Учебник_Информатика. Стандарт третьего поколениян. В. Макарова, В. Б. Волков
 Скачать 14.49 Mb.
|
|
110,112 двоичное число 10,012. _ 110 , 112 10 , 012 100 , 102 Пример. Вычитание чисел в троичной системе счисления: вычитаем из 2 20,023 число 100,103 _ 220,023 101 , 103 1 1 1 , 223 В этом примере мы двигаемся позиция за позицией справа налево. В случае вычитания 0 из 2 получаем 2 .Ситуация, когда а < b возникает во второй справа позиции, нам надо вычесть 1 из 0. В столбце b (в столбце с цифрой 1) мы ищем число 1 а (поскольку а=0, это будет число 10), и в самой левой ячейке строки, в которой расположена это число (10) мы находим искомый ответ 2. Поскольку в предыдущем шаге мы заимствовали единицу из старшего разряда (а он содержал в себе 0), прежде чем делать следующий шаг, мы должны еще раз выполнить операцию вычитания 1 из 0, получить в старшем разряде 2 (снова заимствовав единицу из старшего разряда), из 2 вычесть 1, и получить в третьей справа позиции 1. Дальнейшие шаги представляются очевидными. 328 Глава 11. Представление данных в компьютере Умножение Для того чтобы выполнять умножение чисел в Р-ичной системе, нам необходи мы как таблица сложения, так и таблица умножения для этой системы (табл. 11.7). Таблица 11.7. Таблицы умножения в двоичной и троичной системах счисления 0 1 2 0 0 0 0 1 0 1 2 2 0 2 И 0 1 0 0 0 1 0 1 Умножение производится по правилам умножения столбиком с использованием соответствующих таблиц умножения и сложения. Пример. Умножение двоичного числа 10,12 на двоичное число 1,12. Ю,12 х ’ 2 ____ h k 1,012 10,12 11,112 Деление Как и для умножения, для деления нужны обе таблицы, умножения и сложения в соответствующей Р-ичной системе. Само деление выполняется по привычным правилам деления уголком с последовательным вычитанием сомножителей. Пример. Деление двоичного числа 11112 на двоичное число 112. 11112 112 112 1012 112 112 0 Вопросы для самопроверки 1. Являются ли понятия «информация» и «данные» синонимами? Дайте опреде ление тому и другому понятию. 2. Какие типы информации вам известны? 3. Что такое «Р-ичная система счисления»? Какие Р-ичные системы счисления вы знаете? 4. Для чего нужен дополнительный код? Литература 329 5. Верно ли высказывание: «информация в компьютере всегда представлена в би нарном виде»? 6. В каком виде хранятся в компьютере отрицательные целые числа? 7. В каком виде хранятся в компьютере действительные числа? 8. Какие проблемы могут возникнуть при сохранении результатов некоторых арифметических операций? 9. Как решается проблема наличия разных алфавитов в разных языках при коди ровании и хранении символьной информации? 10. Что такое «ASCII»? 11. Что такое «необработанные данные»? 12. Зачем нужны служебные данные? Литература 1. Андреева Е. В Б о с о в а Л. Л., Фалина Н. Н. Математические основы информатики. Учебное пособие. М.: Бином, 2005. 2. Бауэр Ф. Л.у Гооз Г. Информатика. М.: Мир, 1990. 3. Воройский Ф. С. Информатика. Новый систематизированный толковый словарь- справочник (Введение в современные информационные и телекоммуникацион ные технологии в терминах и фактах). М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 4. Петзолду Ч. КОД. Русская редакция: М., 2001. Глава 12 История, состояние и тенденции развития компьютеров и вычислительных систем 12.1. История развития компьютеров 12.2. Классификация компьютеров и вычислительных систем 12.3. Настоящее и будущее компьютеров Изучая информатику, невозможно обойти вниманием главный современный инструмент, при помощи которого производится обработка информации, — ком пьютер. В этой главе излагается краткая история развития компьютерной техники, приводятся разные способы классификации современных компьютеров, обсуж даются перспективы развития компьютерных технологий, а также преимущества и проблемы, которые несет активное проникновение компьютеров практически во все области человеческой жизни. 