Перспективы развития структур ЭВМ

 

Как видно, полувековая история развития электронной вычислительной техники дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ. Их объединяют следующие традиционные признаки:

· ядро ЭВМ образует процессор — единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью;

· линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;

· одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;

· наличие внутреннего машинного языка низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;

· последовательное централизованное управление вычислениями;

· ограниченные возможности устройств ввода-вывода.

Классическая структура ЭВМ уже сослужила добрую службу человечеству. В ходе эволюции она была дополнена целым рядом частных доработок, позволяющих ликвидировать наиболее «узкие места» и обеспечить максимальную производительность ЭВМ в рамках достигнутых технологий. Однако, несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура не обеспечивает возможностей дальнейшего наращивания производительности. Наметился кризис, обусловленный рядом ее существенных недостатков:

· практически исчерпаны структурные методы повышения производительности ЭВМ;

· плохо развиты средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень боль­шие массивы данных и др.);

· несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

· примитивная организация памяти ЭВМ;

· низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих параллельную обработку, и т.п.

Все эти недостатки аппаратуры приводят к чрезмерному усложнению комплекса программных средств, применяемого для подготовки и решения задач пользователей.

В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них «встроенного искусственного интеллекта», предполагается дальнейшее усложнение структуры. В первую очередь это касается совершенствования процессов общения пользователей с ЭВМ (использование аудио-, видеоинформации, систем мультимедиа и др.) обеспечения доступа к информационным хранилищам (базам данных и базам знаний), организации параллельных вычислений. Несомненно, что этому должны соответствовать новые параллельные структуры с новыми принципами их построения. Они становятся экономически более выгодными. Вероятно, подобными системами будут обслуживаться большие информационные хранилища.

 

2. Организация шин. Типы шин.

Организация шин

Совокупность трактов, объединяющих между собой основные устройства ВМ (центральный процессор, память и модули ввода/вывода), образует структуру взаимосвязей вычислительной машины. Структура взаимосвязей должна обеспечивать обмен информацией между:

· центральным процессором и памятью;

· центральным процессором и модулями ввода/вывода;

· памятью и модулями ввода/вывода.

Информационные потоки, характерные для основных устройств ВМ, показаны на рис.32.

Рис.32. Информационные потоки в вычислительной машине

 

 

С развитием вычислительной техники менялась и структура взаимосвязей устройств ВМ (рис.33). На начальной стадии преобладали непосредствен мыс связи между взаимодействующими устройствами ВМ. С появлением мини-ЭВМ, и особенно первых микроЭВМ, все более популярной становится схема с одной общей шиной. Последовавший за этим быстрый рост производительности практически всех устройств ВМ привел к неспособности единственной шины справиться с возросшим трафиком, и ей на смену приходят структуры взаимосвязей на базе нескольких шин. Дальнейшие перспективы повышения производительности вычислений связаны не столько с однопроцессорными машинами, сколько с многопроцессорными вычислительными системами. Способы взаимосвязей в таких системах значительно разнообразнее. Возвращаясь к вычислительным машинам, более внимательно рассмотрим вопросы, связанные с организацией взаимосвязей на базе шин.

 

Рис. 33. Эволюция структур взаимосвязей (ЦП – центральный процессор, МОП– модуль основной памяти, МВВ – модуль ввода/вывода)

 

 

Взаимосвязь частей ВМ и ее «общение» с внешним миром обеспечиваются системой шин. Большинство машин содержат несколько различных шин, каждая из которых оптимизирована под определенный вид коммуникаций. Часть шин скрыта внутри интегральных микросхем или доступна только в пределах печатной платы. Некоторые шины имеют доступные извне точки, с тем чтобы к ним легко можно было подключить дополнительные устройства, причем большинство таким шин не просто доступны, но и отвечают определенным стандартам, что позволяет подсоединять к шине устройства различных производителей.

