«Turn On Tomorrow» — «Включи будущее».

Особенности архитектуры ноутбуков. Архитектура ноутбуков


Особенности архитектуры ноутбуков - Upgrade 1/2006

Особенности архитектуры портативных компьютеров обуславливаются особенностями их применения. Ноутбук — это полностью автономная вычислительная система, имеющая полный набор устройств ввода-вывода и питающаяся от встроенной аккумуляторной батареи. Одна из главных задач разработчиков — обеспечение максимальной мобильности такой системы, т. е. минимизация ее массогабаритных характеристик. Однако миниатюризация компонентов вычислительной системы при сохранении уровня производительности — задача непростая, так как с ростом производительности растет и энергопотребление и тепловыделение системы. Соответственно для отвода тепла и обеспечения длительной автономной работы требуются все более громоздкие охлаждающие системы и аккумуляторные батареи. Нельзя не отметить, что с уменьшением размеров портативного компьютера сложно сохранить приемлемый уровень эргономики: пользователи не хотят мириться с маленькими экранами и клавиатурами, ограниченным набором портов ввода-вывода и упрощения дисковой подсистемы.

В последнее время для создания портативных ПК уже невозможно применять комплектующие и компоненты от настольных ПК, как было раньше. Такие комплектующие ограничивают развитие портативных платформ; со временем стало очевидно, что компоненты для ноутбуков должны изначально проектироваться с учетом именно мобильного применения.

В настоящее время этому требованию удовлетворяет большинство подсистем портативного компьютера. Один из важнейших компонентов ПК, в разработке которого должны быть учтены требования, предъявляемые мобильными пользователями, -- центральный процессор. В настоящее время ведущие изготовители ЦП — компании Intel и AMD — имеют в своих модельных рядах специализированные ЦП для ноутбуков. Основное их отличие — развитые системы снижения энергопотребления: в мобильных версиях ЦП разработчики уменьшают предельное напряжение питания ЦП и, кроме того, реализуют на уровне ядра ЦП алгоритмы динамического управления питанием. Компания Intel продвинулась в разработке мобильных систем еще дальше и предлагает в настоящее время для портативных ПК процессоры с архитектурой, радикально отличающейся от моделей для настольных ПК (см. раздел «Процессоры»). По этому же пути пошли и разработчики графических контроллеров для ноутбуков: хотя компании ATI и NVIDIA пока не предлагают специализированных архитектур, тем не менее в современных поколениях ГП еще на этапе проектирования ядра реализуются технологии, позволяющие снизить энергопотребление микросхемы.

Что касается дисковой подсистемы, то жесткие диски и оптические накопители стали первыми компонентами портативных ПК, изначально проектируемых с учетом снижения габаритов. Ноутбуки оснащаются жесткими дисками меньшего, чем в настольных ПК, размера — 2,5-дюйм (и даже 1,8-дюйм, что позволяет создавать ультрапортативные модели и ноутбуки с RAID-массивом). Однако для создания миниатюрных накопителей разработчикам пришлось (как это обычно и бывает) пожертвовать производительностью — миниатюрные жесткие диски пока уступают своим полноразмерным собратьям по производительности. В то время как в настольных ПК применяются НЖМД на 7200 и даже 10 000 об/мин, в портативных ПК до сих пор массово используются 5400- и даже 4200-об/мин диски.

Мобильные оптические накопители тоже уступают полноразмерным моделям – если в последних нормальной уже считается скорость записи 16Х, то в мобильных она пока не превышает 8Х. Различаются они и конструкцией: для экономии места разработчики размещают оптический блок и лазер непосредственно на выдвигающемся лотке, хотя сейчас появляется все больше моделей со щелевой загрузкой. Современные ноутбуки оснащаются пишущими универсальными приводами, позволяющими записывать CD- и DVD-диски практически любых форматов, даже двухслойные записываемые DVD.

Единственным компонентом, до сих пор наследуемым портативными компьютерами от настольных моделей, остается набор микросхем системной платы. Хотя в первом поколении платформы Intel Centrino был применен специализированный НМС, сейчас компания вернулась к использованию модифицированных полноразмерных НМС. Тем не менее мобильные модификации наборов микросхем имеют очень небольшое тепловыделение и не требуют сложных систем охлаждения.

ru.pcmag.com

Классическая архитектура ПК. Основные особенности архитектуры современных ПК :: SYL.ru

Несмотря на то что современные модели компьютеров представлены на рынке широким спектром брендов, собраны они в рамках небольшого количества архитектур. С чем это связано? Какова специфика архитектуры современных ПК? Какие программные и аппаратные компоненты ее формируют?

Определение архитектуры

Что такое архитектура ПК? Под этим довольно широким термином принято понимать совокупность логических принципов сборки компьютерной системы, а также отличительные особенности технологических решений, внедряемых в нее. Архитектура ПК может быть инструментом стандартизации. То есть компьютеры в рамках нее могут собираться согласно установленным схемам и технологическим подходам. Объединение тех или иных концепций в единую архитектуру облегчает продвижение модели ПК на рынке, позволяет создавать программы, разработанные разными брендами, но гарантированно подходящие для нее. Единая архитектура ПК также позволяет производителям компьютерной техники активно взаимодействовать на предмет совершенствования тех или иных технологических компонентов ПК.

Под рассматриваемым термином может пониматься совокупность подходов к сборке компьютеров или отдельных его компонентов, принятых на уровне конкретного бренда. В этом смысле архитектура, которая разработана производителем, является его интеллектуальной собственностью и используется только им, может выступать конкурентным инструментом на рынке. Но даже в таком случае решения от разных брендов иногда могут быть классифицированы в рамках общей концепции, объединяющей в себе ключевые критерии, которые характеризуют компьютеры различных моделей.

Термин «архитектура ПК» информатика как отрасль знаний может понимать по-разному. Первый вариант трактовки предполагает интерпретацию рассматриваемого понятия как стандартизирующего критерия. В соответствии с другой интерпретацией архитектура — это, скорее, категория, позволяющая одному бренду-производителю стать конкурентным в отношении других.

