Сферы применения и методы использования вычислительных систем.

    Электронно-вычислительная машина (сокращённо ЭВМ) — комплекс технических, аппаратных и программных средств, предназначенных для автоматической обработки информации, вычислений, автоматического управления. При этом основные функциональные элементы (логические, запоминающие, индикационные и др.) выполнены на электронных элементах. Согласно Большому энциклопедическому словарю (2000) ЭВМ — то же, что компьютер.

    ЭВМ можно разделить на следующие группы, представленные на рис. 1.

 

 

Рис. 1. Классификация по сферам применения и методам использования.

 

    Суперкомпьютер (supercomputer) — предназначен для высокоскоростного выполнения прикладных процессов. В 1976 г. Корпорация Cray Research изготовила первый сверхбыстродействующий компьютер, образовав новый класс компьютеров. Первоначально Cray Research предполагала, что потребность в таких компьютерах будет небольшой, однако она увеличивается, и особенно в последниегоды. Кроме этого, производители суперкомпьютеров постоянно улучшали показатель стоимость/производительность. Появился и получил большую популярность новый класс — супермини-компьютеры. Это уменьшенные по габаритам и более экономичные варианты суперкомпьютеров, нередко настольного исполнения.

    Суперкомпьютер может иметь один процессор, и тогда в нем одна последовательность команд работает с одним потоком данных. Вместе с этим большие скорости обработки данных можно получить лишь в многопроцессорных системах. Поэтому во всех последующих архитектурах степень параллельной обработки возрастает. Растет соответственно и число входящих в суперкомпьютер процессоров В дополнение к обычным (скалярным) подключаются векторные процессоры. В первом случае обрабатываются скалярные величины, а во втором — векторные.

Внедрение суперкомпьютеров долго сдерживалось отсутствием развитого программного обеспечения. В настоящее время ситуация изменяется, появились языки, предназначенные для параллельной обработки, все больше предлагается эффективных операционных систем. Суперкомпьютеры выпускаются значительным числом фирм. Корпорация IBM создала суперкомпьютер в одном кристалле интегральной схемы (ИС).

    Базовый (большой) компьютер — mainframe — основной тип компьютера, используемый в больших информационных сетях, работает с большой скоростью и по производительности уступает суперкомпьютеру, но охватывает более широкий круг решаемых задач. С другой стороны, он превосходит мини-компьютер по скорости работы и сложности выполняемых прикладных процессов. Мэйнфрейм обладает относительно большой оперативной памятью и предоставляет свои ресурсы через коммуникационную сеть большому числу пользователей. Вследствие сказанного, базовые компьютеры принимают на себя основные потоки обработки данных. Нередко под базовым компьютером понимают лишь центральную часть крупного компьютера, включающую процессоры и оперативное запоминающее устройство.

    В связи с развитием архитектуры клиент—сервер базовые компьютеры стали нередко использоваться в качестве серверов. Интеграция средств распределенной обработки данных с большими базовыми компьютерами обеспечивает эффективную обработку данныхв корпоративных сетях. Базовые компьютеры не только функционируют как крупные серверы, но обеспечивают автоматизацию процессов, протекающих в сети.

    Мини-компьютер — minicomputer — компьютер с ограниченными возможностями обработки данных. По сравнению с базовым компьютером мини-компьютер работает со словами меньшей длины, имеет ограниченную оперативную память и относительно небольшое быстродействие. Поэтому мини-компьютер используется для решения более простых задач, чем базовый. Но по сравнению с последним мини-компьютер имеет небольшую стоимость, размеры и проще в эксплуатации. Термин "мини-компьютер" появился тогда, когда не было персональных компьютеров. Теперь же существуют такие персональные компьютеры, которые превосходят даже базовые компьютеры восьмидесятых годов. Поэтому рассматриваемый термин применяется все реже, уступая понятиям рабочая станция и персональный компьютер.

    Рабочая станция — workstation — абонентская система, специализированная на выполнение определенных задач пользователя.

Первая рабочая станция, названная Сетевым изделием Станфордского университета (SUN), была создана корпорацией SUN Microsystems, под девизом "сеть есть компьютер". Это связано с тем, что рабочая станция в своей основе предназначена для работы в информационной сети. Рабочая станция, нередко именуемая рабочим местом, создается на базе малого, но достаточно мощного настольного либо напольного компьютера. Для этого разрабатывается архитектура рабочей станции, подбираются необходимые устройства (процессоры, запоминающие устройства, графопостроители, принтеры и т. д.). Создается нужное программное обеспечение, станция включается в сеть. Она предназначается для любого специалиста (программиста, системотехника, менеджера, исследователя и др.). Рабочая станция занимает среднее место среди компьютеров и характеризуется многозадачностью — режимом, при котором пользователь может запускать несколько задач. Это позволяет выполнять группу прикладных процессов.

    Важное значение в архитектуре рабочей станции имеет визуализация информации. Она заключается в создании условий для формирования и обработки изображений. Это позволяет пользователям не только удобно отображать на экране физические объекты, но также строить модели, манипулировать ими и наблюдать ход экспериментов в реальном масштабе времени.

    Все большее распространение получают рабочие станции с комбинированным сервисом. Они имеют широкий набор устройств связи с внешней средой:

• измерительные приборы;

• устройства видеоввода и микрофоны;

• оптические диски;

• клавиатуры и сенсорные устройства.

    В рабочих станциях часто используются графические акселераторы (платы, содержащие процессоры, специализирующиеся по обработке изображений). Акселераторы выполняют геометрические преобразования двухмерных изображений в трехмерные изображения, учитывая ряд сложных требований, таких, например, как движущиеся источники света на экранах, отображение особенностей структуры поверхностей объектов. Акселераторы повышают стоимость станций, но резко увеличивают скорость выполнения ими сложных прикладных процессов. Широкую известность получили рабочие станции корпораций SUN Microsystems и Silicon Graphics.

