Вычислительные машины

Размещено на http://www.allbest.ru//

Задание лабораторной работы

1. Используя ресурсы сети Internet найти по одной ЭВМ с различным принципом действия: ЦВМ, АВМ, ГВМ

Электронная вычислительная машина, компьютер - комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

По принципу действия вычислительные машины делится на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ), гибридные (ГВМ).

ЦВМ - вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме. По сути это все вычислительные машины, которые на данный момент используются в современном обществе, будь то персональный компьютер, сервер, телефон и прочее.

АВМ - вычислительные машины прорывного действия, работают c информацией, представленной в прерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения). Решаемая задача (класс задач) жёстко определяется внутренним устройством АВМ и выполненными настройками (соединениями, установленными модулями, клапанами и т. п.). Даже для универсальных АВМ для решения новой задачи требовалась перестройка внутренней структуры устройства. Отсюда можно сделать вывод, что это простейшие устройство для расчётов. Так, например, первый вариант логарифмической линей, изобретенный еще в 1622 году, можно считать первым аналоговым вычислительным прибором.

Аналоговые вычислительные машины просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше чем, у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5%). На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.

ГВМ - вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой и аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами. Простейшее гибридное устройство. Аналоговый штангенциркуль с цифровым блоком измерения

2. Провести анализ выбранных ЭВМ по различным критериям (назначение, производительность, надежность и так далее).

Если породить анализ таких ЭВМ, то в начале следует отметить АВМ:

Решаемая задача (класс задач) жёстко определяется внутренним устройством АВМ и выполненными настройками (соединениями, установленными модулями, клапанами и т. п.). Даже для универсальных АВМ для решения новой задачи требовалась перестройка внутренней структуры устройства.

При работе аналоговый компьютер имитирует процесс вычисления, при этом характеристики, представляющие цифровые данные, в ходе времени постоянно меняются.

Результатом работы аналогового компьютера являются либо графики, изображённые на бумаге или на экране осциллографа, либо электрический сигнал, который используется для контроля процесса или работы механизма.

Эти компьютеры идеально приспособлены для осуществления автоматического контроля над производственными процессами, потому что они моментально реагируют на различные изменения во входных данных. Однако общая скорость их работы невысока, так как вычисления во многом опираются на переходные процессы в реактивных компонентах, а также ограничены частотной полосой и нагрузочной способностью операционных усилителей. Такого рода компьютеры широко использовались в научных исследованиях. Например, в таких экспериментах, в которых недорогие электрические или механические устройства способны имитировать изучаемые ситуации.

АВМ характеризуются малой скоростью работы, неудобностью эксплуатации и неточностью работы, однако, занимают свою нишу в современном мире.

ЦВМ - он же компьютер - устройство или система, способная выполнять заданную, чётко определённую, изменяемую последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчётов и манипулирования данными, однако сюда относятся и операции ввода-вывода. Описание последовательности операций называется программой. Первые компьютеры создавались исключительно для вычислений (что отражено в названиях «компьютер» и «ЭВМ»). Даже самые примитивные компьютеры в этой области во много раз превосходят людей (если не считать некоторых уникальных людей-счётчиков). Не случайно первым высокоуровневым языком программирования был Фортран, предназначенный исключительно для выполнения математических расчётов.

Вторым крупным применением были базы данных. Прежде всего, они были нужны правительствам и банкам. Базы данных требуют уже более сложных компьютеров с развитыми системами ввода-вывода и хранения информации. Для этих целей был разработан язык Кобол. Позже появились СУБД со своими собственными языками программирования.

Третьим применением было управление всевозможными устройствами. Здесь развитие шло от узкоспециализированных устройств (часто аналоговых) к постепенному внедрению стандартных компьютерных систем, на которых запускаются управляющие программы. Кроме того, всё бомльшая часть техники начинает включать в себя управляющий компьютер.

