4431

61

с профессиональными мини-ЭВМ. Именно поэтому первоначально их чаще называли "домашними", а не "персональными".

Открытость архитектуры IBM PC повлияла на развитие персональных компьютеров:

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

2.Очень скоро многие фирмы перестали довольствоваться ролью производителей комплектующих для IBM PC и начали сами собирать компьютеры, совместимые с IBM PC. Поскольку этим фирмам не требовалось нести огромные издержки фирмы "IBM" на исследования и поддержание структуры громадной фирмы, они смогли продавать свои компьютеры значительно дешевле (иногда в 2—3 раза) аналогичных компьютеров фирмы "IBM". Совместимые с IBM PC компьютеры вначале стали называть «клонами», но эта кличка не прижилась, так как многие фирмы-производители IBM PCсовместимых компьютеров стали реализовывать технические достижения быстрее, чем сама "IBM".

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

Все это привело к удешевлению IBM PC-совместимых компьютеров и стремительному улучшению их характеристик, а значит, к росту их популярности.

Фирма "IBM" произвела в этой области настоящий переворот. Так как еще до появления ее первого ПК IBM была фирмой-производителем больших вычислительных систем и мини-ЭВМ, она просто перенесла модульный принцип их построения в структуру ПК.

Именно в этом смысле его открытая архитектура допускает замену дополнительных устройств на новые при старении прежних. Это качество поддерживается строго соблюдаемым правилом, выработанным производителями аппаратных и программных средств: все новые устройства и программы должны быть совместимыми по принципу "сверху - вниз", то есть последующие версии должны обслуживать все ранее существовавшее. Например: пользователь приобрел ПК IBM РС с одним монитором, а через 1—2 года на рынке появился другой адаптер и монитор. Даже неспециалист в

62

состоянии извлечь из системы устаревшее устройство и заменить его новым. Еще через 2 года появился улучшенный цветной графический контроллер. Пользователь вновь заменяет лишь один из компонентов ПК и так далее. Преимущества подобного подхода очевидны: во-первых, нет необходимости в замене системы в целом, если возможно ее обновление "по частям", во-вторых, совершенствование ПК становится уделом самого пользователя, который вследствие своей близости к конкретному применению ПК лучше представляет себе, что требуется от системы, а в-третьих, процесс ремонта сводится к замене отдельного элемента, а не устройства в целом, что можно делать намного быстрее.

Именно вследствие удачного конструктивного решения через короткий срок после рождения IBM PC (IBM Personal Computer) началось лавинообразное нарастание производства ПК, совместимых с оригинальной моделью. Достаточно сказать, что производитель прежде весьма популярных в свое время микрокомпьютеров TRS-80 фирма "Tandy Corporation" достаточно быстро освоила производство IBM-совместимых ПК, эффективно переориентировав производство. Модели ПК выпускаются и другими фирмами. Как правило, они полностью совместимы с соответствующими моделями "IBM", но стоят дешевле (иногда весьма значительно). Это семейство микрокомпьютеров получило название "клона" IBM. Так как сам по себе принцип открытой архитектуры не подлежит авторской и патентной защите, то вследствие "клонирования" ПК сторонними производителями фирма "IBM" начала быстро утрачивать монополию на контроль рынка ПК и терять доходы. Только тогда специалисты IBM поняли, насколько замечательное решение они предложили. Можно сказать, что в этом отношении фирма сработала частично против себя, но от этого выиграли потребители. Любая из моделей "клона" оказывалась в конечном счете лучше своего прототипа (по быстродействию, дизайну и т.д.), то есть "IBM" как бы инициировала процесс разработки очередного ПК, а затем другие производители всесторонне совершенствовали каждую из моделей. Неудивительно, что к настоящему моменту, "IBM" имея в руках весь арсенал сверхсовременных технологий, является хоть и самым крупным, но не самым популярным производителем ПК своей собственной архитектуры; и совсем не ее модели занимают первые места в рейтинге ПК.

Развитие модельного ряда компьютеров фирмы "IBM"

Первая модель ПК IBM - IBM PC (IBM Personal Computer), созданная в 1981

году, использовала микропроцессор Intel 8088 и имела 64 КБ оперативной

63

памяти, магнитофон для загрузки/(сохранения) программ и данных, дисковод и встроенную версию языка BASIC. Через два года в 1983 году эта модель была усовершенствована. Новая модификация получила название "расширенного"

ПК - IBM PC/XT (Personal Computer/eXTended version).

