Сверхбольшие интегральные схемы СБИС . ЭВМ

Сверхбольшие интегральные схемы СБИС . ЭВМ. 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. Из больших компьютеров четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись американские машины Крей-1 и Крей-2 , а также советские модели Эльбрус-1 и Эльбрус-2 . Первые их образцы появились примерно в одно и то же время - в 1976 году. Все они относятся к категории суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего времени характеристики и очень высокую стоимость.

В машинах четвертого поколения сделан отход от архитектуры фон Неймана, которая была ведущим признаком подавляющего большинства всех предыдущих компьютеров. Многопроцессорные ЭВМ, в связи с громадным быстродействием и особенностями архитектуры, используются для решения ряда уникальных задач гидродинамики, аэродинамики, долгосрочного прогноза погоды и т.п. Наряду с суперкомпьютерами в состав четвертого поколения входят многие типы мини- ЭВМ, также опирающиеся на элементную базу из сверхбольших интегральных схем. 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 компьютерах стандартные операционные системы.

И хотя в 1973 году на рынке и господствовала горстка производителей, в том числе ibm, dec, hewlett-Packard, и их доходы этих фирм исчислялись миллиардами долларов и основывались, главным образом, на больших системах мэйнфреймах и миникомпьютерах, но до них еще не дошла важность микропроцессоров, и компании не строили планы об использовании этого новшества.

Это оставило щелку для мелких предпринимателей, которые незамедлительно разработали новую технологию, радикально изменившую стандарты конструирования и применения компьютеров. Кроме того, огромную роль в популяризации персональных компьютеров сыграли компьютерные журналы.

Такие издания как Radio Electronics и Popular Electronics разжигали интерес к потенциалу микрокомпьютеров. По всей территории США возникли клубы любителей. Самым примечательным был компьютерный клуб Homebrew, образованный в марте 1975 года в Менло-Парке штат Калифорния. В состав его первых членов входили Стив Джобс и Стив Возняк, позднее основавшие компанию Apple Macintosh. Поэтому, когда появился первый микрокомпьютер, на него сразу же возник огромный спрос среди тысяч любителей, интерес которых подпитывался ежемесячно появлявшимися статьями в журналах.

Этим первым микрокомпьютером был Altair-8800 , созданный в 1974 году небольшой компанией в Альбукерке штат Нью-Мексико. История его создания такова Эд Робертс, организовавший в 1968 году компанию MITS Micro Instrumentation and Telemetry Systems, занимался производством калькуляторов. В 1973 году вследствие жесткой конкуренции со стороны Texas Instruments он оказался на грани банкротства, и вынужден был искать новую нишу на рынке. Робертса заинтересовал микропроцессор 8080, выпущенный Intel в апреле 1974 года, и уверенный в том, что этот микропроцессор может стать основой микрокомпьютера, он сам создал такую машину.

Этот компьютер продавался по цене около 500 дол. И хотя возможности его были весьма ограничены оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали, а также имелись серьезные недостатки по эксплуатации, Altair-8800 стал бестселлером. Тысячи любителей, всегда мечтавших о собственном компьютере, безрассудно заказывали практически бесполезную для себя вещь. Так, из маленького американского городка, началось триумфальное шествие персонального компьютера по миру, изменяя жизнь, быт и даже мышление людей.

Позже покупатели сами снабжали этот компьютер дополнительными устройствами монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти и т.д. Вскоре эти устройства стали выпускаться другими фирмами. В конце 1975 году Пол Аллен и Билл Гейтс будущие основатели фирмы Мicrosoft создали для компьютера Альтаир интерпретатор языка Ваsic Бейсик, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы.

Это также способствовало популярности персональных компьютеров. Успех Альтаир-8800 заставил многие фирмы также заняться производством персональных компьютеров. Персональные компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год. 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.

Итак, после начала широкого внедрения персональных компьютеров в повседневную жизнь, продолжилось быстрое развитие вычислительной техники.

Остановимся на наиболее важном элементе микропроцессор - это эффективный с технологической и экономической точки зрения инструмент для переработки возрастающих потоков информации. Новое поколение микропроцессоров идет на смену предыдущему каждые два года и морально устаревает за 3-4 года. Микропроцессор вместе с другими устройствами микроэлектроники позволяют создать довольно экономичные информационные системы.

Причина такой популярности микропроцессора состоит в том, что с их появлением отпала необходимость в специальных схемах обработки информации, достаточно запрограммировать её функцию и ввести в постоянное запоминающее устройство ПЗУ микропроцессора. Через короткий отрезок времени модель IBM PC была усовершенствована. Новая модификация получила название расширенного IВМ РС ХТ Рersonal Соmрuter еХТеnded version. В данной модификации производители отказались от использовании магнитофона в качестве накопителя информации, добавили второй дисковод гибких дисков, а также возможность использования жесткого диска емкостью 10-30 МБ. В настоящее время наличие жесткого диска в ПК ХТ является практически обязательным.

Модель базировалась на использовании того же микропроцессора - Intel 8088. 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. Новая модель ПК на базе очередном поколения микропроцессоров Intel 80386 ПК 386 была впервые разработана уже не IВМ, а фирмой Соmpaq.

Этот ПК может работать в реально многозадачном и многопользовательском режиме. С некоторым запозданием IВМ выпустила компьютер такого класса - новую модель семейства РS 2. На деле, надежды фирмы IВМ, возлагавшиеся на концепцию новой архитектуры РS 2 - так называемую микроканальную действительно более прогрессивную в смысле скорости обмена данными пока коммерчески не оправдались. Пользователи-неспециалисты оказались практичнее профессионалов и не захотели приобретать ПК, новая конструкция которых не поддержана другими производителями дополнительных устройств.

Другие производители в их числе такие гиганты, как Соmpaq, Zenith, АSТ, Арricot и др. разработали модели ПК 386 на основе использования прежней архитектуры. С этот момента фирма IВМ, породившая ПК как идеологию, перестала быть его самым популярным производителем. Сотни фирм в десятках стран мира производят модели клона IBМ, включая модель с микропроцессором Intel 80386, причем эти модели раскупаются едва ли не охотнее, чем РS 2 фирмы IВМ. Первое место среди различных вариантов модели ПК 386 данные 1989 года занимает микрокомпьютер Соmраq DeskPro 386. В 1987 г. фирма Microsoft разработала версию 3.3 3.30 операционной системы MS DOS, которая стала фактическим стандартом на последующие 3-4 года. Эта версия весьма компактна и обладает достаточным набором возможностей, так что на стандартной IВМ РС АТ и теперь ее эксплуатация вполне целесообразна.

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