Е поколение эвм: 1990г. – настоящее время

Особенности архитектуры современного поколения компьютеров подробно рассматриваются в данном учебнике. Кратко основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом. Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, с многими сотнями параллельно работающих процессоров, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

 

Рис. 3.14 Динамика мирового парка ЭВМ и численности программистов

Е и последующие поколения ЭВМ

Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

ПРИМЕЧАНИЕ

Деление ЭВМ по номерам поколений и временным периодам, как уже говорилось, достаточно условное. У ряда авторов вводится понятие нулевого поколения и приняты существенно иные временные интервалы для поколений.

В табл. 3.3 показана эволюция технологий использования компьютерных систем.

Таблица 3.3. Эволюция компьютерных информационных технологий

Параметр	Этапы развития технологии
	50-е годы	60-е годы	70-е годы	80-е годы	Настоящее время
Цель использования компьютера (преимущественно)	Научно-технические расчеты	Технические и экономические расчеты	Управление и экономические расчеты	Управление, предоставление информации	Телекоммуникации, информационное обслуживание и управление
Режим работы компьютера	Однопрограммный	Пакетная обработка	Разделение времени	Персональная работа	Сетевая обработка
Интеграция данных	Низкая	Средняя	Высокая	Очень высокая	Сверхвысокая
Расположение пользователя	Машинный зал	Отдельное помещение	Терминальный зал	Рабочий стол	Произвольное мобильное
Тип пользователя	Инженеры-программисты	Профессиональные программисты	Программисты	Пользователи с общей компьютерной подготовкой	Мало обученные пользователи
Тип диалога	Работа за пультом компьютера	Обмен перфоносителями и машинограммами	Интерактивный (через клавиатуру и экран)	Интерактивный с жестким меню	Интерактивный экранный типа «вопрос — ответ»

Как видно из таблицы, в настоящее время основные цели использования компьютеров — информационное обслуживание и управление, сейчас вычислительные машины и системы по существу выполняют функции информационно-вычислительных систем.

Глава 4. Основные классы вычислительных машин

После изучения главы студент должен знать:

· различия между универсальными и специализированными ЭВМ,

· важнейшие технико-эксплуатационные характеристики компьютеров;

· основные типы и характеристики современных мэйнфреймов;

· основные типы и характеристики современных малых ЭВМ;

· основные типы и характеристики современных персональных компьютеров;

· архитектуру и характеристики суперЭВМ, в том числе и кластерных;

· основные типы и характеристики современных Notebook и Netbook;

· основные типы и характеристики современныхКПК и комуникаторов;

· архитектуру и характеристики вычислительных систем;

· особенности архитектуры высокопараллельных вычислительных систем типа SIMD, MISD, MIMD;

· ассоциативные и потоковые вычислительные системы

Основные типы компьютеров

По назначению вычислительные машины можно разделить на универсальные и специализированные.

Универсальные компьютеры предназначены для решения самых различных инженерно-технических, экономических, математических, информационных и т. п. задач. Характерными чертами универсальных компьютеров 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.

Специализированные компьютеры предназначены для решения определенного круга задач или реализации строго определенной группы функций. К специализированным компьютерам можно отнести, в частности, рабочие станции и серверы, используемые в компьютерных сетях. По размерам и вычислительной мощности компьютеры можно разделить на сверхбольшие (суперкомпьютеры, суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микрокомпьютеры или микроЭВМ). Функциональные возможности компьютеров обусловлены такими важнейшими технико-эксплуатационными характеристиками, как:

· быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени);

· разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует компьютер;

· номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;

· номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

· типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов компьютера между собой (тип внутримашинного интерфейса);

· способность компьютера одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять параллельно несколько программ (многозадачность);

· типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;

· наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

· способность выполнять программы, написанные для других типов компьютеров (программная совместимость с другими типами компьютеров);

· система и структура машинных команд;

· возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;

· эксплуатационная надежность компьютера;

· коэффициент полезного использования компьютера во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Некоторые сравнительные параметры современных универсальных компьютеров показаны в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Сравнительные параметры универсальных компьютеров

Параметры	Класс компьютеров
	Суперкомпьютеры	Большие компьютеры	Малые компьютеры	Микрокомпьютеры
Производительность (MIPS)	100000 –10000000	1000–100000	100–1000	50–100
Емкость ОП (Мбайт)	10000 – 10000000	10 000–100 000	1000 – 10000	512–4096
Емкость внешнего ЗУ (Гбайт)	50000–100000	1000–50000	200–5000	200–2000
Разрядность (битов)	64–512	64–256	32–128	32–128

ПРИМЕЧАНИЕ

MIPS — миллион операций в секунду над числами с фиксированной запятой.