Производители отказались от использовании магнитофона в качестве накопителем информации, добавили второй дисковод гибких дисков, а также возможность использования жесткого диска емкостью 10-30 МБ. В настоящее время наличие жесткого диска в ПК XT является практически обязательным. Модель базировалась на использовании того же микропроцессора Intel 8088.

Компьютер IBM PC/AT

Вследствие естественного прогресса в области разработки и производства микропроцессорной техники фирма "Intel" — постоянный партнер "IBM" — освоила выпуск новой серии процессоров Intel 80286. В 1985 году появилась и новая модель ПК IBM. Она получила название IBM PC/AT (Personal Computer/Advanced Technology) — "ПК усовершенствованной технологии". В связи с использованием нового микропроцессора производительность системы возросла более чем вдвое. Она укомплектована дисководами гибких дисков нового типа (с устроенным объемом хранимой информации), жестким диском от 40 МБ и выше. Шина ПК расширена до 16 бит.

Компьютер PS/2

Накал конкурентной борьбы заставил разработчиков "IBM" на время отказаться от принципа "открытой архитектуры". Новое семейство моделей ПК IBM получило название PS/2 (Personal System 2 — "персональная система/2"). Она абсолютно несовместима с первым поколением на аппаратном уровне, но сохраняет совместимость на уровне программного обеспечения. В модели PS/2 фирма заявила о своем переходе на новую шинную архитектуру — микроканальную (Micro Channel Architecture, MCA).

Это позволило отгородиться от сторонних производителей, но ограничило потребителей в выборе: все дополнительные устройства для этих ПК выпускает только сама "IBM", другие фирмы ее практически не поддерживают. Первые модели семейства PS/2 использовали микропроцессор Intel 80286 и фактически копировали ПК AT, но на базе иной архитектуры. Затем "IBM" начала использовать микропроцессор Intel 80386, а затем Intel 80486.

Компьютер IBM PC/AT-386

Новая модель ПК на базе очередного поколения микропроцессоров Intel 80386 (ПК 386) была впервые разработана уже не "IBM", а фирмой "Compaq" в 1987 году. Этот ПК мог работать в реально многозадачном и многопользовательском режимах. С некоторым запозданием "IBM" выпустила компьютер такого класса, как новую модель семейства PS/2.

64

Вцелом, надежды фирмы "IBM", возлагавшиеся на концепцию новой архитектуры PS/2 так называемую микроканальную (кстати, 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 "Compaq", "Zenith", "AST", "Apricot" и др.) разработали модели ПК 386 на основе использования прежней архитектуры. С этот момента фирма "IBM", породившая ПК как идеологию, перестала быть его самым популярным производителем. Сотни фирм в десятках стран мира производят модели клона "IBM", включая модель с микропроцессором Intel 80386, причем эти модели раскупаются едва ли не охотнее, чем PS/2 фирмы "IBM". Первое место среди различных вариантов модели ПК 386 (по данным 1989 года) занимал микрокомпьютер Compaq DeskPro/386.

Компьютер на базе процессоров Intel 486 (IBM PC/AT-486)

Именно с появлением Intel 386™ и его клонов, стала зарождаться платформа Wintel (Windows+Intel). Производительность и возможности процессоров третьего поколения была востребована с появлением новых версий программного обеспечения.

В1989 году корпорация "Intel" выпускает свой очередной процессор — Intel 486™ DX (25 МГц, 33МГц и 50 МГц). Intel 486 ™ DX стал первым процессором

всемействе 486 и имел значительный прирост производительности по сравнению с семейством 386 (до 100-150% при той же тактовой частоте).

Прирост производительности был получен благодаря следующим улучшениям: стало меньше время исполнения команд, за счет уменьшения требуемого числа тактов; увеличения степени конвейеризации; введения кэшпамяти первого уровня; интеграции математического сопроцессора. По своей сути, процессор Intel 486™DX представлял собой быстрый Intel 386DX™, объединенный с математическим сопроцессором и 8 Кб кэш-памяти на одном кристалле. Такая интеграция позволила увеличить скорость коммуникаций между блоками до очень высоких значений. Однако именно из-за этого размер кристалла оказался большим, и при изготовлении неизбежно снизился процент выхода годных кристаллов. Поэтому правдоподобной выглядит история о том, что процент выхода годных процессоров Intel 486™ DX и послужил причиной появления процессоров Intel 486™ SX (1991 год). Стоимость процессора была значительно ниже за счет того, что исключался один этап тестирования.

