Файл: История развития средств вычислительной техники (Теоретические аспекты истории развития средств вычислительной техники).pdf

Пятое поколение ЭВМ (1990 – настоящее время) создано на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кристалле. [15, с. 208]

Основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом:

– компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы;

– компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта, т. е. для компьютеров пятого поколения не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на почти «естественном» языке, что от них требуется.

В работе проект пятого поколения ЭВМ, опубликованный в начале 80-х гг. ХХ столетия в Японии, рассмотрен более подробно. [26, с. 62]

Основная идея этого проекта – сделать общение конечного пользователя с компьютером максимально простым, подобным общению с любым бытовым прибором. Для решения поставленной задачи предлагались следующие направления:

– разработка простого интерфейса, позволяющего конечному пользователю вести диалог с компьютером для решения своих задач. Подоб­ный интерфейс может быть организован двумя способами: естественно - языковым и графическим. Поддержка естественно-языкового диалога – очень сложная и не решенная пока задача. Реальным является создание графического интерфейса, что и сделано в ряде программных продуктов, например, в ОС Windows’xx. Однако разработка доступных интерфейсов решает проблему только наполовину – позволяет конечному пользователю обращаться к заранее спроектированному программному обеспечению, не принимая участия в его разработке;

– привлечение конечного пользователя к проектированию программных продуктов. Это направление позволило бы включить заказчика непосредственно в процесс создания программ, что в конечном итоге сократило бы время разработки программных продуктов и, возможно, повысило бы их качество. Подобная технология предполагает два этапа проектирования программных продуктов:

- программистом создается «пустая» универсальная программная оболочка, способная наполняться конкретными знаниями и с их использованием решать практические задачи. Например, эту оболочку можно было бы заполнить правилами составления квартальных и иных балансов предприятий, и тогда она могла бы решать задачи бухгалтерского учета;

---

- конечный пользователь заполняет созданную программистом программную оболочку, вводя в нее знания, носителем которых (в некоторой предметной области) он является. После этого  программный продукт готов к эксплуатации.

Наполненная знаниями конечного пользователя программная оболочка готова к решению тех прикладных задач, правила, решения которых внес в нее конечный пользователь. Таким образом, начинается эксплуатация программного продукта. [26, с. 64]

Предлагаемая технология имеет много серьезных проблем, связанных с представлением и манипулированием знаниями. Тем не менее, с ней связывают прорыв в области проектирования прикладных программных продуктов.

Шестое и последующие поколения ЭВМ. Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. [22, с. 108]

В Приложении Б приведены сравнительные параметры классов современных компьютеров.

Таким образом, деление ЭВМ по временным периодам и номерам поколений – достаточно условное. Однако, несмотря на то, что в стратегическую гонку втянулись ученые большинства развитых стран, заявленная цель до сих пор не реализована по причинам финансовым, техническим и целеполагающим: в настоящее время усилия разработчиков в основном переключены на микропроцессорную технику и развитие сетевых технологий.

Понятие персонального компьютера

Электронная вычислительная машина, компьютер – автоматическое устройство для обработки информации с помощью электронных схем, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Компьютер, представляет собой программируемое электронное устройство, которое способно обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами. [4, с. 86]

Несмотря на сравнительно короткую историю современной вычислительной техники, до настоящего времени было предложено достаточно много подходов к систематизации всего многообразия средств вычислительной техники. Работы в этом направлении продолжаются.

Любая классификация относительна и отражает только ограниченное многообразие свойств классифицируемых объектов или процессов. Но, как показал опыт, нахождение удачной классификации может предопределить успех развития целых научных и технических направлений.

---

При разработке любой классификации важно понимать, для кого она создается и на решение каких задач направлена. Используемый классификационный признак должен быть измеряемым и позволять относить классифицируемого объекта к единственному классу.

На практике эти требования часто удовлетворяются с допущениями. Примером служат большинство применяемых классификаций ЭВМ и вычислительных систем.

Для классификации компьютеров использовались следующие классификационные признаки [9, с. 74]:

• принцип действия;

• используемая элементная база;

• назначение;

• размеры и вычислительная мощность;

• особенности архитектуры.

1. По принципу действия вычислительные машины делятся на следующие: цифровые, аналоговые и гибридные.

В основу классификации по этому признаку положена форма представления информации, с которой работают вычислительные машины.

2. Классификация ЭВМ по этапам создания. ЭВМ условно делятся на поколения с учетом используемой элементной базы.

3. Классификация ЭВМ по назначению.

По этому признаку вычислительные машины можно разделить на три группы: специализированные, универсальные и проблемно-ориентированные.

Универсальные ЭВМ позволяют решать задачи различных классов: математических, инженерно-технических, экономических, информационных и др. [7, с. 53]

Проблемно-ориентированные ЭВМ предназначены для решения круга задач более узкого: управление технологическими процессами; выполнение расчетов по сравнительно несложным алгоритмам; регистрация, накопление и обработка не очень больших объемов небольших данных. Они имеют более скромные по сравнению с универсальными ЭВМ программные и аппаратные ресурсы. Примером проблемно-ориентированным вычислительных систем могут служить и различные управляющие вычислительные комплексы. Специализированные вычислительные машины предназначены для решения узкого круга задач. [3, с. 69]

Характеристики и архитектура машин этого класса определяются спецификой тех задач, для решения которых они используются. Это обеспечивает их более высокую эффективность в соответствующем применении по сравнению с универсальными ЭВМ. К специализированным ЭВМ относятся контроллеры, управляющие несложными техническими устройствами и процессами и микропроцессоры специального назначения. [5, с. 88]

4. Классификация ЭВМ по размерам и вычислительной мощности.

В соответствии с этой классификации вычислительные машины делятся на суперЭВМ, большие, малые, сверхмалые. Эта классификация потеряла свою актуальность. Можно говорить только о существовании класса суперЭВМ (суперкомпьютеров).

---

5. Классификация с учетом особенностей архитектуры

В качестве классификационных признаков используются: характеристики системы команд компьютера (количество команд, структура адресной части команд), разрядность машинных слов, организация обработки данных и команд процессором.

Классификация Флинна

Классификация М. Флинна является одной из самых ранних и наиболее известных классификацией архитектур вычислительных систем. В основу классификации положено понятие потока. Поток - это последовательность, под которой понимается последовательность данных или команд, обрабатываемых процессором. Рассматривая число потоков данных и потоков команд, М. Флинн предложил рассматривать следующие классы архитектур: MIMD, SIMD, SISD, MISD. [15, с. 42]

Single Instruction Single Data – «один поток команд, один поток данных», архитектура SISD (ОКОД). Описание архитектуры компьютерной системы, подразумевающее исполнение одним процессором одного потока команд, который обрабатывает данные, хранящиеся в одной памяти (рис. 1.1 а).

Multiple Data stream processing – «один поток команд, много потоков данных», архитектура SIMD (ОКМД). Описание архитектуры параллельной компьютерной системы, подразумевающее исполнение одной текущей команды несколькими процессорами. Эта команда выбирается из памяти центральным контроллером SIMD-системы, но работает она над разными элементами данных (чаще всего - элементами массива). Для этого каждый процессор имеет ассоциированную с ним память, где хранятся массивы однородных данных. В эту категорию попадают, в частности, векторные процессоры (рис. 1.1 б.).

Рисунок 1.1 - Классификация М. Флинна [42]

Multiple Instruction Single Data – «много потоков команд, один поток данных», архитектура MISD (МКОД). Одна из четырёх возможных архитектур параллельного компьютера в классификации М. Флинна. В этой архитектуре данные подаются на набор процессоров, каждый из которых исполняет свою программу их обработки. Подобная архитектура ещё никогда не была реализована (рис. 1.1 в.).

Multiple Instructions - Multiple Data – «много потоков команд, много потоков данных», архитектура MIMD (МКМД). Одна из четырёх возможных архитектур параллельного компьютера. В этой архитектуре набор процессоров независимо выполняет различные наборы команд, обрабатывающих различные наборы данных. Системы в архитектуре MIMD делятся на системы с распределённой памятью (слабо связанные системы), к которым относятся кластеры, и системы с совместно используемой памятью (shared-memory multiprocessors). К последним относятся симметричные мультипроцессорные системы. [9, с. 78]

---

В класс SISD входят однопроцессорные последовательные компьютеры. Векторно-конвейерные компьютеры также могут быть отнесены к этому классу, если рассматривать вектор как одно неделимое данное для машинной команды.

Классификация Ванга и Бриггса

Эта классификация, по сути, является дополнением к классификации Флинна. В ней сохранены четыре базовых класса (SISD, SIMD,MISD, MIMD), К. Ванг и Ф. Бриггс внесли следующие изменения. [32, с. 34]

В классе MIMD выделяются:

• вычислительные системы со слабо связанными процессорами,

• вычислительные системы с сильно связанными процессорами.

К первой группе относятся системы с распределенной памятью, ко второй - системы с общей памятью.

Класс SISD делится на два подкласса:

• архитектуры, имеющие одно функциональное устройство;

• архитектуры, в состав которых входит несколько функциональных устройств.

Класс SIMD с учетом способа обработки данных делится на два подкласса:

• архитектуры с разрядно-последовательной обработкой данных;

• архитектуры с пословно-последовательной обработкой данных.

Классификация Фенга

Т. Фенг предложил в основу классификации вычислительных систем положить две простые характеристики [26, с. 28]:

• число бит в машинном слове, которые обрабатываются параллель но при выполнении машинных команд;

• числу слов , одновременно обрабатываемых вычислительной системой. Используя эту терминологию работу любого компьютера можно интерпретировать как параллельную обработку n битовых слоев. В каждом слое независимо преобразуются бит. При такой интерпретации, вторую характеристику называют шириной битового слоя.

Используя предельные верхние значения числа бит и числа слов , вычислительную систему можно охарактеризовать двумя числами . Величина определяет интегральную характеристику потенциала параллельности архитектуры. Эта характеристика называется максимальной степенью параллелизма вычислительной системы: . По сути, это значение характеризует пиковую производительность. Рассматривая в качестве классификационного признака вычислительных систем способ обработки информации, заложенный в их архитектуру, введенные понятия позволяют разделить все вычислительные системы на следующие классы.

---