Появление любого нового направления в вычислительной технике определяется требованиями компьютерного рынка. Поэтому у разработчиков компьютеров нет одной единственной цели. Большая универсальная вычислительная машина (мэйнфрейм) или суперкомпьютер стоят дорого. Для достижения поставленных целей при проектировании высокопроизводительных конструкций приходится игнорировать стоимостные характеристики. Суперкомпьютеры фирмы Cray Research и высокопроизводительные мэйнфреймы компании IBM относятся именно к этой категории компьютеров. Другим крайним примером может служить низкостоимостная конструкция, где производительность принесена в жертву для достижения низкой стоимости. К этому направлению относятся персональные компьютеры различных клонов IBM PC. Между этими двумя крайними направлениями находятся конструкции, основанные на отношении стоимость/производительность, в которых разработчики находят баланс между стоимостными параметрами и производительностью. Типичными примерами такого рода компьютеров являются миникомпьютеры и рабочие станции.

Для сравнения различных компьютеров между собой обычно используются стандартные методики измерения производительности. Эти методики позволяют разработчикам и пользователям использовать полученные в результате испытаний количественные показатели для оценки тех или иных технических решений, и, в конце концов, именно производительность и стоимость дают пользователю рациональную основу для решения вопроса, какой компьютер выбрать.

Надежность и отказоустойчивость

Важнейшей характеристикой вычислительных систем является надежность. Повышение надежности основано на принципе предотвращения неисправностей путем снижения интенсивности отказов и сбоев за счет применения электронных схем и компонентов с высокой и сверхвысокой степенью интеграции, снижения уровня помех, облегченных режимов работы схем, обеспечение тепловых режимов их работы, а также за счет совершенствования методов сборки аппаратуры.

Отказоустойчивость - это такое свойство вычислительной системы, которое обеспечивает ей, как логической машине, возможность продолжения действий, заданных программой, после возникновения неисправностей. Введение отказоустойчивости требует избыточного аппаратного и программного обеспечения. Направления, связанные с предотвращением неисправностей и с отказоустойчивостью, - основные в проблеме надежности. Следует помнить, что понятие надежности включает не только аппаратные средства, но и программное обеспечение. Главной целью повышения надежности систем является целостность хранимых в них данных.

Масштабируемость

Масштабируемость представляет собой возможность наращивания числа и мощности процессоров, объемов оперативной и внешней памяти и других ресурсов вычислительной системы. Масштабируемость должна обеспечиваться архитектурой и конструкцией компьютера, а также соответствующими средствами программного обеспечения.

Аппаратные средства (процессоры, шины и устройства ввода/вывода) являются только частью масштабируемой архитектуры, на которой программное обеспечение может обеспечить предсказуемый рост производительности. Важно понимать, что простой переход, например, на более мощный процессор может привести к перегрузке других компонентов системы. Это означает, что действительно масштабируемая система должна быть сбалансирована по всем параметрам.

Совместимость и мобильность

 программного обеспечения

Концепция программной совместимости впервые в широких масштабах была применена разработчиками системы IBM/360. Основная задача при проектировании всего ряда моделей этой системы заключалась в создании такой архитектуры, которая была бы одинаковой с точки зрения пользователя для всех моделей системы независимо от цены и производительности каждой из них. Огромные преимущества такого подхода, позволяющего сохранять существующий задел программного обеспечения при переходе на новые (как правило, более производительные) модели были быстро оценены как производителями компьютеров, так и пользователями, и начиная с этого времени практически все фирмы-поставщики компьютерного оборудования взяли на вооружение эти принципы, поставляя серии совместимых компьютеров.

Следует заметить, однако, что со временем даже самая передовая архитектура неизбежно устаревает и возникает потребность внесения радикальных изменений в архитектуру и способы организации вычислительных систем.

В настоящее время одним из наиболее важных факторов, определяющих современные тенденции в развитии информационных технологий, является ориентация компаний-поставщиков компьютерного оборудования на рынок прикладных программных средств.

1. Прежде всего, вычислительная среда должна позволять гибко менять количество и состав аппаратных средств и программного обеспечения в соответствии с меняющимися требованиями решаемых задач.

2. Во-вторых, она должна обеспечивать возможность запуска одних и тех же программных систем на различных аппаратных платформах, т.е. обеспечивать мобильность программного обеспечения.

3. В третьих, эта среда должна гарантировать возможность применения одних и тех же человеко-машинных интерфейсов на всех компьютерах, входящих в неоднородную сеть.

Структурная схема ЭВМ

Рис.1. Блок-схема вычислителя фон Неймана

Процессор включает в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ):

УУ управляет всеми процессами обработки информации. УУ содержит генератор элементарных тактов, счетчик команд, регистр операций, регистр адресов, регистр индикатора. УУ выполняет следующие типы команд: команда загрузки и передачи данных, команда завершения, команда вызова подпрограмм, команда ввода, вывода информации, всевозможно управляющие команды. УУ содержит большое число регистров, которые часто заменимы (получается большая гибкость для программ).

АЛУ выполняет арифметические и логические действия.

Память делится на оперативную и внешнюю.

Оперативная память (ОП) базируется на электрических свойствах полупроводниковых материалов, внешняя память - на магнитной записи. Структурно ОП состоит из дискретных элементов, называемых ячейками памяти. Каждая ячейка имеет свой порядковый номер, который называется адресом ячейки. Общее число ячеек называется объемом памяти. ОП имеет следующие свойства: быстродествие, непостоянство, ограниченная емкость. Данные, хранящиеся во внешней памяти, обединяются в массивы, называемые файлами.

К устройствам внешней памяти относятся накопители на гибких и жестких магнитных дисках.

Существует еще один вид памяти – ПЗУ, где хранятся некоторые программы, от которых зависит готовность ЭВМ к работе.

В 40-е годы выдающийся американский математик Джон фон Нейман сформулировал ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЭВМ (принципы Фон Неймана).

1. Принцип произвольного доступа к основной памяти. Процессору в любой момент времени доступна любая ячейка оперативной памяти. Время доступа одинаково для всех ячеек.

2. Принцип хранимой программы. Программа решения задачи хранится в оперативной памяти наряду с обрабатываемыми данными.

3. Принцип наличия устройств ввода-вывода.

Устройства ввода-вывода - внешние (периферийные) устройства.

Шина – совокупность линий и сигналов, сгруппированных по их назначению. Все компоненты ПК подключаются к шине при помощи разъемов.

Мы рассмотрели структуру ЭВМ. Структуру и построение вычислительной системы называют архитектурой ЭВМ, а способы работы и структурирование отдельных компонентов – организацией ЭВМ.

Если ЭВМ имеет один процессор, то она называется монопроцессорной системой. ЭВМ, имеющие несколько процессоров, называются мультипроцессорной. Мультипроцессорные ЭВМ имеют несколько автономных процессоров с собственными УУ. За счет этого повышается производительность.

Особенность современных компьютеров заключается в том, что УУ и АЛУ объединены в единое целое устройство – ц е н т р а л ь н ы й п р о ц е с с о р. Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера.