Основні типи комп’ютерів

 

Практично всі типи ЕОМ побудовано за принципами і схемою, розглянутими вище. Проте залежно від конкретних сфер застосування вони різняться кількісними характеристиками, структурою апаратних та програмних засобів, кількістю і типами периферійних пристроїв. За найзагальнішими ознаками ЕОМ можна поділити на надпродуктивні або спеціальні, загального призначення (універсальні), міні-ЕОМ (персональні), однокристальні мікро-ЕОМ, портативні (NOTEBOOK), мультимедіа та інші комп’ютери.

Надпродуктивні комп’ютери. Їх використовують для розв'язання особливо складних технічних задач економічного планування з великим обсягом даних у реальному часі. їхня швидкодія перевищує операцій за секунду. З метою подальшого підвищення продуктивності, що лежить за межами фізичних можливостей комп’ютера, створюють модульні багатопроцесорні обчислювальні системи, які виконують обчислювальний процес паралельно. Структурну схему такої системи показано на рис. 11.4. В ній є комутатор міжмодульних зв'язків, що забезпечує взаємодію кожного центрального процесорного модуля з одним із модулів пам’яті або з процесором керування введенням-виведенням. Крім підвищеної продуктивності така схема багатопроцесорної обчислювальної системи надійніша, оскільки залишається роботоздатною доти, доки працює хоча б один із її модулів.

Надпродуктивні комп’ютери мають надшвидкодійні апаратні засоби і призначені для виконання спеціалізованого оброблення інформації. Наприклад, у 1997 р. в США було створено суперкомп’ютер для моделювання ядерних випробувань та поведінки старіючої ядерної зброї. Він побудований на 7264 процесорах І завдяки спеціалізованій архітектурі з масовим паралелізмом та розподіленою пам’яттю забезпечує швидкодію в один трильйон операцій за секунду. Щоб відтворити обсяг обчислень, виконуваних цим комп’ютером за 1 с, всьому населенню США треба було б неперервно працювати на мікрокалькуляторах протягом 125 років.

Комп’ютери загального призначення (універсальні). Їх використовують як для розв'язання науково-технічних задач, так і для оброблення статистичних, облікових та інших даних. У нашій країні такі комп’ютери випускались серіями з уніфікованими модулями апаратних і програмних засобів та досить розвиненою периферією.

Каналами введення-виведення даних у цих комп’ютерах керують допоміжні процесори. Оскільки швидкодія периферійних пристроїв різна, такі комп’ютери працюють у режимі розподілу часу, тобто в них одночасно можуть розв’язуватись кілька задач, а серед каналів обміну інформацією виділяють селекторний канал, призначений для монопольного обслуговування одного з кількох швидкодійних периферійних пристроїв, і мультиплексорний канал, який одночасно обслуговує паралельно кілька периферійних повільних пристроїв.

Рис. 11.4. Структурна схема модульної багатопроцесорної обчислювальної схеми

 

Для підвищення швидкості обміну інформацією із швидко дійними периферійними пристроями в таких комп’ютерах застосовують паралельний спосіб передачі даних по 72-розрядних передавальних трактах.

Універсальність комп’ютерів загального призначення забезпечується ускладненням апаратних та програмних засобів, що підвищує собівартість їх виробництва й експлуатації. Тому ці комп’ютери використовують для розв’язання досить масштабних задач, а також як сервери в складі обчислювальних систем і мереж.

Міні-ЕОМ. їх застосовують для розв'язання досить поширених задач інформаційно-довідкового характеру й автоматизації проведення наукових досліджень, керування технологічними процесами, навчання тощо, їхня швидкодія, ємність оперативної внутрішньої пам’яті, кількість і типи периферійних пристроїв обмежені. Вони мають усі характерні ознаки комп’ютерів загального призначення, але відрізняються від них двома характерними ознаками: зменшеною розрядністю машинних слів та магістрально-модульною структурою побудови, як показано на рис. 11.5.

Усі пристрої такої ЕОМ мають вигляд конструктивно завершених модулів, розміщених на системній платі і приєднаних до багаторозрядної системної шини — лінії зв’язку, через яку відбувається обмін інформацією між модулями.

Ці дві відмітні особливості сприяють зменшенню кількості апаратних засобів, їхніх габаритних розмірів і собівартості, спрощують обслуговування міні-ЕОМ, що робить виробництво таких машин великосерійним, застосування — масовим, а експлуатаційні характеристики — універсальними.

