Центральным звеном любой компьютерной системы обработки информации является, конечно же, компьютер. Однако само понятие «компьютер» весьма многообразно: под компьютером понимаются и встроенные в оборудование микроконтроллеры (хотя в этом случае они чаще всего называются процессорами), и огромные компьютерные системы, содержащие тысячи и десятки тысяч процессоров (суперкомпьютеры). Современный многофункциональный телефон (смартфон) также является, по существу, компьютером.
Все существующие современные компьютеры можно разделить на 7 категорий, причём каждой из них соответствует специфическая программно-аппаратная инфраструктура:
· карманные компьютеры – КПК (PDA – Personal digital Assistant);
· портативные компьютеры (Notebook);
· настольные компьютеры (Base PC);
· рабочие станции (Workstation);
· серверы (Server);
· суперкомпьютеры (Super Computer);
· кластерные системы (Cluster System).
При создании карманных, портативных и настольных компьютеров важнейшей задачей является обеспечение предельно низкой цены при сохранении возможности выполнять необходимые функции. Рабочие станции, серверы, суперкомпьютеры и кластерные системы имеют высокую стоимость, поэтому применяются в тех сферах, где необходима высокая производительность, невзирая на стоимость.
Рабочие станции занимают промежуточное положение между сверхдорогими и дешёвыми конструкциями. Они соответствуют усреднённому балансу соотношения между стоимостными параметрами и производительностью.
1. Карманные персональные компьютеры (КПК) – портативные вычислительные устройства, которые обладают широкими функциональными возможностями. Они гораздо проще компьютеров других категорий, однако в комплекте с сотовым телефоном и мобильным принтером могут представлять собой полноценный мобильный офис.
Истории КПК уже более 25 лет, её началом можно считать тот момент, когда появились первые сенсорные дисплеи.
В 1993 г. компания Apple создаёт первый КПК – Newton Message Pad. Карманный компьютер работал под управлением поцессора ARM-610 20 МГц, имел память ROM (ПЗУ – Постоянное Запоминающее Устройство) 4Мб, RAM (ОЗУ – Оперативное Запоминающее Устройство) 640 Кб, сенсорный дисплей с разрешением 336х240 пикселей и весил около 400 г. Почти одновременно компания Palm Computing выпускает карманный компьютер Zoomer.
В 1996 г. появился карманный компьютер Palm Pilot, работающий под управлением операционной системы PalmOS, в 1997 г. – КПК Pilot Professional. КПК получились настолько удачными, а операционная система PalmOS настолько неприхотливой, что такие гиганты, как Nokia, Sony стали лиценцизировать палмовскую операционную систему (ОС) для её использования в своих карманных компьютерах.
Такое положение де не устраивало корпорацию Microsoft, и она вскоре выпустила операционную систему Windows CE, которая специально предназначалась для использования в мобильных устройствах. Первые версии этой системы 1.0 и 2.0 получились неудачными, но в 2000 г. появилась Windows CE 3.0, а использующие эту систему устройства назвали Pocket PC.
В современных КПК применяются дисплеи, изготовленные по технологии TFT, с разрешением от 320х240 пикселей и способностью отображать более 16 млн. (224) оттенков цветов. Карманные компьютеры обычно оснащаются оперативной памятью не менее 256 МБ, а их весь не превышает 200 г. Все современные КПК оснащены слотами для использования карт памяти стандартов SD (Secure Digital), MMC (MultiMedia Card) или др.
Современные КПК имеют разнообразные мультимедиа: стереовыход и полифонические динамики, диктофон и MP3-плеер, цифровую фото- и видеокамеру. В плане коммуникации современные КПК также оснащены по полной программе: IrDA (Инфракрасный порт), Bluetooth - и Wi-Fi – адаптеры, mini-USB. При этом скорость передачи данных по инфракрасной связи составляет 115 Кбит/с, а по Bluetooth –– 723 Кбит/с. Стремительное развитие коммуникационных технологий принесло на «борт» КПК модули сотовой связи GSM (с GPRS) и глобальной системы позиционирования GPS – так на смену обычным КПК пришли коммуникаторы.
«Умные мобильные телефоны» – смартфоны (Smart Phone) – гибрид урезанного в своих функциональных возможностях КПК с хорошим мобильным телефоном. К плюсам таких аппаратов относятся удобство использования, приемлемые габариты и простота подключения к Интернету.
Среди выпускаемых КПК наиболее распространены КПК на базе 3-х операционных систем:
· Google Android;
· Windows Phone (фирма Microsoft);
· iOS (фирма Apple)
Кроме того, существуют КПК на базе следующих ОС:
· Palm OS (фирма PalmSource);
· Symbian OS (консорциум Symbian);
· BlackBerry (фирма Research In Motion);
· Windows Mobile (ранее Windows CE – фирма Microsoft).
Несмотря на то что КПК существуют уже более 25 лет, на рынке активно появляются всё новые версии. Карманные компьютеры разрабатывают и выпускают многие известные фирмы: Apple, Acer, Samsung и др. Это объясняется тем, что при небольшом размере по своей функциональности КПК всё больше приближаются к настольным компьютерам.
2. Портативные компьютеры (ноутбуки). Появились в 1981 г. Первым был выпущен так называемый Osborne I, который имел два дисковода формата 5,25 дюйма, 5-дюймовый дисплей и весил почти 12 кг. при стоимости около 1800 $. В 1985 г. компания Nippon-Shingo выпустила следующую примечательную модель портативного компьютера Ampere WS-1, которая весила уже 4 кг., имела процессор с тактовой частотой 8 МГц и работала под управление ОС BIG DOS.
К 1990 г. уже появляются модели с цветными экранами, а в 1991 г. начинает применяться цветная активная матрица на тонкоплёночных транзисторах (Thin-Film Transistor – TFT).
В 1994 г. в ноутбуках уже применяется процессор Intel Pentium.
В 1995 – 1996 годах совершенствовались графические возможности ноутбуков (появилась модель Toshiba Satellite Pro 400 CDT с возможностью отображать более 16 млн. цветов на жидкокристаллическом экране. Применялись современные накопители со встроенным приводом CD-ROM, а также уменьшались габариты (IBM ThinkPad толщиной около 3 см. и массой менее 2 кг.).
В 2000 – 2002 годах для ноутбуков предлагались мобильные процессоры компаний Intel, AMD, Cyrix. Они оснащались SVGA или XGA TFT-дисплеями. Согласно спецификации корпорации Intel (Mobile Power Guidelines’99), в этот период стандартом стал 13,3 -дюймовый экран с глубиной цвета 24 бит и разрешением 1024х768 пикселей (XGA). Норма энергопотребления такого дисплея – 2,3 Вт. Масса таких ПК обычно не превышала 3-4 кг., а толщина – 5 см. Все модели оснащались приводами CD-ROM (позднее – DVD-RW).
В портативных, как и в настольных ПК этого периода, было возможно применение одинаковых операционных систем семейства Windows.
3. Настольные компьютеры – это самая большая категория представленных на рынке персональных компьютеров.
Настольные компьютеры активно применяются как корпоративными пользователями (Office PC), так и в сфере домашнего использования (Home PC). Данная категория ПК способна решать огромный круг задач по различным направлениям: от игровых развлечений до управления системой сигнализации и энергоресурсами.
Кроме того, компьютер может работать как автоответчик, вести календарь или домашнюю бухгалтерию, получать электронную почту и делать заказы в магазинах. Для связи с датчиками и исполнительными механизмами может использоваться инфракрасный или радиоканал.
4.
4. Рабочие станции – это более дорогостоящие, чем ранее рассмотренные компьютерные системы. Они предназначены для использования в специальных областях, например, при работе с трёхмерной графикой или в издательских системах.
Рабочие станции занимают промежуточное положение между настольными компьютерами и серверами – по производительности примерно соответствуют серверам нижнего уровня. Границы между этими системами чётко не определены, однако на рабочую станцию обычно устанавливают только один процессор, а на сервер начального уровня – один или два.
5. Серверы – это специальные высокопроизводительные компьютеры, способные обслуживать несколько одновременно подключающихся к ним компьютеров для выполнения определённых задач, например, обработки информации или получения каких-либо данных.
Все серверы можно разделить на 3 уровня:
· высокий (стоимость свыше 20 тыс. $);
· средний (от 5 тыс. $ до 20 тыс. $)
· нижний (цены ниже 5 тыс. $).
Сервер начального уровня может поддерживать небольшую локальную сеть (до 50 пользователей). Внешне такой сервер отличается от настольного компьютера только большим корпусом (типа Big Tower – «большая башня») и значительным количеством разъёмов расширения. Практически все модели серверов содержат RAID-контроллеры для поддержки большого количества накопителей на жёстких магнитных дисках и обеспечения целостности данных. Часто на сервер начального уровня устанавливалось 2 процессора.
Сервер среднего уровня обычно имеет от 2 до 8 специальных процессоров, не менее 2-х источников питания и вентиляторов, заменяемых «на ходу», несколько высокоскоростных интегрированных контроллеров внешней памяти.
