Аналіз сфер використання комп’ютерів показує, що можна виділити два основних напрямки їх використання. Перший напрямок – це поліпшення інтелектуальних можливостей людини. Мається на увазі прискорення обчислень, зберігання великих об’ємів інформації, швидкий пошук та відображення необхідної інформації і т. д. Комп’ютери цього напрямку повинні мати велику ємність пам’яті, потужне програмне забезпечення, розвинуті засоби взаємодії з людиною.

Другий напрямок – це використання комп’ютера як системи керування, інформаційно-вимірювальної системи, системи передачі даних і т. д. Основна вимога до комп’ютерів даного напрямку – забезпечення необхідного часу реакції на події в системі, проведення обробки вхідних даних в темпі їх надходження, тобто в реальному масштабі часу, і видача результатів відповідно до часових вимог системи. Комп’ютери цього напрямку повинні мати швидкісні зовнішні інтерфейси, володіти високою продуктивністю та надійністю роботи. Часто ці комп’ютери є вбудованими в мобільні засоби, тому додатково вимагається, щоб вони мали малі габарити та низьку споживану потужність.

Функціональні можливості обчислювальних машин обумовлені такими найважливішими техніко-експлуатаційними характеристиками:

- швидкодія, яка вимірюється усередненою кількістю операцій, що виконує ОМ за одиницю часу;

- розрядність і форми подання чисел, з якими оперує комп'ютер;

- номенклатура, ємність і швидкодія всіх запам’ятовуючих пристроїв;

- номенклатура і техніко-економічні характеристики зовнішніх пристроїв зберігання, обміну і вводу/виводу інформації;

- типи і пропускна здатність пристроїв зв’язку і сполучення вузлів комп'ютера між собою (тип внутрішньомашинного інтерфейсу);

-    здатність комп'ютера одночасно працювати з декількома користувачами і виконувати одночасно декілька програм (багатопрограмність);

- типи і техніко-експлуатацшні характеристики операційних систем, що використовуються в ОМ;

-    наявність і функціональні можливості програмного забезпечення;

-  здатність виконувати програми, написані для інших типів комп'ютерів (програмна сумісність з іншими типами комп'ютерів);

- система і структура машинних команд;

- можливість підключення до каналів зв'язку і обчислювальної мережі;

- експлуатаційна надійність комп'ютера;

- коефіцієнт корисного використання комп'ютера в часі, визначений співвідношенням часу корисної роботи і часу профілактики.

Обчислювальні машини можуть бути класифіковані за рядом ознак, зокрема: принцип дії; етапи створення та елементна база; призначення; спосіб організації обчислювального процесу; розмір, обчислювальна потужність; функціональні можливості; спроможність до паралельного виконання програм і т.д. [3].

За розмірами і обчислювальною потужністю (рис. 4.1) обчислювальні машини можна розділити на надвеликі (суперкомп'ютери, супер-ЕОМ), великі, малі, надмалі (мікрокомп'ютери або мікро-ЕОМ).

Рисунок 4.1 – Класифікація ОМ за розмірами і обчислювальною потужністю


Залежно від сфери застосування та технічних характеристик, розрізняють наступні типи комп’ютерів:

1.  Персональні комп’ютери – комп’ютери, орієнтовані на користування однією особою;

2.  Робочі станції – комп’ютери, орієнтовані на вирішення інженерних задач, в першу чергу в складі локальних комп’ютерних мереж;

3.  Багатотермінальні системи – набір стандартних терміналів, підключених до сервера;

4.  Сервери – центральні комп’ютери для побудови інформаційних систем;

5.  Мейнфрейми – великі універсальні комп’ютерні системи;

6. Кластерні комп’ютерні системи – об’єднання комп’ютерів, що сприймається операційною системою, системним програмним забезпеченням, прикладними програмами і користувачами як єдине ціле;

7.  Суперкомп’ютери – найпотужніші на даний час комп’ютери;

8.  Мікроконтролери – комп’ютери на кристалі, призначені для керування електронними пристроями.