Чтобы охарактеризовать конкретную шину, нужно описать (рис.34):

· совокупность сигнальных линий;

· физические, механические и электрические характеристики шины;

 

Рис.34. Параметры, характеризующие шины

 

· используемые сигналы арбитража, состояния, управления и синхронизации;

· правила взаимодействия подключенных к шине устройств (протокол шины).

Шину образует набор коммуникационных линий, каждая из которых способна передавать сигналы, представляющие двоичные цифры 1 и 0. По линии может пересылаться развернутая во времени последовательность таких сигналов. При совместном использовании несколько линий могут обеспечить одновременную (параллельную) передачу двоичных чисел. Физически линии шины реализуются в виде отдельных проводников, как полоски проводящего материала на монтажной плате либо как алюминиевые или медные проводящие дорожки па кристалле микросхемы.

Операции на шине называют транзакциями. Основные виды транзакций — транзакции чтения и транзакции записи. Если в обмене участвует устройство ввода/вывода, можно говорить о транзакциях ввода и вывода, по сути эквивалентных транзакциям чтения и записи соответственно. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных.

Когда два устройства обмениваются информацией по шине, одно из них должно инициировать обмен и управлять им. Такого рода устройства называют ведущими (bus master). В компьютерной терминологии «ведущий» — это любое устройство, способное взять на себя владение шиной и управлять пересылкой данных. Ведущий не обязательно использует данные сам. Он, например, может захватить управление шиной в интересах другого устройства. Устройства, не обладающие возможностями инициирования транзакции, носят название ведомых (bus slave). В принципе к шине может быть подключено несколько потенциальных ведущих, но в любой момент времени активным может быть только один из них, т.к. если несколько устройств передают информацию одновременно, их сигналы перекрываются и искажаются. Для предотвращения одновременной активности нескольких ведущих в любой шине предусматривается процедура допуска к управлению шиной только одного из претендентов (арбитраж). В то же время некоторые шины допускают широковещательный режим записи, когда информация одного ведущего передается сразу нескольким ведомым (здесь арбитраж не требуется). Сигнал, направленный одним устройством, доступен всем остальным устройствам, подключенным к шине.

Английский эквивалент термина «шина» — «bus» — восходит к латинскому слову omnibus, означающему «для всего». Этим стремятся подчеркнуть, что шина ведет себя как магистраль, способная обеспечить всевозможные виды трафика.

Типы шин

Важным критерием, определяющим характеристики шины, может служить ее целевое назначение. По этому критерию можно выделить:

· шины «процессор-память»;

· шины ввода/вывода;

· системные шины.

 

Шина «процессор-память» обеспечивает непосредственную связь между центральным процессором (ЦП) вычислительной машины и основной памятью (ОП). В современных микропроцессорах такую шину часто называют шиной переднего плана и обозначают аббревиатурой FSB (Front-Side Bus). Интенсивный трафик между процессором и памятью требует, чтобы полоса пропускания шины, то есть количество информации, проходящей по шине в единицу времени, была наибольшей Роль этой шины иногда выполняет системная шина (см. ниже), однако в плане эффективности значительно выгоднее, если обмен между ЦП и ОП ведется! по отдельной шине. К рассматриваемому виду можно отнести также шину, связывающую процессор с кэш-памятью второго уровня, известную как шина заднего плана — BSB (Back-Side Bus). BSB позволяет вести обмен с большей скоростью, чем FSB, и полностью реализовать возможности более скоростной кэш-памяти.

Поскольку в фон-неймановских машинах именно обмен между процессоров и памятью во многом определяет быстродействие ВМ, разработчики уделяют связи ЦП с памятью особое внимание. Для обеспечения максимальной пропускной способности шины «процессор-память» всегда проектируются с учетом особенностей организации системы памяти, а длина шины делается по возможности минимальной.

