3. Основы построения эвм

3.1. Немного истории

Еще в первой половине XIX в. английский математик Чарльз Бэббидж построил универсальное вычислительное устройство и назвал его Аналитической машиной. Именно Бэббидж впервые предложил управление процессом вычислений по вложенной в память программе. Бэббидж хотел построить свою машину как механическое устройство, а программы собирался задавать посредством перфокарт (они в то время уже широко употреблялись в ткацких станках). Однако довести до конца эту работу Бэббидж не смог — она оказалась слишком сложной для техники того времени. Машина Бэббиджа работала и после смерти изобретателя [8].

Первым человеком, который пытался разработать принципы программирования на этой машине и составлял реальные программы, была Ада Лэвлейс, племянница поэта лорда Байрона [8]. В ее честь назван язык системного программирования АДА.

В 1882 г. Герман Холлерит, участвуя в переписи населения в Соединенных Штатах Америки, разработал табулятор, вычислительное устройство для автоматизированной обработки результатов списков. Для ввода, вывода и хранения информации Г. Холлерит разработал формат перфокарты, который используется и в настоящее время.

Для выпуска табуляторов им была создана компания Electric Tabulation Machines (1898 г.).

С 1911 г. компания носит название Internation Bisness Machines.

В дальнейшем весомый вклад в развитие вычислительной техники внесли Пост и Тьюринг. Пост в 1935 г. написал статью «О вычислительных числах», в которой рассмотрел методы решения задач, не поддающихся аналитическому описанию. Он показал, что такие задачи можно решать, обговорив заранее последовательность действий (алгоритм), необходимую и достаточную для получения решения.

Немецкий инженер Конрад Цузе построил в 1941 г. небольшую вычислительную машину на основе нескольких электромеханических реле [8]. Но из-за войны работы Цузе не были опубликованы. А в США в 1943 г. на одном из предприятий фирмы IBM американец Говард Эйкен создал более мощное устройство под названием «Марк-1». Оно уже позволяло проводить вычисления в сотни раз быстрее, чем вручную. Это была первая современная вычислительная машина, и она реально использовалась для военных расчетов.

Однако электромеханические реле работают весьма медленно и недостаточно надежно. Поэтому начиная с 1943 г. в США группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта начала конструировать машину ENIAC (Electronics Numerical Itegrator for Automatic Computer) на основе электронных ламп. С этого момента в английском языке в обиход вошло слово «Computer». Созданный ими компьютер работал в тысячу раз быстрее, чем Марк-1. Однако обнаружилось, что большую часть времени этот компьютер простаивал, ведь для ввода программы в этом компьютере приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. А сам расчет после этого мог занять всего лишь несколько минут или даже секунд.

Чтобы упростить и убыстрить процесс задания программ, Мочли и Экерт стали конструировать новый компьютер, который мог бы хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил от имени группы сотрудников доклад об этом компьютере. Доклад был разослан (не им! [8]) многим ученым и получил широкую известность, поскольку в нем были ясно и просто сформулированы общие принципы функционирования компьютеров, т.е. универсальных вычислительных устройств. И до сих пор подавляющее большинство компьютеров сделано в соответствии с теми принципами, которые были изложены (но не все разработаны!) в 1945 г. Джоном фон Нейманом. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом.

Развитие элементной базы компьютеров

В 40-х и 50-х годах компьютеры создавались на основе электронных ламп. Поэтому компьютеры были очень большими (они занимали огромные залы), дорогими и ненадежными, т.к. электронные лампы имеют малое время наработки на отказ. Но в 1948 г. были изобретены транзисторы, которые смогли заменить электронные лампы. Это привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и к повышению их надежности. А к середине 60-х годов были созданы и значительно более компактные внешние устройства для компьютеров, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP–8 размером с холодильник и стоимостью всего 20 тыс. дол. (компьютеры 40-х и 50-х годов обычно стоили миллионы дол.).

