Урок 32
Классификация компьютеров
по функциональным возможностям

Изучив эту тему, вы узнаете:

- что лежит в основе классификации компьютеров;
- какие классы компьютеров существуют;
- какие основные технические параметры компьютеров используются при их классификации.

Любая классификация позволяет выявить общие для всех подходов признаки и определить тенденции развития. Можно спорить о преимуществах одной классификации перед другой, но общие характерные черты будут одинаковы. Динамика изменения технических параметров компьютеров столь велика, что спустя некоторое время, возможно, приводимую в учебнике классификацию придется корректировать.

Как и при любой классификации, прежде всего должен быть выбран некоторый признак (параметр), по которому производится соответствующая группировка. Компьютеры могут быть классифицированы по разным признакам, например по габаритам, по областям применения, по быстродействию, по выполняемым функциям, по этапам их создания и еще по многим другим параметрам.

В этой теме мы рассмотрим классификацию по обобщенному признаку, где в разной степени учтены несколько характерных особенностей:

♦ назначение и роль компьютеров при обработке информации;
♦ условия взаимодействия человека и компьютера;
♦ габариты компьютера;
♦ ресурсные возможности компьютера.

Анализируя тенденции развития компьютерной техники, мы предлагаем классификацию современных компьютеров, которая представлена в виде схемы на рисунке 25.1.

Рис. 25.1. Классификация компьютеров

Что понимается под характеристиками, которые выбраны для классификации? Рассмотрим их.

Представим себе наше общество, в котором всюду, где необходимо получать, хранить, обрабатывать и представлять информацию в требуемом человеку виде, используются компьютеры. В этом случае некоторые компьютеры должны обладать значительными возможностями по всем техническим параметрам и быть ориентированы на одновременное обслуживание нескольких пользователей. Такие компьютеры, как правило, очень дороги, занимают гораздо большую площадь, нежели привычные нам модели, отличаются повышенной надежностью. При работе на них требуются знания системного программиста. Подобные компьютеры составляют класс больших компьютеров.

Для оказания помощи человеку в повседневной работе с текущей информацией нужны другие компьютеры. В них не столь существенны требования по техническим параметрам и ресурсным возможностям, но более важно, как в них организовано взаимодействие с человеком, как подобный компьютер помогает воспринимать и осмысливать разного рода информацию, как он облегчает жизнь человека в быту и на производстве. По сравнению с большими компьютерами они более компакты, значительно дешевле, удобнее в эксплуатации, их программное обеспечение в большей степени ориентировано на пользователя. Хотя они иногда и менее надежны, зато не требуют специальных знаний компьютерной техники. Подобные компьютеры составляют класс малых компьютеров. 

При характеристике каждого класса необходимо сравнивать различные модели по таким основным техническим параметрам, как быстродействие (производительность, тактовая частота) и объем оперативной памяти.

С момента появления первого компьютера для оценки скорости его работы используется параметр «быстродействие» («производительность»). Напомним, что под быстродействием понимается количество элементарных операций, выполняемых компьютером за одну секунду. Введено условное обозначение единицы измерения быстродействия — оп/с (операций в секунду). Для более крупных единиц измерения быстродействия используются следующие обозначения:

♦ МИПС — миллион операций над числами с фиксированной запятой;
♦ МФЛОПС (мегафлопс) — миллион операций над числами с плавающей запятой;
♦ ГФЛОПС (гигафлопс) — миллиард операций над числами с плавающей запятой.

Оценка быстродействия (производительности) всегда приблизительна, особенно если учесть тот факт, что теперь широко используются многопроцессорные компьютеры. Поэтому в последнее время скорость работы компьютера оценивается значением тактовой частоты, например 133 МГц, 200 МГц. Эта характеристика определяется генератором тактовой частоты компьютера. Поскольку для выполнения каждой операции требуется определенное количество тактов в зависимости от модели процессора, то в компьютере с тактовой частотой, например, 600 МГц обеспечивается быстродействие до 300 млн оп/с, или 300 МИПС.

Другая важная характеристика любого компьютера — объем (емкость) оперативной памяти, иными словами, максимальное количество хранимой в ней информации. Единицами измерения, как вы знаете, служат Кбайт, Мбайт, Гбайт, Тбайт (терабайт).

Помимо указанных характеристик, возможности компьютера описываются рядом параметров (часть из них приведена в таблице 25.1):

♦ разрядность и формы представления чисел;
♦ емкость внешней памяти; 
♦ характеристики внешних устройств хранения, оомена и ввода-вывода информации;
♦ пропускная способность устройств связи;
♦ способность компьютера одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ;
♦ типы операционных систем, используемых в компьютере;
♦ способность выполнять программы, написанные для других типов компьютеров (программная совместимость с другими типами компьютеров);
♦ возможность подключения к компьютерной сети;
♦ надежность.

Таблица 25.1. Основные параметры компьютеров

Контрольные вопросы и задания

1. Что вы понимаете под классификацией?

2. Какие параметры в качестве признака классификации компьютеров предлагаются в учебнике?

3. Придумайте свою, отличную от предлагаемой в учебнике, классификацию компьютеров и обоснуйте ее.

4. Какой технический параметр определяет скорость обработки информации в компьютере?

5. Почему параметр «тактовая частота» наиболее предпочтителен по сравнению с параметром «быстродействие»?

6. Почему объем оперативной памяти — одна из важнейших характеристик компьютера? 

Класс больших компьютеров

Изучив эту тему, вы узнаете:

- о группе серверов и их назначении;
- о группе суперкомпьютеров и их назначении.

История развития компьютерной техники началась с создания большой ЭВМ. Элементная база больших ЭВМ прошла большой путь от электронно-вакуумных ламп до сверхбольших интегральных схем (СБИС). В этом классе выполнить четкое разделение на подклассы в настоящее время несколько затруднительно. И вот почему.

В связи с развитием и внедрением во все сферы нашей жизни компьютерных сетей происходит смещение акцентов по приоритетам и назначению в классе больших компьютеров. Особенно явно наметилась тенденция использования больших компьютеров в сетях, что в недалеком будущем, скорее всего, несколько изменит представление о сфере использования сверхмощных ЭВМ.

На сегодняшний день в данном классе можно выделить две группы — серверы и суперкомпьютеры.

Серверы

Сервер (server) представляет собой мощный компьютер, используемый в вычислительных сетях, который обеспечивает обслуживание подключенных к нему компьютеров и выход в другие сети. На сервере хранятся большие объемы информации, которыми пользуются подключенные к нему компьютеры. В наши дни это направление компьютерной техники интенсивно развивается.

Группа серверов насчитывает множество моделей разного уровня мощности. Некоторые из них можно отнести к классу малых машин, другие настолько мощны, что представляют собой суперкомпьютеры. Сервером может быть любой компьютер, оснащенный необходимыми программами и устройствами. Например, сервер средней производительности можно создать из компонентов персональных компьютеров. При этом его цена окжется вполне приемлемой и места он займет не больше, чем обычный компьютер.

К серверу предъявляются повышенные требования по быстродействию и надежности работы. В нем должна быть предусмотрена возможность резервирования всей хранимой информации. Профилактические и ремонтные работы должны проводиться без его остановки и отключения других компьютеров.

Нередко серверы специализируются на обслуживании рабочих станций в какой-то определенной области. Например, одни из них выделяются для создания и управления базами и архивами данных, другие — для поддержки факсимильной связи и электронной почты, третьи — для управления многопользовательскими принтерами, плоттерами и др.

В зависимости от назначения выделяют такие типы серверов: сервер приложений, файл-сервер, архивационный сервер, факс-сервер, почтовый сервер, сервер печати, сервер телеконференций.

Сервер приложений обрабатывает запросы от всех станций вычислительной сети и предоставляет им доступ к общим системным ресурсам (базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.).

Файл-сервер (File Server, Data Server) — для работы с базами данных, для использования хранящейся на нем информации. Он имеет надежные отказоустойчивые дисковые накопители с большими объемами (до терабайта).

Архивационный сервер (Storage Express System) — для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях. Он использует накопители на магнитной ленте (стримеры) со сменными картриджами емкостью до 5 Гбайт. Обычно выполняет ежедневное автоматическое архивирование информации от подключенных серверов и рабочих станций.

Факс-сервер (Net SatisFaxion)— для организации эффективной многоадресной факсимильной связи, с несколькими фак- смодемными платами, со специальной защитой информации от несанкционированного доступа в процессе передачи, с системой хранения электронных факсов.

Почтовый сервер (Mail Server) — то же, что и факс-сервер, но для организации электронной почты, с электронными почтовыми ящиками.

Сервер печати (Print Server, Net Port) — для эффективного использования системных принтеров.

Сервер телеконференций — компьютер, имеющий программу обслуживания пользователей телеконференциями и новостями, он также может иметь систему автоматической обработки видеоизображений и др.

Как вы знаете, назначение всякого компьютера определяется программным обеспечением. Поэтому любой компьютер, если установить на нем соответствующее сетевое программное обеспечение, может стать сервером. Кроме того, один компьютер способен одновременно выполнять несколько функций — быть, к примеру, почтовым сервером, сервером новостей, сервером приложений и т. д.

В этой группе компьютеров можно выделить суперсерверы. Они нужны, когда данные требуется хранить централизованно, но в то же время информация должна быть доступна большому числу пользователей. Суперсерверы по своим характеристикам приближаются к суперкомпьютерам.

Суперкомпьютеры

Первые суперкомпьютеры (модели Cray) стала выпускать компания Cray Research в середине 70-х годов (рисунок 26.1). Их быстродействие составляло порядка нескольких десятков или сотен миллионов операций в секунду, что по тем временам воспринималось как чудо. Это стало новой вехой на пути развития вычислительной техники, так как была предложена иная, по сравнению с существующей фон-неймановской, архитектура и организация работы всех устройств.

Идея построения суперкомпьютера базировалась на том, что надо уменьшить расстояние между всеми электронными компонентами, а также организовать работу не на одном процессоре, а сразу на нескольких — параллельно. В компьютерах фон-неймановской архитектуры каждая операция, необходимая для решения задачи, находится в ожидании своей очереди занять процессор. Вспомните, что такое последовательный (линейный) алгоритм, и вам станет понятна суть такой организации работы.

В суперкомпьютерах используется иной мультипроцессорный (многопроцессорный) принцип обработки информации.

Основная идея создания мультипроцессорной обработки — разделение решаемой задачи на несколько параллельных подзадач или частей. Каждая часть решается на своем процессоре. За счет такого разделения существенно увеличивается производительность. Параллельное вычисление особенно эффективно в тех задачах, где применяется большое количество операций с таблицами. Так, например, при суммировании чисел в таблице скорость расчетов может возрасти более чем в десять раз по сравнению с однопроцессорным компьютером.

В том случае, когда мультипроцессорную систему используют для решения задач, которые не удается разделить на части, возможен другой принцип организации структуры — конвейерный.

Рис. 26.1. Суперкомпьютер Cray

Поясним этот принцип на понятном каждому примере. Представим себе работу обычного конвейера на сборке, скажем, автомобиля. Технология сборки состоит из выполнения определенных операций каждым рабочим на своем месте. Кто-то прикру чивает колеса, кто-то навешивает двери, кто-то устанавливает двигатель и т. д. Чем проще операции, на которые разбит процесс, тем больше надо рабочих мест, тем выше скорость работы и больше объем выпуска продукции.

Аналогично осуществляется конвейерный принцип и в мультипроцессорной системе. Общая задача разбивается на ряд элементарных участков, каждый из которых будет решаться на своем процессоре. Участков программы столько, сколько процессоров. Каждый из них приступает к действию после окончания работы предыдущего и выполняет только определенную функцию. Управляющая программа определяет, какие и сколько процессоров надо выделить для решения очередной задачи, по какой программе будет работать каждый процессор. В результате для каждой задачи выделяется свой набор процессоров, причем любой из них настроен на выполнение какого-то одного участка работы. Из этого следует, что каждая задача образует свою структуру компьютера. Так возникло понятие виртуальной (условной) машины (VM — virtual machine), архитектура которой определяется структурой задачи.

В ближайшие годы ожидается появление суперкомпьютера с такими характеристиками:

♦ быстродействие порядка 100 ООО МФЛОПС;
♦ объем оперативной памяти — 10 Гбайт;
♦ объем дисковой памяти — от 1 до 10 Тбайт;
♦ разрядность — 64; 128 бит.

По прогнозам аналитиков, потребность в суперкомпьютерах со временем будет сокращаться. Все меньше и меньше находится желающих тратить миллионы долларов на приобретение таких компьютеров. Более дешевые малые компьютеры из года в год постоянно наращивают свои вычислительные мощности и уже во многом не уступают ранним моделям суперкомпьютеров. Это связано с тем, что идеи мультипроцессорной обработки успешно реализуются и в компьютерах других классов. Следует ожидать, что постепенно суперкомпьютеры станут выполнять роль суперсерверов. 

Контрольные вопросы и задания

1. По какому признаку из класса больших компьютеров можно выделить две группы?

2. Что такое сервер?

3. Назовите основные типы серверов и их назначение.

4. Может ли один компьютер одновременно выполнять функции нескольких серверов?

5. Что такое суперкомпьютер?

6. Назовите основные идеи, заложенные в основу архитектуры суперкомпьютера.

7. Как вы понимаете принцип конвейерной обработки информации?

8. Как вы понимаете принцип параллельной обработки информации?

9. Что такое виртуальный компьютер?

10. Какие существуют прогнозы относительно направлений развития суперкомпьютеров и серверов?

Класс малых компьютеров

Изучив эту тему, вы узнаете:

- каковы характеристики и назначение персональных компьютеров;
- каковы характеристики и назначение портативных компьютеров;
- для чего предназначены промышленные компьютеры.

Малые компьютеры появились в 70-х годах. Их появление было связано, с одной стороны, с тем, что для решения многих задач не требовались мощности больших ЭВМ, а с другой — с необходимостью использования возможностей компьютеров для управления технологическими процессами и проведения исследований при натурных испытаниях. Такая потребность во многом определялась тем, что в этот период повсеместно стали внедряться автоматизированные системы управления, где требовалось устройство, оперативно и надежно перерабатывающее информацию.

В настоящее время из семейства малых компьютеров можно выделить три подкласса, отражающие различные направления их развития: персональные, портативные и промышленные. Такая классификация учитывает назначение компьютера и условия взаимодействия с ним пользователя.

Персональные компьютеры

Создание персонального компьютера можно отнести к одному из самых значительных изобретений века. Это событие по уровню значимости не уступает изобретению первой вычислительной машины, а возможно, даже превосходит его. Персональный компьютер существенно изменил роль и значение вычислительной техники в жизни человека.

Определение «персональный» не обязательно означает принадлежность компьютера человеку на правах личной собственности, хотя сейчас он нередко оказывается и в индивидуальном пользовании. Этот термин возник потому, что человек получил возможность общаться с ЭВМ самостоятельно (персонально) без посредничества профессионала-программиста. При этом не требуются специальные знания, которыми владеет программист. Программное обеспечение осуществляет «дружественную» форму диалога человека с компьютером.

В настоящее время персональные компьютеры используются повсеместно. Их основное назначение — выполнение рутинной работы: поиск информации, составление типовых форм документации, фиксация результатов исследования, подготовка разнородных текстов от простейших документов до издательской верстки.

Общедоступность и универсальность персонального компьютера обеспечивается за счет следующих характеристик:

♦ «дружественность» интерфейса взаимодействия человека с компьютером, что позволяет работать на нем без специальной подготовки в области компьютерной техники;
♦ малая стоимость, ориентированная на покупательную способность населения;
♦ небольшие габариты и отсутствие специальных требований к условиям окружающей среды (может устанавливаться в любом месте);
♦ открытость архитектуры, благодаря чему каждая новая деталь совместима со старыми и легко устанавливается в компьютере (простота модернизации);
♦ большое количество программных средств для различных областей применения, во многих случаях упрощающих принятие человеком решений;
♦ совместимость на программном и аппаратном уровне новых версий и моделей;
♦ высокая надежность работы.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются модели клона (архитектуры определенного направления) персональных компьютеров фирмы IBM. Второе место по распространенности занимают модели Macintosh фирмы Apple. 

В таблице 27.1 приведены некоторые характеристики персональных компьютеров среднего уровня.

Таблица 27.1. Обобщенные характеристики персональных компьютеров

В настоящее время персональный компьютер стал «мультимедийным », то есть не только обрабатывает текстовую и числовую информацию, но и эффективно работает со звуком и изображением. Это стало возможным как из-за появления новых моделей микропроцессоров, так и благодаря:

♦ новым звуковым платам, обеспечивающим цифровую обработку аудиосигналов;
♦ дешевым графическим платам, с помощью которых на экран выводятся качественные изображения с несколькими миллионами оттенков цветов;
♦ дешевым и качественным сканерам и принтерам.

Существенное удешевление персонального компьютера за последние два года сделало его доступным предметом обихода. Наряду с этим, оснастив некоторые модели соответствующими программами и устройствами, компьютер можно превратить или в рабочую станцию, или в многопользовательскую ЭВМ, или в сервер. Гибкость архитектуры персональных компьютеров обеспечивает ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, а также в быту.

Портативные компьютеры

Класс портативных компьютеров в настоящее время является самым престижным в мире. Название этого типа компьютеров происходит от латинского слова «porto» — «ношу» и означает, что их несложно переносить с места на место. Их вес колеблется в пределах от 0,2 до 6 кг. Обычно они оформлены в виде чемоданчиков или папок и, в свою очередь, подразделяются на несколько типов. Самый распространенный и привычный из них — это ноутбук (англ. note book — блокнотный).

Каковы должны быть его основные характеристики? Ответ на этот вопрос следует из соответствия решаемой задаче. Если ноутбук предполагается использовать как настольный персональный компьютер, он должен иметь: высокое быстродействие; большой, четкий и яркий экран дисплея; малое энергопотребление, так как источником его питания является батарея. Если же портативный компьютер предназначен только для работы в дороге и является дополнением к стационарному, то он должен иметь хороший модем, более длительное время работы от батареи, значительно меньший вес. Ни в какой другой компьютерной технике не достигается больше компромиссов, чем в ноутбуках!

Современные блокнотные компьютеры производят очень хорошее впечатление. Они снабжены жесткими дисками большой емкости — от 20 до 100 Гбайт, диагональ экрана составляет 12-16 дюймов, продолжительность работы от аккумулятора — в течение 3-4,5 часа, приемлемый вес — от 1,5 до 3,5 кг, имеют встроенный оптический привод CD-ROM или DVD. Однако, как и у любого товара широкого потребления, у этих компьютеров должна быть доступная цена. В настоящий момент она приближается к среднему уровню цен, на который ориентируются потребители, хотя и несколько выше.

Существует множество типов портативных компьютеров. Каждый из них имеет свои особенности. Например, в качестве ма нипулятора используют не мышь, а другие устройства. Иногда эти функции выполняет сенсорный экран, где команда вводится в соответствии с местом прикосновения к дисплею.

Наименьшими (по размеру и весу) из портативных компьютеров являются карманные персональные компьютеры (КПК). Это название класса портативных электронных вычислительных устройств, изначально предложенных к использованию в качестве электронных органайзеров.

Для обозначения всего класса устройств в английском языке используется словосочетание Personal Digital Assistant (PDA), что можно перевести как «личный цифровой секретарь».

Для чего же можно использовать КПК? Во-первых, КПК — это настоящий компьютер (чаще всего с операционной системой Windows Mobile), на котором можно использовать такие программы, как текстовый редактор, электронные таблицы, почта и проигрыватель аудиофайлов. Во-вторых, КПК — мобильное устройство небольших размеров, которое действительно умещается в кармане. С его помощью можно читать книги, набирать небольшие тексты, заметки, подключаться к Интернету, играть в игры, смотреть видеофильмы, фотографировать и. многое другое.

К КПК можно напрямую подключать различные USB-устройства, в том числе клавиатуру, мышь, жесткие диски и флэш-накопители.

В последнее время получили большое распространение коммуникаторы (или смартфоны), которые совмещают в себе функции КПК с функциями мобильного телефона. Эти устройства имеют практически идентичные обычным КПК операционные системы с незначительными отличиями — дополнительным программным обеспечением для работы с мобильной связью.

Промышленные компьютеры

Эти компьютеры предназначены для использования в производственных условиях. Они встраиваются в технологический процесс производства какой-нибудь продукции, осуществляют управление технологическими линиями и станками. С их помощью управляют самолетами и поездами, проводят исследования и испытания новых приборов, механизмов, устройств. Это неотъемлемая часть производственного цикла.

Учитывая их важную роль в производстве, к ним предъявляются повышенные требования по надежности работы, устойчивости к различным колебаниям параметров окружающей среды (температуре, вибрации, пыли и пр.). Поэтому обычные персональные компьютеры не могут использоваться как промышленные.

При их изготовлении придерживаются стандарта, называемого евромеханикой, в котором учитываются все необходимые требования. Например, микропроцессор изготавливается по особой технологии в специальном корпусе. Промышленный компьютер, собранный по этому стандарту, так же как и персональный компьютер, может использовать платы различных производителей.

Контрольные вопросы и задания

1. Охарактеризуйте класс персональных компьютеров.

2. Приведите основные характеристики персонального компьютера.

3. Почему персональный компьютер можно считать «мультимедийным » ?

4. Какие характеристики портативного компьютера являются существенными для пользователя и почему?

5. Что более всего влияет на цену компьютера?

6. Какие характеристики портативных компьютеров вы знаете?

7. Расскажите о назначении органайзеров и ноутбуков.

8. Как вы представляете себе промышленный компьютер?