Архітектура ЕОМ
З середини 60-х років дуже сильно змінився підхід до створення обчислювальних машин. Замість розробки апаратури і засобів математичного забезпечення стала проектуватися система, що складається з синтезу апаратних (hardware) і програмних (software) коштів. При цьому на перший план висунулася концепція взаємодії. Так виникло нове поняття - архітектура ЕОМ.
Під архітектурою ЕОМ прийнято розуміти сукупність загальних принципів організації апаратно-програмних засобів та їх основних характеристик, що визначає функціональні можливості обчислювальної машини при вирішенні відповідних типів завдань.
Архітектура ЕОМ охоплює значне коло проблем, пов'язаних зі створенням комплексу апаратних і програмних засобів і враховують велику кількість визначальних чинників. Серед цих факторів основними є: вартість, сфера застосування, функціональні можливості, зручність в експлуатації, а одним з основних компонентів архітектури вважаються апаратні засоби.
Архітектуру обчислювального кошти необхідно відрізняти від структури НД Структура обчислювального засобу визначає його поточний склад на певному рівні деталізації і описує зв'язки всередині кошти. Архітектура ж визначає основні правила взаємодії складових елементів обчислювального кошти, опис яких виконується в тій мірі, в якій необхідно для формування правил взаємодії. Вона встановлює не всі зв'язки, а тільки найбільш необхідні, які повинні бути відомі для більш грамотного використання застосовуваного засоби.
Так, користувачеві ЕОМ не важливо, на яких елементах виконані електронні схеми, схемно або програмно виконуються команди тощо. Архітектура ЕОМ дійсно відображає коло проблем, які відносяться до загального проектування і побудови обчислювальних машин та їх ПЗ.
Архітектура ЕОМ включає в себе як структуру, що відображає склад ПК, так і програмно - математичне забезпечення. Структура ЕОМ - сукупність елементів і зв'язків між ними. Основним принципом побудови всіх сучасних ЕОМ є програмне керування.
Основи вчення про архітектуру обчислювальних машин були закладені Джон фон Нейманом. Сукупність цих принципів породила класичну (фон-неймановскую) архітектуру ЕОМ.
Фон Нейман не тільки висунув основоположні принципи логічного пристрою ЕОМ, але й запропонував її структуру, представлену на малюнку.
Положення фон Неймана:
ü Комп'ютер складається з декількох основних пристроїв (арифметико-логічний пристрій, керуючий пристрій, пам'ять, зовнішня пам'ять, пристрої введення і виведення)
ü Арифметико-логічний пристрій - виконує логічні і арифметичні дії, необхідні для переробки інформації, що зберігається в пам'яті
ü Керуючий пристрій - забезпечує управління і контроль всіх пристроїв комп'ютера (сигнали, вказані пунктирними стрілками)
ü Дані, які зберігаються в пристрої, представлені в двійковій формі
ü Програма, яка задає роботу комп'ютера, і дані зберігаються в одному і тому ж пристрої
ü Для введення і виведення інформації використовуються пристрої введення і виведення
Сучасну архітектуру комп'ютера визначають наступні принципи:
Принцип програмного керування. Забезпечує автоматизацію процесу обчислень на ЕОМ. Згідно з цим принципом, для вирішення кожного завдання складається програма, яка визначає послідовність дій комп'ютера. Ефективність програмного керування буде вище при вирішенні завдань цієї ж програмою багато разів (хоч і з різними початковими даними).
Принцип програми, що зберігається в пам'яті. Згідно з цим принципом, команди програми подаються, як і дані, у вигляді чисел й обробляються так само, як і числа, а сама програма перед виконанням завантажується в оперативну пам'ять, що прискорює процес її виконання.
Принцип довільного доступу до пам'яті. Відповідно до цього принципу, елементи програм та даних можуть записуватися у довільне місце оперативної пам'яті, що дозволяє звернутися по будь-якому заданому адресою (до конкретної ділянки пам'яті) без перегляду попередніх.
На підставі цих принципів можна стверджувати, що сучасний комп'ютер - технічний пристрій, який після введення в пам'ять початкових даних у вигляді цифрових кодів і програми їх обробки, вираженої теж цифровими кодами, здатний автоматично здійснити обчислювальний процес, заданий програмою, і видати готові результати розв'язання задачі у формі, придатній для сприйняття людиною.
