Лекция 6. Основные типы средств вычислительной техники

1. Направления применения СВТ

 

В настоящее время под словом компьютер обычно понимают цифровые вы- числительные устройства, в которых информация кодируется двоичными кодами чисел. Именно эти технические средства благодаря универсальным возможностям и являются самой массовой вычислительной техникой.

 

Рынок современных компьютеров отличается разнообразием и динамизмом. Каждый год стоимость вычислений сокращается примерно на 25-30%, стоимость хранения единицы информации - до 40%. Практически каждое десятилетие меня- ется поколение компьютеров, каждые два года - основные типы микропроцессо- ров - СБИС, определяющих характеристики новых компьютеров.

 

То, что 10-15 лет назад считалось современным большим компьютером, в на- стоящее время является устаревшей техникой с очень скромными возможностями.

 

В этих условиях любая предложенная классификация компьютеров очень бы- стро устаревает и нуждается в корректировке. Например, в классификациях деся- тилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микроЭВМ, которые почти исчезли из обихода. Вместе с тем существует целый ряд законо- мерностей развития вычислительной техники, которые позволяют предвидеть и предсказывать основные результаты этого поступательного движения. Необходи- мо анализировать традиционные и новые области применения СВТ, классы и типы используемых вычислительных средств, сложившуюся конъюнктуру рынка ин- формационных технологий и его динамику, количество и качество вычислитель- ной техники, выпускаемой признанными лидерами - производителями средств СВТ и т.д.

 

Академик В.М. Глушков указывал, что существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов компьютеров.

 

Первое направление является традиционным – применение компьютерной техники для автоматизации вычислений. Научно-техническая революция во всех областях науки и техники постоянно выдвигает новые научные, инженерные, эко- номические задачи, которые требуют проведения крупномасштабных вычислений (задачи проектирования новых образцов техники, моделирования сложных про- цессов, атомная и космическая техника и др.). Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной раз- витием математических наук и их приложений. Первые, а затем и последующие вычислительные средства классической структуры в первую очередь и создава- лись для автоматизации вычислений.

Вторая сфера применения СВТ связана с использованием их в системах управления. Она родилась примерно в 60-е годы, когда СВТ стали интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Математическая база этой новой сферы практически отсутствовала, в течение по- следующих 15-20 лет она была создана. Новое применение вычислительных ма- шин потребовало видоизменения их структуры. Компьютеры, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизи- ровать сбор данных и распределение результатов обработки.

 

Сопряжение с каналами связи потребовало усложнения режимов работы ком- пьютеров, сделало их многопрограммными и многопользовательскими. Для ис- ключения взаимных помех между программами пользователей в структуру ком- пьютеров были введены средства разграничения: блоки прерываний и приорите- тов, блоки защиты и т.п. Для управления разнообразной периферией стали ис- пользоваться специальные процессоры ввода-вывода данных или каналы. Именно тогда и появился дисплей как средство оперативного человеко-машинного взаи- модействия пользователя с компьютером.

 

Третье направление связано с применением компьютеров для решения задач искусственного интеллекта. Примеров подобных задач много: задачи робототех- ники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на дру- гой, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моде- лирования сложных процессов и явлений и т.д. Это направление все больше наби- рает силу. Во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Для технического обеспечения этого направления нужны качественно новые структуры СВТ с большим количе- ством вычислителей (процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, компьютеры уступают место сложнейшим вычисли- тельным системам.

 

2. Поколения компьютеров

 

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

1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;

2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (тран-

зисторах);

3-е поколение, 70-е гг.: компьютеры на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе);

 

Примечание. Интегральная схема - электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов.

4-е поколение, 80-е гг.: компьютеры на больших и сверхбольших интегральных схемах - микропроцессорах (десятки тысяч - миллионы транзисторов в одном кри- сталле);

5-е поколение, 90-е гг.: компьютеры с многими десятками параллельно работаю- щих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно- векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;

6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массовым парал- лелизмом и нейронной структурой - с распределенной сетью большого числа (де- сятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейрон- ных биологических систем.

 

Каждое следующее поколение компьютеров имеет по сравнению с предшествую- щим существенно лучшие характеристики. Так, производительность компьютера и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок.

 

3. Классы компьютеров

 

Существование различных типов компьютеров определяется различием задач, для решения которых они предназначены. С течением времени появляются новые типы задач, что приводит к появлению новых типов компьютеров. Поэтому при- веденное ниже деление очень условно.

В самой верхней строчке таблицы находятся «одноразовые» компьютеры – микросхемы, которые приклеиваются на внутреннюю сторону поздравительных открыток для проигрывания мелодий типа «Happy Birthday», свадебного марша или чего-нибудь подобного.

 

Вероятно, наиболее значимым достижением в этой области стало появление микросхем RFID (Radio Frequency Identification — радиочастотная идентифика-

ция). Теперь на безбатарейных микросхемах этого типа толщиной меньше 0,5 мм и себестоимостью в несколько центов устанавливаются крошечные приемопере- датчики радиосигналов; кроме того, им присваивается уникальный 128-разрядный идентификатор. При получении импульса с внешней антенны они за счет доста- точно длинного радиосигнала отправляют ответный импульс со своим номером. В отличие от размера микросхем, спектр их практического применения весьма зна- чителен: снятие штрих-кодов с товаров в магазинах, установка на транспортных средствах, определение цвета кузовов автомобилей перед их покраской в цехе, изучение миграции животных, указание температурного режима стирки предметов одежды и т. д.

 

Вторая категория в таблице отведена под компьютеры, которыми оснащаются разного рода бытовые устройства. Такого рода встроенные компьютеры, назы- ваемые также микроконтроллерами, выполняют функцию управления устройст- вами и организации их пользовательских интерфейсов. Это: бытовые приборы (будильники, стиральные машины, сушильные аппараты, микроволновые печи, охранные сигнализации); коммуникаторы (беспроводные и сотовые телефоны, факсимильные аппараты); периферийные устройства (принтеры, сканеры, моде- мы, приводы CD-ROM); развлекательные устройства (видеомагнитофоны, DVD- плееры, музыкальные центры, МРЗ-плееры, телеприставки); формирователи изо- бражений (телевизоры, цифровые фотокамеры, видеокамеры, объективы, фотоко- пировальные устройства); медицинское оборудование (рентгеноскопические ап- параты, томографы, кардиомониторы, цифровые термометры); военные комплек- сы вооружений (крылатые ракеты, межконтинентальные баллистические ракеты, торпеды); торговое оборудование (торговые автоматы, кассовые аппараты); иг- рушки (говорящие куклы, приставки для видеоигр, радиоуправляемые машинки и лодки).

 

Все микроконтроллеры можно разделить на два типа: универсальные и специ- альные. Первые фактически являют собой обычные компьютеры, уменьшенные в размере. Специальные же микроконтроллеры отличаются индивидуальной архи- тектурой и набором команд, приспособленным для решения определенного круга задач, например, связанных с воспроизведением мультимедийных данных.

 

Следующая категория — игровые компьютеры. Это, по существу, обычные компьютеры, в которых расширенные возможности графических и звуковых кон- троллеров сочетаются с ограничениями по объему ПО и пониженной расширяемо- стью.

 

Чтобы получить представление об игровых компьютерах, приведу конфигу- рации трёх популярных моделей этой категории. Первая из них — Sony PlayStation

2. В ней установлен 128-разрядный специализированный RISC-процессор с такто- вой частотой 296 МГц (он называется Emotion Engine) на базе архитектуры MIPS

IV. Кроме того, PlayStation 2 оснащается модулем памяти емкостью 32 Мбайт, специальной графической микросхемой на 160 МГц, 48-канальной звуковой пла-

той и DVD-приводом. Вторая рассматриваемая модель — Microsoft XBOX. В ней устанавливается процессор Intel Pentium III на 733 МГц, 64 Мбайт памяти, графи- ческая микросхема 300 МГц, 256-канальная звуковая микросхема, DVD-привод и жесткий диск емкостью 8 Гбайт. Наконец, третья модель называется Nintendo GameCube. Она комплектуется 32-разрядным процессором Gekko с тактовой час- тотой 485 МГц (он представляет собой модификацию RISC-процессора IBM PowerPC), памятью объемом 24 Мбайт, графической микросхемой на 200 МГц, 64- канальной звуковой микросхемой и фирменным оптическим диском емкостью 1,5 Гбайт.

