Учебно-методические материалы по медицинской информатике и статистике с сайта 1mgmu.com

Это - учебно-методические материалы по медицинской информатике и статистике с сайта 1mgmu.com

6.1.2 Компьютер. Железо и программы . Линия IBM PC-совместимых персональных компьютеров

Гений мыслит и создает. Человек обычный приводит в исполнение. Дурак пользуется и не благодарит.
Козьма Прутков

Первые персональные компьютеры стали создаваться в конце 70-годов. Они были чем-то средним между игровой приставкой и интеллектуальной пишущей машинкой. Разумеется, и в то время персональные компьютеры стоили значительно дешевле больших электронно-вычислительных машин, но, так как на большой вычислительной машине могут одновременно работать много пользователей, с которыми она работает параллельно, разделяя время и быстро переключаясь с одного на другое, то основная экономическая характеристика – стоимость одной операции. Наилучшее соотношение мощность/стоимость показывали большие быстрые электронно-вычислительные машины (Из-за причин, изложенных выше, сейчас наилучшее соотношение скорость/цена показывают массовые персональные компьютеры).
Самые быстрые суперкомпьютеры имели более высокую стоимость вычислений, но их использовали не для коллективного обслуживания многих пользователей, а для достаточно быстрого решения конкретных задач, например, куда летит запущенная ракета. Поэтому разработками персональных компьютеров занимались как небольшие независимые кампании, так и структуры при больших компаниях , но этот сегмент рынка считался второстепенным по сравнению с большими электронно-вычислительными машинами коллективного пользования (Например, очень хороший для того времени персональный компьютер сделала компания XEROX, которая надолго ушла из этого сегмента рынка).
Поэтому когда компьютерный гигант IBM стал разрабатывать персональные компьютеры, то это было оформлено через небольшую дочернюю фирму. Созданный ею на основе процессора 8086 фирмы Intel компьютер не был самым удачным ни по производительности, ни по соотношению производительность/цена, но он с самого начала обладал очень важным свойством, которое называют upgradeable.
Другие персональные компьютеры предлагаются как одно единое устройство. Например, в серии компьютеров «Макинтош» фирмы Apple Вам предложат одну из 3-4 моделей, отличающихся комплектацией, а Вы выберете ту, которая Вам больше подходит. При покупке компьютера серии IBM PC Вы указываете, какой объем оперативной памяти Вы хотите, какой конкретно жесткий диск нужно установить, нужен ли Вам пишущий DVD-драйвер и т.д., то есть большинство персональных компьютеров этой серии собирается в магазине за то время, пока Вы оплачиваете покупку.
Более того, и выпущенные потом устройства (в определенных пределах) должны работать с собранным ранее компьютером. Например, если Вам нужен жесткий диск большего размера, то Вы покупаете его и устанавливаете вместо старого или параллельно ему. При этом если жесткий диск имеет некоторые дополнительные возможности, которые не поддерживаются старой материнской платой, то они не будут задействованы. Если появился более быстрый процессор (для того же процессорного гнезда), то Вы можете купить его и установить вместо старого. Возможность модернизации компьютера позволяет как выбирать конфигурацию, отвечающую Вашим потребностям и возможностям, так и поддерживать компьютер на нужном уровне несколько лет.
Абсолютно полной совместимости устройств, разумеется, достичь невозможно, так как приходится менять типы разъемов и т.д. Однако есть четкое ощущение, что в некоторых случаях изготовители компьютерных компонент специально уменьшают возможности совместимости, чтобы стимулировать продажи. Например, в компьютерных журналах приводятся практические рекомендации, какие «ножки» нового процессора нужно сломать, а какие – спаять, чтобы новый вариант процессора заработал на старой материнской плате.
В меньшей степени возможностью модернизации обладают компактные варианты персональных компьютеров, в которых для уменьшения размера приходится использовать нестандартные разъемы, совмещенные устройства и т.д.
Широкому распространению этой серии способствовала также очень мягкая лицензионная политика IBM (То ли очень дальновидная, то ли принятая по недомыслию, то ли имеющая скрытые мотивы. Так, усердно распространяется легенда о простом парне Билле Гейтсе, который, будучи гениальным программистом, ушел из университета и ... Однако к тому моменту и мамаша Билла была ОЧЕНЬ непростой дамочкой, и все программки, проданные Микрософтами, как выясняется, были, как выясняется, куплены и независимых программистов... В общем, это - отдельная и хорошо описанная на просторах Интернета история). разрешившая сторонним компаниям производство компонент на выгодных условиях. В результате лишь небольшая часть компонент для IBM PC-совместимых персональных компьютеров производится самой IBM.
Основной операционной системой для IBM PC стала MS-DOS.