Шина ввода/вывода служит для соединения процессора (памяти) с устройствами ввода/вывода (УВВ). Учитывая разнообразие таких устройств, шины ввода/вывода унифицируются и стандартизируются. Связи с большинством УВВ (но не с видеосистемами) не требуют от шины высокой пропускной способности. При проектировании шин ввода/вывода в учет берутся стоимость конструктивна и соединительных разъемов. Такие шины содержат меньше линий по сравнению с вариантом «процессор-память», но длина линий может быть весьма большой. Ти-1 личными примерами подобных шин могут служить шины PCI и SCSI.

Системная шина служит для физического и логического объединения всех устройств ВМ. Поскольку основные устройства машины, как правило, размещаются на общей монтажной плате, системную шину часто называют объединительной шиной (backplane bus), хотя эти термины нельзя считать строго эквивалентными.Системная шинаснижает стоимость ВМ за счет объединения шин памяти и устройств ввода/вывода.

Системная шина в состоянии содержать несколько сотен линий. Совокупность линий шины можно подразделить на три функциональные группы (рис.35): шину данных, шину адреса и шину управления. К последней обычно относят также линии для подачи питающего напряжения на подключаемые к системной шине модули.

 

 

Рис.35. Структура системной шины

 

 

Особенности каждой из этих групп и распределение сигнальных линий подробно рассматриваются позже.

Функционирование системной шины можно описать следующим образом. Если один из модулей хочет передать данные в другой, он должен выполнить два действия: получить в свое распоряжение шину и передать по ней данные. Если какой-то модуль хочет получить данные от другого модуля, он должен получить доступ к шине и с помощью соответствующих линий управления и адреса передать в другой модуль запрос. Далее он должен ожидать, пока модуль, получивший запрос, пошлет данные.

Физически системная шина представляет собой совокупность параллельных электрических проводников. Этими проводниками служат металлические полоски на печатной плате. Шина подводится ко всем модулям, и каждый из них подсоединяется ко всем или некоторым ее линиям. Если ВМ конструктивно выполнена на нескольких платах, то все линии шины выводятся на разъемы, которые затем объединяются проводниками на общем шасси.

Среди стандартизированных системных шин универсальных ВМ наиболее известны шины Unibus, Fastbus, Futurebus, VME, NuBus, Multibus-II. Персональные компьютеры, как правило, строятся на основе системной шины в стандартах ISA, EISA или MCA.

Если к шине подключено большое число устройств, ее пропускная способность падает, поскольку слишком частая передача прав управления шиной от одного устройства к другому приводит к ощутимым задержкам. По этой причине во многих ВМ предпочтение отдается использованию нескольких шин, образующих определенную иерархию шин. Сначала рассмотрим ВМ с одной шиной.

Вычислительная машина с одной шиной имеет одну системную шину, обеспечивающую обмен информацией между процессором и памятью, а также между УВВ с одной стороны, и процессором либо памятью — с другой (рис. 16.5).

 

Рис.36. Структура взаимосвязей с одной шиной

 

Для такого варианта характерны простота и низкая стоимость. Однако одношинная организация не в состоянии обеспечить высокие интенсивность и скорость транзакций, причем «узким местом» становится именно шина.

Вычислительная машина с двумя видами шин имеет контроллеры устройств ввода/вывода (УВВ), которые подсоединены непосредственно к системной шине, при этом эффект повышения скорости обмена достигается применением одной или нескольких шин ввода/вывода (рис. 37). УБВ подключаются к шинам ввода/вывода, которые берут на себя основной трафик, не связанный с выходом на процессор или память. Адаптеры шин обеспечивают буферизацию данных при их пересылке между системной шиной и контроллерами УВВ. Это позволяет ВМ поддерживать работу множества устройств ввода/вывода и одновременно «развязать» обмен информацией по тракту процессор-память и обмен информацией с УВВ.

