Классическая архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье “Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства”. С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.

В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип “хранимой программы”. Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут – выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 1. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.

Рис. 1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров “многоярусно” и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ. но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти. из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название “фон-неймановской архитектуры”. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

9.

	Архитектура персонального компютера   Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, т.е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени. Термин "архитектура ЭВМ" возник в середине 60-х годов. Представленная на рисунке архитектура считается классической. Она предложена в 1946 году американским математиком Джоном фон Нейманом.   Эта архитектура содержит в себе основные черты современных архитектурных решений вычислительных машин. Архитектура современных персональных ЭВМ основана на магистрально-модульном принципе. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить её модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль (системная шина) – это набор электронных линий, связывающих воедино центральный процессор, системную память и периферийные устройства. Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:  системный блок;  монитор;  клавиатуру;  мышь. Системный блок Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными. Внутри системного блока размещаются следующие узлы:  электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.д.);  блок питания, который преобразует электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электросхемы компьютера;  накопители (дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты);  жесткий магнитный диск;  другие устройства. Память компьютера Основная память компьютера состоит из оперативного и постоянного запоминающих устройств. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) используется для хранения специальных программ, которые записываются на заводе. Этот комплекс программ называется BIOS – базовая система ввода-вывода. Работа программ, записанных в микросхеме BIOS, отображается на черном экране бегущими белыми строчками. В этот момент компьютер проверяет свои устройства. Самое быстродействующее устройство для хранения данных – оперативная память компьютера. Ее преимущество – высокая скорость записи и считывания данных. Ее недостаток состоит в ограниченном объеме и в том, что при выключении компьютера оперативная память очищается. Оперативная память используется для кратковременного хранения данных в тот момент, когда они проходят обработку или происходит их прием-передача. Оперативная память состоит из ячеек. В каждой ячейке может храниться 1 байт данных. У каждой ячейки есть свой адрес. Электронные платы Каждая плата представляет собой плоский кусок пластика, на котором укреплены электронные компоненты и различные разъемы.     Материнская плата Самой большой электронной платой в компьютере является системная, или материнская плата. На ней располагаются микропроцессор, оперативная память, шина (или шины), BIOS. Кроме того, там находятся электронные схемы (контроллеры), управляющие некоторыми устройствами компьютера. Так, контроллер клавиатуры всегда находится на материнской плате. Часто там же находятся и контроллеры для других устройств (жестких дисков, дисководов для дискет и др.). Контроллеры Электронные схемы, управляющие различными устройствами компьютера, называют контроллерами. Во всех компьютерах имеются контроллеры для управления клавиатурой, монитором, дисководами для дискет, жестким диском и т.д. В большинстве компьютеров некоторые контроллеры располагаются на отдельных электронных платах – платах контроллеров. Эти платы вставляются в специальные разъемы (слоты) на материнской плате. При вставке в разъем материнской платы контроллер подключается к шине – магистрали Микропроцессор Обработка информации – главная задача компьютера. Для работы с данными существует специальная микросхема, которая называется микропроцессором или процессором. Он вызывает данные с диска в оперативную память, забирает их к себе, обрабатывает, а затем отправляет в оперативную память и записывает в виде файла на диск. Для того, чтобы процессор всегда знал, что и с какими данными надо сделать, он должен непрерывно получать команды (инструкции). Инструкции записаны в программах. Программа – это упорядоченный список команд. Процессор состоит из устройства управления (УУ), которое управляет работой с помощью электрических сигналов, арифметико-логического устройства (АЛУ), производящего операции над данными, и регистров - для временного хранения в процессоре данных и результатов действий над этими данными. Существуют различные процессоры, и у каждого свои регистры. Существуют восьмиразрядные регистры, 16-разрядные, 32-разрядные, 64-разрядные. Разные регистры процессора имеют разное назначение. Регистры общего назначения используются для операций с данными. Адресные регистры содержат адреса, по которым процессор находит данные в памяти. Существуют десятки различных регистров. Состав регистров процессора и их назначение называют архитектурой процессора. Важнейшими характеристиками микропроцессора являются разрядность и тактовая частота. Тактовая частота – количество операций, выполняемых за 1 секунду (Гц). Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения одной операции и тем выше производительность компьютера. Обращения к оперативной памяти для процессора самые неудобные. Операции внутри процессора выполняются быстрее. Чтобы процессор реже обращался к оперативной памяти, внутри процессора создают небольшой участок памяти. Эта память получила название кэш-памяти. Накопители информации Для длительного хранения больших объемов данных компьютер использует магнитные диски. Магнитные диски бывают двух типов – гибкие и жесткие. Гибкие диски (дискеты) имеют не очень большую емкость и работают сравнительно медленно, но их можно переносить с одного компьютера на другой. Жесткие диски обладают большой емкостью, но они располагаются внутри системного блока и их нельзя переносить. Диск вращается с огромной скоростью, а над магнитной поверхностью парит на воздушной подушке магнитная головка, которая записывает и считывает биты и байты данных. Корпус жесткого диска закрыт кожухом, снимать который нельзя, иначе попавшие микрочастицы пыли со временем выведут диск из строя. Чтобы данные можно было не только записать на жесткий диск, а потом еще и прочитать, надо точно знать, что и куда было записано. У всех данных должен быть адрес. Мы уже знаем, что информация хранится не байтами, а файлами. Каждый файл на диске имеет свой адрес. Чтобы у каждого файла на диске был свой адрес, диск разбивают на дорожки, а дорожки, в свою очередь, разбивают на секторы. Размер каждого сектора стандартен и равен 512 байтам. Разбиение диска на дорожки и секторы называется форматированием. Его выполняют служебные программы. Самая первая дорожка магнитного диска (нулевая) считается служебной – там хранится служебная информация. Например, на этой дорожке хранится так называемая таблица размещения файлов. В этой таблице компьютер запоминает адреса записанных файлов. Для переноса больших объемов информации между компьютерами используют лазерные компакт-диски. Один такой компакт-диск может содержать 650 Мбайт данных. Лазерный диск вставляется в специальный дисковод, который называют дисководом CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory). Считывание информации производится с помощью лазерного луча. Современные дисководы CD-ROM работают почти также быстро, как жесткие диски, но, в отличие от них, такие дисководы могут только читать данные и не могут их записывать. Для записи лазерных дисков существуют специальные «пишущие» дисководы, которые называют CD-R(Compact Disk Recorder) – устройства однократной записи и устройства многократной записи CD-RW. Появились еще более емкие носители информации – диски DVD. Один такой диск может вместить несколько гигабайтов данных. Каждый диск, присутствующий на компьютере, имеет уникальное имя. Имя диска состоит из одной буквы английского алфавита и двоеточия, например А: или С:. Буквой А: общепринято обозначать дисковод для гибких дисков. Буквой С: обозначается первый жесткий диск. Видеоконтроллеры Электронные схемы компьютера, обеспечивающие выполняется в виде специальной платы, вставляемой формирование видеосигнала и тем самым определяющие изображение, показываемое монитором, называют видеоконтроллером. Видеоконтроллер обычно в разъем системной шины компьютера. Видеоконтроллер получает от микропроцессора команды по формированию изображения, конструирует это изображение в своей служебной памяти – видеопамяти, и одновременно преобразует содержимое видеопамяти в сигнал, подаваемый на монитор – видеосигнал. Устройства ввода-вывода информации К устройствам ввода информации относятся клавиатура, манипуляторы (мышь, джойстик, световое перо), сканер, средства речевого контроля. С помощью клавиатуры пользователь вводит алфавитно-цифровую информацию и управляет работой компьютера. Любая клавиатура имеет четыре группы клавиш:  клавиши пишущей машинки для ввода прописных и строчных букв, цифр и специальных знаков;  служебные клавиши;  функциональные клавиши;  клавиши малой двухрежимной цифровой клавиатуры, обеспечивающие быстрый и удобный ввод цифровой информации, а также управление курсором и переключение режимов работы клавиатуры. Манипуляторы являются дополнительными устройствами для ввода информации. Совместно с клавиатурой они повышают удобство работы пользователя с компьютером. В настоящее время используются различные виды манипуляторов:  джойстик обеспечивает перемещение курсора на экране в одном из четырех направлений;  световое перо может применяться для указания точки на экране дисплея или для формирования изображений;  мышь представляет собой приспособление для указания нужных точек на экране путем перемещения его вручную по плоской поверхности. Сканер предназначен для ввода в компьютер представленных в печатном виде текстовых и графических данных. Наиболее часто используемые устройства вывода информации – это дисплеи, принтеры, графопостроители и синтезаторы звука. Видеомонитор, дисплей или монитор предназначен для вывода на экран информации. Принтеры – это устройства для вывода на бумагу текстов и графических изображений. В настоящее время известно несколько видов принтеров: матричный, струйный, лазерный. Мультемедийный компьютер Термин «мультимедиа» происходит от латинского слова media, переводимого как «среда или носитель информации». Таким образом, мультимедиа-компьютеры должны уметь воспроизводить:  музыку, речь и другую звуковую информацию;  анимационные фильмы и другую видеоинформацию. Мультимедийный компьютер должен быть оснащен дисководом для компакт-дисков, звуковой картой и колонками или наушниками. Кроме этого есть требования к быстродействию, объему оперативной памяти и наличие программного обеспечения.
	Магистрально-модульный принцип построения компьютера. В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модуль-ный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между модулями. Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по трем многоразрядным шинам (многопроводным линиям), соединяющим все модули: шине данных, шине адресов и шине управления. Разрядность шины данных связана с разрядностью процессора (имеются 8-, 16-, 32-, 64-разрядные процессоры). Данные по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, либо, наоборот, от устройства к процессору, т. е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти, запись/чтение данных из внешней памяти, чтение данных с устройства ввода, пересылка данных на устройство вывода. Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для оперативной памяти код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам, т. е. шина адреса является однонаправленной. Разрядность шины адреса определяет объезд адресуемой процессором памяти. Имеются 16-, 20-, 24- и 32-разрядные шины адреса. Каждой шине соответствует свое адресное пространство, т. е. максимальный объем адресуемой памяти: В персональных компьютерах величина адресного пространства процессора и величина фактически установленной оперативной памяти практически всегда различаются. В первых отечественных персональных компьютерах величина адресного пространства была иногда меньше, чем величина реально установленной в компьютере оперативной памяти. Обеспечение доступа к такой памяти происходило на основе поочередного (так называемого постраничного) подключения дополнительных блоков памяти к адресному пространству. В современных персональных компьютерах с 32-разрядной шиной адреса величина адресуемой памяти составляет 4 Гб, а величина фактически установленной оперативной памяти значительно меньше и составляет обычно 16 или 32 Мб. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией. Аппаратно на системных платах реализуются шины различных типов. В компьютерах РС/286 использовалась шина ISA (Industry Standard Architecture), имевшая 16-разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса. В компьютерах РС/386 и РС/486 используется шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), имеющая 32-разрядные шины данных и адреса. В компьютерах PC/ Pentium используется шина PCI (Peripheral Component Interconnect), имеющая 64-разрядную шину данных и 32-разрядную шину адреса. Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, адаптеров устройств (видеоадаптер, контроллер жестких дисков и т. д.), а на программном уровне обеспечивается загрузкой в оперативную память драйверов устройств, которые обычно входят в состав операционной системы. Контроллер жестких дисков обычно находится на системной плате. Существуют различные типы контроллеров жестких дисков, которые различаются по количеству подключаемых дисков, скорости обмена информацией, максимальной емкости диска и др. IDE — Integrated Device Electronics EIDE — Enhanced Integrated Device Electronics SCSI — Small Computers System Interface В стандартный набор контроллеров, разъемы которых имеются на* системном блоке компьютера, обычно входят: — видеоадаптер (с помощью него обычно подключается дисплей); — последовательный порт СОМ1 (с помощью него обычно подключается мышь); — последовательный порт COM2 (с помощью него обычно подключается модем); — параллельный порт (с помощью него обычно подключается принтер); — контроллер клавиатуры. Через последовательный порт единовременно может передаваться 1 бит данных в одном направлении, причем данные от процессора к периферийному устройству и в обратную сторону, от периферийного устройства к процессору, передаются по разным проводам. Максимальная дальность передачи составляет обычно несколько десятков метров, а скорость до 115 200 бод. Устройства подключаются к этому порту через стандартный разъем RS-232. Через параллельный порт может передаваться в одном направлении одновременно 8 бит данных. К этому порту устройства подключаются через разъем Centronics. Максимальное удаление принимающего устройства обычно не должно превышать 3 м. Подключение других периферийных устройств требует установки в компьютер дополнительных адаптеров (плат). Лекция: Архитектура вычислительных систем. Классификация архитектур по параллельной обработке данных В данной лекции дается определение понятия архитектуры высокопроизводительной системы, приводится классификация архитектур, основанная на рассмотрении числа потоков инструкций и потоков данных. Чтобы дать более полное представление о многопроцессорных вычислительных системах, помимо высокой производительности необходимо назвать и другие отличительные особенности. Прежде всего, это необычные архитектурные решения, направленные на повышение производительности (работа с векторными операциями, организация быстрого обмена сообщениями между процессорами или организация глобальной памяти в многопроцессорных системах и др.). Понятие архитектуры высокопроизводительной системы является достаточно широким, поскольку под архитектурой можно понимать и способ параллельной обработки данных, используемый в системе, и организацию памяти, и топологию связи между процессорами, и способ исполнения системой арифметических операций. Попытки систематизировать все множество архитектур впервые были предприняты в конце 60-х годов и продолжаются по сей день.

