерфейсы 252
Микросхемы ввода-вывода 252
Декодирование адреса 254
Краткое содержание главы 257
Вопросы и задания 257
Глава 4. Уровень микроархитектуры 263
Пример микроархитектуры 263
Тракт данных 264
Микрокоманды 270
Управление микрокомандами — микроархитектура Mic-1 273
Пример архитектуры набора команд —IJVM 278
Стек 278
Модель памяти IJVM 280
Набор IJVM-команд 281
Компиляция IJVM 286
Пример реализации микроархитектуры 287
Микрокоманды и их запись 288
Реализация IJVM с использованием микроархитектуры Mic-1 292
Разработка уровня микроархитектуры 306
Быстродействие и стоимость 306
Сокращение длины пути 308
Упреждающая выборка команд из памяти — микроархитектура Mic-2 315
Конвейерная конструкция — микроархитектура Mic-З 320
Семиступенчатый конвейер — микроархитектура Mic-4 326
Повышение производительности 329
Кэш-память 330
Прогнозирование ветвлений 336
Исполнение с изменением последовательности и подмена регистров 342
Спекулятивное исполнение 348
Примеры уровня микроархитектуры 351
Микроархитектура процессора Pentium 4 351
Микроархитектура процессора UltraSPARC III Си 357
Микроархитектура процессора 8051 364
Сравнение процессоров Pentium, UltraSPARC и 8051 366
Краткое содержание главы 367
Вопросы и задания 368
Глава 5. Уровень архитектуры набора команд 373
Общий обзор уровня архитектуры набора команд 375
Свойства уровня архитектуры набора команд 375
Модели памяти 377
Регистры 379
Команды 381
Общий обзор уровня архитектуры набора команд Pentium 4 381
Общий обзор уровня архитектуры набора команд UltraSPARC III 384
Обзор уровня архитектуры набора команд микросхемы 8051 387
Типы данных 390
Числовые типы данных 391
Нечисловые типы данных 392
Типы данных процессора Pentium 4 393
Типы данных машины UltraSPARC III 393
Типы данных 8051 394
Форматы команд 394
Критерии разработки форматов команд 395
Расширение кода операций 398
Форматы команд процессора Pentium 4 400
Форматы команд процессора UltraSPARC III 402
Форматы команд 8051 403
Адресация 404
Режимы адресации 404
Непосредственная адресация 405
Прямая адресация 405
Регистровая адресация 405
Косвенная регистровая адресация 406
Индексная адресация 407
Относительная индексная адресация 408
Стековая адресация 409
Режимы адресации в командах перехода 412
Ортогональность кодов операций и режимов адресации 413
Режимы адресации процессора Pentium 4 415
Режимы адресации процессора UltraSPARC III 417
Режимы адресации процессора 8051 417
Сравнение режимов адресации 418
Типы команд 419
Команды перемещения данных 419
Бинарные операции 420
Унарные операции 421
Сравнения и условные переходы 423
Команды вызова процедур 425
Управление циклами 426
Команды ввода-вывода 427
Команды процессора Pentium 4 431
Команды UltraSPARC III 435
Команды 8051 439
Сравнение наборов команд 442
Поток управления 443
Последовательный поток управления и переходы 443
Процедуры 444
Сопрограммы 449
Перехват исключений 451
Прерывания 452
Ханойская башня 456
Решение задачи «Ханойская башня» на ассемблере Pentium 4 457
Решение задачи «Ханойская башня» на ассемблере UltraSPARC III 458
Архитектура IA-64 и процессор Itanium 2 460
Проблема Pentium 4 461
Модель IA-64 — вычисления с явным параллелизмом команд 462
Сокращение числа обращений к памяти 463
Планирование команд 464
Сокращение числа условных переходов — предикация 466
Спекулятивная загрузка 468
Краткое содержание главы 469
Вопросы и задания 470
Глава 6. Уровень операционной системы 475
Виртуальная память 476
Страничная организация памяти 477
Реализация страничной организации памяти 479
Вызов страниц по требованию и рабочее множество 482
Политика замещения страниц 483
Размер страниц и фрагментация 485
Сегментация 486
Реализация сегментации 489
Виртуальная память Pentium 4 492
Виртуальная память UltraSPARC III 497
Виртуальная память и кэширование 500
Виртуальные команды ввода-вывода 501
Файлы 502
Реализация виртуальных команд ввода-вывода 503
Команды управления каталогами 506
