Развитие и классификация однопроцессорных архитектур компьютеров

Классификация ЭВМ по назначению и функциональным возможностям.

Классификация ЭВМ по назначению

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных видов задач: научных, инженерно-технических, экономических, информационных, управленческих и др. В качестве универсальных ЭВМ используются различные типы компьютеров, начиная от супер-ЭВМ и кончая персональными ЭВМ. Причем одни универсальные ЭВМ могут работать в многопользовательском режиме (в вычислительных центрах коллективного пользования, в локальных компьютерных сетях и т. д.), другие – в однопользовательском режиме.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, автоматизированным проектированием, разведкой и добычей нефти, банковским делом, издательской деятельностью и т. д.

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

Классификация ЭВМ по функциональным возможностям

По функциональным возможностям и размерам ЭВМ можно разделить на супер-ЭВМ, большие и микро-ЭВМ.

Функциональные возможности ЭВМ обуславливаются основными технико-эксплуатационными характеристиками.

Большие ЭВМ за рубежом часто называют мэйнфреймами. Мэйнфрейм – это высокопроизводительная вычислительная система с большим объемом оперативной и внешней памяти, поддерживающая многопользовательский и многозадачный режимы работы.

Супер-ЭВМ – мощные, высокоскоростные вычислительные машины с производительностью от десятков триллионов (GFLOPS) до нескольких квадриллионов (PFLOPS) операций с плавающей запятой в секунду. Супер-ЭВМ выгодно отличаются от больших универсальных ЭВМ по быстродействию числовой обработки, а от специализированных машин, обладающих высоким быстродействием в сугубо ограниченных областях, возможностью решения широкого класса задач с числовыми расчетами.

Микро-ЭВМ по назначению можно разделить на серверы, рабочие станции, персональные компьютеры, встраиваемые и промышленные микро-ЭВМ.

12. 
    Функциональные возможности, пути развития, современные разработки супер ЭВМ и мэйнфреймов.
    

Особенности и характеристики современных мэйнфреймов

1. Высокая надежность (среднее время наработки на отказ оценивается в 12–15 лет) – результат почти 60-летнего совершенствования мэйнфреймов.

2. Повышенная устойчивость систем. Мэйнфреймы могут обнаруживать, исправлять и изолировать большинство аппаратных и программных ошибок.

3. Целостность данных. В мэйнфреймах используется память с исправлением ошибок.

4. Рабочая нагрузка мэйнфреймов может составлять 80–95 % от их пиковой производительности.

5. Высокая пропускная способность подсистемы ввода-вывода (канальная архитектура).

6. Масштабирование может быть как вертикальным, так и горизонтальным. Вертикальное масштабирование обеспечивается наращиванием до 12 центральных процессоров в одном компьютере. Горизонтальное – реализуется объединением компьютеров в многомашинный (до 32 машин) кластер, выглядящий с точки зрения пользователя единым компьютером.

7. Доступ к данным. При централизованной обработке информации данные хранятся на одном компьютере, прикладные программы не нуждаются в сборе исходной информации из множества источников, как при распределенной обработке, не требуется дополнительное дисковое пространство для их временного хранения, не возникают сомнения в их актуальности. Все это ведет к повышению стоимости и эффективности обработки.

8. Защита. Встроенные аппаратные и программные средства защиты, такие как криптографические устройства, программные продукты защиты операционных систем, обеспечивают совершенную защиту информации.

9. Непрекращающаяся совместимость – до сих пор в мэйнфреймах используются приложения, написанные в 70-е годы. Историю мэйнфреймов принято отсчитывать с появления в 1964 году универсальной компьютерной системы IBM System/360. За последние десятилетия мэйнфреймам неоднократно предрекали скорую кончину, однако время доказало, что сбить с ног этих «старожилов» не так-то просто.

Супер-ЭВМ выгодно отличаются от больших универсальных ЭВМ по быстродействию числовой обработки, а от специализированных машин, обладающих высоким быстродействием в сугубо ограниченных областях, возможностью решения широкого класса задач с числовыми расчетами.

В настоящее время развитие суперкомпьютеров идет по следующим направлениям: векторно-конвейерные компьютеры, параллельные компьютеры с общей памятью, массивно-параллельные системы с распределенной памятью, кластерные системы.