10.

Классификация ЭВМ

Рассмотрим некоторые из наиболее популярных классификаций:

· по принципу действия. Критерием деления вычислительных машин здесь является форма представления информации, с которой они работают

1. аналоговые (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.

2. цифровые (ЦВМ) - вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

3. гибридные(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.
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.

· по назначению

1. универсальные (общего назначения) - предназначены для решения самых различных 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.

2. проблемно-ориентированные - 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

3. специализированные - используются для решения узкого крута 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.

· по размерам и функциональным возможностям

1. сверхбольшие (суперЭВМ)

2. большие

3. малые

4. мини

5. сверхмалые (микроЭВМ)

К суперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду. Супер-компьютеры используются для решения сложных и больших научных задач (метеорология, гидродинамика и т. п.), в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д.

Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений.

В этих машинах параллельно, то есть одновременно, выполняется множество похожих операций (это называется мультипроцессорной обработкой). Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию.

Что такое конвейеpная обработка? Приведем сравнение — на каждом рабочем месте конвейера выполняется один шаг производственного процесса, а на всех рабочих местах в одно и то же время обрабатываются различные изделия на всевозможных стадиях. По такому принципу устроено арифметико-логическое устройство суперкомпьютера. Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами — векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном — выдаёт сразу векторные команды. Векторная аппаратура очень дорога, в частности, потому, что требуется много сверхбыстродействующей памяти под векторные регистры.

Наряду с векторно-конвейерной системой обработки данных существует и скалярная система, основанная на выполнении обычных арифметических операций над отдельными числами или парами чисел. Строго говоря, системы, использующие скалярную обработку данных, по своей производительности уступают суперЭВМ, но у них наблюдаются тенденции, характерные для высокопроизводительных вычислительных систем: необходимость распараллеливания больших задач между процессорами.

Типовая модель суперЭВМ должна иметь примерно следующие характеристики:

o высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродействием примерно 100000 МFLOPS;

o емкость: оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1-10 Тбайт (1 1000Гбайт);

o разрядность: 64; 128 бит.

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

o магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или МISD - Мultiple Instruction Single Data);

o векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными - однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD - Single Instruction Multiple Data);

o матричные МПВС, в которых МП одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных - многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или МIМD - Multiple Instruction Multiple Data).

В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:

· структура МIМD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере ВSP фирмы Burroughs);

· параллельно-конвейерная модификация, иначе, ММISD, т.е. многопроцессорная (Мultiple) МISD-архитектура (например, в суперкомпьютере "Эльбрус 3");

· параллельно-векторная модификация, иначе, МMISD, т.е. многопроцессорная SIMD-архитектура (например, в суперкомпьютере Сrау 2).

Наибольшую эффективность показала МSIMD-архитектура, поэтому в современных суперЭВМ чаще всего используется именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachi и др.).

Первая суперЭВМ была задумана в 1960 г. и создана в 1972 г. (машина ILLIAC IV с производительностью 20 МFLOPS), а начиная с 1974 г. лидерство в разработке суперЭВМ захватила фирма Cray Research, выпустившая ЭВМ Cray 1 производительностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 64 Мбайта, а в 1984 г. - ЭВМ Сrау 2, в полной мере реализовавшую архитектуру MSIMD и ознаменовавшую появление нового поколения суперЭВМ. Производительность Сrау 2 - 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти - 2 Гбайта. Классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресурсов ЭВМ - каждому МFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайта оперативной памяти.

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперЭВМ начиная от простеньких офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, CrayY-MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SХ-3 и SХ-Х фирмы NЕС, VP 2000 фирмы Fujitsu (Япония), VРР 500 фирмы Siemens (ФРГ) и др., производительностью несколько десятков тысяч МFlOPS.

Большие ЭВМ за рубежом чаще всего называют мэйнфреймами (Mainframe). К мэйнфреймам относят, как правило, компьютеры, имеющие следующие характеристики:

· производительность не менее 10 MIPS;

· основную память емкостью от 64 до 1000 Мбайт;

· внешнюю память не менее 50 Гбайт;

· многопользовательский режим работы (обслуживает одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Мейнфреймы и до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они могут включать один или несколько процессоров, каждый из которых, в свою очередь, может оснащаться векторными сопроцессорами (ускорителями операций с суперкомпьютерной производительностью). В нашем сознании мейнфреймы все еще ассоциируются с большими по габаритам машинами, требующими специально оборудованных помещений с системами водяного охлаждения и кондиционирования. Однако это не совсем так. Прогресс в области элементно-конструкторской базы позволил существенно сократить габариты основных устройств. Наряду со сверхмощными мейнфреймами, требующими организации двухконтурной водяной системы охлаждения, имеются менее мощные модели, для охлаждения которых достаточно принудительной воздушной вентиляции, и модели, построенные по блочно-модульному принципу и не требующие специальных помещений и кондиционеров.

Основными поставщиками мейнфреймов являются известные компьютерные компании IBM, Amdahl, ICL, Siemens, Nixdorf и некоторые другие, но ведущая роль принадлежит безусловно компании IBM. Именно архитектура системы IBM/360, выпущенной в 1964 году, и ее последующие поколения стали образцом для подражания. В нашей стране в течение многих лет выпускались машины ряда ЕС ЭВМ, являвшиеся отечественным аналогом этой системы. В архитектурном плане мейнфреймы представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры (в терминологии IBM - селекторные, блок-мультиплексные, мультиплексные каналы и процессоры телеобработки) обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.

Они предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами. Их целесообразно применять в больших системах при наличии не менее 200 - 300 рабочих мест. Централизованная обработка данных на мэйнфрейме обходится примерно в 5 - 6 раз дешевле, чем распределённая обработка при клиент-серверном подходе. Известный мейнфрейм S/390 фирмы IBM обычно оснащается не менее чем тремя процессорами. Максимальный объём оперативного хранения достигает 342 Терабайт. Производительность его процессоров, пропускная способность каналов, объём оперативного хранения позволяют наращивать число рабочих мест в диапазоне от 20 до 200000 с помощью простого добавления процессорных плат, модулей оперативной памяти и дисковых накопителей. Десятки мейнфреймов могут работать совместно под управлением одной операционной системы над выполнением единой задачи.

К суперкомпьютерам часто относят и серверы.

Сервер-мощный компьютер в вычислительных сетях, который обеспечивает обслуживание подключенных к нему компьютеров и выход в другие сети.
В зависимости от назначения определяют такие типы серверов:
Сервер приложений обрабатывает запросы от всех станций вычислительной сети и предоставляет им доступ к общим системным ресурсам (базам данных, библиотекам программ, принткрам, факсам и др.).
Файл-сервер-для работы с базами данных и использования файлов информации, хранящихся в ней.
Архивационный сервер-для резервного копирования информации в крупных многосервисных сетях. Он использует накопители на магнитной ленте(стриммеры)