Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 2 
  

(кликнуть мышью для увеличения картинки)

Примеры ноутбуков

Интересная модель того времени – Everex с процессором i386SX-25. Архитектура и дизайн этой модели допускает возможность установки сопроцессора i387SX, что увеличивает производительность данного ноутбука.

Ноутбук Everex
(кликнуть мышью для увеличения картинки)

В основе этого компьютера лежит двухплатное решение. Семидюймовый черно/белый ЖК-дисплей разрешением 640×480, легко сменяемые жесткий диск IBM с интерфейсом IDE и информационным объемом 80 Мбайт, дисковод гибких дисков 1,44 Мбайт, блок Ni-Ca аккумуляторов. Управление осуществляется с помощью клавиатуры и миниатюрного трекбола. Оперативная память — 2 Мбайт с возможностью увеличения до 4 Мбайт с помощью замены специальной платы памяти. Внешние интерфейсы представлены разъемами VGA, LPT, Com и для внешней клавиатуры. Ноутбук помещен в металлический корпус и весит более 3 кг. Несмотря на ограниченность функциональных возможностей, по дизайну он уже напоминает современные модели.

Не менее интересно семейство ноутбуков IBM ThinkPad. В октябре 1992 года в рамках данного сеейства были анонсированы три модели: 300, 700, 700С. Основой каждой из них стал процессор Intel 80386SL частотой 25 МГц, оперативная память составляет 4–16 Мбайт, встроенный LCD монитор — монохромный, 9,5 дюйма, разрешением 640×480. Накопители представлены жестким диском 80 Мбайт и 3,5-дюймовым флоппи-дисководом.

Ноутбук IBM ThinkPad
(кликнуть мышью для увеличения картинки)

Модели 700 и 700C отличаются наличием процессора Intel 80486SLC частотой 50 МГц (2×25 МГц). Последняя укомплектована цветным 10,4-дюймовым LCD-монитором с поддержкой 256 цветов – в комплекте с HDD 120 Мбайт она предлагалась за $4350.

Конечно, все перечисленные характеристики могли варьироваться в зависимости от модели и производителя.

Приведенные данные дают только общее представление о том, какими были компьютеры начала девяностых годов прошлого века, то есть три десятка лет назад. Остается сравнить параметры и цены указанных устройств с современными моделями компьютеров. Но это уже может сделать каждый из нас самостоятельно.

А вот предсказать, что будет через следующие три десятка лет, — вряд ли возможно. Однако можно уверенно утверждать только то, что, безусловно, будет очень интересно!
   

>>    Часть 1 
       

Сокращенные версии статьи: 

• Компьютеры тридцать лет тому назад
• Компьютеры тридцать лет тому назад. / IT-Expert. 2023, №7
• Компьютеры, какие они были 30 лет назад. / Вы и ваш компьютер. 2023, №10, с.14-18 

В статье были использованы материалы книг:

• «PC: Overclocking, Optimization, & Tuning, Second Edition». — USA: A-LIST
• «PC: Hardware Tuning & Acceleration». — USA: A-LIST
• «PC: настройка, оптимизация разгон» Изд.2-е, доп. — СПб.:  BHV-Санкт-Петербург
• “Форсирование аппаратных средств РС”. — СПб.: БХВ-Петербург
• “Аппаратные средства и мультимедиа”. — СПб.: Питер
• “Современное железо: настольные, мобильные и встраиваемые компьютеры”. — СПб.: БХВ-Петербург

В статье были использованы материалы сайтов:

• Википедия
• Ряда других сайтов

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 1 
  

(кликнуть мышью для увеличения картинки)

Ноутбуки

Ноутбуки начала 90-х хотя и были довольно примитивными по сравнению с современными, но представляли собой важный шаг в развитии переносных компьютеров. Давайте рассмотрим некоторые нюансы их архитектуры, характеристики, а также внешние интерфейсы. Но сначала с помощью «Википедии» проведем небольшой экскурс в историю развития ноутбуков. Эти компьютеры в некоторых странах называют лэптопами или иногда лаптопами.

Итак, идею создания вычислительной машины «размером с блокнот, имеющей плоский монитор и умеющей подключаться к сетям без проводов», выдвинул начальник исследовательской лаборатории фирмы Xerox Алан Кей (Alan Curtis Kay) в 1968 году. А в 1982 году по заказу NASA Уильям Могридж (William Grant ‘Bill’ Moggridge, британский дизайнер, изобретатель и педагог, основатель дизайнерской компании IDEO) создал первый в мире ноутбук Grid Compass. Устройство имело 340 Кбайт оперативной памяти ЦМД (цилиндрические магнитные домены), процессор Intel 8086 с тактовой частотой 8 МГц и люминесцентный экран и использовалось в программе Space Shuttle.

Первая общегражданская модель, получившая название “Osborne 1”, была создана Адамом Осборном (Adam Osborne, американский компьютерный дизайнер). Устройство имело следующие параметры: масса — 11 кг, оперативная память — 64 Кбайт, процессор — Zilog Z80A с тактовой частотой 4 МГц, два дисковода 5,25”, три порта, в том числе для подключения модема, монохромный дисплей 8,75×6,6 см – 24 строки по 52 символа, клавиатура – 69 клавиш. Данный мобильный компьютер был создан в 1981 году и выпущен на рынок по цене $1795.

Мобильный компьютер Osborne 1
(кликнуть мышью для увеличения картинки)

В 1990 году Intel представила первый специализированный процессор для мобильных персональных компьютеров — Intel386SL. По меркам того времени он был сравнительно мощным, снабжен рядом оригинальных микроархитектурных решений, существенно снижающих энергопотребление. Данное обстоятельство позволило ряду известных компаний создать большое количество моделей мобильных компьютеров. Это сделало их массовым продуктом, хотя и явно недешевым.

Процессор

В ноутбуках, предлагаемых потенциальным пользователям три десятка лет назад, обычно использовались процессоры Intel 386 или Intel 486. Мобильные версии этих процессоров обеспечивали меньшую вычислительную мощность, чем их настольные аналоги, однако были достаточно мощными для большинства задач того времени (тактовая частота обычно колебалась от 16 до 50 МГц). В качестве примеров можно привести:

Варианты Intel 80386SX с частотами 16 (1988 г.), 20 (1989 г.), 25 и 33 МГц (1992 г.), внутренней архитектурой 32 бит, внешней шиной данных 16 бит, внешней шиной адреса 24 бит, адресуемой физической памятью 16 Мбайт, количество транзисторов – 275 000. Созданы по технологии 1,5 и 1 мкм, индекс производительности iCOMP модели Intel 80386SX-33 составлял 56, для ее увеличения использовались микросхемы сопроцессоров Intel 80387.

Варианты Intel 80386SL с частотами 20 (1990 г.), 25 (1991 г.) – первые энергосберегающие процессоры для портативных ПК. Семейство SL отличалось от семейства SX тем, что имело на кристалле также контроллер оперативной памяти, контроллер внешней кэш-памяти объемом 16–64 Кбайт и контроллер шины.

Варианты Intel 80486SX с частотами 16/20/25 МГц (1991 г.), 33 и 25х2 МГц (1992 г.), внутренней архитектурой 32 бит, внешней шиной данных 32 бит, внешней шиной адреса 32 бит, адресуемой физической памятью 4 Гбайт и количеством транзисторов – около 1,2 млн. Созданы по технологиям 1 и 0,8 мкм. Индекс производительности iCOMP модели Intel 80486SX-33 составлял 136, для ее увеличения использовались микросхемы сопроцессоров Intel 80487.

Варианты Intel 80486SL с частотами 20/25/33 МГц (1992 г.), внутренней архитектурой 32 бит, внешней шиной данных 32 бит, внешней шиной адреса 26 бит, адресуемой физической памятью 64 Мбайт (виртуальной — 64 Тбайт), количество транзисторов – около 1,4 млн, созданы по технологии 0,8 мкм. Являются энергосберегающими процессорами для портативных ПК. Для увеличения производительности использовались микросхемы сопроцессоров Intel 80487.

Аналоги указанных процессоров серий i386 и i486 производились компаниями AMD, Cyrix, VIA и др.

Позднее появились и настольные компьютеры с процессорами Intel Pentium, анонсированными в 1993 году. В мобильные же компьютеры процессоры Intel Pentium попали значительно позже.

Оперативная память

Как правило, ноутбуки начала 90-х имели от 2 до 8 Мбайт оперативной памяти (DRAM). Данного информационного объема вполне хватало для запуска большинства операционных систем и приложений того времени, включая MS DOS и ранние версии MS Windows. Но встречались и модели с большими значениями DRAM. Большинство мобильных систем использовали чипы оперативной памяти типа FPM DRAM с тактовой частотой около 20-30 МГц. Соответствующие чипы часто распаивались на материнской плате без возможности расширения информационного пространства оперативной памяти. Однако для некоторых моделей ноутбуков все-таки допускалось увеличение памяти путем установки фирменных модулей в специальные разъемы материнских плат. В дальнейшем этот тип памяти в архитектурах мобильных компьютеров вытеснили более совершенные варианты: EDO, DDR, DDR2 и т. д.

Жесткий диск

Жесткий диск (HDD) в ноутбуках начала 90-х годов подключался посредством шины IDE и обычно имел емкость от 20 до 120 Мбайт. Этого информационного объема было вполне достаточно для хранения системного программного обеспечения в лице MS DOS и MS Windows того времени, например MS DOS 5.0 и MS Windows 3.1, а также пользовательских программ и данных.

Экран

Обычно в такие устройства устанавливался монохромный ЖК-дисплей диагональю около 10 дюймов и разрешением около 640×480 пикселей – это считалось достаточно высоким качеством изображения, тем более, что панели с бóльшим разрешением, как правило, были недоступны для конструкторов и производителей таких компьютеров.

Кстати, в дисплеях ноутбуков того времени для подсветки ЖК-матрицы использовались миниатюрные люминесцентные лампы с парами ртути внутри.

Батарея

Поскольку ноутбуки того времени укомплектовывались никель-кадмиевыми элементами, их эксплуатация требовала аккуратности. Дело в том, что данному типу аккумуляторов был присущ так называемый «эффект памяти», который проявлялся в уменьшении фактической емкости батареи при пополнении ее заряда без предварительного полного разряда. Тем не менее, они обеспечивали пользователям необходимую мобильность в течение 2-3 часов. Конечно, время автономной работы, как и сегодня, во многом зависело от сложности решаемых задач и устанавливаемой яркости ЖК-дисплеев.

Клавиатура и указатель

Клавиатуры ноутбуков того времени были схожи с современными вариантами, но могли быть меньше и не иметь некоторых клавиш. Для обеспечения комфортной работы конструкторы использовали трекбол или встроенную клавишу, которые применялись в качестве указателей. А привычные сегодня тачпады в архитектуре ноутбуков стали элементами мобильных компьютеров значительно позже.

Внешние интерфейсы и разъемы

Большинство моделей ноутбуков имели внешний разъем параллельного порта (LPT), который обычно использовался для подключения принтеров, и один или два внешних разъемов последовательных портов (COM) — для модемов, мыши и пр., а также разъем VGA для внешнего монитора или проектора. В качестве дополнительной энергонезависимой памяти устанавливался встроенный привод для гибких 3,5-дюймовых дискет емкостью 1,44 Мбайт. Некоторые модели имели в своем составе PS/2-порт для внешней клавиатуры или мыши. В то время как встроенные аудиосистемы не стали стандартом, некоторые ноутбуки могли иметь разъемы для внешних динамиков, наушников, микрофона. Остается добавить, что вес типичного компактного ноутбука того времени составлял от 2,5 до 4 кг.

В следующей части  данной статьи — примеры моделей ноутбуков начала девяностых
   

>>    Часть 3 
      

Евгений Рудометов 
 

(кликнуть мышью для увеличения картинки)

Настольные компьютеры

Настольные компьютеры (десктопы) состояли традиционно из следующих частей: системный блок, монитор, устройства ввода в лице клавиатуры, мыши, игровых пультов и т.п. В ряде случаев, обычно на рабочих местах, к системному блоку дополнительно подключались принтер и внешние накопители информации. Иногда ученые и инженеры подключали к системному блоку еще и кое-какие измерительные и исполнительные устройства.

Необходимо отметить, что на указанном временном рубеже существовали настольные компьютеры разных архитектур, создаваемые и выпускаемые на рынок миллионами штук компаниями разных стран. Не остался в стороне от этого процесса и CCCP, в котором к 92 году массово выпускалось несколько десятков моделей компьютеров, выпуск некоторых превышал 100 тыс. экземпляров. На советском и мировом пространстве присутствовало большое количество моделей разных систем команд и архитектур. Однако постепенно это разнообразие сокращалось, и стандарты IBM PC стали доминировать среди производителей персональных компьютеров.

Монитор и системный блок настольного компьютера
(кликнуть мышью для увеличения картинки)

Итак, архитектура системных блоков включала в себя центральный микропроцессор (процессор), чипы и модули оперативной памяти, жесткие (HDD) и гибкие (floppy) диски, материнскую плату с шинами и разъемами (слотами), видеокарту и встроенный блок питания от сети переменного тока. Они, как и в случае современных моделей, были объединены в единую систему посредством материнской платы. Она обеспечивала электрические и логические связи между всеми электронными элементами.

Процессор

Процессоры тех компьютеров были значительно менее мощными, чем современные. Например, Intel 486, который широко использовался в то время, работал на частоте от 16 до 100 МГц. Это считалось весьма высокими характеристиками, и некоторое время эти процессоры вполне соответствовали потребностям решаемых задач. Но задачи усложнялись, и запросы пользователей росли. Отвечая на запросы рынка, компания Intel разработала и выпустила в 1993 году процессор Intel Pentium. Благодаря реализации в своей микроархитектуре ряда перспективных технологий он резко повысил скорость обработки данных и стал своеобразным стандартом для персональных компьютеров. Работая на частоте до 200 МГц, этот процессор значительно увеличил производительность компьютеров. Благодаря успехам полупроводниковых технологий и совершенствованию микроархитектурных решений появились следующие модели, обладающие большими возможностями.

Конечно, современные многоядерные Intel Core i7 и Core i9 с тактовой частотой почти 5 ГГц, обеспечивают в сотни и даже в тысячи раз большую производительность по сравнению с самыми скоростными моделями Intel Pentium начала и середины 90-х годов.

Оперативная память

Оперативная память в компьютерах начала 90-х была довольно ограниченной по современным меркам. Стандартный настольный ПК обычно имел от 4 до 16 Мбайт оперативной памяти. Основным типом того времени была FPM DRAM (Fast Page Mode Dynamic Random Access Memory) с частотой работы 25 и 33 МГц. Она использовала шину данных 8 бит, имела на частоте 25 МГц пропускную способность до 25 Мбайт/с.

