Пятибратов А.П., Гудыно Л.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации - файл n2.doc

приобрести
Пятибратов А.П., Гудыно Л.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации
скачать (34987.8 kb.)
Доступные файлы (22):
n1.pdf364kb.24.11.2009 21:43скачать
n2.doc468kb.24.08.2011 11:52скачать
n3.pdf6111kb.24.11.2009 21:45скачать
n4.pdf2409kb.24.11.2009 21:45скачать
n5.pdf4616kb.24.11.2009 21:45скачать
n6.pdf1003kb.24.11.2009 21:46скачать
n7.pdf795kb.24.11.2009 21:46скачать
n8.pdf525kb.24.11.2009 21:46скачать
n9.pdf787kb.24.11.2009 21:46скачать
n10.doc288kb.25.08.2011 16:53скачать
n11.pdf2510kb.24.11.2009 21:43скачать
n12.pdf2978kb.24.11.2009 21:44скачать
n13.pdf2044kb.24.11.2009 21:44скачать
n14.pdf1484kb.24.11.2009 21:44скачать
n15.pdf1522kb.24.11.2009 21:44скачать
n16.pdf1243kb.24.11.2009 21:44скачать
n17.pdf5581kb.24.11.2009 21:45скачать
n18.pdf4929kb.24.11.2009 21:45скачать
n19.doc43kb.24.08.2011 12:16скачать
n20.pdf290kb.24.11.2009 21:43скачать
n21.doc58kb.24.08.2011 12:09скачать
n22.pdf283kb.24.11.2009 21:43скачать

n2.doc

Раздел 1 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И СИСТЕМЫ
Глава 1 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ


    1. Основные характеристики ЭВМ


Первые электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились немногим более полувека назад. За это время микроэлектроника, вычислительная техника и вся индустрия информатики стали одними из основных составляющих мирового научно-технического прогресса.

Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает распространяться вширь и вглубь. В настоящее время ЭВМ используются не только для выполнения сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т.д. Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатывать любые виды информации: числовую, текстовую, табличную, графическую, видео, звуковую.

Электронная вычислительная машина — это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы. Как правило,время подготовки задач во много раз превышает время их решения.

Требования пользователей к выполнению вычислительных работудовлетворяются специальным подбором и настройкой техническихи программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

Структура — совокупность элементов и их связей. Различаютструктуры технических, программных и аппаратно-программныхсредств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготонки и решения задач и т.д.). При этом пользователь интересуется не

конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а общими вопросами организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

Архитектура ЭВМ — это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ. В последующих разделах учебника эти вопросы подробно рассматриваются.

Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры-схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом.

Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня,которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач. Перечисленные специалисты рассматривают понятие архитектуры в более узком смысле. Дляних наиболее важные структурные особенности сосредоточены в наборе команд ЭВМ, разграничивающем аппаратные и программные средства.

Сами же пользователи ЭВМ, которые обычно не являются профессионалами в области вычислительной техники, рассматривают архитектуру через более высокоуровневые аспекты, касающиеся ихвзаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

• технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);

• характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических ипрограммных средств; возможность изменения структуры;

• состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

Важнейшими характеристиками ЭВМ являются быстродействиеи производительность. И хотя эти характеристики тесно связаны, темне менее их не следует смешивать. Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Производительность — это объем работ (например, число стандартных программ), выполняемый ЭВМ в единицу времени.

Определение характеристик быстродействия и производительности представляет собой очень сложную инженерную и научную задачу, до настоящего времени не имеющую единых подходов и методов решения.

Казалось бы, что более быстродействующая вычислительная техника должна обеспечивать и более высокие показатели производительности. Однако практика измерений значений этих характеристик для раззнотипных ЭВМ может давать противоречивые результаты. Основные трудности в решении данной задачи заключены в проблеме выбора: что и как измерять. Укажем лишь наиболее распространенные подходы.

Одной из альтернативных единиц измерения быстродействия была и остается величина, измеряемая в MIPS (Million Instructions Per Second — миллион операций в секунду). В качестве операций здесь обычно рассматриваются наиболее короткие операции типа сложения. MIPS широко использовалась для оценки больших машин второго и третьего поколений, но для оценки современных ЭВМ применяется достаточно редко по следующим причинам:

• набор команд современных микропроцессоров может включать сотни команд, сильно отличающихся друг от друга длительностью выполнения;

• значение, выраженное в MIPS, меняется в зависимости от особенностей программ;

• значение MIPS и значение производительности могут противоречить друг другу, когда оцениваются разнотипные вычислители (например, ЭВМ, содержащие сопроцессор для чисел с плавающей точкой и без такового).

При решении научно-технических задач в программах резко увеличивается удельный вес операций с плавающей точкой. Опять же для больших однопроцессорных машин в этом случае использовалась и продолжает использоваться характеристика быстродействия, выраженная в MFPOPS (Million Floating Point Operations Per Second — миллион операций с плавающей точкой в секунду). Для персональных ЭВМ этот показатель практически не применяется из-за особенностей решаемых задач и структурных характеристик ЭВМ.

Для более точных комплексных оценок существуют тестовые наборы, которые можно разделить на три группы:

• наборы тестов фирм-изготовителей для оценивания качества собственных изделий (например, компания Intel для своих микропроцессоров ввела показатель iCOMP-Intel Comparative Microprocessor Performance);

стандартные универсальные тесты для ЭВМ, предназначенных для крупномасштабных вычислений (например, пакет математических задач Linpack, по которому ведется список ТОР 500, включающий 500 самых производительных компьютерных установок в мире);

• специализированные тесты для конкретных областей применения компьютеров (например, для тестирования ПК по критериям офисной группы приложений используется тест Winstone97-Business, для группы домашних компьютеров — WinBench97-CPUMark32, для группы ПК для профессиональной работы — 3DWinBench97-User Scene).

Отметим, что результаты оценивания ЭВМ по различным тестам несопоставимы. Наборы тестов и области применения компьютеров

должны быть адекватны.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Она измеряется количеством структурных

единиц информации, которые одновременно можно разместить в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.

