Развитие компьютерной архитектуры

Изобретение операционной системы

Количество и природа уровней могут меняться, т.к. аппаратное и программное обеспечение логически эквивалентны.

Любая операция, выполняемая программным обеспечением, может быть реализована аппаратным обеспечением. Конечно, обрат¬ное тоже верно: любая команда, выполняемая аппаратным обеспечением, может быть смоделирована программно. Решение разделить функции аппаратного и про¬граммного обеспечения основано на таких факторах, как стоимость, быстродей¬ствие, надежность, частота ожидаемых изменений.

Если программист хотел запустить программу на языке FORTRAN, ему необходимо бы¬ло пройти следующие этапы:

1. Он подходил к шкафу, где находилась библиотека программ, брал большую зеленую стопку перфокарт с надписью «Компилятор FORTRAN», помещал их в считывающее устройство и нажимал кнопку «Пуск».

2. Он помещал стопку карточек со своей программой, написанной на языке FORTRAN, в считывающее устройство и нажимал кнопку «Продолжить». Программа считывалась.

3. В конце концов трансляция завершалась. Программист часто становился очень нервным, потому что если компилятор находил ошибку в программе, ему приходилось исправлять ее и начинать процесс ввода программы заново. Если ошибок не было, компилятор выдавал в виде перфокарт программу на машинном языке.

4. Тогда программист помещал эту программу на машинном языке в устройство считывания вместе с пачкой перфокарт из библиотеки подпрограмм и загру¬жал обе эти программы.

5. Начиналось выполнение программы. В большинстве случаев она не работала, неожиданно останавливаясь в середине. Обычно в этом случае программист делал распечатку содержания па¬мяти, что называлось разгрузкой оперативного запоминающего устройства, и брал эту распечатку домой для изучения.

Автоматизировать работу опе¬ратора могла программа под названием операционная система, которая загружалась в компь¬ютер на все время его работы. В последующие годы операционные системы все больше и больше усложня¬лись. К уровню архитектуры набора команд добавлялись новые команды, при¬способления и особенности, и в конечном итоге сформировался новый уровень. Первые операционные системы считывали пачки перфокарт и распечатывали результат на принтере, однако этого приходилось ждать до нескольких часов.

Первым человеком, создавшим счетную машину, был французский ученый Блез Паскаль (1623-1662), в честь которого назван один из языков программирова¬ния. Паскаль сконструировал эту машину в 1642 году, когда ему было всего 19 лет, для своего отца, сборщика налогов. Это была механическая конструкция с шестеренками и ручным приводом. Счетная машина Паскаля могла выполнять только операции сложения и вычитания.

Тридцать лет спустя великий немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) построил другую механическую машину, которая помимо сложения и вычитания могла выполнять операции умножения и деления. В сущности, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с четырьмя функциями

Первое поколение — электронные лампы (1945-1955)

Второе поколение — транзисторы (1955-1965)

Третье поколение — интегральные схемы (1965-1980)

Четвертое поколение — сверхбольшие интегральные схемы (1980-?)

Пятое поколение — невидимые компьютеры(интегрированные)

Таблица 1.1. Основные этапы развития компьютеров Год выпуска Название компьютера Создатель Примечания   Аналитическая машина Бэббидж Первая попытка построить цифровой компьютер   Z1 Зус Первая релейная вычислительная машина   COLOSSUS Британское правительство Первый электронный компьютер   Mark I Айкен Первый американский многоцелевой компьютер   EN I AC I Экерт/Моушли С этой машины начинается история современных компьютеров   EDSAC Уилкс Первый компьютер с программами, хранящимися в памяти   Whirlwind I МТИ Первый компьютер реального времени   IAS Фон Нейман Этот проект используется в большинстве современных компьютеров   PDP-1 DEC Первый мини-компьютер (продано 50 экземпляров)     IBM Очень популярный маленький компьютер     IBM Очень популярная небольшая вычислительная машина   B5000 Burroughs Первая машина, разработанная для языка высокого уровня     IBM Первое семейство компьютеров     CDC Первый суперкомпьютер для научных расчетов   PDP-8 DEC Первый мини-компьютер массового потребления (продано 50 000 экземпляров)   PDP-11 DEC Эти мини-компьютеры доминировали на компьютерном рынке в 70-е годы     Intel Первый универсальный 8-разрядный компьютер на микросхеме   CRAY-1 Cray Первый векторный суперкомпьютер   VAX DEC Первый 32-разрядный суперминикомпьютер   IBM PC IBM Началась эра современных персональных компьютеров   Osborne-1 Osborne Первый портативный компьютер   Lisa Apple Первый ПК с графическим пользовательским интерфейсом

		Intel	Первый 32-разрядный предшественник линейки Pentium
	MIPS	MIPS	Первый компьютер RISC
	SPARC	Sun	Первая рабочая станция RISC на основе процессора SPARC
	RS6000	IBM	Первый суперскалярный компьютер
	Alpha	DEC	Первый 64-разрядный ПК
	Newton	Apple	Первый карманный компьютер

Логическую организацию ЭВМ независимо от ее элементной базы 1945 году представил математик Джон фон Нейман. Архитектура универсальной ЭВМ фон Неймана предусматривается пять базовых компонентов:

1. Центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ).

2. Центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных устройств ЭВМ.

3. Запоминающее устройство (ЗУ).

4. Система ввода информации.

5. Система вывода информации.

Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов. Каждый комплект содержал печатную плату, набор интегральных схем, обычно вклю¬чающий схему Intel 8080, несколько кабелей, источник питания и иногда 8-дюй¬мовый дисковод. Сложить из этих частей компьютер покупатель должен был сам. Программное обеспечение к компьютеру не прилагалось. Покупателю при¬ходилось писать программное обеспечение самому. Позднее появилась операци¬онная система СР/М, написанная Гари Килдаллом (Gary Kildall) для Intel 8080. Эта действующая операционная срютема помещалась на дискету, она включала в себя систему управления файлами и интерпретатор для выполнения пользова¬тельских команд, которые набирались с клавиатуры.

Еще один персональный компьютер, Apple (а позднее и Apple II), был разра¬ботан Стивом Джобсом (Steve Jobs) и Стивом Возняком (Steve Wozniak). Этот компьютер стал чрезвычайно популярным среди домашних пользователей и школ, что в мгновение ока сделало компанию Apple серьезным игроком на рынке.

Наблюдая за тем, чем занимаются другие компании, компания IBM, лиди¬рующая тогда на компьютерном рынке, тоже решила заняться производством персональных компьютеров. Но вместо того, чтобы конструировать компьютер на основе отдельных компонентов IBM «с нуля», что заняло бы слишком много времени, компания предоставила одному из своих работников, Филипу Эстриджу (Philip Estridge), большую сумму денег, приказала ему отправиться куда-нибудь подальше от вмешивающихся во все бюрократов главного управления компа¬нии, находящегося в Армонке (шт. Нью-Йорк), и не возвращаться, пока не будет создан 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 разнородных 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, ко¬торую выпускала тогда еще крошечная корпорация Microsoft. IBM и Microsoft совместно разработали последовавшую за MS-DOS операционную систему OS/2, характерной чертой которой был графический пользовательский интерфейс (Graphical User Interface, GUI), 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 причи¬ной грандиозного раздора между IBM и Microsoft. Легенда о том, как крошечная компания Intel и еще более крошечная, чем Intel, компания Microsoft умудри¬лись свергнуть IBM, одну из самых крупных, самых богатых и самых влиятель¬ных корпораций в мировой истории, подробно излагается в бизнес-школах всего мира.

Первоначальный успех процессора 8088 воодушевил компанию Intel на его дальнейшие усовершенствования. Особо примечательна версия 386, выпущенная в 1985 году, — это первый представитель линейки Pentium. Современные про¬цессоры Pentium гораздо быстрее процессора 386, но с точки зрения архитекту¬ры они просто представляют собой его более мощные версии.

Однако компания IBM сделала одну вещь, о которой позже пожалела. Вместо того чтобы держать проект машины в секрете (или, по крайней мере, оградить себя патентами), как она обычно делала, компания опубликовала полные проек¬ты, включая все электронные схемы, в книге стоимостью 49 долларов. Эта книга была опубликована для того, чтобы другие компании могли производить смен¬ные платы для IBM PC, что повысило бы совместимость и популярность этого компьютера. К несчастью для IBM, как только проект IBM PC стал широко из¬вестен, многие компании начали делать клоны PC и часто продавали их гораздо дешевле, чем IBM (поскольку все составные части компьютера можно было лег¬ко приобрести). Так началось бурное производство персональных компьютеров.

Вопросы и задания

1. Объясните следующие термины своими словами: 1) транслятор;

2) интерпретатор;

2. Чем отличается интерпретация от трансляции?

3. В каком смысле аппаратное и программное обеспечение эквивалентны? В ка¬ком они не эквивалентны?

4. Назовите три бытовых устройства, в которые имеет смысл устанавливать встроенные процессоры.

5. Напишите краткое резюме о трех исследователях, которые, по вашему мнению, оказали наибольшее влияние на эволюцию аппаратного обеспечения компью¬теров до их современного состояния; объясните, почему вы выбрали имен¬но их.

6. Напишите аналогичное резюме относительно программного обеспечения.