ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Современные компьютеры

Вычислительная машина (компьютер), широко используемая в мощных вычислительных комплексах, предназначена для решения самых различных задач — экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.

Характерными чертами современных компьютеров являются: высокая про­изводительность; разнообразие форм обрабатываемых данных (двоичных, де­сятичных, символьных) при большом диапазоне их изменения и высокой точ­ности представления; обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных; большая емкость оператив­ной памяти; развитая организация системы ввода — вывода информации, обе­спечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные вычислительные средства 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 компьютерами аппаратными и программными ресурсами. К проблемно- ориентированным можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные вычислительные средства используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Та­кая узкая ориентация позволяетчетко специализировать структуру, существен­но снизить сложность и стоимость компьютеров при сохранении высокой про­изводительности и надежности их работы. К специализированным можно от-

нести, 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 применяемые в управлен­ческой деятельности компьютеры подразделяются на суперЭВМ (суперком­пьютеры), сверхбольшие (мэйнфреймы), кластеры, малые, сверхмалые (микро­компьютеры), персональные, портативные.

Функциональные возможности современных компьютеров отличаются:

• быстродействием, измеряемым усредненным количеством операций, вы­полняемых машиной за единицу времени;
• разрядностью и формой представления чисел, которыми оперирует вы­числительная система;
• номенклатурой, емкостью и быстродействием всех запоминающих устройств;
• номенклатурой и технико-экономическими характеристиками внешних устройств хранения, обмена и ввода — вывода информации;
• типами и пропускной способностью устройств связи и сопряжением узлов компьютера между собой (внутримашинным интерфейсом);
• способностью компьютера одновременно работать с несколькими поль­зователями и выполнять при этом несколько программ (многопрограммно- стью);
• типами и технико-эксплуатационными характеристиками операционных систем, используемых в машине;
• наличием и функциональными возможностями программного обеспе­чения;
• способностью выполнять программы, написанные для других типов ма­шин (программная совместимость с другими компьютерами);
• системой и структурой машинных команд:
• возможностью подключения к каналам связи и к вычислительной сети;
• эксплуатационной надежностью компьютеров;
• коэффициентом полезного использования компьютеров во времени, опре­деляемым соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Производительность компьютера является сложной интегральной характе­ристикой, под которой обычно понимается время, затрачиваемое на решение определенной задачи. Производительность зависит от специфики решаемой задачи, быстродействия компьютера, информационного объема его оператив­ной памяти и т.д. Быстродействие (скорость обработки информации) компью­тера, в свою очередь, определяется быстродействием микропроцессора, системной магистрали (служит для обмена информацией между функциональ­ными блоками компьютера), периферийных устройств, качеством кон­структивных решений и т.д. Поэтому оценить производительность компьюте­ра и тем более классов компьютеров достаточно сложно. На практике произ­водительность компьютера оценивают по некоторым параметрам, опре­деляющим его производительность, т.е. осуществляют косвенную оценку его производительности. К таким параметрам относят: тактовую частоту микро­процессора, скорость переключения системной шины и ее разрядность, тип используемого интерфейса, число команд, выполняемых в секунду, число опе­раций, выполняемых компьютером над числами с плавающей запятой, в се­кунду и т.д. Выделим некоторые из этих параметров, которые позволяют наи­более просто произвести косвенную оценку производительности компьютера.

Тактовая частота микропроцессора определяет количество элементарных операций (операции, производимые логическими элементами), выполняемых микропроцессором в секунду. При этом под тактом понимается время выпол­нения элементарной операции. Например, если в технических характеристиках компьютера указана тактовая частота микропроцессора, равная 2,4 ГГц, то это означает, что его тактовая частота в герцах будет равна 2,4 ГГц = 2,4 • 1000 МГц = =2,4-1000- 1000кГц = 2,4-1000-1000-1000 Гц и он может выполнить 2400000000 элементарных операций в секунду.

Число команд, выполняемых в секунду, обычно обозначается аббревиатурой MIPS (Mega Instruction Per Second), что означает количество миллионов команд, выполняемых в секунду. Например, запись 100 MIPS означает 100 млн команд в секунду.

Число операций, выполняемых компьютером над числами с плавающей запятой, в секунду обозначается аббревиатурой MFLOPS (Mega Floating Operations Per Second) или GFLOPS (Giga Floating Operations Per Second), что соответственно означает количество миллионов и миллиардов операций в секунду.

Компьютеры сверхвысокой производительности называют также суперком­пьютерами. К ним можно отнести профессиональные компьютеры, у которых условная производительность достигает значений свыше 100 MFLOPS.