Вмаркировке Intel 486™ SX (16 МГц, 25МГц, и 33МГц), в отличие от предыдущего поколения, буквенный индекс означает отсутствие встроенного математического сопроцессора при полной 32-разрядности.

65

С выходом процессоров семейства 486, фирмой "Intel" осенью 1989 г. была развернута рекламная кампания, ставшая предшественницей программы "Intel Inside". В лозунге "Intel: The Computer Inside", утвержденный в 1990 г., была заложена ключевая мысль, которую корпорация стремилась донести до потребителя. Чуть позже он был сокращен до "Intel Inside" (рекламная кампания "Intel Inside" была официально развернута в июле 1991 года).

Ктому времени "Intel" уже лишилась прав собственности на товарные знаки х86, и теперь подобные наименования использовали множество производителей. Тогда и обострилась конкурентная борьба между производителями процессоров x86.

Кмоменту выходу Intel 486™ DX-33 ни один процессор не мог сравниться с ним по производительности, но в достаточно короткий срок, производители, конкуренты "Intel", смогли предложить свои решения, соизмеримые по производительности с продуктами "Intel" и даже превосходящие их: на рынке появились процессоры серии AMD 486™ от "AMD", M6 и M7 (известные как Cx486) от "Cyrix", TI486 от "Texas Instruments". Выпустили свои аналоги и

"IBM", "UMC", "SGS-Thomson".

При достижении Intel 486™DX тактовой частоты в 50 МГц возникла определенная проблема: во-первых, сам процессор требовал эффективного охлаждения из-за большой рассеиваемой мощности, во-вторых, не все компоненты системы могли работать в таком темпе. Стоит помнить, что в то время распространенной была локальная шина VESA VL-bus, весьма чувствительная к частоте (не более двух устройств при частоту свыше 33 МГц) из-за своего устройства, а шина PCI (инициатива Intel) только начала устанавливаться.

Последующее увеличение производительности процессоров стало возможно за счет введения умножения частоты внешней шины в 1992 году. Это решение позволило обойти проблему сложности увеличения частоты шины: частота внешней шины осталась на привычных 25 МГц и 33 МГц, а сам процессор работал на вдвое большей частоте: 50 МГц и 66 МГц (Intel 486™ DX2 — 50

МГц и 66 МГц, Intel 486™ SX2 — 50 МГц).

Intel 486™ DX2 надолго стал "классическим процессором". "Intel" продал огромное число процессоров, впрочем, как и "AMD" с "Cyrix". IBM присоединились значительно позже, когда покупатели уже переключили свой интерес на последние, самые производительные процессоры семейства 486: Intel 486™ DX4 и Am486DX4, использующие утроение частоты и достигающие частот в 100 МГц и более.

Intel 486™ DX4 продолжил направление, начатое Intel 486™DX2, допускающий работу быстрых процессоров на "медленных" платах. Процессор

66

использовал утроение частоты. Процессоры DX4 от Intel работали на 75 МГц и 100 МГц. Для обеспечения работы процессора на такой частоте потребовалось уменьшить напряжение питания процессора до 3,3 В. Кстати, с таким напряжением питания выпускались и процессоры DX2, но фирмами "AMD" и "Cyrix". Кроме того, "AMD" выпускала процессоры DX4 с внутренней частотой 120 МГц. Вообще, процессоры DX4 от "Intel", "AMD" и "Cyrix" имели очень схожие параметры, но были и некоторые отличия: процессоры "Intel" имели больший (16 Кб) объём кэш-памяти с прямой записью, а процессоры "AMD" и "Cyrix" имели 8 Кб кэш-памяти, но поддерживали режим обратной записи. В процессорах стала широко применяться система управления энергопотребления.

Персональные компьютеры семейства Pentium

Развитие семейства персональных компьютеров Pentium можно проследить по таблице 3.3.

