01 Вычислительные приборы и устройства

Архитектура аппаратных средств

Лекция · 2 академических часа

Тема: «Вычислительные приборы и устройства. Классы вычислительных машин». Сегодня мы разберём, какие бывают вычислительные устройства, чем они отличаются друг от друга и по какому принципу их классифицируют.

вычислительная машинаклассификацияаналоговыецифровыегибридные
Курс 2026
02Что такое вычислительное устройство?

Вычислительное устройство — это техническое средство, предназначенное для автоматической обработки информации по заданному алгоритму. Оно принимает данные, преобразует их и выдаёт результат.

Простая аналогия: вычислительное устройство — это инструмент для работы с числами и данными. Как молоток для гвоздей, только для информации.

  • Принимает входные данные (числа, сигналы, команды).
  • Выполняет операции по определённым правилам.
  • Выдаёт результат в удобной форме.
  • Может работать автоматически, без участия человека.
Пример: калькулятор — простейшее вычислительное устройство. Вы вводите числа и операцию, он выдаёт результат. Компьютер — это универсальное вычислительное устройство, которое может делать миллионы разных операций.
03Вычислительная машина (ВМ)

Вычислительная машина — это комплекс технических средств, предназначенный для автоматической обработки информации. Это более широкое понятие, чем «вычислительное устройство».

  • Включает в себя процессор, память, устройства ввода-вывода.
  • Работает по программе — последовательности команд.
  • Может быть механической, электронной, оптической.
  • Способна выполнять вычисления без прямого участия человека.

Исторически вычислительные машины прошли путь от механических счёт до современных суперкомпьютеров. Но принцип остался: вход → обработка → выход.

04Зачем классифицировать вычислительные машины?

Вычислительные машины очень разные: от калькулятора до суперкомпьютера. Чтобы в них разобраться, их классифицируют по разным признакам.

  • По принципу действия: аналоговые, цифровые, гибридные.
  • По назначению: универсальные, специализированные, проблемно-ориентированные.
  • По размеру и мощности: от микрокалькуляторов до суперЭВМ.
  • По поколениям: от ламповых до современных.
  • По архитектуре: фон Неймана, гарвардская, RISC, CISC.
Зачем это нужно: чтобы понимать, какая машина подходит для какой задачи. Например, для прогноза погоды нужен суперкомпьютер, а для бухгалтерии — обычный ПК.
05Классификация по принципу действия

Это одна из самых фундаментальных классификаций. Она делит все вычислительные машины на три больших класса.

Аналоговые — работают с непрерывными сигналами (напряжение, ток).
Цифровые — работают с дискретными сигналами (0 и 1).
Гибридные — сочетают оба принципа.

Современные компьютеры — цифровые. Но аналоговые устройства никуда не исчезли: они используются в датчиках, измерительных приборах, системах управления.

06Аналоговые вычислительные машины (АВМ)

Аналоговая вычислительная машина — устройство, в котором информация представляется в виде непрерывно изменяющихся физических величин: напряжения, тока, угла поворота, давления.

  • Работает с непрерывными сигналами.
  • Высокое быстродействие — операция выполняется мгновенно.
  • Низкая точность — зависит от помех и погрешностей.
  • Сложно перепрограммировать — нужно менять схему.
Пример: логарифмическая линейка — простейшая аналоговая вычислительная машина. Она позволяет умножать и делить, складывая и вычитая длины отрезков.
07Примеры аналоговых вычислительных машин

Аналоговые машины активно использовались в XX веке для решения инженерных и военных задач.

  • Дифференциальный анализатор (1930) — механическая машина для решения дифференциальных уравнений. Использовалась в артиллерии и авиации.
  • Гидравлический интегратор — решал уравнения с помощью потоков воды.
  • Электронный аналоговый компьютер — на операционных усилителях. Моделировал динамику полёта, ядерные реакции.
  • Аналоговые датчики и регуляторы — используются до сих пор (термостаты, системы управления).

Аналоговые машины незаменимы там, где нужно моделировать непрерывные процессы в реальном времени: полёт ракеты, работу двигателя, изменение температуры.

08Цифровые вычислительные машины (ЦВМ)

Цифровая вычислительная машина — устройство, в котором информация представляется в дискретной форме: обычно в виде чисел в двоичной системе счисления (0 и 1).

  • Работает с дискретными сигналами.
  • Высокая точность — определяется разрядностью.
  • Легко перепрограммируется — программа хранится в памяти.
  • Может хранить и обрабатывать огромные объёмы данных.
  • Современные компьютеры — это цифровые машины.
Пример: любой современный компьютер, ноутбук, смартфон, калькулятор — это цифровые вычислительные машины. Они работают с числами, представленными в двоичном коде.
09Гибридные вычислительные машины

Гибридная вычислительная машина — сочетает в себе элементы аналоговой и цифровой обработки. Это позволяет объединить высокое быстродействие аналоговых устройств с точностью цифровых.

  • Аналоговая часть — для быстрых вычислений в реальном времени.
  • Цифровая часть — для точных расчётов и управления.
  • Используются в системах управления, робототехнике, медицине.
  • Пример: аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП).
Пример: современный смартфон — гибридная система. Микрофон даёт аналоговый сигнал, АЦП превращает его в цифровой, процессор обрабатывает, ЦАП превращает обратно в аналоговый для наушников.
10Сравнение аналоговых и цифровых машин
ПараметрАналоговыеЦифровые Представление данныхнепрерывноедискретное (0/1) Точностьнизкаявысокая Быстродействиеочень высокоевысокое Программированиесложноепростое Хранение данныхограниченноелюбые объёмы Примерлогарифмическая линейкакомпьютер

Цифровые машины вытеснили аналоговые почти везде, кроме задач, где нужна мгновенная реакция на непрерывный сигнал.

11Классификация по назначению

По тому, для каких задач предназначена машина, их делят на три группы.

Универсальные — решают любые задачи. Пример: ПК, ноутбук.
Специализированные — только одна задача. Пример: калькулятор, GPS-навигатор.
Проблемно-ориентированные — класс задач. Пример: бортовые компьютеры, игровые консоли.
Пример: универсальный компьютер может запустить игру, написать текст и смонтировать видео. Специализированный калькулятор умеет только считать. Проблемно-ориентированная игровая консоль — только игры и медиа.
12Универсальные вычислительные машины

Универсальные ВМ — могут решать любые задачи, которые можно выразить алгоритмом. Это самые распространённые компьютеры.

  • Работают с любыми типами данных: числа, текст, графика, звук.
  • Могут запускать любые программы.
  • Имеют развитую систему команд.
  • Примеры: персональные компьютеры, ноутбуки, серверы, смартфоны.

Именно универсальность сделала компьютер таким распространённым инструментом. Один и тот же ПК может быть и печатной машинкой, и игровой станцией, и рабочим местом инженера.

13Специализированные вычислительные машины

Специализированные ВМ — предназначены для решения одной конкретной задачи. Они проще, дешевле и надёжнее универсальных.

  • Жёстко запрограммированы на одну функцию.
  • Не требуют сложного программного обеспечения.
  • Часто встраиваются в другие устройства.
  • Примеры: калькулятор, GPS-навигатор, банкомат, кассовый аппарат.
Пример: микроволновая печь имеет специализированный контроллер, который умеет только управлять магнетроном и таймером. Но делает это надёжно и дешево.
14Проблемно-ориентированные ВМ

Проблемно-ориентированные ВМ — занимают промежуточное положение. Они ориентированы на определённый класс задач, но внутри класса достаточно гибкие.

  • Бортовые компьютеры самолётов и ракет.
  • Игровые консоли (PlayStation, Xbox).
  • Системы управления производством.
  • Медицинские диагностические комплексы.
Пример: игровая консоль не является универсальным компьютером, но может запускать тысячи разных игр. Это проблемно-ориентированная машина для игр и медиа.
15Классификация по размеру и мощности

Это самая наглядная классификация. Она показывает, как менялись компьютеры от огромных машин до карманных устройств.

СуперЭВМ — самые мощные, для сложных расчётов.
Большие ЭВМ (мейнфреймы) — для крупных организаций.
Малые ЭВМ (мини-ЭВМ) — для управления производством.
МикроЭВМ — персональные компьютеры.
Микроконтроллеры — встраиваемые системы.
Портативные устройства — смартфоны, планшеты.
16СуперЭВМ (суперкомпьютеры)

Суперкомпьютер — самая мощная вычислительная машина на момент создания. Используется для задач, которые невозможно решить на обычном компьютере.

  • Прогноз погоды и климата.
  • Моделирование ядерных реакций.
  • Расшифровка генома.
  • Разработка лекарств.
  • Симуляция космических полётов.
ПараметрЗначениеПояснение Производительностьпетафлопсыквадриллионы операций в секунду Ядермиллионытысячи процессоров Потреблениемегаваттыкак небольшой город Стоимостьсотни млн $дороже золота
Пример: японский суперкомпьютер Fugaku выполняет более 400 квадриллионов операций в секунду. Он занимает целое здание.
17Большие ЭВМ (мейнфреймы)

Мейнфрейм — мощная вычислительная машина для обработки больших объёмов данных в крупных организациях. Работает круглосуточно, обслуживает тысячи пользователей одновременно.

  • Банковские системы — обработка миллионов транзакций.
  • Авиационные и железнодорожные кассы.
  • Государственные базы данных.
  • Страховые и налоговые системы.

Мейнфреймы не исчезли. Они стали компактнее, но по-прежнему обрабатывают до 80% корпоративных данных в мире. Например, IBM z16 — современный мейнфрейм.

18Малые ЭВМ (мини-ЭВМ)

Мини-ЭВМ — класс машин, занимавших промежуточное положение между мейнфреймами и микрокомпьютерами. Были популярны в 1960–1980-е годы.

  • Использовались для управления производством.
  • Обслуживали научные лаборатории.
  • Работали в режиме разделения времени.
  • Пример: PDP-11, HP 3000, СМ ЭВМ.
Пример: PDP-11 — легендарная мини-ЭВМ, на которой выросло целое поколение программистов. На ней работала операционная система UNIX, которая до сих пор используется (Linux, macOS).
19МикроЭВМ и персональные компьютеры

МикроЭВМ — вычислительная машина на базе микропроцессора. Именно к этому классу относятся современные персональные компьютеры.

  • Появились в 1970-е годы благодаря микропроцессорам.
  • Доступны по цене для отдельных людей.
  • Могут быть настольными, портативными, карманными.
  • Примеры: IBM PC, Macintosh, современные ноутбуки.

Появление микроЭВМ произвело революцию: компьютер перестал быть корпоративным инструментом и стал личным устройством.

20Микроконтроллеры и встраиваемые системы

Микроконтроллер — это однокристальная микроЭВМ, предназначенная для управления одним устройством. Встраивается внутрь техники.

  • Стиральная машина, холодильник, микроволновка.
  • Автомобиль — до 100 микроконтроллеров.
  • Современные телевизоры и мониторы.
  • Датчики, роботы, системы «умного дома».
Пример: микроконтроллер Arduino — популярная платформа для обучения и прототипирования. На нём можно сделать робота, метеостанцию или систему полива.
21Классификация по поколениям

Историю вычислительной техники делят на поколения. Каждое поколение связано с новой элементной базой.

ПоколениеГодыЭлементная база I1940–1950-еэлектронные лампы II1950–1960-етранзисторы III1960–1970-еинтегральные схемы IV1970–1980-емикропроцессоры Vс 1990-хСБИС, ИИ, параллелизм
22Первое поколение: ламповые машины

Первое поколение (1940–1950-е) — компьютеры на электронных лампах. Огромные, ненадёжные, но именно они заложили основы вычислений.

  • ENIAC (1945) — 18 000 ламп, 30 тонн, 5000 операций в секунду.
  • МЭСМ (1951, СССР) — первая советская ЭВМ, 6000 ламп.
  • EDSAC (1949) — первая машина с хранимой программой.
  • Программировались переключением проводов и тумблеров.
Пример: одна лампа перегорает — машина останавливается. Поиск неисправности мог занять часы. Но эти машины решали задачи, которые человеку были не под силу.
23Второе поколение: транзисторы

Второе поколение (1950–1960-е) — замена ламп на транзисторы. Машины стали меньше, надёжнее и быстрее.

  • Транзистор изобретён в 1947 году в Bell Labs.
  • Размер уменьшился в десятки раз.
  • Потребление энергии снизилось.
  • Появились языки программирования: FORTRAN, COBOL.
  • Примеры: IBM 7090, PDP-1, Минск-2.

Транзисторы произвели революцию. Компьютеры перестали быть штучным товаром и начали выпускаться серийно.

24Третье поколение: интегральные схемы

Третье поколение (1960–1970-е) — интегральные схемы (ИС). На одном кристалле размещались тысячи транзисторов.

  • Изобретены в 1958 году (Килби и Нойс).
  • Размер машин ещё больше уменьшился.
  • Появились серии совместимых машин: IBM System/360.
  • Начали использоваться операционные системы.
  • Примеры: IBM System/360, СМ ЭВМ, ЕС ЭВМ.
Пример: IBM System/360 — первая серия совместимых компьютеров. Можно было купить младшую модель, а потом перейти на старшую, сохранив программы. Это сэкономило миллиарды долларов.
25Четвёртое поколение: микропроцессоры

Четвёртое поколение (1970–1980-е) — появление микропроцессора. Это привело к рождению персональных компьютеров.

  • Intel 4004 (1971) — первый микропроцессор.
  • Intel 8080 (1974) — основа Altair 8800.
  • IBM PC (1981) — стандарт персонального компьютера.
  • Появление массового программного обеспечения.

Микропроцессор — это «компьютер на кристалле». Именно он сделал возможным появление ПК, ноутбуков и смартфонов.

26Пятое поколение: современные компьютеры

Пятое поколение (с 1990-х) — СБИС, параллельные вычисления, искусственный интеллект, мобильные устройства.

  • Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) — миллиарды транзисторов.
  • Многоядерные процессоры.
  • Мобильные и встраиваемые системы.
  • Нейронные процессоры (NPU).
  • Облачные вычисления и суперкомпьютеры.
Пример: современный смартфон мощнее суперкомпьютера 1990-х. Он содержит несколько процессоров, графическое ядро, нейронный блок и работает от батарейки.
27Классификация по архитектуре

Архитектура определяет, как процессор работает с памятью и командами. Основные типы:

  • Фон Неймана — общая память для команд и данных.
  • Гарвардская — отдельная память для команд и данных.
  • CISC — сложный набор команд (x86).
  • RISC — сокращённый набор команд (ARM, RISC-V).
Пример: классические ПК — фон Неймана, CISC. Микроконтроллеры — гарвардская, RISC. Смартфоны — ARM (RISC).
28Архитектура фон Неймана

Джон фон Нейман (1945) — предложил принципы, по которым работают почти все современные компьютеры.

  • Данные и команды хранятся в одной и той же памяти.
  • Программа — последовательность команд.
  • Команды выполняются последовательно.
  • Процессор читает команды, выполняет, записывает результат.
Память ↔ Процессор ↔ Устройства ввода/вывода
29Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура — альтернативный подход: команды и данные хранятся в разных видах памяти и передаются по разным шинам.

  • Позволяет одновременно читать команду и данные.
  • Выше быстродействие для встраиваемых систем.
  • Используется в микроконтроллерах (AVR, PIC, ARM Cortex-M).
  • В чистых ПК встречается редко.
Пример: микроконтроллеры AVR (Arduino) используют гарвардскую архитектуру. Это позволяет им быстро реагировать на сигналы датчиков.
30CISC и RISC: два подхода к командам
CISC (Complex Instruction Set Computer)
  • Много сложных команд.
  • Одна команда делает многое.
  • Команды разной длины.
  • x86 — пример CISC.
RISC (Reduced Instruction Set Computer)
  • Простые команды, но их много.
  • Одна команда — одно действие.
  • Команды фиксированной длины.
  • ARM, RISC-V — примеры RISC.
Интересный факт: современные x86-процессоры внутри переводят CISC-команды в RISC-микрооперации. Так они совмещают совместимость и эффективность.
31Классификация по режиму работы

Вычислительные машины могут работать в разных режимах.

  • Однопрограммный — выполняет одну программу до конца.
  • Многопрограммный — несколько программ одновременно (разделение времени).
  • Многопользовательский — обслуживает многих пользователей.
  • Реального времени — реакция за строго заданное время.
  • Пакетный — задания накапливаются и выполняются группой.
Пример: банкомат работает в режиме реального времени. Сервер в банке — многопользовательский. Домашний ПК — многопрограммный.
32Классификация по физической форме
Стационарные — настольные ПК, рабочие станции, серверы.
Портативные — ноутбуки, планшеты, смартфоны.
Встраиваемые — микроконтроллеры внутри техники.
Носимые — умные часы, фитнес-браслеты, очки.
Пример: умные часы — это вычислительное устройство, которое носят на руке. Они содержат процессор, память, датчики и работают от батарейки.
33Рабочие станции

Рабочая станция — мощный компьютер для профессиональной работы. Занимает промежуточное положение между ПК и сервером.

  • Высокопроизводительный процессор.
  • Много оперативной памяти (64–512 ГБ).
  • Профессиональная видеокарта (NVIDIA Quadro, AMD Radeon Pro).
  • Надёжные компоненты, рассчитанные на круглосуточную работу.
Пример: инженер-конструктор использует рабочую станцию для работы в SolidWorks. Она справляется с 3D-моделями, которые «положат» обычный ПК.
34Серверы

Сервер — вычислительная машина, которая предоставляет услуги другим компьютерам в сети.

  • Обслуживает множество клиентов одновременно.
  • Работает 24/7.
  • Имеет мощные процессоры, много RAM и дисков.
  • Поддерживает «горячую» замену компонентов.
Тип сервераНазначениеПример Веб-серверхостинг сайтовApache, Nginx Файловыйхранение файловNAS, Windows Server База данныххранение данныхSQL Server, PostgreSQL Игровойигровые мирыMinecraft-сервер
35Встраиваемые вычислительные системы

Встраиваемая система — компьютер, встроенный в другое устройство для управления им. Мы часто не замечаем их, но они вокруг нас.

  • Автомобиль — управление двигателем, ABS, подушками.
  • Стиральная машина — выбор программы, контроль температуры.
  • Телевизор — обработка сигнала, меню, Smart TV.
  • Медицинские приборы — кардиостимуляторы, томографы.

В современном автомобиле может быть до 100 микроконтроллеров. Они управляют двигателем, тормозами, климатом, мультимедиа.

36Мобильные вычислительные устройства

Мобильные устройства — самый массовый класс вычислительных машин. Они есть почти у каждого человека.

  • Смартфоны — ARM-процессоры, 2–5 Вт.
  • Планшеты — увеличенные смартфоны с большим экраном.
  • Ноутбуки — x86 или ARM, 15–45 Вт.
  • Умные часы — носимые устройства.
Интересный факт: Apple M3 в MacBook Air работает без вентилятора и при этом обгоняет многие ноутбуки с x86. Секрет — в ARM-архитектуре и 3-нм техпроцессе.
37Сравнение классов по производительности
КлассПроизводительностьПример СуперЭВМпетафлопсыFugaku, Frontier Мейнфреймсотни GFLOPSIBM z16 Рабочая станциядесятки GFLOPSHP Z8 ПКединицы GFLOPSCore i9 Смартфондесятки GFLOPSSnapdragon 8 Gen 3

Современный смартфон мощнее суперкомпьютера 1990-х. А суперкомпьютер 2020-х мощнее всех компьютеров 1990-х вместе взятых.

38Сравнение по энергопотреблению

Энергопотребление — важная характеристика, особенно для мобильных устройств.

УстройствоПотреблениеСравнение Суперкомпьютер10–20 МВткак небольшой город Сервер300–1000 Вткак обогреватель Настольный ПК200–500 Вткак лампа накаливания Ноутбук15–65 Вткак энергосберегающая лампа Смартфон2–5 Вткак светодиод
39Тенденции развития вычислительных машин

Вычислительная техника продолжает развиваться. Вот главные направления:

  • Миниатюризация — всё меньше и мощнее.
  • Параллелизм — многоядерность, GPU, суперкомпьютеры.
  • Энергоэффективность — ARM и новые техпроцессы.
  • Искусственный интеллект — NPU и нейроморфные чипы.
  • Квантовые вычисления — принципиально новый подход.
  • Облачные вычисления — мощность в дата-центрах.
Пример: квантовый компьютер способен решить за минуты задачи, на которые обычному суперкомпьютеру нужны тысячи лет. Пока это экспериментальная технология.
40Классификация по системе счисления

Это ещё один способ классификации, связанный с представлением чисел.

  • Двоичные — работают с 0 и 1. Современные компьютеры.
  • Десятичные — работают с цифрами 0–9. Первые калькуляторы, некоторые финансовые машины.
  • Троичные — экспериментальные машины (Сетунь в СССР).
Пример: советская ЭВМ «Сетунь» (1958) использовала троичную систему счисления. Она была быстрее и надёжнее многих двоичных машин, но не получила развития из-за бюрократии.
41Классификация по способу управления

Вычислительные машины могут управляться по-разному.

  • С ручным управлением — оператор вводит команды вручную.
  • С программным управлением — работает по программе.
  • С адаптивным управлением — подстраивается под условия.
  • С интеллектуальным управлением — использует ИИ.

Современные компьютеры сочетают все эти способы. Вы даёте команду (ручное), программа выполняется (программное), система адаптируется к нагрузке (адаптивное), ИИ помогает принимать решения (интеллектуальное).

42Многопроцессорные и многомашинные комплексы

Когда одной машины не хватает, их объединяют в комплексы.

  • Многопроцессорный комплекс — несколько процессоров в одной системе.
  • Многомашинный комплекс — несколько компьютеров, соединённых сетью.
  • Кластер — группа компьютеров, работающих как единое целое.
  • Грид — распределённые вычисления по всему миру.
Пример: суперкомпьютер — это многомашинный комплекс из тысяч серверов, соединённых высокоскоростной сетью. Каждый сервер — часть одного большого организма.
43Критерии выбора класса вычислительной машины

Как выбрать подходящий класс машины для задачи?

  • Тип задачи: расчёты, управление, хранение, ИИ.
  • Требуемая производительность: сколько операций в секунду.
  • Объём данных: сколько нужно хранить и обрабатывать.
  • Режим работы: реальное время, пакетный, интерактивный.
  • Стоимость: бюджет на покупку и эксплуатацию.
  • Энергопотребление: особенно для мобильных устройств.
Пример: для бухгалтерии хватит ПК. Для прогноза погоды нужен суперкомпьютер. Для управления стиральной машиной — микроконтроллер.
44Итоги лекции

Мы рассмотрели:

  • Что такое вычислительное устройство и вычислительная машина.
  • Классификацию по принципу действия: аналоговые, цифровые, гибридные.
  • Классификацию по назначению: универсальные, специализированные, проблемно-ориентированные.
  • Классификацию по размеру и мощности: от суперЭВМ до микроконтроллеров.
  • Классификацию по поколениям: от ламп до современных СБИС.
  • Классификацию по архитектуре: фон Неймана, гарвардская, CISC, RISC.
  • Классификацию по режиму работы и физической форме.
  • Тенденции развития вычислительных машин.

Понимание классов вычислительных машин помогает правильно выбирать технику для конкретных задач и понимать, как развивалась вычислительная техника.

45Спасибо за внимание!

Вопросы?

Следующая лекция — архитектура процессоров и вычислительных систем.

АВМЦВМсуперЭВМмейнфреймПКмикроконтроллер
1 / 45
© 2026 · Материалы подготовлены на основе курса Архитектура аппаратных средств — Лекция: Вычислительные приборы и устройства · gadget59.ru