 

Основное различие между игровыми компьютерами и ПК состоит не в произ- водительности процессора, а в том, что игровые компьютеры представляют собой закрытые, законченные системы. Расширяемость таких систем при помощи смен- ных плат не предусмотрена, хотя в некоторых моделях наличествуют интерфейсы USB и Fire Wire.

 

В следующую категорию входят персональные компьютеры. Именно они ассоциируются у большинства людей со словом «компьютер». Персональные компьютеры бывают двух видов: настольные и портативные (ноутбуки). Как правило, те и другие комплектуются модулями памяти общей емкостью в сотни мегабайтов, жестким диском с данными на несколько десятков гигабайтов, приво- дом CD-ROM/DVD, модемом, звуковой картой, сетевым интерфейсом, монитором с высоким разрешением и рядом других периферийных устройств. На них уста- навливаются сложные операционные системы, они расширяемы, при работе с ни- ми используется широкий спектр программного обеспечения. Некоторые специа- листы называют «персональными» компьютеры с процессорами Intel, отделяя их тем самым от компьютеров, оснащенных высокопроизводительными RISC- микросхемами (такими как Sun UltraSPARC), которые в таком случае именуются

«рабочими станциями». На самом деле, особой разницы между этими двумя типа- ми нет.

 

Центральным компонентом любого персонального компьютера является пе- чатная плата, на которой устанавливаются модули процессора, памяти и устройств ввода-вывода (как-то: звуковая плата и модем), интерфейсы клавиатуры, мыши, дискового привода, сетевой платы и прочих периферийных устройств, а также расширительные гнезда.

 

Ноутбуки, кроме своей компактности, ничем не отличаются от настольных ПК. В них устанавливаются аналогичные, хотя и меньшие по размеру, аппаратные компоненты. По возможностям выполнения и набору программ настольные и пор- тативные компьютеры не различаются.

 

К персональным очень близки карманные компьютеры (PDA). Они еще меньше, чем ноутбуки, однако процессор, память, клавиатура, дисплей и боль-

шинство других стандартных компонентов персонального компьютера в них при- сутствуют.

 

Особую интенсивно развивающуюся группу компьютеров образуют много- пользовательские компьютеры, используемые в вычислительных сетях, - серверы. Компьютер, работающий в локальной или глобальной сети, может специализиро- ваться на оказании информационных услуг другим компьютерам, на обслужива- нии других компьютеров. Такой компьютер и называется сервером от английско- го слова serve (в переводе - обслуживать, управлять).

 

Сервер – выделенный для обработки запросов от всех станций вычислитель- ной сети компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим систем- ным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам про- грамм, принтерам, факсам и др.) и распределяющий эти ресурсы. Такой универ- сальный сервер часто называют сервером приложений.

 

Серверы в сети часто специализируются. В классе серверов выделяется под- класс суперсерверов, необходимых в тех случаях, когда, с одной стороны, жела- тельна централизация данных, а с другой стороны, к этим данным необходимо обеспечить доступ очень большому количеству потребителей. Специализирован- ные серверы используются для устранения наиболее "узких" мест в работе сети: создание и управление базами данных и архивами данных, поддержка многоад- ресной факсимильной связи и электронной почты, управление многопользова- тельскими терминалами (принтеры, плоттеры) и др.

 

· Файл-сервер (File Server) используется для работы с файлами данных, имеет объемные дисковые запоминающие устройства, часто на отказоустойчивых дисковых массивах RAID.

 

Основная задача, решаемая файловыми серверами, - организация хранения, доступа и обмена данными (информацией) между компьютерами, людьми и дру- гими источниками и поставщиками информации.

 

· Архивационный сервер (сервер резервного копирования, Storage Express System) служит для резервного копирования информации в крупных много- серверных сетях; обычно выполняет ежедневное автоматическое архивиро- вание со сжатием информации от серверов и рабочих станций по сценарию, заданному администратором сети.

 

· Факс-сервер (Net SatisFaxion) - выделенная рабочая станция для организа- ции эффективной многоадресной факсимильной связи с несколькими фак- смодемными платами, со специальной защитой информации от несанкцио- нированного доступа в процессе передачи, с системой хранения электрон- ных факсов.