В 2009 г. был преодолен порог производительности суперкомпьютеров в 1 PFLOPS (1015 FLOPS). На сегодняшний день в мире насчитывается уже достаточно большое количество суперкомпьютеров, начиная от простых (офисных и персональных) и кончая мощными массивно-параллельными и кластерными системами.

Два раза в год формируется официальный список пятисот самых мощных суперкомпьютеров мира – Top500.

13. 
    Назначение, классификация, структурная организация серверов.
    

Серверы

Назначение: хранение файлов и обеспечение доступа к ним пользователей (клиентов), маршрутизация потоков данных, управление печатью сетевого принтера, обработка писем электронной почты, рассылка факсов и т. д. Серверами также называются программы, выполняющие эти функции. Ниже под термином «сервер» будет пониматься в первую очередь аппаратное решение.

По функциональному назначению серверы можно подразделить на файл-серверы, серверы приложений (чаще всего используются для баз данных и поддержки документооборота), FTP-серверы (для удаленного доступа к данным через Internet), серверы внешних устройств (печати, сканирования, факсимильной связи) и Web-серверы.



По функциональным возможностям (мощности) серверы разделяют на серверы начального, среднего и корпоративного уровней. На каждом уровне используются свои способы организации серверов. Для небольшой сети функции сервера могут быть возложены на мощный настольный персональный компьютер. Для среднего уровня (50–200 клиентов и малых серверов) могут быть использованы мощные рабочие станции, а для корпоративного (200 и более) – мэйнфреймы. Кроме того, для каждого уровня иерархии разрабатываются и применяются компьютеры со специальной серверной организацией.

В серверах начального уровня используются до 8 ядер, среднего уровня – до 16 ядер, корпоративного уровня – до 128 ядер. Приведенные классификации весьма условны, потому что в рамках любой серии серверов постоянно появляются модели большей мощности благодаря наращиванию ресурсов и модернизации конфигурации, причем различия внутри одной линейки компьютеров могут быть существенны.

Основными требованиями при проектировании серверов являются:

• большая мощность для обеспечения нормальной работы всех запускаемых приложений;

• масштабируемость, необходимая при увеличении компьютерной сети предприятия или круга задач, решаемых сервером;

• отказоустойчивость для обеспечения надежной работы всех выполняемых программ и сервисов;

• удобный доступ к его компонентам с возможностью оперативной или даже «горячей» (автоматической) замены, что очень важно в случае необходимости бесперебойной работы системы.

По конструктивному исполнению серверы могут быть башенными, стоечными и блейд-серверами («лезвиями»).

14. 
    Классификация, структурная организация персональных компьютеров.
    

Персональные компьютеры (ПК) – это однопользовательские микро-ЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

Для удовлетворения этим требованиям персональный компьютер должен иметь следующие характеристики:

• невысокую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального покупателя; • простоту использования;

• возможность индивидуального взаимодействия пользователя с компьютером без посредников и ограничений;

• высокие возможности по переработке, хранению и выдаче информации;

• гибкость архитектуры, обеспечивающую ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

• высокую надежность, простоту ремонта и эксплуатации; • «дружественность» операционной системы; • наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности.

По функциональным возможностям и цене персональные компьютеры разделяются на бюджетные, среднего класса, бизнес ПК.

По назначению ПК можно классифицировать на: бытовые, общего назначения, профессиональные и игровые.

Бытовые ПК предназначены для массового потребителя, поэтому они должны быть достаточно дешевыми, надежными и иметь, как правило, простейшую базовую конфигурацию. Бытовые ПК используются для обучения, развлечений (видеоигры), управления бытовой техникой и т. д. Бытовой ПК способствовал взрывообразному росту интереса к Интернету, позволив тем самым развить наше представление о мире и сделать его более системным и детальным.

Персональные компьютеры общего назначения применяются для решения различных задач научно-технического и экономического характера, а так же для обучения. Они размещаются на рабочих местах пользователей: на предприятиях, в учреждениях, магазинах, на складах, в вузах, офисах и т. д. Машины этого класса обладают достаточно большой емкостью оперативной памяти. Интерфейсы позволяют подключать большое количество периферийных устройств и средства для работы в составе вычислительных сетей. Минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам для работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются.

ПК общего назначения используются прежде всего потребителями-непрофессионалами. Поэтому они снабжаются развитым программным обеспечением. Этот класс ПК получил наибольшее распространение на мировом рынке.