Виртуальные команды для параллельной работы 508
Формирование процесса 509
Состояние гонок 509
Синхронизация процесса с использованием семафоров 514
Примеры операционных систем 517
Знакомство с операционными системами UNIX и Windows XP 518
Примеры виртуальной памяти 527
Примеры виртуального ввода-вывода 531
Примеры управления процессами 543
Краткое содержание главы 549
Вопросы и задания 550
Глава 7. Уровень ассемблера 557
Знакомство с ассемблером 558
Понятие ассемблера 558
Назначение ассемблера 559
Формат оператора в ассемблере 561
Директивы 564
Макросы 567
Макроопределение, макровызов и макрорасширение 567
Макросы с параметрами 569
Дополнительные возможности 570
Реализация макросов в ассемблере 570
Процесс ассемблирования 571
Ассемблирование за два прохода 571
Первый проход 572
Второй проход 576
Таблица символов 578
Компоновка и загрузка 580
Задачи компоновщика 581
Структура объектного модуля 584
Время компоновки и динамическое перераспределение памяти 585
Динамическая компоновка 588
Краткое содержание главы 592
Вопросы и задания 593
Глава 8. Параллельные компьютерные архитектуры 597
Внутрипроцессорный параллелизм 599
Параллелизм на уровне команд 599
Внутрипроцессорная многопоточность 606
Однокристальные мультипроцессоры 613
Сопроцессоры 619
Сетевые процессоры 619
Мультимедиа-процессоры 628
Криптопроцессоры 634
Мультипроцессоры 634
Мультипроцессоры и мультикомпьютеры 635
Семантика памяти 642
UMA-мультипроцессоры в симметричных мультипроцессорных архитектурах 647
NUMA-мультипроцессоры 656
СОМА-мультипроцессоры 664
Мультикомпьютеры 666
Коммуникационные сети 667
Процессоры с массовым параллелизмом 671
Кластерные вычисления 681
Коммуникационное программное обеспечение для мультикомпьютеров 687
Планирование 689
Общая память на прикладном уровне 691
Производительность 698
Распределенные вычисления 704
Краткое содержание главы 707
Вопросы и задания 708
Глава 9. Библиография 711
Литература для дополнительного чтения 711
Вводная и неспециальная литература 711
Организация компьютерных систем 713
Цифровой логический уровень 714
Уровень микроархитектуры 714
Уровень архитектуры набора команд 715
Уровень операционной системы 716
Уровень ассемблера 717
Параллельные компьютерные архитектуры 717
Двоичные числа и числа с плавающей точкой 719
Программирование на языке ассемблера 719
Алфавитный список литературы 720
Приложение А. Двоичные числа 733
Числа конечной точности 733
Позиционные системы счисления 735
Преобразование чисел из одной системы счисления в другую 737
Отрицательные двоичные числа 739
Двоичная арифметика 741
Вопросы и задания 742
Приложение Б. Числа с плавающей точкой 745
Принципы представления чисел с плавающей точкой 745
Стандарт IEEE 754 749
Вопросы и задания 752
Приложение В. Программирование на языке ассемблера 754
Основные понятия 755
Язык ассемблера 755
Небольшая программа на языке ассемблера 756
Процессор 8088 757
Цикл процессора 757
Регистры общего назначения 759
Регистры-указатели 760
Память и адресация 762
Организация памяти и сегменты 762
Адресация 764
Набор команд 8088 768
Перемещение, копирование и арифметические команды 770
Логические операции, побитовые операции и операции сдвига 772
Операции организации циклов и повторяющиеся строковые операции 773
Команды перехода и вызова 773
Вызовы подпрограмм 775
Системные вызовы и системные подпрограммы 777
Заключительные замечания о наборе команд 779
Ассемблер 780
Введение 780
Ассемблер as88 из набора АСК 781
Некоторые отличия от других ассемблеров 8088 785
Трассер 786
Команды трассера 788
Подготовительные действия 790
Примеры 791
Hello World 791
Регистры общего назначения 795
Вызов регистров команд и указателя 796
Отладка программы вывода массива 800
Обработка символьных строк и строковые команды 803
Таблицы диспетчеризации 806
Буферизованный и произвольный доступ к файлам 809
Вопросы и задания 813
Список терминов 815
Алфавитный указатель 825.