Как и в случае процессоров, современные варианты модулей оперативной памяти DDR4 SDRAM с частотой работы от 1600 до 3200 МГц, обеспечивают значительно большую пропускную способность — до 25600 Мбайт/с на частоте 3200 МГц в одноканальном режиме и до 51200 Мбайт в стандартном двухканальном режиме. А новейшие модули DDR5 SDRAM с частотой работы до 8400 МГц демонстрируют еще большие скоростные возможности.

Диски

Для долгосрочного энергонезависимого хранения данных и программного обеспечения, в настольных компьютерах использовались, как и сегодня, жесткие диски. Но в начале 90-х они обычно имели емкость от 40 до 500 Мбайт. Эти значения сегодня могут казаться ничтожными, но тогда этого было вполне достаточно для решения задач большинства пользователей. Жесткие диски того времени подключались через параллельный интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics). Он был стандартом в течение длительного времени, так как предлагал достаточную скорость для технологий того периода.

А для внешнего хранения информации использовались гибкие диски 5,25” емкостью 360, 720 и 1200 Кбайт и 3,5” — 720 Кбайт и 1,44 Мбайт.

В современных ПК старшие модели жестких дисков уже достигли 30 Тбайт, гибкие же диски не используются уже более 10 лет.

Системная шина

Системная шина обеспечивала физическую связь между компонентами компьютера, включая процессор, оперативную память, жесткий диск и расширительные слоты. В начале девяностых основным типом системной шины был ISA (Industry Standard Architecture). Шина этого стандарта использовалась в большинстве настольных ПК и позволяла подключать различные устройства – видеокарты, звуковые карты и модемы. Однако с выпуском Intel Pentium появилась новая системная шина — PCI (Peripheral Component Interconnect), которая предлагала значительно более высокую пропускную способность. Эта шина стала стандартом для нескольких поколений процессоров.

В современных компьютерах роль системной шины стали исполнять внутренние шины процессора, соединяющие встроенные в процессор контроллеры и подсистемы. Остальные компоненты (внешняя видеокарта, модули оперативной памяти, диски и др.) современного ПК подключаются к процессору посредством шин PCI-Express.

Приводы и интерфейсы

Стандартными компонентами настольного ПК начала девяностых были еще и флоппи-диск, CD-ROM (привод для более новых моделей), параллельные (LPT) и последовательные (COM) порты для подключения периферийных устройств (таких как принтеры или модемы), а также VGA-порт для подключения CRT-монитора.

Увы, указанные приводы и порты покинули современные компьютеры. Информацию все чаще пересылают через беспроводные сети Wi-Fi и Bluetooth, а вместо указанных портов теперь USB, Gigabit (RJ-45), HDMI, Mini-DisplayPort.

Видеосистема

Видеокарты того времени обычно поддерживали разрешение от 640×480 до 800×600 пикселей и были способны отображать от 16 до 256 цветов. Более продвинутые модели поддерживали более высокое разрешение и широкую цветовую гамму, но стоили дорого и использовались в основном профессионалами и энтузиастами.

Мониторы начала 90-х годов были типа CRT (Cathode Ray Tube). Их часто называли ЭЛТ или просто «трубками». Большие и весьма тяжелые, обычно с диагональю экрана 14–21 дюйма, они, как правило, обеспечивали разрешение от 640×480 до 1024×768 пикселей. Большинство мониторов использовали стандарт VGA (Video Graphics) для подключения к компьютеру, хотя некоторые более продвинутые модели могли использовать стандарты SVGA (Super VGA) или XGA (Extended Graphics) для получения более высокого разрешения и лучшего качества изображения.

В дальнейшем мониторы ЭЛТ ушли в прошлое вместе с соответствующими стандартами и разъемами. Их место заняли мониторы на жидких кристаллах (ЖК, LCD).

Современные настольные компьютеры комплектуются мониторами ЖК, обладающими обычно разрешением 1920×1080 и подключаемыми обычно через разъемы HDMI или Mini-DisplayPort.

Блок питания

Блок питания обеспечивал электрическим током все компоненты системы. Обычно он мог выдавать от 200 до 300 ватт, его было достаточно для работы компонентов того времени. Это базовое описание настольного компьютера начала девяностых годов, хотя, конечно, детали могли варьироваться в зависимости от конкретной модели и производителя.

Возросшая многократно вычислительная мощь современных компьютеров потребовала соответствующего энергопитания, в результате чего не являются редкостью блоки мощностью 1000 Вт.

В следующей части  данной статьи — о ноутбуках начала девяностых.

(кликнуть мышью для увеличения картинки)
   

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

Средства хранения цифровой информации прошли славный путь эволюции. Каждое из этих средств пережило свой этап открытий, многочисленных усовершенствований и, наконец,  заката, постепенно уступая пальму первенства своим более совершенным наследникам. Все они были востребованы и выпускались десятками и сотнями миллионов экземпляров. Тем не менее, ни один из вариантов не был идеален, включая даже жесткие диски (HDD — hard disk drive — накопитель на жестких магнитных дисках, жесткий диск, разг. винчестер), чья история с выпуска первого жеского диска в 1956 г. (IBM 350 в составе компьютера IBM 305) насчитывает уже более полувека. Именно из-за ограниченных технических и эксплуатационных возможностей гибких и магнитооптических дисков, магнитных лент в компакт-кассетах, бобинах и картриджах, оптических дисков CD/DVD/BD и жестких дисков 2.5″ и 3.5″ HDD конструкторы и пользователи с энтузиазмом восприняли разработку чипов (1988 г.) и устройств (1984 г.) на основе технологии флеш.

В качестве примера можно привести карты памяти: PC Card, CompactFlash (CF), SmartMedia (SM), MultiMedia Card (MMC), SD (Secure Digital Memory Card, до 4 Гбайт), SDHC (Secure Digital High Capacity, до 32 Гбайт), SDXC (Secure Digital eXtended Capacity, до 2 Тбайт) , SDUC (Secure Digital Ultra Capacity, до 128 Тбайт). К данному набору следует еще добавить популярные карты уменьшенных форм-факторов, к которым относятся Memory Stick, miniSD, MicroSD, MicroSDHC, MicroSDXD и т.п. При этом совместимость устройств, рассчитанных на использование полноформатных карт SD, SDHC, SDXC, с картами MicroSD, MicroSDHC, MicroSDXС осуществляется с помощью специальных переходников. Внешние дизайн и контакты таких переходников полностью совпадают с картами SD, SDHC, SDXC, а внутренние дизайн и контакты — с микрокартами.

Совместимость устройств и флеш-карт MicroSD, MicroSDHC, MicroSDXС

Среди других устройств следует отметить USB-флеш-накопители (USB-флешки или просто флешки) и, конечно, твердотельные накопители (Solid-State Drive, SSD). Они способны во многих случаях заменить жесткие диски и в ноутбуках, и настольных компьютерах, и рабочих станциях, и серверах, и других устройствах и системах, то есть практически везде.

Указанные средства хранения информации не нуждаются в сложных механических узлах, они состоят из печатной платы с набором напаянных на ней микросхем, дополненных интерфейсным разъемом. Такая конструкция обещает для накопителей высокие показатели быстродействия, энергоэкономичности, надежности при компактных размерах.

Однако, давайте разбираться, насколько оправданы эти надежды. Но сначала немного о технологии флеш, которая является разновидностью полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти. Звучит это несколько страшно, но, по сути, все очень просто.

Не вдаваясь в тонкости реализации разных вариантов технологии флеш, можно сказать, конечно, сильно упрощая, что биты цифровых данных в форме зарядов хранятся в миниатюрных конденсаторах с очень низким саморазрядом. Считывание же значений осуществляют схемы на основе транзисторов с изолированными затворами или их аналоги. Это иллюстрирует соответствующая эквивалентная электронная схема (рис.1).

Рис. 1. Хранение одного бита в ячейке накопителя флеш
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

В такой схеме установка «нуля» осуществляется подключением конденсатора к «земле», а «единицы» — к шине питания. А как собственно реализовано хранение заряда в реальных продуктах — это, вообще говоря, не так и важно. По сути, это конденсатор и цепь считывания, формирующие ячейку хранения (Cell). Остается добавить, что для хранения байта потребуется восемь таких ячеек. Можно сказать, что такой подход лежит в основе USB-флеш-накопителей (USB-флешки или просто флешки) и распространенных флеш-карт (SD, SDHC, SDXC и т.п.), и в твердотельных накопителях (Solid-State Drive, SSD), как впрочем, и в чипах флеш-памяти, используемых в различных электронных устройствах. Примеры USB-флеш-накопителя и флеш-карт приведены на рис. 2.

Рис. 2. Примеры USB-накопителя и флеш-карт
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Очевидно, что время сохранения информации в накопителях зависит от времени сохранения зарядов в ячейках, точнее, пока записанные «единицы» устойчиво считываются именно как «единицы», а не как «нули». Конечно, это касается и записанных «нулей». Для повышения надежности в архитектуре предусмотрены дополнительные ячейки и специальные цепи, реализующие алгоритмы контроля и восстановления информации.

А теперь о некоторых тонкостях. Дело в том, что указанная эквивалентная схема (рис. 1) иллюстрирует способ хранения информации в самых ранних разработках, когда каждый бит требовал свою индивидуальную цепь хранения заряда. Это однобитовые ячейки, их называют одноуровневыми (Single-Level Cell, SLC). Время хранения информации в таких ячейках, по заверениям производителей, достигает 10 и более лет.

С целью повышения информационной емкости накопителей и снижения их стоимости были разработаны технологии хранения нескольких бит в каждой ячейке. Так, например, в ячейке можно хранить два бита, что достигается хранением четырех уровней напряжения на конденсаторе (Multi-Level Cell, MLC), три бита — за счет хранения восьми уровней (Triple-Level Cell, TLC), четырех бит — за счет хранения шестнадцати уровней (Quad-Level Cell, QLC). Анонсирована разработка накопителей с сохранением в каждой ячейке пяти бит (Penta-Level Cell, PLC), что достигается работой электронных схем с тридцатью двумя уровнями напряжения, но реализация этой возможности ждет всех нас, вероятно, в неблизкой перспективе.

Выпуск накопителей с многоуровневым принципом записи/хранения/чтения информации требует очень высокой культуры производства. Из важнейших особенностей таких твердотельных накопителей необходимо отметить, что реализация указанных операций требует наличия в составе архитектуры таких накопителей скоростных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей. Это иллюстрирует схема, приведенная на рис.3.

Рис. 3. Хранение нескольких бит в ячейке SSD
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Однако указанные технологии повышения плотности информации сокращают время надежного хранения информации. Конечно, с целью компенсации возможных сбоев и, как следствие, искажения и потери информации используются дополнительные ячейки и высокоэффективные алгоритмы, обеспечивающие контроль и восстановление информации. Однако главным результатом является достижение высоких показателей емкости при относительно небольших затратах.

О надежности твердотельных дисков —  в следующей части  данной статьи.

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

Часть 2 

Итак, революционным прорывом многие считали появление дешевых оптических дисков (Compact Disc, CD, 1980 г.). Эти оптические диски (рис. 10) были специально созданы для  обеспечения длительного хранение информации. Их емкость быстро превысила начальные 650 Мбайт, быстро достигнув 700 Мбайт для CD (1982 г.), нескольких гигабайт для DVD (1996 г.), а в случае BD (Blu-ray Disc, 2006 г.) — до 100 Гбайт. Пример дисковода CD/DVD для десктопа — на рис. 11.

Рис. 10. Компакт-диск (CD)
             (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 11. Дисковод CD/DVD
             (кликнуть мышью для увеличения картинки) 

Конечно, среди оптических дисков появились разнообразные улучшенные варианты. Были созданы модели, как для одноразовой записи, так и для многоразовой, как однослойные, так и многослойные. Как результат, многие специалисты до сих пор рассматривают оптические диски в качестве оптимальных средств длительного хранения оцифрованной информации. Но как оказалось, не все так безоблачно. Дело в том, что оптические диски, особенно семейств CD и DVD, обладая многими положительными свойствами, имеют и ряд значительных ограничений. Так, например, как оказалось, производители этих носителей в своем стремлении уменьшить свои расходы так модифицировали и оптимизировали технологии и материалы, что надежность хранения информации снизилась весьма существенно. Более того, сроки надежного хранения цифровых данных часто не дотягивают даже до года, особенно в условиях повышенных уровней влажности, температуры, света. Действительно, пористая структура дешевого пластика не препятствует проникновению влаги, которая разрушает металлическую пленку информационного слоя. Процесс коррозии ускоряется в присутствии яркого света, особенно при наличии в его спектре ультрафиолетовой составляющей.

Параллельно с указанными средствами хранения информации развивались накопители на жестких магнитных дисках (Hard Disk Drive, HDD, жесткие диски). Модели ПК архитектуры IBM PC, появившиеся в начале 80-х годов, комплектовались HDD, емкость которых составляла 5 Мбайт. Сравнительно быстро число мегабайт увеличилось до 10, 20, 30, 40 и т. д. Многим в то время казалось, что этот рост ничем не ограничен, и емкость будет увеличиваться, но вскоре появились очень серьезные научные работы, в которых предсказывалось и убедительно обосновывалось, что рост емкости 3,5” HDD ограничится значениями 120-150 Мбайт. Объяснялось это существованием парамагнитного предела. Дело в том, что с уменьшением размеров магнитных доменов в условиях увеличения на дисках плотности магнитных дорожек возрастает вероятность произвольного изменения их состояния, связанного с их произвольным размагничиванием, перемагничиванием и т. п.

Однако благодаря появлению новых открытий, материалов, элементов и технологий указанный предел все время успешно отодвигается. В результате появляются все более совершенные модели HDD, в которых доступ к записанным данным осуществляется за время менее 20 мс, а емкость указывается уже в терабайтах даже в изделиях потребительского сектора. Расстояние же между головками и быстро вращающимися магнитными дисками исчисляется уже в нанометрах. При этом в последние годы вся механическая часть высокоемких HDD помещается в герметичные боксы, заполненные гелием. Гелиевая среда позволяет улучшить многие параметры, в частности, снизить сопротивление вращению дисков, что позволяет увеличить их число. В результате удалось выпустить накопители очень высокой емкости (рис. 12). Более того емкость некоторых старших моделей даже «перевалила» за значение 20 Тбайт.

Рис. 12. Высокоемкий жесткий диск
             (кликнуть мышью для увеличения картинки) 

В дополнение к сказанному необходимо отметить, что управление процессом записи на магнитные диски и последующее корректное чтение данных осуществляется с помощью очень сложной, высокоточной механики, а также сложной электроники. Кстати, электронная часть в HDD уже давно является, по сути, встроенным миниатюрным компьютером с очень сложным чипом, выполняющим функции процессора. В архитектуре накопителя он дополнен чипами оперативной памяти, специальной программой (прошивкой) в чипе энергонезависимой памяти и т.п. Остается добавить, что, кроме 3,5-дюймовых HDD, на рынке представлен также широкий спектр 2,5-дюймовых моделей, емкость которых в настоящее время ограничена сверху значением 5 Тбайт. Были еще HDD форматов 1,8” и 1”, но они не снискали широкого признания и были постепенно сняты с производства.

К сожалению, эти совершенные, но очень сложные по своему внутреннему устройству накопители уязвимы для ударных нагрузок и вибраций. Выход из строя (вместе с потерей накопленной информации) менее 1% HDD за время гарантийного периода, обычно пять лет, считается весьма хорошим результатом. Однако, к сожалению, нередко бывают серии моделей с результатами в разы хуже: и 5%, и 10%, и даже больше. При этом, чем выше плотность записи на магнитных дисках и чем больше дисков на шпинделе, тем, по-видимому, труднее обеспечить бесперебойную работу накопителя. Увы, хотя этот тип накопителей является очень востребованным и распространенным, он явно не идеален. Именно поэтому конструкторы и пользователи с энтузиазмом восприняли разработку чипов (1988 г.) и устройств на основе технологии флеш (1984 г.).

В качестве примера можно привести USB-флеш-накопители (USB-флешки или просто флешки), флеш-карты (SD, SDHC, SDXC) и, конечно, твердотельные накопители (Solid-State Drive, SSD). Но о принципах работы, достоинствах и недостатках, а также об особенностях эксплуатации и надежности будет рассказано в следующей статье о накопителях. 

>>    Часть 1 
      

Сокращенные версии статьи: 

• Можно ли долго хранить данные на SSD? 
• Можно ли долго хранить данные на SSD? / IT-Expert. 2022, №6 
• Накопители: от кассет до HDD. / Вы и ваш компьютер. 2022, №7, с.12-15

Евгений Рудометов 
 

Часть 1 

Как уже упоминалось в предыдущей части статьи, магнитные ленты до сих пор остаются востребованными в крупных центрах обработки и хранения информации. Однако традиционные громоздкие катушки с лентами (бобины, рис. 6), нашедшие широкок распространение со времен IBM 360/370 (мейнфреймами IBM), постепенно уступают свое место более комактным преемникам.

Кстати, с указанными майнфреймами спользовались устройства с плотностью записи 32, 63 и 243 бит/мм (800, 1600 и 6250 бит/дюйм), что соответствовало емкости одной стандартной катушки ленты, соответственно, 20, 40 и 140 Мбайт. Наряду со стандартными катушками диаметром 267 мм (10,5 дюймов), содержащими 730 метров ленты, в ходу были также катушки уменьшенного диаметра 178 мм (7 дюймов), содержащие 183 метра ленты, но более компактные, помещавшиеся в обычную сумку.

Рис. 6. Катушка с магнитной лентой
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Следует отметить, что современные устройства, использующие магнитные ленты, помещенные в компактные кассеты (картриджи), по эксплуатационным параметрам выгодно отличаются от своих предшественников эры огромных ЭВМ. Достоинствами таких решений являются следующие характеристики: очень большая емкость, достигающая уже десятков терабайт, сравнительно низкая стоимость носителя, а также низкое энергопотребление систем большого информационного объема.

Стандарт первого поколения был выпущен в рамках LTO Program в 2000 году. Он предусматривал возможность хранения на одном ленточном картридже до 200 Гбайт информации в сжатом виде.

Картриджи текущего стандарта LTO-9 имеют «чистую» емкость 18 Тбайт и могут хранить до 45 Тбайт данных в сжатом виде. Скорость передачи достигает 1000 Мбайт/с (с учетом компрессии). Себестоимость хранения информации, по данным консорциума LTO, составляет менее $0,01/Гбайт.

В картриджах Fujifilm используется лента на основе феррита бария (BaFe, рис. 7). Покрытие формируется с использованием фирменной технологии NANOCUBIC. Компания заявляет о 50 годах стабильного хранения данных с использованием новой ленты.

Рис. 7. Картридж Fujifilm LTO-9 18 Тбайт (45 Тбайт)
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Планируется, что с появлением LTO-10 емкость картриджа вырастет до 36 Тбайт, а объем хранимых в сжатом виде данных может достичь значения 90 Тбайт.

Аналогичные изделий выпустили компании HPE (рис. 8) и Quantum. Однако на этом развитие не остановилось. Участники консорциума LTO — компании HPE, IBM и Quantum — обнародовали дальнейшим план развития стандарта ленточных накопителей LTO Ultrium.

Рис. 8. Картридж HPE LTO-9 18 Тбайт (45 Тбайт)
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Ожидается, что технология будет совершенствоваться ещё как минимум пять поколений, то есть как минимум до LTO-14.

Картриджи 14-го поколения обеспечат объём до 576 Тбайт и 1,44 Пбайт соответственно. Это означает, что развитие ленточных технологий и продуктов в лице картриджей LTO и соответствующих устройств чтения/записи не останавливается (рис. 9).

Рис. 9. Эволюция стандартов картриджей
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Однако существенным недостатком этого метода является низкая скорость произвольного доступа к данным. Происходит это из-за последовательного доступа, так как лента должна прокрутиться к нужному месту, что иногда требует десятков секунд. При этом производительность сильно падает при увеличении количества одновременных запросов, особенно к неактивным кассетам. Кроме того, к недостаткам относятся сравнительно высокая стоимость устройства записи/чтения, а также весьма жесткие требованиях к условиям эксплуатации системы и условиям хранения носителей. Но все это важно для крупных центров и практически не актуально для небольших компаний и частных пользователей, нуждающихся в относительно недорогих, компактных средствах, обеспечивающих запись, чтение и надежное хранение информации.

В этих условиях многие считали революционным прорывом появление дешевых оптических дисков (Compact Disc, CD, 1980 г.). Они были специально созданы для  обеспечения длительного хранение информации. Однако об этой разработке, а также результатах ее эволюции —  в следующей части данной статьи. Там же — и о накопителях на жестких магнитных дисках (HDD).

Оптические и жесткие магнитные диски рассмотрены  в следующей части  данной статьи.

>>    Часть 3 
      

Евгений Рудометов 
   
   

Первым массовым носителем информации стала бумага. Столетия она использовалась для печатания картин, книг, альбомов и т. п. Но нашла она свое место и после появления механических и электронных устройств в виде рулонов перфолент и пачек перфокарт, с помощью которых осуществлялось кодирование и ввод информации в системах ее обработки. Конечно, бумага, как носитель информации, обладает многими достоинствами, однако не лишена она и ряда всем известных недостатков. Среди них не последнюю роль играет уязвимость к внешним воздействиям, а также проблемы, связанные с хранением. Поэтому нет ничего удивительного в том, что с повсеместным внедрением компьютерных средств обработки информации потребовались более удобные и надежные носители цифровых данных.

Одной из важнейших целей этой замены является, например, стремление повысить информационную плотность записи информации. Действительно, объем и масса  цифрового носителя существенно меньше аналогичных параметров бумажного эквивалента. Замена позволяет упростить и улучшить хранение, копирование и передачу информации. И, как результат, сделать ее более доступной для пользователей. Оставляя в стороне организационные проблемы, необходимо отметить, что на роль оптимальных носителей претендовали различные изделия высоких технологий.

Так, например, некоторое время в качестве носителей энергонезависимого хранения цифровых данных в компактных настольных компьютерных системах использовались компакт-кассеты (англ. Compact Cassette). При этом в промышленных, научных, образовательных и т. п. системах операции записи и чтения осуществлялись с помощью соответствующих устройств. В домашних же системах запись/чтение выполнялись с помощью обычных бытовых стационарных и мобильных магнитофонов с компакт-кассетами (рис. 1). Такие варианты были дешевой альтернативой существенно более дорогим тогда решениям, например, дисководам с гибкими дисками.

Рис. 1. Компакт-кассета
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Принятый и опубликованный в 1976 г. Kansas City standard предусматривал частотное кодирование. Логическому нулю соответствовали 4 периода колебаний с частотой 1200 Гц, единице — восемь периодов с частотой 2400 Гц. Каждый байт обрамлялся ведущим нулем и двумя замыкающими единицами, то есть расширялся до 11 знаков; коррекция ошибок не предусматривалась. В результате скорость записи и чтения данных была ограничена 27 байт/c (300 бод). Впоследствии скорость была повышена до 600, 1200 бод и выше. В зависимости от скорости записи на компакт-кассету мог поместиться разный объем данных. Для скорости в 2000 бод на одну сторону 90-минутной кассеты могло поместиться до 660 Кбайт информации. Использование более продвинутых методик модуляции в сочетании с улучшенными полосой пропускания и отношением сигнал/шум позволили значительно увеличить полезный объем и скорость записи стандартной кассеты.

Важно, что доступ к записанным цифровым данным на компакт-кассетах осуществлялся исключительно последовательно. Это требовало значительного времени для перемотки ленты и поиска необходимых участков. При этом запись новых данных сопровождалась  стиранием ранее записанной информации, и полная автоматизация была, как правило, невозможна. Кроме того, магнитные ленты не обеспечивали высокой надежности хранения данных. Они были подвержены постепенному стиранию магнитного слоя, требовали для хранения обеспечения определенных температурных и влажностных условий.

С удешевлением производства дискет компакт-кассеты постепенно вытеснялись в качестве основного средства хранения информации. Практически сразу после появления персональных компьютеров (PC, ПК) в качестве носителей стали использоваться пятидюймовые (5¼″) гибкие магнитные диски (от англ. floppy disk — гибкий диск) с информационной емкостью 360 Кбайт (разработка 1978 г.). Действительно, если 1 символ требует 1 байта, то емкости 360 Кбайт вполне достаточно для хранения, например, текстовой части диссертации или небольшой книги, или части большой. Правда, вот для иллюстраций и фотографий места уже недостаточно. Не решили этой проблемы и пятидюймовые диски двойной емкости — 720 Кбайт (1982 г, рис. 1). В дальнейшем прогресс сравнительно быстро привел к появлению трехдюймовых (3½″) гибких дисков емкостью 720 Кбайт (1984 г.), 1,44 Мбайт (1987 г., рис. 1), а также более дорогих и поэтому менее распространенных 2,88 Мбайт (1991 г.). Примеры дискет 3½″ и 5¼″ представлены на рис. 2, дисковода гибкого диска 3½″ для десктопа —  на рис. 3.

Рис. 2. Гибкие диски 3½″ и 5¼″
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 3. Дисковод для диска 3½″
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Кстати, чтобы инсталлировать простейшую операционную систему MS-DOS, управляемую вводом посредством клавиатуры соответствующих команд в режиме диалога, требовалось порядка десятка дисков 1,44 Мбайт. Хранить такие диски рекомендовалось в сухом и прохладном месте, иначе возникала проблема с чтением записанной информации. Не шло им на пользу и интенсивное их использование, так как рабочий слой дисков постепенно стирался головкой, осуществляющей запись/считывание. А еще данные диски были подвержены попаданию пыли, которая при вставке носителя в дисковод могла попасть под магнитную головку и вызвать необратимое повреждение магнитного покрытия, что нередко и происходило. Словом, жизненный срок гибких магнитных дисков был весьма короток, часто составляя всего несколько недель, а иногда даже несколько дней.

На смену претендовали несколько разработок, например, дискеты Iomega Zip (1994 г.). Они, по сути, являлись модернизацией 3,5” дискеты. Но стоимость дискет Iomega Zip и стоимость соответствующих дисководов были сравнительно высокими. Кроме того, емкостные и эксплуатационные характеристики оказались недостаточными для длительного доминирования на рынке, хотя были выпущены диски емкостью 100, 250, 750 Мбайт. Примеры дискеты и дисковода Iomega Zip представлены на рис. 4.

Рис. 4. Дискета и дисковод Iomega Zip
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

По тем же причинам не смогли на долгое время закрепиться на рынке и магнитные диски с лазерным позиционированием головок, например, LS-120 с емкостью до 120 Мбайт (рис. 5).

Рис. 5. Диск LS-120 120 Мбайт
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Конечно, есть еще и магнитные ленты, которые все еще остаются востребованными в крупных центрах обработки и хранения информации, но об этом в следующей части статьи.

Некоторые характеристики ленточных систем хранения данных рассмотрены  в следующей части  данной статьи.

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

Часть 3 
  

Преимущества и недостатки CISC

CISC (Complex Instruction Set Computing или Complex Instruction Set Computer) — тип архитектуры процессора с полным набором команд, характеризуется следующими свойствами:

• нефиксированное значение длины команды;
• арифметические действия кодируются в одной команде;
• небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию.

Основоположником CISC-архитектуры многие эксперты считают фирму IBM с архитектурой IBM/360. При этом подходе выполнение любой сколь угодно сложной команды из системы команд процессора реализуется аппаратно средствами процессора. Этот тип архитектуры предусматривает наличие больших наборов команд. Среди этих наборов значительную долю составляют сложные. Их выполнение осуществляется в течение нередко большого числа тактов тактового генератора. Использование сложных команд позволяет решать большое количество задач, упрощает программирование, позволяет сократить размер программ и время их разработки. В качестве примеров процессоров CISC-архитектуры, можно привести большинство процессоров Intel и AMD.

Однако этому типу архитектуры присущи и принципиальные недостатки, связанные, прежде всего со сложностью реализации упомянутых функциональных узлов и технологий, а также проблемы с распараллеливанием вычислений сложных команд.

Нельзя сказать, что существующих проблем с архитектурой CISC не видели разработчики процессоров, но их изобретательский потенциал ограничен наличием огромного количества уже разработанного аппаратно-программного обеспечения. Тем не менее, поиски оптимальных путей развития не прекращаются. Одним из альтернативных вариантов является архитектура RISC, разработка которой интенсивно развивается с восьмидесятых годов прошлого столетия, то есть вскоре после появления первых процессоров Intel.

Эволюция RISC

Преимущества и недостатки RISC 

RISC (Restricted (Reduced) Instruction Set Computer — компьютер с сокращенным набором команд) — архитектура процессора, в которой быстродействие увеличивается за счет упрощения инструкций за счет исключения из набора сложных команд, требующих для своего выполнения большого числа тактов. Такой подход делает декодирование простым, а время выполнения — малым. В процессорах с архитектурой RISC применяется ограниченный набор быстрых команд. Согласно идеологии RISC все команды должны выполняться всего за один такт. Это облегчает повышение тактовой частоты и значительно упрощает реализацию суперскалярности (распараллеливание инструкций между несколькими исполнительными блоками). В чипах архитектуры RISC по сравнению с вариантами CISC содержится меньшее количество транзисторов. Это упрощает разработку процессоров, снижает площадь их полупроводниковых кристаллов, уменьшает себестоимость, предоставляет конструкторам возможность снизить уровни энергопотребления и теплообразования.

Недостатки архитектуры RISC прямо связаны с некоторыми преимуществами этой архитектуры. Так, например, из-за исключения из набора сложных команд выполнение некоторых функций требует использования нескольких простых команд вместо одной сложной. Это удлиняет код программ, требует больших объемов памяти, увеличивает трафик. Исследования показали, что программы в системах RISC в среднем на 30% длиннее программ в системах CISC. Тем не менее, архитектура RISC развивается и находит все больше сторонников среди производителей не только относительно простых контроллеров и встраиваемых систем, но и мобильных, и стационарных компьютерных устройств, и даже серверов. Остается добавить, что идеи RISC нашли воплощение в многочисленных моделях процессоров архитектур MIPS и ARM.

О MIPS и ARM —  в следующей части  данной статьи.

>>    Часть 5 
      

Евгений Рудометов 
 

Часть 2 
  

Увеличение производительности

Суперскалярность и суперконвейерность

Суперскалярность — это поддержка параллелизма на уровне инструкций. Это означает, что суперскалярный процессор способен выполнять более одной операции за один такт, то есть способен выполнять несколько инструкций одновременно. Обычно данная возможность достигается увеличением количества одинаковых функциональных узлов процессора (АЛУ, FPU и др.), способных работать одновременно. Это обеспечивает существенный рост производительности процессора и, как следствие, всей системы.

Здесь целесообразно напомнить способы увеличения производительности, которые могут использоваться совместно:

• использование конвейера,
• увеличение количества функциональных узлов процессора (суперскалярность),
• увеличение количества ядер (многоядерность),
• увеличение количества процессоров (многопроцессорность).

Конвейер — это способ организации вычислений, используемый в современных процессорах и контроллерах с целью повышения их производительности (увеличения числа инструкций, выполняемых в единицу времени). При использовании конвейера количество узлов остается прежним, увеличение же производительности достигается за счет одновременной работы узлов, ответственных за разные стадии обработки инструкций одного потока.

При использовании суперскалярности увеличение производительности достигается за счет одновременной работы большего количества одинаковых узлов, независимо обрабатывающих инструкции одного потока (в том числе, и большего количества конвейеров). В процессе работы на вход процессора поступает поток инструкций, которые рассчитаны на последовательное исполнение. Процессор может детектировать независимые операции и запускать их параллельно (суперскалярность) и даже менять их порядок (внеочередное исполнение).

При использовании нескольких ядер каждое ядро выполняет инструкции отдельного потока, причем каждое из них может быть суперскалярным и/или конвейерным. При использовании нескольких процессоров каждый процессор может быть многоядерным, что соответствующим образом увеличивает число обрабатываемых потоков.

Суперконвейерность означает, что процессор имеет несколько вычислительных конвейеров. К слову сказать, у Intel Pentium их было два, что позволяло ему при одинаковых частотах в идеале быть вдвое производительней своего предшественника в лице i486, выполняя сразу 2 инструкции за такт. Дальнейшее же увеличение числа конвейеров еще больше увеличивает производительность, что и реализуется в более мощных процессорах.

Остается добавить, что указанные решения демонстрируют особенности эволюции процессоров CISC, к которым относятся широко известные мобильные, десктопные и серверные модели, созданные не только корпорацией Intel, но и аналогичная продукция ряда других компаний, например, AMD, Motorola, IBM.

О CISC и RISC —  в следующей части  данной статьи.

>>    Часть 4 
      

Евгений Рудометов 
 

Сегодня трудно представить жизнь без многочисленных компьютерных устройств, представленных разнообразными мобильными и стационарными системами, включая смартфоны, планшеты, ноутбуки, десктопы, мощные рабочие станции, серверы и т. п.

Среди важнейших компонентов, входящих в состав компьютерных изделий, центральный процессор (далее CPU или просто процессор) занимает особое место. Это фактически «мозг» компьютерного устройства, представленный одним или несколькими полупроводниковыми чипами. Внутренние схемы этих чипов сегодня состоят нередко из сотен миллионов, а в ряде случаев даже из десятков миллиардов транзисторов. При этом размеры транзисторов в настоящее время составляют примерно 10-20 нм и имеют тенденцию к дальнейшему уменьшению по мере развития полупроводниковых технологий. Объединены все эти транзисторы в очень сложные структуры, которые определяют внутреннее устройство и функциональные возможности процессоров и, как следствие, конечных компьютерных изделий.

Анализируя современные процессоры, необходимо отметить, что, несмотря на огромную внутреннюю сложность и разнообразие этих важнейших компонентов компьютерных систем, их функции, по сути, сравнительно просты. Действительно, все сводится к тому, что процессор с очень высокой скоростью читает инструкции из оперативной памяти и в соответствии с ними выполняет различные операции. Говоря простыми словами, процессорные инструкции указывают компьютерному устройству, что и в каком порядке необходимо делать. Есть правда в этой простоте одна любопытная особенность, заключающаяся в том, что команды, как и данные, над которыми должны быть произведены необходимые операции, — это просто наборы двоичных чисел. Отличить же команды от данных процессору помогают системные и прикладные программы. Они с учетом внутренней микроархитектуры и системы команд задают адреса и последовательность загрузки двоичных чисел, которые интерпретируются либо как команды, либо как данные, определяют действия и судьбу полученных результатов.

В настоящее время на рынке представлены сотни моделей самых разных процессоров. Подавляющее число их создано в соответствии с несколькими распространенными архитектурами. Основные особенности и свойства этих архитектур будут рассмотренных далее, но сначала небольшой экскурс в историю разработки процессоров.

Первые микропроцессоры

Первым массовым процессором стал, как известно, Intel 4004 (i4004). Это был 4-битный микропроцессор, разработанный корпорацией Intel и выпущенный 15 ноября 1971 года. Его набор команд насчитывал 46 инструкций, тактовая частота составляла 92,6 кГц, время выполнения одной инструкции составляло 8 тактов.

Процессор Intel 4004
(источник – Википедия)

Вторым стал чип i8008, который унаследовал многие решения своего предшественника. Это был 8-битный микропроцессор (процессор), разработанный Intel и выпущенный в 1972 г. Набор команд i8008 — 48 инструкций, тактовая частота — 500 кГц (200-800 кГц), выполнение команд занимало от 10 до 22 тактов генератора.

В 1974 г. был выпущен i8080. Его основные параметры: 8 бит, 80 инструкций, тактовая частота 2 МГц (позже 2.5, 3.1, 4 МГц), выполнение команд занимало от 4 до 11 циклов тактового генератора. Производительность этого процессора была в 10 раз больше производительности i8008.

Через 4 года появился i8086. Его основные параметры: 16 бит, 98 инструкций, тактовая частота 4-16 МГц, команды требуют от 2 до 184 циклов.

А еще через год появился i8088. Этот процессор стал основой персональных компьютеров IBM PC и IBM PC/XT, открывших эру массовых компьютеров и всеобщей компьютеризации.

Прцессор Intel 8088
(Википедия)

Далее были выпущены i80286 (i286, 1982 г.), i80386 (i386, 1985 г.), i80486 (i486, 1989 г.), Intel Pentium (1993 г.), Intel Pentium Pro (1995 г.) и т. д. Каждый из указанных процессоров Intel имел множество вариантов (моделей), отличающихся архитектурными особенностями и тактовыми частотами, а также размерами наборов команд. Все это соответствующим образом отражалось на функциональных и скоростных возможностях как самих этих важнейших компонентов, так и созданных на их основе компьютерных систем. А еще на рынке присутствовали многочисленные клоны указанных процессоров, созданные и выпущенные другими компаниями.

Итак, оценивая параметры и эволюцию указанных и последующих изделий, следует отметить неуклонный рост тактовых частот и постоянное расширение наборов выполняемых команд.

О наборах x86, x86-64, их расширениях и производительности —  в следующей части  данной статьи.

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

Полвека назад два энергичных инженера, к которым вскоре присоединился третий, оставив предыдущее место работы, создали компанию, которая практически сразу заявила о себе, разработав и выпустив ряд перспективных изделий. Спустя короткое время эта компания получила наименование Intel. Основанная Робертом Нойсом и Гордоном Муром и присоединившимся к ним Энди Гроувом, заняла место среди лидеров рынка полупроводниковых компонентов.

Компания Intel встретила свой полувековой юбилей с амбициозными планами стать катализатором эры цифрового преобразования современной цивилизации.

Некоторые этапы становления и развития компании представлены в Музее Intel (Intel Museum), расположенном в штаб-квартире Intel в Санта-Кларе (штат Калифорния, США).

Штаб-квартира и Музей Intel

За этой дверью – Музей Intel
(кликнуть для увеличения)

Энди Гроув, Роберт Нойс, Гордон Мур в 1978г.

Первоначальная цель создателей компании Intel была создать чипы для практичной и доступной полупроводниковой памяти, способной заменить доминирующую тогда память на ферритовых элементах, представленных ферритовыми кольцами, ферритовыми сердечниками, ферритовыми пленками и т. п. Это им удалось благодаря разработке ряда перспективных элементов.

Первой разработкой и продуктом компании Intel стал чип SRAM (Static Random Access Memory). Данный пролукт, созданный по технологии биполярных элементов Шоттки, получил наименование Intel 3101 (емкость 64 бит). Однако вскоре был разработан и выпущен чип SRAM, созданный по технологии MOS (МОП) и получивший наименование Intel 1101 (емкость 256 бит).

Позже были созданы и элементы динамической памяти. Первой разработкой стал Intel 1103 — первая в мире микросхема памяти DRAM (Dynamic Random Access Memory — динамическая память с произвольным доступом, разработка Intel). На основе микросхем Intel 1103 (емкость 1024 бит) компания выпустила и соответствующие платы памяти, например, Intel IN-10 Memory Board. Эти работы, наконец-то, ”поставили крест” на доминирующем положении ферритовой памяти, постепенно вытеснив ее из архитектуры электронных устройств. 

В дальнейшем компания Intel разработала и  выпустила также и соответствующие элементы энергонезависимой памяти, начав с EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory — стираемая программируемая память только для чтения, разработка Intel). В EPROM запись информации выполняется электрическим способом с помощью программатора, ее стирание осуществляется внешним источником ультрафиолетового света. В течение последующих десятков лет сектору энергонезависимой памяти компания Intel неизменно уделяла и продолжает уделять повышенное внимание, разрабатывая технологии и чипы. В качестве примера современных разработок следует упомянуть флэш-память NAND, 3D NAND, а также перспективную 3D XPoint.

Необходимо отметить, что компания Intel не ограничивается выпуском только отдельных чипов. Она предлагает рынку самую разнообразную продукцию. Сегодня это, например, высокопроизводительные процессоры, выполненные по технологиям 14 нм, и соответствующие элементы поддержки, накопители 3D NAND и 3D XPoint, компактные настольные компьютеры, серверное оборудование и другие современные изделия IT.

Чипы Intel 3101 и Intel 1101
(кликнуть для увеличения)

Intel IN-10 Memory Board
(кликнуть для увеличения)

Первые чипы энергонезависимой памяти
(кликнуть для увеличения)

Примеры чипов энергонезависимой памяти
(кликнуть для увеличения)

Однако, как уже всем известно, мировая известность и успех к компании пришел в 1971 году после выполнения заказа японской компании Busicom. В результате работы вместо двенадцати специализированных микросхем по предложению инженера Тэда Хоффа был разработан один универсальный чип — микропроцессор (процессор), получивший наименование Intel 4004. Данный чип был выпущен в нескольких модификациях, отличающихся внешним дизайном и некоторыми деталями внутренней микроархитектуры. Благодаря своей универсальности и возможности программирования они стали основой большого количества самых разных устройств.

Калькулятор Busicom
(кликнуть для увеличения)

Плата калькулятора Busicom с Intel 4004
(кликнуть для увеличения)

Процессор Intel 4004
(кликнуть для увеличения)

Топология кристалла процессора Intel 4004
(кликнуть для увеличения)

После Intel 4004 последовали Intel 8008 (1972 г.) и, наконец, Intel 8080 (1974 г.), ставший основой первого, по сути, персонального компьютера, разработанного Генри Робертсом и получившего наименование Altair 8800.

Процессор Intel 8080
(кликнуть для увеличения)

Компьютер Altair 8800
(кликнуть для увеличения)

Этот компьютер, созданный на базе процессора Intel 8080, получил удачную системную шину (позже она стала стандартом де-факто в виде шины S-100), открытость архитектуры, низкую стоимость и очень высокий уровень популярности. За короткое время для данного устройства энтузиастами-радиолюбителями были созданы платы расширения, превратившие его в полноценный компьютер с разнообразной периферией, а также был написан софт, среди которого был, например, интерпретатор языка Бейсик, разработанный Биллом Гейтсом, основателем вместе с Полом Алленом компании Microsoft.

После Intel 8080 последовали еще более совершенные, но и более сложные по внутренней микроархитектуре и производству модели процессоров. Среди них отдельного упоминания заслуживают Intel 8085 (1976 г.), 8086 (1978 г.) и особенно модель 8088 (1979 г.), ставшая “сердцем” персонального компьютера, разработанного специалистами компании IBM и получившего наименование IBM PC (фирменный номер модели — IBM 5150). Этот компьютер, выпущенный в 1981 г., стал образцом для подражания для многих фирм, а его открытая архитектура стала фактически отраслевым стандартом.

Компьютер IBM PC
(кликнуть для увеличения)

А примерно через год были выпущены совместимые c IBM PC компьютеры на процессоре Intel 8086.

Процессоры Intel 8086 и Intel Core i7-8086K
(кликнуть для увеличения)

Сравнение характеристик процессоров Intel 8086 и Intel Core i7-8086K
(кликнуть для увеличения)

Среди последующих процессоров широкую известность получили Intel 80286 (1982 г.), 80386DX (1985 г.), 80386SX (1988 г.), 80386SL (1990 г.), 80486DX (1989 г.), 80486SX (1991 г.), 80486DX2 и 80486SL (1992 г.), 80486DX4 (1994 г.), Intel Pentium и их все более совершенные потомки. С начала 90-х компания Intel является крупнейшим производителем процессоров для персональных компьютеров. Она внесла большой вклад в развитие компьютерной техники и  полупроводниковых технологий, которые развиваются в соответствии с Законом Мура. Согласно этому эмпирический закону каждые два года происходит переход на новую технология с уменьшением масштаба литографии. Это позволяет с той же периодичностью удваивать плотность полупроводниковых элементов на кристаллах микросхем (первые версии данного закона утверждали, что увеличение числа элементов на полупроводниковых чипах будет происходить каждый год, в дальнейшем — каждые 18 месяцев).