 

Рис.37. Структура взаимосвязей с двумя видами шин

 

Подобная схема существенно снижает нагрузку на скоростную шину «процессор-память» и способствует повышению общей производительности ВМ. В качестве примера можно привести вычислительную машину Apple Macintosh II, где роль шины «процессор-память» играет шина NuBus. Кроме процессора и памяти к ней подключаются некоторые УВВ. Прочие устройства ввода/вывода подключайся к шине SCSI Bus.

Вычислительная машина с тремя видами шин д ля подключения быстродействующих периферийных устройств в систему шин использует высокоскоростную шину расширения (рис.38).

Рис.38. Структура взаимосвязей с тремя видами шин

 

Шины ввода/вывода подключаются к шине расширения, а уже с нее через адаптер к шине «процессор-память». Схема еще более снижает нагрузку на шину «процессор-память». Такую организацию шин называют архитектурой с «пристройкой» (mezzanine architecture).

 

 

1. Общие функции программного обеспечения и их развитие

Электронные вычислительные машины являются универсальны­ми техническими средствами автоматизации вычислительных работ, т.е. они способны решать любые задачи, связанные с преобразовани­ем информации. Однако подготовка задач к решению на ЭВМ была и остается до настоящего времени достаточно трудоемким процессом, требующим от пользователей во многих случаях специальных зна­ний и навыков.

Для снижения трудоемкости подготовки задач к решению, более эффективного использования отдельных технических, программных средств и ЭВМ в целом, а также облегчения их эксплуатации каждая ЭВМ имеется специальный комплекс программных средств регулярно­го применения. Эти средства обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и являются своеобразным «посредником» между ними. Они получили название программного обеспечения ЭВМ.

Под программным обеспечением будем понимать комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для подготовки и решения задач пользователями.

Программное обеспечение (ПО) отдельных ЭВМ и ВС может сильно различаться составом используемых программ, который определяется классом задействованной вычислительной техники, режимами ее применения, содержанием вычислительных работ пользователей и т.п. Развитие ПО современных ЭВМ и ВС в значительной степени носит эволюционный и эмпирический характер, но можно выделить закономерности в его построении.

В общем случае процесс подготовки и решения задач на ЭВМ пользователями предусматривает выполнение следующей последовательности этапов (рис. 4):

· формулировка проблемы и математическая постановка задачи;

· выбор метода и разработка алгоритма решения;

· программирование (запись алгоритма) с использованием алгоритмического языка;

· планирование и организация вычислительного процесса — порядка и последовательности использования ресурсов ЭВМ и ВС;

· формирование «машинной программы», т.е. программы, которую непосредственно будет выполнять ЭВМ;

· решение задачи — выполнение вычислений по готовой программе.

 

 

Рис 4. Автоматизация подготовки и решения задач в ЭВМ

 

По мере развития вычислительной техники автоматизация этих этапов идет снизу вверх. В ЭВМ первого поколения автоматизации подлежал только шестой этап. Все пять предыдущих этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятельно. Трудоемкий и рутинный характер этих работ был источником большого количества ошибок в заданиях. Поэтому в ЭВМ следующих поколений появились сначала элементы, а затем целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.

Для ЭВМ второго поколения характерно широкое применение алгоритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран и др.) и соответствующих трансляторов, позволяющих автоматически формировать машинные программы по их описанию на алгоритмическом языке. Здесь же широко стали внедряться библиотеки стандартных программ, что позволило строить машинные программы блоками, используя накопленный и приобретенный программистами опыт. Отметим, что временные границы появления всех нововведений достаточно размыты. Обычно их истоки можно обнаружить в недрах ЭВМ предыдущих поколений.

ЭВМ третьего поколения характеризуются расцветом операционных систем, отвечающих за организацию и управление вычислительным процессом. Именно здесь слово «ЭВМ» все чаще стало заменяться понятием «вычислительная система», что в большей степени отражало усложнение, как аппаратной, так и программной частей ЭВМ. Стоимость программного обеспечения стала расти и в настоящее время намного опережает стоимость аппаратуры (рис.5).