Реальна структура комп'ютера значно складніше, ніж розглянута вище (її можна назвати логічної структурою). У сучасних комп'ютерах, зокрема персональних, все частіше відбувається відхід від традиційної архітектури фон Неймана, зумовлений прагненням розробників та користувачів до підвищення якості та продуктивності комп'ютерів. Якість ЕОМ характеризується багатьма показниками. Це і набір команд, які комп'ютер здатний розуміти, і швидкість роботи (швидкодія) центрального процесора, кількість периферійних пристроїв введення-виведення, що приєднуються до комп'ютера одночасно і т.д. Головним показником є швидкодія - кількість операцій, яку процесор здатний виконати за одиницю часу. На практиці користувача більше цікавить продуктивність комп'ютера - показник його ефективного швидкодії, тобто здатності не просто швидко функціонувати, а швидко вирішувати конкретні поставлені задачі.
Як результат, всі ці та інші чинники сприяють принципового й конструктивного вдосконалення елементної бази комп'ютерів, тобто створення нових, більш швидких, надійних і зручних у роботі процесорів, запам'ятовуючих пристроїв, пристроїв введення-виведення і т.д. Тим не менш, слід враховувати, що швидкість роботи елементів неможливо збільшувати безмежно (існують сучасні технологічні обмеження та обмеження, зумовлені фізичними законами). Тому розробники комп'ютерної техніки шукають вирішення цієї проблеми удосконаленням архітектури ЕОМ.
Так, з'явилися комп'ютери з багатопроцесорної архітектурою, в якій кілька процесорів працюють одночасно, а це означає, що продуктивність такого комп'ютера дорівнює сумі продуктивностей процесорів. У потужних комп'ютерах, призначених для складних інженерних розрахунків і систем автоматизованого проектування (САПР), часто встановлюють два або чотири процесори. У надпотужних ЕОМ (такі машини можуть, наприклад, моделювати ядерні реакції в режимі реального часу, прогнозувати погоду в глобальному масштабі) кількість процесорів досягає кількох десятків.
Швидкість роботи комп'ютера істотно залежить від швидкодії оперативної пам'яті. Тому, постійно ведуться пошуки елементів для оперативної пам'яті, які витрачають менше часу на операції читання-запису. Але разом із швидкодією зростає вартість елементів пам'яті, тому нарощування швидкодіючої оперативної пам'яті потрібної ємності не завжди прийнятно економічно.
Проблема вирішується побудовою багаторівневої пам'яті. Оперативна пам'ять складається з двох-трьох частин: основна частина більшої ємності будується на відносно повільних (більш дешевих) елементах, а додаткова (так звана кеш-пам'ять) складається з швидкодіючих елементів. Дані, до яких найчастіше звертається процесор знаходяться в кеш-пам'яті, а більший обсяг оперативної інформації зберігається в основній пам'яті.
Раніше роботою пристроїв введення-виведення керував центральний процесор, що займало чимало часу. Архітектура сучасних комп'ютерів передбачає наявність каналів прямого доступу до оперативної пам'яті для обміну даними з пристроями введення-виведення без участі центрального процесора, а також передачу більшості функцій управління периферійними пристроями спеціалізованим процесорам, що розвантажує центральний процесор і підвищує його продуктивність.
Методи класифікації комп'ютерів
Номенклатура видів комп'ютерів сьогодні величезна: машини розрізняються за призначенням, потужності, розмірами, елементною базі і т.д. Тому класифікують ЕОМ за різними ознаками. Слід зауважити, що будь-яка класифікація є певною мірою умовною, оскільки розвиток комп'ютерної науки і техніки настільки бурхливе, що, наприклад, сьогоднішня мікроЕОМ не поступається за потужністю мініЕВМ п'ятирічної давності і навіть суперкомп'ютерів недавнього минулого. Крім того, зарахування комп'ютерів до певного класу досить умовно через нечіткість поділу груп, так і внаслідок впровадження в практику замовний складання комп'ютерів, де номенклатуру вузлів і конкретні моделі адаптують до вимог замовника. Розглянемо поширені критерії класифікації комп'ютерів.
Класифікація за призначенням
великі електронно-обчислювальні машини (ЕОМ);
мініЕВМ;
мікроЕОМ;
персональні комп'ютери.
Великі ЕОМ (Main Frame)
Застосовують для обслуговування великих галузей народного господарства. Вони характеризуються 64-розрядними паралельно працюючими процесорами (кількість яких досягає до 100), інтегральним швидкодією до десятків мільярдів операцій в секунду, багатокористувацьким режимом роботи. Домінуюче положення у випуску комп'ютерів такого класу займає фірма IBM (США). Найбільш відомими моделями суперЕОМ є: IBM 360, IBM 370, IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000.
На базі великих ЕОМ створюють обчислювальний центр, який містить декілька відділів або груп (структура якого зображена на рис. 2). Штат обслуговування - десятки людей.