9.  Спеціалізовані комп’ютери, це – комп’ютери, що орієнтовані на вирішення задач, котрі неможливо або недоцільно виконувані на універсальних комп’ютерах.

Рисунок 4.2 – Області застосування  основних типів комп’ютерів

4.1 Персональні комп’ютери

Персональні комп’ютери (ПК) з’явилися в результаті еволюції міні-комп’ютерів при переході елементної бази з малим і середнім ступенем інтеграції на великі і надвеликі інтегральні схеми. ПК, завдяки низькій вартості, дуже швидко завоювали тверді позиції на комп’ютерному ринку і створили передумови для розробки нових програмних засобів, що орієнтувалися на кінцевого користувача. ПК класифікуються за їх розмірами та конструктивним виконанням наступним чином.

1.   Настільні комп’ютери. До складу настільного комп’ютера входить системний блок (в якому розміщена материнська плата, центральний процесор, основна пам’ять, карта розширення, блок живлення і т. д.), дисплей, клавіатура, мишка. В системний блок також вбудовані драйвер оптичних дисків і зовнішня дискова пам’ять. Настільні комп’ютери призначені для офісного використання.

2.   Ноутбуки. Це близькі за характеристиками до настільного ПК, але конструктивно виконані в придатному для перенесення виконанні.

3.   Персональні цифрові асистенти. Це кишенькові ПК, спеціально створені як персональні асистенти людини. Вони надають наступний сервіс: годинник, комп’ютерні ігри, доступ до мережі Інтернет, електронна пошта, записна книжка, адресна книжка, мобільний телефон, медіа плеєр та інше.

4.   Смартфони. Це мобільні телефони, які мають вбудовану операційну систему та можливості вище описаних персональних цифрових асистентів.

5.   Портативні комп’ютери. Це ПК типу настільних, але виконані в придатному для перенесення та роботи в не офісних умовах конструктивному виконанні.

6.   Переносимі комп’ютери. Це комп’ютери, які надають інформаційні послуги людині під час її руху в навколишньому середовищі. До переносимих ПК належать, зокрема, комп’ютери для моніторингу стану людини.

Потрібно відзначити, що названі вище типи персональних комп’ютерів в даний час активно розвиваються та вдосконалюються, тому як термінологія так і сфера їх застосування ще не є чітко встановленими.

4.2 Робочі станції

Міні-комп’ютери стали прародичами й іншого напрямку розвитку сучасних 32 та 64-розрядних комп’ютерів, що сьогодні відомі як робочі станції. Початкова орієнтація робочих станцій на професійних користувачів призвела до того, що робочі станції – це добре збалансовані комп’ютерні системи, які, разом з високою продуктивністю, характеризуються великою ємністю основної і зовнішньої пам’яті, мають високошвидкісні внутрішні магістралі, високоякісну і швидкодіючу графічну підсистему і різноманітні пристрої введення-виведення.

4.3 Багатотермінальні системи

ПК та робочі станції часто застосовуються в якості дорогих дисплеїв і в цьому випадку не повністю використовується їх обчислювальна потужність. Разом з тим, багато користувачів терміналів хотіли б покращити їхні графічні характеристики та мати можливість роботи в багатовіконній системі. Ці проблеми були вирішені шляхом створення багатотермінальних систем, які є набором стандартних терміналів, підключених до сервера. Як тільки стали доступними потужні графічні робочі станції, з’явилася тенденція застосування «підлеглих» терміналів, що використають робочу станцію в якості локального сервера.

На комп’ютерному ринку багатотермінальні системи займають проміжне положення між персональними комп’ютерами і робочими станціями. Постачальники терміналів заявляють, що їхні вироби ефективніші в вартісному вираженні, ніж робочі станції високого цінового класу, і пропонують збільшений рівень продуктивності у порівнянні з персональними комп’ютерами, що робить цю технологію  доступною для широкого кола користувачів. Вартість терміналів складає біля половини вартості близького за конфігурацією ПК без зовнішньої пам’яті і приблизно чверть вартості повністю оснащеної робочої станції.

Типовий термінал включає наступні елементи: екран високої роздільної здатності; головний процесор, який підтримує двопроцесорну архітектуру; окремий графічний співпроцесор, що забезпечує швидшу побудову зображень і прокручування екрану; базові системні програми; програмне забезпечення сервера; локальну пам’ять для дисплею та мережного інтерфейсу, що підтримує протокол TCP/IP та інші мережні протоколи; порти для підключення клавіатури і миші.

Термінали відрізняються від ПК і робочих станцій не тільки тим, що не виконують функції звичайної локальної обробки. Робота терміналів залежить від головної системи, до якої вони підключені через мережу. Для того, щоб термінал міг працювати, користувачі повинні встановити програмне забезпечення багатовіконного сервера на головному процесорі, що виконує прикладну задачу. Локальна обчислювальна потужність терміналу зазвичай використовується для виконання програм обробки зображень, а не прикладних програм, які виконуються на головному процесорі. Термінал може відображати на одному і тому ж екрані декілька задач. Користувач може змінювати розміри вікон, їхнє місцезнаходження і маніпулювати ними в будь-якому місці екрана.

4.4 Сервери

Прикладні комерційні та бізнесові системи, розраховані на багато користувачів, включаючи системи керування базами даних і обробки транзакцій, великі видавничі системи, мережні системи і системи обслуговування комунікацій, системи розробки програмного забезпечення і обробки зображень, вимагають переходу до моделі обчислень «клієнт-сервер» і розподіленої обробки. В розподіленій моделі «клієнт-сервер» частину роботи виконує сервер, а частину — комп’ютер користувача (в загальному випадку частини сервера і користувача можуть виконуватись і на одному комп’ютері). Існує декілька типів серверів для різних застосувань: файловий сервер, сервер бази даних, принт-сервер, обчислювальний сервер, сервер застосувань. Таким чином, тип сервера визначається ресурсом, яким він володіє (файлова система, база даних, принтери, процесори або прикладні пакети програм).

З іншого боку існує класифікація серверів за масштабом мережі, в якій вони використовуються: сервер робочої групи, сервер відділу або сервер підприємства (корпоративний сервер). Ця класифікація надто умовна. Наприклад, розмір групи може змінюватися в діапазоні від декількох людей до декількох сотень людей, а сервер відділу може обслуговувати від 20 до 150 користувачів.

Файлові сервери невеликих робочих груп (не більше 20-30 людей) простіше всього реалізуються на платформі персональних комп’ютерів і програмному забезпеченні Novell Net Ware. Файл-сервср в даному випадку виконує роль центрального сховища даних. Типовими до складу невеликих файл-серверів входять процесор, основна та зовнішня пам’ять, а також адаптер Ethernet. До складу таких серверів часто включаються RAID-масиви накопичувачів і дисковод компакт-дисків. Графіка для більшості серверів несуттєва, тому достатньо мати звичайний монітор з невисокою роздільною здатністю. Необхідно також застосувати пристрій безперебійного живлення.

Для файл-серверів загального доступу, з якими водночас можуть працювати декілька десятків, а то і сотень людей, простої однопроцесорної платформи і програмного забезпечення Novell може виявитися недостатньо. В цьому випадку використовуються потужні багатопроцесорні сервери з можливостями нарощування основної пам’яті до десятків ГБ, дискового простору до сотень ТБ, швидкими інтерфейсами дискового обміну (типу Fast SCSI-2, Fast&Wide SCSI-2 і Fiber Channel) і декількома мережевими інтерфейсами. Ці сервери використовують операційну систему UNIX, мережеві протоколи TCP/IP і NFS. На базі багатопроцесорних UNIX -серверів зазвичай будуються також сервери баз даних великих інформаційних систем, бо на них покладається основне навантаження з обробки інформаційних запитів. Сервери подібного типу отримали назву суперсерверів.

