1.2.2 Класифікація комп’ютерів

Комп’ютери можна класифікувати за багатьма ознаками, що призводить іноді до різного тлумачення термінів.

За призначенням комп’ютери можна поділити на універсальні, проблемно-орієнтовані та спеціалізовані.

Універсальні комп’ютери використовують для вирішення задач, які характеризуються складністю алгоритмів, великим обсягом оброблюваної інформації та вимагають високої продуктивності обчислювальних засобів. Це задачі математичні, інженерно-технічні, інформаційні, космічної галузі тощо.

Проблемно-оріентовані комп`ютери призначені для керування телекомунікаційними пристроями, роботами, різними технологічними процесами і потребують меншої продуктивності та обчислювальних ресурсів. До них можна віднести робочі станції, які е призначені для виконання графічних, інженерних, проектувальних, видавницьких робіт тощо.

Спеціалізовані комп’ютери призначені для керування простими технічними пристроями, процесами, використовуються для спрощення та узгодження роботи вузлів обчислювальних систем.

За розміром і обчислювальною потужністю комп’ютери можна поділити на суперкомп’ютери, великі, малі, мікрокомп’ютери.

Суперкомп’ютери призначені для вирішення задач керування складними оборонними комплексами, моделювання екологічних систем, прогнозування погоди, тощо.

Великі комп’ютери часто називають також майнфреймами. Вони призначені для вирішення науково-технічних задач, роботи з великими базами даних, керування мережами та їхніми ресурсами.

Малі комп’ютери орієнтовані на використання у керувальних обчислювальних комплексах, системах автоматизованого проектування, моделювання та штучного інтелекту.

Мікрокомп’ютери можна поділити на багатокористувацькі, які є оздоблені кількома відеотерміналами та персональні комп’ютери, однокористувацькі, які задовольняють вимоги універсальності використання.

Структурна схема персонального комп’ютера показана на рис. 1.5.

Мікропроцесор є центральним блоком персонального комп’ютера. Він призначений для керування роботою усіх блоків ПК та виконання арифметичних та логічних операцій над даними.

До складу мікропроцесора входять:

1. Арифметико-логічний пристрій (АЛП), який призначений для виконання усіх арифметичних та логічних операцій над числовими та символьними даними. У деяких моделях ПК для прискорення виконання операцій до АЛП підмикається додатковий математичний співпроцесор.

2. Керувальний пристрій (КП) формує та подає на всі блоки ПК у визначені моменти часу певні сигнали керування, які обумовлені специфікою виконуваної операції і результатами попередніх операцій; формує адреси пам’яті і передає їх до відповідних пристроїв та вузлів комп’ютера; опорну послідовність імпульсів керувальний пристрій отримує від генератора тактових імпульсів.

3. Надоперативний запам’ятовувальний пристрій (НОЗП) призначений для короткочасного зберігання, запису та видачі інформації безпосередньо у найближчі такти роботи мікропроцесора. НОЗП побудований на регістрах. Кеш-пам’ять команд та даних — це буферна пам’ять між мікропроцесором та оперативним запам’ятовувальним пристроєм або мікропроцесором та зовнішніми нагромаджувачами.

4. Інтерфейсна система мікропроцесора призначена для сполучення та зв’язку з іншими пристроями ПК; вона вміщує внутрішній інтерфейс мікропроцесора, буферні запам’ятовувальні регістри та схеми керування портами введення-виведення та системною шиною ПК.

Рисунок 1.5 — Структурна схема ПК

5. Порт введення-виведення (I/O port) — це апаратура сполучення, яка дозволяє підмикати до мікропроцесора інший пристрій ПК або периферійні пристрої.

6. Генератор тактових імпульсів генерує послідовність електричних імпульсів, частота яких визначає тактову частоту ПК. Частота генератора тактових імпульсів є одною з основних характеристик ПК і у значній мірі визначає його продуктивність; кожна операція у ПК виконується за фіксовану кількість тактів.

Системна шина — це основна інтерфейсна система комп’ютера, яка забезпечує сполучення та зв’язок усіх його вузлів між собою.