Рис.2. Структура обчислювального центру на базі великої ЕОМ
Центральний процесор - основний блок ЕОМ, в якому відбувається обробка даних і обчислення результатів. Являє собою декілька системних блоків в окремій кімнаті, де підтримується постійна температура і вологість повітря.
Група системного програмування - займається розробкою, налагодженням та впровадженням програмного забезпечення, необхідного для функціонування обчислювальної системи. Системні програми забезпечують взаємодію програм з обладнанням, тобто програмно-апаратний інтерфейс обчислювальної системи.
Група прикладного програмування - займається створенням програм для виконання конкретних дій з даними, тобто забезпечення користувацького інтерфейсу обчислювальної системи.
Група підготовки даних - займається підготовкою даних, які будуть опрацьовані на прикладних програмах, створених прикладними програмістами. Зокрема, це набір тексту, сканування зображень, заповнення баз даних.
Група технічного забезпечення - займається технічним обслуговуванням всієї обчислювальної системи, ремонтом і налагодженням апаратури, підключенням нових пристроїв.
Група інформаційного забезпечення - забезпечує технічною інформацією всі підрозділи обчислювального центру, створює і зберігає архіви розроблених програм (бібліотеки програм) та накопичених даних (банки даних).
Відділ видачі даних - отримує дані від центрального процесора і перетворює їх у форму, зручну для замовника (роздрук).
Великим ЕОМ притаманна висока вартість обладнання та обслуговування, тому робота організована безперервним циклом.
МініЕВМ
Схожа на великі ЕОМ, але менших розмірів. Використовують на великих підприємствах, наукових установах та організаціях. Часто використовують для управління виробничими процесами. Характеризуються мультипроцессорной архітектурою, підключенням до 200 терміналів, дисковими запам'ятовуючими пристроями, які нарощуються до сотень гігабайт, розгалуженою периферією. Для організації роботи з мініЕВМ, потрібен обчислювальний центр, але менший ніж для великих ЕОМ.
МікроЕОМ
Доступні багатьом установам. Для обслуговування достатньо обчислювальної лабораторії у складі декількох чоловік, з наявністю прикладних програмістів. Необхідні системні програми купуються разом з мікроЕОМ, розробку прикладних програм замовляють у великих обчислювальних центрах або спеціалізованих організаціях.
Програмісти обчислювальної лабораторії займаються впровадженням придбаного або замовленого програмного забезпечення, виконують його налаштування і узгоджують його роботу з іншими програмами та пристроями комп'ютера. Можуть вносити зміни в окремі фрагменти програмного та системного забезпечення.
Персональні комп'ютери
Бурхливий розвиток набули в останні 20 років. Персональний комп'ютер (ПК) призначений для обслуговування одного робочого місця і спроможний задовольнити потреби малих підприємств та окремих осіб. З появою Інтернету популярність ПК значно зросла, оскільки за допомогою персонального комп'ютера можна користуватися науковою, довідковою, учбовою та розважальною інформацією.
Персональні комп'ютери умовно можна поділити на професійні та побутові, але в зв'язку з здешевленням апаратного забезпечення, грань між ними розмивається. З 1999 року введено міжнародний сертифікаційний стандарт - специфікація РС99:
масовий персональний комп'ютер (Consumer PC)
ділової персональний комп'ютер (Office PC)
портативний персональний комп'ютер (Mobile PC)
робоча станція (WorkStation)
розважальний персональний комп'ютер (Entertaiment PC)
Більшість персональних комп'ютерів на ринку підпадають до категорії масових ПК. Ділові ПК - мають мінімум засобів відтворення графіки та звуку. Портативні ПК відрізняються наявністю засобів комунікації віддаленого доступу (комп'ютерний зв'язок). Робочі станції - збільшені вимоги до пристроїв збереження даних. Розважальні ПК - основний акцент на засобах відтворення графіки та звуку.
Класифікація за рівнем спеціалізації
універсальні;
спеціалізовані.
На базі універсальних ПК можна створити будь-яку конфігурацію для роботи з графікою, текстом, музикою, відео тощо. Спеціалізовані ПК створені для рішення конкретних завдань, зокрема, бортові комп'ютери у літаках та автомобілях. Спеціалізовані мініЕВМ для роботи з графікою (кіно-відеофільми, реклама) називаються графічними станціями. Спеціалізовані комп'ютери, що об'єднують комп'ютери у єдину мережу, називаються файловими серверами. Комп'ютери, що забезпечують передачу інформації через Інтернет, називаються мережними серверами.
Класифікація за розміром
настільні (desktop);
портативні (notebook);
кишенькові (palmtop).