За загальносистемною продуктивністю, функціональними можливостями окремих компонентів, стійкістю до відмов, а також ступенем підтримки багатопроцесорної обробки, системного адміністрування і дискових масивів великої ємності суперсервери вийшли в нинішній час на один рівень з мейнфреймами. Сучасні суперсервери характеризуються наявністю двох або більше центральних процесорів, багатошинною структурою, мають достатні можливості нарощування дискового простору і обчислювальної потужності, засоби забезпечення надійності зберігання даних і захисту від несанкціонованого доступу.

4.5 Великі універсальні комп’ютерні системи

Великі універсальні комп’ютерні системи (мейнфрейми) і до сьогоднішнього дня залишаються найпотужнішими (не рахуючи суперкомп’ютерів) комп’ютерними системами загального призначення, що забезпечують безперервний цілодобовий режим експлуатації. Вони можуть включати один або декілька процесорів, кожний з яких, у свою чергу, може укомплектовуватися векторними спеціалізованими процесорами (прискорювачами операцій з продуктивністю суперкомп’ютерів). Зазвичай мейнфрейми асоціюються з великими за габаритами комп’ютерами, що вимагають спеціально обладнаних приміщень із системами водяного охолоджування і кондиціювання. Однак прогрес в області елементної та конструкторської бази дозволив істотно зменшити габарити основних пристроїв. Поряд і надпотужними мейнфреймами, що вимагають організації двоконтурної водяної системи охолоджування, є менш потужні моделі, для охолоджування яких достатньо примусової повітряної вентиляції, та моделі, побудовані за блоковомодульним принципом, які не вимагають спеціальних приміщень і кондиціонерів.

Стрімкий ріст продуктивності персональних комп’ютерів, робочих станцій і серверів призвів до зниження потреби в мейнфреймах. Однак цей процес останнім часом дещо уповільнився. Основною причиною відродження інтересу до мейнфреймів експерти вважають складність переходу до розподіленої архітектури клієнт-сервер, що виявилася вищою, ніж припускалося. Крім того, багато користувачів вважають, що розподілене середовище, на противагу мейнфреймам, не є достатньо надійним для найвідповідальніших застосувань.

Головним недоліком мейнфреймів у нинішній час залишається відносно низьке співвідношення продуктивність/вартість. Однак постачальники мейнфреймів докладають значних зусиль для поліпшення цього показника. Слід також пам’ятати, що в світі існує величезна інстальована база мейнфреймів, на якій працюють десятки тисяч прикладних програмних систем. Відмовитися від роками напрацьованого програмного забезпечення просто нерозумно. Тому в нинішній час очікується зростання об’ємів продажу мейнфреймів, які з одного боку, дозволять модернізувати існуючі системи, забезпечивши скорочення експлуатаційних видатків, а з іншого боку, створять нову базу для найвідповідальніших застосувань.

4.6 Кластерні комп’ютерні системи

Двома основними проблемами побудови комп’ютерних систем для критично важливих застосувань, пов’язаних з обробкою транзакцій, керуванням базами даних і обслуговуванням телекомунікацій, є забезпечення високої продуктивності та тривалого функціонування систем. Найефективнішим засобом для досягнення заданого рівня продуктивності є застосування паралельних архітектур, які піддаються масштабуванню. Завдання забезпечення тривалого функціонування системи має три складових: надійність, готовність і вартість обслуговування. Всі три складові передбачають, в першу чергу, боротьбу з несправностями системи, що породжуються відмовами і збоями в її роботі. Ця боротьба ведеться по всіх трьох напрямках, що взаємозв’язані і застосовуються спільно.