Профессиональные ПК используются в научной сфере, для решения сложных информационных и производственных задач, где требуется высокое быстродействие, эффективная передача больших массивов информации, достаточно большая емкость оперативной памяти. Потребителями ПК этого класса, как правило, являются профессионалы-программисты, поэтому программное обеспечение должно быть достаточно богатым, гибким, включать различные программные инструментальные средства. По своим функциональным возможностям профессиональные ПК не только приближаются, но и вполне могут конкурировать с рабочими станциями начального уровня.

Игровые ПК предназначены для компьютерных игр. Основными отличиями игрового ПК являются: производительный процессор, мощная видеокарта, повышенные требования к средствам воспроизведения звука, что обеспечивает достаточно комфортные условия для игры в современные ресурсоемкие компьютерные игры. Благодаря игровым ПК игры стали настоящим искусством.

По способу использования ПК можно разделить на два основных класса: стационарные (настольные) и переносные (мобильные) ПК (см. рис. 1.9).

В классе настольных ПК (desktop) можно выделить компактные и экологичные десктопы и неттопы (nettop). В последнее время в корпоративном мире принято считать, что, чем меньше размер компьютера, тем лучше.



Неттопы – это ориентированные на работу в Интернете настольные ПК на базе процессоров Intel Atom, представляют собой простые в использовании и компактные устройства, имеющие оптимальную производительность для использования всех технологий Интернета. Они отличаются надежностью и гибкими возможностями беспроводной связи. Эти устройства предназначены для обучения, просмотра видео и фотографий, общения в социальных сетях, Интернет-телефонии, работы с электронной почтой, обмена сообщениями, просмотра сайтов и решения других задач.

Тонкий клиент (thin client) в компьютерных технологиях – это бездисковый компьютер-клиент в сетях с клиент-серверной или терминальной архитектурой, который переносит все или большую часть задач по обработки информации на сервер. Тонкий клиент в большинстве случаев обладает минимальной аппаратной конфигурацией.

Требования к переносным компьютерам сильно отличаются от требований к настольным ПК. Мобильные ПК должны иметь:

• миниатюрные внутренние компоненты и периферийные устройства;

• автономное электропитание;

• низкое энергопотребление;

• малые габариты и вес.

Переносные ПК по своим конструктивным особенностям можно разделить на: ПК-блокноты (ноутбуки), планшетные ПК, ультра-моби-льные ПК и карманные устройства. Существует термин лэптоп (laptop – наколенный), который применяется как к ноутбукам, так и к планшетным ПК. К ноутбукам обычно относят лэптопы, выполненные в раскладном форм-факторе.

ПК-блокноты (ноутбуки) Карманные устройства с диагональю экрана менее 7'

Ультра-мобильные ПК (Ultra-Mobile PC, UMPC) – нечто среднее между планшетными и карманными ПК (с диагональю экрана не более 7')

15. 
    Функциональные возможности, назначение, платформы рабочих станций.
    

Рабочая станция (Work station), по определению экспертов IDC (International Data Corporation), – это однопользовательская система с мощным одним или несколькими процессорами и многозадачной ОС, имеющая развитую графику с высоким разрешением, большую дисковую и оперативную память и встроенные сетевые средства.

Изначально рабочие станции (WS) ориентируются на профессиональных пользователей. Этот вид ЭВМ появился на компьютерном рынке почти одновременно с персональными компьютерами (ПК) и в целом опережает их по своим вычислительным возможностям. В отличие от ПК, ориентированных на самый широкий круг пользователей, рабочие станции предназначены для корпоративного сектора рынка. Ориентация на корпоративное использование и на профессионального пользователя позволяет во многих случаях применять более совершенные и дорогостоящие аппаратные средства.

Рабочие станции, используя те же процессоры и практически не отличаясь от ПК по внешнему виду, обладают рядом специфических характеристик, не свойственных ПК, таких, как поддержка профессиональной двух- и трехмерной графики и многодисковых конфигураций, большой объем и быстродействие жесткого диска, использование двух процессоров (в старших моделях), применение памяти с коррекцией ошибок. Благодаря этому у них выше производительность, надежность и больше графических возможностей, чем у ПК.