Найбільш поширеними є настільні ПК, які дозволяють легко змінювати конфігурацію. Портативні зручні для користування, мають засоби комп'ютерного зв'язку. Кишенькові моделі можна назвати "інтелектуальними" записниками, дозволяють зберігати оперативні дані і отримувати до них швидкий доступ.
Класифікація за сумісністю
Існує безліч типів комп'ютерів, які збираються з деталей, виготовлених різними виробниками. Важливим є сумісність забезпечення комп'ютера:
апаратна сумісність (платформа IBM PC та Apple Macintosh)
сумісність на рівні операційної системи;
програмна сумісність;
сумісність на рівні даних.
Архітектура сучасних суперЕОМ
У цьому огляді не має сенсу зупинятися на деталях класифікації архітектури суперкомп'ютерів [3,4], обмежимося тільки розглядом типових архітектур суперЕОМ, широко поширених сьогодні, і наведемо класичну систематику Флінна [5].
Відповідно до неї, всі комп'ютери діляться на чотири класи в залежності від числа потоків команд і даних. До першого класу (послідовні комп'ютери фон Неймана) належать звичайні скалярні однопроцесорні системи: одиночний потік команд - одиночний потік даних (SISD). Персональний комп'ютер має архітектуру SISD, причому не важливо, чи використовуються в ПК конвеєри для прискорення виконання операцій.
Другий клас характеризується наявністю одиночного потоку команд, але множинного nomoka даних (SIMD). До цього архітектурному класу належать однопроцесорні векторні чи, точніше кажучи, векторно-конвейєрні суперкомп'ютери, наприклад, Cray-1 [6]. У цьому випадку ми маємо справу з одним потоком (векторних) команд, а потоків даних - багато: кожен елемент вектора входить в окремий потік даних. До цього ж класу обчислювальних систем відносяться матричні процесори, наприклад, знаменитий свого часу ILLIAC-IV. Вони також мають векторні команди і реалізують векторну обробку, але не за допомогою конвеєрів, як у векторних суперкомп'ютерах, а за допомогою матриць процесорів.
До третього класу - MIMD - відносяться системи, мають множинний потік команд і множинний потік даних. До нього належать не тільки багатопроцесорні векторні суперЕОМ, але і взагалі все багатопроцесорні комп'ютери. Переважна більшість сучасних суперЕОМ мають архітектуру MIMD.
Четвертий клас в систематиці Флінна, MISD, не представляє практичного інтересу, принаймні для аналізованих нами комп'ютерів. Останнім часом у літературі часто використовується також термін SPMD (одна програма - множинні дані). Він відноситься не до архітектури комп'ютерів, а до моделі розпаралелювання програм і не є розширенням систематики Флінна. SPMD звичайно відноситься до MPP (тобто MIMD) - системам і означає, що кілька копій однієї програми паралельно виконуються у різних процесорних вузлах з різними даними.
Цікаво також згадати про принципово іншому напрямку в розвитку комп'ютерних архітектур - машинах потоків даних [7]. У середині 80-х років багато дослідників вважали, що майбутнє високопродуктивних ЕОМ пов'язано саме з комп'ютерами, керованими потоками даних, на відміну від всіх розглянутих нами класів обчислювальних систем, керованих потоками команд. У машинах потоків даних можуть одночасно виконуватися відразу багато команд, для яких готові операнди. Хоча ЕОМ з такою архітектурою сьогодні промислово не випускаються, деякі елементи цього підходу знайшли своє відображення в сучасних суперскалярні мікропроцесорах, що мають багато паралельно працюючих функціональних пристроїв і буфер команд, які очікують готовності операндів. В якості прикладів таких мікропроцесорів можна навести HP РА-8000 [8] і Intel Pentium Pro [9].
Відповідно до класифікації Флінна, розгляд архітектури суперЕОМ слід було б почати з класу SISD. Однак все векторно-конвейєрні (надалі - просто векторні) суперЕОМ мають архітектуру "не менше" SIMD. Що стосується суперкомп'ютерних серверів, що використовують сучасні високопродуктивні мікропроцесори, таких як SGI POWER CHALLENGE на базі R8000 або DEC AlphaServer 8200/8400 на базі Alpha 21164, то їх мінімальні конфігурації бувають однопроцесорними. Однак, якщо не розглядати власне архітектуру цих мікропроцесорів, то всі особливості архітектури власне серверів слід аналізувати в "природною" мультипроцессорной конфігурації. Тому почнемо аналіз суперкомп'ютерних архітектур відразу з класу SIMD.
З середини 60-х років дуже сильно змінився підхід до створення обчислювальних машин. Замість розробки апаратури і засобів математичного забезпечення стала проектуватися система, що складається з синтезу апаратних (hardware) і програмних (software) коштів. При цьому на перший план висунулася концепція взаємодії. Так виникло нове поняття - архітектура ЕОМ.
Під архітектурою ЕОМ прийнято розуміти сукупність загальних принципів організації апаратно-програмних засобів та їх основних характеристик, що визначає функціональні можливості обчислювальної машини при вирішенні відповідних типів завдань.
Архітектура ЕОМ охоплює значне коло проблем, пов'язаних зі створенням комплексу апаратних і програмних засобів і враховують велику кількість визначальних чинників. Серед цих факторів основними є: вартість, сфера застосування, функціональні можливості, зручність в експлуатації, а одним з основних компонентів архітектури вважаються апаратні засоби.
Архітектуру обчислювального кошти необхідно відрізняти від структури НД Структура обчислювального засобу визначає його поточний склад на певному рівні деталізації і описує зв'язки всередині кошти. Архітектура ж визначає основні правила взаємодії складових елементів обчислювального кошти, опис яких виконується в тій мірі, в якій необхідно для формування правил взаємодії. Вона встановлює не всі зв'язки, а тільки найбільш необхідні, які повинні бути відомі для більш грамотного використання застосовуваного засоби.
Так, користувачеві ЕОМ не важливо, на яких елементах виконані електронні схеми, схемно або програмно виконуються команди тощо. Архітектура ЕОМ дійсно відображає коло проблем, які відносяться до загального проектування і побудови обчислювальних машин та їх ПЗ.
Архітектура ЕОМ включає в себе як структуру, що відображає склад ПК, так і програмно - математичне забезпечення. Структура ЕОМ - сукупність елементів і зв'язків між ними. Основним принципом побудови всіх сучасних ЕОМ є програмне керування.
Основи вчення про архітектуру обчислювальних машин були закладені Джон фон Нейманом. Сукупність цих принципів породила класичну (фон-неймановскую) архітектуру ЕОМ.
Фон Нейман не тільки висунув основоположні принципи логічного пристрою ЕОМ, але й запропонував її структуру, представлену на малюнку.
Положення фон Неймана:
ü Комп'ютер складається з декількох основних пристроїв (арифметико-логічний пристрій, керуючий пристрій, пам'ять, зовнішня пам'ять, пристрої введення і виведення)
ü Арифметико-логічний пристрій - виконує логічні і арифметичні дії, необхідні для переробки інформації, що зберігається в пам'яті
ü Керуючий пристрій - забезпечує управління і контроль всіх пристроїв комп'ютера (сигнали, вказані пунктирними стрілками)
ü Дані, які зберігаються в пристрої, представлені в двійковій формі
ü Програма, яка задає роботу комп'ютера, і дані зберігаються в одному і тому ж пристрої
ü Для введення і виведення інформації використовуються пристрої введення і виведення
Сучасну архітектуру комп'ютера визначають наступні принципи:
Принцип програмного керування. Забезпечує автоматизацію процесу обчислень на ЕОМ. Згідно з цим принципом, для вирішення кожного завдання складається програма, яка визначає послідовність дій комп'ютера. Ефективність програмного керування буде вище при вирішенні завдань цієї ж програмою багато разів (хоч і з різними початковими даними).
Принцип програми, що зберігається в пам'яті. Згідно з цим принципом, команди програми подаються, як і дані, у вигляді чисел й обробляються так само, як і числа, а сама програма перед виконанням завантажується в оперативну пам'ять, що прискорює процес її виконання.
Принцип довільного доступу до пам'яті. Відповідно до цього принципу, елементи програм та даних можуть записуватися у довільне місце оперативної пам'яті, що дозволяє звернутися по будь-якому заданому адресою (до конкретної ділянки пам'яті) без перегляду попередніх.
На підставі цих принципів можна стверджувати, що сучасний комп'ютер - технічний пристрій, який після введення в пам'ять початкових даних у вигляді цифрових кодів і програми їх обробки, вираженої теж цифровими кодами, здатний автоматично здійснити обчислювальний процес, заданий програмою, і видати готові результати розв'язання задачі у формі, придатній для сприйняття людиною.