Несмотря на огромный диапазон размеров и вычислительных мощностей компьютеров, все они, так или иначе, имеют сходную функциональную структуру. В одних случаях эта структура может быть немного упрощена, в других – расширена, но в общем функции вычислительного устройства и необходимые для вычислений функциональные блоки остаются одними и теми же.

Обобщенная структура компьютера – это схема, которая определяет состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее блоков.

Для ввода данных в компьютер (рис. 5.1) предназначается устройство ввода, для вывода – устройство вывода, вместе эти устройства обычно составляют единый блок – устройство ввода-вывода данных.

Независимо от того, будут данные в компьютере храниться годы или секунды, компьютер должен иметь место для их хранения. Соответствующее устройство называется памятью.

Рис. 5.1. Обобщенная структура компьютера

В компьютере должно быть устройство, которое производит манипуляции над данными, от простейших арифметических операций до сложных статистических, финансовых или научных расчетов. Функционально это устройство состоит из двух блоков: один блок отвечает за производимые вычисления, другой – за правила, по которым данные извлекаются из памяти, над ними производятся операции, и результаты этих операций снова возвращаются в память. Устройство, производящее вычисления, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а устройство, формирующее правила, по которым происходит обработка данных – устройством управления (УУ). Вместе эти две функциональные единицы образуют единый блок, который получил название центральный процессор.

Связать между собой процессор, оперативную память, постоянную память (дис­ковые устройства), устройства ввода-вывода и другие компоненты компьютера напрямую невозможно конструктивно и технологически.


Поэтому между всеми этими устройствами располагается системная шина – еще один весьма важный компонент, носителем которого является материнская плата.

Системная шина представляет собой множество электрических проводников, конструктивно выполненных в виде тончайших проводящих дорожек, в несколько слоев пронизывающих материнскую плату и соединяющих между собой все электронные компоненты компьютера (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Взаимодействие компонентов через системную шину

В современном компьютере взаимодействие центрального процессора с устрой­ствами ввода-вывода, а также с различными устройствами, присоединенными к общей шине, основано на механизме прерываний.

Механизм прерываний обеспечивает прерывание выполнения текущей программы при поступлении сигнала на соответствующий вход центрального процессора и выполнение процессором операций обслуживания устройства, вызвавшего прерывание.

При поступлении сигнала прерывания центральный процессор совершает сле­дующие действия:

1) запоминает адрес текущей инструкции выполняемой программы;

2) получает вектор прерывания (вектор прерывания – запись в специальной таблице прерываний, связывающей номер прерывания и адрес подпрограммы, выполняющей обработку прерывания. Получить вектор прерывания – значит получить доступ к соответствующей записи в этой таблице);

3) переходит по адресу, хранимому в соответствующей записи вектора прерывания;

4) выполняет подпрограмму обработки прерывания;

5) после завершения подпрограммы обработки прерывания возвращается к вы­полнению прерванной программы.

Подпрограмму обработки прерывания называют обработчиком прерывания.

Прерывания обозначаются сокращением IRQ (Interrupt Request – запрос на прерывание) и номером. Прерывания имеют приоритет. Это значит, что прерывание с более высоким приоритетом может прервать работу программы обработки прерывания с более низким приоритетом. Прерывания управляются контроллером прерываний.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Сегодня взял в руки книжку Эндрю Таненбаума "Архитектура компьютера" (последнее издание на русском языке вышло в 2018 году). Я ее пролистывал лет 10 назад, но сегодня решил пролистать снова, чтобы быть абсолютно уверенным в том что я напишу ниже. А именно: это книжка была вредна для образования. Она плодила не инженеров-проектировщиков, а потенциальных игроков для телевикторины "Что-Где-Когда?" и спорщиков-всезнаек на форумах интернета, которые могли рассуждать часами о микрокоде и джава-процессорах, нагибая собеседников своей эрудицией про очереди микроопераций (стр 291 4-го издания 2003-го года) и защелках в трактах данных (стр. 286), но при этом ничего не могли сделать своими руками.

Потому что (сначала мелкие придирки):

1. Микрокод в том виде в котором его описывал Эндрю Таненбаум был популярен в 1970-х, но уже в 1980-х процессоры были hard-wired для удобства конвейеризации. Причем сам Эндрю Таненбаум об этом знал (стр. 29) но все равно учил с микрокодом, показывая его не как особый случай, а как мейнстрим.

2. Термин "защелка" означает "level-sensitive D-latch" и такие конструкции не используются для хранения результатов в конвейере, и не использовались, когда писалась эта книга (в 90-е, хотя последнее русское издание вышло в 2018). Для регистров в конвейере используются переключаемые по фронту D-flip-flop / D-триггеры. Хотя и для них могут использовать слово latch, но только в качестве глагола "to latch a values into".

