Общие характеристики компьютеров

 

Все компьютеры можно разделить на несколько категорий.

· Карманные ПК.

· Блокнотные ПК.

· ПК в сфере домашнего хозяйства.

· Базовые настольные ПК.

· Сетевые ПК.

· Высокопроизводительные настольные ПК, рабочие станции и серверы начального уровня.

· Многопроцессорные рабочие станции и серверы высокого уровня.

· Суперкомпьютеры.

Каждой категории компьютеров соответствует специфическая программно-аппаратная инфраструктура.

Карманные ПК гораздо проще компьютеров других категорий, однако в комплекте с сотовым телефоном, специальным факс-модемом и мобильным принтером они могут представлять собой полноценный мобильный офис. Корпоративные пользователи карманных ПК приобретают такой автономный мобильный компьютер для удалённого доступа к локальной сети предприятия с помощью специализированного ПО. Для блокнотных ПК (notebook) предлагаются мобильные процессоры Intel, AMD и MediaGX фирмы Cyrix.

Самая большая категория – базовые настольные ПК. Базовые настольные ПК предназначены для пользователей решающих расчетные, учебные, офисные задачи, не критичные к качеству и объему аппаратного ресурса – памяти, быстродействию процессора или видеокарты.

Высокопроизводительные настольные ПК, рабочие станции и серверы начального уровня – более дорогостоящие, чем ранее рассматриваемые компьютерные системы. Такие компьютеры предназначены для инженеров и пользователей настольных издательских систем, там, где нужно работать со сложной графикой. На рабочую станцию устанавливают обычно только один процессор, а на сервер начального уровня – один или два.

Сервер начального уровня может поддерживать небольшую локальную сеть (до 40 пользователей). От базового настольного ПК такой сервер отличается корпусом типа мидитауэр и большим количеством разъёмов расширения. На сервер начального уровня устанавливается до двух процессоров Pentium II или Pentium Pro. Существуют модели (Dell PowerEdge 2200) с RAID-контроллерами с поддержкой нескольких накопителей Кроме модели фирмы Dell, примером серверов начального уровня могут быть Hewlett-Packard Net Server E и Compaq ProSignia.

Одной из важнейших характеристик данных и более сложных вычислительных систем является надежность. Высокая степень надежности достигается совершенствованием конструкции и повышением отказоустойчивости аппаратной и программной части.

Под отказоустойчивостью понимают 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, необходимость повышения отказоустойчивостисложных многопроцессорных систем представляет собой сложнейшую задачу, решаемую несколькими путями. Среди них: введение дополнительных (запасных) блоков, мгновенная самопереконфигурация системы, повышенное внимание отладке программного обеспечения и другие.

Многопроцессорные рабочие станции и серверы высокого уровня имеют обычно от двух до восьми наиболее производительных процессоров, не менее двух источников питания и вентиляторов, заменяемых «на ходу», несколько интегрированных контроллеров Ultra-Wide SCSI. Серверы содержат большие объёмы оперативной и дисковой памяти. При рассмотрении особенностей применения многопроцессорных систем, важное внимание следует уделить такому понятию, как масштабируемость.

Под масштабируемостью следует понимать возможность добавления количества процессоров, модулей памяти различных видов, а также и других ресурсов вычислительной системы. Практическое выражение масштабируемость приобретает при проектировании аппаратной и программной части архитектуры и конструкции компьютерной системы. Основной смысл масштабируемости заключается в возможности увеличения производительности, пропускной способности системы, обеспечения выполнения практических задач качественно более высокого уровня. При масштабировании проводится тестирование с целью проведения наращивания мощности именно в, так называемых, «узких» местах системы.

Для общей производительности серверов имеет большое значаще быстродействие кэш-памяти второго уровня. Поэтому при выборе следует отдавать предпочтение серверам, созданных на основе процессоров с более емкой и быстрой кэш-памятью, нежели более высокой тактовой частотой.

Кластерная система представляет собой объединение машин, являющегося единым целым для операционной системы, системного программного обеспечения, прикладных программ и пользователей. Кластерные системы в последнее время получили широкое распространение, так как обеспечивают высокую степень отказоустойчивости за счет возможности мгновенно автоматически перейти с вышедшего из строя узла на работающий. Другое достоинство таких систем – более низкая, чем у суперкомпьютеров, стоимость создания и эксплуатации.

Разработчиком идеологии кластерной системы можно назвать компанию DEC. Разработанная фирмой система кластеров характеризуется возможностью разделения ресурсов, высокой готовностью (быстрым переводом пользователей на другой компьютер кластера), высокой пропускной способностью, удобством обслуживания системы, расширяемостью.

Практической областью применения кластерных систем может служить 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 формируютсяна основе симметричной многопроцессорной архитектуры с общей памятью (Shared Memory SMP Architecture), архитектуры с общими дисками (Shared Disk Architecture) и архитектуры без разделения ресурсов (Shared Nothing Architecture).

В современный ПК входят следующие основные компоненты:

· материнская плата (Motherboard), называемая ещё главной (Mainhoard) или системнойплатой

· CPU (Central Processing Unit) – центральный процессор; FPU (Floating Point Processing Unit) – сопроцессор

· винчестер или накопитель на жёстком магнитном диске, обозначенный в документации как HDD (Hard Disk Drive)

· дисковод – для гибких магнитных дисков, FDD (Floppy Disk Drive)

· RAM (Random Access Memory) оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)

· ROM (Read Only Memory) – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

· графический контроллер – устройство, выполняющее графические операции и обработку видеоданных; акселератор – процессор, ускоряющий обработку видеоизображений

· монитор

· элементы электрических соединений узлов и блоков состоят из переходных контактов, плоских кабелей и монтажных проводов;

· корпус (case) – функциональный элемент, защищающий компоненты PC от внешнего воздействия и содержащий блок питания UPS – источник бесперебойного питания;

· устройства ввода – клавиатура, мышь, трэкболл, джойстик, дигитайзер, сканер;

· устройства вывода – принтер, плоттер;

· мультимедиа компоненты – звуковая карта, CD-ROM, DVD-ROM, карты видео ввода-вывода;

· устройства коммуникаций– факс, модем, сетевая карта.

 

Все категории компьютеров используют память нескольких типов:

• L1 – кэш-память первого уровня (реализуемая на процессоре).

• L2 – кэш-память второго уровня (располагаемая на материнской плате или на процессоре, к примеру Pentium II).

• RAM – оперативная память.

• Внешняя память (магнитные, магнитооптические и оптические носители).

 

 

Материнские платы

 

Материнская плата (МП) – основная составная часть любого персонального компьютера (PC). Производительность PC зависит от тактовой частоты материнской платы и количества данных, обрабатываемых в единицу времени. Основными компонентами, находящимися на МП являются:

· CPU – процессор;

· FPU – сопроцессор;

· контроллер DMA (Direct Memory Access), позволяющий управлять транспортировкой данных минуя CPU;

· ROM-BIOS (Basic Input Output System) – система, содержащая набор основных функций управления стандартными внешними устройствами PC;

· Cache (кэш-память) –элементы памяти, имеющие, по сравнению с оперативной памятью, меньшее время доступа и содержащие информацию о данных, необходимых CPU в первую очередь. Для кэш-памяти обычно используются очень дорогостоящие микросхемы статической памяти – SRAM (Static Random Access Memory);

· RAM (оперативная память) различных видов;

· Slots (слоты карт расширения) для установки различных устройств.

Процессоры

 

Архитектура микропроцессоров также может быть существенным основанием для разделения компьютеров, содержащих:

• RISC (Reduced Instruction Set Computer) – микропроцессор с сокращенным набором команд;

• CISC – микропроцессор со сложным набором команд;

• EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) – технологию вычислений с явным параллелизмом.

Производители RISC-процессоров: Sun Microsystems (UltraSPARC II, III), DEC (Alpha 21164), HP(PA-7150, PA-8000), SGI (MIPS R-10000), IBM (PPC-601, PPC-604), Motorola (88000), NEC (VR4111).

К CISC-архитектуре относятся все выпускаемые процессоры архитектуры «х86»: Pentium, Pentium Pro, Pentium II, III и 4 корпорации Intel, а также процессоры AMD и Cyrix.

Основная идея архитектуры RISC заключается в сокращении набора команд процессора по сравнению с обычной архитектурой CISC до минимально необходимого. Обычно такой набор включает в себя несколько наиболее часто используемых команд загрузки и перехода, элементарные арифметические и логические команды, и небольшое количество служебных операций. Все остальные функции реализуются при помощи программ. Такая архитектура дает:

то, что простые команды, имеющие одинаковый формат, обрабатываются процессором с гораздо большей скоростью, т.к. исчезает необходимость в микропрограммном управлении. По сравнению с CISC, RISC тратит гораздо меньше времени на обслуживание самого себя.

С точки зрения требуемой площади кристалла реализация простого набора команд позволяет увеличить количество внутренних регистров процессоров, называемых КЭШ памяти, с минимальным доступом времени к ним. Кроме того, выполнение небольшого набора часто используемых команд увеличивает эффективность внутреннего конвейера процессора.

Если суперскалярные RISC-процессоры могут сегодня выполнять до четырёх команд в одном цикле, в качестве примера можно привести процессоры, изготовленные по технологии EPIC. Одним из первых процессоров, представителей технологии EPICявляется Merced, проектируемыйпо технологии IA-64.

Процессор или CPU (Central Processing Unit) управляет, контролирует все элементы материнской платы. Подавляющее большинство современных процессоров совместимы с архитектурой Intel 80x86. К середине 90-х годов корпорация Intel занимает лидирующее положение на рынке CPU. Основные характеристики процессоров:

• степень интеграции чипа – сколько транзисторов может в ней уместиться, к примеру, для Intel 80586 – это от 3 млн. транзисторов на 3,5 см². Для более новых процессоров это соотношение выглядит следующим образом: Pentium III (Katmai) имеет 9,5 млн. транзисторов приплощади 106 мм², Pentium III (Coppermine) - 28 млн. транзисторов при площади 128 мм², AMD Athlon (Thunderbird) имеет 37 млн. транзисторов при площади 120 мм²;

• внутренняя разрядность данных – количество бит, которое может одновременно обрабатываться внутри CPU (16, 32, 64);

• тактовая частота – частота внутреннего тактового генератора основного микропроцессора;

• адресация памяти – размер поддерживаемой памяти (1 Мбайт для CPU 8086/88, 4 Гбайт для 80486).

На рынке конкуренцию Intel составляют две фирмы: Cyrix и AMD. Конкуренты Intel разработали спецификацию для маркировки своих процессоров 5-го и 6-го поколений – P-Rating. Данный показатель отражает тот факт, что производительность эталонной системы с подобнымпроцессором эквивалентна и даже выше, чем у аналогичной машины с процессором Intel соответствующей тактовой частоты.

Процессор Р166+, являющийся совместным продуктом Cyrix и IBM, на выставке СеВ1Т'96 получил наивысшую оценку журнала BYTE в категории «Лучшая технология». Этот процессор принадлежит к серии Сх6х86 (рабочее название «Ml») и является аналогом Pentium, но на одинаковой тактовой частоте значительно производительнее. В процессоре применено RISC-ядро Ml и динамическое переименование регистров, чего нет в Pentium. Стоимость процессоров от Cyrix значительно (почти в 2 раза) ниже.