Основные сведения о современных ЭВМ

Таблица 1.1

Основные технические  характеристики моделей ЕС ЭВМ Ряда-3

Модель ЭВМ	Производительность (*), млн.команд/с	Емкость ОЗУ (**), Мбайт	Число каналов ввода-вывода	Стоимость (***), тыс. руб.	Занимаемая площадь, м²
ЕС 1036  ЕС 1046  ЕС 1066  ЕС 1068  ЕС 1087	0,4  1,3  5,5  10,5  14	2(4)  2(8)  8(16)  32  8(16)	5  6  12  24  12	516,7-700,0  650,0-850,0  1600,0-2100,0  н/д  н/д	56-96  100-127  200-260  н/д  н/д

н/д – нет данных. 
* На смесях команд для научно-технических задач максимальная производительность в 2 раза выше, а на смесях команд для планово-экономических задач - наоборот, в 2 раза 
ниже приведенной.  
** В скобках указана максимальная скорость ОЗУ. 
*** По ценам 1990 г.

Производительность больших  ЭВМ оказалась недостаточной  для ряда приложений – таких, как  прогнозирование метеообстановки, моделирование и др., что явилось  стимулом для создания суперЭВМ. Появляются все новые и новые области их применения, а поэтому потребность в машинах данного класса непрерывно растет. Производительность современных ЭВМ не соответствует многим из таких областей, что обуславливает улучшение показателей суперЭВМ. Под суперЭВМ понимают вычислительную систему, относящуюся к классу самых мощных систем в данное время. Они имеют большие габариты, требуют для своего размещения специальных помещений и весьма сложны в обслуживании. Одной из основных проблем проектирования и эксплуатации является эффективный отвод тепла. Производительность суперЭВМ в настоящее время составляет десятки и сотни млн. команда/с. Две наиболее известные серии суперЭВМ – это Cray(Cray-1, Cray-2 и Cray-3) корпорации Cray Research и Cyber 205 фирмы Control Data Corp. (CDC). Отметим, что Cray-3 способна выполнять 16000 млн. команд с плавающей точкой в секунду. Стоимость отдельных суперЭВМ достигает 10 млн. долл. Из отечественных ЭВМ к данному классу можно отнести машину с динамической архитектурой (МДА) В.А.Торгашева. 
В 70-е гг. появился еще один класс ЭВМ – миниЭВМ, что обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ – для ряда приложений. МиниЭВМ используются как в режиме разделения времени, так и для управления технологическими процессами. Они конструктивно выполнены в виде одной или нескольких малогабаритных стоек (без учета устройств ввода-вывода) и имеют более низкие по сравнению с большими ЭВМ быстродействие и стоимость. ЭВМ данного класса не требуют специально оборудованных помещений. К миниЭВМ относятся машины серии PDP-11 фирмы Digital Equipment Corp. (DEC) и их отечественные аналоги – большинство моделей СМ ЭВМ. Выпускаются также миниЭВМ «Электроника 79» (СНГ); ИЗОТ 1016М (Болгария); КОРАЛЛ 4001, 4011, 4030 (Румыния), ЯНУС (Венгрия) и др. Практически все миниЭВМ являются 16-разрядными. Основные технические характеристики отечественных ЭВМ этого класса приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Основные технические  характеристики миниЭВМ

Модель ЭВМ	Производительность, млн.команд/с	Емкость ОЗУ, Мбайт	Стоимость (*), тыс. руб.	Занимаемая площадь, м²
СМ 1420  СМ 1425  ЕС 1007	0,4  3,0  0,133	до 2  до 4  1	80-140  25-30  131	15-30  680х550х180 мм (**)  25

* По ценам 1990 г.  
** Габаритные размеры основной стойки.

Дальнейшие успехи в  области элементной базы и архитектурных  решений привели к возникновению  суперминиЭВМ. СуперминиЭВМ – это  вычислительная машина, относящаяся  по архитектуре, размерам и стоимости  к классу миниЭВМ, но по производительности сопоставимая с большой ЭВМ. СуперминиЭВМ используются в режиме разделения времени. Наиболее яркими их представителями являются ЭВМ семейства VAX-11 фирмы DEC. Это семейство послужило прототипом отечественной ЭВМ СМ 1700. Кроме того, выпускаются следующие суперминиЭВМ: “Электроника-82” (СНГ), К1840 (Восточная Германия), СМ 52/12 (Чехо-Словакия), ИЗОТ 1055С (Болгария) и др. Все ЭВМ данного класса являются 32-разрядными. Основные технические характеристики моделей суперминиЭВМ приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Основные технические  характеристики суперминиЭВМ

Модель ЭВМ	Производительность, млн.команд/с	Емкость ОЗУ, Мбайт	Стоимость (*), тыс. руб.	Занимаемая площадь, м²

н/д - нет данных. 
* По ценам 1990 г. 
** Габаритные размеры основной стойки. 
*** Перспективная модель.

Изобретение в 1969 г. микропроцессора (МП) привело к появлению в 70-х  гг. еще одного класса ЭВМ – микроЭВМ. Именно наличие МП служит определяющим признаком микроЭВМ. Эти ЭВМ, в  свою очередь, делятся на многопользовательские  микроЭВМ, автоматизированные рабочие места (АРМ), встроенные ЭВМ и ПЭВМ. 
Многопользовательские микроЭВМ – это микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и работающие в режиме разделения времени. Они выполняются, как правило, в одной малогабаритной стойке и изредка – в настольном варианте. 
АРМ или рабочая станция (workstation), представляет собой ЭВМ, оборудованную всеми средствами, необходимыми для выполнения работ определенного типа. Различают технические (инженерные) АРМ, АРМ для автоматизированного проектирования, АРМ для издательской деятельности (настольные издательские системы) и др. В классе микроЭВМ АРМ наряду с многопользовательскими микроЭВМ имеют самое высокое быстродействие. Существуют как настольные АРМ, так и АРМ, выполненные в виде малогабаритной стойки. 
Термин АРМ (рабочая станция) неоднозначен и часто употребляется в других смыслах, а именно: 
1. Для именования ПЭВМ, снабженной специальным ПО, необходимым для решения задач определенного класса; 
2. Для именования терминальных узлов вычислительных сетей. 
Встроенные ЭВМ представляют собой вычислители, используемые для управления (например, станком или боевым средством) и обработки изменений. Конструктивно они выполняются в виде одной или нескольких плат и не обеспечивают реализацию широкого спектра вычислительных функций, а также стандартного взаимодействия с пользователем. 
Персональной называется универсальная однопользовательская микроЭВМ. 
Определение ПЭВМ в значительной степени расплывчато. Для его уточнения выделяют следующие характеристики персональных машин: 
1. невысокую стоимость; 
2. наличие периферийных устройств (ПУ), необходимых для ввода-вывода и хранения информации; 
3. наличие аппаратных ресурсов, достаточных для решения реальных задач (в частности, достаточно емкости ОЗУ); 
4. поддержку языков программирования высокого уровня; 
5. наличие операционной системы (ОС), которая упрощает взаимодействие пользователя с ПЭВМ; 
6. «дружественность» по отношению к пользователю. 
Мощные ПЭВМ способны обеспечить работу нескольких пользователей одновременно, что размывает границу между ними и многопользовательскими микроЭВМ. 
С другой стороны, в настоящее время стирается граница между ПЭВМ и инженерными АРМ. Причины этого кроются в следующем: 
1. АРМ становятся «дружественными» и более дешевыми, в результате чего появился даже термин «персональные АРМ»; 
2. АРМ можно снабдить дополнительными ПУ, превращающими его в универсальную ЭВМ; 
3. технические характеристики ПЭВМ приближаются к техническим характеристикам АРМ; 
4. на базе ПЭВМ можно построить АРМ, снабдив ее специальным оборудованием и соответствующим обеспечением. 
Интересен тот факт, что мы являемся свидетелями рождения нового класса вычислительных машин – супермикроЭВМ. 
На долю больших и персональных ЭВМ сейчас приходится примерно половина объема сбыта СВТ в стоимостном выражении, которая делится также примерно поровну между названными классами ЭВМ. Динамика роста числа установленных ПЭВМ подчиняется экспоненциальному закону. Однако относительный рост объема сбыта АРМ в 1991 г. превысил относительный рост объема сбыта персональных машин.

4)Комплексирование в вычислительных системах

Для построения вычислительных систем необходимо, чтобы элементы или модули, комплексируемые в  систему, были совместимы. Понятие совместимости  имеет три аспекта: аппаратурный, или технический, программный и информационный. Техническая (Hardware) совместимость предполагает, что еще в процессе разработки аппаратуры обеспечиваются следующие условия:

• подключаемая друг к  другу аппаратура должна иметь единые стандартные, унифицированные средства соединения: кабели, число проводов в них, единое назначение проводов, разъемы, заглушки, адаптеры, платы и т.д.;

• параметры электрических  сигналов, которыми обмениваются технические  устройства, тоже должны соответствовать  друг другу: амплитуды импульсов, полярность, длительность и т.д.;

• алгоритмы взаимодействия (последовательности сигналов по отдельным  проводам) не должны вступать в противоречие друг с другом.

Последний пункт тесно  связан с программной совместимостью. Программная совместимость (Software) требует, чтобы программы, передаваемые из одного технического средства в другое (между ЭВМ, процессорами, между процессорами и внешними устройствами), были правильно поняты и выполнены другим устройством.

Если обменивающиеся устройства идентичны друг другу, то проблем обычно не возникает. Если взаимодействующие устройства относятся к одному и тому же семейству ЭВМ, но стыкуются разные модели (например, ПК на базе i286 и Pentium), то в таких моделях совместимость обеспечивается снизу-вверх, т.е. ранее созданные программы могут выполняться на более поздних моделях, но не наоборот. Если стыкуемая аппаратура имеет совершенно разную систему команд, то следует обмениваться исходными модулями программ с последующей их трансляцией.

Информационная совместимость комплексируемых средств предполагает, что передаваемые информационные массивы будут одинаково интерпретироваться стыкуемыми модулями ВС. Должны быть стандартизованы алфавиты, разрядность, форматы, структура и разметка файлов, томов.

В создаваемых ВС стараются обеспечить несколько путей передачи данных, что позволяет достичь необходимой надежности функционирования, гибкости и адаптируемости к конкретным условиям работы. Эффективность обмена информацией определяется скоростью передачи и возможными объемами данных, передаваемыми по каналу взаимодействия. Эти характеристики зависят от средств, обеспечивающих взаимодействие модулей и уровня управления процессами, на котором это взаимодействие осуществляется. Сочетание различных уровней и методов обмена данными между модулями ВС наиболее полно представлено в универсальных суперЭВМ и больших ЭВМ, в которых сбалансировано использовались все методы достижения высокой производительности. В этих машинах предусматривались следующие уровни комплексирования (рис. 10.4):

1.        прямого управления (процессор - процессор);

2.        общей оперативной памяти;

3.        комплексируемых каналов ввода-вывода;

4.        устройств управления внешними устройствами (УВУ);

5.        общих внешних устройств.

На каждом из этих уровней используются специальные технические и программные средства, обеспечивающие обмен информацией.

Уровень прямого  управления служит для передачи коротких однобайтовых приказов-сообщений. Последовательность взаимодействия процессоров сводится к следующему. Процессор-инициатор обмена по интерфейсу прямого управления (ИЛУ) передает в блок прямого управления байт-сообщение и подает команду “прямая запись”. У другого процессора эта команда вызывает прерывание, относящееся к классу внешних. В ответ он вырабатывает команду “прямое чтение” и записывает передаваемый байт в свою память. Затем принятая информация расшифровывается и по ней принимается решение. После завершения передачи прерывания снимаются, и оба процессора продолжают вычисления по собственным программам. Видно, что уровень прямого управления не может использоваться для передачи больших массивов данных, однако оперативное взаимодействие отдельными сигналами широко используется в управлении вычислениями. У ПЭВМ типа ГВМ PC этому уровню соответствует комплексирование процессоров, подключаемых к    системной шине.

Уровень общей  оперативной памяти (ООП) является наиболее предпочтительным для оперативного взаимодействия процессоров. В этом случае ООП эффективно работает при небольшом числе обслуживаемых абонентов.

Уровень комплексируемых  каналов ввода-вывода предназначается для передачи, больших объемов информации между блоками оперативной памяти, сопрягаемых в ВС. Обмен данными между ЭВМ осуществляется с помощью адаптера “канал-канал” (АКК) и команд “чтение” и “запись”. Адаптер - это устройство, согласующее скорости работы сопрягаемых каналов. Обычно сопрягаются селекторные каналы (СК) машин как наиболее быстродействующие. Скорость обмена данными определяется скоростью самого медленного канала. Скорость передачи данных по этому уровню составляет несколько Мбайт в секунду. В ПЭВМ данному уровню взаимодействия соответствует подключение периферийной аппаратуры через контроллеры и адаптеры.

Уровень устройств  управления внешними устройствами (УВУ) предполагает использование встроенного в УВУ двухканального переключателя и команд “зарезервировать” и “освободить”. Двухканальный переключатель позволяет подключать УВУ одной машины к селекторным каналам различных ЭВМ. По команде “зарезервировать” канал - инициатор обмена имеет доступ через УВУ к любым накопителям на дисках НМД или на магнитных лентах НМЛ. На рис. 10.4 схематически показано, что они управляются одним УВУ. На самом деле УВУ магнитных дисков и лент -совершенно различные устройства. Обмен канала с накопителями продолжается до полного завершения работ и получения команды “освободить”. Только после этого УВУ может подключиться к конкурирующему каналу. Только такая дисциплина обслуживания требований позволяет избежать конфликтных ситуаций.

На четвертом уровне с помощью аппаратуры передачи данных (АПД) (мультиплексоры, сетевые адаптеры, модемы и др.) имеется возможность сопряжения с каналами связи. Эта аппаратура позволяет создавать сети ЭВМ.

Пятый уровень предполагает использование общих внешних устройств. Для подключения отдельных устройств используется автономный двухканальный переключатель.

Пять уровней комплексирования получили название логических потому, что они объединяют на каждом уровне разнотипную аппаратуру, имеющую сходные методы управления. Каждое из устройств можетиметь логическое имя, используемое в прикладных программах. Этим достигается независимость программ пользователей от конкретной физической конфигурации системы. Связь логической структуры программы и конкретной физической структуры ВС обеспечивается операционной системой по указаниям -директивам пользователя, при генерации ОС и по указаниям диспетчера-оператора вычислительного центра. Различные уровни комплексирования позволяют создавать самые различные структуры ВС.

Второй логический уровень позволяет создавать многопроцессорные ВС. Обычно он дополняется и первым уровнем, что позволяет повышать оперативность взаимодействия процессоров. Вычислительные системы сверхвысокой производительности должны строиться как многопроцессорные. Центральным блоком такой системы является быстродействующий коммутатор, обеспечивающий необходимые подключения абонентов (процессоров и каналов) к общей оперативной памяти.

Уровни 1, 3, 4, 5 обеспечивают построение разнообразных машинных комплексов. Особенно часто используется третий в комбинации с четвертым. Целесообразно их дополнять и первым уровнем.

Пятый уровень комплексирования используется в редких специальных случаях, когда  в качестве внешнего объекта используется какое-то дорогое уникальное устройство. В противном случае этот уровень малоэффективен. Любое внешнее устройство - это недостаточно надежное устройство точной механики, а значит, выгоднее использовать четвертый уровень комплексирования, когда можно сразу управлять не одним, а несколькими внешними устройствами, включая и резервные.

Сочетание уровней и методов  взаимодействия позволяет создавать  самые различные многомашинные  и многопроцессорные системы.

Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно –  математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.