Реальна структура комп'ютера значно складніше, ніж розглянута вище (її можна назвати логічної структурою). У сучасних комп'ютерах, зокрема персональних, все частіше відбувається відхід від традиційної архітектури фон Неймана, зумовлений прагненням розробників та користувачів до підвищення якості та продуктивності комп'ютерів. Якість ЕОМ характеризується багатьма показниками. Це і набір команд, які комп'ютер здатний розуміти, і швидкість роботи (швидкодія) центрального процесора, кількість периферійних пристроїв введення-виведення, що приєднуються до комп'ютера одночасно і т.д. Головним показником є швидкодія - кількість операцій, яку процесор здатний виконати за одиницю часу. На практиці користувача більше цікавить продуктивність комп'ютера - показник його ефективного швидкодії, тобто здатності не просто швидко функціонувати, а швидко вирішувати конкретні поставлені задачі.
Як результат, всі ці та інші чинники сприяють принципового й конструктивного вдосконалення елементної бази комп'ютерів, тобто створення нових, більш швидких, надійних і зручних у роботі процесорів, запам'ятовуючих пристроїв, пристроїв введення-виведення і т.д. Тим не менш, слід враховувати, що швидкість роботи елементів неможливо збільшувати безмежно (існують сучасні технологічні обмеження та обмеження, зумовлені фізичними законами). Тому розробники комп'ютерної техніки шукають вирішення цієї проблеми удосконаленням архітектури ЕОМ.
Так, з'явилися комп'ютери з багатопроцесорної архітектурою, в якій кілька процесорів працюють одночасно, а це означає, що продуктивність такого комп'ютера дорівнює сумі продуктивностей процесорів. У потужних комп'ютерах, призначених для складних інженерних розрахунків і систем автоматизованого проектування (САПР), часто встановлюють два або чотири процесори. У надпотужних ЕОМ (такі машини можуть, наприклад, моделювати ядерні реакції в режимі реального часу, прогнозувати погоду в глобальному масштабі) кількість процесорів досягає кількох десятків.
Швидкість роботи комп'ютера істотно залежить від швидкодії оперативної пам'яті. Тому, постійно ведуться пошуки елементів для оперативної пам'яті, які витрачають менше часу на операції читання-запису. Але разом із швидкодією зростає вартість елементів пам'яті, тому нарощування швидкодіючої оперативної пам'яті потрібної ємності не завжди прийнятно економічно.
Проблема вирішується побудовою багаторівневої пам'яті. Оперативна пам'ять складається з двох-трьох частин: основна частина більшої ємності будується на відносно повільних (більш дешевих) елементах, а додаткова (так звана кеш-пам'ять) складається з швидкодіючих елементів. Дані, до яких найчастіше звертається процесор знаходяться в кеш-пам'яті, а більший обсяг оперативної інформації зберігається в основній пам'яті.
Раніше роботою пристроїв введення-виведення керував центральний процесор, що займало чимало часу. Архітектура сучасних комп'ютерів передбачає наявність каналів прямого доступу до оперативної пам'яті для обміну даними з пристроями введення-виведення без участі центрального процесора, а також передачу більшості функцій управління периферійними пристроями спеціалізованим процесорам, що розвантажує центральний процесор і підвищує його продуктивність.
Методи класифікації комп'ютерів
Номенклатура видів комп'ютерів сьогодні величезна: машини розрізняються за призначенням, потужності, розмірами, елементною базі і т.д. Тому класифікують ЕОМ за різними ознаками. Слід зауважити, що будь-яка класифікація є певною мірою умовною, оскільки розвиток комп'ютерної науки і техніки настільки бурхливе, що, наприклад, сьогоднішня мікроЕОМ не поступається за потужністю мініЕВМ п'ятирічної давності і навіть суперкомп'ютерів недавнього минулого. Крім того, зарахування комп'ютерів до певного класу досить умовно через нечіткість поділу груп, так і внаслідок впровадження в практику замовний складання комп'ютерів, де номенклатуру вузлів і конкретні моделі адаптують до вимог замовника. Розглянемо поширені критерії класифікації комп'ютерів.
Класифікація за призначенням
великі електронно-обчислювальні машини (ЕОМ);
мініЕВМ;
мікроЕОМ;
персональні комп'ютери.
Великі ЕОМ (Main Frame)
Застосовують для обслуговування великих галузей народного господарства. Вони характеризуються 64-розрядними паралельно працюючими процесорами (кількість яких досягає до 100), інтегральним швидкодією до десятків мільярдів операцій в секунду, багатокористувацьким режимом роботи. Домінуюче положення у випуску комп'ютерів такого класу займає фірма IBM (США). Найбільш відомими моделями суперЕОМ є: IBM 360, IBM 370, IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000.