Исторически первыми появились большие ЭВМ (ENIAC, UNIVAC), элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью0 интеграции. Производительность больших компьютеров оказалась недостаточной для ряда задач (прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, биологических исследований, моделирования экологических систем и др.). Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперкомпьютеров, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.

Появление в 70-х годах малых компьютеров обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой — избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые компьютеры используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и существенно дешевле больших компьютеров. Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению суперминикомпьютера — вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых компьютеров, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.

Изобретение в 1969 г. микропроцессора (МП) привело к появлению в 70-х годах еще одного класса компьютеров — микрокомпьютеров. Именно наличие МП послужило первоначально определяющим признаком микрокомпьютеров. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах компьютеров. Следует также назвать и специализированные компьютеры, используемые в компьютерных сетях:

· однопользовательские - рабочие станции и сетевые компьютеры, 

· многопользовательские компьютеры – серверы.

Рассмотрим кратко современное состояние некоторых классов компьютеров.

Большие компьютеры

Большие компьютеры за рубежом часто называют мэйнфреймами. Основные направления эффективного применения мэйнфреймов — решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление — использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей — часто отмечается специалистами как наиболее актуальное.

ПРИМЕЧАНИЕ

Мэйнфреймы часто именуются большими серверами (серверами-мэйнфреймами). В принципе это допустимо, но иногда вносит путаницу в терминологию. Дело в том, что серверы — это многопользовательские компьютеры, используемые в вычислительных сетях. Серверы обычно относят к микрокомпьютерам, но по своим характеристикам мощные серверы можно отнести и к малым компьютерам, и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы приближаются к суперкомпьютерам.

Родоначальником современных больших компьютеров, по стандартам которых в последние несколько десятилетий развивались машины этого класса в большинстве стран мира, являются машины фирмы IBM. Модели IBM 360 и IBM 370 с их архитектурой и программным обеспечением взяты за основу и при создании отечественной системы больших машин ЕС ЭВМ.

Среди лучших разработок мэйнфреймов за рубежом последних двух десятилетий следует, в первую очередь, отметить американские:

l IBM 3090, IBM 4300 (4331, 4341, 4361, 4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 году (2-е поколение мэйнфреймов);

l IBM ES/9000, созданные в 1990 году (3-е поколение);

l S/390 и AS/400 (4-е поколение).

Семейство мэйнфреймовIBM ES/9000 (ES — Enterprise System) открывает семейство больших компьютеров, включающее 18 моделей компьютеров, реализованных на основе архитектуры IBM 390.

В 1997 году IBM продолжила программу трансформации своих больших компьютеров на биполярных микросхемах в малогабаритные мэйнфреймы S/390, использующие КМОП-микросхемы. В 2005 году IBM представила мэйнфреймы System z9 (5-е поколение), поддерживающие эффективные технологии виртуализации и обеспечения безопасности. Эти технологии делают их одной из самых открытых, надежных и защищенных вычислительных систем. В 2011 году основной модельный ряд мэйнфреймов IBM представлен моделями System Z9 Bisiness Class (Z9 BS) и System Z9 Enterprise Class (Z9 EC). Эти мэйнфреймы стали первыми системами на базе специализированного процессора Z Integrated Information Processor – zПР.

Кроме zПР система может дополнительно использовать процессор z Application Assistant Processor (zAAP), а также встроенный процессор для ОС Linux - Integrated Facility for Linux (IFL). IBM System Z9 используют операционную систему z/OS V1R8 on System, а с процессором IFL и ОС Linux. Старшая модель System Z9 EC может включать до 54 х процессоров, максимальный объем оперативной памяти 512 Гбайт. System Z9 BC поддерживает до 7 процессоров и оперативную память до 64 Гбайт.

Мэйнфрейм IBM System Z9 является локальным высокопроизводительным компьютером, но может служить и специализированным высокопроизводительным сервером в корпоративных компьютерных сетях. Его можно использовать и как сервер баз данных, ибо он успешно работает с программой IBM DB2, лидирующей в секторе систем управления базами данных (СУБД), и как сервер приложений, поскольку обеспечивает эффективную работу практически всех пакетов корпоративных прикладных программ, включая самый популярный сейчас за рубежом пакет SAP/R3. Примечание. Корпорация IBM создала эффективные технологии взаимодействия СУБД DB2 и ОС z/OS, обеспечивающие полнофункциональную защиту данных, в том числе многоуровневую защиту доступа и централизованное управление ключами шифрования.