Четвёртое. Компьютеры развились настолько, что стали главным информационным инструментом как в офисе, так и дома. Теперь почти любая работа с информацией зачастую осуществляется через компьютер -- будь то набор текста или просмотр фильмов. Это относится и к хранению информации, и к её пересылке по каналам связи. Основное применение современных домашних компьютеров -- навигация в Интернете и игры.

Пятое. Современные суперкомпьютеры используются для компьютерного моделирования сложных физических, биологических, метеорологических и других процессов и решения прикладных задач. Например, для моделирования ядерных реакций или климатических изменений. Некоторые проекты проводятся при помощи распределённых вычислений, когда большое число относительно слабых компьютеров одновременно работает над небольшими частями общей задачи, формируя таким образом очень мощный компьютер.

Наиболее сложным и слаборазвитым применением компьютеров является искусственный интеллект -- применение компьютеров для решения таких задач, где нет чётко определённого более или менее простого алгоритма. Примеры таких задач -- игры, машинный перевод текста, экспертные системы.

ГВМ, в свою очередь, собрала в себе лучше от АВМ и ЦВМ. В гибридной вычислительной системе устранены многие недостатки, свойственные каждому из типов вычислительных машин в отдельности, и объединены такие преимущества, как:

высокая точность и быстродействие;

многообразие возможностей управления и программирования, присущее цифровым системам;

непосредственное взаимодействие с контролируемой и управляемой аппаратурой, присущее аналоговым системам.

отсутствие в критичных узлах дополнительных преобразований физических величин и обусловленных этим временных задержек и погрешностей дискретизации.

сравнительно малое количество простых элементов, реализующих сложные функциональные зависимости, присущее аналоговым системам.

Для взаимодействия аналоговых и цифровых узлов ГВМ применяются специальные устройства преобразования, в частности, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), управляемые усилители, коммутаторы и т. п.

Гибридные вычислительные системы строятся из следующих элементов:

Блоки АВМ и ЦВМ

Преобразователи представления величин

Устройства внутрисистемной связи

Периферийное оборудование

Эффективный гибридный комплекс может быть создан только в результате тщательного исследования предметной области, уточнения всех особенностей применения и детального анализа типичных задач. Поэтому говорить о какой-то единой архитектуре гибридных вычислительных систем в корне неверно.

3. Используя ресурсы сети Internet найти по одной ЭВМ класса ПК, Мейнфрейм и Супер ЭВМ

К классу ПК можно отнести тот же настолько домашний компьютер - стационарный персональный компьютер, предназначенный для работы дома и в офисе.

Мейнфрейм - большой универсальный высокопроизводительный отказоустойчивый сервер со значительными ресурсами ввода-вывода, большим объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенный для использования в критически важных системах (англ. mission-critical) с интенсивной пакетной и оперативной транзакционной обработкой. Основной разработчик таких систем - компания IBM.

Супер ЭВМ - специализированная вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам и скорости вычислений большинство существующих в мире компьютеров. Пример такого компьютера - Cray-2, созданный в 1985-1989 годах.

Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках подхода распараллеливания вычислительной задачи.

4. Провести анализ выбранных ЭВМ по различным критериям (назначение, производительность, надежность и так далее)

Персональный компьютер.

На протяжении 1980-х и 1990-х годов настольные компьютеры стали преобладающим типом, наиболее популярными из которых были IBM PC и его клоны. Затем первенство на рынке перехватил Apple Macintosh. В середине 1980-х некоторым успехом пользовался Commodore Amiga, но популярность этих компьютеров снизилась в начале 1990-х.

Многие настольные компьютеры той эпохи интегрировали несколько компонентов в едином корпусе (All-in-one). Часто объединялись дисплей и материнская плата компьютера, иногда в едином корпусе с ними исполнялась и клавиатура. Объединение компонентов уменьшало количество проводов и площадь, занимаемую устройством.

В течение 1990-х годов All-in-one (моноблоки) постепенно стали менее распространёнными, на смену им стали приходить компьютеры с раздельным системным блоком и монитором. Системный блок теперь может располагаться на полу под столом или рядом с ним, тем самым освобождая пространство на рабочем месте для мониторов, которые становятся популярнее с каждым годом. Моноблоки как особенно компактный форм-фактор остаются популярными для корпоративных вычислительных средах и киосков.