Операционная система (ОС) планирует последовательность распределения и использования ресурсов вычислительной системы, а также обеспечивает их согласованную работу. Под ресурсами обычно понимают те средства, которые применяют для вычислений: машинное время отдельных процессоров или ЭВМ, входящих в систему; объемы оперативной и внешней

 

 

Рис. 5. Динамика изменения стоимости аппаратных и программных средств

 

памяти; отдельные устройства, информационные массивы; библиотеки программ; отдельные программы, как общего, так и специального применения и т.п. Интересно, что наиболее употребительные функции ОС в части обработки внештатных ситуаций (защита программ от взаимных помех, системы прерываний и приоритетов, служба времени, сопряжение с каналами связи и т.д.) были полностью или частично реализованы аппаратурно. Одновременно были реализованы более сложные режимы работы: коллективный доступ к ресурсам, мультипрограммные режимы. Часть этих решений стала своеобразным стандартом и начала использоваться повсеместно в ЭВМ различных классов. Это позволило в значительной степени повысить эффективность применения ЭВМ и ВС в целом. В ЭВМ четвертого поколения продолжается усложнение технических и программных структур (иерархия управления средствами, увеличение их количества). Следует отметить заметное повышение «интеллектуальности» машин. Особенно это стало видно при появлении персональных ЭВМ (ПЭВМ), ориентированных на определенные категории пользователей. Программное обеспечение этих машин создает «дружественную» среду общения человека и компьютера. Оно, с одной стороны, управляет процессом обработки информации, а с другой — создает необходимый сервис, для пользователя* снижая трудоемкость его рутинной работы и предоставляя ему возможность больше внимания уделять творчеству.

Подобные тенденции будут сохраняться и в ЭВМ последующих поколений. Так, по мнению исследователей, машины будущего столетия будут иметь встроенный в них «искусственный интеллект», что позволит пользователям обращаться к машинам (системам) на естественном языке, вводить и обрабатывать тексты, документы, иллюстрации, создавать системы обработки знаний и т.д. Все это приводит к необходимости разработки сложного, многоэшелонного иерархического программного обеспечения систем обработки данных.

 

2. Организация шин. Физическая реализация шин.

Физическая реализация шин

 

Основная шина (рис.39), объединяющая устройства вычислительной машины, обычно размещается на так называемой объединительной или материнской плате. Шину образуют тонкие параллельные медные полоски, поперек которых через Небольшие интервалы установлены разъемы для подсоединения устройств ВМ. Подключаемые к шине устройства обычно также выполняются в виде печатных плат, часто называемых дочерними платами или модулями. Дочерние платы вставляются в разъемы на материнской плате, В дополнение к тонким сигнальным линиям на материнской плате имеются также и более широкие проводящие линии, по которым к дочерним платам подводится питающее напряжение. Несколько контактов разъема обычно подключаются к общей точке — «земле». «Земля» на материнской плате реализуется либо в виде медного слоя (одного из внутренних слоев многослойной печатной платы), либо как широкая медная дорожка на обратной стороне материнской платы.

 

Рис.39. Организация объединительной шины

 

Контактные пружины в разъемах обеспечивают независимое подключение сигнальных линий, расположенных по обеим сторонам вставляемой в разъем дочерней платы. При создании соединительных разъемов прилагаются значительные усилия с тем, чтобы гарантировать надежный контакт после многократного извлечения платы из разъема, а также при длительной (многолетней) эксплуатации разъема в загрязненной или коррозийной среде.

«Механические» спецификации шины обычно включают такие детали, как размеры плат, размеры и размещение направляющих для установки платы, разрешенное место для установки кабельного разъема, максимальная высота элементов на плате и т. д.