12.1. История развития компьютеров Разные подходы к описанию истории развития компьютеров побуждают иссле дователей начинать отсчет с разных моментов времени. Один из подходов связы вает развитие компьютеров с этапами развития методов вычислений и обработки 12.1. История развития компьютеров 331 информации. Целесообразно было бы выделить следующие типы вычислительных устройств: □ механические устройства: вспомогательные механические устройства для вы числений; механические счетные машины, не имеющие программы; механиче ские программируемые устройства; □ электронные программируемые устройства. 12.1.1. Механические устройства для вычислений Вспомогательные механические устройства для вычислений Абак. Глиняная или деревянная доска с углублениями, в которые помещались камушки или глиняные шарики. Прародитель современных счетов. Использовался для помощи в вычислениях в Вавилоне (приблизительно 2000 лет до н. э.), Египте (приблизительно 1500 лет до н. э.), Древней Греции (приблизительно V век до н. э). Пройдя через три цивилизации, практически не изменил своей конструкции. Римский абак. Приблизительно III век до н. э. Римская нотация была тяжела для вычислений, а вычислять приходилось много (империя собирала налоги и тонула в роскоши, развитие торговли вынуждало считать все больше и быстрее), поэтому в Древнем Риме абак применялся особенно широко. Конструкция абака развива лась, появились его наладонные версии (первые «наладонники»). Китайский абак. Приблизительно IV век до н. э. Представлял собой прямо угольный деревянный каркас с натянутыми поперечными шнурами, на которые были нанизаны косточки. Это уже прямой прототип сегодняшних счетов. Европейский абак. Приблизительно XV век. Постепенно римский абак в Европе приобрел вид, напоминающий сильно усложненные современные счеты. В прямо угольном каркасе были протянуты нити, на которые нанизывалось разное коли чество косточек. Каркас был разделен на несколько частей, в каждой из которой хранились свои результаты вычислений. Устройство получило название линейной доски. Русские счеты. Первое упоминание в 1658 г. Европейский абак, попав в Россию, был быстро упрощен до вида, в котором мы его сегодня знаем как счеты. Счеты, между прочим, широко использовались в нашей стране еще во второй половине прошлого века, вплоть до появления электронных калькуляторов. Все перечисленные устройства даже при большом желании трудно назвать вычислительными машинами. Это скорее внешние механические запоминающие устройства для хранения промежуточных результатов вычислений. Механические непрограммируемые счетные машины Антикирский механизм. Древняя Греция, приблизительно I век до н. э. Устрой ство, состоящее из множества связанных зубчатых колес и циферблата со стрел ками. Позволяло рассчитывать движение небесных тел. Счетная машина Леонардо Да Винчи. 1492 г. Машина была выполнена в виде эскиза в дневнике гениального итальянца. Она была реализована в XX в. и выпол няла сложение двух 13-разрядных чисел. 332 Глава 12. История, состояние и тенденции развития компьютеров С этого времени и до 1801 г. развитие счетных машин шло по двум основным направлениям: □ механические счетные машины на зубчатых колесах или ступенчатых валиках развивались вплоть до появления арифмометров (активно использовались в нашей стране еще во второй половине XX в.); □ аналоговые механические вычислительные устройства, основанные на таблицах логарифмов, являли собой логарифмические линейки разного типа (также активно применялись вплоть до появления электронного калькулятора). Механические программируемые устройства В 1801 г. произошло знаменательное событие: Жозеф Мари Жаккар изобрел ткацкий станок с программным управлением. Этот станок мог менять рисунок на ткани в соответствии с программой, вводимой с перфокарт. Впервые появилось программируемое, хотя пока еще механическое устройство. С этого момента на учная мысль уже нацелилась на создание устройства, которое мы сегодня называем компьютером. Однако до появления первого «настоящего» компьютера было еще полтора века. С 1822 по 1828 г. английский ученый Чарльз Бэббидж работал над созданием своей разностной машины. Машина была проработана до деталей в чертежах, но не построена из-за недостатка денег. Начиная с 1834 г., Бэббидж работал над идеей аналитической машины, которую можно смело назвать первым