Популярные игры, такие как Doom и Quake в течение 1990-х годов толкали геймеров на приобретения последних процессоров и видеокарт (3dfx, ATI, и Nvidia) для настольных компьютеров (обычно для компьютеров с системными блоками) для запуска этих видеоигр, хотя темпы приобретения новых комплектующих замедлился с конца 2000-х годов в связи с растущей популярностью комплектующих Intel с интегрированной графикой. Это заставило разработчиков игр прибегнуть к урезанию системных требований к видеоиграм.

Хоть производительность данных систем не велика, но они получили всеобщую популярность во всем мире.

Мейнфрейм.

Среднее время наработки на отказ. Время наработки на отказ современных мейнфреймов оценивается в 12-15 лет. Надёжность мейнфреймов -- это результат их почти 60-летнего совершенствования. Группа разработки операционной системы VM/ESA затратила 20 лет на удаление ошибок, и в результате была создана система, которую можно использовать в самых ответственных случаях.

Повышенная устойчивость систем. Мейнфреймы могут изолировать и исправлять большинство аппаратных и программных ошибок за счёт использования следующих принципов:

Дублирование: два резервных процессора, резервные модули памяти, альтернативные пути доступа к периферийным устройствам.

Горячая замена всех элементов вплоть до каналов, плат памяти и центральных процессоров.

Целостность данных. В мейнфреймах используется память с коррекцией ошибок. Ошибки не приводят к разрушению данных в памяти или данных, ожидающих вывода на внешние устройства. Дисковые подсистемы, построенные на основе RAID-массивов с горячей заменой и встроенных средств резервного копирования, защищают от потерь данных.

Рабочая нагрузка. Рабочая нагрузка мейнфреймов может составлять 80-95 % от их пиковой производительности. Операционная система мейнфрейма будет обрабатывать всё сразу, причём все приложения будут тесно сотрудничать и использовать общие компоненты ПО.

Пропускная способность. Подсистемы ввода-вывода мейнфреймов разработаны так, чтобы работать в среде с высочайшей рабочей нагрузкой на ввод-вывод данных.

Масштабирование. Масштабирование мейнфреймов может быть как вертикальным, так и горизонтальным. Вертикальное масштабирование обеспечивается линейкой процессоров с производительностью от 5 до 200 MIPS и наращиванием до 12 центральных процессоров в одном компьютере. Горизонтальное масштабирование реализуется объединением ЭВМ в Sysplex (System Complex) -- многомашинный кластер, выглядящий с точки зрения пользователя единым компьютером. Всего в Sysplex можно объединить до 32 машин. Географически распределённый Sysplex называют GDPS. В случае использования операционной системы VM для совместной работы можно объединить любое количество компьютеров. Программное масштабирование -- на одном мейнфрейме может быть сконфигурировано фактически бесконечное число различных серверов. Причём 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.

Доступ к данным. Поскольку данные хранятся на одном сервере, прикладные программы не нуждаются в сборе исходной информации из множества источников, не требуется дополнительное дисковое пространство для их временного хранения, не возникает сомнений в их актуальности. Требуется небольшое количество физических серверов и значительно более простое программное обеспечение. Всё это, в совокупности, ведёт к повышению скорости и эффективности обработки.

Защита. Встроенные в аппаратуру возможности защиты, такие как криптографические устройства и Logical Partition, и средства защиты операционных систем, дополненные программными продуктами RACF или VM:SECURE, обеспечивают надёжную защиту.

Пользовательский интерфейс. Пользовательский интерфейс у мейнфреймов всегда оставался наиболее слабым местом. Сейчас же стало возможно для прикладных программ мейнфреймов в кратчайшие сроки и при минимальных затратах обеспечить современный веб-интерфейс.