Підвищення надійності базується на принципі відвертання несправностей шляхом зниження інтенсивності відмов і збоїв за рахунок застосування електронних схем і компонентів з високим і надвисоким ступенем інтеграції, зниження рівня завад, полегшених режимів роботи схем, забезпечення теплових режимів їхньої роботи, а також за рахунок вдосконалення засобів монтажу апаратури. Підвищення рівня готовності передбачає зниження в певних межах впливу відмов і збоїв на роботу системи з допомогою засобів контролю і корекції помилок, а також засобів автоматичного відновлення обчислювального процесу після прояву несправності, включаючи апаратну і програмну надлишковість, на основі якої реалізуються різноманітні варіанти стійкої до відмови архітектури.

В останні роки в літературі з обчислювальної техніки все частіше вживається термін «системи високої готовності». Всі типи систем високої готовності орієнтовані на мінімізацію часу простою. Є два типи часу простою комп’ютера: плановий і неплановий. Плановий час простою зазвичай включає час, прийнятий для проведення робіт по модернізації системи і для її обслуговування. Неплановий час простою є результатом відмови системи або її компоненти. Існує декілька типів систем високої готовності, що відрізняються своїми функціональними можливостями і вартістю. Певно тому найбільше розповсюдження отримали кластерні системи завдяки їх здатності забезпечити достатньо високий рівень готовності при відносно низьких витратах. Термін «кластеризація» на сьогодні в комп’ютерній промисловості має багато різноманітних значень. Точне визначення могло б звучати так: «реалізація об’єднання машин, що представляється єдиним цілим для операційної системи, системного програмного забезпечення, прикладних програм і користувачів». Машини, кластеризовані таким способом, можуть при відмові одного процесора дуже швидко перерозподілити роботу на інші процесори всередині кластера. Першою концепцію кластерної системи анонсувала компанія DEC, визначивши її як групу об’єднаних між собою комп’ютерів, що представляють собою єдиний вузол обробки інформації. По суті кластер цієї компанії був слабко зв’язаною багатомашинною системою з спільною зовнішньою пам’яттю, що забезпечує єдиний механізм керування і адміністрування. Робота будь-якої кластерної системи визначається двома головними компонентами: високошвидкісним механізмом зв’язку процесорів між собою і системним програмним забезпеченням, що надає клієнтам прозорий доступ до системного сервісу.

На даний час широке розповсюдження отримала технологія паралельних баз даних. Ця технологія дозволяє великій кількості процесорів поділяти доступ до єдиної бази даних. Розподіл завдань між процесорними ресурсами і паралельне їх виконання дозволяє досягнути вищого рівня пропускної спроможності транзакцій, підтримувати більше число одночасно працюючих користувачів і прискорити виконання складних запитів. Для вирішення цих завдань використовується архітектура зі спільними (розподіленими) дисками. Це є типовий випадок побудови кластерної системи. Ця архітектура підгримує єдину базу даних при роботі з декількома комп’ютерами, об’єднаними в кластер, кожний з яких працює під керуванням своєї копії операційної системи. В таких системах всі вузли поділяють доступ до загальних дисків, на яких власне і розміщується єдина база даних. Продуктивність таких систем може збільшуватися як шляхом нарощування числа процесорів і ємності основної пам’яті в кожному вузлі кластера, так і шляхом, збільшення кількості самих вузлів. У випадку відмови одного з таких вузлів, вузли, що залишилися, можуть взяти на себе завдання, що виконувалися на вузлі, який відмовив, не зупиняючи загальний процес роботи з базою даних. Оскільки логічно в кожному вузлі системи є образ бази даних, доступ до неї буде забезпечуватися до тих пір, доки в системі є принаймні один справний вузол.

4.7 Суперкомп’ютери

До класу суперкомп’ютерів належать комп’ютери, що мають максимальну в даний час продуктивність, а також максимальну ємність основної та зовнішньої пам’яті. Нижче подано декілька прикладів, що показують основні характеристики комп’ютерів цього класу, які використовуються в даний час.