прообразом современного компьютера. Будучи механической, эта машина тем не менее содер жала все основные блоки, из которых состоит современный компьютер: процессор («мельница»), запоминающее устройство («склад») на 1000 пятидесятиразрядных чисел, контроллер передачи данных и перфокарточное устройство ввода-вывода. Эту машину Бэббидж придумывал вместе с Адой Августой Лавлейс (дочерью Джорджа Байрона). Ада Лавлейс проделала огромную работу по популяризации машины Беббиджа и составила первые программы для нее. В честь Ады Лавлейс назван язык программирования Ада. К сожалению, при жизни Бэббиджа не были созданы ни разностная, ни аналитическая машины. Но после того как великий изобретатель и ученый ушел из жизни, они были построены и доказали свою ра ботоспособность. В 1876 г. русский математик П. Л. Чебышев создал суммирующий аппарат с непрерывной передачей десятков, доработанный позднее для осуществления умножения и деления. 1887 г. был отмечен созданием американским изобретателем Холлеритом элек трического табулятора для работы с перфокартами. В 1912 г. появилась машина для интегрирования простых дифференциальных уравнений по проекту русского инженера А. Н. Крылова. 12.1.2. Электронные программируемые устройства В 1936 г. английский математик А. Тьюринг выдвинул концепцию абстрактной вычислительной машины, почти одновременно с ним абстрактное представление 12.1. История развития компьютеров 335 вычислительной машины предложил американский матемаь несколько квадрат- шины, хотя и не существовавшие в реальности, предполагалемЫ) КОТОрЫе ранее программное выполнение вычислений. tepy^ полметра на В период с 1936 по 1941 г. немецкий изобретатель Кондрад7ГИХ дИСКретных вычислительных машин: Z l, Z2 и Z3. Машину Z3, созданную на *етрах площади, логики, принято считать первым программируемым компьютероЪ1Х сантиметра, с этого момента обычно начинают вести отсчет истории развит^ не только для как таковых. или иначе при- Если темпы развития компьютеров вплоть до разработки и с о з ,^ микроэлек- ческой машины Бэббиджа диктовались в первую очередь темпамр,ТрудНР1чавших ретической научной мысли и представлениями о том, что может, изакон: каждый делать механическое устройство, то, начиная с компьютеров Цузе, тхц^егральной компьютеров стали определяться в основном технологическим дс^ технологий Определяющим в конструкции компьютера стала элементная база. * кация компьютеров по поколениям, приведенная далее, основана име:но назвать признаке. ' на столе их т>рые при- Первое поколение q с j 954 г ENIAC. Элементной базой для первого поколения компьютеров былми раз- умные электронные лампы. Именно это определило их огромный pa3i и потребляемую мощность при сравнительно скромных вычислительных. ностях. Первая ЭВМ, ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer, создана в 1946 г., в Пенсильванском университете Джоном Моучли и Д » Ыпу- Эккертом. Эта машина весила 30 тонн, занимала 1500 квадратных метров плоп 0ж- содержала более 18 ООО вакуумных ламп и потребляла электрическую мощно-их 140 кВт. ENIAC была способна совершать 300 умножений или 5000 сложеньь чисел с плавающей запятой в секунду. Это намного превышало возможное™ любой другой вычислительной техники. Одним из самых больших недостатков ENIAC было ручное программирование, заключавшееся в переключении тум блеров и кабельных разъемов, что было весьма утомительно. Кроме того, ENIAC была десятичной машиной, выполнявшей все операции в десятичной системе счисления. Эта машина считается первой электронной вычислительной машиной, созданной человеком. EDVAC и машина фон Неймана. Непомерно трудный процесс программирования ENIAC был бы проще, если бы программу можно было представить в том же виде, что и данные, и так же, как данные, хранить в памяти. Математик фон Нейман, консультировавший создателей ENIAC, выдвинул концепцию машины с хранимой программой в 1945 г. Фон Нейман назвал эту машину EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer) и сразу же приступил к воплощению своей идеи в институте I AS (Institute of Advanced Studies) в Принстауне. Поэтому обобщенную схему машины фон Неймана еще называют IAS-компьютером. Эта обобщенная схема, изображен ная на рис. 12.1, оказалась настолько удачной, что все современные компьютеры в том или ином виде ей соответствуют. Естественно, сама машина фон Неймана является не компьютером, а только концепцией, но зато реализуют эту концепцию все персональные компьютеры с одноядерными процессорами. 