    Микрокомпьютер (microcomputer) — устройство, созданное на основе одного либо нескольких микропроцессоров. Существует два подхода к определению микрокомпьютера. Первый из них заключается в том, что под микрокомпьютером понимается одна либо несколько сверхбольших интегральных схем. Для этого схемы должны содержать все логические элементы, необходимые для получения полноценного компьютера небольшой производительности. Во втором подходе микрокомпьютером называется любой компьютер, в котором основными компонентами являются микропроцессоры.

    В дальнейшем эти ЭВМ стали именовать персональными компьютерами (ПК). В этой связи под микрокомпьютером чаще всего понимают устройство, созданное на одной либо группе интегральных схем. Для этой цели нередко бескорпусные интегральные схемы группируются в одном корпусе. Что же касается высокопроизводительного персонального компьютера, то в нем может использоваться группа микрокомпьютеров. Микрокомпьютеры также широко используются в технологии производства и в разнообразной аппаратуре автоматического управления.

    Персональный компьютер (ПК) — personal computer (PC) — недорогой компьютер, созданный на базе универсального микропроцессора. ПК или персональные электронные вычислительные машины (ПЭВМ) в ряду компьютеров характеризуются небольшими размерами и массовым производством. Это позволяет делать их широкодоступным товаром, обеспечивающим обработку различной информации. ПК предназначены для обработки текстов, звука и изображений.

    Персональный компьютер для удовлетворения требований общедоступности и универсальности применения должен обладать такими качествами, как:

• малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

• автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

• гибкость архитектуры, обеспечивающая адаптируемость к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования и в быту;

• дружественность операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы пользователя без специальной профессиональной подготовки;

• высокая надежность работы (более 5000 ч на отказ).

    ПК делятся на несколько классов. Если за признак классификации взять «тип решаемых на ПК задач», то IBM-совместимые ПК могут быть разделены на: серверы; графические станции; портативные; ПК для корпоративных пользователей; ПК для дома и малого офиса (SOHO — Small Office, Home Office). По определенным характеристикам самих ПК, например, IBM-совместимые компьютеры можно поделить на классы: PC XT — extended Technology (8-разрядный ПК, у которого предусмотрен жесткий диск, шина ESA и т. д.); AT — Advanced Technology (16-, 32-, 64-разрядные ПК с шинами ISA (16), EISA (16/32), MCA (16/32), PCMCIA, VL-bus (16/32/64), PCI (32/64)), PCI Express (64-512), ATA, SATA. 

    Пожалуй, наиболее важной из шин, от которой больше всего зависит производительность компьютера, является шина FSB. Аббревиатура FSB расшифровывается как Front Side Bus, что можно перевести как «передняя» шина. В основные функции шины входит передача данных между процессором и чипсетом. Точнее говоря, FSB располагается между процессором и микросхемой «северного моста» материнской платы, где находится контроллер оперативной памяти. 

    Пару слов стоит сказать и о такой разновидности системной шины, как Direct Media Interface (DMI). DMI предназначена для соединения между двумя основными микросхемами чипсета – северным и южным мостами. Впервые шина типа DMI была использована в чипсетах Intel в 2004 г. Шина DMI имеет свойства архитектуры, объединяющие ее с такой шиной для подключения периферийных устройств, как PCI Express. В частности, DMI использует линии с последовательной  передачей данных, а также имеет отдельные проводники для передачи и приема данных. Оригинальная реализация DMI обеспечивала передачу данных до 10 ГБит/c в каждом направлении. Современная же версия шины, DMI 2.0, может поддерживать скорость в 20 ГБ/c в обоих направлениях. 

    Настольные персональные компьютеры являются стационарными и предоставляют наибольшие возможности их пользователям. 

    Портативные персональные компьютеры имеют небольшие размеры. Особенно важно, что они транспортабельны, и с таким компьютером можно работать, находясь в самолете, поезде либо автомобиле. Управление ПК осуществляется с помощью клавиатуры, мыши или сенсорного экрана. Информация вводится с клавиатуры, сканера, микрофона или камеры. Вывод информации осуществляется на экран, динамик или принтер и др. внешние устройства.

    В последние годы использование высокоскоростных 32- и 64-разрядных микропроцессоров и версий операционной системы UNIX (на базе ядра Linux) привело к слиянию ПК с рабочими станциями. 

    С другой стороны, создаются устройства, в которых объединяются функции персонального компьютера с телевизором и телефонным аппаратом и т.д.. Таким устройством, например, является смартфон. Это простой интерактивный персональный компьютер (Simple Interactive Personal Computer — SIPC) с сенсорным управлением. Он несложен в эксплуатации, легко соединяется с телефонной сетью и сетью передачи данных.

    Теоретической основой организации и функционирования вычислительных машин и систем являются следующие дисциплины:

• элементы теории чисел и вычислительной математики — системы счисления, представление чисел в различных системах, операции над числами, точность представлений и результатов операций;

• элементы математической логики — логические выражения и переменные, операции над ними, эквивалентные преобразования выражений, схемные элементы, узлы и переключательные схемы ЭВМ, базирующиеся на подобных преобразованиях;

• элементы теории алгоритмов (алгорифмов "по-научному") — циклические, ветвящиеся, итерационные процессы, их свойства (эффективная вычислимость), зависимость точности вычислений от их длительности и пр.;

• элементы теории информации — измерение количества информации, пропускная способность каналов, «сигнал—шум», децибеллы, кодирование и сжатие-восстановление информации;

• другие разделы прикладной математики, в частности — теория графов, топологические преобразования конфигураций сетей и пр.