Развитие компьютерной архитектуры

Нулевое поколение (механические компьютеры), 1642-1945г.г.

Первым человеком, создавшим счетную машину, был французский ученый Блез Паскаль, в честь которого назван один из языков программирования. Счетная машина Паскаля могла выполнять только операции сложения и вычитания.

Тридцать лет спустя немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц 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, 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. Бэббиджу вскоре наскучила машина, выполнявшая только один алгоритм, и он потратил очень много временина 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 вы полнять разные задачи. Она считывала команды с перфокарт и выполняла их. Поскольку эта аналитическая машина программировалась на ассемблере, ей было необходимо программное обеспечение. Чтобы создать это программное обеспечение, Бэббидж нанял молодую женщину — Аду Августу Ловлейс. Она была первым в мире программистом. В е честь назван язык программирования Ada.

В 20-40 годах XX в. было сконструированно несколько машин, на основе электромагнитных реле.

Первое поколение (электронные лампы), 1945-1955г.г

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 радиопослания были закодированы с помощью прибора под названием ENIGMA. 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.

Вторая мировая война повлияла и на развитие компьютерной техники в США. В 1943 году, Джон Моушли со своим студентом, Дж. Преспером Экертом, начали конструировать электронный компьютер, который они назвали ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). 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. 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. После появления школы и другие исследователи взялись за конструирование электронных вычислительных машин. Первым рабочим компьютером был EDSАС (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). 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, машину IAS. 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 с данными. 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 EDSАС, первой машине

с программой в памяти, и даже сейчас, более чем полвека спустя, является основой большинства современных цифровых компьютеров.

Рис. 1.4 Схема фон-неймановской вычислительной машины

В это же время компания IBM построила свой первый компьютер IBM-701. 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 – 1965г.г.

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 былпостроен в лаборатории МТИ. Он содержал слова из 16 битов. Компьютер назывался ТХ-0 (Transistorized experimental computer 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). Их серийный компьютер 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 продала десятки компьютеров PDP-1, и так появилась компьютерная промышленность.

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 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.

Рис. 1.5 Шина компьютера PDP-8

Компания IBM также выпускала компьютеры IBM-1401 для коммерческих расчетов. 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 MOVE, 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.

Третье поколение (интегральные схемы), 1965-1980г.г.

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.

Компания IBM здесь 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. 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. 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. 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.

Четвертое поколение (сверхбольшие интегральные схемы), 1980 – н.в.

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.

Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов. Каждый комплект содержал печатную плату, набор интегральных схем, обычно включаю-щий 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.

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

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 интерфейс, 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 компания Microsoft, которая была еще меньше, чем Intel, умудрились свергнуть IBM, одну из самых крупных, самых богатых и самых влиятельных корпораций в мировой истории, подробно излагается в бизнес-школах по всему миру.

Дата добавления: 2014-01-20