На базі великих ЕОМ створюють обчислювальний центр, який містить декілька відділів або груп (структура якого зображена на рис. 2). Штат обслуговування - десятки людей.
| група технічного обслуговування | центральний процесор | група підготовки даних |
| група системних програмістів | відділ видачі результатів | група прикладних програмістів |
| група інформаційної підтримки |
Центральний процесор - основний блок ЕОМ, в якому відбувається обробка даних і обчислення результатів. Являє собою декілька системних блоків в окремій кімнаті, де підтримується постійна температура і вологість повітря.
Група системного програмування - займається розробкою, налагодженням та впровадженням програмного забезпечення, необхідного для функціонування обчислювальної системи. Системні програми забезпечують взаємодію програм з обладнанням, тобто програмно-апаратний інтерфейс обчислювальної системи.
Група прикладного програмування - займається створенням програм для виконання конкретних дій з даними, тобто забезпечення користувацького інтерфейсу обчислювальної системи.
Група підготовки даних - займається підготовкою даних, які будуть опрацьовані на прикладних програмах, створених прикладними програмістами. Зокрема, це набір тексту, сканування зображень, заповнення баз даних.
Група технічного забезпечення - займається технічним обслуговуванням всієї обчислювальної системи, ремонтом і налагодженням апаратури, підключенням нових пристроїв.
Група інформаційного забезпечення - забезпечує технічною інформацією всі підрозділи обчислювального центру, створює і зберігає архіви розроблених програм (бібліотеки програм) та накопичених даних (банки даних).
Відділ видачі даних - отримує дані від центрального процесора і перетворює їх у форму, зручну для замовника (роздрук).
Великим ЕОМ притаманна висока вартість обладнання та обслуговування, тому робота організована безперервним циклом.
МініЕВМ
Схожа на великі ЕОМ, але менших розмірів. Використовують на великих підприємствах, наукових установах та організаціях. Часто використовують для управління виробничими процесами. Характеризуються мультипроцессорной архітектурою, підключенням до 200 терміналів, дисковими запам'ятовуючими пристроями, які нарощуються до сотень гігабайт, розгалуженою периферією. Для організації роботи з мініЕВМ, потрібен обчислювальний центр, але менший ніж для великих ЕОМ.
МікроЕОМ
Доступні багатьом установам. Для обслуговування достатньо обчислювальної лабораторії у складі декількох чоловік, з наявністю прикладних програмістів. Необхідні системні програми купуються разом з мікроЕОМ, розробку прикладних програм замовляють у великих обчислювальних центрах або спеціалізованих організаціях.
Програмісти обчислювальної лабораторії займаються впровадженням придбаного або замовленого програмного забезпечення, виконують його налаштування і узгоджують його роботу з іншими програмами та пристроями комп'ютера. Можуть вносити зміни в окремі фрагменти програмного та системного забезпечення.
Персональні комп'ютери
Бурхливий розвиток набули в останні 20 років. Персональний комп'ютер (ПК) призначений для обслуговування одного робочого місця і спроможний задовольнити потреби малих підприємств та окремих осіб. З появою Інтернету популярність ПК значно зросла, оскільки за допомогою персонального комп'ютера можна користуватися науковою, довідковою, учбовою та розважальною інформацією.
Персональні комп'ютери умовно можна поділити на професійні та побутові, але в зв'язку з здешевленням апаратного забезпечення, грань між ними розмивається. З 1999 року введено міжнародний сертифікаційний стандарт - специфікація РС99:
масовий персональний комп'ютер (Consumer PC)
ділової персональний комп'ютер (Office PC)
портативний персональний комп'ютер (Mobile PC)
робоча станція (WorkStation)
розважальний персональний комп'ютер (Entertaiment PC)
Більшість персональних комп'ютерів на ринку підпадають до категорії масових ПК. Ділові ПК - мають мінімум засобів відтворення графіки та звуку. Портативні ПК відрізняються наявністю засобів комунікації віддаленого доступу (комп'ютерний зв'язок). Робочі станції - збільшені вимоги до пристроїв збереження даних. Розважальні ПК - основний акцент на засобах відтворення графіки та звуку.
Класифікація за рівнем спеціалізації
універсальні;
спеціалізовані.
На базі універсальних ПК можна створити будь-яку конфігурацію для роботи з графікою, текстом, музикою, відео тощо. Спеціалізовані ПК створені для рішення конкретних завдань, зокрема, бортові комп'ютери у літаках та автомобілях. Спеціалізовані мініЕВМ для роботи з графікою (кіно-відеофільми, реклама) називаються графічними станціями. Спеціалізовані комп'ютери, що об'єднують комп'ютери у єдину мережу, називаються файловими серверами. Комп'ютери, що забезпечують передачу інформації через Інтернет, називаються мережними серверами.
