Архитектура больших ЭВМ

Все крупные вычислительные устройства параллельны и все многопроцессорны. Круг применяемых процессоров шире, чем для ПК, более 20 наименований. Чаще всего используют процессоры Pentium и процессоры серии Alpha. Применяется также техника фирм IBM, Hewlett Packard, Compac, Cray, Sun Mycrosystems и др. Производительность многопроцессорной техники измеряется в GFLOPS (Giga Floatings Operations Per Second) – миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой.

Мейнфреймы. Main – большой, frame – рамки, границы.

Это мощные вычислительные несетевые системы, с круглосуточным режимом эксплуатации. Они представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных высокоскоростными магистралями передачи данных. Основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры обеспечивают работу с сетями и периферийными устройствами. Стоимость мейнфреймов может составлять десятки и сотни тысяч долларов, их эксплуатация также обходится недешево.

Кластерные архитектуры. Это нечто промежуточное между компьютером и компьютерной сетью.

Кластерная архитектура – это комплекс специальным образом соединенных вычислительных машин, которые управляются единой операционной системой, имеют общее системное и прикладное программное обеспечение. При отказе одного процессора можно быстро перераспределить работу на другие процессоры кластера, при необходимости можно легко добавлять дополнительные устройства.

За счет применения параллельных масштабируемых архитектур достигается высокая производительность. Но для многих задач кластерные системы неприменимы.

Суперкомпьютеры. Состоят из однородных вычислительных узлов, включающих один или несколько процессоров, локальную память, сетевое и другие устройства. Прямой доступ к памяти другого узла невозможен. Общее число процессоров от нескольких тысяч до десятков тысяч. Программирование в рамках модели передачи сообщений. Области применения: научно-технические и экономические расчеты, оборонная тематика, моделирование глобальных явлений (климат, погода, деятельность человека и др.).

Существует ресурс www.top500.org, где регулярно публикуются сведения самых мощных компьютерах. Естественно, параметры компьютеров постоянно изменяются в сторону увеличения. Число процессоров в самых мощных компьютерах давно уже превышает миллион, а производительность составляет десятки тысяч TFLOPS, то есть измеряется в петафлопсах.

1.4. Операционные системы

Операционная система (ОС) – это комплекс программ, обеспечивающих согласованную работу пользователя со всем программным и аппаратным обеспечением компьютера. К основным функциям современных ОС относится следующее.

1. Обеспечение диалога с пользователем. Средствами диалога являются окна, значки-пиктограммы, списки меню и прочие объекты, которые мы видим на экране монитора. А также клавиатура, мышь и другие устройства ввода данных.

2. Обеспечение аппаратных интерфейсов, то есть согласованной работы всех системных и периферийных устройств компьютера. Для подключения аппаратуры используются специальные программы – драйверы, для каждого аппаратного устройства имеется свой драйвер.

3. Обеспечение программных интерфейсов, то есть согласованной работы всего программного обеспечения.

4. Поддержка файловых систем на жестком диске и на других средствах хранения данных, где находятся необходимые для работы программы и данные.

5. Включение в состав ОС прикладных программ, для решения наиболее распространенных, по мнению разработчиков, задач: управление файлами (перемещение, копирование, удаление и др.), просмотр и редактирование текста и рисунков, проигрыватели для звука и видео, запись на компакт-диски и многое другое.

Ведущие ОС (рисунок 1)

1. MS DOS корпорации Microsoft, в 80-90 годах ХХ века была ведущей для платформы IBM, сейчас практически не используется.

2. Windows, является наиболее распространенной операционной системой. Разработана корпорацией Microsoft для компьютеров платформы IBM. Разработчики Windows всегда стремились сделать Windows максимально простой в установке и понятной в использовании, предназначенной для обычного человека, без специальных знаний. Имеется два семейства Windows:

· Windows 9Х, к которому относятся Windows 95, 98, Millenium – это устаревшие ОС, ядром которых служит DOS;

· Windows NT (New Technology), включающее NT-4, 2000, XP, Vista – в них ядро написано на языке высокого уровня, имеется множество полезных усовершенствований.

3. Unix, сетевая операционная система для серверов Интернета и локальных сетей, для суперкомпьютеров. В этих областях Unix используется чаще, чем серверные варианты Windows. Для персональных компьютеров не применима. К достоинствам Unix относится открытый программный код, доступный для изменения и приспособления к конкретным задачам. Windows же предназначена не для программистов, а для пользователей, ее программный код закрыт.

4. Linux, представляет собой упрощенный вариант Unix, разработанный финским программистом Линусом Торвальдсом. Применима как в сетях, так и для ПК. Эта ОС для системных администраторов намного сложнее, чем Windows. Но зато сама система и прикладные программы на ее основе распространяются по всему миру практически бесплатно Такова политика руководства Linux и в этом ее огромное преимущество. Другое преимущество – открытый программный код.

5. ОС Android- самая распространенная система для смартфонов, планшетов и прочей мобильной техники, владелец – Google. Она основана на ядре Linux и имеет открытый программный код, поэтому приложения для Android создает не только Google, но множество других компаний и индивидуальных программистов. Androidуспешно выполняет свою задачу по управлению мобильной техникой, но для серьезной работы неприменима: в ней отсутствуют профессиональные приложения, имеющиеся в Windows и Macintosh. К тому же в приложениях Android присутствует много ошибок, в том числе за счет неопределенного числа создателей ПО для Android.

6. Для платформы Macintosh имеется своя операционная система, которая называется Mac OS (иногда просто System). Эта ОС так же проста и понятна в установке и использовании, как Windows. Но, в соответствии с закрытой архитектурой продуктов Apple, Mac OS существенно больше защищена от вмешательства со стороны пользователя. И пиратских прикладных программ под Macintosh несравнимо меньше.

Совместимость на уровне операционной системы относится к программному обеспечению компьютера – в каждой операционной системе имеется свой комплекс программ для решения сходных задач.

Существуют прикладные программы различного назначения: для расчетов, для работы с текстом, графикой, видео и т.д. Каждая прикладная программа может быть использована только в своей ОС, к которой она адаптирована.

Даже если программы в разных ОС одинаково называются (например Microsoft Office в Windows и в Mac OS), они все равно разные. Либо они не могут быть установлены в другой операционной системе, либо для установки разработаны специальные адаптирующие средства. Но это уже исключение, а не правило.

4. Системный блок ПК

Внутри корпуса (системного блока) ПК находятся его базовые устройства, без которых работа на компьютере невозможна. За пределами системного блока находятся средства, необходимые для диалога с пользователем: монитор, клавиатура и мышь. Вся эта аппаратура составляет базовую конфигурацию.

Остальное оборудование: принтер, сканер, звуковые колонки и пр. называется периферийными устройствами. Эти устройства могут быть очень полезны, но работать на ПК можно и без них. Периферийные устройства могут иметь внутреннее и внешнее исполнения. При внутреннем исполнении они размещаются внутри системного блока, при внешнем – в собственном корпусе. Например, модем может быть внешним и внутренним.

Важнейшие устройства внутри системного блока (о них будет подробно рассказано в других разделах):

Процессор (CPU) – микросхема, в которой производится вся обработка данных по программам пользователя и по служебным программам компьютера.

Оперативная память (RAM) – в нее загружаются программы и данные, необходимые для работы процессора.

Жесткий диск – долговременная память, в которой хранятся вся информация, имеющаяся в данном компьютере.

Оперативную память можно сравнить с рабочим столом, на котором собрано все, что требуется для работы в данный момент. А жесткий диск – с неким хранилищем, в котором собрано все, чем располагает компьютер.

Устройства для подключения внешней памяти (компакт-дисков, флэш-карт, дискет и др).

Видеокарта, аудиокарта. Они представляют собой отдельные вычислительные устройства, как бы самостоятельные компьютеры с собственным процессором, оперативной памятью и прочими компонентами.

4.1. Материнская плата

Материнская плата является центральным конструктивным узлом компьютера, на ней выполнены необходимые электрические цепи (шины) и микросхемы (чипы) в их узлах, а также разъемы для подключения различных устройств. Совокупность неразъемных шин и микрочипов называется чипсет. В чипсет входят многие нужные устройства, например генератор тактовой частоты, постоянная память, термодатчик.

Другие, еще более необходимые устройства выполнены отдельно и крепятся на материнской плате, подключаясь через специальные многоконтактные разъемы ­– слоты. Это центральный процессор, оперативная память, видео-, аудио-, сетевая карты и др.

Устройства внешней памяти: жесткий диск, дисководы для гибкого и компакт дисков закреплены вне материнской платы. Клавиатура, мышь, монитор, различная периферия подключаются через порты на задней стенке.

Но вся эта аппаратура, несмотря на описанные различия, на самом деле параллельно включены в системную шину материнской платы. Через системную шину проходят все информационные потоки компьютера. Хотя устройства для работы с графикой, звуком, сетевые подключения подключены не непосредственно, а через соответствующие карты.

Генератор тактовой частоты. В основе работы компьютера лежит тактовый принцип, тот же, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное число тактов. Этим достигается слаженность всех процессов в компьютере, подобно тому, как в оркестре ритм исполнения задается взмахами дирижерской палочки.

В персональном компью­тере тактовые импульсы задает генератор тактовой частоты, расположенный на материнской плате. Сегодня лучшие материнские платы имеют тактовую частоту, несколько превышающую 1 Ггц (гигагерц).

1 герц – это одна операция в секунду. 1 гигагерц – это 10⁹ или миллиард операций в секунду.

К сожалению, дальше в принципе невозможно увеличивать тактовую частоту операций на материнской плате и на связанных с ней устройствах. Дело в том, что работа устройств обработки информации настолько усовершенствовалась, что скорость обработки стала тормозиться скоростью распространения электрического тока. Другие ограничивающие факторы удалось устранить.

А электрический ток распространяется со скоростью света: 300 тысяч километров в секунду. И скорости, превышающей скорость света, не может быть, это следует из теоретической физики, из теории относительности Эйнштейна.

Таким образом, к сожалению, достигнут предел скорости обработки информации в материнской плате компьютера. Но, разумеется, это относится только к современной конструкции компьютера, построенной из микрочипов.

А сейчас активно проводятся исследования по созданию принципиально иных вычислительных устройств: квантовых компьютеров, в которых все вычисления будут проводится на 30-40 атомах, «подвешенных» в пространстве. Здесь открываются безграничные перспективы…

4.2. Процессор

Процессор — базовая микросхема компьютера, в которой производится задаваемая программой обработка данных. В компьютере есть много других микросхем, и в каждой из них осуществляется обработка каких-то служебных данных, нужных для его работы. Но все данные, с которыми имеет дело пользователь компьютера, обрабатываются только в процессоре.

Все данные и команды в процессоре существуют в виде машинного кода, то есть последовательности нулей и единиц. Физически это соответствует наличию или отсутствию напряжения, или заряда. Ничего другого в процессоре нет. Буквы, числа, рисунки и все остальное поступает в процессор только в виде последовательности нулей и единиц.

Конструктивно процессор состоит из миллионов, даже миллиардов ячеек, называемых также регистрами. Их размеры очень малы, здесь используются нанотехнологии.

Совокупность всех возможных команд над данными, которые может выполнить процессор, образует систему команд процессора.

Скажем, в обычных калькуляторах имеется микросхема – «процессор» из четырех команд: сложение, вычитание, умножение, деление. В какой-нибудь стиральной машине тоже присутствует микрочип с ограниченным набором команд. Ну а современные процессоры содержат свыше 1000 различных команд, арифметических и логических.

Процессоры для персональных компьютеров производят только 2 компании: Intel и AMD. К продукции Intel относятся процессоры семейств Pentium, Celeron, Xeon. К AMD относятся Athlon, Duron.

Раньше и другие компании выпускали процессоры для ПК, но сейчас эти процессоры неконкурентоспособны и используются либо для техники более низкого уровня (калькуляторов, мобильных телефонов, переводчиков и пр), либо в многопроцессорных системах суперкомпьютеров. В современных суперкомпьютерах соединяются вместе сотни, тысячи, даже сотни тысяч процессоров. Но, как ни странно, требования к этим процессорам менее жесткие, чем к ПК.