Сохранение инвестиций -- использование данных и существующих прикладных программ не влечёт дополнительных расходов по приобретению нового программного обеспечения для другой платформы, переучиванию персонала, переноса данных и т. д.

Супер ЭВМ.

Суперкомпьютеры используются во всех сферах, где для решения задачи применяется численное моделирование; там, где требуется огромный объём сложных вычислений, обработка большого количества данных в реальном времени, или решение задачи может быть найдено простым перебором множества значений множества исходных параметров

Производительность суперкомпьютеров чаще всего оценивается и выражается в количестве операций над числами с плавающей точкой в секунду (FLOPS). Это связано с тем, что задачи численного моделирования, под которые и создаются суперкомпьютеры, чаще всего требуют вычислений, связанных с вещественными числами, зачастую с высокой степенью точности, а не целыми числами. Поэтому для суперкомпьютеров неприменима мера быстродействия обычных компьютерных систем -- количество миллионов операций в секунду (MIPS). При всей своей неоднозначности и приблизительности, оценка во флопсах позволяет легко сравнивать суперкомпьютерные системы друг с другом, опираясь на объективный критерий.

Первые суперкомпьютеры имели производительность порядка 1 кфлопс, то есть 1000 операций с плавающей точкой в секунду. В США компьютер, имевший производительность в 1 миллион флопсов (1 Мфлопс) (CDC 6600), был создан в 1964 году. Известно, что в 1963 году в московском НИИ-37 (позже НИИ ДАР) был разработан компьютер на основе модулярной арифметики с производительностью 2,4 млн оп/с. Это экспериментальный компьютер второго поколения (на дискретных транзисторах) Т340-А[8] (гл. конструктор Д. И. Юдицкий). Однако следует отметить, что прямое сравнение производительности модулярных и традиционных ЭВМ некорректно. Модулярная арифметика оперирует только с целыми числами. Представление вещественных чисел в модулярных ЭВМ возможно только в формате с фиксированной запятой, недостатком которого является существенное ограничение диапазона представления чисел.

Планка в 1 миллиард флопс (1 Гигафлопс) была преодолена суперкомпьютерами NEC SX-2 в 1983 году с результатом 1.3 Гфлопс.

Граница в 1 триллион флопс (1 Тфлопс) была достигнута в 1996 году суперкомпьютером ASCI Red.

Рубеж 1 квадриллион флопс (1 Петафлопс) был взят в 2008 году суперкомпьютером IBM Roadrunner.

В 2010-х годах несколькими странами ведутся работы, нацеленные на создание к 2020 году экзафлопсных компьютеров, способных выполнять 1 квинтиллион операций с плавающей точкой в секунду и потребляющих при этом не более нескольких десятков мегаватт. К 2021 году корпорации Intel и Cray планируют создать первую в США экзафлопсную систему под названием Aurora для Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США.

Самым мощным суперкомпьютером в 2016 году по этому списку стал Sunway TaihuLight, работающий в национальном суперкомпьютерном центре Китая. Скорость вычислений, производимых им, составляет 93 петафлопс (10 в 15 степени вычислительных операций с плавающей запятой в секунду). По этому показателю он в два раза быстрее и в три раза эффективнее предыдущего рекордсмена -- Tianhe-2, также разработанного в Китае и возглавлявшему список с 2013 года.

5. Определить сферы применения и перспективы развития выбранных ЭВМ

ПК.

Применяются во всех сферах. Если учесть выше описанное, то можно увидеть, например, спад популярности персональных стационарных компьютеров и распространение мобильных устройств, таких как ноутбуки, нетбуки, неттопы и так далее. Это связано с ускорением жизни в обществе, уже нет времени бежать домой за свой компьютер, чтобы решить какую-то задачу, сейчас для этого есть мобильные устройства.

Мейнфреймы.

