Файл: Tannenbaum.pdf

Типы компьютеров

 43

Развивать компьютерные технологии можно двумя путями: или создавать ком-

пьютеры все большей и большей мощности при постоянной цене, или выпускать
один и тот же компьютер, с каждым годом снижая цену. Компьютерная про-
мышленность использует оба эти пути, создавая широкий спектр разнообразных
компьютеров. Очень приблизительная классификация современных компьютеров
представлена в табл. 1.3.

Таблица 1.3.

 Типы современных компьютеров. Указанные цены приблизительны

Тип Цена ($) Сфера применения

«Одноразовые» компьютеры 1 Поздравительные открытки
Встроенные компьютеры 10 Часы, машины, различные приборы
Игровые компьютеры 100 Домашние компьютерные игры
Персональные компьютеры 1000 Настольные и портативные компьютеры

Серверы 10 000 Сетевые серверы

Рабочие станции 100 000 Мини-суперкомпьютеры
Большие компьютеры 1 000 000 Обработка пакетных данных в банке

Суперкомпьютеры 10 000 000 Предсказание погоды на длительный срок

В самой верхней строчке находятся микросхемы, которые приклеиваются на

внутреннюю сторону поздравительных открыток для проигрывания мелодий

«Happy Birthday», свадебного марша или чего-нибудь подобного. Автор идеи еще

не придумал открытки с соболезнованиями, которые играют похоронный марш,
но поскольку он выпустил эту идею в потребительскую сферу, вскоре можно бу-

дет ожидать появления и таких открыток. Тот, кто воспитывался на компьютерах

стоимостью в миллионы долларов, воспринимает такие доступные всем компьюте-
ры примерно так же, как доступный всем самолет. Тем не менее такие компьютеры,
вне всяких сомнений, должны существовать (а как насчет говорящих мешков для
мусора, которые просят вас не выбрасывать алюминиевые банки?).

Вторая строчка — компьютеры, которые помещаются внутрь телефонов, теле-

визоров, микроволновых печей, CD-плейеров, игрушек, кукол и т. п. Через несколь-
ко лет во всех электрических приборах будут находиться встроенные компьютеры,

количество которых будет измеряться в миллиардах. Такие компьютеры состоят
из процессора, памяти менее 1 Мбайт и устройств ввода-вывода, и все это на одной

маленькой микросхеме, которая стоит всего несколько долларов.

Следующая строка — игровые компьютеры. Это обычные компьютеры с осо-

бой графикой, но с ограниченным программным обеспечением и почти полным
отсутствием открытости, то есть возможности перепрограммирования. Примерно
равны им по стоимости электронные записные книжки и прочие карманные компью-
теры, а также сетевые компьютеры и web-терминалы. Все они содержат процессор,

несколько мегабайтов памяти, какой-либо дисплей (может быть, даже телевизи-

онный) и больше ничего. Поэтому они такие дешевые.

Далее идут персональные компьютеры. Именно они ассоциируются у большин-

ства людей со словом «компьютер». Персональные компьютеры бывают двух видов:

настольные и ноутбуки. Они обычно содержат несколько мегабайтов памяти, жест-
кий диск с данными на несколько гигабайтов, CD-ROM, модем, звуковую карту

44 Глава 1. Предисловие

и

 другие периферийные устройства. Они снабжены сложными операционными

системами, имеют возможность наращивания, при работе с ними используется
широкий спектр программного обеспечения. Компьютеры с процессором Intel
обычно называются «персональными компьютерами», а компьютеры с другими
процессорами — «рабочими станциями», хотя особой разницы между ними нет.

Персональные компьютеры и рабочие станции часто используются в качестве

сетевых серверов как для локальных сетей (обычно в пределах одной организации),
так и для Интернета. У этих компьютеров обычно один или несколько процессоров,
несколько гигабайтов памяти и много Гбайт на диске. Такие компьютеры способны
работать в сети с очень высокой скоростью. Некоторые из них могут обрабатывать

тысячи поступающих сообщений одновременно.

Помимо небольших серверов с несколькими процессорами существуют системы,

которые называются

 сетями рабочих станций (NOW — Networks of Workstations)

или

 кластерами рабочих станций (COW — Clusters of Workstations).

 Они состо-

ят из обычных персональных компьютеров или рабочих станций, связанных в сеть,

по которой информация передается со скоростью 1 Гбит/с, и специального про-

граммного обеспечения, позволяющего всем машинам одновременно работать над

одной задачей. Такие системы широко применяются в науке и технике. Кластеры
рабочих станций могут включать в себя от нескольких компьютеров до нескольких

тысяч. Благодаря низкой цене компонентов отдельные организации могут приобре-
тать такие машины, которые по эффективности являются мини-суперкомпьютерами.

А теперь мы дошли до больших компьютеров размером с комнату, напоминаю-

щих компьютеры 60-х годов. В большинстве случаев эти системы — прямые по-

томки больших компьютеров серии IBM-360. Обычно они работают ненамного

быстрее, чем мощные серверы, но у них выше скорость процессов ввода-вывода и
обладают они довольно большим пространством на диске — 1 терабайт и более
(1 терабайт=10

12

байт). Такие системы стоят очень дорого и требуют крупных вло-

жений в программное обеспечение, данные и персонал, обслуживающий эти ком-

пьютеры. Многие компании считают, что дешевле заплатить несколько миллионов

долларов один раз за такую систему, чем даже думать о том, что нужно будет зано-

во программировать все прикладные программы для маленьких компьютеров.

Именно этот класс компьютеров привел к проблеме 2000 года. Проблема воз-

никла из-за того, что в 60-е и 70-е годы программисты, пишущие программы на

языке COBOL, представляли год двузначным десятичным числом с целью экономии

памяти. Они не смогли предвидеть, что их программное обеспечение будет исполь-

зоваться через три или четыре десятилетия. Многие компании повторили ту же
ошибку, добавив к числу года только два десятичных разряда. Автор этой книги

предсказывает, что конец цивилизации произойдет в полночь 31 декабря 9999 года,
когда сразу уничтожатся все COBOL-программы, написанные за 8000 лет

1

.

Вслед за большими компьютерами идут настоящие суперкомпьютеры. Их про-

цессоры работают с очень высокой скоростью, объем памяти у них составляет мно-

жество гигабайтов, диски и сети также работают очень быстро. В последние годы
многие суперкомпьютеры стали очень похожи, они почти не отличаются от клас-
теров рабочих станций, но у них больше составляющих и они работают быстрее.

Необходимо отметить, что в полночь 31 декабря 1999 гада катастрофы не произошло. —

 Примеч. перев.

Семейства компьютеров 45

Суперкомпьютеры используются для решения различных научных и технических

задач, которые требуют сложных вычислений, например таких, как моделирова-

ние сталкивающихся галактик, разработка новых лекарств, моделирование потока
воздуха вокруг крыла аэроплана.

Семейства компьютеров

В этом разделе мы дадим краткое описание трех компьютеров, которые будут исполь-

зоваться в качестве примеров в этой книге: Pentium II, UltraSPARC II и picojava II.

Pentium II

В 1968 году Роберт Нойс, изобретатель кремниевой интегральной схемы, Гордон
Мур, автор известного закона Мура, и Артур Рок, капиталист из Сан-Франциско,

основали корпорацию Intel для производства компьютерных микросхем. За пер-
вый год своего существования корпорация продала микросхем всего на $3000, но
потом объем продаж компании заметно увеличился.

В конце 60-х годов калькуляторы представляли собой большие электромеха-

нические машины размером с современный лазерный принтер и весили около 20 кг.
В сентябре 1969 года японская компания Busicom обратилась к корпорации Intel

с просьбой выпустить 12 несерийных микросхем для электронной вычислитель-
ной машины. Инженер компании Intel Тед Хофф, назначенный на выполнение

этого проекта, решил, что можно поместить 4-битный универсальный процессор

на одну микросхему, которая будет выполнять те же функции и при этом окажется
проще и дешевле. Так в 1970 году появился первый процессор на одной микросхе-
ме, процессор 4004 на 2300 транзисторах.

Заметим, что ни Intel, ни Busicom не имели ни малейшего понятия, какое гран-

диозное открытие они совершили. Когда компания Intel решила, что стоит попро-
бовать использовать процессор 4004 в других разработках, она предложила купить

все права на новую микросхему у компании Busicom за $60000, то есть за сумму,
которую Busicom заплатила Intel за разработку этой микросхемы. Busicom сразу
приняла предложение Intel, и Intel начала работу над 8-битной версией микросхе-
мы 8008, выпущенной в 1972 году.

Компания Intel не ожидала большого спроса на микросхему 8008, поэтому она

выпустила небольшое количество этой продукции. Ко всеобщему удивлению, но-
вая микросхема вызвала большой интерес, поэтому Intel начала разработку еще
одного процессора, в котором предел в 16 Кбайт памяти (как у процессора 8008),
навязываемый количеством внешних выводов микросхемы, был преодолен. Так
появился небольшой универсальный процессор 8080, выпущенный в 1974 году.

Как и PDP-8, он произвел революцию на компьютерном рынке и сразу стал массо-

вым продуктом: только компания DEC продала тысячи PDP-8, a Intel — милли-
оны процессоров 8080.

В 1978 году появился процессор 8086 — 16-битный процессор на одной микро-

схеме. Процессор 8086 был во многом похож на 8080, но не был полностью совме-

стим с ним. Затем появился процессор 8088 с такой же архитектурой, как и у 8086.

46 Глава 1. Предисловие

Он выполнял те же программы, что и 8086, но вместо 16-битной шины у него была

8-битная, из-за чего процессор работал медленнее, но стоил дешевле, чем 8086

1

.

Когда IBM выбрала процессор 8088 для IBM PC, эта микросхема стала эталоном

в производстве персональных компьютеров.

Ни 8088, ни 8086 не могли обращаться к более 1 Мбайт памяти. К началу 80-х го-

дов это стало серьезной проблемой, поэтому компания Intel разработала модель

80286, совместимую с 8086. Основной набор команд остался в сущности таким же,
как у процессоров 8086 и 8088, но память была устроена немного по-другому, хотя

и могла работать по-прежнему из-за требования совместимости с предыдущими

микросхемами. Процессор 80286 использовался в IBM PC/AT и в моделях PS/2.

Он, как и 8088, пользовался большим спросом (главным образом потому, что по-

купатели рассматривали его как более быстрый процессор 8088).

Следующим шагом был 32-битный процессор 80386, выпущенный в 1985 году.

Как и 80286, он был более или менее совместим со всеми старыми версиями. Со-

вместимость такого рода оказывалась благом для тех, кто пользовался старым про-
граммным обеспечением, и некоторым неудобством для тех, кто предпочитал со-
временную архитектуру, не обремененную ошибками и технологиями прошлого.

Через четыре года появился процессор 80486. Он работал быстрее, чем 80386,

мог выполнять операции с плавающей точкой и имел 8 Кбайт кэш-памяти. Кэш-

память используется для того, чтобы держать наиболее часто используемые слова

внутри центрального процессора и избегать длительного доступа к основной (опе-

ративной) памяти. Иногда кэш-память находится не внутри центрального про-

цессора, а рядом с ним. 80486 содержал встроенные средства поддержки много-

процессорного режима, что давало производителям возможность конструировать
системы с несколькими процессорами.

В этот момент Intel, проиграв судебную тяжбу по поводу нарушения правил

наименования товаров, выяснила, что номера (например, 80486) не могут быть
торговой маркой, поэтому следующее поколение компьютеров получило название
Pentium (от греческого слова

 ЛЕУТЕ

 — пять). В отличие от 80486, у которого был

один внутренний конвейер, Pentium имел два, что позволяло работать ему почти в

два раза быстрее (конвейеры мы рассмотрим подробно в главе 2).

Когда появилось следующее поколение компьютеров, те, кто рассчитывал на

название Sexium (sex по-латыни — шесть), были разочарованы. Название Pentium

стало так хорошо известно, что его решили оставить, и новую микросхему назвали

Pentium Pro. Несмотря на столь незначительное изменение названия, этот процес-

сор очень сильно отличался от предыдущего. У него была совершенно другая внут-

ренняя организация, и он мог выполнять до пяти команд одновременно.

Еще одно нововведение у Pentium Pro — двухуровневая кэш-память. Процес-

сор содержал 8 Кбайт памяти для часто используемых команд и еще 8 Кбайт для
часто используемых данных. В корпусе Pentium Pro рядом с процессором (но не

на самой микросхеме) находилась другая кэш-память в 256 Кбайт.

На самом деле разница в стоимости самих микропроцессоров была незначительной. Но компьютеры,
собираемые на базе микропроцессора 8088, были дешевле, чем если бы их строили на базе микропро-
цессора 8086. В то время были распространены 8-битные периферийные устройства, поэтому микро-

процессор 8088 позволял упростить сопряжение с внешними устройствами. —

 Примеч. научн. ред.

Семейства компьютеров

4 7

Вслед за Pentium Pro появился процессор Pentium II, по существу такой же,

как и его предшественник, но с особой системой команд для мультимедиа-задач

(ММХ — multimedia extensions). Эта система команд предназначалась для ускоре-

ния вычислений, необходимых при воспроизведении изображения и звука. При
наличии ММХ специальные сопроцессоры были не нужны. Данные команды име-

лись в наличии и в более поздних версиях Pentium, но их не было в Pentium Pro.

Таким образом, компьютер Pentium II сочетал в себе функции Pentium Pro с муль-
тимедиа-командами.

В начале 1998 года Intel запустил новую линию продукции под названием

Celeron. Celeron имел меньшую производительность, чем Pentium II, но зато стоил

дешевле. Поскольку у компьютера Celeron такая же архитектура, как у Pentium II,
мы не будем обсуждать его в этой книге. В июне 1998 года компания Intel выпу-
стила специальную версию Pentium II — Хеоп. Он имел кэш-память большего объе-

ма, его внутренняя шина работала быстрее, были усовершенствованы средства
поддержки многопроцессорного режима, но во всем остальном он остался обыч-

ным Pentium II, поэтому мы его тоже не будем обсуждать. Компьютеры семейства

Intel показаны в табл. 1.4.

Таблица 1.4.

 Семейство процессоров Intel. Тактовая частота измеряется в МГц

(1 МГц = 1 млн циклов/с)

Микросхема

4004

8008

8080

8086

8088

80286

80386

80486
Pentium

Pentium Pro

Pentium II

Дата

выпуска

4/1971

4/1972

4/1974

6/1978

6/1979

2/1982

10/1985

4/1989

3/1993

3/1995

5/1997

Тактовая

частота, МГц

0,108

0,08

2

5-10

5-8

8-12

16-33

25-100
60-223

150-200

233-400

Количество
транзисторов

2 300

3

 500

6 000

29 000

29 000

134 000

275 000

1

 200 000

3

 100 000

5

 500 000

7

 500 000

Объем

памяти

640 Кбайт

16 Кбайт

64 Кбайт

1 Мбайт

1 Мбайт

1 Мбайт

4 Гбайт

4 Гбайт
4 Гбайт

1

64 Гбайт

Примечания

Первый

микропроцессор
на микросхеме
Первый 8-битный
микропроцессор
Первый многоцеле-

вой процессор

на микросхеме

Первый 16-битный

процессор
на микросхеме
Использовался
в IBM PC
Появилась защита
памяти

Первый 32-битный

процессор
8 Кбайт кэш-памяти

Два конвейера,

у более поздних

моделей — ММХ

Два уровня кэш-

памяти

Pentium Pro + ММХ

1

 Шина адреса у микропроцессоров Pentium Pro и Pentium II имеет ширину 36 битов, что позволяет

адресовать непосредственно 64 Гбайт. —

 Примеч. научи, ред.