Основные характеристики ЭВМ

Первые электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились в середине 40-х годов прошлого века. За это время микроэлектроника, вычислительная техника и вся индустрия информатики стали одними из составляющих мирового научно-технического прогресса. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает распространяться вширь и вглубь. В настоящее время ЭВМ используются не только для выполнения сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т.д. Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатывать любые виды информации: числовую, текстовую, табличную, графическую, видео, звуковую.

Электронная вычислительная машина – это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы. Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения.

Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

Структура – совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.п.). При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных программных модулей, а общими вопросами организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная организация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры-схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач. Перечисленные специалисты рассматривают понятие архитектуры в более узком смысле. Для них наиболее важные структурные особенности сосредоточены в наборе команд ЭВМ, разграничивающем аппаратные и программные средства.

Сами же пользователи ЭВМ, которые обычно не являются профессионалами в области вычислительной техники, рассматривают архитектуру через более высокоуровневые аспекты, касающиеся их взаимодействия с ЭВМ, определяющих ее структуру:

· технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкости оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);

· характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения технических и программных средств; возможность изменения структуры;

· состав программного обеспечения (ПО) и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры можно представить в виде следующей схемы:

Компоненты архитектуры

Система команд Структура ЭВМ Операционная сис-

тема

Форматы данных Организация Языки программи-

памяти рования

Быстродействие Организация Прикладное ПО

ввода-вывода

Принципы

управления

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки, узлы и т.д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

Важнейшими характеристиками ЭВМ являются быстродействие и производительность. И хотя эти характеристики тесно связаны, тем не менее их не следует смешивать. Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд (чаще сложений и вычитаний – так называемых "коротких" операций), выполняемых ЭВМ за одну секунду. Производительность – это объем работ (например, число стандартных программ), выполненный ЭВМ в единицу времени.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Она измеряется количеством структурных единиц информации, которые одновременно можно разместить в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.

Наименьшей структурной единицей информации является бит – одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения – байтах (байт равен восьми битам). Следующими единицами измерения служат:

1 Кбайт = 2¹⁰ байт = 1024 байт;

1 Мбайт = 2¹⁰ Кбайта = 2²⁰ байта;

1 Гбайт = 2¹⁰ Мбайта = 2²⁰ Кбайта = 2³⁰ байта.

Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти. Современные персональные ЭВМ могут иметь емкость оперативной памяти, равную от 256 Мбайт до 4 Гбайт. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.

Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискеты составляет 1,2; 1,4 и 2,88 Мбайта в зависимости от типа дисковода и характеристик дискет. Емкость оптических дисков CD и DVD соответственно 200 Мбайт и 1,4 Гбайт для дисков диаметром 8 см и от 700 Мбайт для CD и 4,7 Гбайт (для однослойных дисков) и 8,5 Гбайт (для двухслойных дисков) – для дисков диаметром 12 см. Емкость сменных дисков (так называемая флэш-память) – в пределах от 16 Мбайт (такие диски уже сняты с производства) до 64 Гбайт. Подобные диски, а также различного типа карты памяти (XD, SD, Mini-SD, Micro-SD, Memory Stick), используются как просто отдельные накопители, так и в цифровых фото- и видеокамерах, диктофонах, мобильных телефонах и т.п. Емкость жесткого диска может варьироваться от нескольких Гбайт до 320 и более Гбайт. Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения и отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки операционной среды Windows 2000 требуется объем памяти жесткого диска не менее 600 Мбайт и не менее 64 Мбайт оперативной памяти ЭВМ.

Надежность – это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени (стандарт ISO – международной организации стандартов – 2382/14-78).

Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу – сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) – резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Хорошо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли). Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранять неисправности.

Точность – возможность различать почти равные значения (стандарт ISO – 2382/2-76). Точность получения результатов обработки определяется разрядностью ЭВМ, которая в зависимости от класса ЭВМ может составлять 32, 64 и 128 двоичных разрядов.

Во многих применениях ЭВМ не требуется большой точности (при обработке текстов и документов, при управлении технологическими процессами). В этом случае достаточно воспользоваться 8- и 16-разрядными двоичными кодами. При выполнении же сложных математических расчетов следует использовать высокую разрядность (32, 64 и даже более). Для работы с такими данными применяются соответствующие структурные единицы представления информации (байт, слово, двойное слово). Программными способами диапазон представления и обработки данных может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.

Достоверность – свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получе7ния безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.

Классификация ЭВМ

Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято разделять на группы по определенным признакам, то есть классифицировать. Сравнительно недавно классифицировать ЭВМ по различным признакам не составляло большого труда. Важно было только определить признак классификации, например, по назначению, по габаритам, по производительности, по стоимости, по элементной базе и т.д.

С развитием технологии производства ЭВМ классифицировать их стало все более затруднительно, ибо стирались грани между такими важными характеристиками, как производительность, емкость внутренней и внешней памяти, габариты, вес, электропотребление и др. Например, персональный компьютер, для размещения которого достаточно стола, имеет практически те же возможности и технические характеристики, что и достаточно совершенная в недавнем прошлом ЭВМ Единой системы (ЕС), занимающая машинный зал в сотни квадратных метров. Поэтому разделение ЭВМ по названных признакам нельзя воспринимать как классификацию по техническим параметрам. Это, скорее, эвристический подход, где большой вес имеет предполагаемая сфера применения компьютеров.

С этой точки зрения классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом:

· сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ);

· большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения);

· средние ЭВМ;

· малые или мини-ЭВМ;

· микро-ЭВМ;

· персональные компьютеры;

· микропроцессоры.

Отметим, что понятия "большие", "средние" и "малые" для отечественных ЭВМ весьма условны и не соответствуют подобным категориям зарубежных ЭВМ.