Основные характеристики и особенности ЭВМ различных поколений
Возможности и сфера применения ЭВМ в значительной степени определяются ее техническими и эксплуатационными характеристиками. В их числе следует назвать производительность ЭВМ, емкость запоминающих устройств, точность и достоверность вычислений, скорость передачи данных между центральной частью и периферийными устройствами, эксплуатационную надежность, стоимость, потребляемую мощность, габаритные размеры и некоторые другие.
155
Рассмотрим кратко основные характеристики.
Производительность, или быстродействие, ЭВМ в широком понимании определяется объемом работ, выполняемых ЭВМ в единицу времени. Однако это определение производительности достаточно условно, так как зависит от типа решаемых задач и, следовательно, от количества и разнообразия выполняемых операций, от особенностей средств программного обеспечения, логической структуры ЭВМ в целом, характеристик ее отдельных устройств и т.д.
В этих условиях производительность ЭВМ можно оценивать скоростью выполнения отдельных операций. Однако любая ЭВМ имеет достаточно обширный выбор различных команд и соответствующих машинных операций, время выполнения которых может существенно отличаться друг от друга. В связи с этим производительность ЭВМ часто оценивается по скорости выполнения некоторого набора или "смеси команд", в которой учитывается среднестатистическая частота повторения различных команд при решении достаточно широкого класса задач. Так, например, фирма Intel для оценки быстродействия процессоров предложила тест, получивший название индекс iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). При его определении учитываются четыре главных аспекта производительности: работа с целыми числами, вещественными числами, графикой и видео. При этом данные могут иметь 16 - или 32 - разрядное представление. В результате получается восемь параметров, причем каждый из них участвует в вычислении индекса со своим весовым коэффициентом, зависящим от частоты указанных операций в реальных задачах.
По индексу iCOMP микропроцессор Pentium 100 имеет значение 810, a Pentium 133 - 1000.
Косвенной оценкой быстродействия ЭВМ может также служить тактовая частота процессора (микропроцессора). Поскольку каждая машинная операция требует для своего выполнения определенного количества тактов, то, зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции. Так. например, тактовый генератор с частотой 100 МГц обеспечивает выполнение 20 млн. коротких машинных операций (типа сложение - вычитание целых чисел) в секунду.
Емкость запоминающих устройств оценивается количеством структурных единиц данных, которые могут одновременно находиться в памяти. В первых ЭВМ емкость характеризовалась количеством многоразрядных машинных слов, хранящихся в памяти. Так как в современных ЭВМ независимой единицей адресации памяти является 8 - разрядный байт, то емкость памяти стала выражаться в байтах или в более крупных единицах, таких, как Кбайт = 210 байт, Мбайт = 210 Кбайт, Гбайт = 210 Мбайт и т.д. Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти.
Современные персональные ЭВМ могут иметь емкость ОП до 128 Мбайт и даже больше. Этот показатель определяет, какие программные
156
продукты могут одновременно обрабатываться в ЭВМ. Следует иметь в виду, что увеличение емкости ОП в 2 раза, помимо всего прочего, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.
Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискеты составляет 0,3 - 3 Мбайта в зависимости от типа дисковода и характеристик дискет. Емкость жестких магнитных дисков и оптических компакт - дисков может достигать нескольких Гбайт. Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения, которое может устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки Windows 95 требуется объем памяти жесткого диска более 100 Мбайт и не менее 8 - 16 Мбайт оперативной памяти ЭВМ.
Точность вычислений определяется в ЭВМ количеством двоичных разрядов, используемых для представления данных. Очевидно, что для ЭВМ не существует принципиальных ограничений по точности вычислений.
Для ее повышения достаточно увеличить разрядность машинного слова или, как говорят, длину разрядной сетки. Различные модели ЭВМ оперируют данными, представленными 16 - 128 двоичными разрядами, что достаточно для решения большинства задач. Кроме того, для многих ЭВМ предусмотрена возможность работы с машинными словами различной разрядности. Например, если номинальная разрядность машинного слова составляет 32 двоичных разряда, то в зависимости от необходимой точности вычислений можно оперировать машинными словами как удвоенной или учетверенной длины (т.е. 64 или 128 разрядов), так и половинной длины (т.е. 16 разрядов).
