Класифікація архітектури комп’ютера

По основним класифікаційним ознакам розрізняється два типи архітектури комп’ютера [1]:

-апаратна архітектура;

-програмна архітектура.

В свою чергу апаратна архітектура розділяється на такі типи:

-структурна архітектура.

-схемотехнічна архітектура.

-конструкторська архітектура.

Структурні показники дозволяють встановити наявність функціональних модулів (блоків) та їх взаємозв’язок в комп’ютері. Схемотехнічні показники стосуються характеристик мікропроцесорного комплексу. Конструкторські показники пов’язані з виявленням особливостей конструкторських рішень. Вони є основними для персональних комп’ютерів (ПК) при прийнятті рішення щодо розширення їх можливостей, тобто побудови ПК з відкритою архітектурою.

Програмна архітектура розглядає архітектурні показники комп’ютера з точки зору програміста. При деталізації програмної архітектури виділяються архітектурні характеристики центральної частини ПК та архітектурні частини решти функціональних модулів ПК. При цьому розглядаються структури даних, система сигналів та команд, способи адресації, методи управління та основні режими роботи.

Класифікація комп’ютерів досить різноманітна в залежності від вибраних класифікаційних ознак. Комп’ютери за призначенням розрізняються на такі типи:

1. Калькулятор - це електронний обчислювальний пристрій для виконання операцій над числами або алгебраїчними формулами;

2. Консольний комп’ютер -  це комп'ютер, що виконує підготовчі дії, потрібні для запуску основної комп'ютерної системи.З консольного комп'ютера, як правило, здійснюється конфігурування та тестування апаратного забезпечення основного комп’ютера, завантаження мікрокоду в його процесор, керування завантаженням операційної системи. Після закінчення завантаження консольний комп’ютер може виконувати функції системного терміналу та інженерного пульта.

3. Мінікомп’ютер - термін, поширений в 1960-1980-х рр.., щодо класу комп'ютерів, розміри яких варіювалися від шафи до невеликої кімнати. З кінця 1980-х років повністю витіснені персональними комп'ютерами, які мали назву «мікрокомп'ютери» в рамках старої класифікації.

4. Персональний комп’ютер – це електронна обчислювальна машина, призначена для особистого використання,ціна, розміри та можливості якої задовільняють потреби великої кількості людей.

В свій час персональні комп’ютери мають свою підкласифікацію:

4.1. Настільний комп’ютер – це стаціонарний персональний комп'ютер, призначений в першу чергу для роботи в офісі або в домашніх умовах.

4.2. Ноутбук (лептоп) - це портативний персональний комп'ютер, в корпусі якого об'єднані типові компоненти ПК,включаючи дисплей, клавіатуру і вказівний пристрій (звичайно сенсорна панель або тачпад), а також акумуляторні батареї.Ноутбуки відрізняються невеликими розмірами і вагою, час автономної роботи ноутбуків змінюється в межах від 1 до 15 годин. даному класі виділяють субноутбуки – це  легкі мобільні ПКмалого розміру з більшістю функцій стандартних ноутбуків. Субноутбуки мають менші розміри, ніж ноутбуки, але більші, ніж нетбуки.Субноутбуки мають трохи більшу потужність, ніж нетбуки, можуть довше працювати без джерела живлення. Але при цьому вони і коштують дорожче, ніж нетбуки. А також за даними параметрами вони поступаються ноутбукам. Тобто субноутбуки займають проміжне становище між ноутбуками (з класу яких вони «вийшли») та нетбуками (який є відокремленим класом субноутбуків). Нетбук — це невеликий мобільний комп'ютер, основне призначення якого полягає в доступі до Інтернету та роботі з офісними програмами. Нетбуки відрізняються компактними розмірами, невеликою вагою, низьким рівнем споживання електроенергії та відносно невисокою вартістю. Щоб уможливити щонайменші габарити та вагу, нетбуки зазвичай не обладнані дисководами для читання/запису оптичних дисків. До цього класу також входять смартбуки — це тип мініатюрного комп'ютера, що є чимось середнім між традиційним смартфоном і нетбуком.

4.3. Планшетний комп’ютер – це клас ноутбуків, обладнаних планшетним пристроєм рукописного введення, що є об'єднаним з екраном. Планшетний комп'ютер дозволяє працювати за допомогою спеціального пера, стилуса, або пальців, без використанняклавіатуриімиші. Користувач може вводити текст, використовуючи вбудовану програму розпізнавання рукописного введення, екранну (віртуальну) клавіатуру, розпізнавання мови, або звичайну клавіатуру (якщо вона є у складі пристрою). Планшетні комп’ютери розділяють таким чином:

- планшетний персональний комп’ютер;

- інтернет-планшет;

-електронна книга.

4.4. Ігрова приставка – це спеціалізований електронний пристрій, розроблений і створений для того, щоб грати у відеоігри. Найчастіше пристроєм виводу єтелевізорабомонітор.

4.5. Кишеньковий комп’ютер – це збірна назва класу портативних електронних обчислювальних пристроїв, спочатку запропонованих до використання як електронні органайзери. Кишеньковий портативний комп’ютер складається з процесора, пам'яті, звукової і відеосистем, екрану, слотів розширення, за допомогою яких йому можна додати пам'яті або можливостей, та клавіатури.

4.6. Комунікатор – це кишеньковий персональний комп'ютер, доповнений функціональністю мобільного телефону.

4.7. Смартфон – це мобільний телефон з розширеною функціональністю, порівняно з кишеньковим персональним комп'ютером (КПК).

Смартфони і комунікатори відрізняються від звичайних мобільних телефонів наявністю досить розвиненої операційної системи, відкритої для розробки програмного забезпечення сторонніми розробниками (операційна система звичайних мобільних телефонів закрита для сторонніх розробників). Встановлення додаткових програм дозволяє значно поліпшити функціональність смартфонів і комунікаторів в порівнянні із звичайними мобільними телефонами.

5. Робоча станція – це комплекс апаратних і програмних засобів, призначених для вирішення певного кола завдань.

Робоча станція як місце роботи фахівцяявляє собою повноціннийкомп'ютерабокомп'ютерний термінал(пристрої введення-виведення, відокремлені і часто віддалені від керуючого комп'ютера), набір необхідногоПЗ, за необхідністю доповнюються допоміжним обладнанням:друкувальним пристроєм, зовнішнім пристроєм зберігання даних намагнітнихта/абооптичнихносіях,сканер штрих-кодутощо.

6. Сервер – це комп'ютерулокальнійчи глобальній мережі, який надає користувачам свої обчислювальні і дискові ресурси, а так само доступ до встановлених сервісів; найчастіше працює цілодобово, чи у час роботи групи його користувачів.

7. Суперкомп’ютер - клас машин, що використовуються при вирішенні складних наукових та інженерних задач, які вимагають виконання великої кількості математичних операційта(чи) працюють з великими об'ємами даних.Поняття суперкомп'ютер є відносним в часі. Потужність комп'ютерної системи оцінюється в порівнянні з існуючими на певний момент комп'ютерними системами широкого використання та рівнем розвитку технологій.

Більш строгий підхід до класифікації базується на відслідковуванні використовуваних при створенні комп'ютерів технологій. Найраніші комп'ютери були повністю механічними системами. Тим не менше, вже у 1930-х рокахтелекомунікаційна промисловість представила розробникам нові електромеханічні компоненти (реле), а у1940-хбуло створено повністю електронні комп'ютери, які мали у своїй основіелектронні лампи. У1950—1960-х рокахна зміну лампам прийшлитранзистори, а в кінці1960-х— початку1970-х років— використовувані і сьогодні напівпровідниковіінтегральні схеми(кремнієві чіпи).

Одними з перших напівпровідниковихприладів булиточкові діодина основі сульфідасвинця(Pb) та окисуолова(Sn) в детекторнихрадіоприймачах. пізніше було розроблено напівпровідники на основігерманія(Ge). Ще пізніше було розроблено напівпровідники на основікремнія(Si).

Наведений перелік технологій не є вичерпним, він описує тільки основну тенденцію розвитку обчислювальної техніки. У різні періоди історії досліджувалась можливість створення обчислювальних машин на основі багатьох інших, нині забутих і часом досить екзотичних технологій.

На даний час ведуться серйозні роботи по створенню оптичних комп'ютерів, які використовують замість традиційноїелектрикисвітловісигнали. Інший перспективний напрям передбачає використання досягненьмолекулярної біологіїта дослідженьДНК. І, накінець, один з найновіших підходів, який здатний привести до грандіозних змін в області обчислювальної техніки оснований на розробціквантових комп'ютерів.

Проте, у більшості випадків технологія виконання комп'ютера є набагато менш важливою ніж закледні в його основу конструкторські рішення.

Розглянемо дану класифікацію більш детально:

1. Механічний комп’ютер. До цього класу належать аналогові обчислювальні машини. Аналогова обчислювальна машина (АОМ) — обчислювальна машина, яка обробляє інформацію, представлену в неперервній формі.

Загалом, аналогові машини — спеціально сконструйовані системи (моделі), призначені для відтворювання (моделювання) певних задач, співвідношень між неперервно зміннимифізичними величинами(машинними змінними).

Аналогові комп'ютери працюють у режимі реального часуі тому використовуються для спостереження і керування іншими подіями по мірі їх виникнення.

АОМ складаються з елементів, які за характером виконуваних математичних операцій діляться на лінійні, нелінійні і логічні..

Залежно від фізичної природи машинних величин розрізняють механічні, пневматичні, гідравлічні, електромеханічні і електронні АОМ. Найпоширеніші електронні АОМ, такі, що відрізняються значно ширшою смугою пропускання, зручністю сполучення декількох машин між собою і з елементами апаратури управління. Ці машини збираються з готових радіотехнічних вузлів і напівфабрикатів. Такі АОМ будуються в основному на базі багатокаскадних електронних підсилювачів постійного струму з великим коефіцієнтом посилення. Залежно від структури і характеру вхідного ланцюга і ланцюга зворотного зв'язку операційний підсилювач виконує лінійну або нелінійну математичну операцію або комбінацію цих операцій.

За структурою розрізняють АОМ з ручним і з автоматичним програмним управлінням. У першому випадку елементи перед початком роботи з'єднуються між собою відповідно до послідовності виконання математичних операцій, що задаються вихідним завданням. У машинах з програмним управлінням послідовність виконання окремих математичних операцій міняється в процесі рішення задачі відповідно до заданого алгоритму рішення. Зміну в ході рішення порядку виконання окремих операцій обумовлює переривистий характер роботи машини: період рішення змінявся періодом останову (для виконання необхідних комутацій). При такому режимі АВМ повинна забезпечуватися аналоговим пристроєм, що запам'ятовує.

Підвищення ефективності АОМ пов'язане з впровадженням в аналогову техніку цифрових методів, зокрема цифрових диференціальних аналізаторів, в яких окремі вирішальні елементи виконують математичні операції над приростами змінних, представлених в одному з цифрових кодувань, з передачею результатів від елемента до елемента за принципами АОМ. Вживання цифрових диференціальних аналізаторів, особливо послідовних, для спеціальних АОМ, не вимагаючих високої швидкодії, знижує загальний об'єм апаратури, хоча в останніх випадках вони за всіма технічними показниками і можливостями істотно поступаються цифровим обчислювальним машинам. Набагато більшими можливостями володіють гібридні обчислювальні системи, в яких вихідні величини представлені одночасно в цифровій і аналоговій формі.

2. Оптичний комп’ютер.

Оптичний комп'ютер - комп'ютер, заснований на використанніоптичних процесорів. На відміну від звичайних комп'ютерів, заснованих на електронних технологіях, в оптичних комп'ютерах операції виконуються шляхом маніпуляції потокамиоптичного випромінювання, що дозволяє досягти більшої продуктивності обчислень. Такий тип машин має ряд переваг: принципове підвищення продуктивності, можливе зменшення розмірів елементів схем, знижується споживана потужність.

Компанією «Lenslet» був випущений єдиний на даний момент комерційний оптичний процесор EnLight256. Особливістю його архітектури є те, що в той час, як ядро засноване на оптичних технологіях, всі входи і виходи - електронні. Цей процесор здатний виконувати до 8 × 10¹² операцій в секунду. Комп'ютер на базі EnLight256 здатний обробляти 15 відеоканалів стандарту HDTV в режимі реального часу і дозволяє створити новий напрям в голографічному 3D TV.

3. Електронний комп’ютер.

До цього класу компютерів належать сучасні електронні машини. При розгляді сучасних комп'ютерів найважливішою особливістю, що відрізняє їх від ранніх обчислювальних пристроїв, є те, що при відповідному програмуванні будь-який комп'ютер може повторювати поведінку будь-якого іншого (хоча ця можливість і обмежена, до прикладу, вмістимістю засобів зберігання даних чи відмінністю у швидкості).

Будову, структурні схеми, способи функціонування та інші характеристики електронних обчислювальних машин буде розглянуто детально в наступних розділах.

4. Квантовий комп’ютер.

Квáнтовий комп'́ютер — фізичний обчислювальний пристрій, функціонування якого полягає на квантових явищах.

Основним елементом квантового комп'ютера є квантовий біт, скорочено кубіт. На відміну від звичайного логічного елемента кубіт приймає значення не лише 0 і 1, а й значення довільної суперпозиції цих двох значень.

Набагато більший вибір значень кубіта створює можливість виконання паралельних обчислень.

Наявна елементна база, побудована на «кремнієвих» технологіях, дозволить триматися на такому рівні зростання зовсім недовго. Основним зі встановлених природою обмежень є тепло, яке виділяє будь-який електроприлад. Яким би незначним не було тепло, при зменшенні розмірів «приладу» воно все одно буде перешкоджати, особливо, коли ці розміри вимірюються мікронами чи частками мікрон. Ідея використання в комп'ютерах ефекту надпровідності виникла давно, але до 80-х років залишалася не більш, як привабливою, екстравагантною ідеєю. Дослідження показали, що відсутність тепловиділення— не основна перевага надпровідникової комп'ютерної техніки; хоча саме вона і дозволяє в тисячу разів збільшитишвидкодію і щільність заповнення. Використовуючи квантові ефекти, які виникають при надпровідності,комп'ютер може оперувати кількабітовими «зразками». Електрон, який пробігає мережею такого комп'ютера, буде одночасно виконувати роль і «ключа», іносія інформації. Структура квантового комп'ютера, його логіка стануть зовсім іншими, а сам комп'ютер матиме більше можливостей. Лихарєв вважає, що потенційним ринком для таких комп'ютерів будуть не «персоналки» чи текстові процесори, а мережеві комп'ютерні пристрої типу робочої станції.

Створені реально квантові комп'ютери досі оперували з дуже незначною кількістю кубітів. У 2007 році оголошено створення квантового комп'ютера із 16 кубітами.

5.Нанокомп’ютер.

Нанокомп'ютер – це обчислювальний пристрійна основі електронних (механічних, біохімічних, квантових) технологій з розмірами логічних елементів порядку декількохнанометрів.Сам комп'ютер, що розробляється на основі нанотехнологій, також має мікроскопічні розміри. Наразі створено нанотранзистори – основа нанопроцесора.

6.Біокомп’ютер.

Біокомп’ютер (ДНК-комп'ютер) — це обчислювальна система, що використовує обчислювальні можливостімолекулДНК.

В 1994роціЛеонард Едлман, професор університету Південної Каліфорнії, продемонстрував, що за допомогою пробірки з ДНК можна вельми ефектно розв'язати класичну комбінаторну «задачу комівояжера»(найкоротший маршрут обходу вершинграфа).Класична комп'ютерна архітектура вимагає безліч обчислень з випробуванням кожного варіанту.

Метод ДНКдозволяє відразу згенерувати всі можливі варіанти розв'язків за допомогою відомих біохімічних реакцій. Потім можливо швидко відфільтрувати саме ту молекулу-нитку, в якій закодована потрібна відповідь. Проблеми, що виникають при цьому:

-потрібна надзвичайно трудомістка серія реакцій, що проводяться під ретельним спостереженням;

-існує проблема масштабування завдання.

Біокомп'ютер Едлмана відшукував оптимальний маршрут обходу для 7 вершин графа. Але чим більше вершин графа, тим більше біокомп'ютеру вимагається ДНК-матеріалу. Було підраховано, що при масштабуванні методики Едлмана для розв'язку завдання обходу не 7 пунктів, а близько 200, вага ДНК для представлення всіх можливих розв'язків перевищить вагу нашої планети.

Кінцевий біоавтомат Шапіро — технологія багатоцільового ДНК-комп'ютера, що розробляється ізраїльським профессором Ехудом Шапіроз Вейцмановського інституту. Його основою є вже відомі властивості біомолекул, таких як ферменти. Принцип дії ДНК-комп'ютера схожий на принцип дії теоретичного пристрою, відомого в математиці як «кінцевий автомат» або машина Тюрінга.

Одним з найпростіших способів класифікувати різні типи обчислювальних пристроїв є визначення їх можливостей. Всі обчислювачі, таким чином, можуть бути віднесені до одного з трьох типів:

• спеціалізовані пристрої, які вміють виконувати тільки одну функцію (наприклад Антикітерський механізм 1987 року до н. е. чи нитковий віщун Вільяма Томсона1876року);

• пристрої спеціального призначення, які можуть виконувати обмежений діапазон функцій (перша Різницева машина Чарлза Беббіджата різноманітнідиференціальні аналізатори);

• пристрої загального призначення, які використовуються сьогодні. Назва комп'ютер застосовується, як правило, саме до машин загального призначення.