примерx

1
2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВС ПО ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫМ ВОЗМОЖНОСТЯМ
По вычислительным возможностям и размерам ЭВМ и вычислительные
системы (ВС) можно разделить (рис. 2.2) на супер-ЭВМ, большие ЭВМ или
Мейнфреймы, персональные ЭВМ и встраиваемые микро-ЭВМ.
ЭВМ и ВС
Суперкомпьютеры
SMP
MPP
кластеры
Персональные
суперкомпьютеры
ПК
Мейнфреймы
стационарные
(настольные)
Микро-ЭВМ
переносные
Однопользовательские ПК
Рабочие станции
Ноутбуки
Микроконтроллеры
СнК
(системы на
кристалле)
Планшеты
Карманные
Серверы
Рис. 2.2. Классификация ЭВМ по вычислительным возможностям
Вычислительные возможности ЭВМ обуславливаются основными
технико-эксплуатационными характеристиками.
Некоторые сравнительные параметры названных классов современных
ЭВМ приведены в таблице 1.2.
Табл. 1.2.
Сравнительные параметры различных классов ВС
Параметр
Супер-ЭВМ
Мейнфреймы
Персональные Микро-ЭВМ
ЭВМ
Производитель порядка 101
ность
PFLOPS
≈104-5 MIPS
порядка 0.1
ТFLOPS
≈102 MIPS
Количество
процессорных
ядер
≈104-105 (216 ядер на 1
процессор)
порядка 102
порядка 101
1
≈102 Мбайт
на один
процессор
до ≈ 104-5
петабайт
≈
от 10 Мбайт
до1-10 Гбайт
до неск. сот
Мбайт
Емкость ОП
2
2
Разрядность
бит
64
32-64
32-64
8-64
Суперкомпьютеры – уникальные единичные экземпляры мощных,
высокоскоростных вычислительных систем, значительно превосходящих по
своим техническим параметрам большинство существующих ЭВМ и ВС.
В настоящее время суперкомпьютерами принято называть компьютеры с
огромной вычислительной мощностью (порядка PFLOPS), что недостижимо на
одном процессоре в связи из-за конечной скорости распространения
электромагнитных волн (300 000 км/сек) в рамках одного устройства. Поэтому
суперкомпьютеры с такой производительностью создаются в виде
высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем.
Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой
вычислительную систему с массовым параллелизмом (MPP-системы: Massively
Parallel Processors), объединятющие в себе сотни и даже тысячи отдельных
параллельно соединённых скалярных процессоров. Причём ими могли служить
не только специально разработанные, но и общеизвестные и доступные в
свободной продаже процессоры.
Определение понятия суперкомпьютер не раз было предметом
многочисленных споров и дискуссий. В общеупотребительный лексикон
термин
«суперкомпьютер»
вошёл
благодаря
распространённости
компьютерных систем Сеймура Крея (CDC 6600, CDC 7600, Cray-1,…4),
которые по сути становились основными вычислительными средствами
правительственных, промышленных и академических научно-технических
проектов США с середины 60-х годов до 1996 года. Большинство
суперкомпьютеров 70-х оснащались векторными процессорами, а к началу и
середине 80-х небольшое число (от 4 до 16) параллельно работающих
векторных процессоров практически стало стандартным суперкомпьютерным
решением. Конец 80-х и начало 90-х годов охарактеризовались сменой
магистрального направления развития суперкомпьютеров от векторноконвейерной обработки к большому (SMP-системы) и сверхбольшому (MPPсистемы) числу параллельно соединённых процессоров. Симметричные
мультипроцессоры (англ. Symmetric MultiProcessing) – архитектура
многопроцессорных компьютеров, в которой два или более одинаковых
процессоров подключаются к общей памяти и позволяют любому процессору
работать над любой задачей независимо от того, где в памяти хранятся данные
для этой задачи. Большинство многопроцессорных систем (но не
суперкомпьютеров) сегодня используют архитектуру SMP.
Массово-параллельная архитектура (англ. Massive Parallel Processing,) –
класс архитектур, особенность которых состоит в том, что память физически
разделена. Система строится из отдельных узлов, содержащих процессор,
локальный банк оперативной памяти, коммуникационные процессоры или
сетевые адаптеры, иногда — жёсткие диски и другие устройства ввода-вывода.
Доступ к банку оперативной памяти данного узла имеют только процессоры из
3
этого же узла. Узлы соединяются специально разработанными для данной ВС
коммуникационными каналами (и потому уникальными и очень дорогими).
Большинство массивно-параллельных компьютеров создавалось на основе
мощных процессоров с архитектурой RISC, наподобие PowerPC или PA-RISC.
Другой способ построения сверхмощной ВС – создание компьютерных
кластеров. Эти системы характеризует использование отдельных компьютеров
или узлов на основе дешёвых и широко доступных компьютерных
комплектующих для серверов и персональных компьютеров, объединённых
при помощи высокоскоростной магистрали и программно-аппаратных
решений. Такой способ получил широкое распространение в конце 90-х годов
прошлого века. Несмотря на кажущуюся простоту, кластеры довольно быстро
заняли достаточно большой сегмент суперкомпьютерного рынка, обеспечивая
высочайшую производительность при минимальной стоимости решений.
Суперкомпьютеры используются для работы с приложениями,
требующими наиболее интенсивных вычислений (например, прогнозирование
погодно-климатических условий, моделирование ядерных испытаний и т. п.).
Это отличает их от серверов и мейнфреймов – 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.
В настоящее время в мире насчитывается несколько сотен супер-ЭВМ
[3]. В ноябре 2012г. список самых производительных суперкомпьютеров мира
возглавил американский суперкомпьютер Titan (с архитектурой МРР)
производства компании Cray с пиковым быстродействием 27,113
квадриллиона операций с плавающей запятой в секунду (PFLOPS) и с общим
числом ядер – 560640. По состоянию на ноябрь 2012 года система имела 18
688 процессоров AMD Opteron 6274 (16 ядер в каждом) и 18688 ускорителей
(GPU) Nvidia Tesla.
Далее в списке следуют американский же суперкомпьютер Sequoia (с
архитектурой МРР) производства IBM (1572864 процессорных ядра) с
пиковым быстродействием в 20,133 PFLOPS, и японский K-computer (с
кластерной архитектурой) фирмы Fujitsu (705024 процессорных ядра) с
пиковым быстродействием в 11,28 PFLOPS, и др [3].
Наивысшее место, занятое Россией – 12-е в ноябре 2009 года, с
суперкомпьютером Ломоносов (кластерная архитектура). На ноябрь 2012 года
после обновления суперкомпьютер Ломоносов занимает 26-е место c
производительностью 1,7 PFLOPS.
Мейнфреймы (от англ. «Mainframe») – большые универсальные
высокопроизводительные ВС со значительным объёмом оперативной и
внешней памяти, предназначенные для организации централизованных
4
хранилищ данных большой ёмкости и выполнения интенсивных
вычислительных работ. В контексте общей вычислительной мощности
мейнфреймы проигрывают суперкомпьютерам и включают меньшее
количество процессоров. Однако их число в мире значительно выше количества
суперкомпьютеров.
Историю мейнфреймов принято отсчитывать с появления в 1964 году
универсальной компьютерной системы IBM System/360. Сам термин
«мейнфрейм» происходит от названия типовых процессорных стоек этой
системы. В 1960-х – начале 1980-х годов System/360 была безоговорочным
лидером на рынке. Её клоны выпускались во многих странах, в том числе – в
СССР (серия ЕС ЭВМ: 1971-1995гг).
Мейнфреймы IBM используются в более чем 25 000 организациях по
всему миру (без учёта клонов), в России их по разным оценкам от 1500 до 7000
(с учётом клонов). Около 70 % всех важных бизнес-данных обрабатываются на
мейнфреймах.
В начале 1990-х начался кризис рынка мейнфреймов из-за дороговизны,
больших размеров, сложности обслуживания и отсутствия совместимости с
другими платформами. Многие аналитики заговорили о полном вымирании
мейнфреймов, о переходе от централизованной обработки информации к
распределённой на основе Unix- и PC-серверов (с помощью персональных
компьютеров, объединённых двухуровневой архитектурой «клиент-сервер»).
Переход на новую элементную базу (технология КМОП) и 64-разрядную
архитектуру позволил значительно снизить уровень энергопотребления
мейнфреймов, упростить требования к системе электропитания и охлаждения,
повысить производительность и уменьшить габариты. Современные
мейнфреймы перестали быть закрытой платформой: они способны
поддерживать на одной машине сотни серверов с различными операционными
системами (ОС).
С 1994 года вновь начался рост интереса к мейнфреймам. Дело в том, что,
как показала практика, централизованная обработка данных или
централизованные вычисления на мейнфреймах решает многие задачи
построения информационных систем масштаба предприятия проще и дешевле,
чем распределённая обработка информации с помощью локальной сети.
Особенности и характеристики современных мейнфреймов заключаются
в следующем.
1. Высокая надёжность (среднее время наработки на отказ оценивается в 12-15
лет).
2. Повышенная устойчивость систем. Мейнфреймы могут изолировать и
исправлять большинство аппаратных и программных ошибок за счёт

дублирования (по два резервных процессора, резервные модули памяти,
альтернативные пути доступа к периферийным устройствам);

горячей замены (без отключения питания) всех элементов вплоть до
каналов, плат памяти и центральных процессоров).
5
3. Целостность данных. В мейнфреймах используется память с коррекцией
ошибок на основе RAID-массивов с горячей заменой и встроенных средств
резервного копирования защищают от потерь данных. Ошибки не приводят к
разрушению данных в памяти, или данных, ожидающих вывода на внешние
устройства.
4. Пропускная способность. Подсистемы ввода-вывода мейнфреймов
разработаны так, чтобы работать в среде с высочайшей рабочей нагрузкой на
ввод-вывод данных.
5. Масштабирование. Вертикальное масштабирование обеспечивается
возможностью наращивания до дюжины центральных процессоров в одном
компьютере с производительностью от 5 до 200 MIPS. Горизонтальное
масштабирование
реализуется
объединением
нескольких
десятков
географически
распределённых
ЭВМ
в
многомашинный
кластер
(Sysplex=System Complex), выглядящий с точки зрения пользователя единым
компьютером. Программное масштабирование – на одном мейнфрейме
может быть сконфигурировано несколько сотен различных серверов. Причем
все серверы могут быть изолированы друг от друга так, как будто они
выполняются на отдельных выделенных компьютерах и в то же время
совместно использовать аппаратные и программные ресурсы и данные.
6. Встроенная аппаратная система защиты (криптографические устройства)
и средства защиты операционных систем (Logical Partition Access Resources),
дополненные программными продуктами RACF или VM:SECURE,
обеспечивают надёжную защиту.
На данный момент доминирующее положение на мировом рынке
занимают мейнфреймы фирмы IBM (IBM System z10 [4] с количеством
процессоров до сотни с пиковым быстродействием до 1600 MIPS каждый,
пропускной способностью канала ввода-вывода до 288 GB/сек), затем Hitachi,
Fujitsu и Amdahl.
В сравнении с суперкомпьютерами, которые используются для научных и
инженерных задач (например, в области метеорологии или моделирования
ядерных процессов), мейнфреймы применяются для работы с большими базами
данных, управления сетевыми ресурсами. Мейнфреймы нацелены на
целочисленные операции с высокой скоростью обмена данными, на надёжность
защиты данных и одновременную обработку множества процессов (например,
инвентаризация товаров, резервирование авиабилетов, банковские операции).
Производительность мейнфреймов, как правило, вычисляется в MIPS, а
суперкомпьютеров – во FLOPS.
Персональные компьютеры (ПК) должны удовлетворять требованиям
общедоступности и универсальности применения и иметь следующие
характеристики:
 малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для
индивидуального покупателя;
 автономность эксплуатации без специальных требований к условиям
окружающей среды;
6
 «дружественность» операционной системы и прочего программного
обеспечения для пользователя;
 высокую надежность работы (более 5000 ч. наработки на отказ).
Наибольшей популярностью в настоящее время пользуется ПК
архитектурного направления (платформы) IBM с микропроцессорами фирмы
Intel.
По конструктивным особенностям ПК можно разделить на
 стационарные (однопользовательские ПК, рабочие станции,
серверы),
 переносные (ноутбуки) – портативные (наколенные) компьютеры
типа «LapTop»,
 планшеты,
 карманные ПК (PDA – personal digital assistant (персональный
цифровой помощник).
Как правило, стационарные и переносные персональные компьютеры
комплектуются модулями памяти общей емкостью в сотни мегабайтов,
жестким диском с данными на несколько десятков гигабайтов, приводом CDROM/DVD, модемом, звуковой картой, сетевым интерфейсом, монитором с
высоким разрешением и рядом других периферийных устройств. На них
устанавливаются сложные операционные системы, они расширяемы, при
работе с ними используется широкий спектр программного обеспечения.
Некоторые специалисты называют «персональными» компьютеры с
процессорами Intel, отделяя их тем самым от машин, оснащенных
высокопроизводительными RISC-микросхемами (такими как Sun UltraSPARC),
которые в таком случае именуются «рабочими станциями». На самом деле,
особой разницы между этими двумя типами нет.
Центральным компонентом любого персонального компьютера является
печатная плата, на которой устанавливаются модули процессора, памяти и
устройств ввода-вывода (как-то: звуковая и видео плата, модем), интерфейсы
клавиатуры, мыши, дискового привода, сетевой платы и прочих периферийных
устройств, а также расширительные гнезда.
Рабочие станции появились на рынке ЭВМ почти одновременно с ПК и
находились впереди по своим вычислительным возможностям. Современная
рабочая станция - это не просто большая вычислительная мощность, это
тщательно сбалансированные возможности всех подсистем машины, чтобы ни
одна из них не стала «узким местом», сводя на нет преимущества других. Всё
это в значительной мере и определяло их область применения и проблемную
ориентацию: автоматизированное проектирование, банковское дело,
управление производством, разведка и добыча нефти, связь, издательская
деятельность и др.
Ноутбуки, кроме своей компактности, ничем не отличаются от
настольных ПК. В них устанавливаются аналогичные, хотя и меньшие по
размеру, аппаратные компоненты. По возможностям выполнения и набору
программ настольные и портативные компьютеры не различаются.
7
Серверы – это мощные персональные компьютеры или рабочие станции,
которые используются в качестве сетевых серверов (центрального хранилища
разделяемых ресурсов сети - файлов, приложений, служб и т.д) – как в
локальных сетях (обычно в пределах одной организации), так и в глобальных.
Сервером также называется компьютер, выделенный из группы персональных
компьютеров (или рабочих станций) для выполнения какой-либо сервисной
задачи без непосредственного участия человека (выделенный сервер).
Некоторые сервисные задачи могут выполняться на рабочей станции
параллельно с работой пользователя. Такую рабочую станцию условно
называют невыделенным сервером.
Сервер и ПК (рабочая станция) имеют одинаковую аппаратную
конфигурацию, так как различаются лишь по участию в своей работе человека
за консолью. Консоль (обычно – монитор/клавиатура/мышь или в упрощенном
виде: коммуникационный порт) и участие человека необходимы серверам
только на стадии первичной настройки, при аппаратно-техническом
обслуживании и управлении в нештатных ситуациях (штатно, большинство
серверов управляются удаленно через сеть).
Серверы поставляются в однопроцессорной и мультипроцессорной
конфигурациях. В системах из этой категории обычно устанавливаются модули
памяти общим объемом в несколько десятков гигабайтов, жесткие диски
емкостью в сотни гигабайтов и высокоскоростные сетевые интерфейсы.
Серверы способны обрабатывать тысячи транзакций* в секунду.
С точки зрения архитектуры однопроцессорный сервер не слишком
отличается от персонального компьютера. Он просто работает быстрее,
занимает больше места, содержит больше дискового пространства и
устанавливает более скоростные сетевые соединения. Серверы работают под
управлением тех же операционных систем, что и персональные компьютеры, –
как правило, это различные версии UNIX и Windows.
К персональным очень близки планшеты и карманные компьютеры
(PDA). Они характеризуются компактностью, малой потребляемой мощностью
и дружественным интерфейсом. Они еще меньше, чем ноутбуки, однако
процессор, память, клавиатура, дисплей и большинство других стандартных
компонентов персонального компьютера в них присутствуют, хотя часто
сильно упрощённые по функциональным возможностям.
Наиболее близки по функционалу к стационарным и переносимым ПК
планшетные компьютеры (англ. Tablet computer или же электронный планшет)
– собирательное понятие, включающее различные типы компьютеров
(устройств) с сенсорным экраном. Планшетным компьютером можно управлять
прикосновениями руки или стилуса. Клавиатура и мышь доступны не всегда.
Транза́кция (англ. transaction) – группа последовательных операций с базой
данных, которая представляет собой логическую единицу работы с данными, и
может быть выполнена только целиком и успешно, соблюдая целостность
данных.
*
8
ПК данного семейства в основном аппаратно совместимы с IBM PCкомпьютерами и имеют полноценные операционные системы, такие как:
Windows, Apple Mac OS X, Linux, что позволяет пользователю использовать без
ограничений любое ПО, доступное на настольном компьютере.
К карманным компьютерам относят такие устройства, как электронная
книга, смартфон, портативная игровая система, электронный переводчик и др.
В отличие от планшентых и тем более стационарных компьютеров, карманные
более просты, не имеют полноценных ОС, более специализированы. Они
используют только специализированное ПО, не всегда совместимы с другими
ПК.
Встраиваемые
микро-ЭВМ,
как
правило,
относятся
к
узкоспециализированным, ориентированы на решение определенного
(постоянного) класса задач в течение периода своей эксплуатации. Ориентация
специализированных ЭВМ осуществляется различными способами:
 специальной аппаратурной организацией самих ЭВМ или их внешних связей;
 созданием для ЭВМ специального программного обеспечения;
 введением дополнительных аппаратных блоков, расширяющих те или иные
функции, возлагаемые на ЭВМ,
 и др.
Встраиваемые
микро-ЭВМ
входят
составным
элементом
в
промышленные и транспортные системы, технические устройства и аппараты,
бытовые приборы. Они способствуют существенному повышению их
эффективности функционирования, улучшению технико-экономических и
эксплуатационных характеристик. Основная отличительная черта всех ВС
данного класса – миниатюрность, пониженное энергопотребление и малая
стоимость построенных на его базе устройств. За ними прочно закрепилось
название «микроконтроллер» (англ. Micro Controller Unit, MCU) –
микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.
Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора
и периферийных устройств, содержит ОЗУ или ПЗУ. По сути, это
однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.
С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры
массового применения компьютерной автоматизации в области управления.
По-видимому, это обстоятельство и определило термин «контроллер» (англ.
controller – управляющее устройство).
Первый патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 г. В
1976 году[1] американская фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. В
1978 году фирма Motorola выпустила свой первый микроконтроллер MC6801,
совместимый по системе команд с выпущенным ранее микропроцессором
MC6800. На сегодняшний день существует более 200 модификаций
микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками
компаний, таких как Microchip Technology, Atmel, TI, ARM Limited, Renesas
Electronics, Freescale, Samsung.
9
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко. Вычислительные системы,
сети и телекоммуникации. Учебник. 2-е изд., перераб. и доп. Под ред. А.П.
Пятибратова. – М.: Финансы и статистика, 2004.
2. Хамахер К., Вранешич З., Заки С. Организация ЭВМ. – СПб.: Издательство
«Питер», Киев: Издательская группа BHV, 2003.
3. Top500 – cписок 500 самых быстрых в мире (http://www.top500.org/).
4. ABCs of z/OS System Programming Volume (http://www.redbooks.ibm.com/
redbooks.nsf/ RedpieceAbstracts/sg246990.html?Open)
5. Э. Таненбаум. Архитектура компьютера. – 5-е изд. – СПб.: Питер, 2011.
6. Под редакцией Шахнова В. А. Микропроцессоры и микропроцессорные
комплекты интегральных микросхем. – М.: «Радио и связь», 1988.