Наименьшей структурной единицей информации является бит — одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения — байтах (байт равен восьми битам). Следующими единицами измерения служат: 1Кбайт=2'° байта=1024 байта, 1Мбайт =210 Кбайта=220 байта, 1 Гбайт=210 Мбайта=220 Кбайта=230 байта.

Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти. Современные персональные ЭВМ могут иметь емкость оперативной памяти, равную 64 — 256 Мбайтам и даже больше. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.

Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискеты составляет 1,2; 1,4; 2,88 Мбайта в зависимости от типа дисковода и характеристик дискет. Емкость жесткого диска и дисков DVD может достигать нескольких десятков Гбайтов, емкость компакт-диска (CD-ROM) — сотни Мбайтов (640 Мбайт и выше) и т.д. Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения и отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки операционной среды Windows 2000 требуется объем памяти жесткого диска более 600 Мбайт и не менее 64 Мбайт оперативной памяти ЭВМ.

Надежность — это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени(стандарт ISO (Международная организация стандартов) -2382/14-78).

Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу — сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) — резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Хорошо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли). Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранять неисправности.

Точность — возможность различать почти равные значения (стандарт ISO — 2382/2-76). Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, которая в зависимости от класса ЭВМ может составлять 32, 64 и 128 двоичных разрядов.

Во многих применениях ЭВМ не требуется большой точности, например при обработке текстов и документов, при управлении технологическими процессами. В этом случае достаточно воспользоваться 8- и 16-разрядными двоичными кодами. При выполнении же сложных математических расчетов следует использовать высокую разрядность

(32, 64 и даже более). Для работы с такими данными применяются соответствующиеструктурные единицы представления информации (байт, слово, двойное слово). Программными способами диапазон представления и обработки данных может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.

Достоверность — свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратно-программными средствами контроля самой ЭВМ.

Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.


    1. Классификация средств ЭВТ


В настоящее время в мире произведены, работают и продолжают выпускаться миллионы вычислительных машин, относящихся к различным поколениям, типам, классам; отличающихся своими областями применения, техническими Характеристиками и вычислительными возможностями. Традиционно электронную вычислительную технику подразделяют на аналоговую и цифровую.

В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых величин: тока, напряжения, угла поворота какого-то механизма и т.п. Эти машины обеспечивают приемлемое быстродействие, но не очень высокую точность вычислений (0,001 — 0,01). Подобные машины распространены не очень широко. Они используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе различных стендов по отработке сложных образцов техники.

По своему назначению их можно рассматривать как специализированные вычислительные машины.

В настоящее время под словом ЭВМ обычно понимают цифровые вычислительные машины, в которых информация кодируется двоичными кодами чисел. Именно эти машины благодаря универсальным возможностям и являются самой массовой вычислительной техникой.

Рынок современных компьютеров отличается разнообразием и динамизмом, каких еще не знала ни одна область человеческой деятельности. Каждый год стоимость вычислений сокращается примерно на 25—30%, стоимость хранения единицы информации — до 40%.

Практически каждое десятилетие меняется поколение машин, каждые год-два — основные типы микропроцессоров, определяющих характеристики новых ЭВМ. Такие темпы сохраняются уже многие годы.

То, что 10—15 лет назад считалось современной большой ЭВМ, в настоящее время является устаревшей техникой с очень скромными возможностями. Современный персональный компьютер с быстродействием в сотни миллионов операций в секунду становится доступным средством для массового пользователя.

В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быстро устаревает и нуждается в корректировке. Например, в класификациях десятилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микроЭВМ, которые сейчас почти исчезли из обихода.

Вместе с тем существует целый ряд закономерностей развития вычислительной техники, которые позволяют предвидеть и предсказывать основные результаты этого поступательного движения. Необходимо анализировать традиционные и новые области применения ЭВМ, классы и типы используемых вычислительных средств, сложившуюся конъюнктуру рынка информационных технологий и его динамику, количество и качество вычислительной техники, выпускаемой признанными лидерами — производителями средств ЭВТ и т.д. Коротко рассмотрим эти основные вопросы, выяснение которых позволит понять, какая вычислительная техника необходима для решения определенных задач.

Академик В.М. Глушков указывал,что существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ.

Первое направление является традиционным — применение ЭВМ для автоматизации вычислений. Научно-техническая революция во всех областях науки и техники постоянно выдвигает новые научные, инженерные, экономические задачи, которые требуют проведения крупномасштабных вычислений (задачи проектирования новых образцов техники, моделирования сложных процессов, атомная и космическая техника и др.). Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и их приложений. Первые, а затем и последующие вычислительные машины классической структуры в основном и создавались для автоматизации вычислений.

Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления. Она зародилась примерно в шестидесятые годы, когда ЭВМ стали интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Математическая база этой новой сферы практически отсутствовала, в течение последующих 15—20 лет она была создана.

Новое применение вычислительных машин потребовало видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов обработки.

Сопряжение с каналами связи потребовало усложнения режимов работы ЭВМ, сделало их многопрограммными и многопользовательскими. Для исключения взаимных помех между программами пользователей в структуру машин были введены средства разграничения:

блоки прерываний и приоритетов, блоки защиты, средства измерения времени и т.п. Для управления разнообразной периферией стали использоваться специальные процессоры ввода-вывода данных или каналы. Именно тогда и появился дисплей как средство оперативного человеко-машинного взаимодействия пользователя с ЭВМ.

Новой сфере работ в наибольшей степени отвечали мини-ЭВМ.

Именно они стали использоваться для управления отраслями, предприятиями, корпорациями. Машины нового типа удовлетворяли следующим требованиям:

• были более дешевыми по сравнению с большими ЭВМ, обеспечивающими централизованную обработку данных;

• были более надежными, особенно при работе в контуре управления;

• обладали большой гибкостью и адаптируемостью настройки на конкретные условия функционирования;

• имели архитектурную прозрачность, т.е. структура и функции ЭВМ были понятны пользователям.