332 Глава 12. История, состояние и тенденции развития компьютеров С этого времени ленной реализацией компьютеров первого поколения была направлениям: созданная теми же Эккертом и Моучли в рамках корпорации □ механические ^эО-1955 гг. на первый план в компьютерном бизнесе выходит развивались со своими машинами 700-й серии. С этого момента изготовление в нашей стра ло поставлено на поток. □ аналоговые Модуль центрального логарифмов. процессора применялис но не r jCCHM (Т0ГДа в СС С Р) образцами машин первого поколения могут быть идеей ы МЭСМ (малая электронная счетная машина) — в 1950 г. самая быстро- совр( дующая в Европе — и БЭСМ (большая электронно-счетная машина). Обе жал Роены П°Д руководством академика С. А. Лебедева. («> чь орое поколение 7 Компонентной основой компьютеров второго поколения были транзисторы. Потребляемая электрическая мощность и размеры транзисторов гораздо меньше их электронно-вакуумных предков. Кроме того, полупроводниковые устройства позво лили значительно уменьшить физические размеры памяти компьютеров и повысить быстродействие. В этом поколении происходит серьезное усложнение арифмети ческого логического устройства и устройства управления ходом выполнения про граммы. В это же время сформировалось понятие системного программного обеспе чения и стало быстро развиваться программирование на языках высокого уровня. Типичным представителем компьютеров этого поколения были компьютеры IBM серии 7000. В СССР реализовано сразу несколько серий ЭВМ второго по коления средней и малой мощности: БЭСМ, «Урал», «Минск», «Раздан», «Днепр». Третье поколение Третье поколение компьютеров во многих отношениях можно назвать особенной вехой в истории развития компьютерных технологий. Был реализован переход от дискретной (основанной на отдельных транзисторах, лампах и вспомогательных эле ментах) логики к БИ С и СБИС, то есть к большим и сверхбольшим интегральным схемам. Наука и технология совершила шаг от электроники к микроэлектронике. Для этого потребовалось разработать очень точные технологии создания сверхслож ткацкий ста ткани в соо" программи учная мыс; компьютет полтора f М еханическ В 1801 г. г С 18г Рис. 12.1. Компьютер первого поколения своей р 12.1. История развития компьютеров 335 ного рисунка электронной схемы на площади размером всего в несколько квадрат ных миллиметров. Благодаря этим технологиям электронные схемы, которые ранее собирались на больших электронных платах (размером, к примеру, полметра на полметра) и содержали в себе сотни и тысячи транзисторов и других дискретных деталей, теперь создавались на нескольких квадратных миллиметрах площади, а будучи упакованными в корпус занимали два-три квадратных сантиметра. Микроэлектронная технология оказалась удачным решением не только для компьютеров, но и практически для всех областей техники, где так или иначе при менялись электронные устройства. Будучи широко востребованными, микроэлек тронные устройства бурно развивались, и в 1965 г. один из ученых, сотрудничавших с корпорацией Intel, Гордон Мур, сформулировал свой знаменитый закон: каждый последующий год плотность транзисторов на единицу площади интегральной схемы будет удваиваться. Дальнейшее развитие микроэлектронных технологий подтвердило удивительную точность этого прогноза. Типичным представителем компьютеров третьего поколения можно назвать IBM серии System/360. Это были все еще большие по размеру машины (на столе их разместить было невозможно, и стоили они сотни тысяч долларов), которые при менялись в качестве мэйнфреймов и активно производились IBM начиная с 1964 г. В СССР компьютеры третьего поколения были отмечены отечественными раз работками серии ЕС (ЕС 1020, ЕС 1030, ЕС 1050) и БЭСМ-6. Четвертое поколение Практически параллельно запуску