История персональных компьютеров

        История персональных компьютеров (Часть 1)

В 1976 году фирма Intel начала усиленно работать над микропроцессором 8086. Размер его регистров был увеличен в два раза, что дало возможность  увеличить производительность в 10 раз  по сравнению с 8080. Кроме того, размер информационных шин был увеличен до 16 разрядов, что дало возможность увеличить скорость передачи информации на микропроцессор и с него в два раза. Размер его адресной шины также был существенно увеличен - до 20 бит. Это позволило 86-му прямо контролировать 1М оперативной памяти. Как прямой потомок 8080 и двоюродный брат Z80 , 8086 унаследовал большую часть множества их микрокоманд. Регистры нового процессора были разработаны таким образом, что они могли обрабатывать как 16-ти битные значения, так и 8-мибитные - также как это делал 8080. Память 8086 была также доработана специальным образом. Весь мегабайт оперативной памяти не представлялся единым полем, а был разделен на 16 сегментов величиной по 64К. Таким образом, память 8086 можно было представить как объединенную вместе память нескольких 8080. 8086 работал с каждым сегментом по отдельности , не позволяя большим информационным структурам переходить через границы сегментов. В некотором смысле I8086 опередил свое время. Малые компьютеры основывались на 8-ми битной архитектуре, память была очень дорога, требовались дополнительные 16-ти битные микросхемы. Использование этого процессора предполагалось в 16-ти битных устройствах, которые не оправдывали свою цену в то время.

Через год  после презентации 8086, Intel объявил о раз - работке микропроцессора 8088. Он являлся близнецом 8086: 16-битные регистры , 20 адресных линий, тот же набор микро - команд - все то же, за исключением одного,- шина данных была уменьшена до 8 бит. Это позволяло полностью использовать широко распространенные в то время 8-битные элементы технического обеспечения.

Как шаг  назад в истории разработки микропроцессоров Intel 8088 мог потеряться в истории, как это было с Intel 8085, не реши IBM реализовать свой первый персональный компьютер на его базе. Выбор IBM был объясним. Восьми битная шина данных позволяла использовать имеющиеся на рынке микросхемы. Шестнадцати битная внутренняя структура давала важные преимущества по сравнению с существующими микропроцессорами. Как приемник 80-го микропроцессора, 8088 мог понимать незначительно доработанные программы, работающие с CP/M. По большому счету , все эти преимущества были временными, а в некоторых случаях и иллюзорными. Но восьми битный чип был еще и не дорогим.  Последнее явилось более важным аргументом, чем 16-битные регистры и легко адаптируемые программы CP/M. Итак, Intel 8088 явился базой для разработки семейства малых компьютеров. Он подготовил почву для быстрого создания совместимых настольных компьютеров. Потенциально 8086 был в два раза производительней, и почти полностью совместим с 8088. микропроцессоры 8088 и 8086 совместимы, но не взаимозаменяемы. Восемь дополнительных бит данных требовали 8-ми дополнительных проводов. Таким образом, подключение этих двух микросхем было различным. Компьютер разрабатывался либо под один микропроцессор, либо под другой. Вот некоторые выдержки из технического описания IBM PC XT: Сердцем системной платы является микропроцессор Intel 8088. Этот процессор представляет собой версию 16 - битного процессора Intel 8086 с 8-битным выходом на внешнюю магистраль и является программно совместимым с процессором 8086. Таким образом, 8088 поддерживает 16-битные операции, включая умножение и деление, и поддерживает 20-битную адресацию (до 1 Мбайта памяти). Он также работает в максимальном режиме. Поэтому в систему может быть добавлен сопроцессор. Процессор работает с тактовой частотой 4.77 МГц. Эта частота, которая получается из частоты кварцевого генератора 14.31818 МГц, делится на 3 тактовым генератором процессора и на 4 для получения сигнала цветности 3.58 МГц, необходимого для цветного телевидения. При тактовой частоте 4.77МГц цикл обмена по магистрали 8088 составляет четыре периода по 210 нс. или 840 нс. Цикл ввода/вывода требует пяти тактов по 210 нс и составляет 1.05 мкс. Процессор поддерживается набором многофункциональных устройств обеспечивая четыре канала 20-битного прямого доступа к памяти, три 16-битных канала таймеров-счетчиков и восемь приоритетных уровней прерывания... ЦП 8088 компьютера IBM PC производит выборку команды по адресу, интерпретирует ее, выполняет действие, требуемое этой командой, (например, сложение двух чисел), затем пере - ходит к выполнению следующей команды. Если следующая команда не направит процессор 8088 непосредственно к определенной ячейке памяти, чтобы выполнить записанную там команду, процессор будет двигаться от одной команды к другой по ячейкам памяти, расположенным последовательно (шаг за шагом). Наиболее существенная разница между пошаговым выполнением программы (последовательности команд) и пошаговой работой компьютера заключается в том, что компьютер IBM может выполнять около миллиона таких шагов в секунду...

По мере того, как появились микропроцессоры, состоящие из многих тысяч дискретных элементов, появилась возможность реализации дополнительных функций в рамках одной микросхемы. При разработке компьютера, помимо микропроцессора, используются и другие дополнительные устройства: контроллеры прерываний, таймеры и контроллеры шин. Функции этих устройств технически можно реализовать в одном корпусе с микропроцессором. Однако эти возможности никогда не реализуются на практике. Микропроцессор, как и все дополнительные устройства, может использоваться не только в компьютерах. По мере развития компьютерной индустрии, рынком была проведена оптимизация разделения функций между устройства - ми. И каждое устройство развивалось в направлении реализации своих функций. Intel продолжал совершенствовать свои микропроцессоры. В 1982 году был представлен микропроцессор 80186. Этот чип стал базовым для создания целого ряда совместимых компьютеров и реализации турборежима. Так же был создан микропроцессор 80188 - приемник 8088.  br<> Презентация IBM персонального компьютера AT в 1984 году сфокусировала все внимание на другой микропроцессор Intel 80286. Сам по себе микропроцессор был представлен еще в 1982 году. Естественно у 8086 и 80286 много общего, но 80286 обладает такими дополнительными качествами, которые сразу привлекли пристальное внимание всех связанных с компьютерной индустрией. Новый микропроцессор использует полную 16-разрядную шину данных и 16-битные внутренние регистры. Он был разработан для работы с частотой в 6 МГц, а затем 8 и 10 Источник МГц. Более того, Intel 80286 способен реализовывать свои функции быстрее, чем это следует из простого роста частоты. В конечном счете, самым преимуществом Intel 80286 была способность работать с дополнительной памятью. Вместо 20-разрядной адресной шины 8088/8086 80286 имел 24-разрядную шину. Эти дополнительные 4 разряда давали возможность увеличить максимум адресуемой памяти до 16 М.

Intel 80286 позволил также использовать  виртуальную память. Название говорит  само за себя, что виртуальная  память организуется не на  каких-то отдельных физических  чипах. Более того, информация хранится где-то во внешней памяти, но система обеспечивает к ней прямой доступ. 80286 снабжен специальными средствами, которые дают ему возможность отличать, к реальной или виртуальной памяти относится любой байт. Эти средства реализуются дополнительными схемами, включенными в микропроцессор. Они дают возможность работать с 1Г памяти, включающую в себя 16М физической памяти и 1008М виртуальной. Теоретически 80286 должен был преодолеть барьер адресуемой памяти в 1М, который был установлен предыдущими моделями. Но в действительности эта возможность не была реализована. Проблема была частично в традициях, а частично в совместимости. Ко времени появления 80286 IBM PC имела гарантированный успех. Для 8088,8086 было разработано огромное программное обеспечение. Отказ от использования этих разработанных программ ставил под сомнение использование нового чипа. Для обеспечения совместимости с ранее разработанными чипами разработчики Intel 80286 обеспечили его работу в двух режимах: в реальном и защищенном. Реальный режим был скопирован с режима работы 8086. Причем разработчики работали так добросовестно, что внесли в реальный режим и ограничение по использованию только 1М памяти. Чтобы использовать улучшенные возможности Intel 80286, фирма разработала защищенный режим. Хотя отсутствовала программная совместимость с 8086, этот режим позволял использовать все 16М и даже 1Г виртуальной памяти в программах,  работающих в защищенном режиме. Точно так же как и 8086 в свое время, Intel 80286 да- вал такие огромные ресурсы памяти, потребность в которых еще не назрела к тому времени. Поэтому этот режим не сразу был признан широким кругом пользователей. Потребовалось почти три года, прошедших с момента презентации первой АТ и появлением операционной системы OS/2, работающей в этом режиме, и ознаменовавшей собой начало его широкого применения. Имелись две причины медленной популяризации защищенного режима. Для программистов, работающих в DOS, существенным являлся вопрос перехода между реальным и защищенными режимами. Intel разработал переход между режимами только в одном направлении. микропроцессор начинал работу только в реальном режиме, когда происходило тестирование всех 16М памяти, но для использования этого ресурса необходимо было перейти в защищенный режим. Иначе пользователь мог довольствоваться только 1М памяти. Обратного перехода от защищенного режима к реальному не существует - требуется перезагрузка. Кроме того, защищенный режим реализовывал только частично чаяния программистов. Вся огромная память 80286 была разделена на сегменты по 64К. Вместо того, чтобы свободно использовать весь ресурс памяти, программистам приходилось мудрствовать, чтобы преодолеть эти барьеры между сегментами.  Не в пример 80286, который был , по видимому, предназначен удивить мир без DOS, следующее детище Intel- микропроцессор 80386 развязал руки к использованию DOS.

Intel 80386 был  создан в 1985 году. Его создатели  учли тяжелые уроки 80286 и мечты  программистов. У него выше  тактовая частота, большая производительность. И в целом он был более  универсален, чем 88,86,286, опережая всех их по своим характеристикам. После появления 80386, 80286 смотрелся как тупиковая ветвь - но слишком поздно. Дело в том, что некоторые потребители Intel начали дорабатывать недостатки 80286 даже раньше, чем Intel8086, так как в разработке идеи 80286 использовалась база 8080, хотя, может быть, чуть амбициозно. 8086 появился в результате переосмысления целей разработки. Только позже оригинальные идеи были воплощены в 80286. Напротив, Intel 80386 был создан при полной ясности всех требований, предъявляемых к микропроцессорам и компьютерам. Intel 80386 имел все положительные качества своих предшественников. Все микрокоды его предшественника Intel 80286 входили в множество микрокоманд 80386. Поэтому старое программное обеспечение могло использоваться с Intel 80386. Но вместе с тем у 80386 были дополнительные возможности. Особенно привлекала возможность работать без ограничения связанного с сегментацией памяти. Intel 80386 был мощнее своих предшественников. Размеры его регистров и шины данных были увеличены до 32 бит. Ин- формация передавалась и обрабатывалась в два раза быстрее, чем у 16-битного 80286. С самого начала разработчики 80386 ставили перед собой задачу создать быстрый чип. При его создании использовалась CHMOS технология. Первые 80386 начали работать с наивысшей частотой, достигнутой для 80286. Затем появилась 20 Мгц модель. В 1985 году предел был отодвинут до 25 Мгц. А вскоре  и до 32 Мгц.

С увеличением шины данных до 32 бит, число адресных линий также было увеличено до 32. Само по себе это расширение позволило микропроцессору прямо обращаться к 4Гб физической памяти. Кроме того он мог работать с 16 триллионами байт виртуальной памяти. микропроцессор имел все необходимое для реализации последнего. Огромное преимущество давал способ организации памяти 80386. К ней можно было обращаться, как к одному большому полю, доступному для программ. То есть структуры данных и программы могли быть объемом в целую память. Разделение памяти на сегменты возможно, но не обязательно. Сегменты могут быть произвольны, а не ограничены по 64К. Кроме того Intel80386 снабжен 16 байтами сверхоперативной кэш-памяти. Это специально встроенное поле памяти используется для хранения нескольких команд микропроцессора. Независимо от производимых микропроцессором расчетов, специальная схема загружает в эту память код программного обеспечения, прежде чем в нем появится необходимость. Эта небольшая кэш-память помогает процессору работать более проворно без задержек, связанных с ожиданием загрузки очередной команды из оперативной памяти. Для того, чтобы обеспечить совместимость с предыдущими микропроцессорами и с огромной библиотекой DOS-программ Intel80386 был разработан таким образом, чтобы быть как можно больше похожим на 8086 и 80286. Как и его предшественники,Intel80386 позволял работать в защищенном режиме с ограничением адресуемой памяти в 1М. В этом режиме он загружал и выполнял все программы, разработанные на процессорах предшествующих поколений. С реального режима Intel80386 мог быть перевед╠н в защищенный режим , где он функционировал подобно 80286 , за исключением объ╠ма памяти. В этом режиме в распоряжении программиста было больше памяти , и он мог более гибко манипулировать ею , потому что мог изменять размеры сегмента. В противоположность Intel80286-80386 мог переходить из одного режима в другой без перезагрузки машины , а посредством команд программного обеспечения.

Новый режим , названный виртуальным  режимом 8086 (Virtual 8086 mode), давал Intel80386 особенно большие свободы по использованию DOS . В этом режиме этот процессор  работал не как один 8086 , а как  неограниченное их количество в одно и тоже время . Этот режим позволял процессору разбивать память на множество виртуальных машин, каждая из которых работала так , как будто она была отдельным компьютером на 8086 чипе. Каждая из этих виртуальных машин могла запускать свою собственную программу, которая была полностью изолирована от всех остальных. Это означало , что вы можете одновременно выполнять несколько DOS-программ на одном компьютере. Вне экзотической архитектуры Intel80386 такая система была очень сложной и капризной , кроме того , требовалось , что- бы программное обеспечение таких систем было специально на- писано по определ╠нным стандартам , удовлетворяющим требованиям многозадачного режима . Intel80386 делал реализацию  программного обеспечения многозадачного режима почти тривиальной , потому что самая тяж лая работа выполнялась на уровне технического обеспечения . Готовые DOS-программы выполнялись на Intel80386 в многозадачной среде без всяких доработок .  Intel80386 является великолепным микропроцессором и вы вправе надеяться найти его в каждом персональном компьютере . Использование более старого чипа можно рассматривать как шаг назад. И действительно , существуют только две причины , почему используются другие чипы . Одна из них - стоимость . Сразу после презентации Intel80386 его стоимость превышала 500$ , тогда как 8086 стоил в некоторых случаях даже меньше 10$ . То есть вы могли купить целый компьютер за ту же цену , что и один 80386 . Частично такой высокой цене способствовала Intel , которая не продавала лицензию на производство 80386 другим компаниям (за исключением IBM ). В таких условиях Intel могла диктовать свои условия на рынке , регулируя спрос и предложения количеством выпускаемых чипов . Очевидно , что компьютер на Intel80386 будет более дорогим по сравнению с другими, реализованными на других микропроцессорах .

Intel80386 имел наиболее болезненную  историю своего внедрения по  сравнению с другими микропроцессорами.  Вскоре после его  создания  были обнаружены ошибки, связанные  с его работой при выполнении 32-битных математических операций. Эта проблема не была выявлена в первых PC совместимых компьютерах, реализованных на этом чипе, потому что DOS использует 16-битные операции. Ошибки всплыли на верх только после того, когда 80386 стал работать в 32-битном режиме. Ошибки были быстро обнаружены и исправлены. Микросхемы, выпущенные после апреля 1987 года, не имеют описанного недостатка. По решению фирмы все доработанные чипы маркировались двойным символом сигма. Некоторые но не все ранее выпущенные микропроцессоры, были промаркированы "только для 16-битных операций". Существует модификация процессора Intel80386- 386SX. Главное отличие его от 80386 это 16-битный вход/выход шины данных. Как следствие его внутренние регистры заполняются в два шага.

  История персональных компьютеров (Часть 2-хронология)

1703 г. - Немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц написал трактат "Explication de l'Arithmetique Binary"- об использовании двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Первые его работы по двоичной арифметике относятся к 1679 г.

1804 г. - Французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар создал ткацкий станок с программным управлением. Для управления станком использовались перфокарты, соединенные друг с другом в виде ленты.

1834 г. - Английский ученый Чарльз Бэббидж разработал проект вычислительной машины (аналитическая машина) с программным управлением.

1847 г. - Опубликована работа Джорджа Буля "Математический анализ логики", в которой он изложил основы так называемой булевой алгебры. В 1854 г. Вышла другая его работа - "Исследование законов мышления", развивающая идеи математической логики.

1889 г. - Американскому изобретателю Герману Холлериту выдан патент на электромеханическую машину- табулятор. Холлерит считается основоположником счетно-перфорационной техники. - Разработанная им 80-колонная перфокарта не претерпела существенных изменений и в качестве носителя информации использовалась в первых трех поколениях компьютеров.

1918 г. - Русский ученый М. А. Бонч-Бруевич и английские ученые В. Икклз и Ф. Джордан (1919) независимо друг от друга создали электронное реле, названное англичанами триггером, которое сыграло большую роль в развитии компьютерной техники.

1936 г. - Английский математик Алан Тьюринг опубликовал статью "О вычислимых числах", в которых рассматривалась умозрительная машина ("машина Тьюринга"), являющаяся прообразом цифровых компьютеров. В своей докторской диссертации американский ученый Клод Шеннон показал, что булева алгебра может с успехом использоваться для анализа и синтеза релейных схем. Немецкий инженер Конрад Цузе запатентовал способ автоматических вычислений.

1939 г. - Американский профессор физики Джон Атанасов вместе с аспирантом Клиффером Берри разработали проект и незавершенную модель компьютера АВС.

1941 г. - Конрад Цузе построил первый, в мире действующий релейный компьютер Z3 с программным управлением.

1943 г. - В Бетчли-Парк, близ Лондона, начал работать электронный компьютер "КОЛОСС", разработанный М. Ньюменом и Т. Х. Флауэрсом. Опубликована пионерская работа Уоррена Маккалоха и Уолтера Питтса "Логическое исчисление идей, относящихся к нервной активности".

1944 г. - Американский инженер Джон Преспер Эккерт впервые выдвинул концепцию хранимой в памяти компьютера программы. Говард Айкен из Гарвардского университета создал релейный компьютер "Марк-1".

1945 г. - Джон Маучли и Джон Преспер Эккерт построили в Пенсильванском университете электронный компьютер ENIAC и разработали проект первого компьютера EDVAC с хранимой программой. Американский математик Джон фон Нейман опубликовал предварительный доклад о машине EDVAC, в котором описал основные компоненты машины и логику ее работы. Ванневар Буш (создатель дифференциального анализатора) впервые выдвинул идею гипертекста.