Вообще защелки используются в сто-тысячу раз реже чем D-триггеры и как правило присутствуют в блоках для clock-gating. Еще более редкое использование - в latch array и time borrowing, но это не имеет отношение к книжке Таненбаума.

3. В книге не было вообще никакой информации, даже намека на нее, как реализуется упомянутая очередь, никаких read/write pointers в fifo. Очередь - это был просто магический объект в контексте книги, соломенный пропеллер соломенного самолета.

И таких объектов там было навалом на каждой странице. Для нормального образования инженера нужно чтобы после каждой главы учебника он мог бы в идеале реализовать описанное в железе - или хотя бы представлять, как он бы реализовал описанное в железе, если бы у него был бы свободный викенд/неделя/лето.

В книге не было ссылок на языки описания аппаратуры и статический тайминг. Возможно они появились в 6-м русском издании 2018 года, но судя по оглавлению - навряд ли. Каким образом можно понять необходимость конвейера или многоуровневого кэша, если из рассуждений выносится за скобки тайминг, задержки внутри цикла? Получается не инжиниринг, а просто текст для демонстрации эрудиции.

В русской википедии написано "Эндрю Таненбаум также признан как автор учебников для высшей школы по некоторым областям информатики и вычислительной техники, в своих областях книги считаются избранными как стандарт".

Тогда 10 лет назад я подумал "Если это правда, то использование таких книг как стандарт образования навсегда опускает дисциплину проектирования в стране на уровень стран третьего мира - студенты смогут поговорить, но ничего не смогут сделать". Как у Пелевина - больше всего рассуждают о дорогих часах и автомобилях те, кто не могут их купить.

В защиту Таненбаума можно сказать, что его специализацией были операционные системы, и он просто писал о архитектуре компьютера со стороны (изначально он был физиком, а потом занимался софтвером), а в России его наверное промоутили люди, которые наверное сами находились на таком же положении, и им Таненбаум был близок.

К счастью в России выпустили книгу Харрис & Харрис (Цифровая схемотехника и архитектура компьютера), вышло еще много материалов и эта проблема 10-летней давности наверное рассосалась. Или нет?


UPD: Мне написали в комментариях "вы не раскрыли тему пользы учебника по компьютерной архитектуре не для электронщиков, а для программистов". Согласен и дополняю:

К сожалению, в этом месте Таненбаум тоже не фонтан. Возьмем например его главу про кэши. Он не показывает в своей главе (по крайней мере в 4 издании) куски программ для иллюстрации различных случаев временной и пространственной локальности. Такой кусок есть в Харрис и Харрис, а в принстонском курсе есть вот такая полезная картинка:


Вот страница из Таненбаума. Где такая картинка или куски кода?


Для сравнения - вот из Дэвид Харрис и Сара Харрис Цифровая схемотехника и архитектура компьютера:


Вообще по поводу Таненбаума, как указали в комментариях, напрашивается цитата из Фейнмана по поводу физики в Бразилии. Там цитировать можно все, например вот небольшой кусочек:

Я обнаружил кое-что еще, - продолжал я. - Hаугад листая страницы и останавливаясь в любом произвольно выбранном месте, я могу показать вам, почему это не наука, а заучивание во всех случаях, без исключения. Я рискну прямо сейчас, в этой аудитории перелистать страницы, остановиться в произвольном месте, прочитать и показать вам.

Так я и сделал. Тррррр-ап - мой палец остановился на какой-то странице, и я начал читать: "Триболюминесценция. Триболюминесценция - это излучение света раздробленными кристаллами. ".

Я сказал: "Вот, пожалуйста. Есть здесь наука? Hет! Здесь есть только толкование одного слова при помощи других слов. Здесь ни слова не сказано о природе: какие кристаллы испускают свет, если их раздробить? Почему они испускают свет? Вы можете представить, чтобы хоть один студент пошел домой и попро6овал это проверить? Они не могут. Hо если бы вместо этого вы написали: "Если взять кусок сахара и в темноте расколоть его щипцами, вы увидите голубоватую вспышку. То же самое происходит и с некоторыми другими кристаллами. Hикто не знает, почему. Это явление называется триболюминесценцией. Тогда кто-нибудь проделал бы это дома, и это было бы изучением природы". Я использовал для доказательства этот пример, но мог взять и любой другой, - вся книга была такая.

2.1. Классификация компьютеров

Существует достаточно много систем классификации компьютеров. Мы рассмотрим лишь некоторые из них, сосредоточившись на тех, о которых наиболее часто упоминают в доступной технической литературе и средствах массовой информации.

2.1.1. Классификация по назначению.

Классификация по назначению — один из наиболее ранних методов классификации. Он связан с тем, как компьютер применяется. По этому принципу различают большие ЭВМ (электронно-вычислительные машины), мини-ЭВМ, микро-ЭВМ и персональные компьютеры, которые, в свою очередь, подразделяют на массовые, деловые, портативные, развлекательные и рабочие станции.

Большие ЭВМ. Это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. За рубежом компьютеры этого класса называют мэйнфреймами (mainframe). В России за ними закрепился термин большие ЭВМ. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков человек. На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов или групп, рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структура вычислительного центра на базе большой ЭВМ

Центральный процессор — основной блок ЭВМ, в котором непосредственно и происходит обработка данных и вычисление результатов. Обычно центральный процессор представляет собой несколько стоек аппаратуры и размещается в отдельном помещении, в котором соблюдаются повышенные требования по температуре, влажности, защищенности от электромагнитных помех, пыли и дыма.

Группа системного программирования занимается разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого для функционирования самой вычислительной системы. Работников этой группы называют системными программистами. Они должны хорошо знать техническое устройство всех компонентов ЭВМ, поскольку их программы предназначены в первую очередь для управления физическими устройствами. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ более высокого уровня с оборудованием, то есть группа системного программирования обеспечивает программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы.

Группа прикладного программирования занимается созданием программ для выполнения конкретных операций с данными. Работников этой группы называют прикладными программистами. В отличие от системных программистов им не надо знать техническое устройство компонентов ЭВМ, поскольку их программы работают не с устройствами, а с программами, подготовленными системными программистами. С другой стороны, с их программами работают пользователи, то есть конкретные исполнители работ. Поэтому можно говорить о том, что группа прикладного программирования обеспечивает пользовательский интерфейс вычислительной системы.

Группа подготовки данных занимается подготовкой данных, с которыми будут работать программы, созданные прикладными программистами. Во многих случаях сотрудники этой группы сами вводят данные с помощью клавиатуры, но они могут выполнять и преобразование готовых данных из одного вида в другой. Так, например, они могут получать иллюстрации, нарисованные художниками на бумаге, и преобразовывать их в электронный вид с помощью специальных устройств, называемых сканерами.

Группа технического обеспечения занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и наладкой устройств, а также подключением новых устройств, необходимых для работы прочих подразделений.

Группа информационного обеспечения обеспечивает технической информацией все прочие подразделения вычислительного центра по их заказу. Эта же группа создает и хранит архивы ранее разработанных программ и накопленных данных. Такие архивы называют библиотеками программ или банками данных.

Отдел выдачи данных получает данные от центрального процессора и преобразует их в форму, удобную для заказчика. Здесь информация распечатывается на печатающих устройствах (принтерах) или отображается на экранах дисплеев.

Большие ЭВМ отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому работа таких суперкомпьютеров организована по непрерывному циклу. Наиболее трудоемкие и продолжительные вычисления планируют на ночные часы, когда количество обслуживающего персонала минимально. В дневное время ЭВМ исполняет менее трудоемкие, но более многочисленные задачи. При этом для повышения эффективности компьютер работает одновременно с несколькими задачами и, соответственно, с несколькими пользователями. Он поочередно переключается с одной задачи на другую и делает это настолько быстро и часто, что у каждого пользователя создается впечатление, будто компьютер работает только с ним. Такое распределение ресурсов вычислительной системы носит название принципа разделения времени.

Мини-ЭВМ. От больших ЭВМ компьютеры этой группы отличаются уменьшенными размерами и, соответственно, меньшей производительностью и стоимостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную деятельность с научной.

Мини-ЭВМ часто применяют для управления производственными процессами. Например, в механическом цехе компьютер может поддерживать ритмичность подачи заготовок, узлов и комплектующих на рабочие места, управлять гибкими автоматизированными линиями и промышленными роботами, собирать информацию с инструментальных постов технического контроля и сигнализировать о необходимости замены изношенных инструментов и приспособлений, готовить данные для станков с числовым программным управлением, а также своевременно информировать цеховые и заводские службы о необходимости выполнения мероприятий по переналадке оборудования.