серии System/360 корпорация DEC выпу стила на рынок компьютеры с совершенно новой организацией и новыми возмож ностями. Это были машины серии PDP-8. Отличительными особенностями этих машин были: шинная организация, обеспечивавшая исключительную гибкость в расширении и встраивании компьютера; микропроцессор, способный выполнять операции с плавающей точкой на аппаратном уровне; полупроводниковая память. И самая главная особенность — исключительная компактность и сравнительно низкая цена: компьютер уже можно было разместить на столе, а его стоимость составляла «всего» 16 000 долларов. Это еще не был массовый персональный ком пьютер, но небольшие лаборатории и производства, предприятия среднего бизнеса уже могли позволить себе приобрести такие машины. То, что произошло дальше, смело можно назвать «путем Intel» в компьютерной технологии. Корпорация Intel, развивая технологии изготовления микропроцес сорных устройств, последовательно предложила рынку целую линейку своих продуктов (табл. 12.1). Таблица 12.1. Процессоры Intel Десятилетие Процессоры 1970-1980 4004,8008,8080,8086,8088 1980-1990 80286,386 ТМ SX, 386 ТМ DX, 486 ТМ DX 1990-2000 486 TMSX, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium IV 2000... Itanium 336 Глава 12. История, состояние и тенденции развития компьютеров На основе этих процессоров создаются и получают небывалое развитие персо нальные компьютеры. Это уже не столько техническое, сколько социально-куль турное явление, важность которого трудно переоценить. Параллельно компьютерам с архитектурой Intel, начиная с 1993 г., развивают ся компьютеры с архитектурой PowerPC, известные нам как компьютеры Apple Macintosh. Эти машины изначально имели более производительную 32-битную организацию и еще в 1996 г. перешли на 64-разрядную шину. Используя супер- скалярную архитектуру организации микропроцессора и встроенную (on-chip) кэш-память, компьютеры Apple Macintosh выигрывают по производительности у машин Intel, но дешевизна персональных компьютеров с процессорами Intel обеспечила последним заслуженную популярность и доминирование на столах пользователей. В СССР четвертое поколение ЭВМ было отмечено целым букетом отечествен ных разработок: это модифицированные версии ЕС ЭВМ, целый ряд двухпро цессорных машин, многопроцессорные машины Эльбрус, мини-ЭВМ серии СМ, профессиональный персональный компьютер ЕС -1840 (он уже не занимал в ка бинете все свободное место, но его еще нельзя было поставить на стол, поскольку размерами он сам был лишь немногим меньше письменного стола). Особенными событиями, породившими в СССР эпоху «наколенных» компьютеров, были выпуск компьютера «Электроника БК-0010-01» с процессором, совместимым с PDP-11, и компьютера «Москва», совместимого с ZX Spectrum. Выпуск этих компьютеров перенес компьютерное творчество в народные массы. Повсеместно «наколен ным» способом собирались десятки, если не сотни тысяч, самодельных машин ZX Spectrum и модифицировались БК-0010. Трудно себе представить, сколько людей в нашей стране получило свое первое представление о программировании не на школьных уроках, а дома, сидя перед телевизором (поскольку у первых бытовых компьютеров не было дисплея, а в качестве такового использовался экран теле визора). Российская наука внесла в компьютеры четвертого поколения свой вклад много процессорными машинами «Эльбрус-3» (1994 г.) и «Эльбрус-90 Микро» (1996 г.). Пятое поколение Поскольку за основу деления компьютеров на поколения мы приняли элемент ную базу, говорить о машинах пятого поколения пока еще рано. Несмотря на то что компьютерные вычисления совершенствуются, усложняется и миниатюризиру- ется структура микропроцессоров, этот процесс пока продолжается в рамках все той же парадигмы сверхбольшой интегральной схемы. Появление многоядерных процессоров или преодоление суперкомпьютерами петафлопсного рубежа (от flops — float operation per second, то есть операций с плавающей точкой в секунду) не может с этой точки зрения быть границей перехода к следующему поколению. Возможно, успехи нано- или фемто-технологий позволят создавать процессоры на принципиально иной основе, и тогда уже можно будет говорить о компьютерах пятого поколения. 12.2. Классификация компьютеров и вычислительных систем 337 12.2. Классификация компьютеров и вычислительных систем С момента своего появления компьютеры бурно развивались и активно вхо дили во все сферы деятельности человека, иногда опережая прогнозы писате- лей-фантастов. Подобно любому явлению, широко и многопланово вошедшему в нашу жизнь, компьютеры могут быть классифицированы по самым разным признакам: по принципу действия, по мощности и габаритам, по назначению и области применения, по роли, которую они выполняют в сети, по внутренней архитектуре. Ш ирота применения компьютеров, самых разных по мощности и размерам, проникновение компьютеров практически во все области жизни при водят к тому, что становится все труднее провести границы между условно вы деленными группами. Так, благодаря технологиям кластеризации суперкомпью теры легко собираются из обычных рабочих станций, в то же время микроЭВМ на уровне процессора повышают свою производительность за счет архитектур, свойственных суперкомпьютерам. 12.2.1. Классификация по принципу действия ЭВМ такого типа в свое время позволяли производить моделирование сложных физических процессов, сразу же получая сведения о состоянии модели в любой ее точке и на любом этапе процесса. Несмотря на невысокую точность результатов (погрешность достигала 5 %), аналоговые ЭВМ отличались простотой эксплуата ции, их программирование сводилось к выставлению определенных значений для параметров в тех или иных узлах и сборке схемы соединения узлов. Это определило популярность аналоговых машин и их довольно широкое применение при выпол нении проектных и исследовательских работ. Однако по мере совершенствования цифровых ЭВМ, а также математических методов описания моделей процессов, аналоговые ЭВМ были вытеснены цифровыми и гибридными (рис. 12.2). Рис. 12.2. Классификация компьютеров по принципу действия 338 Глава 12. История, состояние и тенденции развития компьютеров Современные гибридные ЭВМ чаще всего применяются в узкоспециальных областях, таких как медицина и навигация, а также выступают в роли аналого- цифровых и цифроаналоговых преобразователей в робототехнике. 12.2.2. Классификация по вычислительной мощности и габаритам Классификация компьютеров по вычислительной мощности и габаритам пред- ставлена на рис. 12.3. Уровни управления Рис. 12.3. Классификация компьютеров по вычислительной мощности и габаритам Сверхпроизводительность достигается за счет параллельной архитектуры, сверхглубокого охлаждения процессора и полупроводниковой памяти, применения особых сверхбыстрых сверхбольших интегральных схем и каналов связи. Назна чение суперкомпьютеров — решать задачи, в которых огромные объемы данных нужно обработать за сжатое время (системы предупреждения ядерного нападения и стихийных бедствий, прогнозирования погоды, авиаперевозок). 12.2. Классификация компьютеров и вычислительных систем 339 Современные большие ЭВМ обычно построены с использованием многоядер ной, многопроцессорной или многокомпьютерной технологии (все чаще встреча ются случаи совмещения двух или трех названных технологий в одной машине). Назначение больших ЭВМ — серверы в мэйнфреймовых системах (собственно мэйнфреймы), крупные интернет-серверы, серверы данных в больших распреде ленных системах. По своему объему большие ЭВМ таковы, что требуют отдель ного компьютерного зала. Нужно отметить, что большие ЭВМ — уходящая ветвь, развитие кластерных технологий сделало их практически ненужными: кластеры, собранные на основе персональных или серверных ЭВМ, могут обеспечить ту же вычислительную мощность и вдобавок являю тся масштабируемыми. Назначение средних ЭВМ — серверы баз данных в информационных системах среднего масштаба, управляющие компьютеры в системах автоматизированного производства. Все замечания по вытеснению больших ЭВМ кластерными сборками верны и для средних ЭВМ. На этих ЭВМ выполняются инженерные расчетные задачи, моделирование, они могут служить ведущим компьютером в системе управления станками ЧПУ. 12.2.3. Классификация по способу применения