Класифікація за розміром
настільні (desktop);
портативні (notebook);
кишенькові (palmtop).
Найбільш поширеними є настільні ПК, які дозволяють легко змінювати конфігурацію. Портативні зручні для користування, мають засоби комп'ютерного зв'язку. Кишенькові моделі можна назвати "інтелектуальними" записниками, дозволяють зберігати оперативні дані і отримувати до них швидкий доступ.
Класифікація за сумісністю
Існує безліч типів комп'ютерів, які збираються з деталей, виготовлених різними виробниками. Важливим є сумісність забезпечення комп'ютера:
апаратна сумісність (платформа IBM PC та Apple Macintosh)
сумісність на рівні операційної системи;
програмна сумісність;
сумісність на рівні даних.
Архітектура сучасних суперЕОМ
У цьому огляді не має сенсу зупинятися на деталях класифікації архітектури суперкомп'ютерів [3,4], обмежимося тільки розглядом типових архітектур суперЕОМ, широко поширених сьогодні, і наведемо класичну систематику Флінна [5].
Відповідно до неї, всі комп'ютери діляться на чотири класи в залежності від числа потоків команд і даних. До першого класу (послідовні комп'ютери фон Неймана) належать звичайні скалярні однопроцесорні системи: одиночний потік команд - одиночний потік даних (SISD). Персональний комп'ютер має архітектуру SISD, причому не важливо, чи використовуються в ПК конвеєри для прискорення виконання операцій.
Другий клас характеризується наявністю одиночного потоку команд, але множинного nomoka даних (SIMD). До цього архітектурному класу належать однопроцесорні векторні чи, точніше кажучи, векторно-конвейєрні суперкомп'ютери, наприклад, Cray-1 [6]. У цьому випадку ми маємо справу з одним потоком (векторних) команд, а потоків даних - багато: кожен елемент вектора входить в окремий потік даних. До цього ж класу обчислювальних систем відносяться матричні процесори, наприклад, знаменитий свого часу ILLIAC-IV. Вони також мають векторні команди і реалізують векторну обробку, але не за допомогою конвеєрів, як у векторних суперкомп'ютерах, а за допомогою матриць процесорів.
До третього класу - MIMD - відносяться системи, мають множинний потік команд і множинний потік даних. До нього належать не тільки багатопроцесорні векторні суперЕОМ, але і взагалі все багатопроцесорні комп'ютери. Переважна більшість сучасних суперЕОМ мають архітектуру MIMD.
Четвертий клас в систематиці Флінна, MISD, не представляє практичного інтересу, принаймні для аналізованих нами комп'ютерів. Останнім часом у літературі часто використовується також термін SPMD (одна програма - множинні дані). Він відноситься не до архітектури комп'ютерів, а до моделі розпаралелювання програм і не є розширенням систематики Флінна. SPMD звичайно відноситься до MPP (тобто MIMD) - системам і означає, що кілька копій однієї програми паралельно виконуються у різних процесорних вузлах з різними даними.
Цікаво також згадати про принципово іншому напрямку в розвитку комп'ютерних архітектур - машинах потоків даних [7]. У середині 80-х років багато дослідників вважали, що майбутнє високопродуктивних ЕОМ пов'язано саме з комп'ютерами, керованими потоками даних, на відміну від всіх розглянутих нами класів обчислювальних систем, керованих потоками команд. У машинах потоків даних можуть одночасно виконуватися відразу багато команд, для яких готові операнди. Хоча ЕОМ з такою архітектурою сьогодні промислово не випускаються, деякі елементи цього підходу знайшли своє відображення в сучасних суперскалярні мікропроцесорах, що мають багато паралельно працюючих функціональних пристроїв і буфер команд, які очікують готовності операндів. В якості прикладів таких мікропроцесорів можна навести HP РА-8000 [8] і Intel Pentium Pro [9].
Відповідно до класифікації Флінна, розгляд архітектури суперЕОМ слід було б почати з класу SISD. Однак все векторно-конвейєрні (надалі - просто векторні) суперЕОМ мають архітектуру "не менше" SIMD. Що стосується суперкомп'ютерних серверів, що використовують сучасні високопродуктивні мікропроцесори, таких як SGI POWER CHALLENGE на базі R8000 або DEC AlphaServer 8200/8400 на базі Alpha 21164, то їх мінімальні конфігурації бувають однопроцесорними. Однак, якщо не розглядати власне архітектуру цих мікропроцесорів, то всі особливості архітектури власне серверів слід аналізувати в "природною" мультипроцессорной конфігурації. Тому почнемо аналіз суперкомп'ютерних архітектур відразу з класу SIMD.