Системна шина має у своєму складі:

• шину даних (ШД), яка створюється зі з’єднувальних ліній та схем сполучення для паралельного передавання усіх розрядів числового коду операнда;

• шину адреси (ША), яка вміщує з’єднувальні лінії та схеми сполучення для паралельного передавання коду адреси комірок основної пам’яті та порту введення-виведення зовнішнього пристрою;

• шину керування (ШК), яка складається зі з’єднувальних ліній та схем сполучення для передавання керувальних сигналів в усі блоки ПК;

• шину живлення, яка вміщує також з’єднувальні лінії та схеми сполучення для підмикання блоків ПК до системи енергоживлення.

Системна шина забезпечує обмін даними між мікропроцесором та основною пам’яттю, між мікропроцесором та портами введення-виведення зовнішніх пристроїв, між основною пам’яттю та портами введення-виведення зовнішніх пристроїв у режимі прямого доступу до пам’яті.

Усі зовнішні пристрої ПК через їх порти введення-виведення підмикаються до системної шини або безпосередньо, або через контролери (адаптери). Керування системною шиною ПК здійснюється частіш за все через додаткову мікросхему — контролер шини, який формує основні сигнали керування. Обмін даними між зовнішніми пристроями та системною шиною виконується з використанням ASCII-кодів.

Основна пам’ять призначена для керування та оперативного обміну інформацією з іншими блоками ПК. Основна пам’ять складається з постійного (ПЗП) та оперативного (ОЗП) запам’ятовувальних пристроїв:

• ПЗП (ROM — Read Only Memory) призначений для зберігання програмної та довідкової інформації, яка не змінюється; дозволяє тільки зчитувати інформацію, яка в ньому зберігається;

• ОЗП (RAM — Random Access Memory) динамічного та статичного типу призначений для оперативного запису, зберігання та зчитування інформації (програм та даних), які безпосередньо беруть участь у інформаційно-обчислювальному процесі.

Вимогами до оперативної пам’яті є її висока швидкодія та можливість доступу до будь-якої комірки пам’яті окремо. ОЗП є енергозалежною.

Крім основної пам’яті, у ПК є енергонезалежна пам’ять CMOS RAM (Complementary Metall-Oxide Semiconductor RAM), яка живлиться від свого акумулятора; у ній зберігається інформація про апаратну конфігурацію ПК, яка перевіряється при кожному включенні ПК.

Зовнішня пам’ять є зовнішнім пристроєм ПК і використовується для зберігання усього програмного забезпечення ПК. Найбільш розповсюдженими видами зовнішньої пам’яті є нагромаджувачі на жорстких (НЖМД) та гнучких (НГМД) магнітних дисках, нагромаджувачі на оптичних дисках (CD-ROM — Compact Disk Read Only Memory) та CD-RW, які дозволяють багаторазовий запис інформації.

Flach — пам’ять з багаторазовим електричним стиранням та записуванням інформації.

Призначення зовнішніх нагромаджувачів — зберігання великих обсягів інформації, запис та видача її по запиту у ОЗП. Зовнішня пам’ять є енергонезалежною.

Джерело живлення — це блок автономного та мережного енергоживлення.

Таймер — вбудований у ПК електронний годинник реального часу, який дозволяє автоматично видавати поточний момент часу (рік, місяць, години, хвилини. секунди та долі секунд). Таймер підмикається до автономного джерела живлення — акумулятора, і при відключенні ПК від мережі продовжує працювати.

Зовнішні пристрої (ЗП) ПК забезпечують його взаємодію з зовнішнім інформаційним середовищем: користувачами, об’єктами керування, іншими комп’ютерами тощо.

До зовнішніх пристроїв відносяться:

• зовнішня пам’ять ПК;

• пристрої введення інформації;

• пристрої виведення інформації;

• діалогові засоби користувача;

• засоби зв’язку та телекомунікацій.

До пристроїв введення інформації відносяться:

• клавіатура;

• сканери;

• миша тощо.

До пристроїв виведення інформації відносяться:

• принтери;

• графопобудовники.

Контролер USB (Universal Serial Bus) дозволяє підмикання до універсальної послідовної шини Flach-пам’яті, цифрових телевізійних камер, 10-Мбіт адаптерів Ethernet, багатопортових конверторів (USB to COM/USB-to-LBT), ноутбуків, клавіатур, цифрових фотоапаратів, CD-ROM, CD-RW, цифрових відеокамер тощо.

Пристрої зв’язку та телекомунікацій використовуються для зв’язку з приладами та іншими засобами автоматизації (цифро-аналогові та аналого-цифрові перетворювачі, адаптери тощо), а також для підключення ПК до каналів зв’язку з метою обміну інформацією по мережі, у складі обчислювальних систем (мережні інтерфейсні плати та карти, модеми, мультиплексори передавання даних).

До діалогових засобів відносяться відеотермінал, керований відеокартою, та пристрої мовного введення-виведення інформації, керовані звуковою картою. До засобів мультимедіа відносяться мікрофони, відеокамери, акустичні та відеосистеми тощо.

Математичний співпроцесор використовується для виконання операцій над двійковими числами з фіксованою та плавучою точкою, для обчислення трансцендентних, у тому числі тригонометричних функцій. Співпроцесор працює паралельно з основним мікропроцесором, що значно підвищує прискорення виконання операцій. Сучасні моделі мікропроцесорів часто інтегрують співпроцесор до своєї структури.

Контролер прямого доступу до пам’яті (DMA — Direct Memory Access) забезпечує обмін між зовнішніми пристроями та оперативною пам’яттю без участі мікропроцесора, що підвищує ефективність роботи ПК у цілому. Процесор під час обміну даними між зовнішніми пристроями та оперативною пам’яттю може обробляти інші дані або навіть вирішувати іншу задачу.

Співпроцесор введення-виведення працює паралельно з мікропроцесором і обслуговує кілька зовнішніх пристроїв (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД тощо) та звільнює процесор від оброблення процедур введення-виведення, у тому числі реалізує режим прямого доступу до пам’яті.

Контролер переривань обслуговує запити переривань від зовнішніх пристроїв за допомогою процедур переривань. Контролер приймає запит, визначає пріоритет цього запиту та визначає права конкретного зовнішнього пристрою на його обслуговування. Він посилає у мікропроцесор сигнал переривання та повідомляє його про номер або адресу обслуговуваного пристрою або про адресу першої команди підпрограми оброблення цього запиту. Мікропроцесор призупиняє виконування поточної програми та виконує підпрограму обслуговування переривання. Після завершення підпрограми мікропроцесор повертається до виконання перерваної програми.

Контролер переривань є програмований. Режим переривань використовується у ПК постійно, усі процедури введення-виведення виконуються за запитами зовнішніх пристроїв на переривання. Системний таймер здійснює перемикання задач, вирішуваних на ПК у багатозадачному режимі, кожні 2 мс.

Слід відмітити особливості термінології щодо комп’ютерів, об’єднаних в обчислювальні та інформаційні мережі.

Використання комп’ютерів у мережах визначається їх програмним забезпеченням та встановленим додатковим устаткуванням.

Мережні комп’ютери – це спрощені мікрокомп’ютери, які забезпечують роботу у мережі та доступ до мережних ресурсів. Вони часто оздоблені відеотерміналом, клавіатурою і іноді не мають навіть жорсткого диску. Такі комп’ютери можуть спеціалізуватись на виконанні певних робіт: захисту мережі від несанкціонованого доступу, перегляду мережних ресурсів, організації електронної пошти тощо.

Робочі станції у мережах — це персональні комп’ютери, які є об’єднані у мережу і виступають як вузли цієї мережі.

Сервер – це багатокористувацький потужний мікрокомп’ютер, призначений для оброблення запитів від усіх робочих станцій мережі.

Проксі-сервер — це робоча станція, на якій встановлено спеціалізоване програмне забезпечення для безпосереднього зв’язку локальних мереж з інтернет.

Наведена термінологія складалась на протязі кількох десятків років і відображує стани розвитку обчислювальних систем та мереж на базі електронних обчислювальних машин (ЕОМ). Розвиток потужних мікропроцесорів призвів до того, що у інформаційних та телекомунікаційних мережах у якості кінцевих вузлів найчастіше використовуються персональні комп’ютери. Для вирішення складних задач керування та моделювання актуальним є застосування великих та суперкрмп’ютерів.

Найбільш перспективною технологією побудови великих та суперкомп’ютерів є кластерні обчислювальні системи — групи високоефективних процесорів, об’єднаних у кластери. Їх перевагою є можливість гнучкого регулювання необхідної потужності системи шляхом підключення до кластеру звичайних серійних серверів за допомогою спеціальних апаратних та програмних інтерфейсів. Кластерізація дозволяє маніпулювати групою серверів як одною системою, забезпечувати доступ будь-якого сервера до будь-якого блоку оперативної та дискової пам’яті. Кластерні системи характеризуються спрощеним керуванням під операційними системами, наприклад, Windows 2000 Enterprise фірми Microsoft; її компонент Wolfpack забезпечує також функції діагностики збоїв та відновлення системи.

Створити високопродуктивні комп’ютери на одному мікропроцесорі неможливо через обмеження, зумовлені кінцевою швидкістю розповсюдження електромагнітних хвиль (300 000 км/с), тому що час розповсюдження сигналу на відстань кілька міліметрів, яка складає розмір боку МП при швидкодії 100 млрд операцій у секунду стає вже відповідним до часу виконання однієї операції. Тому суперкомп’ютери створюються як високо паралельні системи.

У 2005 році Національна академія Наук України створила в Інституті кібернетики ім. Глушкова (Київ) суперкомп’ютерний обчислювальний центр (СОЦ) на базі двох високопродуктивних кластерних систем СКІТ-1 та СКІТ-2 – 32-процесорного кластера на процесорах Intel Xeon та 64-процесорного — на процесорах Intel Itanium2.

Кластерна система СКІТ-1 (суперкомп’ютер для інформаційних технологій) — це 32-процесорний 16-узловий кластер на основі 32-розрядних мікропроцесорів Intel Xeon, з піковою потужністю не менш 170 Гігафлопс (мільярдів операцій з плавучою крапкою у секунду) та можливістю підвищення продуктивності до 0,5 — 1 Терафлопс (трильйони операцій з плавучою крапкою у секунду). Кластер працює під керуванням головної операційної системи ALT Linux.

Система СКІТ-2 – це 64-процесорний 32-вузловий кластер на основі мікропроцесорів Intel Itanium2 з частотою 1,4 ГГц з розрядністю 64 біти і можливістю виконувати обчислення з 128 та 256-бітовою інформацією.

Пікова потужність кластера до 300 Гфлопс з можливістю її підвищення до 2 — 2,5 Гфлопс, підсистемою пам’яті 1 Гбайт і можливістю нарощування потужності до 10 — 15 Гбайт. Кластер працює під керуванням головної операційної системи Red Hat Enterprise.

Основними перевагами кластерних суперкомп’ютерних систем є:

• висока сумарна потужність;

• висока надійність системи;

• найкраще відношення потужність/вартість;

• можливість динамічного перерозподілу навантажень між серверами;

• легка масштабованість за рахунок підключення додаткових серверів;

• зручність керування та контролю роботи системи.

Суперкомп’ютери можуть мати також модифіковані структури — MMISD, паралельно-конвеєрна MISD-структура у суперкомп’ютері Ельбрус; MSIMD, паралельно-векторна модифікація, яка застосована у суперкомп’ютері Cray 2.

Слід відмітити, що багато ідей, втілених на протязі десятків років у розроблених у різних країнах ЕОМ та комп’ютерах, знайшли застосування у сучасних мікропроцесорах.

Контрольні запитання:

1. З якою метою будуються кластерні суперкомп’ютери?

2. Які сучасні операційні системи керують кластерними системами?

3. Які новітні розробки українських вчених у області суперкомп’ютерів Ви знаєте?

4. Яку потужність має сучасний суперкомп’ютер, розроблений українськими вченими?

5. Які переваги кластерних суперкомп’ютерних систем Ви знаєте?

6. Що є архітектура обчислювальних систем?

7. Які режими обчислювальних систем Ви знаєте?

8. Які різновиди багатопроцесорних систем Ви знаєте?

9. За яким принципом працює конвеєрна ОС?

10. За яким принципом працює векторна ОС?

11. За яким принципом працює матрична ОС?

12. З яких вузлів складається ПК?

13. З яких вузлів складається мікропроцесор?

14. Які параметри комп’ютера слід враховувати при його виборі?