Сферы применения можно увидеть в ответе на предыдущий вопрос. Что касается перспектив развития, то можно сказать что интерес к этим системам падает. Важной причиной резкого уменьшения интереса к мейнфреймам в 1980-х годах было бурное развитие PC и Unix-ориентированных машин, в которых, благодаря применению новых технологий создания микросхем, удалось значительно уменьшить энергопотребление, а их размеры достигли размеров настольных станций. В то же время для установки мейнфреймов требовались огромные площади, а использование устаревших полупроводниковых технологий в мейнфреймах того времени влекло за собой необходимость жидкостного (например, водяного) охлаждения. Так что, несмотря на их вычислительную мощь, из-за дороговизны и сложности обслуживания мейнфреймы всё меньше пользовались спросом на рынке вычислительных средств.

Ещё один аргумент против мейнфреймов состоял в том, что в них не соблюдается основной принцип открытых систем, а именно -- совместимость с другими платформами.

Отнесясь к критике конструктивно, руководство компании IBM, основного производителя аппаратного и программного обеспечения мейнфреймов, выработало кардинально новую стратегию в отношении этой платформы с целью резко повысить производительность, снизить стоимость владения, а также добиться высокой надёжности и доступности систем. Достижению этих планов способствовали важные перемены в технологической сфере: на смену биполярной технологии изготовления процессоров для мейнфреймов пришла технология КМОП. Переход на новую элементную базу позволил значительно снизить уровень энергопотребления мейнфреймов и упростить требования к системе электропитания и охлаждения (жидкостное охлаждение было заменено воздушным). Мейнфреймы на базе КМОП-микросхем быстро прибавляли в производительности и уменьшались в габаритах. Поворотным же событием стал переход на 64-разрядную архитектуру z/Architecture. Современные мейнфреймы перестали быть закрытой платформой: они способны поддерживать на одной машине сотни серверов с различными операционными системами.

Согласно одному из прогнозов Gartner, к 1993 году ожидалось отключение последнего мейнфрейма, однако, по состоянию на 2013 год, не только многие мейнфреймы ещё не выведены из продуктивной эксплуатации, но и активно выпускаются новые, и продажи новых машин спорадически растут.

Другими словами, можно сказать что распространение мейнфремов слишком ограничено в силу их дороговизны и габаритов, однако, они до сих пор актуальны и занимают свое место.

Супер ЭВМ.

Так же сфера их применения описана в вопросе выше. Благодаря огромной мощности и производительности, данные ЭВМ будут существовать и развиваться. Например, благодаря целой сети таких компьютеров было получена фотография черной дыры. Исходя из материала ответа на вопрос выше, можно сделать вывод, что такие ЭВМ необходимы для дальнейшего развития человечества.

Контрольные вопросы

Что понимается под определением «информация»?

Информация - это сообщение, уменьшающее незнание о чем-либо (явлении, предмете и так далее). Минимальной единицей информации считается 1 бит («0» или «1»).

Какие вы знаете показатели качества информации?

Репрезентативность, доступность, ценность, устойчивость, достоверность, точность, своевременность, актуальность, достаточность, содержательность.

В чем состоит сущность информатики как науки, технологии и индустрии?

Информатика как наука объединяет группу дисциплин, занимающихся изучением различных аспектов свойств информации в информационных процессах, а также применением алгоритмических, математических и программных средств для ее обработки с помощью компьютеров.

Информатика как технология включает в себя систему процедур компьютерного преобразования информации с целью ее формирования, хранения, обработки, распространения и использования.

Информатика как индустрия -- это инфраструктурная отрасль народного хозяйства, обеспечивающая все другие отрасли необходимыми информационными ресурсами.

Что такое система и как классифицируются системы?

Система (греч. systema - целое, составленное из частей соединение) - совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом, образующих, определенную целостность, единство.

Выделяют системы абстрактные (знания, гипотезы, теории) и материальные (технические, эргатические, смешанные)

Какие пять базовых компонент универсального компьютера были выделены и описаны Джоном фон Нейманом?

1. центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ);

2. центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных компонент компьютера;

3. память, т.е. запоминающее устройство (ЗУ);

4. система ввода информации; вычислительная машина мейнфрейм

5. система вывода информации.

Размещено на Allbest.ru