В 1959 году инженеры фирмы Техаs Instruments (Роберт Нойс будущий основатель фирмы Intel) поняли, как разместить несколько транзисторов на одной основе или подложке и соединить эти транзисторы без проволоки. Так родилась интегральная схема, или ИС. Первая интегральная схема содержала только 6 транзисторов. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами, или чипами. В 1968 г. фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год, что и обеспечивает постоянное уменьшение стоимости компьютеров и повышение быстродействия.

B 1969 году фирма Intel внесла волнение в электронную индустрию, выпустив ИС с памятью 1 Кбит, которая была намного больше любой другой, имевшейся в то время. Из-за успеха этой фирмы в разработке и производстве микросхем с ней связалась японская фирма Busiсоmр, производящая калькуляторы, и предложила выпустить 12 микросхем для одного из своих калькуляторов. Инженеры фирмы Intel (под руководством Маршиана Эдвард Хоффа) взяли 12-чиповую разработку и объединили все желаемые функции и возможности в одной родовой многоцелевой микросхеме. Эта ИС отличалась от предыдущих разработок, которые были запрограммированы для одной цели с помощью встроенных инструкций. Концепция состояла в том, чтобы сконструировать почти полное вычислительное устройство на одной микросхеме. Таким первым микропроцессором был Intel 4004 четырехбитовый микропроцессор, появившийся в 1971 году. Его преемником был процессор 8008 — восьмибитовый микропроцессор, появившийся в 1972 году.

Это был настоящий прорыв, ибо микропроцессор Intel 4004 размером менее 3 см был производительнее гигантской машины ENIAC. Правда, возможности Intel 4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора больших компьютеров того времени, он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил он в десятки тысяч дешевле. Рост производительности микропроцессоров не заставил себя ждать.

В 1973 году были разработаны некоторые из первых комплектов микропроцессоров, основывавшихся на процессоре 8008. Эти комплекты представляли собой немного больше, чем демонстрационные средства и не могли делать многого, за исключением мигания огоньками. В конце 1973 года фирма Intel выпустила процессор 8080, который был в 10 раз быстрее, чем 8008, и мог адресовать 64К памяти.

Микропроцессоры

Вначале микропроцессоры использовались в различных специализированных устройствах, например в калькуляторах. Но в 1974 г. несколько фирм объявили о создании на микропроцессоре Intel-8008 персонального компьютера, т.е. устройства выполняющего те же функции, что и большой компьютер, но рассчитанного на одного пользователя.

В январе 1975 года журнал «Популярная электроника» сообщил о том, что компания МIPS приступила к выпуску комплекта Аltair, который обычно считается первым персональным компьютером. Этот комплект включал процессор 8080, источник питания, переднюю панель с огромным количеством лампочек и огромной памятью в 256 байт (не килобайт), клавиатура и экран отсутствовали. Комплект продавался за 395 долларов и должен был собираться.

Этот компьютер включал открытую архитектуру (разъемы), которые позволяли подключать внешние устройства и дополнительные ресурсы, не входящие в стандартный набор. Появление его было встречено с большим энтузиазмом: в первые же месяцы было продано несколько тысяч комплектов машины. Покупатели снабжали этот компьютер дополнительными устройствами: монитором для ввода информации, клавиатурой, блоками расширенной памяти и т.д. Вскоре эти устройства стали выпускаться другими фирмами. В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера Альтаир интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и писать для него программы. Это также способствовало популярности персональных компьютеров.

Новый процессор вдохновил другие компании писать программы, включая операционную систему СР/М (Сontrol Рrogram for Мiсroprocessor - Управляющая Программа для Микропроцессоров) и первую версию Microsoft BASIC.

Успех Альтаир-8800 заставил также многие фирмы заняться производством персональных компьютеров. Персональные компьютеры стали уже продаваться в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а потом и сотни тысяч штук в год. Появилось несколько журналов, посвященных персональным компьютерам.

Росту объема продаж весьма способствовали многочисленные полезные программы, разработанные для деловых применений. Появились и коммерчески распространяемые программы, например программа WordStar и табличный процессор VisiCalc (соответственно 1978 и 1979 гг.). Эти и многие другие программы сделали покупку персональных компьютеров весьма пригодными для бизнеса: с их помощью стало возможно выполнять бухгалтерские расчеты, составлять документы и т.д. Использование больших компьютеров для этих целей было слишком дорого.

В конце 70-х годов распространение персональных компьютеров привело к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) — ведущей компании по производству больших компьютеров.

Фирма IВМ выпустила свой первый «персональный компьютер» в 1975 году. Модель 5100 имела 16 Kб памяти, встроенный интерпретатор ВАSIC и встроенный кассетный лентопротяжный механизм, который использовался в качестве запоминающего устройства. А какой была его стоимость? Только 9000 долларов! Эта цена поставила эту систему за пределы основного рынка персональных компьютеров, на котором доминировали экспериментаторы (кустари), создававшие дешевые наборы (500 долларов или около того) в качестве хобби. Не стоит даже говорить, что эта система была неконкурентоспособна и продавалась не очень хорошо. За моделью 5100 последовали модели 5110 и 5120, прежде чем фирма выпустила IВМ РС, который назывался моделью 5150.

В 1976 году новая компания Аррlе Сomputer выпустила компьютер Аррlе-1 стоимостью 695 долларов. Эта система состояла из главной платы, привинченной к куску клееной фанеры. Корпус и источник питания не входили в набор: покупатели должны были сами позаботиться о них. Только небольшая партия этих компьютеров была сделана, и сегодня за такие вещи коллекционеры платят более 20 000 долларов. За компьютером Apple-1 в 1977 году последовал Арр1е-2. Из-за своего огромного успеха компьютер Аррle-2 помог установить стандарты почти для всех основных микрокомпьютеров, которые затем выпускались, включая IВМ РС. На фоне этой деятельности происходило выдвижение компьютера IBM РС.

В 1980 году мир микрокомпьютеров разделился на две основные фракции. Первая была представлена компьютером Аррlе-2, который имел много последователей среди пользователей и гигантское программное обеспечение, которое возрастало с фантастической скоростью.

Существовали также системы, которые развились из первоначального компьютера Аltair фирмы MIPS. Эти системы были совместимы друг с другом, хотя и отличались по своему использованию операционной системы СР/М. Хотя эти системы создавались различными фирмами и продавались под различными названиями, все они использовали одно и то же программное обеспечение и подключаемые с помощью разъемов аппаратные средства.

В конце 1980 года маленькая группа, названная Entry Systems Division, была образована в составе фирмы IВМ. Первоначальный штат состоял из 12 человек (инженеров и конструкторов) под руководством Дона Эстриджа. Главным конструктором «команды» был Льюис Эггебрехт. Это подразделение получило задание – разработать первый реальный ПК фирмы IВМ. Группа изучила рынок, который оказал огромное влияние на проект IВМ РС.

После того, как параметры для проекта были определены, компания прибегла к покупке максимального количества компонентов у внешних продавцов. В компьютере были использованы комплектующие различных фирм. Фирма IВМ выдала контракт на разработку языков программирования и операционной системы маленькой компании Мicrosoft. (Сначала фирма IВМ предлагала сотрудничество фирме Digital Research, которая написала СР/М, однако, та не заинтересовалась сделкой.)

Дебют IВМ РС, использующего РС 005, состоялся во вторник, 14 августа 1981 года. В этот день новый стандарт занял свое место в компьютерной индустрии. С тех пор фирма IВМ продала десятки миллионов РС и парк РС вырос в целое семейство компьютеров и внешних устройств. Для этого семейства написано программных продуктов на 80$ млр. больше, чем для любой другой системы, имеющейся на рынке.

Помимо этого семейства, существуют и другие семейства процессоров и компьютеров (в основном профессиональных) таких ведущих фирм, как DEC (Alpha), Apple совместно с Motorolla, Hewlett-Packard (только компьютеры), Sun. Это все более известные. Но существуют и Amiga, Atari — это персональные компьютеры, но больше любительские. Процессоры выпускали так же AMD и Cirryx. IBM продавала процессоры, маркированные как свои, но фактическим их производством занимались фирмы Cyrrix, NexGen.