· Почтовый сервер (Mail Server) - то же, что и факс-сервер, но для организа- ции электронной почты, с электронными почтовыми ящиками.

 

· Сервер печати (Print Server, Net Port) предназначен для эффективного ис- пользования системных принтеров.

· Сервер телеконференций имеет систему автоматической обработки видео- изображений и др.

 

Host-сервер (коммутационная машина) – сервер, установленный в узлах сети и решающий вопросы коммутации и доступа к сетевым ресурсам: модемам, факс- модемам, серверам и др. Host -сервер осуществляет приём сообщений, сборку, пра- вильность передачи, маршрутизацию, разборку и передачу сообщения.

 

В последние годы появилась практика их объединения в рамках кластеров ра- бочих станций (Clusters Of Workstations, COW), которые иногда называют просто

«кластерами». Они состоят из нескольких персональных компьютеров или рабо- чих станций, подключенных друг к другу по высокоскоростной сети и снабжен- ных специальным программным обеспечением, которое позволяет направлять их ресурсы на решение единых задач (как правило, научных и инженерных).

 

Нередко в виде кластеров организуются Web-серверы. Кластеры, реализую- щие такую схему, часто называют серверными фермами (server farms).

 

Мэйнфреймы – это большие, мощные, высокопроизводительные компьюте- ры со значительным объёмом внешней и оперативной памяти. Обычно они рабо- тают не намного быстрее, чем мощные серверы, но у них выше скорость процес- сов ввода-вывода и обладают они довольно большим пространством на диске — 1 Тбайт и более (1 терабайт = 1012 байт).

До последнего времени существовала еще одна крупная категория компьюте- ров — суперкомпьютеры. Их процессоры работали с очень высокой скоростью, в них устанавливались модули памяти общей емкостью в несколько десятков гига- байтов, высокоскоростные диски и сетевые интерфейсы.

 

Сейчас, когда вычислительные возможности, аналогичные тем, что предлагают суперкомпьютеры, реализуются в виде кластеров, эта категория компьютеров по- степенно отмирает.

 

4. Переносные компьютеры

 

Переносные компьютеры – быстроразвивающийся подкласс персональных компьютеров. Большинство переносных компьютеров имеют автономное питание от аккумуляторов, но могут подключаться и к сети.

 

Клавиатура у некоторых моделей чуть укороченная: 84-86 клавиш, но может иметься разъем для подключения и полной клавиатуры; у некоторых моделей кла-

виатура раскладная. У миниатюрных компьютеров клавиатура так мала, что для нажатия клавиш используется специальная указочка.

 

В качестве манипулятора (устройства указания) обычно используется не мышь, а трекбол, трекпойнт или трекпад. Трекбол (Track Ball) - пластмассовый шар диаметром 15 -20 мм, вращающийся по любому направлению (напоминаю- щий стационарно укрепленную перевернутую мышь). Трекпойнт (Track Point) - специальная гибкая клавиша на клавиатуре типа ластика, прогиб которой в нуж- ном направлении перемещает курсор на экране дисплея. Трекпад (Track Pad или Touch Pad) - небольшой планшет, размещенный на блоке клавиатуры и содержа- щий под тонкой пленкой сеть проводников, воспринимающих при легком нажиме направление перемещения нажимающего объекта, например пальца. Принятый сигнал используется для управления курсором.

 

В качестве видеомониторов у них применяются плоские с видеопроектором жидкокристаллические дисплеи. Применяются в переносных компьютерах и сен- сорные экраны, в которых прикосновение к их поверхности обусловливает пере- мещение курсора в место прикосновения или выбор процедуры по меню, выве- денному на экран.

 

Переносные компьютеры весьма разнообразны: от громоздких и тяжелых (до

15 кг) портативных рабочих станций до миниатюрных электронных записных книжек массой около 100 г.