Следующий персональный компьютер этой серии назывался IBM PC XT (т.е. расширенная технология). Он был основан на процессоре 8088, несколько упрощенном по сравнению с 8086, но работающем на более высокой тактовой частоте примерно в 4 мегагерца. Так как на выполнение одной команды уходило от нескольких до более двухсот тактов, то PC XT обладал быстродействием порядка сотен тысяч операций в секунду.
Процессор 80186 в серию не пошел, а созданный на базе процессора 80286 компьютер назвали IBM PC AT (расширенная технология). По сравнению с 8088 были добавлены новые команды, увеличена тактовая частота, сокращено количество тактов на выполнение одной команды, а также появился многозадачный режим, правда, только в режиме переключения – когда в оперативную память компьютера загружена не одна, а несколько активных программ, и есть возможность переключаться с одной программы на другую.
В PC в оперативной памяти также могло находиться несколько программ, но та программа, которая была загружена выше, могла делать с оперативной памятью ниже себя все, что захочет. Поэтому операционная система, часть которой была загружена в верхние адреса, могла делать с программами все, что захочет. Начиная с PC AT появились защищенные режимы, не позволявшие разным программам мешать друг другу.
Для следующих процессоров 80386 и 80486 новых буквенных обозначений придумать не удалось, и все звали их «тройкой» и «четверкой».
В них появилась поддержка полноценного многозадачного режима, в которых в располагающиеся в оперативной памяти задачи могут выполняться параллельно. Для реализации этой возможности, а также улучшения пользовательского интерфейса была разработана операционная система WINDOWS.
Для процессора 80586 было придумано коммерческое название «Pentium». Дальнейшие поколения центрального процессора стали называться «Pentium 2», «Pentium 3» и т.д.
Впрочем, начиная с Pentium четкого деления на отдельные поколения, отличающиеся режимами работы, уже нет. Имеется много промежуточных вариантов. Это имеет отражение и в названии – варианты процессора имеют отдельные названия, например, «Xeon». Название «Celeron» закрепилось за облегченными удешевленными вариантами процессоров, которые при той же тактовой частоте показывают немного меньшую производительность.
Название «Pentium» закреплено за процессорами фирмы Intel, выпускающей большую часть таких устройств. Процессоры фирмы AMD имеют другие коммерческие названия, близкую производительность и (сейчас) примерно такую же стоимость.
Повышение производительности центральных процессоров шло за счет следующего:
1. Увеличение тактовой частоты. При ее повышении производительность процессора пропорционально возрастает. Тактовая частота современных центральных процессоров – несколько гигагерц (миллиардов тактов в секунду);
2. Сокращение количества тактов, требующихся на выполнение одной команды. Сейчас команды выполняются в основном за один такт;
3. Расширение списка команд. Например, если процессор не «умеет» выполнять команду деления длинных чисел, то эту операцию он может выполнить как программу – последовательность делений, сложений и вычитаний коротких чисел.
Вариант, когда для выполнения команды требуется выполнение последовательности других, более простых команд, называется программной реализацией команды, а выполнение ее самим процессором как отдельной команды – аппаратной реализацией.
Если в программе используются команды, не реализованные процессором аппаратно, то они могут выполняться программно. Такие решения называются эмуляцией. Это расширяет совместимость программ, но скорость выполнения в режиме эмуляции значительно падает.
4. Возможности распараллеливания вычислений. Например, арифметические операции с целыми числами и с числами с плавающей точкой (подробные объяснения будут позже) выполняются разными «частями» процессора. Поэтому реализована возможность их одновременного выполнения. Более того, часть процессора, ориентированная на операции с плавающей точкой, может использоваться и для операций с целыми числами. Для ресурсоемких приложений используются также многопроцессорные решения.
Так как программы пишутся как набор последовательно выполняемых операций, то для параллельного выполнения нескольких команд нужно предсказать, будет ли выполняться команда и если да, то с какими числами. Такой предварительный анализ программы сам требует дополнительных вычислительных операций, поэтому эффективность распараллеливания зависит от сложности программы. Увеличение списка аппаратно выполнимых команд (которое обычно происходит за счет добавления сложных команд) снижает эффективность распараллеливания.
Поэтому есть другой подход к повышению мощности процессоров – использование небольшого фиксированного списка простых команд с однотипной системой адресации, что улучшает возможности предсказания и распараллеливания. Эти так называемые RISC-процессоры получаются меньше по размеру и, в частности, меньше греются и имеют возможность работать на более высокой тактовой частоте.
