Реферат

«Развитие компьютерной архитектуры и семейств компьютеров»

2009

Содержание

Введение…………………………………………………………………………3

Развитие компьютерной архитектуры………………………………………..9

Семейства компьютеров Pentium II, UltraSPARC II, PicoJavall…………….18

Введение

Цифровой компьютер -- это машина, которая может решать задачи, выполняя данные ей команды. Последовательность команд, описывающих решение определенной задачи, называется программой. Электронные схемы каждого компьютера могут распознавать и выполнять ограниченный набор простых команд. Все программы перед выполнением должны быть превращены в последовательность таких команд, которые обычно не сложнее чем:

сложить 2 числа;

проверить, не является ли число нулем;

скопировать кусок данных из одной части памяти компьютера в другую.

Эти примитивные команды в совокупности составляют язык, на котором люди могут общаться с компьютером. Такой язык называется машинным языком. Разработчик при создании нового компьютера должен решать, какие команды включить в машинный язык этого компьютера. Это зависит от назначения компьютера, от того, какие задачи он должен выполнять. Обычно стараются сделать машинные команды как можно проще, чтобы избежать сложностей при конструировании компьютера и снизить затраты на необходимую электронику. Так как большинство машинных языков очень примитивны, использовать их трудно и утомительно.

Это простое наблюдение с течением времени привело к построению ряда уровней абстракций, каждая из которых надстраивается над абстракцией более низкого уровня. Именно таким образом можно преодолеть сложности при общении с компьютером. Мы называем этот подход многоуровневой компьютерной организацией. Так мы и назвали эту книгу. В следующем разделе мы расскажем, что понимаем под этим термином. Затем мы расскажем об истории развития этой проблемы и положении дел в настоящий момент, а также рассмотрим некоторые важные примеры.

Развитие многоуровневых машин

Программы, написанные на машинном языке (уровень 1), могут сразу выполняться электронными схемами компьютера (уровень 0), без применения интерпретаторов и трансляторов. Эти электронные схемы вместе с памятью и средствами ввода-вывода формируют аппаратное обеспечение. Аппаратное обеспечение состоит из осязаемых объектов -- интегральных схем, печатных плат, кабелей, источников электропитания, запоминающих устройств и принтеров. Абстрактные понятия, алгоритмы и команды не относятся к аппаратному обеспечению.

Программное обеспечение, напротив, состоит из алгоритмов (подробных последовательностей команд, которые описывают, как решить задачу) и их компьютерных представлений, то есть программ. Программы могут храниться на жестком диске, гибком диске, компакт-диске или других носителях, но, в сущности, программное обеспечение -- это набор команд, составляющих программы, а не физические носители, на которых эти программы записаны.

В самых первых компьютерах граница между аппаратным и программным обеспечением была очевидна. Со временем, однако, произошло значительное размывание этой границы, в первую очередь благодаря тому, что в процессе развития компьютеров уровни добавлялись, убирались и сливались. В настоящее время очень сложно отделить их друг от друга. В действительности центральная тема этой книгиможетбытьвыраженатак: аппаратноеипрограммноеобеспечениелогически эквивалентны.

Любая операция, выполняемая программным обеспечением, может быть встроена в аппаратное обеспечение (желательно после того, как она осознана). Карен Панетта Ленц говорил; «Аппаратное обеспечение -- это всего лишь окаменевшее программное обеспечение». Конечно, обратное тоже верно: любая команда, выполняемая аппаратным обеспечением, может быть смоделирована в программном обеспечении. Решение разделить функции аппаратного и программного обеспечения основано на таких факторах, как стоимость, скорость, надежность, а также частота ожидаемых изменений. Существует несколько жестких правил, сводящихся к тому, что X должен быть в аппаратном обеспечении, a Y должен программироваться. Эти решения изменяются в зависимости от тенденций в развитии компьютерных технологий.

Изобретение микропрограммирования

Изобретение операционной системы

В те времена, когда компьютеры только появились, принципы работы с ними сильно отличались от современных. Одним компьютером пользовалось большое количество людей. Рядом с машиной лежал листок бумаги, и если программист хотел запустить свою программу, он записывался на какое-то определенное время, скажем, на среду с 3 часов ночи до 5 утра (многие программисты любили работать в тишине). В назначенное время программист направлялся в комнату, где стояла машина, с пачкой перфокарт, которые тогда служили средством ввода, и карандашом. Каждая перфокарта содержала 80 колонок; на ней в определенных местах пробивались отверстия. Войдя в комнату, программист вежливо просил предыдущего программиста освободить место и приступал к работе.

Если он хотел запустить программу на языке FORTRAN, ему необходимо было пройти следующие этапы:

1. Он подходил к шкафу, где находилась библиотека программ, брал большую зеленую стопку перфокарт с надписью «Компилятор FORTRAN», помещал их в считывающее устройство и нажимал кнопку «Пуск».

2. Затем он помещал стопку карточек со своей программой, написанной на языке FORTRAN, в считывающее устройство и нажимал кнопку «Продолжить». Программа считывалась.

3. Когда компьютер прекращал работу, программист считывал свою программу во второй раз. Некоторые компиляторы требовали только одного считывания перфокарт, но в большинстве случаев необходимо было производить эту процедуру несколько раз. Каждый раз нужно было считывать большую стопку перфокарт.

4. В конце концов трансляция завершалась. Программист часто становился очень нервным, потому что если компилятор находил ошибку в программе, ему приходилось исправлять ее и начинать процесс ввода программы заново. Если ошибок не было, компилятор выдавал программу на машинном языке на перфокартах.

5. Тогда программист помещал эту программу на машинном языке в устройство считывания вместе с пачкой перфокарт из библиотеки подпрограмм и загружал обе эти программы.

6. Начиналось выполнение программы. В большинстве случаев она не работала или неожиданно останавливалась в середине. Обычно в этом случае программист начинал дергать переключатели на пульте и смотрел на лампочки. В случае удачи он находил и исправлял ошибку, подходил к шкафу, в котором лежал большой зеленый компилятор FORTRAN, и начинал все заново. В случае неудачи он делал распечатку содержания памяти, что называлось разгрузкой оперативного запоминающего устройства, и брал эту распечатку домой для изучения.

Это процедура была обычной на протяжении многих лет. Программистам приходилось учиться, как работать с машиной и что нужно делать, если она выходила из строя, что происходило довольно часто. Машина постоянно простаивала без работы, пока люди носили перфокарты по комнате или ломали головы над тем, почему программа не работает.

В 60-е годы человек попытался сократить количество потерянного времени, автоматизировав работу оператора. Программа под названием «операционная система» теперь содержалась в компьютере все время. Программист приносил пачку перфокарт со специальной программой, которая выполнялась операционной системой. На рисунке 1.3 показана модель пачки перфокарт для первой широко распространенной операционной системы FMS (FORTRAN Monitor System) к компьютеру IBM-709.

Операционная система считывала перфокарту *JOB и использовала содержащуюся на ней информацию для учета системных ресурсов (звездочка ставилась, чтобы отличать перфокарты с программой контроля от перфокарт с данными). Затем операционная система считывала перфокарту *FORTRAN, которая представляла собой команду для загрузки компилятора FORTRAN с магнитной ленты. После этого компилятор считывал и компилировал программу, написанную на языке FORTRAN. Как только компилятор заканчивал работу, операционная система считывала перфокарту *DATA -- команду по выполнению транслированной программы с использованием перфокарт данных.

Операционная система была придумана для того, чтобы автоматизировать работу оператора (отсюда и название), но это не единственное ее назначение. Создание операционной системы было первым шагом в развитии новой виртуальной машины. Перфокарту *FORTRAN можно рассматривать как виртуальную команду к компилятору, а перфокарту *DATA -- как виртуальную команду для выполнения программы. И хотя этот уровень состоял всего из двух команд, он был первым этапом в развитии виртуальных машин.

В последующие годы операционные системы все больше и больше усложнялись. К уровню архитектуры команд добавлялись новые команды, приспособления и особенности, и в итоге сформировался новый уровень. Некоторые команды нового уровня были идентичны командам предыдущего, но другие (в частности команды ввода-вывода) полностью отличались. Эти новые команды тогда назывались макросами операционной системы или вызовами супервизора. Сейчас обычно используется термин «системный вызов».

Первые операционные системы считывали пачки перфокарт и распечатывали результат на принтере. Такая организация вычислений называлась пакетным режимом. Чтобы получить результат, обычно нужно было ждать несколько часов. При таких условиях было трудно развивать программное обеспечение.

В начале 60-х годов исследователи Массачусетского технологического института (МТИ) разработали операционную систему, которая давала возможность работать с компьютером сразу нескольким программистам. В этой системе к центральному компьютеру через телефонные линии подсоединялись отдаленные терминалы. Таким образом, центральный процессор разделялся между большим количеством пользователей. Программист мог напечатать свою программу и получить результаты почти сразу прямо в офисе, гараже или где бы то ни было еще (там, где находился терминал). Эти системы назывались (и сейчас называются) системами с разделением времени.

Хотя нас интересуют только те части операционной системы, которые интерпретируют команды третьего уровня, необходимо понимать, что это не единственная функция операционных систем.

Перемещение функциональности системы на уровень микрокода

1. Команды для умножения и деления целых чисел.

2. Команды для арифметических действий над числами с плавающей точкой.

3. Команды для вызова и прекращения действия процедур.

4. Команды для ускорения циклов.

5. Команды для работы со строкой символов.

Как только производители поняли, что добавлять новые команды очень легко, они начали думать, какие дополнительные технические характеристики можно добавить к микропрограмме. Приведем несколько примеров:

1. Ускорение работы с массивами (индексная и косвенная адресация).

2. Перемещение программы из одного раздела памяти в другой после запуска программы (настройка).

3. Системы прерывания, которые дают сигнал процессору, как только закончена операция ввода или вывода

4. Способность приостановить одну программу и начать другую, используя небольшое число команд (переключение процесса). В дальнейшем дополнительные команды и технические характеристики вводились также для ускорения работы компьютеров.

Устранение микропрограммирования

Развитие компьютерной архитектуры

В период развития компьютерных технологий были разработаны сотни разных компьютеров. Многие из них давно забыты, но некоторые сильно повлияли на современные идеи. В этом разделе мы дадим краткий обзор некоторых ключевых исторических моментов, чтобы лучше понять, каким образом разработчики дошли до создания современных компьютеров. Мы рассмотрим только основные моменты развития, оставив многие подробности за скобками.

Нулевое поколение -- механические компьютеры (1642-1945)

Первым человеком, создавшим счетную машину, был французский ученый Блез Паскаль (1623-1662), в честь которого назван один из языков программирования. Паскаль сконструировал эту машину в 1642 году, когда ему было всего 19 лет, для своего отца, сборщика налогов. Она была механическая: с шестеренками и ручным приводом. Счетная машина Паскаля могла выполнять только операции сложения и вычитания.

Тридцать лет спустя великий немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) построил другую механическую машину, которая кроме сложения и вычитания могла выполнять операции умножения и деления. В сущности, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с четырьмя функциями.

Еще через 150 лет профессор математики Кембриджского университета Чарльз Бэббидж (1792-1871), изобретатель спидометра, разработал и сконструировал разностную машину. Эта механическая машина, которая, как и машина Паскаля, могла только складывать и вычитать, подсчитывала таблицы чисел для морской навигации. В машину был заложен только один алгоритм -- метод конечных разностей с использованием полиномов. У этой машины был довольно интересный способ вывода информации: результаты выдавливались стальным штампом на медной дощечке, что предвосхитило более поздние средства ввода-вывода -- перфокарты и компакт-диски.

Хотя это устройство работало довольно неплохо, Бэббиджу вскоре наскучила машина, выполнявшая только один алгоритм. Он потратил очень много времени, большую часть своего семейного состояния и еще 17000 фунтов, выделенных правительством, на разработку аналитической машины. У аналитической машины было 4 компонента: запоминающее устройство (память), вычислительное устройство, устройство ввода (для считывания перфокарт), устройство вывода (перфоратор и печатающее устройство). Память состояла из 1000 слов по 50 десятичных разрядов, каждое из которых содержало переменные и результаты. Вычислительное устройство принимало операнды из памяти, затем выполняло операции сложения, вычитания, умножения или деления и возвращало полученный результат обратно в память. Как и разностная машина, это устройство было механическим.

Преимущество аналитической машины заключалось в том, что она могла выполнять разные задачи. Она считывала команды с перфокарт и выполняла их. Некоторые команды приказывали машине взять 2 числа из памяти, перенести их в вычислительное устройство, произвести над ними операцию (например, сложить) и отправить результат обратно в запоминающее устройство. Другие команды проверяли число, а иногда совершали операцию перехода в зависимости от того, положительное оно или отрицательное. Если в считывающее устройство вводились перфокарты с другой программой, то машина выполняла другой набор операций. А разностная машина могла осуществлять только один алгоритм.

Поскольку эта аналитическая машина программировалась на ассемблере, ей было необходимо программное обеспечение. Чтобы создать это программное обеспечение, Бэббидж нанял молодую женщину -- Аду Августу ЛовлеЙс, дочь знаменитого британского поэта Байрона. Ада ЛовлеЙс была первым в мире программистом. В ее честь назван современный язык программирования Ada.

К несчастью, Бэббидж никогда не отлаживал компьютер. Ему нужны были тысячи и тысячи шестеренок, сделанных с такой точностью, которая была невозможна в XIX веке. Но идеи Бэббиджа опередили его эпоху, и даже сегодня большинство современных компьютеров по строению сходны с аналитической машиной. Поэтому справедливо будет сказать, что Бэббидж был дедушкой современного цифрового компьютера.

В конце 30-х годов XX века немец Конрад Зус сконструировал несколько автоматических счетных машин с использованием электромагнитных реле. Ему не удалось получить денежные средства от правительства на свои разработки, потому что началась война. Зус ничего не знал о работе Бэббиджа, и его машины были уничтожены во время бомбежки Берлина в 1944 году, поэтому его работа никак не повлияла на будущее развитие компьютерной техники. Однако он был одним из пионеров в этой области.

Немного позже счетные машины были сконструированы в Америке. Машина Атанасова была чрезвычайно развитой для того времени. В ней использовалась бинарная арифметика и информационные емкости, которые периодически обновлялись, чтобы избежать уничтожения данных. Современная динамическая память (ОЗУ) работает точно по такому же принципу. К несчастью, эта машина так и не стала действующей. В каком-то смысле Атанасов был похож на Бэббиджа: мечтатель, которого не устраивали технологии своего времени.

Компьютер Стибитса действительно работал, хотя и был примитивнее, чем машина Атанасова. Стибитс продемонстрировал работу своей машины на конференции в Дартмутском колледже в 1940 году. На этой конференции присутствовал Джон Моушли, ничем не знаменитый профессор физики из университета Пенсильвании. Позднее он стал очень известным в области компьютерных разработок.

Пока Зус, Стибитс и Атанасов разрабатывали автоматические счетные машины, молодой Говард Айкен с трудом проектировал ручные счетные машины как часть своего философского исследования в Гарварде. После окончания исследования Айкен осознал важность автоматических вычислений. Он пошел в библиотеку, узнал о работе Бэббиджа и решил создать из реле такой же компьютер, который Бэббиджу не удалось создать из зубчатых колес.

Работа над первым компьютером Айкена «Mark I» была закончена в 1944 году. Компьютер содержал 72 слова по 23 десятичных разряда каждое и мог выполнить любую команду за 6 секунд. На устройствах ввода-вывода использовалась перфолента. К тому времени, как Айкен закончил работу над компьютером «Mark II», релейные компьютеры уже устарели. Началась эра электроники.

Первое поколение -- электронные лампы (1945-1955)

Стимулом к созданию электронного компьютера стала Вторая мировая война. В начале войны германские подводные лодки разрушали британские корабли. Германские адмиралы посылали на подводные лодки по радио команды, а англичане могли перехватывать эти команды. Проблема заключалась в том, что эти радио-послания были закодированы с помощью прибора под названием ENIGMA, предшественник которого был спроектирован изобретателем-дилетантом и бывшим президентом США Томасом Джефферсоном.

В начале войны англичанам удалось приобрести ENIGMA у поляков, которые, в свою очередь, украли его у немцев. Однако чтобы расшифровать закодированное послание, требовалось огромное количество вычислений, и их нужно было произвести сразу после того, как радиопослание было перехвачено. Поэтому британское правительство основало секретную лабораторию для создания электронного компьютера под названием COLOSSUS. В создании этой машины принимал участие знаменитый британский математик Алан Тьюринг. COLOSSUS работал уже в 1943 году, но так как британское правительство полностью контролировало этот проект и рассматривало его как военную тайну на протяжении 30 лет, COLOSSUS не мог служить основой дальнейшего развития компьютеров. Мы упомянули его только потому, что это был первый в мире электронный цифровой компьютер.

Вторая мировая война повлияла и на развитие компьютерной техники в США. Армии нужны были таблицы стрельбы, которые использовались при нацеливании тяжелой артиллерии. Сотни женщин нанимались для высчитывания этих таблиц на ручных счетных машинах (считалось, что женщины более аккуратны при расчетах, чем мужчины). Тем не менее этот процесс требовал много времени, и часто случались ошибки.

Джон Моушли, который был знаком с работами Атанасова и Стибитса, понимал, что армия заинтересована в создании механических счетных машин. Он потребовал от армии финансирования работ по созданию электронного компьютера. Требование было удовлетворено в 1943 году, и Моушли со своим студентом, Дж. Преспером Экертом, начали конструировать электронный компьютер, который они назвали ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer -- электронный цифровой интегратор и калькулятор). Он состоял из 18 000 электровакуумных ламп и 1500 реле. ENIAC весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт электроэнергии. У машины было 20 регистров, каждый из которых мог содержать 10-разрядное десятичное число. (Десятичный регистр -- это память очень маленького объема, которая может вмещать число до какого-либо определенного максимального количества разрядов, что-то вроде одометра, который запоминает километраж пройденного автомобилем пути.) В ENIAC было установлено 6000 многоканальных переключателей и множество кабелей было протянуто к розеткам.

Работа над машиной была закончена в 1946 году, когда она уже была не нужна.

Но поскольку война закончилась, Моушли и Экерту позволили организовать школу, где они рассказывали о своей работе коллегам-ученым. С этой школы началось развитие интереса к созданию больших цифровых компьютеров.

После появления школы и другие исследователи взялись за конструирование электронных вычислительных машин. Первым рабочим компьютером был EDS АС (1949 год). Эту машину сконструировал Морис Уилкс в Кембриджском университете. Далее JOHNIAC -- в корпорации Rand, ILLIAC -- в Университете Иллинойса, MANIAC -- в лаборатории Лос-Аламоса и WEIZAC -- в Институте Вайцмана в Израиле.

Экерт и Моушли вскоре начали работу над машиной EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer -- электронная дискретная параметрическая машина). К несчастью, этот проект закрылся, когда они ушли из университета, чтобы основать компьютерную корпорацию в Филадельфии (Силиконовой долины тогда еще не было). После ряда слияний эта компания превратилась в Unisys Corporation.

Экерт и Моушли хотели получить патент на изобретение цифровой вычислительной машины. После нескольких лет судебной тяжбы было вынесено решение, что патент недействителен, так как цифровую вычислительную машину изобрел Атанасов, хотя он и не запатентовал свое изобретение.

В то время как Экерт и Моушли работали над машиной EDVAC, один из участников проекта ENIAC, Джон фон Нейман, поехал в Институт специальных исследований в Принстоне, чтобы сконструировать свою собственную версию EDVAC, удсь Фон Нейман был гением в тех же областях, что и Леонардо да Винчи. Он знал много языков, был специалистом в физике и математике и обладал феноменальной памятью; он помнил все, что когда-либо слышал, видел или читал.

Он мог дословно процитировать по памяти тексты книг, которые читал несколько лет назад. Когда фон Нейман стал интересоваться вычислительными машинами, он уже был самым знаменитым математиком в мире.

Фон Нейман вскоре осознал, что создание компьютеров с большим количеством переключателей и кабелей требует длительного времени и очень утомительно. Он пришел к мысли, что программа должна быть представлена в памяти компьютера в цифровой форме, вместе сданными. Он также отметил, что десятичная арифметика, используемая в машине ENIAC, где каждый разряд представлялся 10 электронными лампами (1 включена и 9 выключены), должна быть заменена бинарной арифметикой.

Основной проект, который он описал вначале, известен сейчас как фон-неймановская вычислительная машина. Он был использован в EDS АС, первой машине с программой в памяти, и даже сейчас, более чем полвека спустя, является основой большинства современных цифровых компьютеров. Этот замысел и машина IAS оказали очень большое влияние на дальнейшее развитие компьютерной техники, поэтому стоит кратко описать его.

Машина фон Неймана состояла из пяти основных частей: памяти, арифметико-логического устройства, устройства управления, а также устройств ввода-вывода. Память включала 4096 слов, каждое слово содержало 40 битов, бит -- это 0 или 1. Каждое слово содержало или 2 команды по 20 битов, или целое число со знаком на 40 битов. 8 битов указывали на тип команды, а остальные 12 битов определяли одно из 4096 слов.

Внутри арифметико-логического устройства находился особый внутренний регистр в 40 битов, так называемый аккумулятор. Типичная команда добавляла слово из памяти к аккумулятору или сохраняла содержимое аккумулятора в памяти. Эта машина не выполняла арифметические операции с плавающей точкой, так как фон Нейман понимал, что любой сведущий математик был способен держать плавающую запятую в голове.

Примерно в то же время, когда фон Нейман работал над машиной IAS, исследователи МТИ разрабатывали свой компьютер Whirlwind I. В отличие от IAS, ENIАС и других машин того же типа со словами большой длины, машина Whirlwind I содержала слова по 16 битов и была предназначена для работы в реальном времени.

Этот проект привел к изобретению памяти на магнитном сердечнике (изобретатель Джей Форрестер), а затем и первого серийного мини-компьютера.

В то время IBM была маленькой компанией, производившей перфокарты и механические машины для их сортировки. Хотя фирма IBM частично финансировала проект Айкена, она не интересовалась компьютерами и только в 1953 году построила компьютер IBM-701, через много лет после того, как компания Экерта и Моушли со своим компьютером UNIVAC стала номером один на компьютерном рынке.

В IBM-701 было 2048 слов по 36 битов, каждое слово содержало две команды. Он стал первым компьютером, лидирующим на рынке в течение десяти лет. Через три года появился IBM-704, у которого было 4 Кбайт памяти на магнитных сердечниках, команды по 36 битов и процессор с плавающей точкой. В 1958 году компания IBM начала работу над последним компьютером на электронных лампах, IBM-709, который по сути представлял собой усложненную версию IBM-704.

Второе поколение -- транзисторы (1955-1965)

Транзистор был изобретен сотрудниками лаборатории Bell Laboratories Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли, за что в 1956 году они получили Нобелевскую премию в области физики. В течение десяти лет транзисторы произвели революцию в производстве компьютеров, и к концу 50-х годов компьютеры на вакуумных лампах устарели. Первый компьютер на транзисторах был построен в лаборатории МТИ. Он содержал слова из 16 битов, как и Whirlwind I. Компьютер назывался ТХ-0 (Transistorized experimental computer 0 -- экспериментальная транзисторная вычислительная машина 0) и предназначался только для тестирования машины ТХ-2.

Машина ТХ-2 не имела большого значения, но один из инженеров из этой лаборатории, Кеннет Ольсен, в 1957 году основал компанию DEC (Digital Equipment Corporation -- корпорация по производству цифровой аппаратуры), чтобы производить серийную машину, сходную с ТХ-0. Эта машина, PDP-1, появилась только через четыре года главным образом потому, что капиталисты, финансирующие DEC, считали производство компьютеров невыгодным. Поэтому компания DEC продавала в основном небольшие электронные платы.

PDP-1 появился только в 1961 году. У него было 4 Кбайт слов по 18 битов и время цикла 5 микросекунд. Этот параметр был в два раза меньше, чем у IBM-7090, транзисторного аналога IBM-709. PDP-1 был самым быстрым компьютером в мире в то время. PDP-1 стоил $120000, a IBM-7090 стоил миллионы. Компания DEC продаладесятки компьютеров PDP-1, и так появилась компьютерная промышленность.

Одну из первых машин модели PDP-1 отдали в МТИ, где она сразу привлекла внимание некоторых молодых исследователей, подающих большие надежды. Одним из нововведений PDP-1 был дисплей с размером 512 на 512 пикселов, на котором можно было рисовать точки. Вскоре студенты МТИ составили специальную программу для PDP-1, чтобы играть в «Войну миров» -- первую в мире компьютерную игру.

Через несколько лет DEC разработал модель PDP-8, 12-битный компьютер. PDP-8 стоил гораздо дешевле, чем PDP-1 ($16000). Главное нововведение -- одна шина (Omnibus) (рис. 1.5). Шина -- это набор параллельно соединенных проводов для связи компонентов компьютера. Это нововведение сильно отличало PDP-8 от I AS. Такая структура с тех пор стала использоваться во всех компьютерах. Компания DEC продала 50 000 компьютеров модели PDP-8 и стала лидером на рынке мини-компьютеров.

Как уже было сказано, с изобретением транзисторов компания IBM построила транзисторную версию IBM-709 -- IBM-7090, а позднее -- IBM-7094. У нее время цикла составляло 2 микросекунды, а память состояла из 32 К слов по 16 битов. IBM-7090 и IBM-7094 были последними компьютерами типа ENIAC, но они широко использовались для научных расчетов в 60-х годах прошлого века.

Компания IBM также выпускала компьютеры IBM-1401 для коммерческих расчетов. Эта машина могла считывать и записывать магнитные ленты и перфокарты и распечатывать результат так же быстро, как и IBM-7094, но при этом стоила дешевле. Для научных вычислений она не подходила, но зато была очень удобна для ведения деловых записей.

У IBM-1401 не было регистров и фиксированной длины слова. Память содержала 4 Кбайт по 8 битов (4 Кбайт). Каждый байт содержал символ в 6 битов, административный бит и бит для указания конца слова. У команды Ъ/ГЩ например, есть исходный адрес и адрес пункта назначения. Эта команда перемещает байты из первого адреса во второй, пока бит конца слова не примет значение 1.

В 1964 году компания CDC (Control Data Corporation) выпустила машину 6600, которая работала почти на порядок быстрее, чем IBM-7094. Этот компьютер для сложных расчетов пользовался большой популярностью, и компания CDC пошла в гору. Секрет столь высокой скорости работы заключался в том, что внутри ЦПУ (центрального процессора) находилась машина с высокой степенью параллелизма. У нее было несколько функциональных устройств для сложения, умножения и деления, и все они могли работать одновременно. Для того чтобы машина быстро работала, нужно было составить хорошую программу, но приложив некоторые усилия, можно было сделать так, чтобы машина выполняла 10 команд одновременно.

Внутри машины 6600 было встроено несколько маленьких компьютеров. ЦПУ, таким образом, производило только подсчет чисел, а остальные функции (управление работой машины, а также ввод и вывод информации) выполняли маленькие компьютеры. Некоторые принципы устройства 6600 используются и в современных компьютерах.

Разработчик компьютера 6600 Сеймур Крей был легендарной личностью, как и фон Нейман. Он посвятил всю свою жизнь созданию очень мощных компьютеров, которые сейчас называют суперкомпьютерами. Среди них можно назвать CDC-6600, CDC-7600 и Сгау-1. Сеймур Крей также является автором известного «алгоритма покупки автомобилей»: вы идете в магазин, ближайший к вашему дому, показываете на машину, ближайшую к двери, и говорите: «Я беру эту». Этот алгоритм позволяет тратить минимум времени на не очень важные дела (покупку автомобилей) и оставляет большую часть времени на важные (разработку суперкомпьютеров).

Следует упомянуть еще один компьютер -- Burroughs B5000. Разработчики машин PDP-1, ШМ-7094 и CDC-6600 занимались только аппаратным обеспечением, стараясь снизить его стоимость (DEC) или заставить работать быстрее (IBM и CDC). Программное обеспечение не менялось. Производители В5000 пошли другим путем. Они разработали машину с намерением программировать ее на языке Algol 60 (предшественнике языка Pascal), сконструировав аппаратное обеспечение так, чтобы упростить задачу компилятора. Так появилась идея, что программное обеспечение также нужно учитывать при разработке компьютера. Но вскоре эта идея была забыта.

Третье поколение -- интегральные схемы (1965-1980)

Изобретение кремниевой интегральной схемы в 1958 году (изобретатель -- Роберт Нойс) дало возможность помещать десятки транзисторов на одну небольшую микросхему. Компьютеры на интегральных схемах были меньшего размера, работали быстрее и стоили дешевле, чем их предшественники на транзисторах. Ниже описаны наиболее значительные из них.

К 1964 году компания IBM лидировала на компьютерном рынке, но существовала одна большая проблема: компьютеры IBM-7094 и IBM-1401, которые она выпускала, были несовместимы друг с другом. Один из них предназначался для сложных расчетов, в нем использовалась двоичная арифметика на регистрах по 36 битов, а во втором использовалась десятичная система счисления и слова разной длины. У многих покупателей были оба компьютера, и им не нравилось, что они совершенно несовместимы.

Когда пришло время заменить эти две серии компьютеров, компания IBM сделала решительный шаг. Она выпустила серию компьютеров на транзисторах, System/360, которые были предназначены и для научных, и для коммерческих расчетов. System/360 содержала много нововведений. Это было целое семейство компьютеров с одним и тем же языком (ассемблером). Каждая новая модель была больше по размеру и по мощности, чем предыдущая. Компания могла заменить IBM-1401 на IBM-360 (модель 30), a IBM-7094 - на IBM-360 (модель 75). Модель 75 была больше по размеру, работала быстрее и стоила дороже, но программы, написанные для одной из них, могли использоваться для другой. На практике программы, написанные для маленькой модели, выполнялись большой моделью без особых затруднений. Но в случае переноса программного обеспечения с большой машины на маленькую могло не хватить памяти. И все же создание такой серии компьютеров было большим достижением. Идея создания семейств компьютеров вскоре стала очень популярной, и в течение нескольких лет большинство компьютерных компаний выпустило целые серии сходных машин с разной стоимостью и функциями. В табл. 1.2 показаны некоторые параметры первых моделей из семейства IBM-360.0 других моделях этого семейства мы расскажем ниже. Еще одно нововведение в IBM-360 -- мультипрограммирование. В памяти компьютера могло находиться одновременно несколько программ, и пока одна программа ждала, когда закончится процесс ввода-вывода, другая выполнялась.

IBM-360 была первой машиной, которая могла полностью имитировать работу других компьютеров. Маленькие модели могли имитировать IBM-1401, а большие -- IBM-7094, поэтому программисты могли оставлять свои старые программы без изменений и использовать их в работе с IBM-360. Некоторые модели IBM-360 выполняли программы, написанные для IBM-1401, гораздо быстрее, чем сама IBM-1401, поэтому не было никакого смысла в переделывании программ.

Компьютеры серии IBM-360 могли имитировать работу других компьютеров, потому что они создавались с использованием микропрограммирования. Нужно было всего лишь написать три микропрограммы: одну -- для системы команд IBM-360, другую -- для системы команд IBM-1401 и третью -- для системы команд IBM-7094. Требование совместимости было одной из главных причин использования микропрограммирования.

Объем памяти у IBM-360 составлял Г баитов (16 Мбайт). В те времена такой объем памяти казался огромным. Серия IBM-360 позднее сменилась серией IBM-370, затем IBM-4300, IBM-3080, IBM-3090. У всех этих компьютеров была сходная архитектура. К середине 80-х годов 16 Мбайт памяти стало недостаточно, и компании IBM пришлось частично отказаться от совместимости, чтобы перейти на систему адресов в 32 бита, необходимую для памяти объемом в 2 йбайтов.

Можно было бы предположить, что поскольку у машин были слова в 32 бита и регистры, у них вполне могли бы быть и адреса в 32 бита. Но в то время никто не мог даже представить себе компьютер с объемом памяти 16 Мбайт. Обвинять IBM в отсутствии предвидения -- все равно что обвинять современных производителей персональных компьютеров в том, что адреса в них всего по 32 бита. Возможно, через несколько лет объем памяти компьютеров будет составлять намного больше 4 Гбайт, и тогда адресов в 32 бита будет недостаточно.

Мир мини-компьютеров сделал большой шаг вперед в третьем поколении вместе с производством серии компьютеров PDP-11, последователей PDP-8co словами по 16 битов. Во многих отношениях PDP-11 был младшим братом IBM-360, a PDP-1 - младшим братом IBM-7094. И у IBM-360, и у PDP-11 были регистры, слова, память с байтами, и в обеих сериях были компьютеры разной стоимости и с разными функциями. PDP-1 широко использовался, особенно в университетах, и компания DEC продолжала лидировать среди производителей мини-компьютеров.

Четвертое поколение -- сверхбольшие интегральные схемы (1980-?)

Появление сверхбольших интегральных схем (СБИС) в 80-х годах позволило помещать на одну плату сначала десятки тысяч, затем сотни тысяч и, наконец, миллионы транзисторов. Это привело к созданию компьютеров меньшего размера и с более высокой скоростью работы. До появления PDP-1 компьютеры были настолько большие и дорогостоящие, что компаниям и университетам приходилось иметь специальные отделы (вычислительные центры). К 80-м годам цены упали так сильно, что возможность приобретать компьютеры появилась не только у организаций, но и у отдельных людей. Началась эра персональных компьютеров.

Персональные компьютеры использовались совсем для других целей. Они применялись для обработки слов, а также для различных диалоговых прикладных программ, с которыми большие компьютеры не могли работать.

Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов. Каждый комплект содержал печатную плату, набор интегральных схем, обычно включающий схему Intel 8080, несколько кабелей, источник питания и иногда 8-дюймовый дисковод. Сложить из этих частей компьютер покупатель должен был сам. Программное обеспечение к компьютеру не прилагалось. Покупателю приходилось самому писать программное обеспечение. Позднее появилась операционная система СР/М, написанная Гари Килдаллом для Intel 8080. Эта действующая операционная система помещалась на дискету, она включала в себя систему управления файлами и интерпретатор для выполнения пользовательских команд, которые набирались с клавиатуры.

Еще один персональный компьютер, Apple (а позднее и Apple II), был разработан Стивом Джобсом и Стивом Возняком. Он стал чрезвычайно популярен среди отдельных покупателей, а также широко использовался в школах, и это сделало компанию Apple серьезным конкурентом IBM.

Наблюдая за тем, чем занимаются другие компании, компания IBM, лидирующая тогда на компьютерном рынке, тоже решила заняться производством персональных компьютеров. Но вместо того чтобы конструировать компьютер с нуля, что заняло бы слишком много времени, компания IBM предоставила одному из своих работников, Филипу Эстриджу, большую сумму денег, приказала ему отправиться куда-нибудь подальше от вмешивающихся во все бюрократов главного управления компании, находящегося в Нью-Йорке, и не возвращаться, пока не будет сконструирован действующий персональный компьютер. Эстридж открыл предприятие достаточно далеко от главного управления компании (во Флориде), взял Intel 8088 в качестве центрального процессора и создал персональный компьютер из серийных компонентов. Этоткомпьютер (IBM PC) появился в 1981 году и стал самым покупаемым компьютером в истории.

Но компания IBM сделала одну вещь, о которой она позже пожалела. Вместо того чтобы держать проект машины в секрете (или по крайней мере оградить себя патентами), как она обычно делала, компания опубликовала полные проекты, включая все электронные схемы, в книге стоимостью $49. Эта книга была опубликована для того, чтобы другие компании могли производить сменные платы для IBM PC, что повысило бы совместимость и популярность этого компьютера. К несчастью для IBM, как только проект IBM PC стал широко известен, поскольку все составные части компьютера можно было легко приобрести, многие компании начали делать клоны PC и часто продавали их гораздо дешевле, чем IBM. Так началось бурное производство персональных компьютеров.

Хотя некоторые компании (такие как Commodore, Apple, Amiga, Atari) производили персональные компьютеры с использованием своих процессоров, а не Intel, потенциал производства IBM PC был настолько велик, что другим компаниям приходилось пробиваться с трудом. Выжить удалось только некоторым из них, и то потому, что они специализировались в узких областях, например в производстве рабочих станций или суперкомпьютеров.

Семейства компьютеров

В этом разделе мы дадим краткое описание трех компьютеров, которые будут использоваться в качестве примеров в этой книге: Pentium II, UltraSPARC II и picojava II.

Pentium II

В этот момент Intel, проиграв судебную тяжбу по поводу нарушения правил наименования товаров, выяснила, что номера (например, 80486) не могут быть торговой маркой, поэтому следующее поколение компьютеров получило название Pentium (от греческого слова ЛЕУТЕ -- пять). В отличие от 80486, у которого был один внутренний конвейер, Pentium имел два, что позволяло работать ему почти в два раза быстрее.

Когда появилось следующее поколение компьютеров, те, кто рассчитывал на название Sexium (sex по-латыни -- шесть), были разочарованы. Название Pentium стало так хорошо известно, что его решили оставить, и новую микросхему назвали Pentium Pro. Несмотря настоль незначительное изменение названия, этот процессор очень сильно отличался от предыдущего. У него была совершенно другая внутренняя организация, и он мог выполнять до пяти команд одновременно.

Еще одно нововведение у Pentium Pro -- двухуровневая кэш-память. Процессор содержал 8 Кбайт памяти для часто используемых команд и еще 8 Кбайт для часто используемых данных. В корпусе Pentium Pro рядом с процессором (но не на самой микросхеме) находилась другая кэш-память в 256 Кбайт.

Вслед за Pentium Pro появился процессор Pentium II, по существу такой же, как и его предшественник, но с особой системой команд для мультимедиа-задач (ММХ -- multimedia extensions). Эта система команд предназначалась для ускорения вычислений, необходимых при воспроизведении изображения и звука. При наличии ММХ специальные сопроцессоры были не нужны. Данные команды имелись в наличии и в более поздних версиях Pentium, но их не было в Pentium Pro. Таким образом, компьютер Pentium II сочетал в себе функции Pentium Pro с мультимедиа-командами.

В начале 1998 года Intel запустил новую линию продукции под названием Celeron. Celeron имел меньшую производительность, чем Pentium II, но зато стоил дешевле. Поскольку у компьютера Celeron такая же архитектура, как у Pentium II, мы не будем обсуждать его в этой книге. В июне 1998 года компания Intel выпустила специальную версию Pentium II -- Хеоп. Он имел кэш-память большего объема, его внутренняя шина работала быстрее, были усовершенствованы средства поддержки многопроцессорного режима, но во всем остальном он остался обычным Pentium II, поэтому мы его тоже не будем обсуждать.

Все микросхемы Intel совместимы со своими предшественниками вплоть до процессора 8086. Другими словами, Pentium II может выполнять программы, написанные для процессора 8086» Совместимость всегда бьла одним из главных требований при разработке новых компьютеров, чтобы покупатели могли продолжать работать со старым программным обеспечением и не тратить деньги на новое. Конечно, Pentium II во много раз сложнее, чем 8086, поэтому он может выполнять многие функции, которые не способен выполнять процессор 8086. Все эти постепенные доработки в каждой новой версии привели к тому, что архитектура Pentium II не так проста, как могла бы быть, если бы разработчикам процессора Pentium II предоставили 7,5 млн. транзисторов и команд, чтобы начать все заново. Интересно, что хотя закон Мура раньше ассоциировался с числом битов в памяти компьютера, он в равной степени применим и по отношению к процессорам. Если напротив даты выпуска каждой микросхемы поставить число транзисторов на этой микросхеме (количество транзисторов показано в табл. 1.4), мы увидим, что закон Мура действует и здесь.