Таблица 3.3

Основные характеристики IBM PC на процессорах Pentium

67

IV. Развитие компьютерных технологий

4.1. Спецификации персонального компьютера

Под эгидой фирмы "Intel", играющей ведущую роль на рынке микропроцессоров, ежегодно проводится форум IDF (Intel Developers Forum), который определяет идеологию в мире по производству основных компонентов ПК и которых следует придерживаться в ближайший период (2 года). Так, наибольшую известность в последние годы получила спецификация PC System Design Guide (PC99). Согласно данному документу производится жесткое разделения ПК на классы. В частности, предусматривалось 5 классов ПК: Office PC (офисный), Consumer PC (массовый), Entertainment PC (развлекательный), Workstation РС (рабочая станция) и Mobile РС (ноутбук). Фирмы "Intel" всегда задавала ориентиры для разработчиков и производителей компьютерных систем различных классов — от настольных до мобильных ПК и рабочих станций. Документ утверждается раз в два года и предопределяет архитектурные тенденции вплоть до принятия следующей редакции документа. Интересно, что до сих пор в силе остаются многие рекомендации, изложенные в PC 99 System Design Guide. С развитием технологий и сфер применения ПК начали стираться грани между некоторыми классами (например, Consumer и Entertainment PC). Расширилась номенклатура периферийного оборудования и компонентов компьютера, а также мобильных ПК (портативных компьютеров), появились новые линейки компьютерной техники (коммуникаторы, планшетные ПК). Все это вызвало сложность многоуровневой классификации.

Для каждой категории определялась примерная конфигурация и задавались диапазоны производительности и другие технические характеристики. Однако намерения теоретиков-систематизаторов столкнулись с реалиями практиковпроизводителей, так как наращивалась производительность всех компонентов ПК, изобретались новые интерфейсы, порты ввода-вывода, так что PCстандарты стали умирать, едва родившись.

Следующая базовая спецификация компьютеров, получившая название PC2001 (См.таблицу 4.1), значительно изменила подход к этому вопросу. Так как же представляет "Intel" наше будущее? Теперь все, что не является Workstation (рабочей станцией) и Mobile (ноутбуком), подпадает под категорию PC System. И именно требования для PC System (образца PC 2001) применимы к машинам, которые в тексте PC 99 Design Guide классифицировались как Office

PC.

PC2001 содержит следующие требования. Проведем некоторые из них:

68

удалены замечания по поддержки уже устоявшихся стандартов, типа Plug&Play; отказ от устаревших технологий (например, разъем ISA, PS/2 порты); ликвидировать 1.2/1.44 Мбайт дисководы; никакой поддержки MS-DOS и др. Требование к основному графическому адаптеру: поддержка AGP 2X и выше. Поддержка USB в PC2001 системах должна присутствовать. И даже версии USB 2.0 - 480 Мбит/с. Как минимум один USB порт должен быть у ноутбуков. Обязательным требованием является поддержка DirectDraw и Direct3D. Требование к скорости дисководов CD-ROM - минимум 8X, требование к DVDROM дисководам читать все стандарты, такие как DVD-RAM, DVD+RW диски, и разнообразные форматы CD дисков. Модем, используемый в PC2001 системах, должен обладать поддержкой V.90, V.42, V.42bis и V.80. От внешнего модема требуется поддержка USB.

Что такое средний PC 2001 года, каким его видят Intel & Microsoft:

Таблица 4.1

Персональный компьютер спецификации PC 2001

Энергосбережение: минимум ACPI 1.0b

Поддержка в BIOS: загрузка с CD/DVD дисководов, с USB устройств и через сеть, уникальный идентификатор PC для удаленной загрузки через сеть. Такие требования выглядят вполне разумными для 2001 года, учитывая, что это минимум.

Что касается последующих спецификаций персональных компьютеров, то новой информации по 2003—04 годам в публикациях не встречается. Это можно объяснить большой номенклатурой различных компьютеров, выпускаемых как крупными корпорациями, так и фирмами, занимающимися сборочным производством.

4.2. Сверхоперативная память – кэш (cache)

Все полезные вычисления производятся в главной части микропроцессора в АЛУ (арифметико-логическое устройство). Поэтому главная задача производителей микропроцессоров состоит в том, чтобы данные и команды как

69

можно быстрее поступили в АЛУ, поскольку именно там происходят все вычислительные процессы.

Рассмотрим технологический процесс обработки. Вначале данные хранятся на бумаге. Их вводят посредством клавиатуры, мыши, сканера. Устройства ввода/(вывода) — самые медлительные. Довольно медленно работают и сети. Но эта проблема не технологическая, а финансовая. Быстрые каналы связи стоят очень дорого, поэтому многие используют модемы и домашние сети, которые никак не могут сравниться по скорости работы с оперативной памятью. Последнее время начали использоваться высокоскоростные порты типа USB 2.0 и FireWire, однако они передают данные на небольшие расстояния, ограниченные несколькими метрами.

Скорость передачи данных с жесткого диска также ограничена. На скорости считывания данных сказывается скорость вращения жесткого диска, плотность его записи и количество считывающих головок, интерфейс. Появление новых HDD с интерфейсом SATA и с частотой вращения 10000 оборотов в минуту не сильно изменило ситуацию. Параметры передачи данных улучшились не более чем на 50%.

Похожая ситуация сложилась и с оперативной памятью: при переходе от SDRAM к более быстрой DDR SDRAM каких-то значительных изменений в скорости работы не наблюдается. Не спасает положение и двухканальный режим работы DDR. Исследования показали, что новый стандарт DDR II тоже не даст ощутимого прироста скорости. При увеличении частоты работы памяти и уменьшении таймингов (количества тактов, которые требуются для доступа к ячейке) финансовые затраты намного более ощутимы, чем прирост производительности.

А теперь рассмотрим кэш. Его производительность должна расти вместе с процессором, поскольку теперь он располагается на кристалле и работает, как утверждают разработчики, на частоте микропроцессора (CPU). С другой стороны, логично предположить, чем больше памяти, тем она медленнее. Чем ближе к АЛУ, тем меньше должно быть памяти. За последнее десятилетие частоты процессоров возросли от считанных мегагерц до нескольких гигагерц. Частоты оперативной памяти с трудом достигают 200 МГц, если не учитывать всевозможные дуальные режимы (типа DDR II и Dual Channel DDR). А вот объемы памяти возросли. Винчестеры от нескольких десятков мегабайт увеличились в объеме до сотен гигабайт. От нескольких мегабайт до нескольких гигабайт прибавила в весе оперативная память. Кэш увеличился от нескольких

70

килобайт до нескольких мегабайт. То есть в индустрии памяти производители делают ставку совсем не на скорость работы памяти, а на ее объем.

Намного быстрее загрузить текст из Интернета, чем набирать на клавиатуре. Если программа находится в оперативной памяти, то она быстрее развернется и будет доступней, чем грузить ее с HDD. Если нужной программы нет в памяти, то операционная система довольно долго будет ее вылавливать, ища на винчестере. Кэш хранит часто используемые данные из оперативки, и, если нужной информации в кэш не оказалось, приходится обращаться в оперативку, а если ее нет и там, то к HDD. При этом скорость все меньше и меньше. Вот разработчики стремятся к тому, чтобы на каждом уровне иерархии памяти ее было больше. Чтобы загрузил один раз — и не нужно больше обращаться на нижний уровень по узким каналам. То есть вместо того чтобы стремиться увеличить скорости между ступенями, они стараются иметь больше памяти, которая и так уже быстрая. Больше винчестер, больше оперативки, больше кэш. А как же эффективность?

Кэш эффективен на небольших последовательных объемах данных. Если процессор обращается в кэш и не находит там нужной ячейки, то из оперативной памяти подгружается целая строка. То есть не только искомая ячейка, но и все, что были по соседству. За счет этого повышается вероятность того, что при следующем запросе нужные данные окажутся в кэш и не нужно тратить время на обращение к более медленной оперативной памяти. И действительно, если были запрошены первые три байта программы из памяти, то придется загрузить и следующие шестьсот. Однако кэш не спасает от работы с большими массивами данных (видео, звук, графика, архивы). Такие файлы просто не помещаются в кэш, поэтому все время приходится обращаться к оперативной памяти или даже к HDD. В таких случаях все преимущества исчезают.

Тяжело кэш-памяти приходится, если обращения идут не к последовательным адресам, а к случайным. Тут вероятность того, что нужных данных не окажется, повышается. И снова CPU приходится простаивать в ожидании загрузки нужной ячейки из оперативки. Итак, становится понятно, что увеличить быстродействие кэш и его объем недостаточно — нужно реформировать всю иерархию памяти ПК.

Кэш быстрее оперативной памяти, отчасти благодаря своему положению. Ведь линии связи, идущие по материнской плате, и разъем пагубно влияют на скорость. Кэш современного персонального компьютера расположен прямо на процессоре, благодаря чему удалось сократить линии связи и улучшить их