Эпоха интегральных схем
В декабре 1961 года специальный комитет фирмы IBM, изучив техническую политику фирмы в области разработки вычислительной техники, представил план-отчёт создания ЭВМ на микроэлектронной основе. Во главе реализации плана встали два ведущих разработчика фирмы — Д. Амдал и Г. Блау. Работая с проблемой производства логических схем, они предложили при создании семейства использовать гибридные интегральные схемы, для чего при фирме в 1963 году было открыто предприятие по их выпуску. В начале апреля 1964 года фирма IBM объявила о создании шести моделей своего семейства IBM-360 («System-360»), появление которого ознаменовало появление компьютеров третьего поколения.
За 6 лет существования семейства фирма IBM пустила более 33 тыс. машин. Затраты на научно-исследовательские работы составили примерно полмиллиарда долларов (по меркам того времени — сума была просто огромной).
При создании семейства «System-360» разработчики встретились с трудностями при создании операционной системы, которая должна была отвечать за эффективное размещение и использование ресурсов ЭВМ. Первая из них, универсальная операционная система называлась DOS, предназначенная для малых и средних ЭВМ, позже была выпущена операционная система OS/360 — для больших. До конца 60-х гг. фирма IBM в общей сложности выпустила более 20 моделей семейства IBM-360. В модели 85 впервые в мире был применена кэш-память (от фр. cache — тайник), а модель 195 стала первой ЭВМ на монолитных схемах.
В конце 1970 года фирма IBM стала выпускать новое семейство вычислительных машин — IBM-370, которой сохранило свою совместимость с IBM-360, но и имело ряд изменений: они были удобны для комплектования многомашинных и многопроцессорных вычислительных систем, работающих на общем поле оперативной памяти.
Почти одновременно с IBM компьютеры третьего поколения стали выпускать и другие фирмы. В 1966—1967 гг. их выпускали фирмы Англии, ФРГ и Японии. В Англии фирмой ICL был основан выпуск семейства машин «System-4» (производительность от 15 до 300 тыс. оп/с). В ФРГ были выпущены машины серии 4004 фирмы Siemens (машины этого семейства полностью копировали ЭВМ семейства «Spectra-70»), а в Японии — машины серии «Hytac-8000», разработанные фирмой Hitachi (это семейство являлось модификацией семейства «Spectra-70»). Другая японская фирма Fujitsu в 1968 году объявила о создании серии ЭВМ «FACOM-230».
В Голландии фирма Philips Gloeilampenfabriken, образованная в 1968 году для выпуска компьютеров, стала выпускать компьютеры серии P1000, сравнимой с IBM-360. В декабре 1969 года ряд стран (НРБ, ВНР, ГДР, ПНР, СССР и ЧССР, а также в 1972 году — Куба, а в 1973 году — СРР) подписали Соглашение о сотрудничестве в области вычислительных технологий.
На выставке «ЕСЭВМ-73» (1973 г.) были показаны первые результаты этого сотрудничества: шесть моделей компьютеров третьего поколения и несколько периферийных устройств, а также четыре ОС для них.
С 1975 года начался выпуск новых модернизированных моделей ЕС-1012, ЕС-1022, ЕС-1032, ЕС-1033, имеющих наилучшее соотношение производительность/стоимость, в которых использовались новые логические схемы и схемы полупроводниковой памяти.
Вскоре появились машины второй серии сотрудничества. Наиболее ярким представителем его была мощная модель ЕС-1065, представлявшая собой многопроцессорную системы, состоящую из четырех процессоров и имевшую память 16 Мбайт. Машина была выполнена на интегральных схемах ИС-500 и имела производительность 4—5 млн. оп/с.
С машинами третьего поколения связано ещё одно значительное событие — разработка и внедрение визуальных устройств ввода-вывода алфавитно-цифровой и графической информации с помощью электронно-лучевых трубок — дисплеев, использование которых позволило достаточно просто реализовать возможности вариантного анализа.
История появления первых прототипов современных дисплеев относится к послевоенным годам. В 1948 году Г. Фуллер, сотрудник лаборатории вычислительной техники Гарвардского университета, описал конструкцию нумероскопа. В этом приборе, под руководством ЭВМ, на экране электронно-лучевой трубки появлялась цифровая информация.
Дисплей принципиально изменил процесса ввода-вывода данных и упростил общение с компьютером.
В 70-ых гг. XX века благодаря появлению микропроцессоров стало возможным осуществлять буферизацию как данных, принимаемых с экранного терминала, так и данных, передаваемых ЭВМ. Благодаря чему регенерацию изображения на экране удалось реализовать средствами самого терминала. Появилась возможность редактирования и контроля данных перед их передачей в ЭВМ, что уменьшило число ошибок. На экране появился курсор — подвижная метка, инициализирующая место ввода или редактирования символа. Экран дисплея стал цветным. Появилась возможность отображения на экране сложных графических изображений — это дало возможность для создания красочных игр (хотя первые компьютерные игры появились ещё в 1950-е, но были псевдографическими) и предназначенных для работы с графикой программ.
Четвёртое поколение
Это поколение ЭВМ связано с развитием микропроцессорной техники. В 1971 году компания Intel выпустила микросхему Intel-4004 — первый микропроцессор и родоначальник доминирующего и самого известного сегодня семейства.
История четвёртого поколения началось с того, что японская фирма Busicom (ныне уже не существует) заказала Intel Corporation изготовить 12 микросхем для использования их в калькуляторах различных моделей. Малый объём каждой партии микросхем увеличивал стоимость их разработки. Однако разработчикам удалось создать такое устройство — микропроцессор, который мог использоваться во всех микрокалькуляторах. Его тактовая частота — около 0,75 МГц. Процессор был четырёхразрядным, то есть позволял кодировать все цифры и специальные символы, что было достаточно для калькулятора.
Однако компьютеры работают не только с цифрами, но и с текстом. Для того чтобы закодировать все цифры, буквы и специальный символы, потребовался бы 8-разрядный процессор. Он появился в 1972 году и назывался Intel-8008, а в 1974 году появился процессор Intel-8080. Он был выполнен по NMOS-технологии (англ. N-cannel Metal Oxide Semiconductor), его тактовая частота составила 2 МГц, при этом в самом микропроцессоре было реализовано деление чисел.
Таблица 1Технические характеристики Intel 8080
| Тактовая частота | Разрядность регистров | Разрядность шины данных | Разрядность шины адреса | Объём адресуемой памяти | Количество транзисторов | Техпроцесс(нм) | |
| 2МГц | 8 бит | 8 бит | 16 бит | 64 Кбайт |
Таким образом, история развития электроники подошла к созданию персональных компьютеров (ПК). Во второй половине 70-х гг. появилась потребность в компьютерах для одного рабочего места. Первые такие ПК базировались на 8-разрядных процессорах — Intel-8080 и процессорах фирмы Zilog Corporation — Z80. ОС для них разработала компания Digital Research CP/M (англ. Control Program for Microcomputers).
Создателями первого ПК были два молодых американских техника: Стивен Джобс, работавший в фирме Atari, и Стив Возняк из компании HewlettPackard. Летом 1976 года в гараже родителей Джобса они соорудили первый ПК и назвали его «Apple-I» — «яблоко». Для того чтобы достать необходимые детали Джобсу пришлось продать свой автомобиль «Фольксваген».
Apple-I не имел ни клавиатуры, ни корпуса. В апреле 1977 года они сконструировали ещё один ПК — Apple-II (в это же время появилась и знаменитая эмблема фирмы Apple — надкушенное разноцветное яблоко), он имел одноплатную конструкцию и шину расширения, позволяющую подсоединять дополнительные устройства. Клавиатура была помещена в отдельный корпус. В качестве центрального процессора был взят надёжный 8-разрядный 6502. Память составляла всего лишь 8 Кбайт, но для её увеличения использовалась магнитофонная лента, запускаемая с обычного кассетного магнитофона. В дальнейшем к Apple-II были разработаны графические видеоадаптеры, дисковая ОС для управления ОП и нижний регистр для символов, который могли размешаться на экране в 80 столбцах.
За 10 с не большим лет ПК фирмы Apple (образована в 1977 году) завоевал рынок — было продано более 2 млн. экземпляров. Цена его колебалась в районе 1000 долларов.
Своим коммерческим успехом он обязан в значительной степени его открытой архитектуре и модульной системе, позволяющей расширять системы за счёт добавления новых устройств.
К 1980 году стал очевиден успех идеи ПК. Их рынок достиг нескольких десятков тысяч в год. Крупнейшая электронная корпорация США IBM, лидер в производстве компьютеров, уже совершила одну стратегическую ошибку, уступив рынок мини-ЭВМ компании Digital Equipment Corporation (DEC). Ещё одним поводом для беспокойства стал успех компьютеров фирмы Apple Computer. И IBM решает быстро захватить рынок ЭВМ. Сомнений не было, что для этого нужно создать новую модель ПК. Для этого нужен был новый процессор (взамен устаревшего 6502 или Z80) — им стал процессор Intel-8088.
В 1976 году компания Intel начала усиленно работать над микропроцессором Intel-8086. Размер его регистров был увеличен вдвое, что дало возможность увеличить в 10 раз производительность по сравнению с 8080. Кроме того, размер адресной шины был увеличен до 16 бит, чем опередил своё время — ему дополнительно нужна 16-разрядная микросхема.
В 1979 году был разработан новый процессор — Intel-8088, не отличавшийся от своего предшественника, но он имел 8-разрядную шину данных — это позволяло использовать популярные в то время 8-разрядные микросхемы. Первоначально процессор работал частотой в 4,77 МГц, но впоследствии другие фирмы разработали совместимые с ним 8- и 10-мегагерцовые процессоры. Итак, 12 августа 1981 года IBM впервые представила свой ПК, который так и назывался IBM PC (англ. Personal Computer). Он имел процессор Intel-8088, два дисковода для гибких дисков по 160 Кбайт и ОП 64 КБайт с возможностью расширения до 512 Кбайт. В ПЗУ PC был помещён язык программирования Бейсик. IBM разработала свой собственный дисплей, который имел хорошую контрастность, символы на нём легко читали и не утомляли глаз мерцанием. В 1983 году IBM выпустила новую модель PC XT (англ. eXtended Technology) с жестким диском — винчестером — емкостью 10 Мбайт и ОП 640 Кбайт. Работал PC под управлением MS DOS компании Microsoft — ныне крупнейшего производителя программного обеспечения.
К 1982 году невероятная популярность нового компьютера привела к созданию многочисленных аналогов. К 1984 году IBM-совместимых компьютеры выпускали более 50 компаний, а в 1986 году объём продаж клонов превысил собственный объем продаж фирмы IBM. Архитектура IBM PC завоевала весь мир: никакой другой фирме, будь то Apple Macintosh, NeXT, Amiga или другим, не удалось занять место рядом с IBM.
Презентация нового PC — IBM PC AT (англ. Advanced Technology) — состоялась в 1984 году. AT был построен на основе нового микропроцессора — Intel-80286, который был представлен в 1982 году. Микропроцессор имел 16-разрядную шину данных и 16-битный внутренние регистры. Первый Intel-80286 работал на частоте в 6 МГц, впоследствии доведенной до 20 МГц. В общем, AT в 5 раз был производительнее, чем XT.
Главным преимуществом Intel-80286 была способность работать с дополнительной памятью. Он имел 24-разрядную адресную шину, что позволяло работать с ОП до 16 Мбайт. Intel-80286 мог работать с виртуальной памятью размером до 1 Гбайта.
Тем временем в январе 1984 г. состояла презентация первого компьютера Macintosh компании Apple Computer. Эти компьютеры сыграли значительную роль в развитие PC. Он имел 9-дюймовый монитор с чрезвычайно высокой четкость изображения и занимал мало место на рабочем столе, число соединительных кабелей в системе было минимальным.
В качестве центрального процессора был использован микропроцессор 68000 компании Motorola, в последующих моделях был использован микропроцессор Motorola 68030, а в некоторых они использовались совместно с математическим сопроцессором, а также цветной монитор. Такие PC были очень удобны в домашней работе. В 1985 году компания Intel анонсировала первый 32-разрядный процессор Intel-80386 (Intel-80386DX). Он имел все положительные качества своих предшественников. Вся система команд Intel-80286 полностью совместима с набором команд 386-го. Новый процессор был полностью 32-разрядным и работал на частоте в 16 МГц (позже появились PC с 25, 33 и 40 МГц). С увеличением шины данных до 32 бит число адресных линий было также увеличено до 32, что позволило микропроцессору обращаться прямо к 4 Гбайт физической памяти или к 64 Тбайт (1 Терабайт = 1024 Гбайт) виртуальной памяти. Для поддержания совместимости с Intel-8086 процессор работал в защищённом режиме (англ. Protect mode), также поддерживался реальный режим (англ. Real mode), основным отличием была возможность переходить из одного режима работы в другой без перезагрузки компьютера. Появился также новый режим — виртуальный (англ. Virtual mode) — позволявший микропроцессору работать так же, как и неограниченное количество Intel-8086. Это давало возможность процессору выполнять сразу несколько программ. Первая персональная ЭВМ на основе Intel-80386 была изготовлена фирмой Compaq Computers. В апреле 1987 года IBM объявила о создании семейства PS/2 с шиной MCA (англ. MicroChannel Architecture). До этого компьютеры PC AT использовали шину ISA (англ. Industry Standard Architecture). Она была 32-разрядная и имела частоту 10 МГц. В 1989 году девять компаний-клонмэйкеров (AST, Epson, HewlettPackard, NEC, Olivetti, Tandy, Wyse и Zenith) разработали шины EISA (англ. Extended Industry Standard Architecture). Она, как и MCA, она имела разрядность 32, но в отличие от нее EISA была полностью совместима с ISA.
В 1988 году компанией Intel был разработан микропроцессор Intel-80386SX, в общем, ничем не отличавшийся от Intel-80386DX, однако он стоил дешевле и использовал 16-разрядную внешнюю шину данных.
Пятое поколение
В 1989 году появляется новая разработка компании Intel — микропроцессор Intel-80486 (Intel-80486DX). Этот процессор ознаменовал начала пятого поколения. Этот процессор был полностью совместим с PC семейства Intel-80x86, кроме того, содержал в себе математический сопроцессор и 8 Кбайт кэш-памяти. Этот процессор был более совершенен по сравнению с микропроцессором Intel-80386, его тактовая частота состояла 33 МГц.
В 1991 году Intel представила процессор Intel-80486SX, у которого отсутствовал математический сопроцессор.
А в 1992 году — процессор Intel-80486DX2, работавший с удвоенной тактовой частотой — 66 МГц. Впоследствии вышли процессоры с тактовой частотой в 100 МГц.
Кроме компании Intel 486-е процессоры стали выпускать и другие фирмы, например фирмы AMD (англ. Advanced Micro Devices) и Cyrix.
Эти фирмы вносили некоторые усовершенствования в них и продавали по цене от 100 долларов. Вскоре для 486-ых систем стала стандартом шина VL-Bus, разработанная ассоциацией VESA (Video Electronics Standard Association). Пропускная способность составила 132 Мбайт/с.
Создание компьютеров на основе процессоров семейства Intel-80486 позволило многочисленное программное обеспечение.
Второе место после PC фирмы IBM занимает фирма Apple Computer с PC Macintosh. Компьютеры выпускались на основе процессоров фирмы Motorola. Эти компьютеры очень удобны при использовании дома, в офисе и для обучения в школе. Последние модели — LC 475, LC 575 и LC 630 — основанные на процессорах Motorola 68LC040, оснащаются дисководом CD-ROM.
Самые производительные компьютеры Macintosh серии Quadra, оснащались процессором 68040 с тактовой частотой до 33 МГц, сопроцессором, имели возможность расширения ОЗУ до 256 Мбайт. Quadra в основном использовались в полиграфическом и рекламном деле, а также в создании мультимедиа-приложений и других задачах, требующих больших вычислительных мощностей и обработки значительных объемов данных; они также подходят для создания программного обеспечения. С 1993 года выпускаются компьютеры подсемейства AV, которые имели стандартный видеовходы и видеовыходы, что давало возможность выводить информацию, как на экран стандартного дисплея, так и на экран обычного телевизора.
Кроме вышеперечисленных моделей Apple Computer выпускает портативные компьютеры серии PowerBook. Наибольшую популярность завоевали компьютеры семейства Performa, которые оснащались факс-модемом, что, было удобно для надомной работы.
В 1993 году компания Intel начала промышленный выпуск нового процессора — Intel Pentium (Intel не стал присваивать ему номер 80586). Первые модели работали на тактовой частоте 60 и 66 МГц и объединяли в себе до 3,3 млн. транзисторов. Pentium — это первый 64-разрядный суперскалярный процессор с RISC-ядром, изготовленный по 0,8-микронной технологии BiCMOS. Его основу составляет два пятиступенчатых конвейера, позволяющих выполнять две команды за один такт. Один конвейер выполнял любые операции, как с целочисленными, так и с числами с плавающей точкой, второй выполняет часть целочисленных команд. Все арифметические действия — сложение, вычитание, умножение и деление — реализованы аппаратно. Сочетание этих решений резко повысило производительность процессора, ускорить вычисления за счёт уменьшения обращений к ОЗУ. Обеспечивают два внутренних буфера кэш-памяти — по 8 Кбайт для команд и данных, что позволило работать контейнерам команд не только по чтение, но и по запись. Следующая новинка — система предсказываний ветвлений, благодаря которой при переходе в области памяти запоминается адрес перехода и при повторном обращении переход по этому адресу происходит быстрее.
Впоследствии появились модели с частотой 90 и 100 МГц. Однако вскоре обнаружилась ошибки в устройстве деления, и компании Intel пришлось опубликовать подробное описание этого дефекта. После этого скандала практически все процессоры Pentium стали тестировать, и в прайс-листах появилась надпись BUG FREE!, что буквально можно перевести как «свободно от ошибок».