Одновременно со структурными изменениями ЭВМ происходило и качественное изменение характера вычислений. Доля чисто математических расчетов постоянно сокращалась, и на сегодняшний день

она составляет около 10% от всех вычислительных работ. Машины все больше стали использоваться для новых видов обработки: текстов, графики, звука и др. Для выполнения этих работ в настоящее время применяются в основном ПЭВМ.

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле.

Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Это направление постепенно набирает силу. Во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Для технического обеспечения этого направления нужны качественно новые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей (ЭВМ или процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам.

Даже это краткое перечисление областей применения ЭВМ показывает, что для решения различных задач нужна соответственно и разная вычислительная техника. Поэтому рынок компьютеров постоянно имеет широкую градацию классов и моделей ЭВМ. Фирмы-производители очень внимательно отслеживают состояние рынка ЭВМ.

Онине просто констатируют отдельные факты и тенденции, а стремятся активно воздействовать на них и опережать потребности потребителей. Так, например, фирма IBM, производящая примерно 80% мирового машинного парка, в настоящее время выпускает в основном четыре класса компьютеров, перекрывая ими широкий класс задач пользователей.

• Большие ЭВМ (mainframe), которые представляют собой многопользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа. Казалось бы, что с появлением быстро прогрессирующих ПЭВМ большие ЭВМ обречены на вымирание, однако они продолжают развиваться, и выпуск их снова стал увеличиваться, хотя их доля в общем парке постоянно снижается. По оценкам IBM, около половины всего объема данных в информационных системах мира должно храниться именно на больших машинах. Новое их поколение предназначено для использования в сетях в качестве крупных серверов. Начало этого направления было положено фирмой IBM еще в 60-е годы выпуском машин IBM/360, IBM/370. Эти машины получили широкое распространение в мире.

Развитие ЭВМ данного класса имело и имеет большое значение для России. В 1970—1990 гг. основные усилия нашей страны в области вычислительной техники были сосредоточены на программе ЕС ЭВМ (Единой системы ЭВМ), заимствовавшей архитектуру IBM 360/370. Было выпущено несколько десятков тысяч ЭВМ этой системы. Более 5000 ЭВМ серии ЕС еще продолжают работать в различных учреждениях и на производствах. Большинство АСУ верхнего уровня государственного управления в РФ (в силовых структурах, банках, на транспорте, в связи и т.д.) оснащены этими машинами. Накоплен громадный программно-информационный задел, который следует рассматривать как элемент национального достояния (по стоимости) и элемент национальной безопасности (по стратегической значимости). Поэтому принято решение и дальше развивать это направление. После подписания соглашения с фирмой IBM в марте 1993 г. Россия получила право производить 23 новейшие модели-аналоги ЭВМ IBM S/390. По расходам на управление и эксплуатацию эти машины оказываются эффективнее других вычислительных средств.

• Машины RS/6000 — очень мощные по производительности, предназначены для построения рабочих станций для работы с графикой, UNIX-серверов, кластерных комплексов. Первоначально эти машины предполагалось применять для обеспечения научных исследований.

• Средние ЭВМ, предназначенные в первую очередь для работы в финансовых структурах (ЭВМ типа AS/400 (Advanced Portable Model 3) — «бизнес-компьютеры», 64-разрядные). В этих машинах особое внимание уделяется сохранению и безопасности данных, программной совместимости и т.д. Используются в качестве серверов локальных сетей и сетей корпораций, успешно конкурируют с многопроцессорными серверами других фирм.

• Компьютеры на платформе микросхем фирмы Intel. IBM-совместимые компьютеры этого класса составляют примерно 50% рынка всей компьютерной техники. Более половины их поступает в сферу малого бизнеса. Несмотря на столь внушительный объем выпуска персональных компьютеров этой платформы, фирма IBM проводит большие исследования и развивает собственную альтернативную платформу, получившую название Power PC. Это направление, по мнению фирмы, позволило бы значительно улучшить структуру аппаратных средств ПК, а значит, и эффективность их применения. Однако новые модели этой платформы пока не выдерживают конкуренции с IBM PC. Немаловажным здесь является и неразвитость рынка программного обеспечения, поэтому у массового пользователя это направление не находит спроса, и доля

компьютеров с процессорами Power PC пока еще незначительна.

Кроме перечисленных типов вычислительной техники, необходимо отметить класс вычислительных систем, получивший название суперЭВМ. С развитием науки и техники постоянно выдвигаются новые крупномасштабныезадачи, требующие выполнения больших объемов вычислений. Особенно эффективно применение суперЭВМ при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. В этом случае ЭВМ позволяет методами численного моделирования получить результаты вычислительных экспериментов, обеспечивая приемлемое время и точность решения, т.е. решающим условием необходимости разработки и применения подобных ЭВМ является экономический показатель «производительность/стоимость». СуперЭВМ позволяют по сравнению с другими типами машин точнее, быстрее и качественнее решать масштабные задачи, обеспечивая необходимый приоритет в разработках перспективной вычислительной техники. Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров. Образцы таких машин уже выпускаются несколькими фирмами: nCube (гиперкубические ЭВМ), Connection Machine, Mass Par, NCR/Teradata, KSR, IBM RS/6000, MPP и др.

На рубеже тысячелетий фирма IBM объявила о разработке в рамках ANSI (стратегической компьютерной инициативы) новой суперЭВМ, которая будет содержать более миллиона микропроцессоров типа Pentium III (1020); по расчетам она должна иметь быстродействие 1015 операций в секунду.

Необходимо отметить и еще один класс наиболее массовых средств ЭВТ — встраиваемые микропроцессоры. Успехи микроэлектроники позволяютсоздавать миниатюрные вычислительные устройства, вплоть до однокристальных ЭВМ. Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (телефонах, телевизорах, электронных часах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, тепло-, водоснабжении, регулировке движения транспорта и т.д.), на производстве (робототехнике, управлении технологическими процессами). Постепенно они входят в нашу жизнь, все больше изменяя среду обитания человека.

