Краткое описание классов компьютеров

 

По принципу действия

 

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (смотри рисунок).

Рис. Две формы предоставления информации в машинах:

а – аналоговая; б – цифровая импульсная.

 

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

Такие вычислительные машины часто называют ЭВМ (электронно-вычислительные машины, электронные вычислительные машины). 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.

В отличие от АВМ, в ЭВМ числа представляются в виде последовательности цифр. В современных ЭВМ числа представляются в виде кодов двоичных эквивалентов, то есть в виде комбинаций 1 и 0. В ЭВМ осуществляется принцип программного управления. ЭВМ можно разделить на цифровые, электрифицированные и счётно-аналитические (перфорационные) вычислительные машины.

ЭВМ разделяются на большие ЭВМ, мини-ЭВМ и микроЭВМ. Они отличаются своей архитектурой, техническими, эксплуатационными и габаритно-весовыми характеристиками, областями применения.

Достоинства ЭВМ:

§ высокая точность вычислений;

§ универсальность;

§ автоматический ввод информации, необходимый для решения задачи;

§ разнообразие задач, решаемых ЭВМ;

§ независимость количества оборудования от сложности задачи.

Недостатки ЭВМ:

§ сложность подготовки задачи к решению (необходимость специальных знаний методов решения задач и программирования);

§ недостаточная наглядность протекания процессов, сложность изменения параметров этих процессов;

§ сложность структуры ЭВМ, эксплуатация и техническое обслуживание;

§ требование специальной аппаратуры при работе с элементами реальной аппаратуры

 

Аналоговые вычислительные машины (АВМ) – вычислительные машины непрерывного действия, 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.

Это вычислительная машина непрерывного действия, обрабатывающая аналоговые данные. Предназначена она для воспроизведения определенных соотношений между непрерывно изменяющимися физическими величинами. Основные области применения связаны с моделированием различных процессов и систем.

В АВМ все математические величины представляются как непрерывные значения каких-либо физических величин. Главным образом, в качестве машинной переменной выступает напряжение электрической цепи. Их изменения происходят по тем же законам, что и изменения заданных функций. В этих машинах используется метод математического моделирования (создаётся модель исследуемого объекта). Результаты решения выводятся в виде зависимостей электрических напряжений в функции времени на экран осциллографа или фиксируются измерительными приборами. Основным назначением АВМ является решение линейных и дифференцированных уравнений.

Достоинства АВМ:

§ высокая скорость решения задач, соизмеримая со скоростью прохождения электрического сигнала;

§ простота конструкции АВМ;

§ лёгкость подготовки задачи к решению;

§ наглядность протекания исследуемых процессов, возможность изменения параметров исследуемых процессов во время самого исследования.

Недостатки АВМ:

§ малая точность получаемых результатов (до 10%);

§ алгоритмическая ограниченность решаемых задач;

§ ручной ввод решаемой задачи в машину;

§ большой объём задействованного оборудования, растущий с увеличением сложности задачи

 

Гибридные вычислительные машины (ГВМ) – 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.

Иногда такие машины называют «комбинированные вычислительные машины», «аналого-цифровые вычислительные машины (АЦВМ)»

Они имеют такие характеристики, как быстродействие, простота программирования и универсальность. Основной операцией является интегрирование, которое выполняется с помощью цифровых интеграторов.

В таких машинах числа представляются как в ЭВМ (последовательностью цифр), а метод решения задач как в АВМ (метод математического моделирования).

 

 

По этапам создания

 

Деление компьютерной техники на поколения – весьма условная, нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером.

Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования.

 

 

ЭВМ I-го поколения [ first-generation computer ]

 

К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов.

Все ЭВМ I-го поколения были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными – лампы приходилось часто менять.

Рис. Электронная лампа

Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства.

Рис. Перфокарта

 

Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду.

 

Но это только техническая сторона. Очень важна и другая – способы использования компьютеров, стиль программирования, особенности математического обеспечения.

Программирование выполнялось на языках программирования низкого уровня. Программы для этих машин писались на языке конкретной машины. Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы и производил по ним счет. Процесс отладки был наиболее длительным по времени.

Несмотря на ограниченность возможностей, эти машины позволили выполнить сложнейшие расчёты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др.

Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета.

а) б)

Рис. а – Компьютер "Эниак", б – ЭВМ «Урал»

 

Эти проблемы начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.

Отечественные машины первого поколения: МЭСМ (малая электронная счётная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М—20.

 

 

ЭВМ II -го поколения [ second -generation computer ]

 

Машины этого поколения были сконструированы примерно в 1955-65 годах.

В 1958 г. в ЭВМ (ЭВМ II-го поколения) были применены полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли.

История изобретения:

· 1 июля 1948 года на одной из страниц «New York Times», посвященной радио и телевидению, было помещено скромное сообщение о том, что фирма «Белл телефон лабораториз» разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу. Физик-теоретик Джон Бардин и ведущий экспериментатор фирмы Уолтер Браттэйн создали первый действующий транзистор. Это был точечно-контактный прибор, в котором 2 металлических «усика» контактировали с бруском из поликристаллического германия.