Все устройства, использующие шину, электрически подсоединены к ее сигнальным линиям, представляющим собой электрические проводники. Меняя уровни напряжения на сигнальных линиях, ведущее устройство формирует на них информационные или управляющие сигналы. Когда ведущее устройство выставляет на сигнальной шине какой-то уровень напряжения, этот уровень может быть воспринят приемниками в любой точке линии. Такое описание дает лишь идеализированную картину происходящих на шине процессов — реальные процессы значительно сложнее.

Схему, меняющую напряжение на сигнальной шине, обычно называют драйвером или возбудителем шины. В принципе драйвером может быть любая цифровая схема, поскольку на ее цифровом выходе всегда присутствует один из двух возможных уровней напряжения.

При реализации шины необходимо предусмотреть возможность отключения драйвера от сигнальной линии на период, когда он не использует шину. Один из возможных способов обеспечения подобного режима — применение драйвера, выход которого может находиться в одном из трех состояний: «высокий уровень напряжения» (high), «низкий уровень напряжения» (low) и «отключен» (off). Для перевода в состояние «off», эквивалентное отключению выхода драйвера от сигнальной линии, используется специальный вход драйвера. Режим «off» необходим для исключения возможности одновременного управления шиной двумя или более устройствами, в противном случае на линиях могут возникать пиковые выбросы напряжения или искаженные сигналы, которые кроме некорректной передачи информации могут привести к преждевременному отказу электронных компонентов.

Совместное использование линии шины несколькими устройствами возможно также за счет подключения этой линии к выходу драйвера через резистор, соединенный с источником питания. В зависимости от полупроводниковой технологии, примененной в выходных каскадах драйвера, подобную возможность обеспечивают схемы с открытым коллектором (ТТЛ), открытым стоком (МОП) или открытым эмиттером (ЭСЛ). Данный способ не только исключает электрические конфликты на шине, по и позволяет реализовать очень полезный вид логической операции, известный как «монтажное ИЛИ» или «монтажное И» (трактовка зависит от соответствия между уровнями напряжения и логическими значениями 1 и 0). Если к линии одновременно подключается несколько драйверов, то сигнал на линии представляет собой результат логического сложения (операция ИЛИ) всех поступивших на линию сигналов. Это оказывается весьма полезным при решении задачи арбитража, которая рассматривается позже. В некоторых шинах «монтажное ИЛИ» используется лишь в отдельных сигнальных линиях, но иногда эту операцию допускают по отношению ко всем линиям шины.

Приемниками в операциях на шинах называют схемы, сравнивающие уровень сигнала на входе со стандартными значениями, формируемыми внутренними цепями приемников. По итогам сравнения приемник генерирует выходной сигнал, уровень которого соответствует одному из двух возможных логических значений — 1 или 0. Трансивер (приемопередатчик) содержит приемник и драйвер, причем выход драйвера и вход приемника сводятся в общую точку.

 

 

1. Персональные ЭВМ, как инструмент специалиста и их развитие

В настоящее время персональные ЭВМ (ПЭВМ) являются самым массовым типом ЭВМ. Именно им отводится решающая роль при переходе общества к информатизации — наиболее полному использованию информационных технологий.

Интересны причины появления и развития этого класса ЭВМ. Структура и динамика развития мирового парка ЭВМ показаны на рис.6.

Сегодня доля ПЭВМ в мировом парке составляет около 80%. Доли больших ЭВМ и мини-ЭВМ (в последнее время они заменяются средними ЭВМ новых поколений) оцениваются примерно по 10%. Развитие ПЭВМ, определяется прежде всего экономическими факторами, так как стоимость единицы вычислительной мощности в них обходится значительно дешевле. Появление ПЭВМ закономерно и объяс­няется изменением характера вычислительных работ, в которых немаловажную роль играет нечисловая обработка.