Современная рабочая станция – это не просто большая вычислительная мощность. Это тщательно сбалансированные возможности всех подсистем машины, чтобы ни одна из них не стала «бутылочным горлышком», сводя на нет преимущества других. Кроме того, каждая WS, как правило, предназначена для решения определенного класса задач, поэтому в ней используется наиболее эффективное для этого класса аппаратное и программное оснащение.

Традиционными областями применений рабочих станций является работа с компьютерной графикой (трехмерная анимация, создание трехмерных моделей, визуализация различных процессов), автоматизированное проектирование, издательская деятельность. Также WS применяются для осуществления сложных расчетов в самых различных областях науки, при моделировании различных процессов. В этом качестве WS вытеснили с рынка дорогостоящие мини-ЭВМ, которые как класс компьютеров прекратили свое существование.

Одной из последних тенденций является удешевление рабочих станций начального уровня при довольно высоком уровне производительности, что позволяет говорить о появлении рынка компьютеров промежуточного уровня между ПК и рабочими станциями, являющихся компромиссом между ценой и производительностью.

Еще одной тенденцией, которую стоит отметить, является появление мобильных рабочих станций.

16. 
    Типы данных интеловских процессоров.
    

Основными типами данных в компьютерах интеловской архитектуры являются: байт, слово, двойное слово, квадрослово и 128-разрядное слово (рис. 2.2).

Каждый из представленных на рис. 2.2 типов данных может начинаться с любого адреса: это означает, что слово не обязано начинаться с чётного адреса; двойное слово – с адреса, кратного 4 и т.д. Таким образом достигается максимальная гибкость структур данных и эффективность использования памяти.

На базе основных типов данных строятся все остальные типы, распознаваемые командами процессора.

Целочисленные данные

Четыре формата данных (байт, слово, двойное слово, учетверенное слово) с фиксированной точкой могут быть как со знаком, так и без знака. Под знак отводится старший бит формата данных. Представление таких данных и выполнение операций в арифметико-логическом устройстве (ALU) производится в дополнительном коде.

Байт

Слово

Двойное слово

Квадро-

слово

байт

Адрес N

0

младший байт

Адрес N

0

7

старший байт

Адрес N+1

15

31

15

0

младшее слово

старшее слово

Адрес N+2

Адрес N

Адрес N+1

Адрес N+3

Адрес N+8

Адрес N

Адрес N+7

Адрес N+15

Адрес N+2

Адрес N

Адрес N+1

Адрес N+3

63

31

0

младшее двойное слово

старшее двойное слово

127

63

0

младшее квадро слово

старшее квадро слово

128-разрядное слово

7
Рис. 2.2. Основные типы данных

Данные в формате с плавающей точкой х87

Формат включает три поля: Знак (S), Порядок и Мантисса (рис. 2.3). Поле мантиссы содержит значащие биты числа, а поле порядка содержит степень 2 и определяет масштабирующий множитель для мантиссы. Форматы данных поддерживаются блоком обработки чисел с плавающей точкой (FPU).



Рис. 2.3. Форматы данных с плавающей точкой

Двоично-десятичные данные (BCD)

На рис. 2.4 приведены форматы двоично-десятичных данных.



Рис. 2.4. Форматы двоично-десятичных данных

Данные типа строка

Строка представляет собой непрерывную последовательность бит, байт, слов или двойных слов (рис. 2.5). Строка бит может быть длиной до 1 Гбита, а длина остальных строк может составлять от 1 байта до 4 Гбайтов. Поддерживается АLU.



Рис. 2.5. Данные типа строка

Символьные данные

Поддерживаются строки символов в коде ASCII и арифметические операции (сложение, умножение) над ними (рис. 2.6). Поддержка осуществляется блоком АLU.

	7 + N 0		7 + 1 0	7 0 0
	Символ N	…	Символ 1	Символ 0	ASCII
	ASCII		ASCII	ASCII

Рис. 2.6. Символьные данные
Данные типа указатель

Указатель содержит величину, которая определяет адрес фрагмента данных. Поддерживается два типа указателей, приведенных на рис. 2.7.

4	7 +5		+ 4	+ 3	+ 2	+ 1	0	0
									Длинный указатель (дальний)
	селектор 16 р.			смещение 32 р.
		3		1 + 3	+ 2	+ 1	0	0
									Короткий указатель (ближний)
				смещение 32 р.

Рис. 2.7. Данные типа указатель