CRAY Т932, векторно-конвеєрний комп’ютер фірми CRAY Research Inc. (на сьогодні це є підрозділ Silicon Graphics Inc.), уперше випущений у 1996 році. Максимальна продуктивність одного процесора дорівнює майже 2 млрд. операцій за секунду, основна пам’ять нарощується до 8 Гбайт, дисковий простір до 256000 Гбайт. Комп’ютер у максимальній конфігурації вміщує 32 процесори, що працюють із загальною пам’яттю, тому максимальна продуктивність всієї комп’ютерної системи складає більше 60 млрд. операцій за секунду.

Суперкомп’ютер ASCI RED, результат виконання програми Accelerated Strategic Computing Initiative. Побудований на замовлення Міністерства енергетики США, він об’єднує 9152 процесори Pentium Pro, має 600 Гбайт сумарної основної пам’яті та загальну продуктивність 1800 мільярдів операцій за секунду.

4.8 Мікроконтролери

Мікроконтролери це комп’ютери на кристалі, призначені для керування електронними пристроями, зокрема побутовими пристроями, виробничими лініями, вимірювальними пристроями і т. д. До складу мікроконтролера входять наступні вузли:

1.   Центральний процесор, розрядністю від 4 до 64 бітів, залежно під потрібної точності обчислень;

2.   Інтерфейси введення-виведення, в першу чергу послідовні порти;

3.   Периферійні пристрої, такі як: таймери та схеми захисту, цифро-аналогові та аналого-цифрові перетворювачі;

4.   Пам’ять з довільним доступом для зберігання даних;

5.   Постійний запам’ятовуючий пристрій (ПЗП);

6.   Генератор тактів,

Така інтеграція названих пристроїв на кристалі дозволяє забезпечити малі габарити та споживання і сприяє широкому використанню мікроконтролерів у різного роду вбудованих системах. Наприклад, в сучасному автомобілі використовується понад 50 мікроконтролерів. Вони також використовуються в побутовій електроніці, мобільних телефонах, виробничих лініях тощо. Розробники мікроконтролерів забезпечують спеціальний сервіс для користувачів, можливість підключення зовнішньої оперативної пам’яті в якості пам’яті програм, та інше.

4.9 Спеціалізовані комп’ютери

За допомогою універсальних комп’ютерів та комп’ютерних систем (УКС) можна вирішувати багато задач наукового, виробничо-технічного та іншого характеру. Однак існують надзвичайно важливі класи задач і окремі задачі, для розв’язку яких математичні та техніко-економічні якості універсальних комп’ютерних систем недостатні. Загальний аналіз причин створення і використання спеціалізованих комп’ютерних систем (СКС) показує, що ці причини можна віднести до трьох основних груп.

Перша група об’єднує причини, що виникли внаслідок суперечностей між формальними математичними методами постановки і розв’язку задач, з одного боку, і загальними принципами організації та функціонування, а також технічними можливостями УКС, з іншого боку. Саме математична сутність задач часто обумовлює необхідність створення СКС для їх розв’язку. Як приклади тут можна навести нові нестандартні та неалгоритмічні методи, системи алгебраїчних, диференційних та інтегральних рівнянь великої розмірності, логічні та імовірнісно-статистичні задачі, дії над матрицями та векторами, задачі в багатовимірних просторах та багато інших.

До другої групи входять причини, які обумовлені змістовною стороною задач, вирішуваних СКС, та відображають специфіку відповідних предметних областей.

Третя група причин обумовлена особливими вимогами до якості реалізації комп’ютерних систем, які полягають в екстремалізації (тобто в максимальному наближенні до теоретичних границь) деяких їх характеристик, наприклад, продуктивності, надійності (безвідмовності, живучості, відновлюваності, довговічності), точності, і т.п. Сюди ж належать вимоги, що визначають такі якості комп’ютерних систем, як їх повна або часткова імплантація (конструктивне та функціональне суміщення) в інші системи, інформаційне поєднання з ними, пристосованість до умов експлуатації та кваліфікації обслуговуючого персоналу і т.д.

Для СКС характерні наступні риси, які відрізняють їх від універсальних комп’ютерних систем: