Файл: Tannenbaum.pdf

38 Глава 1. Предисловие

1
1000

64

1

3,5
625

256
2

10

500

256

4

21
250
512

16

имостью и функциями. В табл. 1.2 показаны некоторые параметры первых моде-

лей из семейства IBM-360.0 других моделях этого семейства мы расскажем ниже.

Таблица 1.2.

 Первые модели серии IBM-360

Параметры Модель 30 Модель 40 Модель 50 Модель 60

Относительная производительность
Время цикла, не

Максимальный объем памяти, Кбайт
Количество байтов, вызываемых

из памяти за 1 цикл
Максимальное количество каналов данных 3 3 4 6

Еще одно нововведение в IBM-360 — мультипрограммирование. В памяти ком-

пьютера могло находиться одновременно несколько программ, и пока одна про-
грамма ждала, когда закончится процесс ввода-вывода, другая выполнялась.

IBM-360 была первой машиной, которая могла полностью имитировать работу

других компьютеров. Маленькие модели могли имитировать IBM-1401, а большие —

IBM-7094, поэтому программисты могли оставлять свои старые программы без

изменений и использовать их в работе с IBM-360. Некоторые модели IBM-360

выполняли программы, написанные для IBM-1401, гораздо быстрее, чем сама

IBM-1401, поэтому не было никакого смысла в переделывании программ.

Компьютеры серии IBM-360 могли имитировать работу других компьютеров,

потому что они создавались с использованием микропрограммирования. Нужно

было всего лишь написать три микропрограммы: одну — для системы команд
IBM-360, другую — для системы команд IBM-1401 и третью — для системы ко-
манд IBM-7094. Требование совместимости было одной из главных причин ис-
пользования микропрограммирования.

IMB-360 удалось разрешить дилемму между двоичной и десятичной системой:

у этого компьютера было 16 регистров по 32 бита для бинарной арифметики, но
память состояла из байтов, как у IBM-1401. В ней использовались такие же коман-
ды для перемещения записей разного размера из одной части памяти в другую, как

и в IBM-1401.

Объем памяти у IBM-360 составлял 2

24

 байтов (16 Мбайт). В те времена такой

объем памяти казался огромным. Серия IBM-360 позднее сменилась серией IBM-370,
затем IBM-4300, IBM-3080, IBM-3090. У всех этих компьютеров была сходная

архитектура. К середине 80-х годов 16 Мбайт памяти стало недостаточно, и ком-
пании IBM пришлось частично отказаться от совместимости, чтобы перейти на

систему адресов в 32 бита, необходимую для памяти объемом в

 2

й

 байтов.

Можно было бы предположить, что поскольку у машин были слова в 32 бита

и регистры, у них вполне могли бы быть и адреса в 32 бита. Но в то время никто не
мог даже представить себе компьютер с объемом памяти 16 Мбайт. Обвинять IBM
в отсутствии предвидения — все равно что обвинять современных производите-
лей персональных компьютеров в том, что адреса в них всего по 32 бита. Возмож-

но, через несколько лет объем памяти компьютеров будет составлять намного боль-

ше 4 Гбайт, и тогда адресов в 32 бита будет недостаточно.

Мир мини-компьютеров сделал большой шаг вперед в третьем поколении

вместе с производством серии компьютеров PDP-11, последователей PDP-8co

Развитие компьютерной архитектуры 39

словами по 16 битов. Во многих отношениях PDP-11 был младшим братом IBM-360,
a PDP-1 - младшим братом IBM-7094. И у IBM-360, и у PDP-11 были регист-

ры, слова, память с байтами, и в обеих сериях были компьютеры разной стоимости
и с разными функциями. PDP-1 широко использовался, особенно в университе-

тах, и компания DEC продолжала лидировать среди производителей мини-
компьютеров.

Четвертое поколение — сверхбольшие

интегральные схемы (1980-?)

Появление

 сверхбольших интегральных

 схем

 (СБИС)

 в 80-х годах позволило

помещать на одну плату сначала десятки тысяч, затем сотни тысяч и, наконец, милли-

оны транзисторов. Это привело к созданию компьютеров меньшего размера и с более
высокой скоростью работы. До появления PDP-1 компьютеры были настолько
большие и дорогостоящие, что компаниям и университетам приходилось иметь
специальные отделы

 (вычислительные центры).

 К 80-м годам цены упали так силь-

но, что возможность приобретать компьютеры появилась не только у организа-

ций, но и у отдельных людей. Началась эра персональных компьютеров.

Персональные компьютеры использовались совсем для других целей. Они при-

менялись для обработки слов, а также для различных диалоговых прикладных
программ, с которыми большие компьютеры не могли работать.

Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов. Каждый

комплект содержал печатную плату, набор интегральных схем, обычно включаю-

щий схему Intel 8080, несколько кабелей, источник питания и иногда 8-дюймовый
дисковод. Сложить из этих частей компьютер покупатель должен был сам. Про-

граммное обеспечение к компьютеру не прилагалось. Покупателю приходилось

самому писать программное обеспечение. Позднее появилась операционная систе-

ма СР/М, написанная Гари Килдаллом для Intel 8080. Эта действующая операци-
онная система помещалась на дискету, она включала в себя систему управления
файлами и интерпретатор для выполнения пользовательских команд, которые на-
бирались с клавиатуры.

Еще один персональный компьютер, Apple (а позднее и Apple II), был разрабо-

тан Стивом Джобсом и Стивом Возняком. Он стал чрезвычайно популярен среди

отдельных покупателей, а также широко использовался в школах, и это сделало
компанию Apple серьезным конкурентом IBM.

Наблюдая за тем, чем занимаются другие компании, компания IBM, лидирую-

щая тогда на компьютерном рынке, тоже решила заняться производством персо-
нальных компьютеров. Но вместо того чтобы конструировать компьютер с нуля,
что заняло бы слишком много времени, компания IBM предоставила одному из

своих работников, Филипу Эстриджу, большую сумму денег, приказала ему от-
правиться куда-нибудь подальше от вмешивающихся во все бюрократов главного

управления компании, находящегося в Нью-Йорке, и не возвращаться, пока не
будет сконструирован действующий персональный компьютер. Эстридж открыл

предприятие достаточно далеко от главного управления компании (во Флориде),
взял Intel 8088 в качестве центрального процессора и создал персональный ком-
пьютер из серийных компонентов. Этот компьютер (IBM PC) появился в 1981 году

и

 стал самым покупаемым компьютером в истории.

40 Глава 1. Предисловие

Но компания IBM сделала одну вещь, о которой она позже пожалела. Вместо

того чтобы держать проект машины в секрете (или по крайней мере оградить себя

патентами), как она обычно делала, компания опубликовала полные проекты, вклю-

чая все электронные схемы, в книге стоимостью $49. Эта книга была опубликована
для того, чтобы другие компании могли производить сменные платы для IBM PC,
что повысило бы совместимость и популярность этого компьютера. К несчастью

для IBM, как только проект IBM PC стал широко известен, поскольку все состав-

ные части компьютера можно было легко приобрести, многие компании начали

делать клоны PC и часто продавали их гораздо дешевле, чем IBM. Так началось

бурное производство персональных компьютеров.

Хотя некоторые компании (такие как Commodore, Apple, Amiga, Atari) произ-

водили персональные компьютеры с использованием своих процессоров, а не Intel,

потенциал производства IBM PC был настолько велик, что другим компаниям

приходилось пробиваться с трудом. Выжить удалось только некоторым из них,
и то потому, что они специализировались в узких областях, например в производ-
стве рабочих станций или суперкомпьютеров.

Первая версия IBM PC была оснащена операционной системой MS-DOS, ко-

торую выпускала тогда еще крошечная корпорация Microsoft. IBM и Microsoft со-

вместно разработали последовавшую за MS-DOS операционную систему OS/2,
характерной чертой которой был графический интерфейс, 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 причиной грандиозного раздора между IBM и Microsoft. Легенда о том,

как крошечная компания Intel и компания Microsoft, которая была еще меньше,

чем Intel, умудрились свергнуть IBM, одну из самых крупных, самых богатых и са-

мых влиятельных корпораций в мировой истории, подробно излагается в бизнес-
школах по всему миру.

В середине 80-х годов на смену CISC

1

 пришел RISC

2

. Команды RISC были про-

ще и работали гораздо быстрее. В 90-х годах появились суперскалярные процессо-
ры, которые могли выполнять много команд одновременно, часто не в том порядке,
в котором они появляются в программе. Мы введем понятия RISC, CISC и супер-

скалярного процессора в главе 2 и обсудим их подробно.

Типы компьютеров

В предыдущем разделе мы кратко изложили историю компьютерных систем. В этом

разделе мы расскажем о положении дел в настоящий момент и сделаем некоторые
предположения на будущее. Хотя наиболее известны персональные компьютеры,
в наши дни существуют и другие типы машин, поэтому стоит кратко рассказать о них.

1

 Complex instruction set computer — компьютер на микропроцессоре с полным набором команд.

Примеч. перев.

2

 Reduced instruction set computer — компьютер с сокращенным набором команд. —

 Примеч. перев.

Типы компьютеров

41

Технологические и экономические аспекты

Компьютерная промышленность двигается вперед как никакая другая. Главная

движущая сила — способность производителей помещать с каждым годом все боль-

ше и больше транзисторов на микросхему. Чем больше транзисторов (крошечных
электронных переключателей), тем больше объем памяти и мощнее процессоры.

Степень технологического прогресса можно наблюдать, используя

 закон Мура,

названный в честь одного из основателей и главы компании Intel Гордона Мура,

который открыл его в 1965 году. Когда Мур готовил доклад для промышленной
группы, то заметил, что каждое новое поколение микросхем появляется через три

года после предыдущего. Поскольку у каждого нового поколения компьютеров

было в 4 раза больше памяти, чем у предыдущего, он понял, что число транзисто-

ров на микросхеме возрастает на постоянную величину, и, таким образом, этот рост

можно предсказывать на годы вперед. Закон Мура гласит, что число транзисторов
на одной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев, то есть увеличивается на
60% каждый год. Размеры микросхем и даты их производства, показанные на
рис. 1.6, подтверждают, что закон Мура до сих пор действует.

100000000

10000000

1000000

з 100000
о.

| 10000

2 юоо

(О

3 юо

10

1

1965 1970 1975

4К

- 1К

I

64К

16К

I

256К

1

16М

  ^ »

4М

I

1980

Год

1985 1990 1995

Рис.

 1.6. Закон Мура предсказывает, что количество транзисторов на одной микросхеме

увеличивается на 60% каждый год. Точки на графике — размер памяти в битах

Конечно, закон Мура — это вообще не закон, а просто эмпирическое наблюдение

о том, с какой скоростью физики и инженеры-технологи развивают компьютерные
технологии, и предсказание, что с такой скоростью они будут работать и в будущем.

Многие специалисты считают, что закон Мура действует и в XXI веке, возможно,

до 2020 года. Вероятно, транзисторы скоро будут состоять всего лишь из нескольких

атомов, хотя достижения квантовой компьютерной техники, может быть, позво-

лят использовать для размещения 1 бита спин одного электрона.

Закон Мура связан с тем, что некоторые экономисты называют

 эффективным

циклом.

 Достижения в компьютерных технологиях (увеличение количества тран-

зисторов на одной микросхеме) приводят к продукции лучшего качества и более
низким ценам. Низкие цены ведут к появлению новых прикладных программ (ни-
кому не приходило в голову разрабатывать компьютерные игры, когда каждый
компьютер стоил $10 млн). Новые прикладные программы приводят к возникно-
вению новых компьютерных рынков и новых компаний. Существование всех этих

42 Глава 1 Предисловие

компаний ведет к конкуренции между ними, которая, в свою очередь, создает эко-
номический спрос на лучшие технологии. Круг замыкается.

Еще один фактор развития компьютерных технологий — первый натановский

закон программного обеспечения, названный в честь Натана Мирвольда, главного

администратора компании Microsoft Этот закон гласит: «Программное обеспече-

ние — это газ. Оно распространяется и полностью заполняет резервуар, в котором

находится» В 80-е годы электронная обработка текстов осуществлялась програм-

мой troff (программа troff использовалась при создании этой книги). Troff занима-
ет несколько десятков килобайтов памяти. Современные электронные редакторы

занимают десятки мегабайтов. В будущем, несомненно, они будут занимать десятки

гигабайтов. Программное обеспечение продолжает развиваться и создает посто-

янный спрос на процессоры, работающие с более высокой скоростью, на больший

объем памяти, на большую производительность устройств ввода-вывода.

С каждым годом происходит стремительное увеличение количества транзисторов

на одной микросхеме. Отметим, что достижения в развитии других частей компью-

тера столь же велики. Например, у IBM PC/XT, появившегося в 1982 году, объем
жесткого диска составлял всего 10 Мбайт, гораздо меньше, чем у большинства
современных настольных компьютеров. Подсчитать, насколько быстро происхо-
дит совершенствование жесткого диска, гораздо сложнее, поскольку тут есть не-

сколько параметров (объем, скорость передачи данных, цена и т. д ), но измерение

любого из этих параметров покажет, что показатели возрастают, по крайней мере,

на 50% в год.

Крупные достижения наблюдаются также и в сфере телекоммуникаций и со-

здания сетей. Меньше чем за два десятилетия мы пришли от модемов, передаю-

щих информацию со скоростью 300 бит/с, к аналоговым модемам, работающим

со скоростью 56 Кбит/с, телефонным линиям ISDN, где скорость передачи ин-

формации 2x64 Кбит/с, оптико-волоконным сетям, где скорость уже больше чем

1 Гбит/с. Оптико-волоконные трансатлантические телефонные кабели (например,

ТАТ-12/13) стоят около $700 млн, действуют в течение 10 лет и могут передавать

300 000 звонков одновременно, поэтому стоимость 10-минутной межконтиненталь-

ной связи составляет менее 1 цента Лабораторные исследования подтвердили, что

возможны системы связи, работающие со скоростью 1 терабит/с (10

12

 бит/с) на рас-

стоянии более 100 км без усилителей, Едва ли нужно упоминать здесь о развитии

сети Интернет.

Широкий спектр компьютеров

Ричард Хамминг, бывший исследователь из Bell Laboratories, заметил, что коли-
чественное изменение величины на порядок ведет к качественному изменению.
Например, гоночная машина, которая может ездить со скоростью 1000 км/ч по
пустыне Невада, коренным образом отличается от обычной машины, которая
ездит со скоростью 100 км/ч по шоссе Точно так же небоскреб в 100 этажей несо-
поставим с десятиэтажным многоквартирным домом А если речь идет о компью-

терах, то тут за три десятилетия количественные показатели увеличились не в 10,

а в 1 000 000 раз.