Стенд, посященный Закону Мура
(кликнуть для увеличения)

Макет предприятия
(кликнуть для увеличения)

Макет чистой комнаты
(кликнуть для увеличения)

Куски кремния высокой очистки

Выращивание будущей основы полупроводниковых чипов

Из этого блока будут нарезаны пластины

Стандартные пластины (вафли) разных лет и разного диаметра
(кликнуть для увеличения)

Остается добавить, что среди изделий Intel есть компоненты для встраиваемых систем, серверов, рабочих станций и, конечно, компактных настольных компьютеров, ноутбуков и ультрамобильных устройств.

Некоторые модели процессоров и микросхем их поддержки (чисетов), а также примеры созданных на их основе разнообразных компьютерных изделий представлены в Музее Intel.

Примеры процессоров Intel
(кликнуть для увеличения)

Вино, выпущенное в честь первых достижений Intel
(кликнуть для увеличения)

Этикетки вин
(кликнуть для увеличения)

Сувениры Intel
(кликнуть для увеличения)

Этикетки продуктов и технологий Intel
(кликнуть для увеличения)

Основные этапы Intel
(кликнуть для увеличения)

Будущее будет еще лучше и интереснее

Евгений Рудометов 
 

Компания Lenovo ― технологическая компания с капитализацией 34 млрд. долларов США, крупнейший производитель персональных компьютеров, чья продукция представлена в более чем 160 странах. Компания, образованная в 2005 году в результате приобретения холдингом Lenovo Group подразделения по производству персональных компьютеров IBM, разрабатывает, производит и выводит широкий спектр компьютерных изделий. В продуктовой линейке Lenovo представлены компьютеры для бизнеса под брендом Think, компьютеры для индивидуальных пользователей Idea, а также рабочие станции, серверы и мобильные интернет-устройства, включая планшеты и смартфоны. Lenovo входит в список крупнейших международных компаний Fortune Global 500. Основные исследовательские центры расположены в Ямато (Япония), Пекине, Шанхае, Шеньжене (Китай) и Роли (Северная Каролина).

В честь своего 30-летия и в поддержку новейших своих продуктов компания Lenovo организовала специальное мероприятие, получившее наименование LENOVO VIBE TOUR, ставшее фестивалем компьютерных достижений. Мероприятие последовательно прошло в нескольких городах РФ — Москве, Казани, Ростове-на-Дону и Екатеринбурге, а заключительный тур, ставший пятым и последним в этом году, прошел в Санкт-Петербурге в Центральном парке культуры и отдыха. По оценке организаторов данное санкт-петербургское мероприятие собрало более 10 тыс. человек.

Необходимо отметить, что уже сразу же после открытия площадки фестиваля LENOVO VIBE TOUR павильоны устроителя заполнились толпами желающих ознакомиться с перспективными изделиями компании Lenovo.

В павильонах гостям были представлены инновационные гаджеты. В том числе и ультрасовременные смартфоны Lenovo Vibe X и Lenovo Vibe Z, которым в значительной степени и посвящался грандиозный праздник.

Здесь следует напомнить, что Lenovo Vibe X и Lenovo Vibe Z — дизайнерские смартфоны премиум-класса. Это многофункциональные и стильные дизайнерские смартфоны с мощными процессорами, дисплеями стандарта Full HD и высокотехнологичными камерами.

Производитель определяет устройства Vibe X как изделия с 5,0-дюймовым дисплеем стандарта Full HD, с поддержкой современных технологий сетей связи вплоть до 3G, четырехъядерным процессором 1,5 ГГц, с камерой на передней панели 5 МПикс, с камерой на задней панели 13 МПикс.

А устройства Vibe Z определяются как изделия с 5,5-дюймовым дисплеем стандарта Full HD, с поддержкой современных технологий сетей связи вплоть до 3G, с процессором Qualcomm Snapdragon 800 2,2 ГГц, с камерой на передней панели 5 МПикс, с камерой на задней панели 13 МПикс.

В рамках указанных семейств производитель собирается выпустить несколько моделей премиум-класса.

Остается добавить, что в процессе проведенных мероприятий посетители могли ознакомиться с рядом перспективных устройств, среди которых были представлены и смартфоны, и планшеты, и ноутбуки.

Более подробно о ряде моделей, представленных в павильонах LENOVO VIBE TOUR, ―  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

Начало компьютерной эры принято отсчитывать с середины 40-х годов. Созданные в это время первые вычислительные монстры и их потомки долгое время занимали огромные площади, потребляли сотни киловатт, были сложны в эксплуатации и не отличались высокой производительностью и надежностью. А главное — они были весьма дороги. В результате их годовой выпуск нередко исчислялся всего двух и трехзначными числами, а наиболее мощные (по меркам того времени) модели являлись штучным товаром.  

Перелом наступил после того, как в 1974 г. компания Intel разработала первый процессор (рис. 1). Это было простое и сравнительно недорогое 4-х разрядное изделие, положившее начало последующим разработкам.

Рис. 1.  Процессор Intel 4004

Одной из ключевых разработок стал процессор Intel 8088 (i8088), на основе которого в 1981 г. компанией IBM был создан первый персональный компьютер IBM PC (i8088 4,77 МГц, 16-256 Кбайт памяти, 160 Кбайт флоппи-дисководы, жесткого диска не было). Этот компьютер стал референсной (эталонной) платформой и прототипом всех последующих ПК, включая современные настольные и мобильные системы.

Кстати, некоторая часть ПК уже с середины 80-х пополнила компьютерный парк лабораторий закрытых институтов, где сотрудники могли ознакомиться с опытом коллег, иногда – с измерительными приборами и паяльником, а также с программными тестами. В ряде случаев ПК могли составить конкуренцию большим машинам. Возможно, именно поэтому в конце 80-х за ПК предлагали два-три новых автомобиля. 

Справедливости ради, следует отметить, что какое-то время пользователи уделяли основное внимание исключительно функциональным возможностям ПК. Но благодаря быстрой эволюции процессоров и появлению новых ПК специалисты стали уделять повышенное внимание и особенностям архитектуры. Как результат, популярность компании Intel стала быстро увеличиваться.

Действительно, инновации, реализованные в процессорах Intel, следовали одна за другой:

• 16-разрядные модели (i8088, i8086, i286) были заменены на 32-разрядные (с процессора i386),
• вычислительные ядра целочисленной арифметики и микросхемы, реализующие операции с плавающей точкой, были объединены в одном корпусе (c процессора i486),
• улучшалась внутренняя схемотехника процессоров, росли тактовые частоты, увеличивалась производительность,
• постепенно расширялась система команд и др.

В этот период многочисленные, тогда, конкуренты Intel активно выпускают свои варианты, обычно являющиеся клонами с небольшими улучшениями. При этом одним из средств конкурентного соревнования стал рост тактовых частот.

Этот рост невозможен по законам физики без соответствующих изменений во внутренних структурах и полупроводниковых технологиях, кстати, уже несколько десятков лет уменьшающих масштабы каждые 1,5-2 года примерно в 1,4 раза (закон Мура), что позволяет увеличивать плотность элементов в 2 раза.

В следующей части  данной статьи — немного о разгоне, технологиях и т. п.
   

>>    Часть 2 
      

Компьютеры

Рудометов Е. А. «Современное железо: настольные, мобильные и встраиваемые компьютеры» СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — 464 с.: ил. (Аппаратные средства)

Рудометов В. Е., Рудометов Е. А. “Форсирование аппаратных средств РС” СПб.: БХВ-Петербург, 2003. — 512 с.: ил. (Серия «Мастер решений»)

Рудометов В., Рудометов Е. «PC: настройка, оптимизация и разгон» Изд.3-е, доп. — СПб.: BHV-Санкт-Петербург. 2003. — 487с. (Серия «Мастер решени й»)

Rudometov V., Rudometov E. “PC Hardware Tuning & Acceleration” A-List, 2003. – 500 pages. ISBN 1-931769-23-0.

Rudometov V., Rudometov E. «PC: Overclocking, Optimization and Tuning» 2-nd Edition A-List, 2002. – 496 pages. ISBN 1-931769-05-2.

Rudometov V., Rudometov E. «PC: Overclocking, Optimization and Tuning» A-List, 2001. – 410 pages. ISBN 1-58450-079-4.

Рудометов В., Рудометов Е. «PC: настройка, оптимизация и разгон» Изд.2-е, доп. — СПб.: BHV-Санкт-Петербург. 2000. — 336с. (Серия «Мастер»)

Рудометов В., Рудометов Е. «PC: настройка, оптимизация и разгон» СПб: BHV-Санкт-Петербург. 1999. — 256 с.

Рудометов Е., Рудометов В. «Устройство мультимедийного компьютера» СПб.: Питер, 2001, 512 с. (Серия «Анатомия ПК»)

Рудометов Е. А. «Материнские платы и чипсеты» Изд. 4-е. — СПб.: Питер, 2007. — 368 с.: ил. (Серия «Анатомия ПК»)

Рудометов Е., Рудометов В. «Материнские платы и чипсеты» Изд. 3-е, доп. — СПб.: Питер, 2002, 35 2 с. (Серия «Анатомия ПК»)

Рудометов Е., Рудометов В. «Материнские платы и чипсеты» Изд. 2-е, доп. — СПб.: Питер, 2001, 352 с. (Серия «Анатомия ПК»)

Рудометов Е., Рудометов В. «Материнские платы и чипсеты» СПб.: Питер, 2000, 256 с. (Серия «Анатомия ПК»)

Рудометов Е., Рудометов В. «Архитектура ПК, комплектующие, мультимедиа» СПб: Питер, 2000, 416 с. (Серия «Анатомия ПК»)

Рудометов Е., Рудометов В. «Аппаратные средства и мультимедиа» СПб: Питер, 1999, 352 с. (Серия «Справочник»)

Защита информации

Рудометов Е., Рудометов В. «Шпионские штучки. Электронные средства коммерческой разведки и защита информации» М.:«АСТ»; СПб:«Полигон», 2000. —224с.

Рудометов Е., Рудометов В. «Шпионские страсти. Электронные устройства двойного применения» М.:«АСТ»; СПб:«Полигон», 2000. —208с.

Рудометов Е., Рудометов В. «Схемотехника средств коммерческой разведки» СПб:«Полигон», 2000. —96с.

Рудометов Е., Рудометов В. «Электроника и шпионские страсти. Электронные устройства двойного применения» Изд. 3-е, доп.—СПб:«Пергамент», 1998. —256с.

Рудометов Е., Рудометов В. «Электроника и шпионские страсти. Электронные устройства двойного применения» Изд. 2-е, доп.—СПб:«Пергамент», 1997. —224с.

Рудометов Е., Рудометов В. «Электроника и шпионские страсти. Электронные устройства двойного применения» СПб:«Пергамент», 1997. —152с.

Другие

Рудометов Е. А. «Цифровая видеокамера» М.: АСТ; СПб.: Сова, 2006. — 92 с.

«Компьютерные игры для IBM PC`96/97. Сборник 7» Под ред. Иванова И. И., Попова А. А.; авторы технических материалов: Рудометов Е., Рудометов В. СПб:«Пергамент», 1996. —544.

«Компьютерные игры для IBM PC`96. Сборник 6» Под ред. Иванова И. И.; авторы технических материалов: Рудометов Е., Рудометов В. СПб:«Пергамент», 1996. —512.

«Компьютерные игры для IBM PC`95/96. Сборник 4» Под ред. Эпштейна В. Г.; авторы технических материалов: Рудометов Е., Рудометов В. СПб:«Пергамент», 1995. —448.

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 5 
  

Итак, облако делает суперкомпьютеры доступными каждому. При этом совершенство облака зависит от сетевых ресурсов на которых оно базируется. Основой же данных ресурсов являются специальным образом сконструированные аппаратно-программные средства.

Облачные сервисы уже способны переводить с одного языка на другой в реальном времени, обеспечивать доступ к мощным суперкомпьютерам вроде Wolfram Alpha и следить за состоянием нашего здоровья с помощью таких вычислительных платформ, как IBM Watson. Однако важно помнить, что вычислительные облака хороши настолько, насколько хороши используемые ими сети, созданные на основе соответствующих средств.

Оценивая перспективные IT-разработки, необходимо отметить, что скорость и уровень проникновения коммуникаций (особенно, в Интернете) растет. В результате люди могут полнее пользоваться плодами технического прогресса, которые все больше проникают в нашу жизнь.

В следующей части  данной статьи — о 3D.
    

>>    Часть 7 
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 4 
  

Итак, объемы создаваемой и сохраняемой человечеством информации быстро увеличиваются. Как результат, наступает “эра зеттабайт” со всеми вытекающими из этого последствиями.

“Зетталавина” создаст огромную нагрузку на аппаратно-программные средства сетей передачи данных, потедует оптимизации сетевой архитектуры для повышения информационной безопасности, качества услуг и эффективности.

В большей степени вся эта огромная лавина информации является плодом неуемной тяги людей к мультимедиа, особенно, к видео. Вот только некоторые оценки:

• к 2015 году свыше 90% данных во «всемирной паутине» будут приходиться на видеоконтент.
• к 2015 году 1 млн. минут видео (или 674 дней) будут передаваться через Интернет каждую секунду.
• к 2015 году доля видео в мировом мобильном трафике составит 2/3.

Конечно, все это создаст огромную нагрузку на сети передачи данных и потребует оптимизации архитектуры, совершенствования аппаратно-программных компонентов безопасности, а также повышения качества услуг передачи данных.

Одним из вариантов организации инфраструктуры является перенос данных в «облако».

К 2020 году треть всех данных будет храниться в облачных вычислительных средах или передаваться через них.

Как предсказывают авторитетные эксперты, среднегодовой рост общемирового дохода от облачных сервисов составит 20%, а затраты на инновации и облачные вычисления к 2014 году могут достигнуть гигантской величины в $1 трлн. (1000 млрд. долларов США). 

Остается добавить, что облако делает суперкомпьютеры доступными каждому пользователю, подключенному к соответствующим облачным сервисам.

В следующей части  данной статьи — об облачных сервисах и др. темах ближайшего будущего.
    

>>    Часть 6 
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 4 
  

Еще одной интересной моделью является ноутбук Everex (рис. 8) с процессором i386SX-25 и возможностью установки сопроцессора i387SX. Основой этого компьютера, разработанного в 1990 г., является двухплатное решение. В состав ноутбука входят: семидюймовый черно/белый ЖК-дисплей с разрешением 640×480, легко сменяемые жесткий диск IBM с интерфейсом IDE и информационным объемом 80 Мбайт, дисковод гибких дисков 1,44 Мбайт, блок Ni-Ca аккумуляторов. Управление осуществляется с помощью клавиатуры и миниатюрного трекбола. Оперативная память — 2 Мбайт с возможностью увеличения информационного объема до 4 Мбайт с помощью замены специальной платы памяти. Внешние интерфейсы представлены следующими разъемами: VGA, LPT, Com, внешней клавиатуры. Вес данного ноутбука, помещенного в металлический корпус, превышает 3 кг. Но, несмотря на ограниченность функциональных возможностей, по дизайну эта модель уже напоминает современные модели.

Рис. 8.  Ноутбук Everex

В процессе совершенствования компьютерной архитектуры идея разработки и выпуска специализированных наборов микросхем вслед за пионером чипсетостроения — фирмой Chips and Technologies — была подхвачена и другими компаниями. Среди них были такие Suntac, Opti, VLSI, UMC и другие, имена которых сегодня уже помнят, пожалуй, только некоторые специалисты. Тем не мене, их изделия были распространены и стали основой первых моделей мобильных компьютеров, созданных на основе центральных процессоров i286 и i386. Эти модели нередко обладали весьма большим весом, который в большинстве случаев существенно превышал 5 кг.

Но время шло, технологии и архитектуры компонентов и систем совершенствовались, что положительным образом отразилось на мобильных компьютерах.

Новые компьютеры, созданные на основе новейших компонентов, стали в десятки, сотни, а в некоторых случаях и в тысячи раз производительнее своих предшественников. При этом они стали компактнее, их вес стал существенно меньше, а время автономной работы возросло. Современные модели комфортны и удобны в работе. Они уже слабо напоминают те несовершенные, конечно, по нынешним меркам, мобильные компьютеры. Однако именно эти компьютеры проложили дорогу в наш мобильный мир, а поэтому будем относиться к ним, а главное — к их создателям с должным уважением.
      

В статье были использованы материалы книги: Рудометов Е.А. «Современное железо: настольные, мобильные и встраиваемые компьютеры» – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. – 464с. 
    

>>    Часть 1  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 3 
  

Компьютер Osborne 1 был создан в 1981 г. на основе процессора Z80, кстати, того самого, который получил широкое распространение в моделях популярного в мире и в нашей стране компьютера «Синклер».

Разработка Osborne 1 была выполнена без чипсета в современном понимании. В архитектуре этого компьютера не было жестких дисков, но были накопители на гибких магнитных дисках (флоппи-дисководы). Размер гибких магнитных дисков — 5,25″.

Кроме того, в конструкции был представлен и миниатюрный дисплей на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

Компьютер и материнская плата Osborne 1 представлены на рис. 5 и рис. 6.

Рис. 5.  Компьютер Osborne 1

Рис. 6.  Материнская плата компьютера Osborne 1

Необходимо отметить, что в дальнейшем мобильные решения были предложены весьма известными фирмами:

• IBM,
• Toshiba,
• Compaq,
• Apple и другими.

Некоторые ранние модели были основаны на процессорах архитектуры Intel, нашедших самое широкое распространение. Поддержку же процессорам обеспечили соответствующими микросхемы окружения.

На рис. 7 представлен мобильный компьютер Toshiba T1000 — разработка 1987 г.

Рис. 7.  Мобильный компьютер Toshiba T1000

Компьютер Toshiba T1000 обладал встроенным черно/белым дисплеем LSD с разрешением 640×200. Жесткого диска не было, но присутствовал флоппи-дисковод на 720 Кбайт. Процессор — Intel 80C88 (4,77 МГц), оперативная память — 512 Кбайт, вес — 3,5 кг.

Дальнейшая эволюция мобильных компьютеров —  в следующей части  данной статьи. 
    

>>    Часть 5  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 2 
  

Рассматривая модели компьютеров с архитектурой IBM, необходимо отметить, что в этот период на рынке присутствовали и альтернативные модели.

Так, например, компания Commodore создала и успешно развивала свою серию одноименных компактных компьютеров. Одна из популярных моделей, нашедших широкое распространение, получила наименование Commodore C64C (рис. 3).

Рис. 3.  Компьютер Commodore C64С

Основой компьютера Commodore C64C служили процессор MOS8500 с тактовой частотой 1 МГц и оперативная память объемом 64 Кбайт. Возможности этого компьютера могли быть увеличены за счет использования специальных карт расширения, выпуск которых компания наладила вместе со своими партнерами.

Внутреннее устройство компьютера Commodore C64C представлено на рис. 4.

Рис. 4.  Внутренне устройство компьютера Commodore C64С

Приведенные примеры иллюстрируют попытки создания портативных компьютеров на начальном периоде становления эры микропроцессоров (процессоров), когда еще не было общепринятых отраслевых стандартов и аппаратно-программной унификации используемых решений. В результате каждый производитель разрабатывал, выпускал, поддерживал и развивал собственные линейки своих компьютеров. Эти компьютеры, как правило, были несовместимыми с альтернативной продукцией конкурирующих компаний.

Необходимо отметить, что на этом фоне многие изделия позиционировались их создателями как портативные, что часто означало лишь возможность сравнительно простой и относительно беспроблемной переноски таких компактных компьютеров с места на место.

Многие профессионалы считали, что такой портативности вполне достаточно для комфортной работы. Однако, несмотря на такую позицию, рядом компаний были предприняты вполне успешные попытки превратить некоторые модели своих компьютеров в относительно мобильные варианты.  

Это достигалось за счет применения в комплектах ряда компактных изделий дополнительных аккумуляторных батарей, вес которых нередко существенно превышал 10 кг. Тем не менее, данные аккумуляторные батареи обеспечивали полностью автономную работу компьютеров, что и позволяло создателям таких систем говорить о мобильности своих изделий. Остается добавить, что время мобильностой работы для тех компьютеров обычно укладывалось всего в несколько десятков минут выполнения относительно несложных задач.   

Несмотря на все попытки и заявления многочисленной армии любителей и профессионалов, эру мобильных компьютеров принято отсчитывать с модели Osborne 1.

О компьютере Osborne 1 и других мобильных компьютерах —  в следующей части  данной статьи. 
    

>>    Часть 4  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 1 
  

Оценивая развитие компьютерных компонентов и архитектурных решений, необходимо отметить, что мобильные компьютеры появились еще до появления чипсетов в современном понимании, даже в многокомпонентном варианте с реализацией основных функций в виде большого количества отдельных специализированных микросхем.

Здесь следует напомнить, что, вообще говоря, сама концепция мобильного компьютера была разработана Аланом Кеем очень давно: в уже сравнительно далеком 1968 г.

Кстати, некоторые положения этой концепции были реализованы в 12-килограммовом компьютере, созданном в 1979 г. для NASA, то есть еще до появления первых персональных компьютеров на процессорах Intel 8086 (i8086) и Intel 8088 (i8088).

Что же касается автономных моделей компьютеров, то они были созданы, конечно, существенно позже. Но обо всем по-порядку.

На начальном этапе, когда еще не было ноутбуков как класса мобильных компьютеров, термином Portable обозначали компактные компьютеры, которые могли быть без проблем перенесены с места на место. При этом по понятным причинам вопрос об автономности их работы в этот период специалистами даже не поднимался.

Как пример можно привести компактный и сравнительно легкий, конечно, по меркам того времени, компьютер IBM PC 5100.

Это устройство, выпущенное в 1975 г., было создано на основе 16-разрядного процессора, представленного не микропроцессором, а выполненного в виде отдельной платы на нескольких микросхемах. Компьютер имел встроенный 5-дюймовый монохромный монитор, который выводил цифро-символьную информацию по 16 строк с 64 символов в строке. Оперативная память — 16—64 Кбайт, языки — Basic и/или APL, внешняя память — магнитная лента, вес — 25 кг, цена — от $8975 до $19975 (зависит от комплектации).

Конструкция компьютера IBM PC 5100 представлена на рис. 1.

Рис. 1.  Конструкция компьютера IBM PC 5100

В дальнейшем в линейке IBM PC 51хх был выпущен ряд компьютеров, например, IBM PC 5150, выпущенный в 1984 г. Этот компьютер имел 9-дюймовый монохромный монитор с CGA-графикой и выводом текста в 25 строк по 80 символов в строке, оперативную память 256—640 Кбайт, внешнюю память из двух флоппи-дисководов 5,25″ (по 360 К), весил около 14 кг и стоил $4225. Так как компьютер имел встроенный монитор и диски, а в его конструкцию была включена ручка для переноски, разработчики позиционировали его как Portable. Стандартный комплект не имел аккумуляторных батарей, но некоторые фирмы пытались предлагать внешние автономные источники.

Компьютер IBM PC 5150 представлен на рис. 2.

Рис. 2.  Компьютер IBM PC 5150

О дальнейшем развитии портативных компьютеров и появлении первых мобильных компьютеров —  в следующей части  данной статьи. 
    

>>    Часть 3  
      

Евгений Рудометов 
 

Оценивая эволюцию компьютеров, следует отметить, что эти устройства какое-то время были представлены исключительно настольными системами: других вариантов не было и быть не могло.

Основу первых настольных компьютеров составляли соответствующие платы с множеством микросхем, являющихся окружением центрального процессора и определяющих функциональные возможности компьютеров.

Совершенствование полупроводниковых и компьютерных технологий позволило повысить степень интеграции комплектующих.

В результате развития полупроводниковых технологий, схемотехники комплектующих и архитектурных решений компьютеров удалось создать и компактные системы.

На начальном этапе портативные компьютеры были выполнены в виде небольших чемоданчиков и портфелей. Однако в дальнейшем по мере совершенствования архитектур и технологий удалось довести компьютеры, предназначенные для мобильного использования, до размеров книг и блокнотов.

В соответствии с размерами первые из них были названы лэптопами (laptop), вторые составили класс ноутбуков (notebook).

В дальнейшем вместе с уменьшением портативных компьютеров постепенно из двух терминов остался один — ноутбук.

Справедливости ради, необходимо отметить, что в некоторых странах, например, в США, портативные компьютеры до сих пор называют лэптопами.

Но это не меняет сути — благодаря развитию технологий, совершенствованию схемотехники и появлению более совершенных комплектующих удалось сделать компьютеры компактнее.

Продолжая тему эволюции, следует признать, что мобильные компьютеры во многом унаследовали архитектуру своих настольных прототипов, включая микросхемы системной логики, специализированные наборы которых были названы чипсетами (chipsets).

В настоящее время большинство наборов представлены двумя микросхемами, однако благодаря развитию полупроводниковых технологий и компьютерных архитектур двухчиповые решения постепенно будут заменены на решения, предусматривающие использование только одной микросхемы.

Остается добавить, что от согласованной работы микросхем поддержки в значительной степени зависит реализация потенциальных возможностей процессоров, а также и эффективность их взаимодействия с другими элементами и подсистемами компьютера. Поэтому специализированные наборы микросхем, их внутренняя структура и функциональные возможности должны быть тесно увязаны с особенностями архитектуры конкретных вариантов процессоров, на работу с которыми они ориентированы.

Оценивая значение микросхем поддержки, необходимо подчеркуть, что чипсеты представляют основу материнских плат и во многом определяют функциональные возможности компьютерных систем.

Благодаря стремлению к унификации, связанной с контрактным производством, в настоящее время подавляющее большинство современных моделей ноутбуков выполняется на основе ограниченного числа решений. Каждое из них базируется на эталонных платформах, создаваемых производителями процессоров и чипсетов, но так было далеко не всегда.

Считается, что первый чипсет, названный (82С206) предложила фирма Chips and Technologies в 1986 г. Конечно, этот набор не был чипсетом для мобильных систем, и он совсем не походил на те комплекты микросхем, которые используются сегодня, однако простейшие функции по координации компьютерных подсистем он выполнял.

Чипсет 82С206 состоял из пяти микросхем, одна из которых была основной и четыре — вспомогательными элементами. Он уже содержал контроллер шин, генератор тактовой частоты, системный таймер, контроллер прерываний и т. п. Этот чипсет был ориентирован на процессоры класса Intel 286 (i286).

Для реализации потенциальных возможностей данного набора микросхем компания разработала соответствующие схемотехнические решения и сформулировала ряд рекомендаций. Это способствовало унификации изделий, созданных на основе указанного набора микросхем. Появились первые компьютерные платформы. В результате улучшилась повторяемость, повысилась надежность.

Вскоре этот набор был усовершенствован и получил наименование New Enhanced AT. Затем появились более совершенные наборы для Intel 386 (i386), Intel 486 (i486) и т. д.

Эволюция их потомков постепенно привела к современным мобильным устройствам с их широкой функциональность. Но это случилось много лет спустя после появления первых моделей компьютеров, которых можно было с большой натяжкой назвать компактными и мобильными.  

О дальнейшей эволюции компьютеров, а также о портативности и мобильности —  в следующей части  данной статьи. 
    

>>    Часть 2  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 1 
  

Считается, что первый чипсет, названный (82С206) предложила фирма Chips and Technologies в 1986 г. Конечно, этот набор не был чипсетом мобильных систем, и он совсем не походил на те комплекты микросхем, которые используются сегодня, однако простейшие функции по координации компьютерных подсистем он выполнял.

Чипсет 82С206 состоял из пяти микросхем, одна из которых была основной и четыре — вспомогательными элементами. Он уже содержал контроллер шин, генератор тактовой частоты, системный таймер, контроллер прерываний и т. п. Как следует из названия, этот чипсет был ориентирован на ЦП класса Intel 286 (i286). Вскоре этот набор был усовершенствован и получил наименование New Enhanced AT. Затем появились более совершенные наборы для Intel 386 (i386), Intel 486 (i486) и т. д., эволюция которых привела к современным мобильным устройствам.

Оценивая развитие архитектуры компьютеров, необходимо отметить, что, мобильные компьютеры появились еще до появления чипсетов в современном понимании.

Роль чипсетов выполняли сравнительно большое количество микросхем, реализующих основные функции электроники , реализующих основные функции электроники компьютеров.

С отметить, что концепция мобильного компьютера была разработана Аланом Кейем в 1968 г. Некоторые положения были реализованы в 12 кг компьютере для NASA в 1979 г. Однако автономные модели были созданы существенно позже.

Одной из первых мобильных разработок стал компьютер Osborne 1, созданный в 1981 г. на основе процессора Z80 без чипсета в современном понимании. В архитектуре этого компьютера не было жестких дисков, но были накопители на гибких магнитных дисках размером 5,25’’. Кроме того, в конструкции был представлен и миниатюрный дисплей на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

Компьютер и материнская плата Osborne 1 представлены на рис. 1.

Рис. 1. Компьютер и материнская плата Osborne 1

Необходимо отметить, что в дальнейшем мобильные решения предложены такими известными фирмами, как IBM, Toshiba, Compaq, Apple и другие. Некоторые ранние модели были основаны на процессорах архитектуры Intel с поддержкой их работы соответствующими микросхемами.

В процессе совершенствования компьютерной архитектуры идея разработки и выпуска специализированных наборов микросхем вслед за пионером чипсетостроения — фирмой Chips and Technologies была подхвачена такими компаниями, как Suntac, Opti, VLSI, UMC и др. Некоторые изделия данных фирм стали основой первых моделей мобильных компьютеров, созданных на основе центральных процессоров i286 и i386 и нередко обладающих весом, существенно превышающем 5 кг.

Остается добавить, что тема мобильных чипсетов и платформ, послуживших основой для ноутбуков, будет продолжена в следующих статьях. 
    

>>    Часть 1  
      

Евгений Рудометов 
 

Оценивая эволюцию персональных компьютеров (ПК), следует отметить, что эти устройства какое-то время были представлены исключительно настольными вариантами с огромными материнскими платами. Их основу составляли множество микросхем, являющихся окружением центрального процессора и определяющих функции системной логики.

На начальном этапе портативные компьютеры были выполнены в виде небольших чемоданчиков и портфелей. Однако в дальнейшем по мере совершенствования архитектур и технологий удалось довести компьютеры, предназначенные для мобильного использования, до размеров книг и блокнотов. В соответствии с размерами первые из них были названы лэптопами (laptop), вторые составили класс ноутбуков (notebook). В дополнение к сказанному необходимо отметить, что указанные мобильные компьютеры во многом унаследовали архитектуру своих настольных прототипов, включая микросхемы системной логики, специализированные наборы которых были названы чипсетами (chipsets).

От согласованной работы этих наборов в значительной степени зависит реализация потенциальных возможностей процессоров, а также и эффективность их взаимодействия с другими элементами и подсистемами компьютера. Поэтому специализированные наборы микросхем, их внутренняя структура и функциональные возможности должны быть тесно увязаны с особенностями архитектуры конкретных вариантов процессоров, на работу с которыми они ориентированы. Кроме того, такие наборы создаются с учетом различных конфигураций компьютеров и возможного разнообразия решаемых задач. Остается добавить, что чипсеты представляют основу материнских плат и во многом определяют функциональные возможности компьютерных систем.

Существуют свои специализированные наборы микросхем системной логики — чипсеты — для каждого поколения процессоров. Более того, для каждого из поколений процессоров может существовать несколько вариантов чипсетов, отличающихся внутренней архитектурой, составом и количеством микросхем, а также фирмой-изготовителем, функциональными возможностями и эффективностью работы такого специализированного набора, в значительной степени определяющего параметры основных подсистем. Именно поэтому анализ структуры, параметров и возможностей чипсетов необходим для обеспечения их оптимального выбора с целью наиболее адекватного соответствия поставленным задачам.

Прежде чем переходить к анализу возможностей наборов микросхем системной логики, необходимо отметить, что развитие их архитектуры позволило сократить число используемых в их составе микросхем. Основой современных мобильных чипсетов в настоящее время являются, за редким исключением, всего два компонента.

Первый представлен микросхемой, получившей наименование North Bridge. Этот компонент, посредством встроенных в него контроллеров определяет работу основных подсистем компьютера, обеспечивая связь между процессором, модулями оперативной памяти, а с некоторых пор и видеоадаптером. Кроме того данный компонент контролирует работу карт расширения, подключаемых к North Bridge, еслиэто предусматривает архитектура чипсета. Еще одной функцией является поддержка связи со вторым компонентом (или компонентами) чипсета.

Этим компонентом является микросхема, называемая South Bridge. С помощью встроенных средств и внешних элементов он обеспечивает контроль за работой большого числа сравнительно медленных периферийных устройств.

Необходимо отметить, что разделение чипсетов на компоненты позволяет разрабатывать специализированные микросхемы. Это обеспечивает эффективное решение задач за счет комбинирования компонентов.

Остается добавить, что одной из основных функций микросхем чипсетов является эффективное управление ресурсами компьютеров. К этим ресурсам относятся многочисленные шины, входящие в состав архитектуры компьютерной системы и потоки передаваемой с их помощью информации. Кроме того, учитывая специфику мобильных систем, чипсеты играют активную роль в управлении и экономии энергоресурсов автономных источников питания.

Рассматривая эволюцию чипсетов мобильных систем, необходимо отметить, что корпорация Intel является основным производителем чипсетов не только для изделий этого рынка, но и для сектора настольных систем, с которых и началась эра специализированных микросхем. И лидерство Intel здесь бесспорно, хотя это дается корпорации не легко.

Однако это было далеко не всегда. Более того, некоторое время Intel вообще не имела своих решений, и настольные компьютеры собирались на основе специализированных наборов других фирм.

В следующей части  данной статьи продолжена тема эволюции, в результате которой появились чипсеты.
    

>>    Часть 2  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 3 
  

Итак, компания Intel выпустила в 1971 г. первый в мире процессор – Intel 4004.

Этот процессор имел размеры 1/8 дюйма на 1/16 дюйма (3,18х1,59 мм), содержал лишь немногим больше 2000 транзисторов и выпускался по 10-микронной производственной PMOS-технологии Intel (Рис. 5).

Рис. 6. Процессор Intel 4004

Его наследниками стали хорошо известные процессоры. Вот только некоторые разработки и числа.

В 1978 г. появился 16-разрядный процессор 8088, содержавший 29000 транзисторов. Он работал с тактовыми частотами 5, 8 или 10 МГц. На основе этого процессора в 1981 г. был создан персональный компьютер IBM PC, ставший родоначальником современных настольных, мобильных и серверных моделей.

В 1982 г. создан микропроцессор 286, известный также как 80286. Данный 16-разрядный процессор Intel был способен выполнять программы, написанные для его предшественника. 286-й процессор содержал 134000 транзисторов, его тактовые частоты составляли 6, 8, 10 и 12,5 МГц.

В 1985 г. выпущен микропроцессор Intel 386, в котором содержалось 275000 транзисторов. Он представлял собой 32-разрядную микросхему и поддерживал многозадачность, т. е. был способен выполнять несколько программ одновременно. Было выпущено несколько моделей (Рис. 7).

Рис. 7. Модели Intel 386

В 1993 г. выпущен процессор Intel Pentium, насчитывавший уже 3 миллиона транзисторов и изготовленный по 0,8-микронной производственной технологии Intel.

В 1999г. Intel выпустила в продажу процессор Pentium III, содержавший более 9,5 миллионов транзисторов и изготовленный по 0,18-микронной производственной технологии Intel. Вскоре его сменил процессор Intel Pentium 4. Новый лидер отличался от своих предшественников внутренней архитектурой, предусматривающей существенно большие тактовые частоты ядра и шины, значения которых стало стремительно увеличиваться в последующих моделях.

В марте 2003 г. на свет появился бренд Intel Centrino. В состав мобильных устройств был включен новейший по тем временам процессор Intel Pentium M.

Процессор Intel Pentium M, созданный на базе новой микроархитектуры, специально оптимизированной для мобильных ПК, выпускался по 0,13-микронной производственной технологии Intel и состоял из 77 миллионов транзисторов. Этот процессор значительно отличался по своему внутреннему устройству от доминирующей в этот момент архитектуры Netburst, ставшей основой Intel Pentium 4 и его мибильного варианта. Они обладали меньшими тактовыми частотами и меньшим энергопотреблением, но при демонстрировали большую производительностью. Последующие модификации процессора Intel Pentium M и его упрощенного варианта Intel Celeron M выпускались по улучшенным архитектурам и полупроводниковым технологиям. 

Здесь следует прерваться и сделать ряд замечаний.

В следующей части рассмотрены некоторые проблемы эволюции процессоров и пути дальнейшего развития.
    

>>    Часть 5  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 2 
  

Итак, первый патент на интегральную схему был выдан в 1961 г. Его получил Роберт Нойс (Robert Noyce), впоследствии ставший одним из основателей корпорации Intel (Рис. 4).

Рис. 4. Патент Роберта Нойса

Традиционно первые модели были сравнительно простыми. Однако уже в 1965 г. Гордон Мур (Gordon Moore), также один из основателей корпорации Intel, в статье, опубликованной в журнале Electronics Magazine, предсказал регулярное удвоение числа транзисторов в микросхемах.

Как показало дальнейшее развитие, сложность полупроводниковых чипов уже несколько десятков лет увеличивается согласно закону Мура.

Согласно этому эмпирический закону каждые два года проиходит переход на новую технология с уменьшением масштаба литографии. Это позволяет с той же периодичностью удваивать плотность полупроводниковых элементов на кристаллах микросхем (первые версии данного закона утверждали, что увеличение числа элементов на полупроводниковых чипах будет происходить каждый год, в дальнейшем — каждые 18 месяцев).

Что же касается самого Гордона Мура и Роберта Нойса (Рис. 5), то они в 1968 г. уволились из компании Fairchild Semiconductor и основали новую корпорацию, получившую название Intel (сокращение от «integrated electronics» — микроэлектроника).

Рис. 5. Гордон Мур и Роберт Нойс

Именно эта компания выпустила в 1971 г. первый в мире  микропроцессор  (или просто процессор), открывший, по сути, новую эру в схемотехнике арифметико-логических устройств, сделав их компактнее и надежнее, а также проще в проектировании.

В следующей части данной статьи даны ряд фактов из эволюции первых процессоров.
    

>>    Часть 4  
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 1 
  

Итак, 16 декабря 1947 г. Уильям Шокли (William Shockley), Джон Бардин (John Bardeen) и Уолтер Браттейн (Walter Brattain) из Bell Labs создали первый транзистор (Рис. 2).  По технологии изготовления он относился к классу точечных транзисторов.

Необходимо отметить, что благодаря этой работе они были награждены в 1956 г. Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». 

Интересно, что Джон Бардин вскоре был удостоен во второй раз Нобелевской премии. На этот раз уже за работы в области сверхпроводимости.

Рис. 2. Первый транзистор

На основе разработки своих первых моделей в 1950 г. Уильям Шокли создал биполярный планарный транзистор.

А всего через три года появились первые коммерческие устройства. Их схемы были просты и основывались всего на нескольких транзисторах. Но это были первые коммерческие устройства, созданные на полупроводниках.

Однако стремление увеличить функциональные возможности транзисторных изделий потребовало усложнения электронных схем и роста числа используемых элементов. Расширение же сферы применения новых полупроводниковых элементов привело к их специализации. Это привело к увеличению номенклатуры электронных компонентов, что внесло свои коррективы в процессы разработки конечных изделий.

Стремление к унификации схемотехнических решений, сокращению сроков выпуска новых устройств, снижению их себестоимости и размеров привело к появлению новых перспективных элементов.

Этими элементами стали первые интегральные схемы (Рис. 3).

Рис. 3. Первая микросхема

Остается добавить, что первый патент на интегральную схему был выдан в 1961 г.

В следующей части  данной статьи приведены некоторые факты из истории разработок компании Intel.
    

>>    Часть 3  
      

Евгений Рудометов
          

 Часть 3  
  

Функциональная схема  CY7C68013  (FX2)  представлена на Рис. 8.
  

Рис. 8. Функциональные схемы CY7C68013 (FX2)
   

Второй в приведенном списке приведена микросхема OXFW911-TQ-A (Oxford Semiconductor OXFW911-TQ-A, OXFW911). Эта микросхема является контроллером периферии для шины IEEE 1394a, обеспечивающим в соответствии со стандартом скорость обмена данными до 400 Мбит/сек. Необходимо отметить, что в наименовании микросхемы TQ означает конструктив — 128 TQFP, A – ревизию. 

Данная микросхема поддерживает протокол SBP-2. Является мостом между IEEE 1394a и ATA/ATAPI (IDE). Поддерживает UDMA5 (ATA100), PIO modes 0 to 4, DMA modes 0 to 2 и Ultra DMA modes 0 to 5.

Имеет в своем составе довольно мощный 32-разрядный процессор ARM7TDMI,  а также Scratch RAM, 512 Кбайт Flash memory, средства интерфейса внешнего Serial ROM и другие компоненты.

Микросхема OXFW911 используется во многих устройствах и контроллерах, обслуживающих накопители. К числу таких устройств относятся внешние накопители и различные внешние контейнеры (storage drive case) для эксплуатации HDD, дисководов CD и DVD.

Функциональная схема OXFW911 представлена на Рис. 9.
  

Рис. 9. Функциональная схема OXFW911
    

Последней из списка основных микросхем приведена FW802B (AGERE FW802B). Эта микросхема является  контроллером шины IEEE 1394a: FW802B Low-Power PHY 1394a-2000 Two-Cable Transceiver/Arbiter Device. Поддерживает три скорости передачи данных: 100, 200, 400 Мбит/с. Это второй контроллер стандарта IEEE 1394a, необходимость которого следует из архитектуры рассматриваемого внешнего накопителя. Действительно, как это можно видеть на Рис. 1, Рис. 3 и Рис. 4, предоставленная модель внешнего накопителя External Hard Drive имеет два разъема IEEE 1394a. Вероятно, поэтому используется два контроллера, поддерживающих данный высокоскоростной интерфейс. Правда, при этом остается загадкой, почему для реализации двух портов IEEE 1394a конструкторы выбрали разные микросхемы контроллеров. Вероятно, это связано с чисто экономическими соображениями и возможно удобством проектирования. Кстати, указанная микросхема AGERE FW802B встречается в качестве контроллера IEEE 1394a в составе некоторых моделей материнских плат ряда известных производителей.

Описывая указанные микросхемы, нельзя не упомянуть еще один чип, расположенный на управляющей плате внешнего накопителя External Hard Drive рядом с CY7C68013. На Рис. 7 этот чип расположен у правого нижнего угла CY7C68013 на печатной плате. Наименование этой небольшой микросхемы 24LC65. Ее суть выражена в ее техническом описании как 64K 2.5V I2C Smart Serial EEPROM (Serial Electrically Erasable PROM) и представляет собой память EEPROM объемом 8 Кбайт, подключаемую посредством последовательной шины I2C. Говоря о 24LC65, следует отметить, что последовательный интерфейс EEPROM применяется в широком спектре устройств. Прежде всего, этот тип памяти используется, чтобы хранить привилегированные данные и параметры конфигурации/установки. Последовательные EEPROM являются гибким и сравнительно недорогим типом энергонезависимой памяти, микросхемы которой характеризуются малым количеством контактов, низкими уровнями напряжения, а также низким расходом энергии. Данная микросхема 24LC65 здесь является сателлитом вышеописанного контроллера CY7C68013, подключаясь к нему именно через шину I2C, на работу с которой 24LC65 и рассчитана. Она хранит информацию, определяющую функционирование контроллера CY7C68013 (то есть выполняет в какой-то степени роль BIOS), а, следовательно, и последовательной шины USB 2.0. А это, в конечном счете, влияет на работу внешнего накопителя External Hard Drive и скорость передачи информации с компьютером при подключении через порт USB 2.0.

Остается отметить, что перечисленными микросхемами не исчерпывается набор элементов, расположенных на управляющей плате, входящей в состав внешнего накопителя External Hard Drive. На этой плате традиционно присутствуют также генераторы тактовых частот, компоненты преобразователей уровней напряжений электропитания, буферные схемы, резисторы, конденсаторы и т. п. Все они выполняют хотя и важные, но все-таки не основные функции. Поэтому эти элементы, их внутренняя структура и связанная с ними схемотехника особого интереса не вызывают и здесь не рассматриваются. Кроме того, они не имеют отношения к следующему разделу, некоторые положения которого явно заслуживают особого внимания.
  

Тенденция

Рассматривая архитектуру перечисленных микросхем, с помощью которых были реализованы интерфейсы IEEE1394а и USB 2.0, следует отметить, что они демонстрируют довольно любопытную тенденцию в проектировании сложных чипов.

Благодаря возможностям современных полупроводниковых технологий у конструкторов чипов появилась возможность встраивания в их структуру относительно мощных процессоров, а также оперативной и flash-памяти в состав массовых и сравнительно дешевых микросхем. Примером же таких высоко интегрированных элементов служат перечисленные микросхемы контроллеров последовательных интерфейсов. Основой данных микросхем являются ядра процессоров, родственные настольным и карманным аналогам. Эти ядра дополнены соответствующими шинами, а также элементами памяти, играющими роль оперативной (ОЗУ) и постоянной (флэш) с аналогом BIOS. Учитывая наличие нескольких таких наборов, рассматриваемую плату управления внешним накопителем можно считать не только многопроцессорной, но даже и многокомпьютерной  системой.

Кстати, нечто подобное можно обнаружить и в случае многих традиционных компонентов, типа HDD, дисководов DVD/CD, видеоадаптеров и т.п. Действительно каждое из этих устройств стандартно имеет в своем составе довольно сложные контроллеры, выполняющие функции процессоров, а также микросхемы оперативной памяти и элементы флэш-памяти, содержащие firmware (по сути BIOS компьютера). Дополнительные же контроллерами последовательных и параллельных интерфейсов, нередко содержащими собственные процессорные ядра, память и BIOS, превращают подобные устройства в многокомпьютерные системы с распределенными вычислениями. Впрочем, все это уже стало уже нормой и у специалистов не вызывают удивления подобные «открытия».

Для тех же, кто не является профессионалами в схемотехнике компьютерных компонентов, остается напомнить, что основой внешнего накопителя является именно стандартный HDD, в составе которого использованы все полагающиеся микросхемы, содержащие в своем составе перечисленные выше элементы. И именно это позволяет считать External Hard Drive многопроцессорной и даже мнококомпьтерной системой

Все это означает, что эра многопроцессорных систем и параллельных вычислений, о наступлении которой нас недавно известили компании Intel и AMD, уже наступила несколько лет назад. И это произошло без маркетингового шума.

Конечно, в случае Intel, AMD (а также IBM, SUN и т.п.) речь идет о мощных центральных процессорах. Однако не следует принижать и достижения конструкторов чипов, в составе которых уже несколько лет используются процессорные ядра, во многом совпадающие с внутренностями центральных процессоров, господствовавших сравнительно недавно в наших настольных и мобильных компьютерах. Конечно, речь идет о микросхемах, традиционно считающихся второстепенными, но без которых, вообще говоря, не могут быть созданы полноценные, многофункциональные, современные, высокопроизводительные компьютеры.     

В заключение следует добавить, что новые модели внешних накопителей Seagate, являющихся наследниками данной модели External Hard Drive, способны еще больше расширить функциональные возможности компьютеров. 

Часть 1
     

Евгений Рудометов
          

 Часть 2  
  

Управление входящим в состав  External Hard Drive  жестким диском  осуществляется с помощью специальной платы, подключаемой посредством соответствующих разъемов (Рис. 5).
  

Рис. 5. Разъемы управляющей платы накопителя External Hard Drive
        

Чтобы добраться до управляющей платы External Hard Drive и ознакомиться  с ее конструкцией, упомянутый выше блок с накопителем на жестких магнитных дисках (Рис. 4, справа) был подвергнут дальнейшей разборке. Результат данных действий представлен на Рис. 6.
  

Рис. 6. Элементы  основного блока, входящего в состав накопителя External Hard Drive
    

На Рис. 6 приведены элементы разобранного блока. В центре — HDD с охлаждающими радиаторами. Здесь же — три электромагнитных экрана из алюминия, а также крепежные винты.

Здесь целесообразно напомнить, что сборка External Hard Drive осуществляется в обратной последовательности. Кстати, емкость внешнего накопителя может быть существенно увеличена, если вместо штатного HDD применить модель с большей информационной емкостью. Единственное ограничение заключается в том, что в данном устройстве следует использовать HDD с параллельным интерфейсом подключения (Parallel ATA — IDE).     

Возвращаясь же к элементам основного блока, необходимо отметить, что в нижней части Рис. 6 приведена плата управления, на которой отмечены основные микросхемы. Эти микросхемы приведены на фрагменте данной платы, представленной на Рис. 7. Этот фрагмент содержит основные микросхемы, выполняющие функции контроллеров последовательных интерфейсов внешнего накопителя External Hard Drive, посредством которых это устройство может подключаться к соответствующим портам настольных или мобильных компьютеров.
    

Рис. 7. Фрагмент управляющей платы с основными микросхемами последовательных  интерфейсов
   

Этими микросхемами являются CY7С68013-100AC (справа), OXFW911-TQ-A (в центре), FW802B (слева).

Первая из перечисленного списка элементов микросхема CY7C68013 (CYPRESS CY7C68013, EZ-USB FX2) является контроллером периферии для шины USB стандарта 2.0, скорость обмена данными для которой достигает 480 Мбит/сек. Здесь необходимо отметить, что обозначение EZ-USB FX2 (FX2), нередко используемое в технической документации, является торговой маркой, а микросхема имеет официальное наименование CY7C68013. Выпускается данная микросхема в четырех разных корпусах: CY7C68013-128AC — 128 TQFP, CY7C68013-100AC — 100 TQFP, CY7C68013-56PVC — 56 SSOP, CY7C68013-56LFC — 56 QFN. Таким образом, «100AC» в наименовании означает всего-навсего тип использованного корпуса. 

Микросхема CY7C68013 содержит в своем составе улучшенное ядро процессора 8051 и встроенный последовательный интерфейс Engine (SIE) для выполнения элементарных USB-функций, а также приемопередатчик USB 2.0 (обеспечена совместимость с USB 1.1). Рабочие частоты составляют 12, 24, 48 МГц, цикл выполнения команд равен четырем машинным циклам. 

Содержит 4  Кбайт памяти FIFO и 8 Кбайт RAM программ, загружаемой из USB шины или из EEPROM, конфигурируемую 8 или 16- разрядную шину данных, 2 канала UART, 1 канал I2C (100 или 400 кГц). Четыре интегрированных буфера FIFO позволяют подсоединяться напрямую, что позволяет снизить стоимость системы. Архитектура обеспечивает автоматическое преобразование данных, режим ведущего или ведомого. Буферы FIFO могут использовать внешние тактовые импульсы или асинхронные стробы, облегчают интерфейс с DSP и ASIC. Обслуживается от 24 до 40 элементов ввода/вывода (I/O).

Интегрированный универсальный программируемый интерфейс GPIF (”General Programmable Interface”) и ведущий/ведомый оконечный буфер FIFO (8-или 16-разрядный) позволяют без соединительной логики подключаться к ASIC и DSP, а также обмениваться данными напрямую по наиболее часто используемым интерфейсам (ATA, UTOPIA, EPP, PCMCIA) с большинством DSP и процессоров. Интеллектуальный SIE прибора EZ-USB FX2 выполняет большинство функций USB 1.1 и 2.0, освобождая встроенный в состав микросхемы микроконтроллер для выполнения прикладных задач. Это позволяет сократить время разработки и гарантировать совместимость с USB.

Микросхема CY7C68013 применяется в DSL модемах, ATA интерфейсах, считывающих устройствах карт флэш-памяти, видео и фотокамерах, сканерах, беспроводных LAN, плеерах MP3, сетевом оборудовании и т. п.

Остальные микросхемы из перечисленного списка рассмотрены в следующей части статьи.  

Часть 4
     

Евгений Рудометов
          

 Часть 1  
  

Внешний накопитель изнутри

Итак, с целью детального ознакомления с внутренним устройством внешний накопитель External Hard Drive был разобран на составляющие его элементы. Результат этих усилий приведен на Рис. 3 – Рис 7.

На Рис. 3 представлен внешний накопитель External Hard Drive, лишенный боковых пластиковых стенок защитного корпуса. 

Рис. 3. Накопитель External Hard Drive без боковых стенок защитного корпуса
    

Следующий этап разборки приведен на Рис. 4. Слева на данном фото приведены элементы конструкции накопителя External Hard Drive, а на правом — входящий в состав данного устройства блок накопителя на жестких магнитных дисках.
     

Рис. 4. Основные узлы  накопителя External Hard Drive
    

Следует обратить внимание, что указанный блок снабжен пассивным кулером, представленным двумя боковыми радиаторами, а также контроллером интерфейсов и несколькими электромагнитными экранами. Используемые радиаторы обеспечивают оптимальный температурный режим работы накопителя на жестких магнитных дисках, особенно учитывая условия эксплуатации в малом пространстве, ограниченном корпусом устройства External Hard Drive. Остается напомнить, что компактный, пластиковый  корпус не отличается высокой теплопроводностью и хорошей вентиляцией. Что же касается    металлических экранов, то они, как известно, обеспечивают электростатическую защиту и улучшают электромагнитную совместимость электронных элементов. Благодаря этому повышаются устойчивость работы всей аппаратно-программной системы External Hard Drive. Кроме того, эти металлические экраны в какой-то мере играют роль дополнительных охлаждающих радиаторов, как для встроенного накопителя на жестких магнитных дисках, так и электронных компонентов контроллера интерфейсов.

Из приведенного фото видно, что предоставленное для ознакомления и тестирования  устройство External Hard Drive создано на основе накопителя на жестких магнитных дисках компании Seagate, что, впрочем, и следовало ожидать. Действительно, было бы странным обнаружить изделие какой-либо другой фирмы, являющейся конкурентом данной компании, тем более, что Seagate сама имеет в своих продуктовых линейках высокоемкие, быстродействующие изделия, способные стать основой внешнего накопителя.

Согласно этикетке на корпусе (Рис. 4, справа) в качестве основы External Hard Drive был применен  накопитель ST3200822A, относящийся к модельному ряду Seagate Barracuda 7200.7. Емкость использованной модели составляет 200 Гбайт. Основные параметры этого накопителя на жестких магнитных дисках с информационным объемом 200 Гбайт приведены в Таблице 2.
    

Таблица 2. Основные параметры HDD 200 Гбайт Seagate Barracuda 7200.7 

   
В следующих частях данной статьи рассмотрены элементы  блока HDD, входящего в состав накопителя External Hard Drive, а также описания и  функциональные схемы основных микросхем.   

Часть 3
     

- 106 - 

 К стр. 105 

Чипсеты фирмы VIA

 
    
В области разработки и выпуска чипсетов фирма VIA (VIA Technologies) является традиционным конкурентом фирмы Intel — лидера в производстве основных компьютерных комплектующих, к которым относятся процессоры и чипсеты. Также как и Intel, фирма VIA успешно внедряет в свои изделия все новейшие достижения компьютерных технологий. Например, в свое время ее разработчики первыми в мире внедрили в свои наборы поддержку SDRAM c частотой 133 МГц (PC133), DDR SDRAM (DDR), а также поддержку протокола UltraDMA/133. И в настоящее время конструкторы VIA продолжают внедрять в свои изделия новейшие технологии.

В результате проведения такой политики чипсеты, выпущенные этой фирмой, характеризуются высокой производительностью и широким набором функциональных возможностей. Они являются достойными конкурентами самых совершенных специализированных наборов, созданных лучшими представителями компьютерной индустрии, включая коллективы разработчиков фирмы Intel.

При этом VIA выпускает чипсеты не только под процессоры Intel, но и модели AMD, которые электрически и логически несовместимы с изделиями Intel. Но, что особенно важно, они полностью совместимы с ними программно.

Функциональные возможности, гибкость архитектуры, высокая надежность и привлекательные цены специализированных наборов микросхем производства VIA не остались незамеченными производителями компьютерного оборудования. На основе чипсетов фирмы VIA Technologies практически всеми основными производителями были разработаны и выпущены материнские платы.

Далее представлены примеры широко распространенных чипсетов, созданных фирмой VIA Technologies для систем, использующих процессоры Intel и AMD.

VIA Apollo VP 2/VP 3

Чипсет VIA Apollo VP 2 предназначен для компьютеров, в составе которых используются процессоры с разъемом Socket 7. Ориентирован на процессоры Intel Pentium и Pentium MMX, AMD K5 и K6, Cyrix/IBM 6×86 и M2. Поддерживает системы с двухпроцессорными конфигурациями.

Поддерживает: шину памяти 64 бит, объем кэш-памяти Pipelined Burst —2 Мбайт, память FPM, EDO, BEDO, SDRAM — до 512 Мбайт, кэшируемая память — до 512 Мбайт, ECC, UltraDMA/33, USB, PCI 2.1, 4 PCI и т. д.

В состав чипсета VIA Apollo VP 2 может входить либо микросхема VT82C586 PCI-to-ISA Controller (208 PQFP) либо микросхема VT82C586B PCI-to-ISA Controller (208 PQFP) с поддержкой ACPI.

Чипсет VIA Apollo VP 3 является усовершенствованным вариантом VIA Apollo VP 2. Выпущен в 1997 г. Осуществлена поддержка AGP. Ориентирован на процессоры с частотой шины FSB 66 МГц.

Чипсет поддерживает 64-битную шину памяти, кэш-память Pipelined Burst с максимальным объемом 2 Мбайт, память FPM, EDO, SDRAM — до 1 Гбайт с объемом кэшируемой памяти до 1 Гбайт, модули памяти с микросхемами 64 Мбит, ECC, UltraDMA/33, USB, AGP 1.0 с 1х/2х, PCI 2.1, ACPI и т. д.

В состав чипсета VIA Apollo VP 3 входят микросхемы:
  -  VT82C597 System Controller в конструктиве 472 BGA, 
  -  VT82C586B PCI-to-ISA Controller, в конструктиве 208 PQFP.

 К стр. 107 

Аннотация  

Краткое содержание книги  

Полное содержание книги