Файл: Классификация ЭВМ.pdf

1. Принцип программного управления.

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Команды программы расположены в памяти друг за другом, т.е. в последовательно расположенных ячейках памяти. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти.

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности.

Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских.

Качество ЭВМ характеризуется рядом показателей:

• набор инструкций (команд), какие ЭВМ способная понимать и выполнять;
• скорость работы (быстродействие) процессора;
• номенклатура типов используемой памяти, их объем и быстродействие;
• количество присоединяемых к ЭВМ устройств ввода-вывода;
• потребление электроэнергии и др.

Основным показателем ЭВМ является быстродействие— количество операций, которое ЭВМ способна выполнять в единицу времени. На практике пользователя больше интересует производительность ЭВМ — показатель ее эффективного быстродействия, т.е. способности не просто быстро функционировать, а решать поставленные задачи.

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

---

По принципу действия ЭВМ делятся на три больших класса: аналоговые(АВМ),цифровые(ЦВМ) и гибридные(ГВМ). Критерием такого деления является форма представления данных, с которой работают ЭВМ (рис. 2).

Цифровые вычислительные машины (ЦВМ)– вычислительные машины дискретного действия, работают с данными, представленными в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

Аналоговые вычислительные машины (АВМ)– вычислительные машины непрерывного действия, работают с данными, представленными в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики. Точность решения задач достаточно низкая (относительная погрешность составляет 2-5%).

Гибридные вычислительные машины(ГВМ) – вычислительные машины комбинированного действия, работают с данными, представленными и в цифровой, и в аналоговой форме. Используются, как правило, для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:

• 1-е поколение, 50-е гг. ХХ в.:ЭВМ на электронных вакуумных лампах. Проект первой ЭВМ ЭНИАК был разработан Дж.Моучли в Пенсильванском университете (США, 1942 г.); в 1946г машина вступила в строй. В этой машине 18.000 электрических ламп, 1500 электромеханических реле, общий вес – 30 т, производительность - 5000 операций в секунду.

Большие габариты, огромное потребление электроэнергии. Набор команд небольшой, схема АЛУ и УУ достаточно проста, ПО практически отсутствовало (программы писались на языке конкретной машины. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду.

Первые проекты отечественных ЭВМ были предложены С.А.Лебедевым, Б.И.Рамеевым в 1948 г. В 1949-51 гг. по проекту С.А.Лебедева была построена МЭСМ (малая электронно-счетная машина ). К ЭВМ 1-го поколения относится и БЭСМ-1 (большая электронно-счетная машина ), разработка которой под руководством С.А.Лебедева была закончена в 1952 г., она содержала 5 тыс. ламп, работала без сбоев в течение 10 часов. Быстродействие достигало 10 тыс. операций в секунду. Почти одновременно проектировалась ЭВМ "Стрела" под руководством Ю.Я.Базилевского, в 1953 г. она была запущена в производство. Позже появилась ЭВМ "Урал - 1", положившая начало большой серии машин "Урал", разработанных и внедренных в производство под руководством Б.И.Рамеева. В 1958 г. запущена в серийное производство ЭВМ первого поколения М – 20 (быстродействие до 20 тыс. операций/с ).

---

• 2-е поколение, 60-е гг.:ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах(транзисторах). Быстродействие — до сотен тысяч операций в секунду, ёмкость памяти на магнитных сердечниках — до нескольких десятков тысяч слов. Расширен диапазон применяемого оборудования ввода-вывода: появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски. Появились языки программирования высокого уровня (Фортран, Кобол, Алгол и др.), развитые наборы библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Машинам этого поколения была свойственна программная несовместимость, затруднявшая организацию крупных информационных систем.

Примером полупроводниковых ЭВМ являются малые ЭВМ серий "Наири" и "Мир", средние ЭВМ со скоростью работы 5-30 тыс. операций/с – "Минск–22" и "Минск–32, "Раздан–2", "Раздан–3", БЭСМ–4, М–220 и лучшая из машин второго поколения – БЭСМ–6 со скоростью работы до 1 млн. опер/с.

• 3-е поколение, 70-е гг.:ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции(сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе). Появление семейств ЭВМ с единой архитектурой (программно совместимых), имеющих развитые операционные системы с возможностями мультипрограммирования (одновременного выполнения нескольких программ). Быстродействие – от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов. Примеры машин 3-го поколения — семейства IBM-360, -370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.
• 4-е поколение, 80-е гг.:ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах- микропроцессорах (десятки тысяч - миллионы транзисторов в одном кристалле). Наиболее важный в концептуальном отношении критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от машин 3-го поколения, состоит в том, что ЭВМ 4-го поколения проектировались в расчете на эффективное использование современных высокоуровневых языков и упрощение процесса программирования для конечного пользователя. Быстродействие составляет до нескольких десятков млн. операций в секунду, ёмкость оперативной памяти порядка достигает десятков Мбайт. Появление персональных компьютеров.
• 5-е поколение, 90-е гг. – настоящее время: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы. Для этого поколения характерны: применение персональных компьютеров, телекоммуникационная обработка данных, компьютерные сети, широкое применение систем управления базами данных.
• 6-е и последующие поколения(перспектива):оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой- с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. Это позволит компьютерам воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой.

---

Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предшествующим существенно лучшие характеристики: производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок.

По назначению ЭВМ разделяются на универсальные(общего назначения),проблемно-ориентированные и специализированные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и др., отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Характерными чертами универсальных ЭВМ являются:

• высокая производительность;
• разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;
• обширная номенклатура выполняемых операций (арифметических, логических, специальных);
• большая емкость оперативной памяти;
• развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.

К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

К специализированным ЭВМ относятся, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на сверхбольшие(суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые(микроЭВМ).

---

Функциональные возможности ЭВМ обусловливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:

• быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;
• разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;
• номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;
• номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;
• типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой (внутри машинного интерфейса);
• способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);
• типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;
• наличие и функциональные возможности программного обеспечения;
• способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ);
• система и структура машинных команд;
• возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;
• эксплуатационная надежность ЭВМ;
• коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Некоторые сравнительные параметры названных классов современных ЭВМ показаны в табл. 1.

Таблица 1.

Сравнительные параметры классов современных ЭВМ

Параметр	Супер ЭВМ	Большие ЭВМ	Малые ЭВМ	Микро ЭВМ
Производительность, MIPS	1000-100000	10-1000	1-100	1-100
Емкость ОП, Мбайт	2000-10000	64-10000	4-512	4-256
Емкость ВЗУ, Гбайт	500-5000	50-1000	2-100	0,5-10
Разрядность, бит	64-128	32-64	16-64	16-64

Исторически первыми появились большие ЭВМ (в настоящее время называются мэйнфреймами) элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

---