Интереснейший аспект — то, как соотносятся история и архитектура ПК. В частности, это появление классической логической схемы конструирования компьютеров. Рассмотрим ее особенности.

Классическая архитектура компьютера

Ключевые принципы, в соответствии с которыми предполагалось конструирование ПК по определенной логической схеме, предложил Джон фон Нейман, выдающийся математик. Его идеи были реализованы производителями ПК, относящихся к первым двум поколениям. Концепция, разработанная Джоном фон Нейманом, — это классическая архитектура ПК. Каковы ее особенности? Предполагается, что компьютер должен состоять из следующих основных компонентов:

- арифметического и логического блока;

- устройства для управления;

- блока внешней памяти;

- блока оперативной памяти;

- устройств, предназначенных для ввода и вывода информации.

В рамках данной схемы взаимодействие технологических компонентов должно реализовываться по конкретной последовательности. Так, сначала в память ПК попадают данные из компьютерной программы, которые могут вводиться с помощью внешнего устройства. Затем устройство для управления считывает информацию из памяти компьютера, после чего направляет ее на выполнение. В этом процессе при необходимости задействуются остальные компоненты ПК.

Архитектура современных компьютеров

Рассмотрим, каковы основные особенности архитектуры современных ПК. Она несколько отличается от концепции, которую мы изучили выше, но во многом продолжает ее. Ключевая особенность ПК новейших поколений — арифметический, логический блок, а также то, что устройства для управления объединены в единый технологический компонент — процессор. Во многом это стало возможным благодаря появлению микросхем и дальнейшему их совершенствованию, что позволило уместить в сравнительно небольшой детали компьютера широкий спектр функций.

Архитектура современного ПК также характеризуется тем, что в ней присутствуют контроллеры. Они появились как результат пересмотра концепции, в рамках которой процессор должен был выполнять функцию обмена данными с внешними устройствами. Благодаря возможностям появившихся интегральных схем соответствующий функциональный компонент производители ПК решили отделить от процессора. Так появились различные каналы обмена, а также периферийные микросхемы, которые затем начали называться контроллерами. Соответствующие аппаратные компоненты на современных ПК могут, например, управлять работой дисков.

Устройство и архитектура ПК современных образцов предполагают использование шины. Основное ее назначение — обеспечение коммуникаций между различными аппаратными элементами компьютера. Ее структура может предполагать наличие специализированных модулей, отвечающих за ту или иную функцию.

Архитектура IBM

Компанией IBM была разработана архитектура ПК, ставшая фактически одним из мировых стандартов. Ее отличительная особенность — в открытости. То есть компьютер в рамках нее перестает быть готовым продуктом от бренда. Компания IBM — не монополист рынка, хотя один из его первопроходцев в аспекте разработки соответствующей архитектуры.

Пользователь или компания, собирающие ПК на платформе IBM, могут самостоятельно определять то, какие компоненты будут включены в структуру компьютера. Также возможна замена того или иного электронного компонента на более совершенный. Стремительное развитие компьютерных технологий позволило реализовать принцип открытой архитектуры ПК.

Особенности ПО для компьютеров архитектуры IBM

Важный критерий отнесения ПК к платформе IBM — его совместимость с разными операционными системами. И в этом также прослеживается открытость рассматриваемого типа архитектуры. Компьютеры, относящиеся к IBM-платформе, могут управляться ОС Windows, Linux в большом количестве модификаций, а также иными операционными системами, которые совместимы с аппаратными компонентами ПК рассматриваемой архитектуры. Не считая ПО от крупных брендов, на IBM-платформу можно устанавливать различные авторские программные продукты, выпуск и инсталляция которых обычно не требуют согласования с фирмами-производителями аппаратных элементов.

В числе программных компонентов, которые есть практически в любом компьютере на платформе IBM, базовая система ввода и вывода, называемая также BIOS. Она призвана обеспечивать выполнение основных аппаратных функций ПК вне зависимости от того, какого типа операционная система на нем установлена. И это еще один, по сути, признак открытости архитектуры, о которой идет речь: производители BIOS толерантны к производителям ОС и любого другого ПО. Собственно, тот факт, что BIOS может выпускаться разными брендами — это также критерий открытости. Функционально системы BIOS от разных разработчиков близки.

Если на компьютере не установлена BIOS, то его работа практически невозможна. Не имеет значения, инсталлирована ли на ПК операционная система — необходимо обеспечение взаимодействия между аппаратными компонентами компьютера, и его возможно реализовать только с помощью BIOS. Переустановка BIOS на компьютере требует специальных программно-аппаратных инструментов, в отличие от инсталляции ОС или иного вида ПО, работающего в ней. Данная особенность BIOS предопределяется тем, что ее необходимо защищать от компьютерных вирусов.

С помощью BIOS пользователь может управлять аппаратными компонентами ПК, выставляя те или иные настройки. И это также один из аспектов открытости платформы. В некоторых случаях работа с соответствующими настройкам позволяет обеспечить заметное ускорение работы ПК, более стабильное функционирование отдельных его аппаратных компонентов.

Система BIOS во многих ПК дополнена оболочкой UEFI, как считают многие IT-специалисты, это достаточно полезное и функциональное программное решение. Но базовое назначение UEFI принципиально не отличается от того, что характерно для BIOS. Собственно, это такая же система, но интерфейс в ней несколько ближе к тому, что характерен для операционной системы ПК.

Важнейший вид ПО для компьютеров — драйвер. Он необходим для того, чтобы аппаратный компонент, инсталлируемый в компьютер, корректно функционировал. Драйверы обычно выпускаются производителями компьютерных устройств. При этом соответствующий вид ПО, совместимый с одной операционной системой, например Windows, обычно не подходит для других ОС. Поэтому пользователю часто приходится подбирать драйверы, совместимые с конкретными типами программного обеспечения компьютера. В этом смысле IBM-платформа недостаточно стандартизована. Может получиться так, что устройство, прекрасно работающее под ОС Windows, будет невозможно запустить под Linux из-за того, что пользователь не сможет найти нужный драйвер, или же по причине того, что производитель аппаратного компонента попросту не успел выпустить нужный вид программного обеспечения.

Важно, чтобы решение, которое предполагается включить в структуру компьютера, было совместимо не только с конкретной архитектурой, но также и иными технологическими элементами ПК. Какие компоненты можно менять в современных ПК? В числе ключевых: материнская плата, процессор, оперативная память, видеокарта, жесткие диски. Рассмотрим специфику каждого из компонентов подробнее, определим, от чего зависит их совместимость с иными аппаратными элементами, а также выясним, каким образом наиболее корректно можно реализовать принцип открытой архитектуры ПК на практике.

Материнская плата

Один из ключевых компонентов современного компьютера — материнская, или системная, плата. На ней располагаются контроллеры, шины, мосты и иные элементы, позволяющие объединять между собой различные аппаратные компоненты. Благодаря ей фактически реализуется современная архитектура ПК. Системная плата позволяет эффективно распределить функции компьютера по различным устройствам. Данный компонент размещает на себе большинство остальных, а именно процессор, видеокарту, оперативную память, жесткие диски и т. д. BIOS, важнейший программный компонент ПК, в большинстве случаев прописывается в одной из микросхем материнской платы. Важно, чтобы соответствующие элементы не были повреждены.

Заменяя материнскую плату или выбирая нужную модель в процессе сборки ПК, необходимо удостовериться, что новая ее модель будет совместима с иными аппаратными компонентами. Так, есть платы, поддерживающие процессоры Intel, а есть те, на которые можно устанавливать только микросхемы от AMD. Очень важно убедиться в том, что новая плата поддерживает существующие модули памяти. Что касается видеокарты и жестких дисков, обычно никаких проблем не возникает в силу достаточного высокого уровня стандартизации на соответствующих рынках. Но нежелательно, чтобы новая материнская плата и указанные компоненты слишком сильно различались по уровню технологичности. Иначе менее производительный элемент будет тормозить всю систему.

Процессор

Главная микросхема современного компьютера — процессор. Открытая архитектура ПК позволяет по усмотрению пользователя устанавливать на компьютер более мощный, производительный, технологичный процессор. Однако подобная возможность может предполагать ряд ограничений. Так, заменить процессор Intel на AMD без замены другого компонента — материнской платы - в общем случае невозможно. Также проблематична установка одной микросхемы вместо другой того же бренда, но которая принадлежит к иного типа технологической линейке.

Устанавливая более мощный процессор на ПК, необходимо убедиться, что оперативная память, жесткие диски и видеокарта не сильно отстают от него технологически. Иначе, как мы уже отметили выше, замена микросхемы может не принести ожидаемого результата — компьютер не будет работать быстрее. Основные показатели производительности процессора — тактовая частота, количество ядер, величина кэш-памяти. Чем они больше, тем быстрее работает микросхема.

Оперативная память

Данный компонент также непосредственным образом влияет на производительность ПК. Основные функции ОЗУ в целом те же, что были характерны для компьютеров первых поколений. В этом смысле оперативная память - классический аппаратный компонент. Однако тем самым подчеркивается ее важность: до сих пор производители ПК не придумали ей достойной альтернативы.

Основной критерий производительности памяти — это ее объем. Чем он больше, тем быстрее работает компьютер. Также модули ПК обладают тактовой частотой, как и процессор. Чем она выше, тем более производителен компьютер. Замену ОЗУ следует осуществлять, убедившись, что новые модули совместимы с материнской платой.

Видеокарта

Принципы архитектуры ПК первых серий не предполагали выделения видеокарты в отдельный компонент. То есть данное аппаратное решение — это также один из критериев отнесения компьютера к современным поколениям. Видеокарта отвечает за обработку компьютерной графики — одного из наиболее сложных типов данных, требующих высокой производительности микросхем.

Заменять данный аппаратный компонент следует, соотнося основные его характеристики с мощностью и уровнем технологичности процессора, памяти и материнской платы. Закономерность здесь та же, что мы отметили выше: нежелательно, чтобы соответствующие элементы ПК сильно различались по уровню производительности. Для видеокарты ключевые критерии — это объем встроенной памяти, а также тактовая частота основной ее микросхемы.

Бывает, что модуль, отвечающий за обработку компьютерной графики, встроен в процессор. И это нельзя считать признаком того, что компьютер устаревший, наоборот, подобная схема наблюдается на многих современных ПК. Наибольшую популярность данная концепция приобретает в среде производителей ноутбуков. Это вполне логично: брендам необходимо обеспечивать компактность такого типа компьютеров. Видеокарта — это довольно объемный аппаратный компонент, ее размер чаще всего заметно больше процессора или модуля памяти.

Жесткие диски

Жесткий диск — это также классический компонент компьютера. Относится к категории постоянных запоминающих устройств. Типичен для архитектуры современных ПК. На жестких дисках часто хранится основной объем файлов. Можно отметить, что данный компонент в числе наименее требовательных к специфике материнской платы, процессора, ОЗУ и видеокарты. Но опять же, если жесткий диск характеризуется низкой производительностью, то есть вероятность, что работа компьютера будет медленной, даже если на нем будут установлены иные аппаратные компоненты, относящиеся к самым технологичным.

Основной критерий производительности дисков — скорость оборотов. Важен также и объем, но значимость этого параметра зависит от потребностей пользователя. Если на компьютере установлен небольшой по вместительности жесткий диск с очень высокими оборотами, то ПК будет работать быстрее, чем при высокой емкости и низкой скорости вращения соответствующих элементов устройства.

Материнская плата, процессор, ОЗУ, а также видеокарта — внутренние компоненты ПК. Жесткий диск может быть как внутренним, так и внешним, и в этом случае чаще всего съемным. Основные аналоги жесткого диска - флешки, карты памяти. В ряде случаев они могут полностью его заменить, но по возможности рекомендуется все же оснащать ПК хотя бы одним жестким диском.

Понятие архитектуры ПК открытого типа, конечно же, не ограничивается возможностью замены и выбора указанных пяти компонентов. Есть очень много устройств иного назначения, которые входят в состав компьютера. Это приводы DVD и Blue-ray, звуковые карты, принтеры, сканеры, модемы, сетевые карты, вентиляторы. Набор соответствующих компонентов может предопределять конкретная брендированная архитектура ПК. Системная плата, процессор, ОЗУ, видеокарта и жесткий диск — элементы, без которых современный ПК работать не сможет или его функционирование будет крайне затруднено. Они же главным образом определяют скорость работы. И потому, обеспечив установку на компьютере технологичных и современных компонентов соответствующего типа, пользователь сможет собрать высокопроизводительный и мощный ПК.

Компьютеры Apple

Какие еще есть типы архитектур ПК? В числе тех, которые составляют прямую конкуренцию архитектуре IBM, совсем немного. Например, это компьютеры Macintosh от Apple. Конечно, по многим критериям они схожи с архитектурой IBM — в них также есть процессор, память, видеокарта, материнская плата и жесткие диски.

Однако компьютеры от Apple характеризуются тем, что их платформа закрыта. Пользователь весьма ограничен в установке на ПК компонентов по своему усмотрению. Apple — это единственный бренд, который может легально выпускать компьютеры в соответствующей архитектуре. Аналогично Apple — единственный поставщик функциональных операционных систем, выпускаемых в рамках собственной платформы. Таким образом, те или иные виды архитектуры ПК могут различаться не столько аппаратными составляющими компьютера, сколько подходами брендов-производителей к выпуску соответствующих решений. В зависимости от собственной стратегии развития компания может делать акцент на открытости или же закрытости платформы.

Итак, основные особенности архитектуры современных ПК на примере IBM-платформы: отсутствие монопольного бренда-производителя компьютеров, открытость. Причем как в программном, так и в аппаратном аспекте. Что касается главного конкурента IBM-платформы, компании Apple, основные признаки ПК соответствующей архитектуры — это закрытость, а также выпуск компьютеров единственным брендом.

www.syl.ru

Как выбрать компьютер для архитектора

Компьютер-основной инструмент, с которым нам приходится архитектору и поэтому к его выбору надо подходить серьезно, ведь правильно выбранный компьютер поможет вам сохранить много времени и нервов. В этой записи речь пойдет о выборе стационарных компьютеров и ноутбуков для моделирования архитектуры.

 

Компьютер для архитектора. Процессор

 Процессор – это мозг компьютера. Именно он просчитывает большую часть операций, делает буленов, просчитывает скрипты. Большинство рендеров таких как V-ray, Maxwell render и др. используют процессор для визуализации. Таким образом, чем производительнее у вашего компьютера будет процессор, тем быстрее будет идти рендеринг и общая работа компьютера.

Процессоры отличаются количеством ядер, частотой и возможностью/невозможностью каждого ядра работать в двухпоточном режиме. Увеличение каждого из этих параметров дает существенный прирост к производительности.

 Поэтому стоит брать Intel i7 последнего поколения как наиболее мощный.

 Существуют материнские платы, в которые можно установить два процессора одновременно, однако обычно вполне достаточно одного.

Компьютер для архитектора. Оперативная память

 В оперативную память помещается открытый файл и те файлы, с которыми работает компьютер. Поэтому если вы работаете с тяжелыми моделями, вам потребуется немало памяти. Если оперативной памяти будет не хватать, комьютер будет тормозить, а программы могут вылетать.

 Каждая программа имеет свои собственные требования, но в-целом, меньше 8Гб оперативной памяти брать не стоит.

 Материнские платы стационарных компьютеров и многих ноутбуков имеют слоты для памяти в разном количестве, причем плата может поддерживать работу памяти в двух-/трех/четырех-канальном режиме, что увеличивает производительность компьютера. Таким образом, в ноутбук нередко можно добавить память если разъемы не запаяны. Покупайте планки памяти большей частоты и большего объема

Компьютер для архитектора. Видеокарта

 Видеокарта позволяет компьютеру отобразить графическую информацию. Чем производительнее будет видеокарта, тем плавнее и быстрее будет крутиться модель, тем меньше рывков будет при ее передвижении. Кроме того часть рендеров имеют режим GPU-рендеринга. При таком режиме визуализация осуществляется средствами видеокарты. Примеры такого рендеринга – V-ray RT, Maxwell fire, Lumion. Если Вы планируете постоянно пользоваться реалтайм-рендерингом, стоит взять мощную видеокарту, если нет, не стоит гнаться за самой производительной моделью.

 Большинство современных процессоров имеет встроенное графическое ядро, однако его не достаточно для архитектуры, поэтому необходимо, чтобы была отдельная видеокарта. Профессиональные видеокарты очень дороги, а передовые геймерские видеокарты сопоставимы с ними по производительности.

Компьютер для архитектора. Жесткий диск

 Скорость работы жесткого диска будет сильно влиять на время загрузки системы, запуска программ и открытия файлов. Жесткие диски сегодня представлены традиционными жесткими дисками или HDD и твердотельными накопителями или SSD. SSD существенно выигрывают по скорости работы в сравнении с HDD, не боятся легких ударов, весят меньше и не шумят. Из минусов — они стоят дороже и количество операций перезаписи ограничего (поэтому желательно настроить систему соответствующим образом).

 Как резюме, стоит брать SSD 120-240Гб и HDD для хранения малоиспользуемых файлов. HDD в таком случае может быть внешним для ноутбука или внутренним для стационарного компьютера. Не забывайте так же про массивы HDD, которые помогут вам избежать потери данных с них, так как восстановление дорогостоящее, небыстрое и порой затруднительное.

Компьютер для архитектора. Монитор/экран

 Работая на компьютере весь день стоит позаботиться о глазах. Придите в магазин и посмотрите, какой монитор меньше напрягает ваши глаза. Экономить на мониторе не стоит.

 Матрица TN наиболее дешевая, но лучше взять более качественную, например, IPS, C-PVA или др.

 Уровень подсветки регулируется с помощью ШИМ, то есть мерцанием, которое не заметно глазу, но вредно для глаз. Чем меньше уровень подсветки относительно максимума, тем больше влияет мерцание, поэтому гнаться за максимальной яркостью монитора не стоит.

Подробно посмотреть описание каждого из параметров компьютера и выбрать оптимальный вариант можно на яндекс.маркете.

Эта запись не претендует на полное руководство по покупке компьютера, это просто частное мнение.

А что Вы думаете по поводу выбора компьютера для моделирования архитектуры?

Юрий Насонов

создатель аrchi.place, архитектор, практикует генеративный подход к проектированию, модератор 1-й школы Fab Lab Polytech, преподает в СПбГАСУ

Latest posts by Юрий Насонов (see all)

archi.place

Архитектура компьютера - это... Что такое Архитектура компьютера?

Архитектура вычислительной машины (Архитектура ЭВМ, англ. Computer architecture) — концептуальная структура вычислительной машины[1], определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.[2]

История

1642-1945 - Механические компьютеры (нулевое поколение)

В 1642 году Блезом Паскалем, французским учёным, в честь которого назван один из языков программирования, была сконструирована счётная машина, которая могла выполнять только операции сложения и вычитания. Она представляла собой механическую конструкцию с шестерёнками и ручным приводом.

Через тридцать лет, немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц построил другую механическую машину, которая помимо сложения и вычитания могла выполнять операции умножения и деления. В сущности, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с четырьмя функциями.

В 1822 году Чарльз Бэббидж, профессор математики Кембриджского Университета, разработал и сконструировал аналитическую машину, которая, как и машина Паскаля, могла лишь складывать и вычитать, подсчитывала таблицы чисел для морской навигации. В машину был заложен только один алгоритм — метод конечных разностей с использованием полиномов. У этой машины был довольно интересный способ вывода информации: результаты выдавливались стальным штампом на медной дощечке, что предвосхитило более поздние средства ввода-вывода — перфокарты и компакт-диски.

Данная машина состояла из четырёх компонентов:

  • запоминающее устройство (память),
  • вычислительное устройство,
  • устройство ввода (для считывания перфокарт),
  • устройство вывода (перфоратор и печатающее устройство).

Память состояла из 1000 слов по 50 десятичных разрядов; каждое из слов содержало переменные и результаты. Вычислительное устройство принимало операнды из памяти, затем выполняло операции сложения, вычитания, умножения или деления и возвращало полученный результат обратно в память. Как и разностная машина, это устройство было механическим.

Поскольку аналитическая машина программировалась на элементарном ассемблере, ей было необходимо программное обеспечение. Чтобы создать это программное обеспечение, Бэббидж нанял молодую женщину — Аду Лавлейс. Таким образом Ада Лавлейс стала первым в мире программистом. В её честь назван современный язык программирования — Ada. Интересен тот факт, что сам Бэббидж никогда не отлаживал компьютер. Ему нужны были тысячи шестерёнок, сделанных с такой точностью, которая в XIX веке была недоступна. Однако, идеи Бэббиджа опередили его эпоху, и даже сегодня большинство современных компьютеров по конструкции сходны с аналитической машиной. Поэтому справедливо будет сказать, что Бэббидж был дедушкой современного цифрового компьютера.

Конец 1930-х годов — Конрад Зус сконструировал несколько автоматических счётных машин с использованием электромагнитных реле. К сожалению, его машины были уничтожены во время бомбежки Берлина в 1944 году, поэтому его работа никак не повлияла на будущее развитие компьютерной техники.

"Mark I" - первый компьютер Говарда Айкена.

В 1940 году Джордж Стибитс продемонстрировал автоматическую счётную машину в Дартмутском колледже на конференции, на которой присутствовал ничем не примечательный на тот момент профессор физики из университета Пенсильвании Джон Моушли (John Mauchley), ставший позднее очень известным в области компьютерных разработок.

В 1944 году свой первый компьютер под названием «Mark I» разработал молодой учёный из Гарварда - Говард Айкен. Его компьютер имел 72 слова по 23 десятичных разряда каждое и мог выполнить любую команду за 6 секунд. В устройствах ввода-вывода использовалась перфолента. К тому времени, как Айкен закончил работу над компьютером «Mark II», релейные компьютеры уже устарели.

Началась эра электроники.

1945—1955 — Электронные лампы (первое поколение)

Шифровальный прибор Enigma.

В начале второй мировой войны немецкие подводные лодки топили британские корабли. Немецкие адмиралы посылали на подводные лодки по радио команды, и хотя англичане могли перехватывать эти команды, проблема была в том, что радиограммы были закодированы с помощью прибора под названием ENIGMA, предшественник которого был спроектирован изобретателем-любителем и бывшим президентом США Томасом Джефферсоном. Англичанам удалось приобрести ENIGMA у поляков, которые, в свою очередь, украли её у немцев. Однако, чтобы расшифровать закодированное послание, требовалось огромное количество вычислений, и их нужно было произвести сразу после перехвата радиограммы. Поэтому британское правительство основало секретную лабораторию для создания электронного компьютера под названием COLOSSUS.

В 1943 году начал работать электронный компьютер COLOSSUS, в создании которой принимал участие знаменитый британский математик Алан Тьюринг. Но, поскольку британское правительство полностью контролировало этот проект и рассматривало его как военную тайну на протяжении 30 лет, COLOSSUS не стал базой для дальнейшего развития компьютеров. Мы упомянули о нём только потому, что это был первый в мире электронный цифровой компьютер.

В этом же году Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом начали конструировать ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный цифровой интегратор и калькулятор) — электронный компьютер, который состоял из 18 000 электровакуумных ламп и 1500 реле, весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт электроэнергии. У машины имелось 20 регистров, причем каждый из них мог содержать 10-разрядное десятичное число.

В 1946 году работа над ENIAC была закончена. Правда, тогда она уже была не нужной — по крайней мере, для достижения первоначально поставленных целей. В ENIAC было установлено 6000 многоканальных переключателей и имелось множество кабелей, протянутых к разъемам. Поскольку война закончилась, Моушли и Экерту позволили организовать школу, где они рассказывали о своей работе коллегам-ученым. В этой школе и зародился интерес к созданию больших цифровых компьютеров.

EDSAC — первый рабочий компьютер.

В 1949 году Морис Уилкс сконструировал EDSAC — первый рабочий компьютер. Далее — JOHNIAC в корпорации Rand, ILLIAC в Университете Иллинойса, MANIAC в лаборатории Лос-Аламоса и WEIZAC в Институте Вайцмана в Израиле. Вскоре начали работу над машиной EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer — электронная дискретная параметрическая машина) Экерт и Моушли. Однако, этот проект закрылся вследствие ухода их из университета.

Экерт и Моушли получили патент за изобретение ENIAC как цифровой вычислительной машины в 1946 г. Этот патент был аннулирован в 1973 году, так Федеральный cуд США признал, что ENIAC использовал архитектуру, существовавшую в первой цифровой вычислительной машине, которую построили John Vincent Atanasoff, получивший грант в $650 от государственного Университета штата Айова в 1939, и его помощник студент электротехник Clifford Berry, хотя они и не запатентовали свою машину. В то время как Экерт и Моушли работали над машиной EDVAC, один из участников проекта ENIAC, Джон Фон Нейман, поехал в Институт специальных исследований в Принстоне, чтобы сконструировать собственную версию EDVAC под названием IAS (Immediate Address Storage — память с прямой адресацией).

Фон Нейман был гением в тех же областях, что и Леонардо да Винчи. Он знал много языков, был специалистом в физике и математике, обладал феноменальной памятью: он помнил все, что когда-либо слышал, видел или читал. Он мог дословно процитировать по памяти текст книг, которые читал несколько лет назад. Когда фон Нейман стал интересоваться вычислительными машинами, он уже был самым знаменитым математиком в мире.

Фон Нейман вскоре осознал, что создание компьютеров с большим количеством переключателей и кабелей требует длительного времени и очень утомительно и пришёл к мысли, что программа должна быть представлена в памяти компьютера в цифровой форме, вместе с данными. Им также было отмечено, что десятичная арифметика, используемая в машине ENIAC, где каждый разряд представлялся десятью электронными лампами (1 включена, остальные выключены), должна быть заменена параллельной бинарной арифметикой.

Основной проект Фон Неймана был использован в EDSAC, первой машине с программой в памяти, и даже сейчас, более чем полвека спустя, является основой большинства современных цифровых компьютеров. Сам замысел и машина IAS (Immediate Address Storage — память с прямой адресацией) оказали очень большое влияние на дальнейшее развитие компьютерной техники.

Машина фон Неймана состояла из пяти основных частей:

  • памяти,
  • арифметико-логического устройства,
  • устройства управления,
  • устройства ввода,
  • устройства вывода.

Память включала 4096 слов размером по 40 бит (бит — это 0 или 1). Каждое слово содержало или 2 команды по 20 бит, или целое число со знаком на 40 бит.

8 бит указывали на тип команды, а остальные 12 бит определяли одно из 4096 слов.

Компьютер IBM 701.

Арифметический блок и блок управления составляли «мозговой центр» компьютера. В современных машинах эти блоки сочетаются в одной микросхеме, называемой центральным процессором (ЦП).

Внутри арифметико-логического устройства находился особый внутренний регистр на 40 бит, так называемый аккумулятор. Типичная команда добавляла слово из памяти в аккумулятор или сохраняла содержимое аккумулятора в памяти. Эта машина не выполняла арифметические операции с плавающей точкой, поскольку Фон Нейман считал, что любой сведущий математик способен держать плавающую точку в голове.

В 1953 году фирма IBM построила компьютер 701, через много лет после того, как компания Экерта и Моушли со своим компьютером UNIVAC стала номером один на компьютерном рынке. В 701 было 2048 слов по 36 бит, каждое слово содержало две команды. Он стал первым компьютером, лидирующим на рынке в течение десяти лет.

В 1956 году появился компьютер 704, у которого было 4 Кбайт памяти на магнитных сердечниках, команды по 36 бит и процессор с плавающей точкой.

В 1958 году компания IBM начала работу над последним компьютером 709 на электронных лампах, который по сути представлял собой усложненную версию 704.

1955—1965 — Транзисторы (второе поколение)

В 1956 году сотрудниками лаборатории Bell Labs Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли был изобретен транзистор, за что они получили Нобелевскую премию в области физики. Транзисторы совершили революцию в производстве компьютеров, и к концу 1950-х годов компьютеры на вакуумных лампах уже безнадежно устарели. В лаборатории МТИ был построен первый компьютер на транзисторах. Он содержал слова из 16 бит, как и Whirlwind I.

Компьютер назывался ТХ-0 (Transistorized experimental computer 0 — экспериментальная транзисторная вычислительная машина 0) и предназначался только для тестирования будущей машины ТХ-2, которая в дальнейшем не имела большого значения. Но в 1957 Кеннет Ольсен один из инженеров этой лаборатории основал компанию DEC (Digital Equipment Corporation — корпорация по производству цифровой аппаратуры), чтобы производить серийную машину, сходную с ТХ-0.

Компьютер PDP-1.

В 1961 году появился компьютер PDP-1, который имел 4096 слов по 18 бит и быстродействие 200 000 команд в секунду. Данный параметр был в два раза меньше, чем у 7090, транзисторного аналога 709. PDP-1 был самым быстрым компьютером в мире в то время. PDP-1 стоил 120 000 долларов, в то время как 7090 стоил миллионы. Компания DEC продала десятки компьютеров PDP-1, и так появилась компьютерная промышленность. Одним из нововведений PDP-1 был дисплей размером 512 х 512 пикселов, на котором можно было рисовать точки.

Вскоре студенты МТИ составили специальную программу для PDP-1, чтобы играть в «Войну миров» — первую в мире компьютерную игру. Позже компания DEC разработала модель PDP-8, 12-разрядный компьютер, который стоил гораздо дешевле, чем PDP-1 (всего 16 000 долларов). Главным нововведением была единственная шина (omnibus).

Компьютер CDC 6600 (1964).

В 1964 году компания CDC (Control Data Corporation) выпустила машину 6600, которая работала почти на порядок быстрее, чем 7094. Этот компьютер для сложных расчетов пользовался большой популярностью, и компания CDC пошла «в гору». Секрет столь высокого быстродействия заключался в том, что внутри ЦПУ (центрального процессора) находилась машина с высокой степенью параллелизма, у которой было несколько функциональных устройств для сложения, умножения и деления, и все они могли работать одновременно.

Центральный процессор производил только подсчет чисел, а остальные функции (управление работой машины, а также ввод и вывод информации) выполняли маленькие встроенные компьютеры. Некоторые принципы работы устройства 6600 используются и в современных компьютерах.

Разработчик компьютера 6600 Сеймур Крей был легендарной личностью, как и Фон Нейман. Он посвятил всю свою жизнь созданию очень мощных компьютеров, которые сейчас называют суперкомпьютерами. Среди них можно назвать 6600, 7600 и Cray-1.

1965-1980 — Интегральные схемы (третье поколение)

В 1958 году Роберт Нойс создал кремниевую интегральную схему, что дало возможность размещения на одной небольшой микросхеме несколько десятков транзисторов. Компьютеры на интегральных схемах были меньшего размера, работали быстрее и стоили дешевле, чем их предшественники на транзисторах.

К 1964 году компания IBM лидировала на компьютерном рынке, но существовала одна большая проблема: компьютеры 7094 и 1401, которые она выпускала, были несовместимы друг с другом. 7094-й предназначался для сложных расчётов, в нём использовалась двоичная арифметика на регистрах по 36 бит, на 1401 применялась десятичная система счисления и слова разной длины. Многим покупателям они не нравились ввиду их несовместимости.

Линейка транзисторных компьютеров System/360, которые были предназначены как для научных, так и для коммерческих расчётов, была выпущена компанией IBM с целью заменить предыдущие две серии. Она имела много нововведений. Это было целое семейство компьютеров для работы с одним языком (ассемблером). Каждая новая модель была больше по возможностям, чем предыдущая.

Идея создания семейств компьютеров стала настолько популярной, что в течение нескольких лет большинство компьютерных компаний выпустили серии сходных машин с разной стоимостью и функциями. В памяти транзисторных компьютеров System/360 могло находиться одновременно несколько программ, и пока одна программа ждала, когда закончится процесс ввода-вывода, другая выполнялась. В результате ресурсы процессора расходовались более рационально.

Параметры Модель 30 Модель 40 Модель 50 Модель 65
Относительная производительность 1 3,5 10 21
Время цикла, нс 1000 625 500 250
Максимальный объём памяти, байт 65 536 262 144 262 144 524 288
Кол-во байтов, вызываемых из памяти за 1 цикл 1 2 4 16
Максимальное количество каналов данных 3 3 4 6

Компьютеру 360 удалось разрешить дилемму между двоичной и десятичной системами счисления: у этого компьютера было 16 регистров по 32 бит для бинарной арифметики, но память состояла из байтов, как у 1401. В 360-м использовались такие же команды для перемещения записей разного размера из одной части памяти в другую, как и в 1401.

1980-? — Сверхбольшие интегральные схемы (четвёртое поколение)

В 1980-х годах появление сверхбольших интегральных схем позволило помещать на одну плату сначала десятки тысяч, затем сотни тысяч и, наконец, миллионы транзисторов. Это привело к созданию компьютеров меньшего размера и более быстродействующих. К этому времени цены упали так сильно, что возможность приобретать компьютеры появилась не только у организаций, но и у отдельных людей. Началась эра персональных компьютеров.

Персональные компьютеры применялись для обработки слов, электронных таблиц, а также для выполнения приложений с высоким уровнем интерактивности (например, игр), с которыми большие компьютеры не справлялись.

Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов, которые содержали:

  • печатную плату,
  • набор интегральных схем,
  • обычно включающий схему Intel 8080,
  • несколько кабелей,
  • источник питания,
  • 8-дюймовый дисковод.

Сложить из этих частей компьютер и написать программное обеспечение к нему покупатель должен был сам. Позднее для Intel 8080 появилась операционная система СР/М, написанная Гари Килдаллом.

Cамый покупаемый компьютер в истории — IBM PC.

Компьютер Apple был разработан Стивом Джобсом и Стивом Возняком. Данный компьютер стал чрезвычайно популярным среди домашних пользователей и школ, что в мгновение ока сделало компанию Apple серьёзным игроком на рынке.

В 1981 году появился компьютер IBM PC и стал самым покупаемым компьютером в истории.

Бурному производству персональных компьютеров послужило то, что компания IBM, вместо того чтобы держать проект машины в секрете (или, по крайней мере, оградить себя патентами), как она обычно делала, опубликовала полные проекты, включая все электронные схемы, в книге стоимостью 49 долларов. Эта книга помогла другим компаниям 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, многие компании начали делать клоны PC и часто продавали их гораздо дешевле, чем IBM (поскольку все составные части компьютера можно было легко приобрести).

Первая версия IBM PC была оснащена операционной системой MS-DOS, которую выпускала тогда ещё крошечная корпорация Microsoft. IBM и Microsoft совместно разработали последовавшую за MS-DOS операционную систему OS/2, характерной чертой которой был графический пользовательский интерфейс (Graphical User Interface, GUI), 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 ещё более крошечная, чем Intel, компания Microsoft умудрились свергнуть IBM, одну из самых крупных, самых богатых и самых влиятельных корпораций в мировой истории, подробно излагается в бизнес-школах всего мира.

С 1982 по 1989 год были выпущены версии процессоров Intel: 186-й (1-го поколения), 286-й (2-го поколения), 386-й (3-го поколения), 486-й (4-го поколения). В 1993 г. появился процессор под новой торговой маркой Pentium, являющийся процессором Intel 5-го поколения. Современные процессоры Intel Pentium гораздо быстрее 486-го процессора, но с точки зрения архитектуры они просто представляют собой его более мощные версии.

В середине 1980-х годов на смену CISC (Complex Instruction Set Computer — компьютер с полным набором команд) пришёл компьютер RISC (Reduced Instruction Set Computer — компьютер с сокращённым набором команд). RISC-команды были проще и работали гораздо быстрее.

В 1990-х годах появились суперскалярные процессоры, которые могли выполнять много команд одновременно, часто не в том порядке, в котором они располагаются в программе. Вплоть до 1992 года персональные компьютеры были 8-, 16- и 32-разрядными. Затем появилась революционная 64-разрядная модель Alpha производства DEC — самый что ни на есть настоящий RISC-компьютер, намного превзошедший по показателям производительности все прочие ПК. Впрочем, тогда коммерческий успех этой модели оказался весьма скромным — лишь через десятилетие 64-разрядные машины приобрели популярность, да и то лишь в качестве профессиональных серверов.

Невидимые компьютеры (пятое поколение)

В 1981 году правительство Японии объявило о намерениях выделить национальным компаниям 500 миллионов долларов на разработку компьютеров пятого поколения на основе технологий искусственного интеллекта, которые должны были потеснить «тугие на голову» машины четвёртого поколения. Однако, несмотря на большой шум, японский проект разработки компьютеров пятого поколения в конечном итоге показал свою несостоятельность и был аккуратно «задвинут в дальний ящик». В каком-то смысле эта ситуация оказалась близка той, с которой столкнулся Беббидж: идея настолько опередила свое время, что для её реализации не нашлось адекватной технологической базы. То, что можно назвать пятым поколением компьютеров, все же материализовалось, но в весьма неожиданном виде — компьютеры начали стремительно уменьшаться. Модель Apple Newton, появившаяся в 1993 году, наглядно доказала, что компьютер можно уместить в корпусе размером с кассетный плеер.

Реализованный в Newton рукописный ввод, казалось бы, усложнил дело, но впоследствии пользовательский интерфейс подобных машин, которые теперь называются персональными электронными секретарями (Personal Digital Assistants, PDA), или просто карманными компьютерами, был усовершенствован и приобрел широкую популярность. Многие карманные компьютеры сегодня не менее мощны, чем обычные ПК двух-трехлетней давности.

Значительно большее значение придается так называемым «невидимым» компьютерам — тем, что встраиваются в бытовую технику, часы, банковские карточки и огромное количество других устройств. Процессоры этого типа предусматривают широкие функциональные возможности и не менее широкий спектр вариантов применения за весьма умеренную цену. Вопрос о том, можно ли свести эти микросхемы в одно полноценное поколение (а существуют они с 1970-х годов), остается дискуссионным. Факт в том, что они на порядок расширяют возможности бытовых и других устройств. Уже сейчас влияние невидимых компьютеров на развитие мировой промышленности очень велико, и с годами оно будет возрастать.

Дополнение

Год выпуска Имя компьютера Создатель Примечания
1834 Аналитическая машина Беббидж Первая попытка построить цифровой компьютер
1936 Z1 Зус Первая релейная вычислительная машина
1943 COLOSSUS Британское правительство Первый электронный компьютер
1944 Mark 1 Айкен Первый американский многоцелевой компьютер
1946 ENIAC 1 Экерт/Моушли С этой машины начинается история современных компьютеров
1949 EDSAC Уилкс Первый компьютер с программами, хранящимися в памяти
1951 Whirlwind I МТИ Первый компьютер реального времени
1952 IAS Фон Нейман Этот проект используется в большинстве современных компьютеров
1960 PDP - 1 DEC Первый мини - компьютер (продано 50 экземпляров)
1961 1401 IBM Очень популярный маленький компьютер
1962 7094 IBM Очень популярная небольшая вычислительная машина
1963 B5000 Burroughs Первая машина, разработанная для языка высого уровня
1964 360 IBM Первое семейство компьютеров
1964 6600 CDC Первый суперкомпьютер для научных расчетов
1965 PDP-8 DEC Первый мини-компьютер массового потребления
1970 PDP-11 DEC Эти мини-компьютеры доминировали на рынке в конце 70-х
1974 8080 Intel Первый универсальный 8-разрядный компьютер на микросхеме
1974 CRAY-1 Cray Первый векторный суперкомпьютер
1978 VAX DEC Первый 32-разрядный суперминикомпьютер
1981 IBM PC IBM Началась эра современных персональных компьютеров
1981 Osborne-1 Osborne Первый портативный компьютер
1983 Lisa Apple Первый ПК с графическим пользовательским интерфейсом
1985 386 Intel Первый 32-разрядный предшественник линейки Pentium
1985 MIPS MIPS Первый компьютер RISC
1987 SPARC Sun Первая рабочая станция RISC на основе процессора SPARC
1990 RS6000 IBM Первый суперскалярный компьютер
1992 Alpha DEC Первый 64-разрядный ПК
1993 Newton Apple Первый карманный компьютер

См. также

Литература

1. Slater, R. Portraits in Silicon, Cambridge, MA: M.I.T. Press, 1987.

2. Bechini, A., Conte, T.M., and Prete, С A. «Opportunities and Challenges in Embedded Systems», IEEE Micro Magazine, vol. 24, pp. 8–9, July-Aug. 2004.

3. Henkel, J., Ни, X.S., and Bhattachatyya, S.S. «Taking on the Embedded System Challenge», IEEE Computer Magazine, vol. 36, pp. 35–37, April 2003.

4. Weiser, M. «The Computer for the 21st Century», IEEE Pervasive Computing, vol. 1, pp. 19–25, Jan.-March 2002; originally published in Scientific American, Sept. 1991.

5. Lutz,J., and Hasan, A. «High Performance FPGA based Elliptic Curve Cryptographic Co-Processor», Proc. Int'l Conf. on Inf. Tech.: Coding and Computing, IEEE, pp. 486–492, 2004.

6. Saha, D., and Mukherjee, A. «Pervasive Computing: A Paradigm for the 21st Century», IEEE Computer Magazine, vol. 36, pp. 25–31, March 2003.

7. Sakamura, K. «Making Computers Invisible», IEEE Micro Magazine, vol. 22, pp. 7–11, 2002.

Примечания

dic.academic.ru


Смотрите также