Эта классификация, вероятно, будет наиболее развернутой и подробной, по- скольку ЭВМ одной и той же мощности можно применять самыми разными спо собами и, наоборот, одним и тем же способом можно использовать ЭВМ разной мощности, в зависимости от потока обрабатываемой информации (рис. 12.4). Научные вычислительные центры большой мощности — это поле деятельности суперЭВМ. Обычно в таких научных центрах решаются вычислительные задачи моделирования сверхсложных многофакторных процессов (например, модели рование процесса развития и существования различных космических объектов, моделирование биологических, социальных или психофизиологических процессов, прогнозирование погоды). С января по сентябрь 2008 г. в мире было установлено 53 суперкомпьютера, из которых 47 попало в университеты и научные учреждения, 4 — в национальные гидрометеоцентры и только 2 напрямую предназначались для использования в бизнесе и выполнения инженерных расчетов. 340 Глава 12. История, состояние и тенденции развития компьютеров Рис. 12.4. Классификация компьютеров по способу применения Вся информация с клавиатуры поступает в базовый компьютер, а от него на ра бочее место приходит информация, отображаемая на дисплее (рис. 12.5). В качестве мэйнфрейма обычно выступают большие или средние ЭВМ, но все чаще возникают прецеденты замены в этой роли большой ЭВМ суперкомпьютером. Терминал 1 Рис. 12.5. Мэйнфреймовая архитектура 12.2. Классификация компьютеров и вычислительных систем 341 В зависимости от количества рабочих станций и объема хранимых и обрабаты ваемых данных в этой роли может выступать как ЭВМ средней мощности (специ ализированная серверная машина), так и обычный персональный компьютер, но с увеличенным объемом оперативной памяти и расширенным дисковым простран ством (рис. 12.6). Рис. 12.6. Клиент-серверная архитектура Сервер среднего звена обычно берет на себя часть нагрузки основного сервера системы, поэтому в качестве такого сервера может применяться как специализиро ванная серверная ЭВМ, так и персональный компьютер с расширенным объемом оперативной памяти (рис. 12.7). Рис. 12.7. Многозвенная (в данном случае — трехзвенная) архитектура Все эти серверы могут располагаться на одном мощном серверном компьютере или на нескольких рабочих станциях. 342 Глава 12. История, состояние и тенденции развития компьютеров Помимо перечисленных, по способу применения различаются: □ Бытовые ЭВМ — домашние персональные компьютеры. □ Персональные информационные менеджеры (П И М ) — малогабаритные «кар манные» или «наладонные» ЭВМ для оперативного управления персональной информацией. □ Игровые приставки — персональные ЭВМ, специально предназначенные для компьютерных игр. □ Бортовые ЭВМ устанавливаются на борту средств передвижения: автомобилей, самолетов, кораблей, спутников с целью управления техническими параметрами и навигации. □ Управляющие ЭВМ предназначены для управления технологическими процес сами на производстве. □ Микроконтроллеры, обычно встраиваемые в производственные роботы и автома тизированные линии, — это специальный вид микроЭВМ, оформленный в виде блоков с цифровыми каналами ввода (от датчиков) и вывода (для управления исполнительными устройствами). □ Встроенные ЭВМ — это микроЭВМ, управляющие сегодня широким спектром бытовой и специальной техники, хотя потребитель может даже не иметь пред ставления об этом. Чипы микропроцессоров дешевы и малы по размеру, так что вы можете даже не предполагать, что ваш пылесос, холодильник, телевизор, музыкальный комбайн, стиральная или посудомоечная машина работают по программе, вшитой в запоминающее устройство однокристальной ЭВМ. Встро енными микроЭВМ оснащаются сегодня игрушки, электронные кредитные карты и даже открытки. □ Специализированные рабочие станции — это персональные компьютеры, осна щенные специальным дополнительным оборудованием. Они могут работать изолированно или в сети, будучи подключенными к серверу. Одна из областей применения — медицина, в качестве диагностического рабочего места или в со ставе сети медицинского наблюдения. 