Специалисты считают, что один мэйнфрейм IBM System Z9 EC способен справиться с рабочей нагрузкой сотен серверов обычного класса.

Распространенными в мире являются и японские компьютеры М 1800 фирмы Fujitsu и Millennium фирмы Amdahl (теперь дочернего предприятия корпорации Fujitsu), а также мэйнфреймы 8/*, 9/*, M2000 и C2000 немецкой фирмы Comparex Information Systems. На российских предприятиях используется большое количество мэйнфреймов Comparex, в частности, в МПС РФ и в РАО Газпром.

Зарубежными фирмами рейтинг мэйнфреймов определяется по многим показателям, среди них надежность,производительность; емкость основной и внешней памяти; время обращения к основной памяти; время доступа и трансфер внешних запоминающих устройств; характеристики кэш-памяти; количество каналов и эффективность системы ввода-вывода; аппаратная и программная совместимость с другими компьютерами; поддержка сети и т. д. Внешний вид типичного мэйнфрейма показан на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Внешний вид большой ЭВМ

Серверы и рабочие станции

В компьютерных сетях могут использоваться как однопользовательские мини- и микрокомпьютеры (в том числе и персональные), оснащенные терминальными устройствами для связи с пользователем или выполняющие функции коммутации и маршрутизации сообщений, так и мощные многопользовательские компьютеры (мини-компьютеры, большие компьютеры). Последние выполняют эффективную обработку данных и дистанционно обеспечивают пользователей сети всевозможными информационно-вычислительными ресурсами. В локальных сетях эти функции реализуют серверы и рабочие станции.

Рабочие станции

Рабочая станция (workstation) — подключенный к сети компьютер, через который пользователь получает доступ к ее ресурсам. Часто рабочую станцию (равно как и пользователя сети, и даже прикладную задачу, выполняемую в сети) называют клиентом сети. В качестве рабочих станций могут выступать как обычные компьютеры, так и специализированные — «сетевые компьютеры» (NET PC — Network Computer). Рабочая станция сети на базе обычного компьютера функционирует как в сетевом, так и в локальном режимах. Она оснащена собственной операционной системой и обеспечивает пользователя всем необходимым для решения прикладных задач. Рабочие станции иногда специализируют для выполнения графических, инженерных, издательских и других работ. Рабочие станции на базе сетевых компьютеров могут функционировать, как правило, только в сетевом режиме при наличии в сети сервера приложений.. Отличие сетевого компьютера (Network Personal Computer — NET PC) от обычного в том, что он максимально упрощен: классический NET PC не содержит дисковой памяти (часто его называют бездисковым ПК). Он имеет упрощенную материнскую плату, основную память, а из внешних устройств присутствуют только дисплей, клавиатура, мышь и сетевая карта обязательно с чипом ПЗУ BootROM, обеспечивающим возможность удаленной загрузки операционной системы с сервера сети (это классический «тонкий клиент» сети). Для работы, например, в интранет-сети такой компьютер должен иметь столько вычислительных ресурсов, сколько требует веб-браузер.

Поскольку оставить клиента сети совсем без возможностей локального использования компьютера, например, для работы в текстовом или табличном процессоре со своим персональным «рабочим столом», не совсем гуманно, то иногда используются версии сетевого компьютера, имеющего небольшую дисковую память. Сменные дисководы и флэшдиски должны отсутствовать в целях обеспечения информационной безопасности: чтобы через них не занести в сеть (или вынести) нежелательную информацию — программы, данные, компьютерные вирусы. Конструктивно NET PC выполнены в виде компактного системного блока — подставки под монитор (Network Computer TC фирмы Boundless Technologies) или встроенной в монитор системной платы (NET PC Wintern фирмы Wyse Technology).

Серверы

Слово «сервер» (server) родственно слову «сервис». Действительно серверы, будь то программы-серверы (есть и такие) или компьютеры-серверы, обслуживают запросы, выдавая информацию определенного типа или выполняя иные обслуживающие функции. Сервер — это выделенный для обработки запросов от всех рабочих станций сети многопользовательский компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и т. д.) и распределяющий эти ресурсы. Сервер имеет свою сетевую операционную систему, под управлением которой и происходит совместная работа всех звеньев сети. Из наиболее важных требований, предъявляемых к серверу, следует выделить высокую производительность и надежность работы.

Сервер, кроме предоставления сетевых ресурсов рабочим станциям, может и сам выполнять содержательную обработку информации по запросам клиентов — такой сервер часто называютсервером приложений. Серверы в сети часто специализируются. Специализированные серверы используются для устранения наиболее «узких» мест в работе сети: это создание и управление базами данных и архивами данных, поддержка многоадресной факсимильной связи и электронной почты, управление многопользовательскими терминалами (принтеры, плоттеры) и т. д. Примеры специализированных серверов:

l Файловые серверы хранят в своей памяти различные данные и выдают по запросу необходимые файлы без какой либо их предварительной обработки.

l Серверы баз данных хранят в своей памяти различные данные, организованные в базы данных. У них имеется Система Управления Базой Данных (СУБД), поэтому они формируют нужную информацию в соответствии с запросом, и выдают необходимые данные.

Серверы семейств Primergy и Primequest полностью поддерживают СУБД Microsoft SQL Server. Это обстоятельство благодаря возможности создания зеркальных образов баз данных, реализованной в SQL Server, позволяет почти мгновенно восстановить нормальный режим работы после сбоя базы данных. Пользователь даже не заметит, что произошел сбой в работе СУБД.

l  Сервер резервного копирования (Storage Express System) применяется для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях, использует накопители на магнитной ленте (стримеры) со сменными картриджами емкостью до сотен Гбайт; обычно выполняет ежедневное автоматическое архивирование с сжатием информации от серверов и рабочих станций по сценарию, заданному администратором сети (естественно, с составлением каталога архива).

l Факс-сервер (Fax server) —для организации эффективной многоадресной факсимильной связи, с несколькими факс-модемными платами, со специальной защитой информации от несанкционированного доступа в процессе передачи, с системой хранения электронных факсов (один из вариантов — Net SatisFAXion Software в сочетании с факс-модемом SatisFAXion).

l Почтовый сервер – в системе пересылки электронной почты так обычно называют агента пересылки сообщений (mail transfer agent, MTA), то есть это компьютерная программа, которая передает сообщения от одного компьютера к другому. С другой стороны – сервер, обеспечивающий прием-передачу персональных писем пользователей, а также их маршрутизацию.

l Сервер печати (Print Server) предназначен для эффективного использования системных принтеров.

l Cерверы-шлюзы в Интернет выполняют роль маршрутизатора, почти всегда совмещенную с функциями почтового сервера и сетевого брандмауэра, обеспечивающего безопасность сети.

· Web-серверы организуются в сети Интернет с целью предоставления пользователям различной информации по протоколу http.

· Серверы удаленного доступа обеспечивают связь пользователей с сетью Интернет, корпоративной или иной сетью по телефонным каналам. Компьютеры, имеющие непосредственный доступ в сеть Интернет, часто называют хост-компьютерами.

· Блэйд–серверы. В последние годы во многих областях бизнеса и производства все шире применяются блейд-серверы - серверы, имеющие дополнительные сервисные функции. Такие серверы реализуют весьма популярные сейчас «облачные технологии» обработки данных. Основное преимущество блейд-серверов перед обычными серверами заключается в простоте организации крупного центра обработки данных, который помимо вычислительной мощности, нуждается в дополнительной инфрастуктуре хранения данных. Заказчик вместе с блейд-сервером получает на 70 – 80 % готовую инфраструктуру центра обработки данных.

l Серверы приложений выполняют по запросу пользователей обработку информации с помощью программ, имеющихся на сервере (пользователь — «тонкий клиент») или поступающих от самого пользователя (пользователь — «толстый клиент»).

Серверы приложений используют программные средства, которые являются как бы контейнером прикладных программ, используемых в корпоративных системах управления.

В функции ПО сервера приложений входит: решение корпоративных задач, управление оптимизацией системных ресурсов (память, интерфейсы и пр.), обеспечение связи приложений с внешними ресурсами (включая базы данных, сети и др.). Программное обеспечение отвечает также за качество поддержки сервисов (доступность, надежность, достоверность, безопасность, производительность, управляемость, масштабируемость). Программы серверов приложений могут развиваться в двух основных вариантах:

· программы выполнения новых приложений, которые не могут ждать;

·  корпоративные программы, рассчитанные на долгосрочное использование.

Имеются как специализированные программы, ориентированные на решение определенного класса задач (например, пакеты «1С Предприятие», SAP R/3), так и универсальные программы.

· Прокси-серверы являются удобным средством доступа корпоративных и других локальных сетей в Интернет, обеспечивая при этом быстрый повторный доступ к информации (информация хранится в памяти прокси-сервера некоторое время после обращения к ней) и защиту корпоративной сети от несанкционированного доступа (у них есть сетевые экраны — брандмауэры).