· Созданию транзистора предшествовала упорная, почти 10-летняя работа, которую в 1938 или 1939 году начал физик-теоретик Уильям Шокли. Впрочем, если быть точнее, история транзистора началась гораздо раньше. Еще в 1906 году француз Пикар предложил кристаллический детектор, затем в 1922 году советский радиофизик О.В. Лосев показал возможность усиления и генерирования колебаний с помощью таких детекторов. Спустя 3 года профессор Лейпцигского университета Юлиус Лилиенфельд попытался создать усилительный полупроводниковый прибор. Однако эти эксперименты были забыты. О них вспомнили лишь после того, как транзистор завоевал всемирное признание.

· Произошло это, кстати, довольно быстро. После нескольких лет поисков технологии изготовления полупроводниковых приборов и изобретения новых конструкций (в частности, плоскостного транзистора, запатентованного У. Шокли в 1951 году) целый ряд американских фирм приступил к серийному выпуску транзисторов, которые на первых порах использовались в основном в аппаратуре радио и связи.

 

Транзисторы были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работает с большей скоростью.

При этом сначала в этих компьютерах применялись как электронные лампы, так и дискретные транзисторные логические элементы. Позже дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы.

§ В качестве носителей информации использовались магнитные ленты ("БЭСМ-6", "Минск-2","Урал-14") и магнитные сердечники.

§ Их оперативная памят ь была построена на магнитных сердечниках.

§ Стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.

§ В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня. Средства таких языков допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде. Программа, написанная на алгоритмическом языке, непонятна компьютеру, воспринимающему только язык своих собственных команд. Поэтому специальные программы, которые называются трансляторами, переводят программу с языка высокого уровня на машинный язык.

§ Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач.

§ Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.Таким образом, операционная система является программным расширением устройства управления компьютера. Для некоторых машин второго поколения уже были созданы операционные системы с ограниченными возможностями.

§ Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

§ Быстродействие – до сотен тысяч операций в секунду.

§ Ёмкость памяти – до нескольких десятков тысяч слов.

 

Особенности, отличие от первого поколения.

1. Более высокая надежность.

2. Меньшее потребление энергии.

3. Более высокое быстродействие за счет:

· Повышение скорости переключения счетных и запоминающих элементов

· Изменения в структуре машин.

 

 

а) б)

Рис. а – Транзистор, б – память на магнитных сердечниках

Уже начиная со второго поколения, машины стали делиться на большие, средние и малые по признакам размеров, стоимости, вычислительных возможностей. Так, небольшие отечественные машины второго поколения (“Наири”, “Раздан”, “Мир” и др.) с производительностью порядка 10⁴ операций в секунду были в конце 60-х годов вполне доступны каждому вузу, в то время как упомянутая выше БЭСМ-6 имела профессиональные показатели (и стоимость) на 2 – 3 порядка выше.

Рис. БЭСМ—6.

 

 

ЭВМ III -го поколения [ third-generation computer ]

 

В 1960 г. появились первые интегральные схемы (ИС), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями.

Рис. Интегральные схемы

 

ИС (интегральная схема) – это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм². Первая ИС способна заменить десятки тысяч транзисторов. Один кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный “Эниак”. А компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду.

В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.

Машины третьего поколения – это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

Примеры машин третьего поколения – семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

 

Первые интегральные схемы (ИС)

Первая интегральная схема, разработанная в 1960 году, была прототипом современных микрочипов. Интегральная схема состоит из миниатюрных транзисторов и других элементов, монтируемых на кремниевом кристаллике.

IBM 360

37 лет назад, в 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.

Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объемом оперативной памяти и производительностью. Глава фирмы IBM Томас Уотсон-младший назвал появление данного семейства машин "самым важным событием в истории компании". Первые образцы машин серии IBM 360 поступили к заказчикам во второй половине 1965 года, а к 1970 году фирма разработала около 20 моделей, однако некоторые из них так и не были доведены до серийного производства (Всего было выпущено более 33 тыс. машин этого семейства).

При создании моделей семейства использовался ряд новых принципов, что делало машины универсальными и позволяло с одинаковой эффективностью применять их как для решения задач в различных областях науки и техники, так и для обработки данных в сфере управления и бизнеса (число 360 в названии серии указывает на способность машин работать во всех направлениях – в пределах 360°). Наиболее важными из нововведений являлись:

· элементная и технологическая база машин третьего поколения;

· программная совместимость всех моделей семейства;

· операционная система, содержащая трансляторы для наиболее распространенных в то время языков программирования (Фортран, Кобол, RPG, Алгол 60, ПЛ/1), причем имелась возможность включать в систему трансляторы для других языков;

· "универсальность" системы команд, которая обеспечивалась путем добавления дополнительных команд для различных целей к так называемой стандартной системе команд;

· возможность подключения большого количества внешних устройств и стандартного сопряжения этих устройств с процессором через аппаратуру каналов связи (при этом имелась возможность объединять несколько машин в одну вычислительную систему);

· организация памяти, не зависящая от физической реализации, обеспечивающая простое перемещение и гибкую защиту программ;

· мощная система аппаратно-программных прерываний, позволявшая организовать эффективную работу машин в реальном масштабе времени. Создание моделей серии IBM 360 оказало существенное влияние на весь ход развития компьютерной техники. Структура и архитектура этих машин с теми или иными изменениями в элементной базе были воспроизведены в ряде семейств ЭВМ многих стран.

