Учебное пособие -> Глава 2. Развитие компьютерной архитектуры

Глава 2. Развитие компьютерной архитектуры

Нулевое поколение — механические компьютеры (1642-1945)

Француз Блез Паскаль (1623-1662) в 1642 г. собрал счетную машину для своего отца – сборщика налогов. Механическая конструкция с шестеренками и ручным приводом. Выполняемые операции – сложение и вычитание.

Вильгельм Лейбниц (1646-1716) построил механический прототип калькулятора. Выполняемые операции – сложение, вычитание, умножение и деление.

 Профессор математики Кембриджского университета Чарльз Бэббидж (1792-1871) разработал и сконструировал механическую разностную машину. Выполняемые операции – сложение и вычитание, однако был встроен алгоритм метод конечных разностей с использованием полиномов

Устройство вывода разностной машины – результаты выдавливались стальным штампом на медной пластине.

Далее разработал аналитическую машину, состоящую из 4 компонент:

-       запоминающее устройство (память),

-       вычислительное устройство,

-       устройство ввода (с помощью перфокарт),

-       устройство вывода (перфоратор)

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.

Аналитическая  машина была механическим устройством.

Преимущество аналитической машины - могла выполнять разные задания (считывала команды с перфокарт и выполняла их.)

Некоторые команды приказывали машине взять 2 числа из памяти, перенести их в вычислительное устройство, выполнить 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.

В отличие от разностной аналитическая машина могла выполнять несколько алгоритмов, машина программировалась.

Ада Августа Ловлейс (Ada Augusta Lovelace), дочь знаменитого британского поэта Байрона, программировала аналитическую машину Бэббиджа. Ада Ловлейс была первым в мире программистом. В ее честь назван современный язык программирования — Ada.

Идея машина Ч. Бэббиджа опередила технологии производсьтва того времени.

В конце 1930-х годов немецкий конструктор Конрад Зус (Konrad Zuse) сконструировал несколько автоматических счетных машин с использованием электромагнитных реле.

Его разработки были уничтожены во время бомбежки Берлина в 1944 году.

Машина Джона Атанасова (John Atanasoff, США) была достаточной развитой для своего времени.

В ней использовалась бинарная арифметика и информационные емкости, которые периодически обновлялись, чтобы избежать уничтожения данных. Современная динамическая память (ОЗУ) работает по точно такому же принципу.

Первое поколение — электронные лампы (1945-1955)

Стимулом к созданию электронного компьютера стала Вторая мировая война.

COLOSSUS

Для расшифровки немецких радиограмм, зашифрованных аппаратом ENIGMA,  британское правительство основало секретную лабораторию для создания электронного компьютера - 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 стал базой для дальнейшего развития компьютеров.

 ENIAC

В 1943 году, Дж. Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом (J. Presper Eckert) начали конструировать электронный компьютер, который назвали ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный цифровой интегратор и калькулятор).

ENIAC состоял из 18000 электровакуумных ламп и 1500 реле, 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.) В ENIAC было установлено 6000 многоканальных переключателей и имелось множество кабелей, протянутых к разъемам.

Дальнейшие идеи ENIAC были реализованы в машинах EDSAC, JOHNIAC, ILLIAC, MANIAC, WEIZAC, EDVAC.

 Машина фон-Неймана

IAS (Immediate Address Storage – память с прямой адресацией).

Рисунок 1 - Схема фон-неймановской вычислительной машины

Машина фон Неймана состоит из следующих основных частей:

-       памяти,

-       арифметико-логического устройства,

-       устройства управления,

-       устройства ввода-ввода-вывода.

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 компьютерах это центральный процессор (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.

 IBM

Первоначально компания IBM производила перфокарты и механические машины для их сортировки.

В 1953 году построила первый компьютер IBM-701 (2048 слов по 36 бит), а в 1956 – IBM-704 (4 Кбайт памяти на магнитных сердечниках).

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 совершили революцию в производстве компьютеров, и к концу 50-х годов компьютеры на вакуумных лампах уже безнадежно устарели.

Первый компьютер на транзисторах был построен в лаборатории МТИ. Компьютер назывался ТХ-0 (Transistorized experimental computer 0 - экспериментальная транзисторная вычислительная машина 0) и предназначался только для тестирования будущей машины ТХ-2. 

DEC

Компьютер PDP-1 появился в 1961 году. Он имел 4096 слов по 18 бит и быстродействие 200 000 команд в секунду. PDP-1 был самым быстрым компьютером в мире в то время. 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.

Через несколько лет компания DEC разработала модель PDP-8, 12-разрядный компьютер. Главное нововведение PDP-8 — единственная шина (omnibus).

Шина — это набор параллельно соединенных проводов для связи компонентов компьютера. Это нововведение радикально отличало PDP-8 от IAS. 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.

Рисунок 2 - Шина компьютера PDP-8

Третье поколение — интегральные схемы (1965-1980)

Изобретение в 1958 году Робертом Нойсом (Robert Noyce) кремниевой интегральной схемы означало возможность размещения на одной небольшой микросхеме 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. Один из них предназначался для сложных расчетов, в нем использовалась двоичная арифметика на регистрах по 36 бит, во втором применялась десятичная система счисления и слова разной длины. У многих покупателей были оба этих компьютера, и им не нравилось, что они совершенно несовместимы.

 System/360

Линейка транзисторных компьютеров System/360 была предназначена как для научных, так и для коммерческих расчетов. Линейка System/360 имела много нововведений:

-       целое семейство компьютеров для работы с одним языком (ассемблером).

-       каждая новая модель была больше по возможностям, чем предыдущая.

-       компания смогла заменить 1401 на 360 (модель 30), а 7094 — на 360 (модель 75).

-       модель 75 была больше по размеру, работала быстрее и стоила дороже, но программы, написанные для одной из них, могли использоваться в другой.

На практике программы, написанные для маленькой модели, выполнялись большой моделью без особых затруднений. Создание такой линейки компьютеров было большим достижением. Идея создания семейств компьютеров вскоре стала очень популярной, и в течение нескольких лет большинство компьютерных компаний выпустили серии сходных машин с разной стоимостью и функциями.

Таблица моделей  семейства System/360.

Еще одно нововведение в System/360 — мультипрограммирование. В памяти компьютера могло находиться одновременно несколько программ, и пока одна программа ждала, когда закончится процесс ввода-вывода, другая выполнялась. В результате ресурсы процессора расходовались более рационально.

Компьютер 360 был первой машиной, которая могла полностью эмулировать работу других компьютеров. Маленькие модели могли эмулировать 1401, а большие — 7094, поэтому программисты могли оставлять свои старые программы без изменений и использовать их в работе с 360. Некоторые модели 360 выполняли программы, написанные для 1401, гораздо быстрее, чем сама 1401, поэтому стала бессмысленной переделка программ.

Компьютеры серии 360 могли эмулировать работу других компьютеров, потому что создавались с использованием микропрограммирования. Нужно было написать всего лишь три микропрограммы: одну — для системы команд 360, другую — для системы команд 1401, третью — для системы команд 7094.

Требование гибкости стало одной из главных причин применения микропрограммирования.

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 использовались такие же команды для перемещения записей разного размера из одной части памяти в другую, как и в 1401.

Объем памяти у 360 составлял 224 байт (16 Мбайт). В те времена такой объем памяти казался огромным. Линейка 360 позднее сменилась линейкой 370, затем 4300, 3080, 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 32-разрядную адресацию, необходимую для памяти объемом в  байт.

 Структурная схема ЭВМ третьего поколения

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 более быстродействующих. До появления PDP-1 компьютеры были настолько велики и дороги, 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 требовались совсем для других целей, чем их предшественники. Они 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. 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 писать программное обеспечение самому.

Позднее появилась операционная система СР/М, написанная Гари Килдаллом (Gary Kildall) 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, был разработан Стивом Джобсом (Steve Jobs) и Стивом Возняком (Steve Wozniak). Этот компьютер стал чрезвычайно популярным среди домашних пользователей и школ, что в мгновение ока сделало компанию Apple серьезным игроком на рынке.

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

Структурная схема ПК

Филипп Эстридж (главный разработчик) взял Intel 8088 в качестве центрального процессора и создал персональный компьютер IBM PC из разнородных компонентов.

Первая версия IBM PC была оснащена операционной системой MS-DOS, которую выпускала тогда еще 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.

В этоже самое время 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.

Закон Мура

 Компьютерная промышленность двигается вперед как никакая другая. Главная движущая сила — способность производителей помещать с каждым годом все больше и больше транзисторов на микросхему. Чем больше транзисторов (крошечных электронных переключателей), тем больше объем памяти и мощнее процессоры.

Гордон Мур (Gordon Moore), один из основателей и бывший председатель совета директоров Intel, сформулировал закон технологического прогресса, известный теперь под именем закона Мура.

-       каждое новое поколение микросхем появляется через три года после предыдущего.

-       поскольку у каждого нового поколения компьютеров было в 4 раза больше памяти, чем у предыдущего, стало понятно, что число транзисторов на микросхеме возрастает на постоянную величину и, таким образом, этот рост можно предсказать на годы вперед.

Закон Мура гласит, что количество транзисторов на одной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев, то есть увеличивается на 60% каждый год.

Рисунок 3 - Закон Мура предсказывает, что количество транзисторов на одной микросхеме увеличивается на 60 % каждый год.
Точки на графике — объем памяти в битах

Таблица Основные типы компьютеров