Таким образом, можно предложить следующую классификацию средств вычислительной техники, в основу которой положено их разделение по быстродействию:

• суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных;

• большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров;

• средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределеннойобработкой информации в качестве сетевых серверов;

• персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня;

встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.

С развитием сетевых технологий все больше начинает использоваться другой классификационный признак, отражающий место и роль ЭВМ в сети:

• мощные машины и вычислительные системы для управления гигантскими сетевыми хранилищами информации;

• кластерные структуры;

• серверы;

• рабочие станции;

• сетевые компьютеры.

Мощные машины и вычислительные системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний. По своим характеристикам их можно отнести к классу суперЭВМ, но в отличие от них они являются более специализированными и ориентированными на обслуживание мощных потоков информации.

Кластерные структуры представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие несколько серверов. Это позволяет гибко управлять ресурсами сети, обеспечивая необходимую производительность, надежность, готовность и другие характеристики.

Серверы — это вычислительные машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов сети. Различают файл-серверы, серверы приложений, факс-серверы, почтовые, коммуникационные, Web-серверы и др.

Термин «рабочая станция» отражает факт наличия в сетях абонентских пунктов, ориентированных на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами. Этот термин как бы отделяет их от ПЭВМ, обеспечивающих работу основной массы непрофессиональных пользователей, работающих обычно в автономном режиме.

Сетевые компьютеры представляют собой упрощенные персональные компьютеры, вплоть до карманных ПК. Их основным назначением является обеспечение доступа к сетевым информационным ресурсам. Вычислительные возможности у них достаточно низкие.

Высокие скорости вычислений, обеспечиваемые ЭВМ различных классов, позволяют перерабатывать и выдавать все большее количество информации, что, в свою очередь, порождает потребности в создании связей между отдельно используемыми ЭВМ. Поэтому все современные ЭВМ в настоящее время имеют средства подключения к сетям связи и объединения в системы.

Перечисленные типы ЭВМ, которые должны использоваться в индустриально развитых странах, образуют некое подобие пирамиды с

определенным соотношением численности ЭВМ каждого слоя и набором их технических характеристик. Распределение вычислительных возможностей по слоям должно быть сбалансировано. Например, система обработки данных, используемая на Олимпийских играх в Атланте (примерно такая же система была и в Японии), содержала: 4 больших ЭВМ S/390, 16 систем RS/6000, более 80 систем AS/400, более 7000 IBM PC, более 1000 лазерных принтеров, более 250 локальных сетей Token Ring и др. Многие ПЭВМ имели сопряжение с датчиками скорости, времени и т.д.

Требуемое количество суперЭВМ для отдельной развитой страны должно составлять 100—200, больших ЭВМ — тысячи, средних — десятки и сотни тысяч, ПЭВМ — миллионы, встраиваемых микро-ЭВМ — миллиарды. Все используемые ЭВМ различных классов образуют машинный парк страны, жизнедеятельность которого и его информационное насыщение определяют успехи информатизации общества и научно-технического прогресса страны. Формирование сбалансированного машинного парка является сложной политической, экономической и социальной проблемой, решение которой требует многомиллиардных инвестиций. Для этого должна быть разработана соответствующая структура: создание специальных производств (элементной базы ЭВМ, программного обеспечения и технических связей), смена поколений машин и технологий, изменение форм экономического и административного управления, создание новых рабочих мест и т.д.


    1. Общие принципы построения современных ЭВМ


Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

«Алгоритм — конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций». «Программа для ЭВМ — упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке» (стандарт ISO 2382/1-84 г.). Следует заметить, что строгого, однозначного определения алгоритма, равно как и однозначных методов его преобразования в программу вычислений, не существует. Принцип программного управления может быть осуществлен различными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцов ЭВМ. Суть его заключается в следующем.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнды — переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоичными цифрами «0» и «1». Поэтому различные типы информации, размещенные в памяти ЭВМ, практически не различимы, идентификация их возможна лишь при выполнении программы, согласно ее логике, по контексту.

Каждый тип информации имеет свои форматы — структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами «0» и «1».

Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, представлена полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковыеразряды, значащие разряды чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного, принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом. Для больших ЭВМ размер слова составляет 4 байта, для ПЭВМ — 2 байта. В качестве структурных элементов информации различают также полуслово, двойное слово и др.

Счема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рис. 1.1.




Рис. 1.1. Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений
В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Сначала введенная информация полностью или частично запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный программный объект — файл.

Файл — это имеющий имя информационный массив (программа, данные, текст и т.п.), размещаемый во внешней памяти и рассматриваемый как неделимый объект при пересылках и обработке.

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рис. 1.1 штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяются код операции, которую необходимо выполнитьследующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Оно каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются s память. Отдельные признаки результатов г (г=0, г<0, г>0 и др.) устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв) информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют около 200 различных операций (170 — 230 в зависимости от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующейпоследовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная микрокоманда — это простейшее преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но значительно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса ее обработки (рис. 1.2).


Рис. 1.2. Структурная схема ЭВМ третьего поколения
Сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор. В структуре ЭВМ появились дополнительные устройства, которые стали называться: процессоры ввода-вывода, устройства управления обмена информацией, каналы ввода-вывода (КВВ). Последние получили наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих устройств ввода-вывода, и селекторные каналы, обслуживающие в монопольных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

В персональных ЭВМ, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рис. 1.3). Они унаследовали ее от мини-ЭВМ.

Рис. 1.3. Структурная схема ПЭВМ
Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуще ствляются под управлением сервисных программ.

Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ): дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и др., обеспечивается через соответствующие адаптеры — согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры — специальные устройства управления периферийной аппаратурой.

Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер — устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) — устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Способ формирования структуры ПЭВМ является достаточно логичным и естественным стандартом для данного класса ЭВМ.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:

• модульность построения;

• магистральность;

• иерархия управления.

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске).

Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появляется возможность наращивания вычислительной мощи, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователей.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (процессоры). Появились вычислительные системы (ВС), содержащие несколько вычислителей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллельно. Внутри самой ЭВМ произошло еще более резкое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специализированныепроцессоры, например сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные процессоры и др.

Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в которых различают старшие и младшие модели. Всегда имеется возможность замены более слабой модели на более мощную. Это обеспечивается информационной, аппаратной и программной совместимостью. Программная совместимость в семействах устанавливается по принципу ≪снизу вверх≫, т.е. программы, разработанные для ранних и младших моделей, могут обрабатываться и на старших, но не обязательно наоборот.

Модульность структуры ЭВМ требует стандартизации и унификации оборудования, номенклатуры технических и программных средств, средств сопряжения — интерфейсов, конструктивных решений, унификации типовых элементов замены, элементной базы и нормативно-технической документации. Все это способствует улучшению технических и эксплутационных характеристик ЭВМ, росту технологичности их производства.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Устройство управления главного, или центрального, процессора определяет лишь последовательность работ подчиненных модулей и их инициализацию, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими ≪вверх по иерархии≫ для правильной координации всех работ.

Подчиненные модули (контроллеры, адаптеры, KB В) могут в свою очередь использовать специальные шины или магистрали для обмена информацией. Стандартизация и унификация привели к появлению иерархии шин и к их специализации. Из-за различий в скоростях работы отдельных устройств в структурах ПК появились:

• системная шина — для взаимодействия основных устройств;

• локальная шина — для ускорения обмена видеоданными;

• периферийная шина — для подключения ≪медленных≫ периферийных устройств.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Например, по этому же принципу строится система памяти ЭВМ.

Так, с точки зрения пользователя, желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой информационной емкости и высокого быстродействия. Однако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворять этим двум противоречивым требованиям. Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу.

В составе процессоров может иметься сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками или несколькими сотнями регистров с быстрым временем доступа, составляющим один такт процессора (наносекунды, не). Здесь обычно хранятся данные, непосредственно используемые в обработке.

Следующий уровень образует кэш-память, или память блокнотного типа, представляющая собой буферное запоминающее устройство для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайтов. В современных ПК она в свою очередь делится: на кэш L1 (Еп=16—32 Кбайта с временем доступа 1—2 такта процессора); на кэш L2 (Еп=128—512 Кбайт с временем доступа 3—5 тактов) и даже на кэш L3 (Еп=2—4 Мбайта с временем доступа 8—10 тактов). Кэш-память, как более быстродействующая, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Здесь возможна ассоциативная выборка данных. Основной объем программ пользователей и данных к ним размещается в оперативном запоминающем устройстве (емкость — миллионы машинных слов, время выборки — 10—20 тактов процессора).

Часть данных-констант, необходимых операционной системе для управления вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях: нажестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитооптических дисках и др. Их отличает низкое быстродействие и очень большая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управлении ими позволяет рассматривать иерархию памяти как абстрактную единую кажущуюся (виртуальную) память. Согласованная работа всех уровней обеспечивается под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность работы с памятью, намного превышающей емкость ОЗУ.

Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользователей.

В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка является кажущейся. Она предполагает параллельную работу отдельных устройств, задействованных в вычислениях по различным задачам пользователей. Например, компьютер может производить распечатку каких-либо документов и принимать сообщения, поступающие по каналам связи. Процессор при этом может производить обработку данных по третьей программе, а пользователь — вводить данные или программу для новой задачи, слушать музыку и т.п.

В ЭВМ или вычислительных системах, имеющих несколько процессоров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Автоматическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав системи блоков, разделяющих различные вычислительные процессы друг от друга, исключающие возможность возникновения взаимных помех и ошибок (системы прерываний и приоритетов, защиты памяти).

Самостоятельного значения в вычислениях они не имеют, но являются необходимым элементом структуры для обеспечения этих вычислений.

Как видно, полувековая история развития ЭВТ дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ. Все приведенные структуры не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие традиционные признаки [53]:

• ядро ЭВМ образует процессор — единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью;

• линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;

• одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;

• внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;

• последовательное централизованное управление вычислениями;

• достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода.

Классическая структураЭВМ уже сослужила добрую службу человечеству. В ходе эволюции она была дополнена целым рядом частных доработок, позволяющих ликвидировать наиболее ≪узкие места≫ и обеспечить максимальную производительность ЭВМ в рамках достигнутых технологий. Однако, несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура не обеспечивает возможностей дальнейшего наращивания производительности. Наметился кризис, обусловленный рядом ее существенных недостатков:

• практически исчерпаны структурные методы повышения производительности ЭВМ;

• плохо развиты средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие массивы данных и др.);

• несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

• примитивная организация памяти ЭВМ;

• низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих параллельную обработку, и т.п.

Все эти недостатки аппаратуры приводят к чрезмерному усложнению комплекса программных средств, применяемого для подготовки и решения задач пользователей.

В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них ≪встроенного искусственного интеллекта≫, предполагается дальнейшее усложнение структуры. В первую очередь это касается совершенствования процессов общения пользователей с ЭВМ (использование аудио-, видеоинформации, систем мультимедиа и др.), обеспечениядоступа к информационным хранилищам (базам данных и базам знаний), организации параллельных вычислений. Несомненно, что этому должны соответствовать новые параллельные структуры с новыми принципами их построения. Они становятся экономически более выгодными.

Вероятно, подобными системами будут обслуживаться большие информационные хранилища.

    1. Функции программного обеспечения

Электронные вычислительные машины являются универсальными техническими средствами автоматизации вычислительных работ, т.е. они способны решать любые задачи, связанные с преобразованием информации. Однако подготовка задач к решению на ЭВМ была и остается до настоящего времени достаточно трудоемким процессом, требующим от пользователей во многих случаях специальных знаний и навыков.

Для снижения трудоемкости подготовки задач к решению, более эффективного использования отдельных технических, программных средств и ЭВМ в целом, а также облегчения их эксплуатации каждая ЭВМ имеет специальный комплекс программных средств регулярного применения. Эти средства обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и являются своеобразным ≪посредником≫ между ними.

Они получили название программного обеспечения ЭВМ.

Под программным обеспечением будем понимать комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для подготовки и решения задач пользователями.

Программное обеспечение (ПО) отдельных ЭВМ и ВС может сильно различаться составом используемых программ, который определяется классом задействованной вычислительной техники, режимами ее применения, содержанием вычислительных работ пользователей и т.п.

Развитие ПО современных ЭВМ и ВС в значительной степени носит эволюционный и эмпирический характер, но можно выделить закономерности в его построении.

В общем случае процесс подготовки и решения задач на ЭВМ пользователями предусматривает выполнение следующей последовательности этапов (рис. 1.4):


Рис. 1.4. Автоматизация подготовки и решения задач в ЭВМ

• формулировка проблемы и математическая постановка задачи;

• выбор метода и разработка алгоритма решения;

• программирование (запись алгоритма) с использованием некоторого алгоритмического языка;

• планирование и организация вычислительного процесса — порядка и последовательности использования ресурсов ЭВМ и ВС;

• формирование ≪машинной программы≫, т.е. программы, которую

непосредственно будет выполнять ЭВМ;

• собственно решение задачи — выполнение вычислений по готовой программе.

По мере развития вычислительной техники автоматизация этих этапов идет снизу вверх. В ЭВМ первого поколения автоматизации подлежал только шестой этап. Все пять предыдущих этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятельно. Трудоемкий и рутинный характер этих работ был источником большого количества ошибок в заданиях. Поэтому в ЭВМ следующих поколений появились сначала элементы, а затем целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.

Для ЭВМ второго поколения характерно широкое применение алгоритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран и др.) и соответствующих трансляторов, позволяющих автоматически формировать машинные программы по их описанию на алгоритмическом языке.

Здесь же широко стали внедряться библиотеки стандартных программ, что позволило строить машинные программы блоками, используя накопленный и приобретенный программистами опыт. Отметим, что временные границы появления всех нововведений достаточно размыты. Обычно их истоки можно обнаружить в недрах ЭВМ предыдущих поколений.

ЭВМ третьего поколения характеризуются расцветом операционных систем, отвечающих за организацию и управление вычислительным процессом. Именно здесь слово ≪ЭВМ≫ все чаще стало заменяться понятием ≪вычислительная система≫, что в большей степени отражало усложнение как аппаратной, так и программной частей ЭВМ.

Стоимостьпрограммного обеспечения стала расти и в настоящее время намного опережает стоимость аппаратуры (рис. 1.5).



Рис. 1.5. Динамика изменения стоимости аппаратных и программных средств
Операционная система (ОС) планирует последовательность распределения и использования ресурсов вычислительной системы, а также обеспечивает их согласованную работу. Под ресурсами обычно понимают те средства, которые применяют для вычислений: машинное время отдельных процессоров или ЭВМ, входящих в систему; объемы оперативной и внешней памяти; отдельные устройства, информационные массивы; библиотеки программ; отдельные программы как общего, так и специального применения и т.п. Интересно, что наиболее употребительные функции ОС в части обработки внештатных ситуаций (защита программ от взаимных помех, системы прерываний и приоритетов, служба времени, сопряжение с каналами связи и т.д.) были полностью или частично реализованы аппаратурно. Одновременно были реализованы более сложные режимы работы: коллективный доступ к ресурсам, мультипрограммные режимы. Часть этих решений стала своеобразным стандартом и начала использоваться повсеместно в ЭВМ различных классов. Это позволило в значительной степени повысить эффективность применения ЭВМ и ВС в целом.

В ЭВМ четвертого поколения продолжается усложнение технических и программных структур (иерархия управления средствами, увеличение их количества). Следует отметить заметное повышение ≪интеллектуальности≫ машин. Особенно это стало видно при появлении

персональных ЭВМ (ПЭВМ), ориентированных на определенные категории пользователей. Программное обеспечение этих машин создает ≪дружественную≫ среду общения человека и компьютера. Оно, с одной стороны, управляет процессом обработки информации, а с другой — создает необходимый сервис для пользователя, снижая трудоемкость его рутинной работы и предоставляя ему возможность больше внимания уделять творчеству.

Подобныетенденции будут сохраняться и в ЭВМ последующих поколений. Так, по мнению исследователей [34,53], машины будущего столетия будут иметь встроенный в них ≪искусственный интеллект≫, что позволит пользователям обращаться к машинам (системам) на естественном языке, вводить и обрабатывать тексты, документы, иллюстрации, создавать системы обработки знаний и т.д. Все это приводит к необходимости разработки сложного, многоэшелонного иерархического программного обеспечения систем обработки данных.


    1. Персональные ЭВМ


В настоящее время персональные ЭВМ (ПЭВМ) являются самым массовым типом ЭВМ. Именно им отводится решающая роль при переходе общества к информатизации — наиболее полному использованию информационных технологий.

Интересны причины появления и развития этого класса ЭВМ.

Структура и динамика развития мирового парка ЭВМ показаны на рис. 1.6.

Сегодня доля ПЭВМ в мировом парке составляет около 80%. Доли больших ЭВМ и мини-ЭВМ (в последнее время они заменяются средними ЭВМ новых поколений) оцениваются примерно по 10%. Развитие ПЭВМ определяется прежде всего экономическими факторами, так как стоимость единицы вычислительноймощности в них обходится значительно дешевле. Появление ПЭВМ закономерно и объясняется изменением характера вычислительных работ, в которых немаловажную роль играет нечисловая обработка.



Рис. 1.6. Структура и динамика развития мирового парка ЭВМ

Классы машин: 1 ~ большие ЭВМ; 2 - мини-ЭВМ; 3 - персональные ЭВМ;

4 - суммарный парк
Большие ЭВМ в основном использовались и используются для централизованной обработки информации. В первую очередь они применялись для крупномасштабных вычислений по программам, разработанным коллективами специалистов. Поэтому дорогие большие машины устанавливались в крупных академических вычислительных центрах.

Мини-ЭВМ стали использоваться для распределенной обработки данных и для управления объектами, технологическими процессами, предприятиями.

Персональные ЭВМ отмечают новый этап в организации и обеспечении вычислений — этап ≪персональных вычислений≫. Суть его выражается девизом: ≪One man — one job — one computer≫ (человек — работа — компьютер). Таким образом, персональные ЭВМ призваны решать в первую очередь те задачи, которые возникают у специалистов различного профиля в определенные моменты времени, непосредственно на рабочих местах, т.е. там, где находятся источники данных, подлежащих обработке.

При этом самым распространенным режимом работы является режим непосредственного доступак ресурсам ЭВМ, ≪один на один с компьютером≫. Подобный режим работы уже использовался при работе с первыми ЭВМ, однако при централизованном управлении он был крайне неэффективен. Если ранее за пультом большой ЭВМ должен был находиться профессиональный программист, то за персональным компьютером обычно находится ≪непрограммирующий профессионал≫. Так называют специалиста конкретной предметной области (бухгалтера, экономиста, инженера-исследователя и т.п.), но не специалиста в вычислительной технике и программировании. Поэтому возврат к режиму непосредственного доступа происходит на качественно новой основе.

Широкое применение ПЭВМ в различных сферах деятельности человека выдвигает требования к их надлежащему программному обеспечению. В настоящее время число профессиональных программистов в индустриально развитых странах составляет не более 0,5% населения. Фирмы-разработчики программного обеспечения не могут предоставить каждому пользователю ПЭВМ требуемый набор программ. Их усилия сосредоточены на производстве пакетов прикладных программ и систем программирования, рассчитанных на массового пользователя. Именно поэтому такой взрывной характер имеют спрос, производство и распространение подобных пакетов. Они составляют фундамент для последующей разработки собственных программ пользователя, учитывающих всю специфику требуемых вычислений.

Другими словами, как и во всех науках, специализация является надстройкой унификации. Это позволяет пользователям — специалистам

с невысокой математической, вычислительной и программистской подготовкой необязательно самыми эффективными средствами и способами ставить и решать задачи специальной обработки данных.

≪МикроЭВМ, ориентированная на разработку и использование прикладных программ ≪непрограммирующим профессионалом≫, получила название персонального компьютера, а соответствующий режим использования вычислительной техники — режим персональных вычислений≫ [7].

Основная цель использования ПЭВМ—формализация профессиональных знаний. Здесь в первую очередь автоматизируется рутинная часть работ специалистов, которая занимает более 75% их рабочего времени.

Применение ПЭВМ позволяет сделать труд специалистов творческим,

интересным, эффективным. Персональные ЭВМ используются повсеместно, во всех сферах деятельности людей. Новые сферы применения изменили и характер вычислительных работ. Так, инженерно-технические расчеты составляют не более 9%, автоматизация управления сбытом, закупками, управление запасом — 16%, финансово-экономические расчеты — 15%, делопроизводство — более 10%, игровые задачи — 8% и т.д.

Причинами стремительного роста индустрии персональных ЭВМ следует считать [41]:

• высокую эффективность применения по сравнению с другими классами ЭВМ при малойстоимости (от нескольких сот до нескольких тысяч долларов — в зависимости от типа и комплектации);

• возможность индивидуального взаимодействия с ПК без каких-либо посредников и ограничений;

• большие возможности по обработке информации (быстродействие — сотни миллионов операций в секунду; емкость памяти: оперативной — единицы и десятки Мбайтов, внешней — сотни Мбайтов, единицы Гбайтов);

высокую надежность и простоту в эксплуатации;

• возможность расширения и адаптации к особенностям применения;

• наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового программного обеспечения;

• простоту использования, основанную на ≪дружественном≫ взаимодействии с ПК, с помощью пакетов прикладных программ.

Эффективная работа на ПЭВМ предполагает своевременное обеспечение ее необходимой входной информацией и распространение полученных результатов обработки. Поэтому все ПЭВМ имеют возможность сопряжения через сетевые адаптеры и модемы с каналами связи. Подключение ПЭВМ к вычислительным сетям в еще большей степени усиливает эффективность их применения.

ПЭВМ, как и другие типы машин, выпускаются целыми семействами, что позволяет перекрыть достаточно широкий диапазон производительности, обеспечить преемственность в разработках и возможность совершенствования систем обработки данных, построенных на их основе. Современные ПЭВМ строятся на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Машины типа IBM PC (а именноони составляют почти 80% парка ПЭВМ) комплектуются микропроцессорами Pentium различных модификаций.

Различают младшие, средние и старшие модели ПК. В основу такого деления положены особенности комплектации компьютера и обеспечиваемые этим его возможности.

Одной из основных характеристик ПК является тип используемого в нем микропроцессора. Рынок микропроцессоров очень динамичен. Каждые год-два происходит обновление их основных типов. Последние разработки микропроцессоров фирм Intel и AMD (Pentium III и K7-Atlon) работают на частотах 750 — 800 МГц. Лучшим же компьютером начала 2000 г. следует считать Power Mac G4 с процессором Power PC G4, совместно разработанным компаниями Apple, Motorola, IBM и работающим на частоте 500 МГц. Он показал быстродействие более IGflops и работал почти в 3 раза быстрее, чем ПК с Pentium III-600 (самый быстродействующий микропроцессор от Intel на момент выпуска Power Mac G4).

Компьютеры оснащаются оперативной памятью 32—256 Мбайта с возможностью дальнейшего наращивания, кэш-памятью 256 Кбайт—

2 Мбайта, жесткими дисками — единицы и десятки Гбайтов. Компьютеры могут иметь высокоскоростные диски CD-ROM, сетевые, графические адаптеры и другие устройства.

Рассматривая класс ПЭВМ, нельзя не упомянуть о самой простейшей его разновидности — сетевом компьютере (СК), также относящимся к персональной технике. Он становится еще одним стандартом, объединяющим целый класс компьютеров, который получает массовое производство и распространение.

Применение сетевых компьютеров позволяет аккумулировать вычислительные мощности и все виды вычислительных услуг на серверах в сетях ЭВМ. В связи с этим отпадает необходимость каждому пользователю иметь собственные автономные средства обработки.