Суперкомпьютер — вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров. В настоящее время суперкомпьютерами принято называть компьютеры с огром­ной вычислительной мощностью. Такие машины используются для работы с приложениями, требующими наиболее интенсивных вычислений (например прогнозирование погодно-климатических условий, моделирование ядерных испытаний и т.п.), что, в частности, отличает их от серверов и мэйнфреймов (англ, mainframe) — компьютеров с высокой общей производительностью, при­званных решать типовые задачи (например обслуживание больших баз данных или одновременная работа с множеством пользователей). Иногда суперком­пьютеры используются для работы с одним-единственным приложением, ис­пользующим всю память и все процессоры системы; в других случаях они обе­спечивают выполнение большого числа разнообразных приложений. Наиболее экономичным видом современных суперкомпьютеров является персональный суперкомпьютер на основе графических процессоров GPU. За счет применения возможностей архитектуры CUDA графические процессоры используются в качестве вычислителей. Установленные в десктопный ПК графические вычис­лители могут предоставлять мощности до 4 терафлоп на каждом индивидуаль­ном рабочем месте. Примером графических адаптеров для построения персо­нальных суперкомпьютеров являются вычислители NVIDIA Tesla. Персональ­ный суперкомпьютер позволяет исследователям решать ресурсоемкие задачи, не обращаясь к массивным кластерным системам, значительно ускоряя работу.

Мейнфреймы — это универсальные, большие компьютеры общего назначе­ния. Их условная производительность достигает значений до 100 MFLOPS. Они занимали господствующие позиции на компьютерном рынке до 1980-х гг. Из­начально мейнфреймы были предназначены для обработки огромных объемов информации. Наиболее крупный производитель мейнфреймов — фирма Ай- Би-Эм (IBM). Мейнфреймы отличаются исключительной надежностью, вы­соким быстродействием, очень большой пропускной способностью устройств ввода и вывода информации. К ним могут подсоединяться тысячи терминалов или микрокомпьютеров пользователей. Мейнфреймы используются крупней­шими корпорациями, правительственными учреждениями, банками.

С расцветом микрокомпьютеров и миникомпьютерных систем значение мейнфреймов сократилось. Однако компания IBM перешла к производству компьютеров на новой концептуальной архитектуре ESA/390, которая позво­ляет использовать мейнфреймы в качестве центра неоднородного вычисли­тельного комплекса.

Стоимость мейнфреймов относительно высока: один компьютер с пакетом прикладных программ оценивается минимум в миллион долларов. Несмотря на это, они активно используются в финансовой сфере и оборонном комплек­се, где занимают от 20 до 30 % компьютерного парка, так как использование мейнфреймов для централизованного хранения и обработки достаточно боль­шого объема информации обходится дешевле, чем обслуживание распределен­ных систем обработки данных, состоящих из сотен и тысяч персональных ком­пьютеров.

В России в настоящее время используется около 5 тыс. фирменных мэйн­фреймов: IBM (ES/9000 установлены на автозаводах, металлургических ком­бинатах), Hitachi Data System, Fujitsu и др.

Кластер — группа компьютеров, объединенных высокоскоростными кана­лами связи и представляющих с точки зрения пользователя единую машину. Выделяют следующие группы кластеров:

• Кластеры высокой доступности. Создаются для обеспечения высокой до­ступности сервиса, предоставляемого кластером. Избыточное число узлов, входящих в кластер, гарантирует предоставление сервиса в случае отказа одно­го или нескольких серверов. Типичное число узлов — два, это минимальное количество, приводящее к повышению доступности. Создано множество про­граммных решений для построения такого рода кластеров. В частности, для OpenVMS, GNU/Linux, FreeBSD и Solaris существует проект бесплатного про­граммного обеспечения (ПО) — Linux-НА.
• Кластеры распределения нагрузки. Принцип их действия строится на рас­пределении запросов через один или несколько входных узлов, которые пере­направляют их на обработку в остальные, вычислительные узлы. Первоначаль­ная цель такого кластера — производительность, однако в них часто использу­ются также и методы, повышающие надежность. Подобные конструкции называются серверными фермами. ПО может быть как коммерческим (OpenVMS, MOSIX, Cluster, Platform LSF НРС, Sun Grid Engine, Moab Cluster Suite, Maui Cluster Scheduler), так и бесплатным (Linux Virtual Server).
• Вычислительные кластеры. Кластеры используются в вычислительных целях, в частности в научных исследованиях. Для вычислительных кластеров существенными показателями являются высокая производительность процес­сора при операциях над числами с плавающей точкой и низкая латентность объединяющей сети и менее существенными — скорость операций ввода — вы­вода, которая в большей степени важна для баз данных и web-сервисов. По сравнению с одиночным компьютером, вычислительные кластеры позволяют уменьшить время расчетов, разбивая задание на параллельно выполняющиеся ветви, которые обмениваются данными по связывающей сети. Одна из типич­ных конфигураций — набор компьютеров, собранных из общедоступных ком­понентов, с установленной на них операционной системой Linux, и связанных сетью Ethernet, Myrinet, InfiniBand или другими относительно недорогими се­тями.
• Системы распределенных вычислений (grid). Такие системы не принято счи­тать кластерами, но их принципы в значительной степени сходны с кластерной технологией. Их также называют grid-системами. Главное отличие — низкая доступность каждого узла, т.е. невозможность гарантировать его работу в за­данный момент времени (узлы подключаются и отключаются в процессе рабо­ты), поэтому задача должна быть разбита на ряд не зависимых друг от друга процессов. Такая система, в отличие от кластеров, не похожа на единый ком­пьютер, а служит упрощенным средством распределения вычислений. Неста­бильность конфигурации в таком случае компенсируется большим числом узлов.

Малые компьютеры — надежные, недорогие и удобные в эксплуатации; они обладают несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возмож­ностями.

Мини-компьютеры (и наиболее мощные из них супермини) обладают сле­дующими характеристиками:

• производительность — до MFLOPS;
• емкость дисковой памяти — 100 Гбайт... 10 Тбайт;
• число поддерживаемых пользователей— 16...512.

Все применяемые модели этого типа разрабатываются на основе микро­процессорных наборов интегральных микросхем, 16-, 32-, 64-разрядных микро­процессоров. Широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения, аппаратная реализация большинства системных функций вво­да — вывода информации, простая реализация микропроцессорных и много­машинных систем, высокая скорость обработки прерываний, возможность работы с форматами данных различной длины делают удобным их использо­вание в ИТ управления.

Основными признаками мини- и микрокомпьютеров являются шинная ор­ганизация системы, высокая стандартизация аппаратных и программных средств, ориентация на широкий круг потребителей.

К достоинствам этих компьютеров можно отнести: специфичную архитек­туру с большой модульностью, лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение про- изводительность/цена, повышенную точность вычислений. Такие компьютеры ориентированы на использование в составе управляющих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, бла­годаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой. Компьютеры успешно применяются для вычислений в многополь­зовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного про­ектирования, моделирования несложных объектов, искусственного интеллекта.

Персональный компьютер удовлетворяет требованиям общедоступности и универсальности применения и имеет следующие характеристики:

• малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивиду­ального покупателя;
• автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
• гибкость архитектуры, обеспечивающую ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;
• «дружественность» операционной системы и прочего программного обе­спечения, обусловливающую возможность работы с ней пользователя без спе­циальной профессиональной подготовки;
• высокую надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).

Созданный как вычислительная машина персональный компьютер, тем не

менее, все чаще используется как инструмент доступа в компьютерные сети. Персональные компьютеры предназначены для обработки информации на од­ном автоматизированном рабочем месте (АРМ), при этом их вычислительных ресурсов должно быть достаточно для поддержки такого рабочего места.

В сфере управленческой деятельности широкое применение нашли персо­нальные компьютеры, выпускаемые американскими фирмами — Compaq Computer, Apple (Macintosh), Hewlett Packard, Dell, DEC, а также фирмами Ве­ликобритании — Spectrum, Amstrad; Франции — Micral; Италии — Olivetty; Японии — Toshiba, Panasonic и Partner.

В начале 2000 г. мировой парк компьютеров составлял примерно 250 млн шт., из них около 90 % — это персональные компьютеры, в частности профес­сиональных ПК типа IBM PC насчитывалось более 100 млн шт. (около 75 % всех ПК); профессиональных ПК типа DEC — около 5 млн шт.

За рубежом самыми распространенными моделями компьютеров в настоя­щее время являются компьютеры с микропроцессорами Pentium и Pentium Pro.

Особую интенсивно развивающуюся группу компьютеров образуют много­пользовательские, применяемые в вычислительных сетях серверы. Серверы обычно относят к микроЭВМ, но по своим характеристикам мощные серверы скорее можно отнести к малым ЭВМ и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы приближаются к суперкомпьютерам.

Сервер — выделенный для обработки запросов от всех станций вычислитель­ной сети компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим си­стемным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.) и распределяющий эти ресурсы. Такой универсальный сервер часто называют сервером приложений.

Серверы в сети часто специализируются. Специализированные серверы ис­пользуются для устранения наиболее узких мест в работе сети: создание и управ­ление базами данных и архивами данных, поддержка многоадресной факси­мильной связи и электронной почты, управление многопользовательскими терминалами (принтеры, плоттеры) и др.

Быстроразвивающийся подкласс персональных компьютеров — портатив­ные компьютеры.

Портативные компьютеры можно разделить на «классические» (Laptop), блокнотные (Notebook), суперблокнотные (Subnotebook), карманные, или на­ладонники (Palmtop). Портативные ПК по своим техническим характеристикам и аппаратным возможностям приближаются к стационарным ПК, но имеют меньшие габаритные размеры и массу (от 100 г до 4 кг).

Большинство портативных компьютеров имеет автономное питание от ак­кумуляторов, но может подключаться и к сети.

В качестве видеомониторов у них применяются плоские с видеопроектором жидкокристаллические дисплеи, реже — люминесцентные для презентаций или газоразрядные.

Главной тенденцией развития вычислительной техники в настоящее время является дальнейшее расширение сфер применения ЭВМ и, как следствие, — переход от отдельных машин к их системам — вычислительным системам и комплексам разнообразных конфигураций с широким диапазоном функцио­нальных возможностей и характеристик.

Рассмотрим далее отдельно такие принципиальные группы технических средств, как устройства ввода информации, устройства вывода (отображения), компьютерные сети (устройства передачи).