Достоверность и надежность характеризуются вероятностью получения безошибочных результатов. Необходимый уровень достоверности и надежности обеспечивается программно - аппаратурными средствами контроля самой ЭВМ. Для оценки надежности ЭВМ используются различные показатели, например PЭBM(t) - вероятность безотказной работы ЭВМ за время t при заданных условиях эксплуатации; ТЭВМ - наработка на отказ и др.
Скорость передачи данных между центральной частью ЭВМ и периферийными устройствами определяется характеристиками интерфейса ввода - вывода, а следовательно, существенно зависит от характеристик и особенностей самих периферийных устройств. В современных ЭВМ эта скорость находится в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч Кбайт/с.
С развитием и совершенствованием ЭВМ постоянно улучшаются их технико - эксплуатационные характеристики. Однако часто такое улучшение связано с дополнительными затратами на использование новых технических и программных средств, на разработку и освоение прогрессивных технологий. В конечном счете, это отражается на стоимости ЭВМ, которая для потребителей вычислительной техники имеет также немаловажное
157
значение. Поэтому при создании новых ЭВМ следует соразмерять достигнутое улучшение характеристик с увеличением стоимости. Иными словами, нужно стремиться к неуклонному росту отношений производительность/стоимость, надежность/стоимость и др.
За относительно небольшой период своего развития (начиная с середины 40 - х г.г. прошедшего столетия) ЭВМ прошли путь нескольких поколений, отличающихся элементной базой, функционально - структурной организацией, конструктивно - технологическим исполнением, программным обеспечением, формами обслуживания пользователей и др. Возможности улучшения основных характеристик ЭВМ существенно зависят от элементов, используемых для построения электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение обычно характеризуется своей элементной базой.
Основным активным элементом ЭВМ первого поколения была электронная лампа. Промышленный выпуск и эксплуатация таких ЭВМ начались в конце 40 - х - начале 50 - х г.г. Машины первого поколения были весьма громоздки, потребляли большое количество электроэнергии и имели невысокую надежность. Их производительность не превышала 10 - 20 тысяч оп/с, а емкость основной памяти - 4 К машинных слов, где К = 210 = 1024. В ЭВМ 1 - го поколения, по существу, не было системы программного обеспечения. Программирование было детализировано до уровня машинных команд и выполнялось на машинном языке данной ЭВМ. Пользователь - программист также осуществлял ввод и отладку программ, обеспечивая управление вычислительным процессом при возникновении непредвиденных или недопустимых ситуаций.
Несмотря на указанные недостатки, ЭВМ первого поколения продемонстрировали определенные возможности для автоматизации вычислительных работ, в частности, в области ядерной физики, космических исследований и др., способствовали накоплению опыта по применению ЭВМ в других областях.
В конце 50 - х г.г. появились ЭВМ второго поколения, Их элементной базой стали полупроводниковые транзисторы, что позволило существенно повысить производительность и надежность ЭВМ при одновременном уменьшении габаритных размеров, массы и потребляемой мощности. В ЭВМ 2 - го поколения широко использовался печатный монтаж, при котором необходимые электрические соединения создавались вытравливанием металлической фольги, нанесенной на изоляционный материал.
Производительность этих ЭВМ достигла 50 - 100 тыс. оп/с, а емкость оперативной памяти - 32 К машинных слов.
В машинах второго поколения получило развитие программное обеспечение, в частности, зародилось так называемое системное программирование, позволившее установить определенное взаимодействие между разрозненными наборами различных программ в процессе их выполнения. Комплексы таких системных программ были первоначально названы операционными
158
системами. Для повышения производительности труда программиста стали применяться различные алгоритмические языки (Алгол, Фортран и др.). а также библиотечные наборы стандартных подпрограмм. В результате развития средств программного обеспечения значительно расширилась сфера применения вычислительной техники, появились ЭВМ не только для научно - технических расчетов, но и для решения планово - экономических задач, для управления различными производственно - технологическими процессами и др.