 

 

 

Рис.6. Структура и динамика развития парка ЭВМ

 

Большие ЭВМ в основном использовались и используются для централизованной обработки информации. В первую очередь они применялись для крупномасштабных вычислений по программам, разработанным коллективами специалистов. Поэтому дорогие большие машины устанавливались в крупных академических вычислительных центрах.

Мини-ЭВМ стали использоваться для распределенной обработки данных и для управления объектами, технологическими процессами, предприятиями.

Персональные ЭВМ отмечают новый этап в организации и обеспечении вычислений — этап «персональных вычислений». Суть его выражается девизом: «One man — one job — one computer» (человек — работа — компьютер). Таким образом, персональные ЭВМ призваны решать в первую очередь те задачи, которые возникают у специалистов различного профиля в определенные моменты времени, непосредственно на рабочих местах, т.е. там, где находятся источники данных, подлежащих обработке.

При этом самым распространенным режимом работы является режим непосредственного доступа к ресурсам ЭВМ, «один на один с компьютером». Подобный режим работы уже использовался при работе с первыми ЭВМ, однако при централизованном управлении он был крайне неэффективен. Если ранее за пультом большой ЭВМ должен был находиться профессиональный программист, то за персональным компьютером обычно находится «непрограммирующий профессионал». Так называют специалиста конкретной предметной области (бухгалтера, экономиста, инженера-исследователя и т.п.), но не специалиста в вычислительной технике и программировании. Поэтому возврат к режиму непосредственного доступа происходит на качественно новой основе.

Широкое применение ПЭВМ в различных сферах деятельности человека выдвигает требования к их надлежащему программному обеспечению. В настоящее время число профессиональных программистов в индустриально развитых странах составляет не более 0,5% населения. Фирмы-разработчики программного обеспечения не могут предоставить каждому пользователю ПЭВМ требуемый набор программ. Их усилия сосредоточены на производстве пакетов прикладных программ и систем программирования, рассчитанных на массового пользователя. Именно поэтому такой взрывной характер имеют спрос, производство и распространение подобных пакетов. Они составляют фундамент для последующей разработки собственных программ пользователя, учитывающих всю специфику требуемых вычислений. Другими словами, как и во всех науках, специализация является надстройкой унификации. Это позволяет пользователям — специалистам с невысокой математической, вычислительной и программистской подготовкой необязательно самыми эффективными средствами и способами ставить и решать задачи специальной обработки данных.

Среди многих возможных формулировок определяющих, что такое ПЭВМ можно привести следующую [2]:

Персональный компьютер этомикроЭВМ, ориентированная на разработку и использование прикладных программ «непрограммирующим профессионалом», при этом соответствующий режим использования вычислительной техники называют режимом персональных вычислений.

Основная цель использования ПЭВМ—формализация профессиональных знаний. Здесь в первую очередь автоматизируется рутинная часть работ специалистов, которая занимает более 75% их рабочего времени. Применение ПЭВМ позволяет сделать труд специалистов творческим, интересным, эффективным. Персональные ЭВМ используются повсеместно, во всех сферах деятельности людей. Новые сферы применения изменили, и характер вычислительных работ. Так, инженерно-технические расчеты составляют не более 9%, автоматизация управления сбытом, закупками, управление запасом — 16%, финансово-экономические расчеты — 15%, делопроизводство — более 10%, игровые задачи — 8% и т.д.

Причинами стремительного роста индустрии персональных ЭВМ следует считать:

· высокую эффективность применения по сравнению с другими классами ЭВМ при малой стоимости (от нескольких сот до нескольких тысяч долларов — в зависимости от типа и комплектации);

· возможность индивидуального взаимодействия с ПК без каких-либо посредников и ограничений;

· большие возможности по обработке информации (быстродействие — сотни миллионов операций в секунду; емкость памяти: оперативной — единицы и десятки Мбайтов, внешней — сотни Мбайтов, единицы Гбайтов);

· высокую надежность и простоту в эксплуатации;

· возможность расширения и адаптации к особенностям применения;

· наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового программного обеспечения;

· простоту использования, основанную на «дружественном» взаимодействии с ПК, с помощью пакетов прикладных программ.

Эффективная работа на ПЭВМ предполагает своевременное обеспечение ее необходимой входной информацией и распространение полученных результатов обработки. Поэтому все ПЭВМ имеют возможность сопряжения через сетевые адаптеры и модемы с каналами связи. Подключение ПЭВМ к вычислительным сетям в еще большей степени усиливает эффективность их применения.

ПЭВМ, как и другие типы машин, выпускаются целыми семействами, что позволяет перекрыть достаточно широкий диапазон производительности, обеспечить преемственность в разработках и возможность совершенствования систем обработки данных, построенных на их основе. Современные ПЭВМ строятся на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Машины типа IBM PC (а именно они составляют почти 80% парка ПЭВМ) комплектуются микропроцессорами Pentium различных модификаций.

Различают младшие, средние и старшие модели ПК. В основу такого деления положены особенности комплектации компьютера и обеспечиваемые этим его возможности.

Одной из основных характеристик ПК является тип используемого в нем микропроцессора. Рынок микропроцессоров очень динамичен. Каждые год-два происходит обновление их основных типов. Последние разработки микропроцессоров фирм Intel и AMD (Pentium III и K7-Atlon) работают на частотах 750 — 800 МГц. Лучшим же компьютером начала 2000 г. следует считать Power Mac G4 с процессором Power PC G4, совместно разработанным компаниями Apple, Motorola, IBM и работающим на частоте 500 МГц. Он показал быстродействие более lGflops,n работал почти в 3 раза быстрее, чем ПК с Pentium III-600 (самый быстродействующий микропроцессор от Intel на момент выпуска Power Mac G4).

Компьютеры оснащаются оперативной памятью 32—256 Мбайта с возможностью дальнейшего наращивания, кэш-памятью 256 Кбайт— 2 Мбайта, жесткими дисками — единицы и десятки Гбайтов. Компьютеры могут иметь высокоскоростные диски CD-ROM, сетевые, графические адаптеры и другие устройства.

Рассматривая класс ПЭВМ, необходимо упомянуть о самой простейшей его разновидности — сетевом компьютере (СК), также относящимся к персональной технике. Он становится еще одним стандартом, объединяющим целый класс компьютеров, который получает массовое производство и распространение.

Применение сетевых компьютеров позволяет аккумулировать вычислительные мощности и все виды вычислительных услуг на серверах в сетях ЭВМ. В связи с этим отпадает необходимость каждому пользователю иметь собственные автономные средства обработки. Очень многие из них могут обращаться к вычислительным ресурсам сетей при помощи простейших средств доступа — сетевых компьютеров. Необходимая информация и нужные виды ее обработки будут выполнены серверами сети, а пользователи получают уже готовые, требуемые им результаты. Таким образом, для подобного вида услуг образуется своеобразная ниша, которую должны заполнить сетевые компьютеры, поскольку они обеспечивают:

· резкое снижение совокупной стоимости владения (Total Cost of Ownership, TCO) вычислительными средствами предприятия, фирмы, корпорации;

· повышение производительности работы пользователей при одновременном снижении расходов на обслуживание;

· упрощение процессов администрирования, настройки, защиты, модернизации и т.п.

Собственные средства обработки в СК представлены достаточно слабо или вообще отсутствуют. Основу СК составляет весьма скромный по своим возможностям встроенный микропроцессор или блок управления. Очень многие фирмы (Oracle, Sun, Philips, IBM и др.) проявляют интерес к этому новому классу компьютеров и связывают с ним большие надежды. Уже появились первые разработки подобных устройств, но пока еще не выявлены единые принципы их структурного и функционального построения.

В литературе отсутствует и единое их наименование: «тощие» ПК, Internet-приборы, браузеры, Web PC, Java-терминал, Net Computer и др.