 

Портативные рабочие станции – наиболее мощные и крупные переносные ПК. Они оформляются часто в виде чемоданчика и носят название Nomadic - ко- чевник. Их характеристики аналогичны характеристикам стационарных ПК - ра- бочих станций. По существу, это обычные рабочие станции, питающиеся от сети, но конструктивно оформленные в корпусе, удобном для переноса, и имеющие, как и все переносные ПК, плоский жидкокристаллический видеомонитор класса не выше VGA. Nomadic обычно имеют модемы и могут оперативно подключаться к каналам связи для работы в вычислительной сети.

 

Портативные (наколенные) компьютеры типа «Lap Top» оформляются в ви- де небольших чемоданчиков размером с «дипломат», их масса обычно в пределах 5 кг. Аппаратное и программное обеспечение позволяет им успешно конкуриро- вать с лучшими стационарными ПК. В современных Lap Top часто используются микропроцессоры Pentium, Pentium Pro с большой тактовой частотой (до 200 МГц); оперативная память до 64 Мбайт; накопитель на жестком диске емкостью до 1200 Мбайт, часто съемный; возможно использование CD-ROM и другого мультимедийного обеспечения.

 

Компьютеры-блокноты (Note Book и Sub Note Book, их называют также и Omni Book - "вездесущие", а их облегченные варианты — субноутбуками (Subnotebook)) выполняют все функции настольных ПК. Конструктивно они оформлены в виде миниатюрного чемоданчика (иногда со съемной крышкой) раз-

мером с небольшую книгу. По своим характеристикам во многом совпадают с Lap Top, отличаясь от них лишь размерами и несколько меньшими объемами опера- тивной и дисковой памяти. Вместо винчестера некоторые модели, особенно среди Sub Note Book, имеют энергонезависимую Flash-память.

 

Ноутбуки и субноутбуки являются наиболее распространенными портатив- ными компьютерами. Граница между ними весьма условная. Обычно считают, что вес ноутбука колеблется от 2,2 до 4,5 кг, а субноутбука — от 0,9 до 2,7 кг. Габа- ритные размеры ноутбука составляют обычно 50х279х215 мм, а субноутбука — 38х254х190 мм. Размер экрана современного ноутбука бывает от 11,3 до 17 дюй- мов, а субноутбука — от 6,4 до 11,3 дюйма. Ноутбук обычно превосходит субно- утбук по максимальному размеру устанавливаемой оперативной памяти и емкости винчестера. Как правило, субноутбук имеет внешние приводы CD-ROM, в то вре- мя как у ноутбуков они обычно встроены.

 

Карманные компьютеры (Palm Top, что значит "наладонные") имеют массу около 300 г; типичные размеры в сложенном состоянии 150х80х25 мм. Это полно- правные персональные компьютеры, имеющие микропроцессор, оперативную и постоянную память, жидкокристаллический дисплей, портативную клавиатуру, порт-разъем для подключения в целях обмена информацией к стационарному ПК.

 

Электронные секретари (PDA - Personal Digital Assistent, иногда их называют Hand Help - ручной помощник) имеют формат карманного компьютера (массой не более 0,5 кг), но более широкие функциональные возможности, нежели Palm Top (в частности: аппаратное и встроенное программное обеспечение, ориентирован- ное на организацию электронных справочников, хранящих имена, адреса и номера телефонов, информацию о распорядке дня и встречах, списки текущих дел, записи расходов и т.п.), встроенные текстовые, а иногда и графические редакторы, элек- тронные таблицы.

 

Электронные записные книжки (organizer - органайзеры) относятся к "легчайшей категории" портативных компьютеров (к этой категории кроме них относятся калькуляторы, электронные переводчики и др.); масса их не превышает 200 г. Ор- ганайзеры пользователем не программируются, но содержат вместительную па- мять, в которую можно записать необходимую информацию и отредактировать ее с помощью встроенного текстового редактора; в памяти можно хранить деловые письма, тексты соглашений, контрактов, распорядок дня и деловых встреч.

 

Список литературы:

 

1. Гук М.Ю. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. 3-е изд. – СПб.: Пи- тер, 2006. – 1072 с.

2. Поворознюк А.И. Архитектура компьютера. Архитектура микропроцессорно- го ядра и системных устройств: Учебное пособие. Ч.1. – Харьков: Торнадо, 2004. – 355 с.

3. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 5-е изд. – СПб.: Питер, 2007. – 844 с.