Тот же компьютер может сочетать управление производством с другими задачами. Например, он может помогать экономистам в осуществлении контроля за себестоимостью продукции, нормировщикам в оптимизации времени технологических операций, конструкторам в автоматизации проектирования станочных приспособлений, бухгалтерии в осуществлении учета первичных документов и подготовки регулярных отчетов для налоговых органов. Для организации работы с мини-ЭВМ тоже требуется специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ.

Микро-ЭВМ. Компьютеры данного класса доступны многим предприятиям. Организации, использующие микро-ЭВМ, обычно не создают вычислительные центры. Для обслуживания такого компьютера им достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких человек. В число сотрудников вычислительной лаборатории обязательно входят программисты, хотя напрямую разработкой программ они не занимаются. Необходимые системные программы обычно покупают вместе с микроЭВМ, а разработку нужных прикладных программ заказывают более крупным вычислительным центрам или специализированным организациям.

Программисты вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказанного программного обеспечения, выполняют его доводку и настройку, согласовывают его работу с другими программами и устройствами компьютера. Хотя программисты этой категории и не разрабатывают системные и прикладные программы, они могут вносить в них изменения, создавать или изменять отдельные фрагменты. Это требует высокой квалификации и универсальных знаний. Программисты, обслуживающие микро-ЭВМ, часто сочетают в себе качества системных и прикладных программистов одновременно.

Несмотря на относительно невысокую производительность по сравнению с большими ЭВМ, микро-ЭВМ находят применение и в крупных вычислительных центрах. Там им поручают вспомогательные операции, для которых нет смысла использовать дорогие суперкомпьютеры. К таким задачам, например, относится предварительная подготовка данных.

Персональные компьютеры (ПК). Эта категория компьютеров получила особо бурное развитие в течение последних двадцати лет. Из названия видно, что такой компьютер предназначен для обслуживания одного рабочего места. Как правило, с персональным компьютером работает один человек. Несмотря на свои небольшие размеры и относительно невысокую стоимость, современные персональные компьютеры обладают немалой производительностью. Многие современные персональные модели превосходят большие ЭВМ 70-х годов, мини-ЭВМ 80-х годов и микро-ЭВМ первой половины 90-х годов. Персональный компьютер (Personal Computer, РС) вполне способен удовлетворить большинство потребностей малых предприятий и отдельных лиц.

Особенно широкую популярность персональные компьютеры получили после 1995 года в связи с бурным развитием сети Интернет. Персонального компьютера вполне достаточно для использования всемирной сети в качестве источника научной, справочной, учебной, культурной и развлекательной информации. Персональные компьютеры являются также удобным средством автоматизации учебного процесса по любым дисциплинам, средством организации дистанционного (заочного) обучения и средством организации досуга. Они вносят большой вклад не только в производственные, но и в социальные отношения. Их нередко используют для организации надомной трудовой деятельности, что особенно важно в условиях безработицы.

До последнего времени модели персональных компьютеров условно рассматривали в двух категориях: бытовые ПК и профессиональные ПК. Бытовые модели, как правило, имели меньшую производительность, но в них были приняты особые меры для работы с цветной графикой и звуком, чего не требовалось для профессиональных моделей. В связи с достигнутым в последние годы резким удешевлением средств вычислительной техники, границы между профессиональными и бытовыми моделями в значительной степени стерлись, и сегодня в качестве бытовых нередко используют высокопроизводительные профессиональные модели, а профессиональные модели, в свою очередь, комплектуют устройствами для воспроизведения мультимедийной информации, что ранее было характерно для бытовых устройств.

Замечание. Под термином мультимедиа подразумевается сочетание нескольких видов данных в одном документе (текстовые, графические, музыкальные и видеоданные) или совокупность устройств для воспроизведения этого комплекса данных.

Начиная с 1999 года в области персональных компьютеров начинает действовать международный сертификационный стандарт — спецификация РС99. Он регламентирует принципы классификации персональных компьютеров и оговаривает минимальные и рекомендуемые требования к каждой из категорий. Новый стандарт устанавливает следующие категории персональных компьютеров:

Согласно спецификации РС99 большинство персональных компьютеров, присутствующих в настоящее время на рынке, попадают в категорию массовых ПК. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств для создания соединений удаленного доступа, то есть средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК — к средствам воспроизведения графики и звука.

2.1.2. Другие виды классификации компьютеров

Классификация по уровню специализации. По уровню специализации компьютеры делят на универсальные и специализированные. На базе универсальных компьютеров можно собирать вычислительные системы произвольного состава (состав компьютерной системы называется конфигурацией). Так, например, один и тот же персональный компьютер можно использовать для работы с текстами, музыкой, графикой, фото- и видеоматериалами.

Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К таким компьютерам относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов. Бортовые компьютеры управляют средствами ориентации и навигации, осуществляют контроль за состоянием бортовых систем, выполняют некоторые функции автоматического управления и связи, а также большинство функций оптимизации параметров работы систем объекта (например, оптимизацию расхода топлива объекта в зависимости от конкретных условий движения). Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Их используют при подготовке кино- и видеофильмов, а также рекламной продукции. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети, называют сетевыми серверами.

Во многих случаях с задачами специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры, но считается, что использование специализированных систем все-таки эффективнее. Критерием оценки эффективности выступает отношение производительности оборудования к величине его стоимости.

Классификация по типоразмерам. Персональные компьютеры можно классифицировать по типоразмерам. Так, различают настольные (desktop), портативные (notebook) и карманные (laptop) модели.

Настольные модели распространены наиболее широко. Они являются принадлежностью рабочего места. Эти модели отличаются простотой изменения конфигурации за счет несложного подключения дополнительных внешних приборов или установки дополнительных внутренних компонентов. Достаточные размеры корпуса в настольном исполнении позволяют выполнять большинство подобных работ без привлечения специалистов, а это позволяет настраивать компьютерную систему оптимально для решения именно тех задач, для которых она была приобретена.

Портативные модели удобны для транспортировки. Их используют бизнесмены, коммерсанты, руководители предприятий и организаций, проводящие много времени в командировках и переездах. С портативным компьютером можно работать при отсутствии рабочего места. Особая привлекательность портативных компьютеров связана с тем, что их можно использовать в качестве средства связи. Подключив такой компьютер к телефонной сети, можно из любой географической точки установить обмен данными между ним и центральным компьютером своей организации. Так производят обмен данными, передачу приказов и распоряжений, получение коммерческих данных, докладов и отчетов. Для эксплуатации на рабочем месте портативные компьютеры не очень удобны, но их можно подключать к настольным компьютерам, используемым стационарно.

Карманные модели выполняют функции “интеллектуальных записных книжек”. Они позволяют хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ. Некоторые карманные модели имеют жестко встроенное программное обеспечение, что облегчает непосредственную работу, но снижает гибкость в выборе прикладных программ.

Классификация по совместимости. В мире существует множество различных видов и типов компьютеров. Они выпускаются разными производителями, собираются из разных деталей, работают с разными программами. При этом очень важным вопросом становится совместимость различных компьютеров между собой. От совместимости зависит взаимозаменяемость узлов и приборов, предназначенных для разных компьютеров, возможность переноса программ с одного компьютера на другой и возможность совместной работы разных типов компьютеров с одними и теми же данными,

Аппаратная совместимость. По аппаратной совместимости различают так называемые аппаратные платформы. В области персональных компьютеров сегодня наиболее широко распространены две аппаратные платформы — IBM РС и Аррlе Macintosh. Кроме них существуют и другие платформы, распространенность которых ограничивается отдельными регионами или отдельными отраслями. Принадлежность компьютеров к одной аппаратной платформе повышает совместимость между ними, а принадлежность к разным платформам — понижает.

Кроме аппаратной совместимости существуют и другие виды совместимости: совместимость на уровне операционной системы, программная совместимость, совместимость на уровне данных.

Классификация по типу используемого процессора. Процессор — основной компонент любого компьютера. В электронно-вычислительных машинах это специальный блок, а в персональных компьютерах — специальная микросхема, которая выполняет все вычисления в компьютере. Даже если компьютеры принадлежат одной аппаратной платформе, они могут различаться по типу используемого процессора. Основные типы процессоров для платформы IBM РС мы рассмотрим в соответствующем разделе, а здесь укажем на то, что тип используемого процессора в значительной (хотя и не в полной мере) характеризует технические свойства компьютера.

Первый компьютер был создан в 1946 году в США. Данная электронная вычислительная машина (ЭВМ) состояла из 18 тыс. вакуумных ламп, весила 30 тонн, занимала площадь около 200 м 2 и потребляла огромное количество энергии. В 1964 г. фирма IBM объявила о создании семейства компьютеров System 360, после чего продолжается постоянное развитие компьютерной техники и элементной базы.

Компьютерная техника может классифицироваться по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т.д. Такое разделение компьютеров является условным, что объясняется стремительным развитием компьютерной науки и техники.

