Аверянов Современная информатика 2011

ценового звена 3,2 ГГц, технология 45 нм) имеет четыре ядра, а точнее пару двуядерных процессора.

Однако дальнейшее и значительное увеличение количества процессорных ядер, которое планируется рядом фирм (особенно производителями серверов), по-видимому, приведет к серьезным проблемам у разработчиков программного обеспечения. Если современные ОС преодолели параллельную обработку для небольшого количества процессорных ядер, однако их значительное увеличение создает серьезные трудности в этой области.

Лидером во внедрении подобных систем являются разработчики МП для серверов. Так, фирма Sun Microsystem для своего процессора последнего поколения Rock, включающего четыре блока по четыре процессорных ядра в каждом, рапортовала о запуске своей десятой версии ОС Solaris 10, адаптированной под Rock. Массовое внедрение подобных разработок для обычных ПК как всегда произойдет в будущем и потребует значительных усилий разработчиков программного обеспечения ПК (ПОПК).

3.2. Персональные компьютеры. Краткая история, функциональные возможности, номенклатура

Персональный компьютер (ПК) – небольшой компьютер, основой которого служит МП, т.е. микрокомпьютер. Однако не все микрокомпьютеры являются персональными компьютерами. Микрокомпьютер может быть ориентирован на решение одной задачи, например на управление станком или регулирование подачи топлива в автомобильный двигатель и т.п. Персональный компьютер, действуя как самостоятельная вычислительная машина, предоставляет в распоряжение индивидуального пользователя самые разнообразные возможности. ПК должен обладать низкой стоимостью (доступной для индивидуального пользователя), малыми размерами, малой потребляемой мощностью; иметь стандартную периферию – монитор, клавиатуру, НМД, печать и т.п., операционную систему, облегчающую взаимодействие пользователя с системой; обладать универсальностью, что дает возможность выполнять обширный набор программ для различных приложений и т.п.

Толчком к развитию персональных компьютеров послужило, прежде всего, создание микропроцессора. При этом динамика раз-

121

вития персональных компьютеров связана с развитием микропроцессоров.

Можно выделить три основных этапа в развитии персональных компьютеров.

Первый характеризуется как этап «самодеятельности», неформального любительского стиля работы, когда в 1974 – 1975 гг. Эд Робертс, основатель фирмы MITS, разработал первый микрокомпьютер, устройство со столь гибкой конструкцией, что его вполне можно было считать первым серийным ПК. Он получил название Altair 8800 и находил спрос, в основном, у любителей знакомых с электроникой и проявляющих интерес к устройству компьютера. Им самим представлялась возможность собирать сложные машины из отдельных конструктивных узлов. Altair использовал восьмиразрядный МП Intel 8080, а в качестве периферии применялись бытовые магнитофоны, телевизионные мониторы и т.п. Эти устройства имели определенный коммерческий успех и высокий потребительский спрос у энтузиастов вычислительной техники и программирования.

Одновременно с этим Пол Аллен, молодой программист из Бостона, в содружестве со студентом Гарвардского университета Биллом (Уильямом) Гейтсом написали программу, реализующую для Altair популярный язык Бейсик. Таким образом, владельцы компьютера получили очень удобный язык, значительно облегчающий составление программ.

Второй этап обычно связывают с основателями фирмы ЭПЛ (Apple) Стефеном Возняком и Стивеном Джобсом в 1977 г., которая в дальнейшем превратилась в корпорацию, вышедшую в мир большого бизнеса и явилась основателем всей отрасли производства персональных компьютеров. Начался выпуск систем блочномодульной конструкции, которые отличались простотой эксплуатации и были рассчитаны на потребителей, не имеющих никакой подготовки в области вычислительной техники. Таким образом, была предпринята попытка внедрить компьютеры в деловую практику и домашний обиход.

И, наконец, третий этап начался в 1981 г., когда корпорация IBM, крупнейший в мире изготовитель оборудования для обработки данных (доминирующая на рынке больших компьютеров), занялась производством и сбытом персональных компьютеров и быст-

122

ро преуспела в своем начинании. Благодаря удачному конструктивному решению персональный компьютер IBM PC очень быстро занял доминирующее положение на рынке персональных компьютеров. В основе конструкции IBM PC заложена концепция «открытой архитектуры» и использования микропроцессоров фирмы Intel.

Достоинство этого решения связано со следующим: возможностью расширения конструкции компьютера и его мо-

дернизации (UPGRADE) без привлечения квалифицированных специалистов и представителей фирмы;

аппаратной и программной совместимостью – все вновь появляющиеся модели и отдельные устройства совместимы сверхувниз;

возможностью изготовления отдельных устройств и сборкой компьютеров различными фирмами-изготовителями и т.п.

Именно благодаря этим достоинствам началось лавинообразное нарастание производства ПК, совместимых с оригинальной моделью IBM, что способствовало снижению их стоимости. Это семейство компьютеров получило название клона IBM.

Впоследствии IBM довольно быстро утратила монополию на контроль рынка ПК. Именно этим объясняется разработка IBM но-

вого семейства: машины IBM PS/1, PS/2, PS/VP и т.д. (PS-Personal System). В этом новом семействе IBM отказывается от принципа открытой архитектуры, компьютеры абсолютно не совместимы на аппаратном (конструктивном) уровне с предыдущими моделями IBM PC, хотя и сохраняют программную совместимость. Однако эта система не имела такой популярности, а девять ведущих американских фирм, объединившись, продолжили линию IBM PC. IBM предприняла очередную попытку обойти конкурентов на рынке персональных компьютеров, объединившись с фирмами Apple и Motorola. Совместными усилиями был разработан новый микропроцессор POWER, однокристальный вариант которого POWER PC используется для персональных компьютеров, разрабатываемых этими фирмами. И хотя по многим параметрам эти ПК значительно превосходят IBM PC, преодолеть монополию IBM PC пока не удается. Поскольку семейство ПК IBM PC – самые распространенные в мире настольные и переносные компьютеры общего пользования, полезно рассмотреть динамику их развития и современное состояние.

123

Первая модель ПК этого семейства IBM PC имела ОП 64 Кбайт, шину расширения – ISA, накопитель на гибких дисках – 360 Кбайт

(1981 г.).

Следующий класс ПК – IBM PC/XT (Extended Technology) –

имел ОП 1 Мбайт, винчестерские диски, процессор 8088 (1983 г.).

В 1984 г. появились ПК IBM PC/AT (Advanced Technology) с

процессором 80286/287, шиной ISA, адресуемой памятью 16 Мбайт и набором стандартной периферии.

Современные тенденции развития этого класса ПК очень сильно связаны с политикой фирмы Intel, которая пытается исключить из рынка производителей МП конкурентов, разрабатывающих аналогичные процессоры. Развитие ПК IBM-клона вступило в этап сегментации, которая определятся спецификациями. Так, спецификация 1999 г., PC99, предусматривала разделение компьютеров по сферам применения на три категории: нижний уровень – базовый офисный или потребительский (Basic Office & Consumer PC), для досуга и развлечений (Entertaiment PC) и рабочие станции (Workstation PC). Многие новые продукты начинают выпускаться сразу в нескольких вариантах, хотя и имеющих единую основу, но ориентированную на разные сегменты рынка.

Для процессоров сегментация проявилась наиболее отчетливо. Фирма Intel выделила три класса процессоров – Celeron для компьютеров базового уровня, Pentium для компьютеров производительного уровня (досуг и развлечения) и Xeon для мощных рабочих станций и серверов. Все они созданы на единой основе*, но отличаются типом разъема – Socket 370 Slot1, Slot2 и т.п., что ограничивает миграцию между сегментами.

При этом существующая тенденция, когда с появлением нового процессора ПК предшествующий тип МП опускается на более низкий уровень приложений, затрудняется.

3.3. Архитектура ПК, системные и локальные шины, состав периферийных устройств

Архитектура ПК определятся системой шин, с помощью которых ЦП связан с ОП и периферийными устройствами.

* За исключением Xeon.

124

Современная архитектура ПК является результатом довольно длительного развития, необходимость которого связана, прежде всего, с эволюцией МП и расширением спектра периферийных устройств, а также повышением их быстродействия.

Чтобы иметь ясное представление о современной архитектуре ПК, полезно посмотреть на динамику ее развития.

На начальном этапе в архитектуре ПК использовалась единая шина (эта конструкция была использована фирмой DEC еще в 1960 – 1970 гг. прошлого столетия для своих мини-компьютеров начального уровня).

ПК изначально также строились на основе одной системной шины ISA (Industry Standard Architecture), EISA (Extended ISA) или MCA (Micro Channel Architecture). Необходимость сохранения ба-

ланса производительности по мере роста быстродействия микропроцессоров привела к двухуровневой организации шин ПК, а затем и к трехуровневой (которая на начальном этапе применялась только в рабочих станциях и серверах). Динамика развития архитектуры отражена на рис. 3.1, 3.2 и 3.3, где представлена организация компьютеров различной производительности. В табл. 3.2 даны характеристики шин, применяемых ПК с начала их производства и до наших дней.

ISA – промышленный стандарт, для архитектуры первых моделей ПК (PC, PC/XT, PC/AT 286,386), характеризуется относительно невысокими скоростями обмена информации по шине и невысокой стоимостью, эта архитектура совместима с фирменными шинами

IBM – XT-bus и AT-bus.

EISA – расширенный промышленный стандарт, предложенный для реализации большого объема адресуемой ОП и ускорения вычислительных и обменных операций ПК с микропроцессорами 80386, 80486, является значительно более дорогостоящим расширением шины ISA, поэтому при многошинной организации, как правило, не применяется.

MCA – стандарт фирмы IBM, разработанный для моделей семейства PS/2. Характеризуется значительным ускорением обмена данными между отдельными устройствами ПК (особенно с ОП), однако эта архитектура совершенно не совместима с ISA и EISA.

VL-bus – локальная шина, предложенная ассоциацией VESA (Video Electronics Standard Association). Предназначена для увели-

125

чения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей (локальной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора). Шина ориентирована на процессор 80486. Следующая спецификация этой шины для процессоров Pentium с ожидавшейся скоростью 400 Мбайт/с дальнейшего распространения не получила.

Рис. 3.1. ISA: все компоненты системы на одной шине

Рис. 3.2. Compaq Desk Pro 386/20: архитектура EISA

126

вами. При работе с процессором 80486 она имеет примерно те же показатели, что и VL-bus. В отличие от последней шина независима от процессора, подключается к нему через специальный адаптер (поэтому название локальной применительно к PCI не совсем точно). Эта шина получила очень широкое распространение и применяется не только вПК, но и врабочихстанциях, исерверах.

Постоянное увеличение тактовой частоты МП, его способность обрабатывать потоки данных до гигабайт в секунду, привело к появлению самой быстрой внешней шины процессора FSB (Front Side Bus), к которой подключились самые быстродействующие устрой-

ства (внешний кэш, ОП, AGP – Accelerated Graphic Port).

Попыткой сбалансировать быстродействие ЦП и ОП является двойная разрядность этой шины (64 разряда) и организация двухканальной ОП. И, наконец, полная согласованность по частоте процессора и внутренней кэш первого уровня была достигнута благодаря размещению еще одной шины (BSB – Back Side Bus) внутри кристалла (об этом уже говорилось).

Конструктивно архитектура ПК (системный интерфейс) реализуется на системной плате и связана с понятием «чипсет» (Chip set)

– набором интегральных схем, формирующих блок вычислительной системы, реализующий все необходимые связи основных компонентов – процессора, памяти и шин расширения.

Два варианта архитектуры ПК для МП фирмы Intel (в современной терминологии – дизайн) представлены на рис. 3.4.

Значительное развитие за истекший период получили также интерфейсы периферийного оборудования. Большую популярность приобрел интерфейс ввода-вывода SCSI (Small Computer System Interface – интерфейс малых вычислительных систем), который, как правило, применяется в высокопроизводительных рабочих станциях и серверах. Этот интерфейс располагается между системной шиной компьютера и периферийными устройствами. Предназначен, прежде всего, для подключения дисковых накопителей, но может использоваться и для подключения других устройств, например сканеров, цифровых осциллографов и т.д. Интерфейс постепенно развивался, увеличивая пропускную способность. Существует множество его разновидностей: SCSI-1, SCSI-2, Ultra 160, Ultra 320 и т.д., некоторые из которых несовместимы друг с другом. Другой широко распространенный интерфейс для подключе-

128

ния периферийных устройств, использующийся, как правило, в ма-

лых системах, – IDE (Integrated Drive Electronics – электроника,

встроенная в диск). Такое название он получил из-за того, что, в отличие от ранних версий SCSI, контроллер управления головками и другими механическими частями был расположен не на системной плате компьютера, а на самом диске. В дальнейшем тот же ин-

терфейс стали называть АТА (Advanced Technology Attachment –

присоединение по передовой технологии).

И SCSI, и АТА – параллельные интерфейсы, т.е. их шина данных состоит из множества проводников (например, 8 или 16) и плюс к ним еще управляющие проводники. Разъемы и кабели данных для параллельных интерфейсов весьма громоздки, и, что самое главное, при выходе из строя хотя бы одного контакта вся система перестает работать. В данный момент идет общая тенденция к переходу на последовательные интерфейсы. В них данные передаются с гораздо большей частотой, но зато для передачи данных может использоваться всего два или четыре контакта. Современный последовательный потомок интерфейса SCSI – SAS (Serial Attached SCSI), потомок интерфейса АТА – SATA (Serial ATA). С появлением интерфейса SATA, обычный АТА, для того чтобы не путаться, стали называть РАТА (Parallel ATA).

В связи с широким распространением мультимедийных приложений и значительным увеличением потоков данных разработан новый стандарт подключения графических адаптеров – AGP (Accelerated Graphics Port), получивший широкое распространение, так как значительно ускоряет обмен с видеоадаптером, не перегружая системную шину PCI.

Современные интерфейсы периферийного оборудования (контроллеры) представлены в табл. 3.3.

Для подключения внешних периферийных устройств (модемы, принтеры, мышь, внешние НМВ и др.) использовались интерфейсы СОМ (от слова Communication – связь) и LPT (Line Print Terminal –

терминал линейной печати). В настоящий момент они заменены более современным последовательным интерфейсом USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина).

129