 

ЭВМ III-го поколения. В 1960 г. появились первые интегральные схемы (ИС), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями.

· Компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду.

· В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.

· Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых.

· В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.

· Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы.

· Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ.

 

 

ЭВМ IV-го поколения [ fourth-generation computer ]

 

В начале 70-х годов начали использовать средние интегральные схемы. А позже – большие интегральные схемы.

Помимо изменения элементно-технологической базы, появились новые идеи по структуре вычислительных машин, программированию, использованию и эксплуатации вычислительных систем и т.п.

Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 ИС. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. В 1980 г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма (0,635 см².).

БИСы применялись уже в таких компьютерах, как “Иллиак”, ”Эльбрус”, ”Макинтош”. Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. Емкость ОЗУ (оперативной памяти) возросла до 500 млн. двоичных разрядов. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов.

C точки зрения структуры: машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Ёмкость оперативной памяти порядка 1 – 64 Мбайт.

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) – ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров, создав первые персональные компьютеры – IBM PC.

 

Для них характерны:

· применение персональных компьютеров;

· телекоммуникационная обработка данных;

· компьютерные сети;

· широкое применение систем управления базами данных;

· элементы интеллектуального поведения систем обработки данных и устройств.

 

ЭВМ четвертого поколения– используют большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), виртуальную память, многопроцессорный с параллельным выполнением операций принцип построения, развитые средства диалога.

 

 

ЭВМ V-го поколения [ fourth-generation computer ], ЭВМ VI-го поколения и так далее

 

ЭВМ пятого поколения– 90-е гг.: ЭВМ со 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.

ЭВМ шестого поколения 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.

Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предшествующим существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок.

Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения (и последующих) является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров – устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволит общаться с ЭВМ всем пользователям, даже тем, кто не обладает специальных знаний в этой области. ЭВМ будет помощником человеку во всех областях.

Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).

Происходит качественный переход от обработки данных к обработке знаний.

 

Предполагается, что архитектура компьютеров будущего поколения будет содержать два основных блока. Один из них – это традиционный компьютер. Но теперь он лишён связи с пользователем. Эту связь осуществляет блок, называемый термином «интеллектуальный интерфейс». Его задача – понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу для компьютера.

Будет также решаться проблема децентрализации вычислений с помощью компьютерных сетей, как больших, находящихся на значительном расстоянии друг от друга, так и миниатюрных компьютеров, размещённых на одном кристалле полупроводника.

 

 

По назначению

 

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Характерными чертами универсальных ЭВМ являются:

• высокая производительность;

• разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

• обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;

• большая емкость оперативной памяти;

• развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

 

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.

К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

 

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 при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

 

 

Базовая ЭВМ [ original computer ] – ЭВМ, являющаяся начальной исходной моделью в серии ЭВМ определенного типа или вида.

 

Универсальная ЭВМ [ universal computer ] – ЭВМ, предназначенная для решения широкого класса задач. ЭВМ этого класса имеют разветвленную и алгоритмически полную систему операций, иерархическую структуру ЗУ и развитую систему устройств ввода-вывода данных.

 

Специализированная ЭВМ [ specialized computer ] – ЭВМ, предназначенная для решения узкого класса определенных задач. Характеристики и архитектура машин этого класса определяются спецификой задач, на которые они ориентированы, что делает их более эффективными в соответствующем применении по отношению к универсальным ЭВМ. К разряду специализированных могут быть отнесены, в частности, – “управляющие”, “бортовые“, “бытовые“ и “выделенные“ ЭВМ.

 

Управляющая ЭВМ [ control computer ] – ЭВМ, предназначенная для автоматического управления объектом (устройством, системой, процессом) в реальном масштабе времени. Сопряжение ЭВМ с объектом управления производится с помощью аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.

 

Бортовая ЭВМ [ onboard computer ] – Специализированная управляющая ЭВМ, устанавливаемая на борту транспортного средства (самолета, спутника, корабля, автомобиля и т.п.) и предназначенная для оптимального управления функционированием других бортовых устройств, в частности, связанных с управлением перемещением своего носителя в пространстве.

 

Выделенная ЭВМ [ dedicated computer ] – Разновидность (как правило) однокристальной специализированной ЭВМ, встроенной в какое-либо устройство с целью управления им или передачи ему данных. Используется в бытовой технике и других видах устройств – нагревательных приборах, часах, автомобилях, магнитофонах и т.д.

 

Бытовая (домашняя) ЭВМ [ home computer ] – То же, что домашняя ПЭВМ или домашний ПК.