Классификация ЭВМ

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. К специализированным ЭВМ можно отнести программируемые микропроцессоры специального назначения, адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами. Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Их используют при подготовке кино- и видеофильмов, а также рекламной продукции.

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

 

2.2. Этапы создания

В истории вычислительной техники существует своеобразная периодизация ЭВМ по поколениям. В ее основу первоначально  был положен физико-технологический  принцип: машину относят к тому или  иному поколению в зависимости  от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления. Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня. Когда приводят даты, относящиеся к поколениям, то скорее всего имеют в виду период промышленного производства; проектирование велось существенно раньше, а встретить в эксплуатации весьма экзотические устройства можно и сегодня.

В настоящее  время физико-технологический принцип  не является единственным при определении  принадлежности той или иной ЭВМ  к поколению. Следует считаться и с уровнем программного обеспечения, с быстродействием, другими факторами.

Таким образом, по этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ  условно делятся на следующие  поколения:

1–е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;

2–е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых  приборах (транзисторах);

3–е поколение, 70-е годы: ЭВМ на полупроводниковых интегральных  схемах с малой и средней  степенью интеграции (сотни - тысячи  транзисторов на схему);

4–е поколение, 80-е годы: ЭВМ на больших и сверхбольших  интегральных схемах – микропроцессорах (десятки тысяч – миллионы  транзисторов на схему);

5–е поколение, 90-е годы: 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;

6–е поколение и последующие  поколения: оптоэлектронные ЭВМ  с массовым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.¹

Теперь рассмотрим более  подробно каждое из поколений ЭВМ.

Первое поколение. В основе этого поколения компьютеров лежали электронные лампы. Их использование определяло и достоинства недостатки цифровых устройств. Электронные лампы обеспечивали высокую скорость переключения логических элементов, что увеличивало скорость вычисления по сравнению с попытками создать вычислительную машину, базовый элемент которой был построен на основе электромеханического реле. Электронные лампы были достаточно долговечны и обеспечивали надежную работу компьютера. У ламповых компьютеров также были и недостатки. Эти машины стоили очень дорого, занимали огромные площади, были не совсем надежны в работе, имели маленькую скорость обработки информации и могли хранить очень мало данных. Создавались они в единичных экземплярах и использовались в основном для военных и научных целей. В качестве типичных примеров машин первого поколения можно указать американские компьютеры UNIVAC, IBM-701, IBM-704, а также советские машины БЭСМ и М-20. Типичная скорость обработки данных для машин первого поколения составляла 5-30 тысяч арифметических операций.

Второе поколение. Полупроводниковые  приборы – транзисторы были изобретены в 1948г. Они отличались от электронных ламп малыми размерами, низким напряжением питания и малой потребляемой мощностью. Новая элементная база для компьютеров на основе транзисторов произвела революцию. Значительное уменьшение габаритов, снижение потребляемой мощности и стоимости позволило создавать архитектуры компьютера с большими функциональными возможностями, резко повысить быстродействие компьютеров до сотен тысяч и даже миллионов операций в секунду. Увеличение производительности обеспечивалось как за счет более высокой скорости работы транзисторов по сравнению с электронными лампами, так и путем введения в состав вычислительной машины нескольких обрабатывающих устройств, работающих параллельно. Площадь, требуемая для размещения компьютера, снизилась до нескольких квадратных метров, предпринимались попытки изготавливать и настольные варианты. Снижение стоимости увеличило число потенциальных пользователей компьютеров. Появились крупные фирму по производству компьютеров широкого назначения: International Business Machines (IBM), Control Data Corporation (CDC), Digital Equipment Corporation (DEC) и др.. Типичными представителями машин второго поколения являлись: PDP-8, IBM-7094, CDC-6600 (США), ATLAS (Великобритания), БЭСМ-4, М-220, Минск-32, БЭСМ-6 (СССР).  Следует отметить компьютер PDP-8 фирмы DEC - первого миникомпьютера с общей шиной, оказавшего большое влияние на развитие архитектуры персональных компьютеров.

Третье поколение. Машины третьего поколения выполнены  на так называемых интегральных схемах (ИС), которые из-за очень маленького размера иногда называют  микросхемами или чипами. Благодаря переходу от транзисторов к интегральным схемам изменились стоимость, размер, надежность, скорость и емкость машин. Начиная с третьего поколения вычислительные машины становятся повсеместно доступными и широко используются для решения самых разнообразных задач. Характерным для этого времен является коллективное использование машин, так как они все еще достаточно дороги, занимают большие площади и требуют сложного и дорогостоящего оборудования. Машины начали выпускаться семействами.

Четвертое поколение. Начинает происходить переход от обычных интегральных схем к схемам с большой плотностью монтажа – большие интегральные схемы (БИС). Если обычные интегральные схемы эквивалентны тысячам транзисторных элементов, то большие интегральные схемы заменяют уже десятки и сотни тысяч таких элементов.

Пятое поколение. Среди машин четвертого поколения стоит упомянуть семейство машин IBM/370, а также модель IBM 196, скорость которой достигла 15 миллионов операций в секунду. Отечественными представителями четвертого поколения являются машины семейства «Эльбрус». Отличительная черта четвертого поколения – наличие в одной машине нескольких маленьких центральных, главных устройств обработки информации – процессоров. Такая структура позволяет резко повысить надежность машин и скорость вычислений. Другая важная особенность – появление мощных средств, обеспечивающих работу компьютерных сетей.²

Шестое поколение  и последующие поколения. Оптоэлектронные  ЭВМ с массовым параллелизмом  и нейронной структурой – с  распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

 

2.3. Принцип действия

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса:

аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). Здесь критерием деления вычислительных машин является форма представления информации, с которой они работают. 

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

Аналоговые  вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как  правило, нетрудоемкое; скорость решения  задач изменяется по желанию оператора  и может быть сделана сколь  угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5%).На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.

Цифровые (ЦВМ) – это вычислительные машины дискретного действия, они работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

Гибридные (ГВМ) – это  вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Наиболее широкое  применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации - электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.

 

2.4. Функциональные возможности

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

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 (внутримашинного интерфейса);

- способность  ЭВМ одновременно работать с  несколькими пользователями и  выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);

- типы и технико-эксплутационные  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.

Исторически первыми  появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных  ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции. Первая большая  ЭВМ ЭНИАК была создана в 1946 году. Эта машина имела массу более 50 т., быстродействие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел; занимала огромный зал площадью 100 кв. м. 

Производительность  больших ЭВМ оказалась недостаточной  для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.

Появление в 70-х  годах малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в  области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью  ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ.

Дальнейшие  успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели  к возникновению супермини-ЭВМ  – вычислительной машины, относящейся  по архитектуре, размерам и стоимости  к классу малых ЭВМ, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.

Изобретение в 1969 году микропроцессора привело  к появлению в 70-х годах еще  одного класса ЭВМ – микроЭВМ. Именно наличие микропроцессора служило  первоначально определяющим признаком  микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.

 

 

2.5. Совместимость

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

Рассмотрим  аппаратную совместимость. По аппаратной совместимости различают так называемые аппаратные платформы. В области персональных компьютеров сегодня наиболее широко распространены две аппаратные платформы — IBM PC и Apple Macintosh.

Кроме них существуют и другие платформы, распространенность которых ограничивается отдельными регионами или отдельными отраслями. Принадлежность компьютеров к одной аппаратной платформе повышает совместимость между ними, а принадлежность к разным платформам — понижает.

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

 

 

 

 

 

 

2.6. Типоразмер