З розвитком подальшої мікромініатюризації елементної бази і появою надвеликих Інтегральних мікросхем ці машини стали називати мікрокомп’ютерами.

Рис. 11.5. структурна схема магістрально-модульного міні-ЕОМ

 

Проте у 1977 р. в технічній документації комп’ютера «АррІ II» вперше з’явився термін «персональний комп’ютер». Це була перша машина відкритої архітектури з багаторозрядною системною шиною, до якої можна було приєднати до восьми додаткових плат, що розширювали можливості персонального комп’ютера, й одну системну плату з установленими на ній основними електронними компонентами: мікропроцесором і набором мікросхем (мікропроцесорний комплект).

Набір мікросхем призначений для обслуговування мікропроцесора. До нього входять контролери переривань, прямого доступу до пам’яті, таймери, система керування пам’яттю та шиною. Тип набору визначає функціональні можливості плати: типи процесорів, структуру, а також ємність буферної Сасhе-пам’яті; допустимі з’єднання різноманітних об’ємів модулів пам’яті; програмне настроювання параметрів; режими енергозбереження. Для того самого набору можуть випускатися кілька моделей системних плат від найпростіших до досить складних з інтегрованими контролерами портів, дисків, відео тощо. В умовах, коли тактові частоти комп’ютерів наближаються до граничних, підвищення продуктивності системи значною мірою визначаються можливостями системної плати та набору мікросхем, зокрема можливістю організації паралельної роботи компонентів і багатопроцесорною архітектурою.

Обмін інформацією між окремими мікросхемами набору та модулями ЕОМ здійснюється за допомогою системної шини, що складається з шин керування, адрес і даних. Системні шини, як і системні плати, уніфіковано. Основними технічними параметрами системних шин є розрядність даних та адрес, робоча частота, швидкодія (пропускна здатність у мегабайтах за секунду) і кількість зовнішніх контактів.

Однокристальні мікро-ЕОМ. Ці, найчастіше вмонтовані у верстати, агрегати, технічне обладнання прилади для керування ними, використовують як процесори-контролери периферійних пристроїв.

Наприклад, у сучасних фотоапаратах давно застосовується мікропроцесор, що керує роботою оптики, механіки та режимами автоматичного настроювання. У фотоапаратах нового типу додано матрицю, яка перетворює зображення на цифрову форму. Для зберігання зображень використовують багатоємнісні ЗП на мікросхемах, флеш-платах або жорстких дисках.

Однокристальні мікро-ЕОМ виготовляють у вигляді великої або надвеликої інтегральної мікросхеми, в складі якої є мікропроцесор, внутрішня пам’ять, найпростіші засоби введення-виведення та функціональні розширювачі. Наприклад, до складу однокристальної восьмирозрядної мікро-ЕОМ КМ1816ВЕ48 входять постійна пам’ять для зберігання програм (здатна до перепрограмування), регістрова оперативна пам’ять (для запису даних), АЛП керування, програмований восьмирозрядний таймер і три керованих програмами порти введення-виведення. Всі ці пристрої зв’язані між собою внутрішньою восьмибітною шиною.

Подальша мікромініатюризація елементної бази та розробка нових інформаційних технологій сприяли переходу від аналогового до цифрового оброблення інформації в найрізноманітніших сферах модельної діяльності. При цьому в усіх випадках він супроводжується якісними змінами характеристик і функціональних можливостей техніки, перш за все ефективною реалізацією досить складних алгоритмів керування загальнодоступними приладами.

Найскладнішим на цьому шляху було переведення в цифрову форму зображень, що потребує значних апаратних ресурсів (швидкодії та ємності пам’яті процесора) і великої пропускної здатності каналів зв’язку. Проте останнім часом значне вдосконалення елементної бази привело до того, що суттєво здешевшала оперативна внутрішня пам’ять, з’явились нові алгоритми ущільнення зображень (кодеки) і розроблено нову архітектуру процесорів, як, наприклад, у ММХ– та RISС*–процесорах. (*Архітектура RISС–процесора ґрунтується на відмові від використання складних команд і реалізації таких принципів:

• усі команди настільки елементарні, що можуть бути виконані за один такт;

• команди здійснюються переважно апаратно, а не мікропрограмно;

• конвеєр працює без перерви максимальний час, його переривання допустиме лише в разі інформаційної залежності команд;

• більшість посилань на адреси здійснюються без звернення до пам’яті, для чого збільшується ємність регістрової пам’яті.)

Це забезпечило появу нового напряму розвитку комп’ютерів — мультимедіа.

Мультимедійні комп’ютери. Мультимедіа (multi — багато, media — носій) — це технологія оброблення інформації, що поєднує дані, звук та зображення і підтримується додатковими апаратними та програмними засобами. Апаратними засобами мультимедіа є як стандартні засоби (відеоадаптери, монітори, дисководи, накопичувачі), так і спеціальні (звукові плати, приводи лазерних дисків постійної пам’яті, плати відеозахисту, MIDІ-порти, акустичні системи тощо). Програмне забезпечення мультимедіа теж можна поділити на прикладне (мультимедіа-додатки, які подають користувачеві інформацію в тій чи іншій формі) та спеціалізоване (редактори графічні, звукові, відеозображення).

Прикладом комплексного використання апаратних і програмних засобів для підвищення ефективності мультимедіа є супермультимедійний комп'ютер, в якому без суттєвої зміни архітектури мікропроцесора (введено розширення у вигляді 57 додаткових команд і восьми нових 64-роз-рядних регістрів) застосовується технологія ММХ (Мulti Меdіа еХtеnsіоn). Ця технологія значно підвищує швидкість виконання мультимедіа-додатків без переведення процесора в якийсь особливий режим застосуванням принципу: одна інструкція — множина даних (принцип SІМD). Наприклад, за однією інструкцією (командою) можуть виконуватися множення, додавання і комбіновані операції, але значно швидше від програми, складеної зі стандартних даних.

На мультимедійний можна перетворити будь-який комп'ютер із процесором, що має тактову частоту не нижче 75 МГц, Сасhе-пам'ять ємністю 256 Кбайт й оперативний ЗП ємністю понад 8 Мбайт, додавши до нього мультимедійний набір. Вимоги до персонального комп'ютера та мультимедійного набору викладено в спеціальних міжнародних стандартах, мультиме-діа третього рівня, розроблених провідними комп'ютерними фірмами світу.

У розвитку сучасних ЕОМ можна прослідкувати цікаву історичну паралель: 20 років тому в перших персональних комп'ютерах моніторами були побутові телевізори. Сьогодні завдяки розвитку засобів мультиме-діа і появі знімальної апаратури (фотоапарати та телевізійні камери) з перетворенням зображення на цифрову форму сам комп'ютер стає основою системи цифрового телебачення (ЦТБ).

У квітні 1997 р. Федеральною комісією зв'язку в США затверджено таблицю розподілу мовлення, правила розподілу та порядок виділення частот для ЦТБ, а трохи раніше було ухвалено основні положення стандарту ЦТБ під назвою АТSС А/53. В США вже працюють станції в цьому стандарті. Провідні виробники комп'ютерної техніки (Compag, Microsoft. Іntеl, ADM), підтримавши зазначений стандарт, визначили розвиток ЦТБ у трьох напрямах, персональні комп’ютери, перехідні та спеціалізовані приймачі ЦТБ. Перетворення сучасного персонального комп'ютера на приймач ЦТБ можна здійснити введенням в нього лише одного адаптера — тюнера.

Цифрове телебачення має дуже широкі функціональні можливості, які навіть важко сьогодні передбачити. ЦТБ — це не тільки підвищена якість зображення або можливість побачити екран в екрані чи використати режим поліекрана (на одному екрані кілька зображень). Це автоматична ідентифікація програм, а, як наслідок, значно цілеспрямованіше спілкування з глядачем, це поширення по комп'ютерних мережах і мережах телекомунікацій програмного забезпечення, в тому числі розважального та навчального, це забезпечення захисту інформації і багато чого іншого.

Перехід до цифрового подання зображення безпосередньо пов'язаний також із принциповою зміною монітора. На зміну електронно-променевій трубці, з винайдення якої минуло 100 років, прийшли рідкокристалічні індикатори. Після впровадження активних матриць, в яких для кожного окремого кольору створюється свій транзистор, технологія виготовлення цих індикаторів суттєво вдосконалилась. Така матриця складається з дискретних ділянок з керованою прозорістю. Тому зображення на екрані дискретне за своєю природою. Крім того, рідкокристалічні індикатори зручно стикуються з проекційною апаратурою для здобуття великих зображень.

Рідкокристалічна технологія не є єдиною для створення дискретних зображень. Наприклад, відомо пристрої з цифровим керуванням світлом | на основі цифрових мікродзеркальних приладів (патент 1991 р.).