В общем виде компьютеры можно разделить:

  • по производительности и быстродействию;
  • по назначению;
  • по уровню специализации;
  • по типу процессора;
  • по особенностям архитектуры;
  • по размерам.

В зависимости от набора решаемых задач, на основании которых формируются требования к характеристикам, компьютеры делят на:

  • персональные компьютеры;
  • рабочие станции;
  • серверы;
  • мэйнфреймы;
  • суперкомпьютеры (кластерные архитектуры).

Персональный компьютер


Характерным для ПК являются:

  • ориентация на широкое применение и наличие некоторого набора стандартных технических средств со средними значениями характеристик, которые могут быть существенно улучшены по желанию пользователя;
  • автономное использование ПК и, как следствие, обязательное наличие у каждого компьютера средств ввода и отображения информации, таких как: клавиатура, мышь, монитор, принтер и др, характерных для решаемых задач;
  • индивидуальное использование ресурсов ПК и незначительное использование ресурсов других компьютеров при наличии подключения к информационной сети, например, Internet.
  • работа под управлением, как минимум, не сетевой операционной системы.

Рабочая станция

Существуют достаточно устойчивые признаки конфигураций рабочих станций, предназначенных для решения определенного круга задач, позволяет отделять их в отдельный профессиональный подкласс: мультимедиа (обработка изображений, видео, звука), САПР (системы автоматизированного проектирования и т.д.).


Каждый такой подкласс может иметь присущие ему особенности и уникальные компоненты, например:

  • большой размер монитора и / или несколько мониторов (САПР),
  • быстродействующая графическая плата (обработка видео и мультипликация, компьютерные игры),
  • большой объем накопителей данных,
  • наличие сканера (работа с изображением),
  • защищенное исполнение (вооруженные силы, секретные базы данных) и другие.

Сервер


Характерным для сервера являются:

Мэйнфрейм


Научные исследования показывают, что при использовании глобальных информационных массивов, обработка данных будет выполняться значительно легче и экономически выгоднее с помощью мейнфрейму, чем при участии сети персональных устройств. Мэйнфрейм опережает обычные современные ПК практически по всем показателям.

Отдельно стоит уделить внимание высокой надежности самого устройства и данных, с которыми он работает. Наличие резервных составляющих устройств системы и возможность их «горячей» замены обеспечивают непрерывность работы. А стандартная величина загруженности процессора без особых усилий превышает отметку в 85% от общей мощности. Управление таким устройством происходит с помощью цепи терминалов, а с недавних пор и через сетевой интерфейс. Лидирующие позиции в производстве мэйнфреймов занимает компания IBM.

Для мэйнфреймов характерны следующие особенности:

  • дублирования: резервные процессоры; запасные микросхемы памяти; альтернативные пути доступа к периферийным устройствам. Горячая замена всех элементов до каналов, плат памяти и центральных процессоров;
  • целостность данных: в мэйнфреймах используется память, исправляет ошибки. Ошибки не приводят к разрушению данных в памяти, или данных, ожидающих устройства ввода-вывода информации. Дисковые подсистемы построены на основе RAID-массивов с горячей заменой и встроенными средствами резервного копирования, которые гарантируют защиту от потерь данных;
  • рабочую нагрузку мэйнфреймов может составлять 80-95% от их пиковой производительности;
  • пропускная способность подсистемы ввода-вывода мэйнфреймов разработана так, чтобы работать в среде с высоким рабочим нагрузкам на ввод-вывод;
  • доступ к данным: поскольку данные хранятся на одном сервере, приложения не требуют сбора исходной информации из множества источников, не нужен дополнительный дисковое пространство для их временного хранения;
  • требуется небольшое количество необходимых физических серверов и довольно простое программное обеспечение. Все это, в совокупности, ведет к повышению скорости и эффективности обработки.
  • использования дискового пространства: пропускная способность ввода-вывода достаточное для загрузки процессора.

Суперкомпьютер


Аппаратная и программная часть комплекса позволяет при обнаружении отказа одного процессора быстро перераспределить работу на другие процессоры внутри кластера. При этом сбой в работе кластера выражается лишь в некотором снижении производительности системы или в недоступности приложений на короткое время, необходимое для переключения на другой узел. Производительность кластерной системы легко масштабируется, а это значит, что добавление в систему дополнительных процессоров, оперативной и дисковой памяти или новых узлов может выполняться при необходимости в любое время.

Сравнение мейнфрейма и суперкомпьютера.

В контексте общей вычислительной мощности мэйнфреймы проигрывают суперкомпьютерам.

Читайте также: