Что понимается под архитектурой компьютера

Архитектура компьютера. Цифровой логический уровень

Компьютер — это машина, которая может выполнять вычисления через исполнение примитивных операций. Она может понимать только два сигнала, которые принимаются за 0 и 1.

Организация архитектур машин представляется как ряд уровней, каждый из которых надстраивается над нижележащим уровнем. Это сделано не просто так, с помощью многоуровневой архитектуры мы можем абстрагироваться от реализации и сложности нижнего уровня, тем, самым облегчить процесс проектирования, и уменьшить вероятность ошибок. Абстрагирование является ключевым моментом во всей архитектуре компьютера.

Организация компьютера состоит из 6 уровней: цифровой логический, микроархитектура, архитектура набора команд (ISA), операционная система, язык ассемблера, прикладной, конечно, если не считать физический уровень, который находится ниже цифрового логического уровня. У меня нет пока что в планах рассказывать все, что происходит выше уровня ISA. На это есть две причины: во-первых, цель этих статей заключается не в том, чтобы рассмотреть все уровни, а в том, чтобы показать, что из себя представляют уровни 0-2, и, во-вторых, на habr’е существует немало статей по уровням выше ISA и без меня. В этой статье будет показан цифровой логический уровень, а в следующих двух микроархитектура и архитектура набора команд соответственно.

Цифровой логический уровень

Цифровой логический уровень по сути представляет собой набор логических функций, которые взаимодействую между собой для выполнения большей задачи. Вся работа этого уровня заключается в двух базовых концепциях: вентили и булева алгебра. Сначала я расскажу про них, а дальше про логические схемы и то как они используются при разработке, и в заключении, то что из себя представляет память и как она реализуется.

Вентиль

Вентиль (рис. 1.0) является устройством, которое принимает входные сигналы и выдает выходные, сам он реализован на транзисторах (об их работе я рассказывать не буду). Вентили используются на данном уровне как «строительный» материал, чтобы представлять базовые логические операции, а дальше уже идет их комбинирование для реализации тех или иных схем, то есть смысл данного уровня заключается в построении переиспользуемых схем, а не о работе вентилей (и транзисторов); дальше уже на основе этих схем могут быть построены более сложные и узкоспециализированные схемы, например, целые модули памяти, различная логика, например, для того как будут взаимодействовать компоненты CPU на уровне микроархитектуры и тд.

Рисунок 1.0. Изображение вентилей.

Таблица 1.0. Таблица истинности для основных операций.

Булева алгебра

Этот вид алгебры работает с 0 и 1, здесь присутствуют такие операции (табл. 1.0) как: И (конъюнкция), ИЛИ (дизъюнкция), НЕ (отрицание), ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и их комбинации и т.д. Чтобы описать логические функции можно использовать разные способы, но мы сконцентрируемся только на двух: таблица истинности и дизъюнктивно нормальная форма.

Для построения таблицы истинности мы просто перебираем все комбинации значений всех переменных. Таблица позволяет увидеть нам все возможные комбинации при которых функция принимает значения истины или лжи, она подходит, когда нам необходимо такое свойтсво, например, декодер. Дизъюнктивно нормальная форма позволяет нам сократить ее размеры таблицы, для этого, мы используем только те комбинации значений переменных при которых функция принимает только истинные значения. Чтобы создать схему, которая будет принимать истинное значение только с нужными нам комбинациями, нам необходимо представить эти строки в виде минтерм.

Рисунок 1.1. Схема ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ (черта над переменной обозначает НЕ).

Логические схемы

Логическая схема — это набор объединенных вентилей с входными и выходными сигналами. На рис 1.1 тоже изображена схема у которой входными сигналами являются A и B, выходной сигнал идет от операции ИЛИ; также у нее есть три вентиля: два И, один ИЛИ. Теперь давайте рассмотрим некоторые виды схем с которыми нам потребуется встречаться в дальнейшем, к ним относятся: комбинационные, арифметические, интегральные схемы.

Комбинационные схемы

Комбинационная схема — это схема с одним дополнительным свойством: значения выходных сигналов зависят только от входных, или другими словами, в ней нет никаких запоминающих устройств. Из этого вида схем создаются переиспользуемые компоненты, которые применяются для реализации большинства других схем, мы рассмотрим несколько, а именно: компаратор, декодер, мультиплексор/демультиплексор.

Компаратор имеет n входных парных линий (то есть 2n входов) и одну выходную линию. Логика его работы заключается в том, чтобы сравнить каждую пару битов (биты слова A сравниваются с соответствующими битами слова B) и при неравенстве хоть одной из них выдать 0 (если за ложь принят 0), иначе 1. Давайте построим таблицу истинности (табл. 1.1) для однобитного компаратора; можно заметить, что она равна таблице истинности ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ (когда к операции добавлен НЕ, то все выходные значения в таблице становятся противоположными). Теперь давайте расширим его до двухбитного компаратора, построим таблицу истинности (табл. 1.2) для него от двух переменных значения которых зависит от двух однобитных компаратора, то есть от двух ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ-НЕ; в ней значение 1 в CMP0 (и CMP1) значит, что два входа какото-то компаратора равны, 0 наоборот, то есть 1 в столбце R должна быть только, когда значения равны в двух компараторах. Эта таблица истинности совпадает с таблицей И, то есть мы объединяем все ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ-НЕ операцией И и у нас получится двухбитный компаратор (рис. 1.3а). Для дальнейшего расширение компаратора необходимо лишь добавить ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ и подсоединить его к И. Недостаток такой реализации заключается в ее избыточности, нам требуется добавлять вентили НЕ для каждого ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ; мы можем от этого избавится (рис. 1.3б), если заменим вентиль И с НЕ входами на ИЛИ-НЕ, так как их таблицы истинности совпадают.

Таблица. 1.1. Таблица истинности для однобитного компаратора.

Рисунок 1.3. Две схемы двухбитных компараторов.

Декодер обладает n входными линиями, 2^n выходными, он реализован так, чтобы сигнал (истинна, 1) прошел только в одну выходную линию. Каждый выходной вентиль И получает свою комбинацию значений переменных, которые (значения) находятся в какой-то строке таблицы истинности, а как мы уже знаем, строку таблицы истинности можно реализовать как минтерму, то есть мы каждую строку представляем как вентиль И (рис. 1.4) от нескольких переменных. Основное применение декодера заключается в выборочном включении разных частей схемы (или схем), например, у АЛУ (о нем далее) имеется несколько операции, которые он может выполнять над входными значениями, чтобы их выбрать одну из них используется декодер.

Рисунок 1.4 Декодер.

Мультиплексор обладает 2^n входными линиями, n линиями управления и одной выходной линией. Он в реализации в какой-то степени похож (рис 1.5) на декодер, если представить входы декодера как линии управления, дополнить каждый вентиль И дополнительным входным сигналом и объединить выходные значения всех И одним ИЛИ. Суть его работы заключается в том, чтобы на выход поступал сигнал только от одной из возможных входных линий. Мультиплексор применяется в разных целях, например, он может пригодиться для преобразования параллельного кода в последовательный. Допустим у нас есть параллельная (это значит, что линии работают одновременно) шина с несколькими линиями по которым параллельно передаются биты; чтобы считать нужное нам слово (обычно разрядность слова соответствует разрядности регистра в процессоре) мы соединяем линий шины с входами мультиплексора и последовательно включаем по одному входу, допустим сверху вниз, тем самым на выход у нас пойдет точная последовательность битов.

Демультиплексор является обратным мультиплексору, он имеет одну входную линию, n линий управления и 2^n выходных линий. Логика его работы точно такая же как и в мультиплексоре, только один входной сигнал идет в один из выходных. Может быть использован для преобразования последовательного кода в параллельный.

Рисунок 1.5. Мультиплексор.

Арифметические схема

Данный вид схем выполняет арифметические операции над входными сигналами. Основными схемами являются: логические функции, сумматор, схема сдвига, АЛУ (ALU, Arithmetic Logic Unit).

Полусумматор и полный сумматор

Полусумматор состоит из двух входных и двух выходных линий, Полусумматор является простой схемой (рис. 1.6) из двух вентилей: И и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Сам по себе полусумматор может складывать только одноразрядные значения, но зачем же тогда нам нужен полный сумматор? В основном мы хотим складывать значения с большей разрядностью, но только одним полусумматором мы удовлетворить это желание не может. Когда мы складываем два одноразрядных значения, то у нас может произойти переполнение (табл. 1.3 последняя строка истинности в столбике перенос). Это когда результат операции не помещается в той разрядности, которой обладают входные элементы (в данном случае 1). При сложении двух единиц получает двойка, которую нельзя сохранить в одном бите, поэтому необходимо перенести его, чтобы воспользоваться при дальнейших вычислениях, но так как в полусумматоре не предусмотрена возможность использования двух значений и переноса одновременно, то складывать значения с разрядностью более чем единицу не получится. Например, допустим мы складываем два 3-разрядных числа, 5 (101 в двоичной) и 7 (111 в двоичной), сложение двух чисел начинается с младших разрядов, на входы полусумматора направляются 1 и 1, на выходе суммы получаем 0 и на выходе переноса 1, вот здесь и возникает проблема, следующие значения, которые должны пойти в полусумматор, это 0 и 1 соответственно, но, что делать с переносом, ведь для него нет никакого свободного входа, а отбросить его нельзя, поэтому полусумматоры не могут напрямую использоваться для сложений.

У полного сумматора есть (рис. 1.7) три входных линии и две выходные линии. Входной перенос, как и выходной, используется для возможности объединения сумматоров в один с большей разрядностью. Сумматор состоит из двух полусумматоров, чтобы построить сумматор большей разрядности, необходимо только объединить сумматоры через входные и выходные переносы.

Рисунок 1.6. Схема полусумматор.

Таблица 1.3. Таблица истинности полусумматора.

Рисунок 1.7. Схема полного сумматора.

Таблица 1.4. Таблица истинности полного сумматора.

Сдвиг необходим для того, чтобы, например, выполнять умножение (сдвиг влево) и деление (сдвиг вправо), но только с числами, которые являются степенью двойки (1, 2, 4, 8 и тд). Схема сдвига (рис. 1.8) должна выполнять смещение на одну позицию влево или вправо в зависимости от бита направления. Бит направления (С) в зависимости от своего значения включает те или иные вентили И. Если он равен 0 (сдвиг влево), то сигнал который идет напрямую (то есть не проходит через НЕ) будет выключать вентиль который находятся выше в паре из двух вентилей И и один крайний вентиль И снизу. Сигнал, который проходит через НЕ, будет включать нижние вентиль в паре из двух вентилей И и один крайний вентиль И сверху. Это значит, что входные значения In будут выходить только из вентилей И выходные сигналы, которых направлены в нижнюю сторону; старший бит (I3) будет утерян, так как самый нижний вентиль И не пропустит входной сигнал дальше. Аналогичная ситуация происходит, когда бит направления равен 1 (сдвиг вправо), только теперь будут включены другие вентили И и сигнал уже будет направлен в противоположную (в данной реализации) сторону, и, следовательно, произойдет сдвиг вправо.

Рисунок 1.8. Схема сдвига.

Арифметико Логическое Устройство

АЛУ — это схема (рис. 1.9), которая содержит в себе множество арифметических схем, она предназначена для того, чтобы в одном месте хранить все операции необходимые для какой-либо цели. Реализация АЛУ разделяется на несколько частей (в данной реализации): распространение входных операндов, логические функции, сумматор и мультиплексор. Как мы помним декодер должен выполнять«включение» операций, но здесь я решил сделать мультиплексор, который подает на выход «Результат» значение, только одной из четырех операций; два нижних вентиля И в нем делят одну и ту же комбинацию при которой мультиплексор работает, это необходимо потому, что «Выход переноса» и «Сумма» сумматора являются частью одной операции, то есть оба этих входа должны работать только когда выбрано суммирование. Наш АЛУ предназначен для работы с одноразрядными значениями, но его можно почти без проблем изменить на большую разрядность. Входные линии INA и INB предназначены для включения/выключения A и B соответственно.

Рисунок 1.9. Схема АЛУ.

Интегральные схемы

Также известна как микросхема, это те же схемы показанные выше, только они помещены в корпус, который определяет, то где должны находится выводы для сигналов. Этот вид схем возник из-за того, что продавать отдельные схемы и вентили не очень целесообразно: по крайне мере из-за того, что нет стандарта, который бы говорил как, где и в каком кол-ве должны располагаться входные и выходные сигналы.

Есть куча разных видов корпусов, но мы рассмотрим наиболее известные:

Память

У памяти выходные значения зависят не только от входных, то есть она способна запоминать. Концептуально все схемы памяти похожи (рис. 2.1), память может «запоминать» благодаря тому, что она «замкнута», то есть верхний вентиль зависит от выходного значения нижнего, а нижний зависит от выходного значения верхнего.

Рисунок 2.1. SR защелка.

Таблица 1.6. Таблица истинности SR защелки.

Когда мы подаем на входы S, R сигналы 0, а в Q хранится значение 0, то в верхний вентиль ИЛИ НЕ поступают два нуля 0, на выходе у него будет 1 (табл. 1.0). Далее в нижний вентиль ИЛИ-НЕ поступают 0 и 1, на выходе будет 0; то есть у нас получилось не противоречивое состояние защелки (рис. 2.2a). В данном случае выходное значение защелки равно 0 (Q), то есть она хранит значение 0.

В ином варианте мы можем подать на входы S, R сигналы 0, а в Q хранится значение 1. В верхний вентиль ИЛИ-НЕ поступают 0 и 1, что на выходе дает 0. В нижний вентиль ИЛИ-НЕ поступают 0 и 0, на выходе будет 1; Снова мы попали в не противоречивое состояние защелки (рис. 2.2б). Выходное значение защелки равно 1.

Рисунок 2.2. Два возможных корректных состояния SR защелки.

Источник

Архитектура компьютера

Содержание

История

В 1642 году Блезом Паскалем, французским учёным, в честь которого назван один из языков программирования, была сконструирована счётная машина, которая могла выполнять только операции сложения и вычитания. Она представляла собой механическую конструкцию с шестерёнками и ручным приводом.

Через тридцать лет, немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц построил другую механическую машину, которая помимо сложения и вычитания могла выполнять операции умножения и деления. В сущности, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с четырьмя функциями.

В 1822 году Чарльз Бэббидж, профессор математики Кембриджского Университета, разработал и сконструировал аналитическую машину, которая, как и машина Паскаля, могла лишь 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.

Данная машина состояла из четырёх компонентов:

Память состояла из 1000 слов по 50 десятичных разрядов; каждое из слов 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.

Поскольку аналитическая машина программировалась на элементарном ассемблере, ей было необходимо программное обеспечение. Чтобы создать это программное обеспечение, Бэббидж нанял молодую женщину — Аду Лавлейс. Таким образом Ада Лавлейс стала первым в мире программистом. В её честь назван современный язык программирования — Ada. Интересен тот факт, что сам Бэббидж никогда не отлаживал компьютер. Ему нужны были тысячи шестерёнок, сделанных с такой точностью, которая в XIX веке была недоступна. Однако, идеи Бэббиджа опередили его эпоху, и даже сегодня большинство современных компьютеров по конструкции сходны с аналитической машиной. Поэтому справедливо будет сказать, что Бэббидж был дедушкой современного цифрового компьютера.

Конец 1930-х годов — Конрад Зус сконструировал несколько автоматических счётных машин с использованием электромагнитных реле. К сожалению, его машины были уничтожены во время бомбежки Берлина в 1944 году, поэтому его работа никак не повлияла на будущее развитие компьютерной техники.

В 1940 году Джордж Стибитс продемонстрировал автоматическую счётную машину в Дартмутском колледже на конференции, на которой присутствовал ничем не примечательный на тот момент профессор физики из университета Пенсильвании Джон Моушли (John Mauchley), ставший позднее очень известным в области компьютерных разработок.

Началась эра электроники.

1945—1955 — Электронные лампы (первое поколение)

В начале второй мировой войны немецкие подводные лодки топили британские корабли. Немецкие адмиралы посылали на подводные лодки по радио команды, и хотя англичане могли перехватывать эти команды, проблема была в том, что радиограммы были закодированы с помощью прибора под названием ENIGMA, предшественник которого был спроектирован изобретателем-любителем и бывшим президентом США Томасом Джефферсоном. Англичанам удалось приобрести ENIGMA у поляков, которые, в свою очередь, украли её у немцев. Однако, чтобы расшифровать закодированное послание, требовалось огромное количество вычислений, и их нужно было произвести сразу после перехвата радиограммы. Поэтому британское правительство основало секретную лабораторию для создания электронного компьютера под названием COLOSSUS.

В 1943 году начал работать электронный компьютер COLOSSUS, в создании которой принимал участие знаменитый британский математик Алан Тьюринг. Но, поскольку британское правительство полностью контролировало этот проект и рассматривало его как военную тайну на протяжении 30 лет, COLOSSUS не стал базой для дальнейшего развития компьютеров. Мы упомянули о нём только потому, что это был первый в мире электронный цифровой компьютер.

В этом же году Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом начали конструировать ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный цифровой интегратор и калькулятор) — электронный компьютер, который состоял из 18 000 электровакуумных ламп и 1500 реле, весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт электроэнергии. У машины имелось 20 регистров, причем каждый из них мог содержать 10-разрядное десятичное число.

В 1946 году работа над ENIAC была закончена. Правда, тогда она уже была не нужной — по крайней мере, для достижения первоначально поставленных целей. В ENIAC было установлено 6000 многоканальных переключателей и имелось множество кабелей, протянутых к разъемам. Поскольку война закончилась, Моушли и Экерту позволили организовать школу, где они рассказывали о своей работе коллегам-ученым. В этой школе и зародился интерес к созданию больших цифровых компьютеров.

В 1949 году Морис Уилкс сконструировал EDSAC — первый рабочий компьютер. Далее — JOHNIAC в корпорации Rand, ILLIAC в Университете Иллинойса, MANIAC в лаборатории Лос-Аламоса и WEIZAC в Институте Вайцмана в Израиле. Вскоре начали работу над машиной EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer — электронная дискретная параметрическая машина) Экерт и Моушли. Однако, этот проект закрылся вследствие ухода их из университета.

Фон Нейман был гением в тех же областях, что и Леонардо да Винчи. Он знал много языков, был специалистом в физике и математике, обладал феноменальной памятью: он помнил все, что когда-либо слышал, видел или читал. Он мог дословно процитировать по памяти текст 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 и пришёл к мысли, что программа должна быть представлена в памяти компьютера в цифровой форме, вместе с данными. Им также было отмечено, что десятичная арифметика, используемая в машине ENIAC, где каждый разряд представлялся десятью электронными лампами (1 включена, остальные выключены), должна быть заменена параллельной бинарной арифметикой.

Основной проект Фон Неймана был использован в EDSAC, первой машине с программой в памяти, и даже сейчас, более чем полвека спустя, является основой большинства современных цифровых компьютеров. Сам замысел и машина IAS (Immediate Address Storage — память с прямой адресацией) оказали очень большое влияние на дальнейшее развитие компьютерной техники.

Машина фон Неймана состояла из пяти основных частей:

Память включала 4096 слов размером по 40 бит (бит — это 0 или 1). Каждое слово содержало или 2 команды по 20 бит, или целое число со знаком на 40 бит.

8 бит указывали на тип команды, а остальные 12 бит определяли одно из 4096 слов.

Арифметический блок и блок управления составляли «мозговой центр» компьютера. В современных машинах эти блоки сочетаются в одной микросхеме, называемой центральным процессором (ЦП).

Внутри арифметико-логического устройства находился особый внутренний регистр на 40 бит, так называемый аккумулятор. Типичная команда добавляла слово из памяти в аккумулятор или сохраняла содержимое аккумулятора в памяти. Эта машина не выполняла арифметические операции с плавающей точкой, поскольку Фон Нейман считал, что любой сведущий математик способен держать плавающую точку в голове.

В 1953 году фирма IBM построила компьютер 701, через много лет после того, как компания Экерта и Моушли со своим компьютером UNIVAC стала номером один на компьютерном рынке. В 701 было 2048 слов по 36 бит, каждое слово содержало две команды. Он стал первым компьютером, лидирующим на рынке в течение десяти лет.

В 1956 году появился компьютер 704, у которого было 4 Кбайт памяти на магнитных сердечниках, команды по 36 бит и процессор с плавающей точкой.

В 1958 году компания IBM начала работу над последним компьютером 709 на электронных лампах, который по сути представлял собой усложненную версию 704.

1955—1965 — Транзисторы (второе поколение)

В 1956 году сотрудниками лаборатории Bell Labs Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли был изобретен транзистор, за что они получили Нобелевскую премию в области физики. Транзисторы совершили революцию в производстве компьютеров, и к концу 1950-х годов компьютеры на вакуумных лампах уже безнадежно устарели. В лаборатории МТИ был построен первый компьютер на транзисторах. Он содержал слова из 16 бит, как и Whirlwind I.

Компьютер назывался ТХ-0 (Transistorized experimental computer 0 — экспериментальная транзисторная вычислительная машина 0) и предназначался только для тестирования будущей машины ТХ-2, которая в дальнейшем не имела большого значения. Но в 1957 Кеннет Ольсен один из инженеров этой лаборатории основал компанию DEC (Digital Equipment Corporation — корпорация по производству цифровой аппаратуры), чтобы производить серийную машину, сходную с ТХ-0.

В 1961 году появился компьютер PDP-1, который имел 4096 слов по 18 бит и быстродействие 200 000 команд в секунду. Данный параметр был в два раза меньше, чем у 7090, транзисторного аналога 709. PDP-1 был самым быстрым компьютером в мире в то время. PDP-1 стоил 120 000 долларов, в то время как 7090 стоил миллионы. Компания DEC продала десятки компьютеров PDP-1, и так появилась компьютерная промышленность. Одним из нововведений PDP-1 был дисплей размером 512 х 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. Позже компания DEC разработала модель PDP-8, 12-разрядный компьютер, который стоил гораздо дешевле, чем PDP-1 (всего 16 000 долларов). Главным нововведением была единственная шина (omnibus).

В 1964 году компания CDC (Control Data Corporation) выпустила машину 6600, которая работала почти на порядок быстрее, чем 7094. Этот компьютер для сложных расчетов пользовался большой популярностью, и компания CDC пошла «в гору». Секрет столь высокого быстродействия заключался в том, что внутри ЦПУ (центрального процессора) находилась машина с высокой степенью параллелизма, у которой было несколько функциональных устройств для сложения, умножения и деления, и все они могли работать одновременно.

Центральный процессор производил только подсчет чисел, а остальные функции (управление работой машины, а также ввод и вывод информации) выполняли маленькие встроенные компьютеры. Некоторые принципы работы 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 6600, 7600 и Cray-1.

1965-1980 — Интегральные схемы (третье поколение)

В 1958 году Роберт Нойс создал кремниевую интегральную схему, что дало возможность размещения на одной небольшой микросхеме несколько десятков транзисторов. Компьютеры на интегральных схемах были меньшего размера, работали быстрее и стоили дешевле, чем их предшественники на транзисторах.

К 1964 году компания IBM лидировала на компьютерном рынке, но существовала одна большая проблема: компьютеры 7094 и 1401, которые она выпускала, были несовместимы друг с другом. 7094-й предназначался для сложных расчётов, в нём использовалась двоичная арифметика на регистрах по 36 бит, на 1401 применялась десятичная система счисления и слова разной длины. Многим покупателям они не нравились ввиду их несовместимости.

Линейка транзисторных компьютеров System/360, которые были предназначены как для научных, так и для коммерческих расчётов, была выпущена компанией IBM с целью заменить предыдущие две серии. Она имела много нововведений. Это было целое семейство компьютеров для работы с одним языком (ассемблером). Каждая новая модель была больше по возможностям, чем предыдущая.

Идея создания семейств компьютеров стала настолько популярной, что в течение нескольких лет большинство компьютерных компаний выпустили серии сходных машин с разной стоимостью и функциями. В памяти транзисторных компьютеров System/360 могло находиться одновременно несколько программ, и пока одна программа ждала, когда закончится процесс ввода-вывода, другая выполнялась. В результате ресурсы процессора расходовались более рационально.

Компьютеру 360 удалось разрешить дилемму между двоичной и десятичной системами счисления: у этого компьютера было 16 регистров по 32 бит для бинарной арифметики, но память состояла из байтов, как у 1401. В 360-м использовались такие же команды для перемещения записей разного размера из одной части памяти в другую, как и в 1401.

1980-? — Сверхбольшие интегральные схемы (четвёртое поколение)

В 1980-х годах появление сверхбольших интегральных схем позволило помещать на одну плату сначала десятки тысяч, затем сотни тысяч и, наконец, миллионы транзисторов. Это привело к созданию компьютеров меньшего размера и более быстродействующих. К этому времени цены упали так сильно, что возможность приобретать компьютеры появилась не только у организаций, но и у отдельных людей. Началась эра персональных компьютеров.

Персональные компьютеры применялись для обработки слов, электронных таблиц, а также для выполнения приложений с высоким уровнем интерактивности (например, игр), с которыми большие компьютеры не справлялись.

Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов, которые содержали:

Сложить из этих частей компьютер и написать программное обеспечение к нему покупатель должен был сам. Позднее для Intel 8080 появилась операционная система СР/М, написанная Гари Килдаллом.

Компьютер Apple был разработан Стивом Джобсом и Стивом Возняком. Данный компьютер стал чрезвычайно популярным среди домашних пользователей и школ, что в мгновение ока сделало компанию Apple серьёзным игроком на рынке.

В 1981 году появился компьютер IBM PC и стал самым покупаемым компьютером в истории.

Бурному производству персональных компьютеров послужило то, что компания IBM, вместо того чтобы держать проект машины в секрете (или, по крайней мере, оградить себя патентами), как она обычно делала, опубликовала полные проекты, включая все электронные схемы, в книге стоимостью 49 долларов. Эта книга помогла другим компаниям 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, многие компании начали делать клоны PC и часто продавали их гораздо дешевле, чем IBM (поскольку все составные части компьютера можно было легко приобрести).

Первая версия IBM PC была оснащена операционной системой MS-DOS, которую выпускала тогда ещё крошечная корпорация Microsoft. IBM и Microsoft совместно разработали последовавшую за MS-DOS операционную систему OS/2, характерной чертой которой был графический пользовательский интерфейс (Graphical User Interface, GUI), сходный с интерфейсом Apple Macintosh. Между тем компания Microsoft также разработала собственную операционную систему Windows, которая работала на основе MS-DOS, на случай, если OS/2 не будет иметь спроса. OS/2 действительно не пользовалась спросом, a Microsoft успешно продолжала выпускать операционную систему Windows, что послужило причиной грандиозного раздора между IBM и Microsoft.

Легенда о том, как крошечная компания Intel и ещё более крошечная, чем Intel, компания Microsoft умудрились свергнуть IBM, одну из самых крупных, самых богатых и самых влиятельных корпораций в мировой истории, подробно излагается в бизнес-школах всего мира.

С 1982 по 1989 год были выпущены версии процессоров Intel: 186-й (1-го поколения), 286-й (2-го поколения), 386-й (3-го поколения), 486-й (4-го поколения). В 1993 г. появился процессор под новой торговой маркой Pentium, являющийся процессором Intel 5-го поколения. Современные процессоры Intel Pentium гораздо быстрее 486-го процессора, но с точки зрения архитектуры они просто представляют собой его более мощные версии.

В середине 1980-х годов на смену CISC (Complex Instruction Set Computer — компьютер с полным набором команд) пришёл компьютер RISC (Reduced Instruction Set Computer — компьютер с сокращённым набором команд). RISC-команды были проще и работали гораздо быстрее.

В 1990-х годах появились суперскалярные процессоры, которые могли выполнять много команд одновременно, часто не в том порядке, в котором они располагаются в программе. Вплоть до 1992 года персональные компьютеры были 8-, 16- и 32-разрядными. Затем появилась революционная 64-разрядная модель Alpha производства DEC — самый что ни на есть настоящий RISC-компьютер, намного превзошедший по показателям производительности все прочие ПК. Впрочем, тогда коммерческий успех этой модели оказался весьма скромным — лишь через десятилетие 64-разрядные машины приобрели популярность, да и то лишь в качестве профессиональных серверов.

Невидимые компьютеры (пятое поколение)

В 1981 году правительство Японии объявило о намерениях выделить национальным компаниям 500 миллионов долларов на разработку компьютеров пятого поколения на основе технологий искусственного интеллекта, которые должны были потеснить «тугие на голову» машины четвёртого поколения. Однако, несмотря на большой шум, японский проект разработки компьютеров пятого поколения в конечном итоге показал свою несостоятельность и был аккуратно «задвинут в дальний ящик». В каком-то смысле эта ситуация оказалась близка той, с которой столкнулся Беббидж: идея настолько опередила свое время, что для её реализации не нашлось адекватной технологической базы. То, что можно назвать пятым поколением компьютеров, все же материализовалось, но в весьма неожиданном виде — компьютеры начали стремительно уменьшаться. Модель Apple Newton, появившаяся в 1993 году, наглядно доказала, что компьютер можно уместить в корпусе размером с кассетный плеер.

Реализованный в Newton рукописный ввод, казалось бы, усложнил дело, но впоследствии пользовательский интерфейс подобных машин, которые теперь называются персональными электронными секретарями (Personal Digital Assistants, PDA), или просто карманными компьютерами, был усовершенствован и приобрел широкую популярность. Многие карманные компьютеры сегодня не менее мощны, чем обычные ПК двух-трехлетней давности.

Значительно большее значение придается так называемым «невидимым» компьютерам — тем, что встраиваются в бытовую технику, часы, банковские карточки и огромное количество других устройств. Процессоры этого типа предусматривают широкие функциональные возможности и не менее широкий спектр вариантов применения за весьма умеренную цену. Вопрос о том, можно ли свести эти микросхемы в одно полноценное поколение (а существуют они с 1970-х годов), остается дискуссионным. Факт в том, что они на порядок расширяют возможности бытовых и других устройств. Уже сейчас влияние невидимых компьютеров на развитие мировой промышленности очень велико, и с годами оно будет возрастать.

Дополнение

См. также

Литература

1. Slater, R. Portraits in Silicon, Cambridge, MA: M.I.T. Press, 1987.

2. Bechini, A., Conte, T.M., and Prete, С A. «Opportunities and Challenges in Embedded Systems», IEEE Micro Magazine, vol. 24, pp. 8–9, July-Aug. 2004.

3. Henkel, J., Ни, X.S., and Bhattachatyya, S.S. «Taking on the Embedded System Challenge», IEEE Computer Magazine, vol. 36, pp. 35–37, April 2003.

4. Weiser, M. «The Computer for the 21st Century», IEEE Pervasive Computing, vol. 1, pp. 19–25, Jan.-March 2002; originally published in Scientific American, Sept. 1991.

5. Lutz,J., and Hasan, A. «High Performance FPGA based Elliptic Curve Cryptographic Co-Processor», Proc. Int’l Conf. on Inf. Tech.: Coding and Computing, IEEE, pp. 486–492, 2004.

6. Saha, D., and Mukherjee, A. «Pervasive Computing: A Paradigm for the 21st Century», IEEE Computer Magazine, vol. 36, pp. 25–31, March 2003.

7. Sakamura, K. «Making Computers Invisible», IEEE Micro Magazine, vol. 22, pp. 7–11, 2002.

Источник