Аппаратные средства персональных компьютеров. Самоучитель

Популярность их первенца у пользователей заставила фирму IBM в 1983 г. начать производство компьютеров IBM PC XT. Буквы XT были взяты из слова еХТга, что обозначало расширенные возможности нового компьютера по сравнению с предшественником. Именно появление IBM PC XT послужило тем водоразделом, когда многообразие типов компьютеров сменило многообразие аналогов. В этом процессе главную роль сыграли производители из Юго-Восточной Азии, и, в первую очередь, с Тайваня.

В 1984 г. появилось новое поколение IBM PC совместимых компьютеров – IBM PC AT (буквы AT обозначали улучшенную технологию, Advanced Technology). Это действительно было новое поколение компьютеров, а не совершенствование старых, т. к. основой, "сердцем" компьютера стал микропроцессор Intel 80286 (обычно говорят просто 286). Смена процессора позволила программистам использовать память за пределами 1 Мбайт без сложных аппаратных ухищрений, кроме того, появился защищенный режим работы, в котором работает операционная система Windows.

Микропроцессоры 80286 выпускала корпорация Intel, не зависящая от IBM, что делало эти микросхемы доступными всем желающим, поэтому уже через полгода появились совместимые с IBM PC AT компьютеры других производителей. Сначала их выпускали фирмы в США, но очень быстро почин подхватили фирмы Юго-Восточной Азии. Клоны продавались в 2–3 раза дешевле оригинальных моделей IBM, что делало персональные компьютеры доступными большому кругу пользователей.

Процессор 80286 имел ряд недостатков, особенно при работе в защищенном режиме, поэтому в 1986 г. появился новый процессор Intel 386, который и стал образцом для всех остальных процессоров семейства х86. Компьютер на базе процессора 386 уже может работать с большинством современного программного обеспечения, правда, очень медленно. Самая же любопытная история, связанная с этим процессором, это то, что не корпорация IBM выпустила первый компьютер с процессором i386. Неповоротливость колоссальной корпорации позволила небольшим, но честолюбивым фирмам, выпустить новые персональные компьютеры раньше создателей IBM PC.

Дальше – наше время – головокружительная гонка высоких технологий и потеря корпорацией IBM лидирующего положения в области разработки и производства персональных компьютеров. Все попытки IBM вернуть утерянные позиции с помощью создания новых стандартов, лицензии на которые предлагалось покупать очень дорого, привели к тому, что общепризнанными стандартами становились разработки других фирм.

Например, серия компьютеров IBM PS/2 не получила признания из-за попытки навязать производителям компьютеров лицензионную шину расширения МСА. Большинство производителей компьютеров не поддержали инициативу IBM, а пошли по пути разработки открытого стандарта, что обусловило более низкие цены на их компьютеры.

Сегодня 80 % компьютерного рынка – это персональные компьютеры на базе процессоров семейства х86 и их аналогов, среди которых наибольшую известность имеет семейство AMD. Но у такой мировой унификации персональных компьютеров есть и отрицательные черты – современным процессорам приходится подстраиваться под предшественника – Intel 8086. В Pentium быстрое внутреннее RISC-ядро вынуждено эмулировать работу старых процессоров со всеми их слабыми местами. Плюс наследство от IBM PC – низкоскоростной обмен с периферийными устройствами и оперативной памятью.

Сегодня хорошо видно, что требуется переход от старых технологий к новым, но мировая индустрия персональных компьютеров обладает огромной инерцией, что мы, как пользователи, постоянно ощущаем на себе. Вот самый яркий пример – время начальной загрузки компьютера, несмотря на 100-кратное возрастание частоты процессоров, так и не уменьшилось, а даже стало еще дольше из-за более громоздкого программного обеспечения. Таких примеров вы сами можете привести немало – только надо вспомнить и сравнить старое и новое.

Конечно, не все так плохо – ведущие производители уже давно работают над новыми стандартами для будущих поколений персональных компьютеров. Правда, прийти к общему мнению им пока не удается, но ряд тенденций уже наметился. В первую очередь – это отказ от громоздкой шины ISA, внедрение USB-интерфейса для внешних устройств, стандарта АТХ для блоков питания. Но все же чисто экономические причины заставляют пользователей покупать, а производителей разрабатывать и продавать персональные компьютеры и периферийное оборудование со старыми стандартами. Уж очень стремителен прогресс компьютерных технологий, а пользователю так трудно отказаться от компьютера, который хотя и куплен 2–3 года назад, но, к сожалению, уже морально устарел. Вот и получается, что мы стараемся продлить жизнь своим персональным "чудам", добавляя памяти, вставляя новые дисководы…

История персональных компьютеров неразрывно связана с микропроцессорами корпорации Intel. Инженеры корпорации первыми создали микросхему, в которой целиком была смоделирована вычислительная машина – калькулятор. И в дальнейшем именно корпорация Intel разрабатывала наиболее массовые процессоры для компьютеров. Поэтому рассмотрим шаг за шагом, как усложнялись конструкции процессоров семейства х86. Желающие узнать об этом из первоисточника, могут заглянуть на русскоязычный сайт корпорации (http://www.intel.ru)[2].

Первая «компьютерная» микросхема была разработана в 1971 г. (официальная дата рождения 15 ноября) инженерами корпорации Intel по заказу небольшой японской фирмы, которая производила настольные калькуляторы Busicom.

Микросхема получила обозначение 4004 (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Микросхема 4004

Примечание

На сервере корпорации Intel по адресу http://www.lntel.ru можно найти цветные фотографии кристаллов микросхем. Так, на фотографии кремниевого кристалла, который находится в микросхеме 4004, хорошо видны контактные площадки по краям, к которым припаиваются золотые проводки, ведущие к контактам корпуса микросхемы. Так как количество элементов на кристалле невелико, то ясно просматриваются отдельные элементы и напыленные проводники. В дальнейшем, по мере увеличения количества элементов кристалла и уменьшения их размеров, наглядность изображений значительно снижается.

Сегодня для обозначения процессоров часто добавляют букву "i" перед цифрами, например – i486, чтобы указать на изготовителя – корпорацию Intel, т. к. ряд фирм выпускают процессоры Intel по лицензии.

Технические характеристики 4004 в то время были довольно впечатляющие, хотя сегодня они вряд ли вызовут восхищение. Тактовая частота была всего 108 кГц, а количество выполняемых операций – 0,06 млн./с. По сравнению сегодняшними гигагерцами (миллиардами герц) совсем-совсем мало, но тридцать с небольшим лет назад это были отличные показатели.

Количество транзисторов в микросхеме составляло 2300 штук, которые выполнялись по 10 мкм технологии.

Размерность шины данных составляла совсем маленькую величину – 4 бита, а адресуемая память достигала 640 байтов (байтов, а не килобайт или мегабайт). Но поскольку основным назначением микросхемы было выполнение арифметических вычислений в калькуляторе, этого вполне хватало.

Вторая микросхема 8008, которая разрабатывалась одновременно с процессором 4004, появилась в апреле 1972 г. Ее тактовая частота достигла уже 200 кГц. Внешний вид микросхемы показан на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Микросхема 8008

В новом процессоре шина данных была удвоена до 8 битов. Количество транзисторов на кристалле достигло 3500 (технология 10 мкм), соответственно, адресуемая память возросла до 16 Кбайт (тысяч байтов). Обратите внимание, что количество транзисторов не увеличилось пропорционально увеличению шины, т. к. в новом кристалле расположили не два процессора 4004, а разработали другую схему.

Как сказано на сайте корпорации Intel, основное назначение микросхемы 8008 – это использование ее в терминалах ввода/вывода, калькуляторах общего назначения и автоматах бутылочного разлива, а также в обработке данных и текста.

На протяжении всей книги будет использоваться термин «размерность шины», например, 16-разрядная шина, 32-разрядная шина и т. д. В компьютерной индустрии это означает, что информация передается от устройства к устройству не по одному проводу, а параллельно по многим проводникам. Но, в любом случае, используется один общий провод, который называется «земля» или «общий».

На рис. 2.3 показаны четыре лампочки, управляемые четырьмя выключателями – это наглядная иллюстрация четырехразрядной шины данных.

Рис. 2.3. Иллюстрация работы четырехразрядной шины

Можно также вспомнить, как устроено освещение в квартире. Например, к люстре для включения света в комнате могут подходить 3 провода, т. е. здесь используется 2-разрядная шина.

Независимо от того, как выглядит корпус процессора (часто используется термин «чип», от англ. chip), внутри обязательно находится тонкая кремниевая пластинка площадью около 1 квадратного сантиметра, на которой вытравлены микротранзисторы, резисторы, конденсаторы. Каждый элемент на кристалле соединяется с другими тонкими проводниками, которые создаются напылением на кремний пленки золота, алюминия или меди.

Производство микросхем напоминает печать обычных фотографий с помощью фотоувеличителя. Через фототрафарет, аналог фотопленки, засвечивается фотослой, который нанесен на кремниевую пластину. Потом ее многократно травят в химических реактивах и напыляют в нужных местах слои металла. При установке кристалла в корпус микросхемы контактные площадки на кристалле с помощью тонких золотых проводников соединяют с выводами микросхемы.

В современных процессорах количество транзисторов превышает несколько десятков миллионов штук, но вот размеры кремниевых кристаллов не могут быть большими. В первую очередь, это обусловлено огромной ценой больших кристаллов, да и размеры корпуса процессора ограничены. Поэтому при изготовлении процессоров используются самые передовые технологии. Даже можно сказать, что разработка новых процессоров всегда влечет появление новых технологий, т. к. эти микросхемы содержат больше всего различных элементов на кристалле.

Наиболее выгодно сокращать размеры элементов и толщину проводников, т. к. в этом случае на одном и том же кристалле можно разместить значительно больше транзисторов. В первых процессорах использовалась технология 10 мкм, означающая, что минимальная толщина проводников или геометрические размеры транзисторов на кристалле кремния могут быть не меньше 10 мкм. В последних разработках используется технология 0,13 и даже 0,08 мкм, а это уже соизмеримо с длиной волны солнечного света. Поэтому в техпроцессе начинают применять мягкое рентгеновское излучение и пучки электронов, как в кинескопах.

Примечания

1

На фотографиях приведен системный блок компьютера, который собран пользователем по принципу минимальной стоимости.

2

Все даты и цифры, касающиеся процессоров корпорации Intel, соответствуют официальным данным, приведенным на этом же сервере.

Конец бесплатного ознакомительного фрагмента.