12.3. Настоящее и будущее компьютеров 12.3.1. Микропроцессоры Любой из современных компьютеров создан на основе сверхбольших интеграль ных схем и в качестве исполнителя программы и вычислителя имеет один или не сколько микропроцессоров. Поэтому обсуждать настоящее состояние современных вычислительных машин мы начинаем именно с этого устройства. Как уже отмечалось, развитие полупроводниковой технологии полностью под твердило правоту прогноза Гордона Мура, согласно которому примерно каждый год число транзисторов в микросхеме будет удваиваться. Этот прогноз оказался настолько точным, что получил название закона Мура (табл. 12.2). 12.3. Настоящее и будущее компьютеров 343 Таблица 12.2. Закон Мура в действии (на примере процессоров корпорации Intel) Микропроцессор Год выпуска Количество транзисторов 4004 1971 2300 8008 1972 2500 8080 1974 5000 8086 1978 29000 286 1982 120000 Intel 386™ processor 1985 275000 Intel 486™ processor 1989 1180000 Intel® Pentium® processor 1993 3100000 Intel® Pentium® II processor 1997 7500000 Intel® Pentium® III processor 1999 24000000 Intel® Pentium® 4 processor 20Q0 42000000 Intel® Itanium® processor 2002 220000000 Intel® Itanium® 2 processor 2003 410000000 Этот закон одновременно демонстрирует беспрецедентную скорость разви тия микропроцессорной технологии и дает возможность вычислить срок, когда человечество подойдет к технологическим границам, делающим невозможной дальнейшую миниатюризацию. Дело в том, что увеличение количества транзисто ров на одном микропроцессоре при сохранении размеров самого чипа должно вести к уменьшению размера транзистора. Но размер транзистора невозможно умень шать до бесконечности: как дом не может быть размером с кирпич, из которого он построен, так и транзистор рано или поздно достигнет размеров, сравнимых с размерами составляющих его электронов и его дальнейшее уменьшение станет невозможным. Еще в 2000 г. сроком достижения такого барьера называли 2020 г., но сегодняшний прогноз приблизил эту границу, и «технологический тупик» ожи дается уже в 2017 г. С приближением подобных сроков всегда происходит ожив ленный поиск в пограничных отраслях знания. Бизнес и правительства разных стран выделяют большие средства на поиск новых путей в микроэлектронике, вот почему так популярны сейчас темы «нетранзисторных» и «некремниевых» ком пьютеров — устройств, основанных на химических, биологических или световых процессах. Тем не менее специалисты корпорации Intel уверяют, что у них уже есть на учные и технические решения, позволяющие следовать закону Мура до 2020 г. В качестве таких решений называют многослойные структуры микропроцессора, применение нанотехнологий, и другие. Кроме проблем, связанных с геометрическими размерами элементов, все силь нее проявляются проблемы сопутствующие. Увеличение плотности транзисторов на квадратном миллиметре площади (а в будущем — на кубическом миллиметре 344 Глава 12. История, состояние и тенденции развития компьютеров объема) означает повышенную теплоотдачу. Каждый транзистор в момент пере ключения выделяет некоторое количество тепла. Чем больше транзисторов, тем этого тепла больше. Также повышается теплоотдача при увеличении частоты переключения транзисторов. Современные микропроцессоры излучают с каждого миллиметра столько тепла, сколько излучает металл, нагретый до температуры в тысячу с лишним градусов. Если это тепло не отводить, разрушение процессора неминуемо. Вот почему каждое новое поколение процессоров оснащалось все более массивными радиаторами и мощными кулерами (вентиляторами для отвода тепла). Современные микропроцессоры нередко оснащаются не только воздушными, но и водяными или гелиевыми средствами охлаждения, а в состав суперкомпьютера уже привычно включаются криогенные установки. Кроме того, микропроцессоры оснащаются специальным технологическим и программным обеспечением, по зволяющим отслеживать температурный режим процессора, гибко регулировать его частоту, изменять интенсивность обдува воздухом, отключать процессор при приближении недопустимых температур. П Р И М Е Ч А Н И Е --------------------------------------------------------------------------------------------------------- |