Очень многие из них могут обращаться к вычислительным ресурсам сетей при помощи простейших средств доступа — сетевых компьютеров. Необходимая информация и нужные виды ее обработки будут выполнены серверами сети, а пользователи получают уже готовые, требуемые им результаты. Таким образом, для подобного вида услуг образуется своеобразная ниша, которую должны заполнить сетевые компьютеры, поскольку они обеспечивают:

• резкое снижение совокупной стоимости владения (Total Cost of Ownership, TCO) вычислительными средствами предприятия, фирмы, корпорации;

• повышение производительности работы пользователей при одновременном снижении расходов на обслуживание;

• упрощение процессов администрирования, настройки, защиты, модернизации и т.п.

Собственные средства обработки в СК представлены достаточно слабо или вообще отсутствуют. Основу СК составляет весьма скромный по своим возможностям встроенный микропроцессор или блок управления. Очень многие фирмы (Oracle, Sun, Philips, IBM и др.) проявляют интерес к этому новому классу компьютеров и связывают с ним большие надежды. Уже появились первые разработки подобных устройств, но пока еще не выявлены единые принципы их структурного и функционального построения.

В литературе отсутствует и единое их наименование: ≪тощие≫ ПК, Internet-приборы, броузеры, Web PC, Java-терминал, Net Computer и др.

Понятие ≪сетевой компьютер≫ отождествляется с целым спектром моделей, различающихся своими функциональными возможностями. Чаще всего под СК понимают достаточно дешевый компьютер с малой оперативной памятью, с отсутствием жесткого и гибкого дисков и со слабым программным обеспечением. Стоимость СК может быть значительно ниже стоимости ПК приличной конфигурации. В соответствии с возможностями СК по представлению данных, выполнению отдельных простейших программ и приложений их можно классифицировать следующим образом:

• Windows-терминалы (Windows-based Terminal, WBT) — настольные и мобильные ПК с операционной системой Windows СЕ. Рассчитаны на запуск приложений на сервере и получение от него данных;

• простейшие универсальные СК (≪тонкие клиенты≫) — настольные ПК с доступом к различным сетевым ресурсам. Практически все требуемые пользователям программы должны выполняться на сервере;

сетевые компьютеры Java (Java Net PC), способные выполнять простейшие Java-программы;

• достаточно мощные СК (Net PC) — настольные ПК с резидентной операционной системой, способные работать с большинством приложений.

Предполагается, что СК найдут широкое распространение среди следующих категорий пользователей: различные фирмы (особенно крупные), учебные заведения и частные потребители.

Фирмы, имеющие собственные локальные вычислительные сети, заинтересованы в построении терминалов на СК. Все обычные офисные

ПК, рабочие места секретарей, менеджеров, бухгалтеров, журналистов

можно перевести на СК. Это примерно на порядок сократит расходы по

их техническому и программному оснащению и обслуживанию.

Низкая стоимость СК и удобство их применения позволяют поновому решать вопросы компьютеризации образования. С развитием индустрии СК появляется возможность доступа к вычислительным ресурсам всех категорий обучаемых в любых регионах страны.

СК должны найти широкое распространение и у частных пользователей, многие из которых просто незнакомы с вычислительной техникой. Объединение СК с телефонами и телевизорами позволяет иначе решать многие информационные задачи: самообучение, электронная почта, доступ к общественно значимым базам данных, презентации, организация культурного обмена и др.

Для формирования и развития индустрии СК необходимо решить следующие проблемы:

• создание языков программирования, независимых от особенностей построения СК;

• разработка дешевых и быстродействующих микропроцессоров,

составляющих основу СК;

• обеспечение быстрого и легкого входа в глобальные и корпоративные сети;

• создание компактного программного обеспечения для использования СК и приложений для серверов, обслуживающих сети СК.

Специализированным языком программирования, обеспечивающим доступ к ресурсам сетей, является язык Java — интерпретационный язык высокого уровня. Его отличительными особенностями являются простота, независимость от аппаратуры и отсутствие связей со сложными операционными системами. Это делает совместимыми СК различных производителей, позволяет управлять ими с общих позиций.

Именно язык Java способствовал внедрению анимации в Web-ресурсы

вычислительных сетей. Поэтому многие фирмы приобрели лицензии на Java и обеспечивают его поддержку в своих разработках.

Сетевые компьютеры, являясь продолжением аппаратуры сети, не требуют оснащения дорогими и сложными микропроцессорами. Для обеспечения их функций можно использовать более простые схемы типа ≪Internet on a chip≫ (≪Интернет на чипе≫). Подобная продукция может быть представлена десятками фирм.

Для подключения СК в сеть нужны каналы связи. Принципиально возможно использование любых каналов. Наиболее дешевыми, но мало

скоростными являются телефонные линии связи. Их пропускная способность составляет до 30 Кбайт в секунду через аналоговые модемы и в несколько раз больше при переходе к цифровым методам связи. Каждый СК при работе с сетью должен пользоваться сетевыми ресурсами, что может вызывать перегруженность линий, обслуживающих большое число СК. Поэтому требуется повышать скорости передачи данных в сетях и качество используемых каналов.

Для новых аппаратных средств сети необходимы компактные управляющие программы и приложения для серверов. Индустрия соответствующего программного обеспечения постепенно набирает силу.

Контрольные вопросы

1. Каково понятие архитектуры ЭВМ?

2. По каким техническим характеристикам осуществляется оценка

и выбор ЭВМ?

3. Какова связь областей применения ЭВМ и их структур?

4. Каковы основные тенденции развития ЭВМ?

5. Охарактеризуйте понятие машинного парка.

6. Каковы основные принципы построения ЭВМ?

7. Поясните место и роль программного обеспечения ЭВМ.

8. Что представляет собой класс персональных ЭВМ?

9. Основы классификации сетевых компьютеров.

10. Назначение и отличительные особенности построения сетевых компьютеров.



Раздел 1 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И СИСТЕМЫ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации