Введение в специальность
.pdf
122
с графическим интерфейсом, разработчики выбрали новый 32-разрядный1 микропроцессор
M68000 фирмыMotorola. Потем временамэтобылрекордныйпо производительностичип, кроме того его 24-битовая шина данных позволяла напрямую адресовать 16 Мбайт оперативной
памятиитемсамымизбавиться Компьютер Lisa (1983 г.) от типичных для IBM PC про-
блем, связанныхсиспользованиемрасширеннойпамяти. Оперативная память «Лизы» составляла 1 Мбайт, кроме этого имелись 2 Мбайтапостояннойпамятиивинчестеремкостью5 Мбайт, начальная стоимость машины составляла $10 000.
В январе 1983 г. компьютер «Lisa» был пущен в продажу, однако, вопреки расчетам фирмы продать 50 000 экземпляров, за год былореализовановсего15 000. Причинатаже, чтоиу«Xerox Star»
— высокая цена.
Неудача не обескуражила руководство компании, ведь в свое время«Apple» тоженеудалсяспервойпопытки, ктомуженынешнее финансовое положение фирмы позволяло ей экспериментировать — в 1983 г. доходы компании вплотную приблизились к миллиардудолларов.
Снова в конструкторских бюрозакипела работа. Стремясь удешевитькомпьютер, разработчикипошлинарядупрощений: снизилиемкостьОЗУбазовоймоделидо128 Кбайт, отказалисьотцветного монитора, однако принципиальные достоинства «Лизы» они постарались все же сохранить. Ровно через год, в январе 1984 года былготовновыйвариантмассовогоперсональногокомьютератре-
1Влитературеприводятсяпротиворечивыеданныеоразрядностичипа68000. Это вызвано тем, чтоонимелвнутреннюю32-битовую структуру, но16-битовую системнуюшину.
124
ными в американских школах и университетах, где для них разработанбольшойобъемучебногопрограммногообеспечения, вбыту, а также в организациях, занимающихся издательской деятельностью. Фирма Apple Computer, захватив лидерство на старте, заработала репутацию производителя высококачественных, надежных и удобныхкомпьютеров. Всепоследующиемодели«Macintosh» продложали ориентироваться на микропроцессоры фирмы Motorola и «росли» вместе с ними. В течение нескольких лет фирма не открывала архитектуру ЭВМ, сделав невозможным клонирование, однако, когда на смену M68000 пришли полноценные 32-разрядные M68020, было выпущено новое семейство Mac-II (1987 г.) соткрытойархитектурой. Этопозволилонезависимымпроизводителямначатьвыпускдополнительныхустройств, расширяющихвозможности базовой конфигурации.
ВидяактивноенаступлениеApple нарынокперсональныхкомпьютеров, IBM и ее бесчисленные подражатели были вынуждены вступитьснейвжестокуюконкуренцию. Писледующиегодыотмечены«великимпротивостоянием» мираMotorola-ориентированных «Макинтошей» с миром IBM-совместимых компьютеров на платформе Intel. Следует признать, что во второй половине 80-х — начале 90-х годов в идейном отношении IBM PC оказывались как правило в позиции догоняющей стороны. Большинство новых технологий современной вычислительной техники (графический интерфейс, локальные сети, объектно-ориентированные среды, мультимедиа, высококачественные компьютерные шрифты), зародившихся еще в недрах Xerox PARC, было впервые реализовано в компьютерах Apple. С другой стороны, в активе клонов PC — громадные объемы производства, наличие внутренней конкуренции среди производителей и, как следствие, более доступные цены. В результате массовому потребителю эти технологии становились доступными чаше всего с опозданием и в PC-адаптации.
Революционные проекты Apple принципиально изменили подход производителей к конструированию персональных компьютеров третьего поколения. Теперь правила игры стал задавать интерфейс пользователя, его требования определяли структуру и
125
функциипрограммногообеспечения, аразработтчикаппаратурыбыл вынужден искать решения, удовлетворяющие поставленным условиям.
Показательна в этом отношении дальнейшая история развития оконного интерфейса. На вызов первого «Макинтоша» фирма IBM вместе с Microsoft попытались отреагировать полумерами, выпустив в 1985 г. оболочку Windows, внешне похожую на MAC OS, но работающую под стандартной MS-DOS (подробнее об эводюции операционных систем мв будем говорить в следующей главе). Однако эта комбинация оказалась крайне неэффективной на 16-раз- рядном микропроцессоре i80286, а так как отказаться от оконного интерфейса было уже невозможно под угрозой потери рынка, то, начинаяс1987 г., мирPC сталпереходитьна32-битовыйчип i80386. Система Windows убила 286-й процессор. Далее взаимная связь и зависимость аппаратуры Intel и операционной системы Windows стала такой тесной, что для обозначения соответствующей аппа- ратно-программнойплатформысталприменятьсятермин«Wintel». Это было выгодно производителям как аппаратурного, так и программногообеспечения, таккакновыеверсииWindows стимулировалиспроснановейшиеразработкиIntel инаоборот. Черезнесколько лет Windows-95 убила 386-й процессор, этот круг положительной обратнойсвязипродолжается.
В последующие годы глава и идеолог Apple Стив Джобс продолжалудивлятькомпьютерныймирнестандартнымипоступками. В1985 году, почувствовавнекоторыйзастойвсвоейфирме, оннеожиданно покинул ее, создав новую компанию NeXT Inc. Начав «с чистого листа», Джобс поставил цель создать идеальный компьютерследующегопоколения(next — следующий), техническаяархитектура и программное обеспечение которого были бы полностью подчиненызадачамчеловеко-машинногоинтерфейса. Воктябре1988 года было объявлено о выпуске первого компьютера NeXT на базе микропроцессораM68030 c 8 МбОЗУ. Внешнеэтоткомпьютерпредставлял собой черный куб со стороной в 1 фут (около 30 см), к которому подкючался 17-дюймовый монохромный монитор. Специалистовудивиланестольконеобычнаяформакомпьютера, сколько
126
совершенно новая объектно-ориентированная операционная система NeXTSTEP, вобравшая в себя все новейшие достижения в этой области. К сожалению, несмотря на революционность идеи, большого коммерческого успеха среди рядовых потребителей эта затея не имела, так как они не желали тратиться на новое нестандартное программное обеспечение. В 1996 году Джобс вместе с NeXT Inc. вернулсявроднуюApple, апередовыеидеиNeXTSTEP былииспользованыприсозданииновыхверсийMacOS. Экспериментыснеобычнымдизайномтакженепрошлидаром: в1998 году Apple выпустила компьютер iMac в изящном корпусе из прозрачной голубой пластмассы, через которую хорошо видны его внутренности. На пресыщенном западном рынке iMac, обладающий к томужепрекраснымитехническимихарактеристиками, сразустал пользоваться популярностью. Так что битва Mac c Wintel далеко незакончилась, аввыигрышевконечномсчетеоказываетсярядовой потребитель, запросам которого стараются угодить разработчики обеих линий компьютеров.
2.11. Направления развития вычислительной техники
За полувековую историю вычислительная техника совершила гигантский скачок в своем развитии, никакая другая отрасль промышленности не развивалась столь бурными темпами. По образному выражению одного из журналистов «если бы самолеты прогрессировалистакойжескоростью, какЭВМ, томымоглибы сейчасоблететьземнойшарзанесколькоминут, истративполстакана горючего, а стоил бы такой самолет всего несколько долларов».
В таблице в качестве примера приведены данные об относительной производительности основных линий процессоров, выпущенной фирмой Intel. Как видим, за совсем короткое время (12 лет) вычислительнаямощностьмикропроцессоровувеличиласьв тысячураз!
127
Год |
|
Тактовая |
Относительная |
|
Процессор |
частота, |
производи- |
||
выпуска |
||||
|
(МГц) |
тельность |
||
|
|
|||
1983 |
i8086 |
4,77 |
1 |
|
1985 |
i80286 |
6-16 |
5-10 |
|
1988 |
i80386 |
33-66 |
20-35 |
|
1991 |
i80486 |
66-100 |
140-200 |
|
1993 |
P5 (Pentium) |
77-133 |
233-420 |
|
1995 |
P6 (Pentium Pro) |
150-200 |
750-1000 |
Примерно такие же темпы роста характеристик других основныхузловкомпьютера(оперативнойпамяти, дисковыхзапоминающих устройств). Сравним — в первых IBM PC (1981 г.) емкость ОЗУ составляла 64 Кбайт, у современного персонального компьютера она равна 32 - 64 Мбайт и выше (увеличение в 500-1000 раз) первые поколения винчестеровских диском имели емкость 5-10 Мбайт, а современные — 10-40 Гбайт (увеличение в 1000 раз). Таким образом, даже без принципиальной смены физических принциповфункционированияЭВМ, атолькозасчетконструктивныхи технологическихусовершенствований, происходитпостоянноеулучшениеэксплуатационныххарактеристиккомпьютеров.
Какдолгобудетпродолжатьсяэтопоступательноеразвитие, сказатьтрудно, таккакдолгосрочныепрогнозывмиревысокихтехнологий — занятие ненадежное и опасное. Вспомним хотя бы саму микропроцессорную революцию, разорившую производителей mainframes и не предсказанную профессиональными аналитиками знаменитой страховой компании Lloyd’s. Однако среднесрочный, на 3—5 лет, прогноз можно сделать довольно точно, так как ведущиепроизводителикомпьютерногооборудованияужеанонсировали свои ближайшие планы, а полный цикл конструирования и освоения производства изделия особой сложности является очень длительным и соизмеримым со временем морального старения самогоизделия.
Если остановиться на самом сложном элементе компьютера, определяющем в конечном счете технический уровень всего изделия, — центральном процессоре — то можно заметить, что про-
128
гресс здесь идет двумя параллельными путями: развитие элементной базы и совершенствование архитектуры.
Развитие |
Технологияизготовлениямикропроцессоровраз- |
|
виваетсявнаправлениидальнейшейминиатюри- |
||
элементной |
||
зации электронных схем и, как следствие, повы- |
||
базы |
||
шениястепениихинтеграции. Уровеньминиатю- |
||
|
ризации принято оценивать шагом конструкционной сетки микросхемы, определяющим ширину печатных проводников и размеры другихэлементовнакристалле. Передовыефирмыужедавноосвоили 0.2-микронную технологию (это значит, что размеры дискретныхэлементовсоставляютполмикрона, длясравнения— толщина человеческоговолосавсреднемравна50 микронам, адлинаволны видимого света составляет 0.4—0.7 микрона), и упорно двигаются к0.1-микронной. Элементытакоймикросхемыневозможноувидеть в оптический микроскоп, только в электронный, а формирование изображениявфотолитографическомпроцессеприходитсявестис помощьюжесткогоультрафиолетовогоилирентгеновскогоизлучения.
Уменьшение размеров позволяет «упаковать» на одном чипе большеечислоэлементовиусложнитьмикросхему. Ещев1968 году, на заре микроэлектроники, один из основателей фирмы Intel Гордон Мур сформулировал эмпирический «закон Мура», по которомучислоэлементовнаодномкристалледолжноудваиватьсякаждые полтора года. Удивительно, но факт — прошло более 30 лет, неузнаваемо преобразились технологии, однако закон продолжает действовать и сейчас.
В полном соответствии с законом Мура, современные микропроцессоры представляют собой невероятно сложные устройства. Например, кристаллP5 фирмыIntel, выпущенныйв1993 г., иполучивший торговую марку «Pentium» содержит около 3 млн транзис-
торов, P6 — «Pentium Pro» (1996 г.) — 7,5 млн, а процессор P7, (во время разработки он назывался «Merced», а в продажу пошел под именем «Itanium») выпуск которого начался в 2000 г., имеет около 20 млн транзисторов (сравним с первым микропроцессором i4004
129
100 000 000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Merced |
|
|
|
|
10 000 000 |
Pentium |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 000 000 |
|
|
|
|
i80486 |
|
|
|
|
|
|
|
|
100 000 |
|
|
|
|
i80286 |
|
|
|
|
|
|
|
|
10 000 |
|
|
|
i8086 |
|
|
|
|
i4004 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
1 000 |
|
|
|
|
|
|
1970 |
1975 |
1980 |
1985 |
1990 |
1995 |
2000 |
|
ЗаконМура |
|
|
|
||
1971 года, насчитывавшем 2250 транзисторов).
Уменьшениеразмеровдеталейидлинсоединяющихихпроводниковпозволяетулучшитьещеоднухарактеристикумикропроцессора, пропорционально влияющую на его производительность — тактовую частоту. Если у чипа i4004 она равнялась 108 кГц, то современныесхемыдопускаютувеличениетактовойчастотыдо1000
— 2000 МГц, т.е. 2 ГГц, и это еще не предел.
Притакойсложностиразработкаипостановканапроизводство каждойновоймоделипревращаетсявзадачугигантскойсложности итрудоемкостистоимостьювмиллиардыдолларов. Дажекрупнейшиефирмынемогутсебеэтопозволить, поэтомусредипроизводителей микропроцессоров наблюдается движение в сторону кооперации. Подобно тому, как это произошло на заре компьютерной эры, относительное разнообразие предлагаемых сегодня независимыми поставщиками микропроцессоров должно смениться несколькимиунифицированнымимоделями, выпускаемымконсор-
130
циумамисупергигантов.
Например, альянсфирмIntel иHewlett-Packard совместноготовит к производству уже упоминавшийся кристалл «Itanium», призванный заменить популярный Pentium. Второй пример — содружество недавних конкурентов IBM и Motorola, с 1992 года развивающихсовместносApple линиюмощныхRISC-процессоров
PowerPC (Power Performance Chip — высокопроизводительныйчип).
Ксожалению, бесконечноуменьшать размеры элементарных переключательных схем невозможно, так как
ониограниченыснизуразмерамикристаллическихрешеток. Точно так же нельзя беспредельно повышать тактовую частоту, так как скорость распространения электрического тока конечна.
По-видимому, вближайшеевремяэлементныевозможностимикросхем подойдут к теоретическому пределу, дальнейшее повышение производительности компьютеров будет достигаться только за счетсовершенствованияархитектуры, котороеразвиваетсявчетырехосновныхнаправлениях.
1.Увеличение разрядности. Тенденция кповышениюразрядностиотчетливопрослеживаетсявисториимикропроцессоров, мы обэтомужеговорили. Современныекристаллывосновном32-раз- рядные, однако продвинутые микросхемы, например, PowerPC, а такжеперспективныемассовыемодели, например, <<Merced>> бу- дут64-разрядными. По-видимому, вбудущемможноожидатьипоявления 128-битовых чипов.
2.Движение в сторону RISC. Аббревиатура RISC расшифро-
вываетсякакReduced Instruction Set Computing —вычисленияссо-
кращенным набором команд. Для того, чтобы понять смысл этого явления, нужно вернуться к ранней истории ЭВМ. В те времена алгоритмические языки и компиляторы еще не были известны и все программирование велось вручную, в командах процессора. Поэтомуразработчикикомпьютеровстаралисьсделатьсистемукомандудобнойдляручногопрограммирования, насытивеесложными и емкими командами. Например, одной машинной командой
131
можно было вычислить функцию log или sin, или преобразовать число в другую систему счисления. Репертуар машинных команд получалсядостаточносложным, например, вIBM-360 былиреализованы 144 команды центрального процессора. Такая организация системыкомандполучиланазваниеCISC — Complex Instruction Set Computing, т.е. вычисления сосложным наборомкоманд.
Первые микропроцессоры унаследоали от mainframes идеологиюCISC. Стандартныйнаборкомандчипаi8086 ивсехпоследующих поколений процессоров Intel содержит около ста инструкций самого различного назначения и формата. Так как формат команды переменный, тоонаможетбытькорректновыбранаизпамятитолько после расшифровки кода операции, в результате каждая инструкциятребуетдлясвоеговыполнениянесколькотактовпроцессора. Программа, реализующаянекоторыйалгоритм, можетбытьотносительно короткой, однако время выполнения этой программы в компьютереоказываетсязначительным.
ПроцессорысRISC-архитектуройработаютпо-другому. Вэтих процессорах набор команд сильно ограничен, все инструкции максимально упрощены, они имеют одинаковый формат и, в идеале, могутвыполнятьсязаодинмашинныйтакт. Программа, выполняющая тот же алгоритм примитивными командами, получается длиннее, однако за счет высокого быстродействия процессора наблюдаетсязначительнйвыигрышвпроизводительности. Разумеется, программироватьвручнуюдлятакоймашиныбылобынеудобно, однако этого никто и не делает, так как техника компиляции достигла больших высот. Быстродействующие оптимизирующие компиляторыпозволяютсоздатьтакойкод, которыйиспользуетвсе особенности набора команд и позволяет добиться наивысшей вычислительноймощности.
Сторонники RISC-архитектуры на деле доказали силу своих аргументов— наиболеепроизводительныесерверыирабочиестанции сегодня используют RISC-процессоры, однако и поклонники CISC-технологии не сдаются, на их стороне гигантский объем накопленного программного обеспечения в кодах ix86. В последних моделяхмикропроцессоровIntel специальнодлямультимедийных