Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). ЭВМ 4-го поколения

Начало 70-х годов знаменует переход к компьютерам четвертого поколения – на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Другим признаком ЭВМ нового поколения являются резкие изменения в архитектуре.

Техника четвертого поколения породила качественно новый элемент ЭВМ – микропроцессор. В 1971 году пришли к идее ограничить возможности процессора, заложив в него небольшой набор операций, микропрограммы которых должны быть заранее введены в постоянную память. Оценки показали, что применение постоянного запоминающего устройства в 16 килобит позволит исключить 100‑200 обычных интегральных схем. Так возникла идея микропроцессора, который можно реализовать даже на одном кристалле, а программу в его память записать навсегда. В то время в рядовом микропроцессоре уровень интеграции соответствовал плотности, равной примерно 500 транзисторам на один квадратный миллиметр, при этом достигалась очень хорошая надежность.

К середине 70-х годов положение на компьютерном рынке резко и непредвиденно стало изменяться. Четко выделились две концепции развития ЭВМ. Воплощением первой концепции стали суперкомпьютеры, а второй – персональные ЭВМ.

История развития персональных ЭВМ (PC – Personal Computer)

Хотя и персональные компьютеры относятся к ЭВМ 4-го поколения, все же возможность их широкого распространения, несмотря на достижения технологии СБИС, оставалась бы весьма небольшой.

В 1970 году был сделан важный шаг на пути к персональному компьютеру – Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intеl скон­струировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центрально­му процессору большого компьютера. Так появился пер­вый микропроцессор Intеl 4004, кото­рый был выпущен в продажу в 1971 г. Это был настоя­щий прорыв, ибо микропроцессор Intеl 4004 размером менее 3 см был производительнее гигантских машин 1-го поколения. Правда, возможности Intе1 4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора больших ком­пьютеров того времени, – он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита инфор­мации (процессоры больших компьютеров обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил он в десятки тысяч раз дешевле. Но рост производительности микропроцессоров не заставил себя ждать.

В 1972 году появился 8-битный микропроцессор Intel 8008. Размер его регистров соответствовал стандартной единице цифровой информации – байту. Процессор Intel 8008 являлся простым развитием Intel 4004.

Но в 1974 году был создан гораздо более интересный микропроцессор Intel 8080. С самого начала разработки он закладывался как 8-битный чип. У него было более широкое множество микрокоманд (множество микрокоманд 8008 было расширено). Кроме того, это был первый микропроцессор, который мог делить числа. И до конца 70-х годов микропроцессор Intel 8008 ста­л стандартом для микрокомпьютерной индустрии.

Несколько инженеров фирмы имели идеи по усовершенствованию 8080. Они покинули Intel, чтобы реализовать их. Ими была организована Zilog Corporation, которая подарила миру микропроцессор Z80. В действительности Z80 являлся дальнейшей разработкой микропроцессора 8080. Было просто увеличено число его команд, что позволило создать и использовать на персональных

В 1979 году фирма Intel выпустила новый микропроцессор Intel 8086/8088. Тогда же и появился первый сопроцессор Intel 8087. Тактовые частоты на которых мог работать микропроцессор Intel-8086/8088: 4.77, 8 и 10 МГц.

В конце 70-х годов распространение персональных компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на большие ком­пьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IВМ – ведущей компании по производству больших компьютеров, и в 1979 году фирма IВМ решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.

Прежде всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был вы­бран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intе1 8088. Его использо­вание позволило значительно увеличить потенциальные возможности компью­тера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами. В компью­тере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его про­граммное обеспечение было поручено разработать небольшой тогда еще фирме Microsoft. И таким образом в 1981 году появилась первая версия операционной системы для компьютера IBM РС – MS DOS 1.0. В дальнейшем по мере совершенствования компьютеров IВМ РС выпускались и новые версии DOS, учитывающие новые возможности компьютеров и предоставляющие дополнительные удобства пользователю.

В августе 1981 г. новый компьютер под названием «IВМ Personal Computer» был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. IBM PC имел 64 Кб оперативной памяти, магнитофон для загрузки/сохранения программ и данных, дисковод и встроенную версию языка BASIС.

Через один-два года ком­пьютер IВМ РС занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.

Если бы IВМ РС был сде­лан так же, как другие существовавшие во время его появления компьютеры, он бы устарел через два-три года, и мы давно бы уже о нем забыли.

Однако с компьютерами IВМ РС получилось по-другому. Фирма IВМ не сделала свой компьютер единым неразъемным устройством и не стала защи­щать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из не­зависимо изготовленных частей и не стала держать спецификации этих частей и способы их соединения в секрете. Напротив, принципы конструкции IВМ РС были доступны всем желающим. Этот подход, называемый «принципом от­крытой архитектуры», обеспечил потрясающий успех компьютеру IВМ РС, хотя и лишил фирму IВМ возможности единолично пользоваться плодами это­го успеха. Вот как открытость архитектуры IВМ РС повлияла на развитие персональных компьютеров:

1. Перспективность и популярность IВМ РС сделала весьма привлека­тельным производство различных комплектующих и дополнительных устройств для IВМ РС. Конкуренция между производителями привела к удешевлению комплектующих и устройств.

2. Очень скоро многие фирмы перестали довольствоваться ролью произ­водителей комплектующих для IВМ РС и начали сами собирать ком­пьютеры, совместимые с IВМ РС. Поскольку этим фирмам не требова­лось нести огромные издержки фирмы IВМ на исследования и поддержание структуры громадной фирмы, они смогли продавать свои компь­ютеры значительно дешевле (иногда в 2-3 раза) аналогичных компью­теров фирмы IВМ.

3. Пользователи получили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей.

В 1982 году фирма Intel выпустила новый микропроцессор Intel 80286, который имел 134 тыс. транзисторов и был разработан по 1,5 микронной технологии (микрон – микрометр или мкм). Он мог работать с 16 Мб оперативной памяти на частотах: 8, 12 и 16 МГц. Его принципиальное новшество – защищенный режим и виртуальная память размером до 1 Гб – не нашли массового применения, процессор большей частью использовался как очень быстрый 8088.

В том же году была выпущена новая модель компьютеров по названием IВМ РС/АТ (Рersonal Computer/Аdvanced Technology – «ПК усовершенствованной технологии»). В связи с использованием нового микропроцессора с сопроцессором 80287 производительность системы возросла более чем вдвое. Она укомплектована дисководами гибких дисков нового типа (с утроенным объемом хранимой информации), жестким диском от 40 МБ и выше. Шина материнской платы ПК расширена до 16 бит.

Накал конкурентной борьбы заставил разработчиков IВМ в конечном счете отказаться от принципа "открытой архитектуры". Новое семейство моделей ПК IВМ получило название РS/2 (Рersonal System 2 – «персональная система/2»). Она абсолютно несовместима с первым поколением на аппаратном уровне, но сохраняет совместимость на уровне программного обеспечением. В модели РS/2 фирма IВМ заявила о своем переходе на новую шинную архитектуру – микроканальную (Мiсrо Сhannel Аrchitecture, МСА). Это позволило отгородиться от сторонних производителей, но ограничило потребителей в выборе: все дополнительные устройства для этих ПК выпускала только сама IВМ; другие фирмы ее практически не поддерживали. Первые модели семейства РS/2 использовали микропроцессор Intel 80286 и фактически копировали ПК АТ, но на базе иной архитектуры.

В 1985 году появился Intel 80386SX и Intel 80386DX. Он открыл класс 32-разрядных процессоров. Микропроцессор Intel 80386 имел 275 тыс. транзисторов и изготавливался по технологии 1,5 мкм. Адресуемое пространство оперативной памяти увеличилось до 4 Гб вследствие увеличения разрядности процессора с 16 бит до 32 бит. Новый микропроцессор работал на частотах: 16, 20-40 МГц.

В 1989 году Intel выпустила новый микропроцессор 80486SX/DX/DX2, имевшие 1,2 млн транзисторов на кристалле, изготовленному по технологии 1 мкм. От 386-го существенно отличается размещением на кристалле первичного кэша и встроенного математического сопроцессора 80487. Микропроцессоры 80486 по-прежнему могли адресовать до 4 Гб оперативной памяти и работали на частотах: 25, 33, 50 и 66 МГц.

После освоения производства процессора Intel 80486 в выпуске моделей ПК 486 лидировали Арricot и Соmpaq, затем – АSТ, Zenith и другие, а сама IВМ неохотно выпускала ПК с этими микропроцессорами.

В июне 1991 года Microsoft выпускает MS-DOS 5.0, который имеет свои особенности: обладает улучшенными интерфейсами меню оболочки, полноэкранным редактором, утилитами на диске и возможностью смены задач. Последующие версии MS-DOS 6.0, MS-DOS 6.21 и MS-DOS 6.22 кроме стандартного набора программ имеют в своем составе программы для резервного копирования, антивирусную программу и другие усовершенствования в операционной системе.

В 1992 году появляется процессор Intel 80486DX4, который работает на учетверенной частоте внешней шины, что позволило увеличить тактовую частоту процессора до 100 МГц.

Следующие основные даты развития операционных систем фирмы Microsoft шли одновременно с развитием аппаратной части персонального компьютера.

6 апреля 1992 – выход Windows 3.1. В ней исправлено множество ошибок, повышена стабильность, добавлены некоторые новые возможности, в том числе масштабируемые шрифты TrueType. Windows 3.x становится самой популярной в США (по числу инсталляций) операционной средой для ПК и остается таковой до 1997г.

27 октября 1992 - выход Windows for Workgroups 3.1. В ней интегрируются функции, ориентированные на обслуживание сетевых пользователей и рабочих групп, в том числе доставки электронной почты, совместного использования файлов и принтеров и календарного планирования. Версия 3.1 стала предвестником бума малых локальных сетей, но потерпела коммерческую неудачу, получив обидное прозвище «Windows for Warehouse» («Windows для складов»).

24 мая 1993 – выпуск Windows NT (сокращение от New Technology – новая технология). Для функционирования первой версии 3.1, изначально ориентированной на аудиторию взыскательных пользователей и рынок серверов, требуется ПК высокого класса; кроме того, продукт не свободен от шероховатостей. Однако Windows NT хорошо принята разработчиками благодаря ее повышенной защищенности, стабильности и развитому API – интерфейсу Win32, упрощающему составлению мощных программ. Проект начинается как OS/2 3.0, но в итоге исходный текст продукта был полностью переработан.

8 ноября 1993– выпуск Windows for Workgrounds 3.11. В ней обеспечена более полная совместимость с NetWare и Windows NT; кроме того, в архитектуру ОС внесены многие изменения, направленные на повышение производительности и стабильности и позднее нашедшее применения в Windows 95. Продукт был гораздо более доброжелательно встречен корпоративной Америкой.

В 1993 году появились первые процессоры Pentium с частотой 60 и 66 МГц – это были 32-разрядные процессоры с 64-битной шиной данных. Pentium имел 3,1 млн. транзисторов, и был изготовлен по технологии 0,8 мкм; питание 5В. От 486-го его принципиально отличается суперскалярной архитектурой – способностью за один такт выпускать с конвейеров до двух инструкций. Интерес к процессору со стороны производителей и покупателей PC сдерживался его очень высокой ценой. Кроме того, возник скандал с обнаружением ошибки сопроцессора. Хотя фирма Intel математически обосновала не высокую вероятность ее проявления (раз в несколько лет), она все-таки пошла на бесплатную замену уже проданных процессоров на исправленные.

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появившиеся в 1994 году, представили уже второе поколение процессоров Pentium (семейство P6). При почти том же числе транзисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потребляемую мощность. От первого поколения они отличались внутреннем умножением частоты и имели другой тип корпуса. Была введена новая шина, которой до этого оснащались большие ЭВМ и в одном ПК могли присутствовать до 4-х процессоров Р6. Появились версии (75 МГц в миниатюрном корпусе) для мобильных применений (блокнотные ПК). Процессоры Pentium второго поколения стали весьма популярны в PC. В 1995 году появились процессоры на 120 и 133 МГЦ, выполненные уже по технологии 0,35 мкм. 1996-й называют годом Pentium – появились процессоры на 150, 166 и 200 МГц, и Pentium стал рядовым процессором для PC широкого применения.

24 августа 1995 года после многочисленных задержек и без беспрецедентной для программного продукта рекламной шумихи на рынке выходит Windows 95. Потеряв голову, в очередях за ней стоят даже люди, не имеющие компьютера. Windows 95 – самая дружественная пользователю версия Windows для инсталляции которой не требуется предварительно устанавливать DOS; ее появление делает ПК более доступным массовому потребителю. Благодаря значительно усовершенствованному интерфейсу наконец-то ликвидировано отставание от платформы Мас и компьютеры Мас оказываются окончательно оттесненными в узкую нишу рынка. В Windows 95 имеется встроенный набор протоколов TCP/IP, утилита Dial-Up Net-working и допускается использование длинных имен файлов.

Параллельно с Pentium развился и процессор Pentium Pro, который отличался новшествами «динамического исполнения инструкций». Кроме того, в его корпусе разместили и вторичный кэш, для начала объемом 256 Кб. Однако на 16-битных приложениях, а также в среде Windows 95 его применение не дало преимуществ. Процессор содержал 5,5 млн. транзисторов ядра, и 15,5 млн. транзисторов для вторичного кэша объемом 256 Кб. Первый процессор с частотой 150 МГц появился в начале 1995 года (технология 0,6 мкм), а уже в конце года появились процессоры с частотой 166, 180, 200 МГц (технология 0,35 мкм), у которых кэш достигал 512 Кб.

После долгих обещаний в начале 1997 года появились процессоры Pentium MMX. Расширение ММХ предполагает параллельную обработку группы операндов одной инструкцией. Технология ММХ призвана ускорять выполнение мультимедийных приложений, в частности операции с изображениями и обработку сигналов. Ее эффективность вызывает споры в среде разработчиков, поскольку выигрыш в самих операциях обработки компенсируется проигрышем на дополнительных операциях упаковки-распаковки. Кроме того, ограниченная разрядность ставит под сомнение применение ММХ в декодерах MPEG-2, в которых требуется обработка 80-битных операндов. Кроме расширения ММХ эти процессоры, по сравнению с обычным Pentium, имеют удвоенный объем первичного кэша, и некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium Pro, что повышает производительность процессора Pentium ММХ и на обычных приложениях. Процессоры Pentium ММХ имеют 4,5 млн транзисторов и выполнены по технологии – 0,35 мкм. По состоянию на июнь 1997 года имеются процессоры с тактовыми частотами 166, 200 и 233 МГц.

Технология ММХ была соединена с архитектурой Pentium Pro – и в мае 1997 года появился процессор Pentium II. Он представляет собой слегка урезанный вариант ядра Pentium Pro с более высокой внутренней тактовой частотой, в которое внесли поддержку ММХ. Трудности размещения вторичного кэша в одном корпусе с процессором преодолели нехитрым способом – кристалл с ядром процессора и набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих вторичный кэш, разместили на небольшой печатной плате-картридже. Все кристаллы закрыты общей специальной крышкой и охлаждаются специальным вентилятором. Тактовые частоты ядра – 233, 266 и 300 МГц.

Конечно же, перечисленным моделями не исчерпывается весь мировой ассортимент микропроцессоров. Это только представители семейства процессоров, имеющих обобщенное название х86. Ряд фирм (DEC, Motorola, Texas Instruments и другие) имеют разработки, существенно отличающиеся от данного семейства; есть другие классы процессоров и у Intel. Среди них есть гораздо более мощные процессоры относящиеся, к таким классам как RISC, так и CISC архитектуру. Однако процессоры Pentium особенно с поддержкой ММХ, имеют самую сложную в мире систему команд.

Процессоры, совместимые с семейством х86, выпускаются не только фирмой Intel. Традиционный конкурент – AMD – выпускает совместимые процессоры обычного несколько позже, но заметно дешевле, иногда по ряду технических свойств они даже опережают аналогичные процессоры Intel. Фирма Cyrix славится своими быстрыми сопроцессорами.

7 июня 1998 компания Intel представила процессор Celeron с тактовой частотой 300 МГц и снизила цену на ранее выпускавшуюся модель 266 МГц. Компания, однако, предпочитает не афишировать, что эти частоты – далеко не предел возможностей Celeron, и безо всяких переделок процессор способен на нечто большее.

Ядро Celeron изготовляется по последней 0,25 микронной технологии и имеет кодовое название Deschutes. Оно такое же, как у процессоров Pentium II, предназначенных для работы на частотах 333, 350 и 400 МГц (в младших моделях Pentium II используется ядро Klamath с 0,35 микронной технологией).

25 июля 1998 корпорация Microsoft выпускает Windows 98 – последнюю версию Windows на базе старого ядра, функционирующего на фундаменте DOS. Система Windows 98 интегрирована с интернет-браузером Internet Explorer 4 и совместима с многочисленными – от USB до спецификаций управления энергопотреблением ACPI. Последующие версии Windows для рядового пользователя будут построены на базе ядра NT.

6 октября 1998 года корпорация Intel анонсировала самую быстродействующую версию процессора Pentium® II Xeon™ с тактовой частотой 450 МГц, предназначенную для двухпроцессорных (двухканальных) серверов и рабочих станций. Новая модель на 450 МГц обеспечивает наивысший в отрасли уровень производительности благодаря увеличенной емкости и быстродействию кэш-памяти 2-го уровня (L2), возможности установки нескольких процессоров, а также наличию системной шины, работающей на частоте 100 МГц. Сочетание высокой производительности процессора Pentium II Xeon с системной масштабируемостью выводит показатель соотношения "производительность/цена" на уровень, не имеющий аналогов на рынке двухканальных серверов и рабочих станций. Набор микросхем 440GX AGPset для серверов и рабочих станций, обеспечивающий возможность установки одного или двух процессоров, поддерживает до 2 Гб системной памяти и быструю графическую шину AGP.