Последующее интенсивное развитие радиоэлектроники привело в 60 - х г.г. к созданию интегральных схем (ИС), а на их основе - разработке ЭВМ третьего поколения. Интегральная схема является функционально законченным блоком, эквивалентным по своим логическим возможностям достаточно сложной транзисторной схеме. Она представляет собой пластину полупроводникового материала, в поверхностном слое которого методами микроэлектронной технологии формируются области, выполняющие функции транзисторов, диодов, резисторов и других компонентов схемы.
ЭВМ третьего поколения характеризуются значительным увеличением производительности и емкости памяти, существенным повышением надежности и, вместе с тем, уменьшением потребляемой мощности, массы и занимаемой площади. Конструктивно машины третьего поколения состоят из типовых элементов и узлов, обеспечивающих высокую плотность компоновки, необходимую помехозащищенность, а также устойчивость к механическим и климатическим воздействиям.
Значительное внимание в машинах третьего поколения было уделено совершенствованию средств программного обеспечения с точки зрения наиболее эффективного использования технических возможностей ЭВМ, максимальной автоматизации вычислительного процесса, уменьшения трудоемкости разработки и отладки программ пользователей.
В результате этого, начиная с ЭВМ третьего поколения, разрозненные средства программного обеспечения превратились в целостную систему.
Отличительной особенностью ЭВМ третьего и последующих поколений стала возможность их работы в мультипрограммном режиме, при котором за счет организации параллельной работы основных устройств ЭВМ обеспечивается одновременное выполнение программ различных пользователей, повышается эффективность использования ЭВМ и уменьшаются возможные простои ее дорогостоящего оборудования. С применением мультипрограммного режима ЭВМ превратилась в вычислительный инструмент нового качества. Теперь на базе ЭВМ стало возможным создание вычислительных систем, одновременно обрабатывающих программы многочисленных пользователей, которые могут находиться от ЭВМ на значительном расстоянии и непосредственно общаться с ней независимо друг от друга.
159
В ЭВМ третьего поколения была достигнута производительность в несколько миллионов операций в секунду, а емкость оперативной памяти. - в несколько сотен Кбайт.
ЭВМ четвертого поколения стали развиваться в 70 - е годы. Конструктивно - технологической основой таких ЭВМ стали большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС). Степень их интеграции обычно оценивается величиной K = log10N, где N - общее количество компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), расположенных на полупроводниковом кристалле и неразборно соединенных между собой. Если для обычных ИС величина К < 2, то для БИС 2 < К < 3, а для СБИС К > 3.
Высокая степень интеграции способствовала дальнейшему увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, увеличению быстродействия и снижению стоимости. Производительность ЭВМ четвертого поколения достигла десятков и сотен миллионов операций в секунду, а объем основной памяти - десятков и сотен Мбайт.
В начале 80 - х г.г. были созданы принципиально новые средства обработки информации - микропроцессоры (МП). По своим логическим возможностям и структуре они напоминают упрощенный вариант процессора обычной ЭВМ, однако конструктивно реализуются всего на одной или нескольких микросхемах с высокой степенью интеграции.
На базе микропроцессоров, дополненных оперативной и постоянной памятью, а также необходимыми периферийными устройствами, стати создаваться микро - и персональные ЭВМ.
В ЭВМ четвертого поколения получил развитие начавшийся еще в третьем поколении процесс создания вычислительных систем и сетей ЭЕ5М, многомашинных и многопроцессорных вычислительных комплексов.
В последние годы определяются контуры ЭВМ пятого поколения, которые, помимо более высокой производительности и надежности, будут обладать возможностью общения с человеком на его естественном языке, способностью производить логические выводы, обучаться, формировать в своей памяти базу знаний и т.д. Наряду с дальнейшим повышением степени интеграции микросхем в ЭВМ пятого поколения найдут применение оптические и оптико - электронные средства хранения, обработки и передачи данных. Предполагается, что в ЭВМ пятого поколения будет достигнута производительность 100 млрд. оп/с, а емкость основной памяти превысит 1 Гбайт.
160
155 :: 156 :: 157 :: 158 :: 159 :: 160 :: Содержание