Сервер высокого уровня обычно имеет более 4-х наиболее производительных процессоров, не менее 2-х источников питания и вентиляторов, заменяемых «на ходу», содержит большие объёмы оперативной и дисковой памяти, несколько высокоскоростных интегированных контроллеров внешней памяти.
Для общей производительности серверов большое значение имеет быстродействие и объём кэш-памяти второго уровня. Поэтому при выборе следует отдавать предпочтение серверам, созданным на основе процессоров с более ёмкой и быстрой кэш-памятью, нежели с более высокой тактовой частотой.
Одной из важнейших характеристик серверов является надёжность. Высокая степень надёжности достигается совершенствованием конструкции и повышением отказоустойчивости аппаратной и программной части. Отказоустойчивость – это возможность компьютерной системы выполнять свою работу после возникновения ошибок. В отличие от простых компьютерных систем, где временный выход из строя может не повлечь за собой больших негативных последствий, повышение отказоустойчивости сложных многопроцессорных систем необходимо и представляет собой сложнейшую задачу, решаемую несколькими путями. Среди них: введение дополнительных (запасных) блоков, мгновенная самореконфигурация системы, повышенное внимание отладке программного обеспечения и др.
В настоящее время основной движущей силой расширения серверного рынка является массовое освоение предприятиями и компаниями электронного бизнеса.
6. Суперкомпьютеры. В некоторых областях исследований выполняемые задачи оказываются не под силу персональным компьютерам и высокопроизводительным серверам.
В таких случаях применяются суперкомпьютеры. Сферы применения: атомная физика, ядерная физика, военные исследования, сейсмология, аэродинамика, математическое моделирование. Суперкомпьютеры позволяют одновременно (параллельно) выполнять множество похожих операций.
Оценка производительности суперкомпьютеров производится тестом Linpack (разработал Джек Донгарра – один из авторов рейтинга Тор500 самых мощных компьютеров мира). Производительность измеряется в «мегафлопах » (MFlop/s– миллионах операций с плавающей запятой в секунду – 106), «гигафлопах » (GFlop/s– миллиардах операций – 109), «терафлопах » (TFlop/s– триллионах операций – 1012), «петафлопах » (PFlop/s– квадриллионах операций – 1015).
Эффективность разработки и использования суперкомпьютеров зависит от времени их создания, стоимость изготовления, степени удовлетворения насущных нужд науки, возможности обмена информацией с другими суперкомпьютерами.
Важной и насущной задачей для многих научных и коммерческих организаций является разработка сети передачи данных, объединяющей суперкомпьютеры. Такие сети позволяют получить также доступ индивидуальных пользователей к суперкомпьютерам в разных точках планеты.
7. Кластерная система (кластер) – группа компьютеров, объединённых высокоскоростными каналами связи, представляющая собой единый аппаратный ресурс (с точки зрения пользователя). Один из первых архитекторов кластерной технологии Грегори Пфистер дла следующее определение:
Кластер – это разновидность параллельной или распределённой системы, которая:
· состоит из нескольких связанных между собой компьютеров;
· используется как единый, унифицированный компьютерный ресурс
Кластерные системы обеспечивают высокую степень отказоустойчивости за счёт возможности мгновенного автоматического перехода с вышедшего из строя узла на работающий. Ещё одно достоинство таких систем – более низкая, чем у суперкомпьютеров, стоимость создания и эксплуатации.
Практическая область применения кластерных систем – реализация технологии параллельных баз данных. При этом большое число процессоров разделяет доступ к одной базе данных, что позволяет достичь высокого уровня пропускной способности транзакций и поддерживать быструю работу большого числа одновременно работающих пользователей. Параллельные базы данных формируются на основе архитектуры с общей памятью (SMA), архитектуры с общими дисками (SDA) и архитектуры без разделения ресурсов (SNA).
Технологии параллельных баз данных имеют особое значени для предприятий и организаций с непрерывным циклом производства.
Контрольные вопросы
1. Расшифруйте аббревиатуру «ЭВМ ».
2. На какие группы можно разделить ЭВМ:
а) по области применения;
б) по принципу действия?
3. На какие категории можно разбить все существующие на данный момент в мире компьютеры?
4. Назовите наиболее распространённые операционные системы, которые используются в КПК?
5. Поясните термин «сервер».
6. Что такое отказоустойчивость компьютерной системы?
7. В каких сферах обычно используются суперкомпьютеры?
8. Что такое кластерная система и где она находит применение?