В середине 90-х годов для персональных компьютеров был разработан RISC-процессор PowerPC, имеющий более высокую производительность, чем Pentium`ы. Имеющиеся программы в режиме эмуляции работали на PowerPC медленнее, чем на Pentium`ах, однако если бы производители программного обеспечения создали версии программ в командах этого процессора, то они работали бы лучше. Но ведущие фирмы по разработке программного обеспечения делать этого не стали, и перехода PC-совместимых компьютеров на этот ряд процессоров не произошло.
Однако переход на RISC-процессоры произошел неявным методом – в современных процессорах используется гибридная техника. Внутреннее ядро – фактически RISC-процессор, на вход компьютеру подаются исходные сложные команды, которые аппаратно ретранслируются в RISC-команды и подаются в ядро для выполнения.
В результате распараллеливания, многопоточности и ретрансляции в RISC-команды процессоры работают очень эффективно, однако практически исчезла возможность повышения производительности работы процессора за счет разработки программ не на языке программирования высокого уровня (подробности смотри далее), а на языках низкого уровня, так как даже в этом случае фактически выполняются не тот код, который был разработан.
Современные IBM PC- совместимые персональные компьютеры занимают большую (порядка 90%) долю рынка персональных компьютеров. Вторая по распространенности линия – компьютеры «Макинтош » фирмы Apple. Это – более дорогие и мощные компьютеры, традиционно лучше работающие с изображением. Они работают под управлением своей операционной системы, многие из идей которой были потом заимствованы вWINDOWS. Надежность аппаратных компонентов и операционной системы Макинтошей также выше. Одна из их основных ниш этой линии компьютеров – компьютерная верстка, дизайн и т.д., которые всегда являлись ресурсоемкими и в которых большая стоимость компьютера и программ не были решающими. Компьютеры этой серии часто отличали стильные дизайнерские решения. Все это сформировало отношение к компьютерам этой линии как к предметам престижного потребления. Например, в популярном сериале «Секретные материалы» все отрицательные персонажи работают на ноутбуках линии PC, а положительные – на ноутбуках от Apple.
Однако эксплуатация компьютеров этой серии значительно более затратна, особенно за счет значительно более высокой стоимости программ (которые еще нужно найти и купить), также возникают некоторые проблемы с совместимостью. Поэтому закупка персональных компьютеров от Apple имеет смысл только для достаточно сильных компьютерных подразделений, которые хорошо знают, почему им нужна именно эта техника, и смогут ее эксплуатировать.
Время от времени возникают идеи перехода от персональных компьютеров в современном понимании этого слова к другим решениям. Так, «персистирует» идея перейти облегченным персональным компьютерам - к станциям для выхода в Internet, а хранение данных пользователей и произведение вычислений делать на удаленных компьютерах коллективного пользования. Однако такая «обрезанная» станция, неспособная к автономной работе, оказывается лишь ненамного дешевле полноценного персонального компьютера, а необходимость платы за пользование удаленными ресурсами полностью снимает с таких решений экономическую привлекательность.
Сейчас складывается впечатление, что основную конкуренцию персональным компьютерам могут составить мобильные телефоны. Действительно, принципиальной границы между персональными компьютерами наладонного размера со встроенным блоком сотовой телефонии и «навороченным» сотовым телефоном нет. Для формальной классификации обычно приходится прибегать к такому критерию, как размер встроенной клавиатуры.
Помимо центрального процессора могут использоваться дополнительные сопроцессоры, оптимизованные под выполнения некоторых операций и выполняющие их быстрее, чем универсальные процессоры. Такое ускорение может быть достигнуто за счет следующих двух вариантов:
1. Операция выполняется не с одной парой чисел, а одновременно с их большим набором. Например, если нужно повысить яркость изображения, то нужно примерно миллион чисел, задающих яркости точек экрана, умножить на одно число;
2. Некоторые специфические процедуры в таких процессорах реализованы аппаратно, то есть выполняются как одна команда процессора, а не последовательность команд универсального центрального процессора.
Например, в конце восьмидесятых в некоторые персональные компьютеры вставляли дополнительные специализированные процессоры, позволяющие воспроизводить звук. Сейчас мощность центральных процессоров такова, что воспроизведение звука – малозатратное фоновое приложение, однако с обработкой и воспроизведением видеоизображения в реальном масштабе времени имеются проблемы. Поэтому используются графические карты, имеющие дополнительный специализированный процессор, оптимизованный под обработку изображения.

Оглавление раздела нижнего уровня
Оглавление раздела верхнего уровня
ОГЛАВЛЕНИЕ ОГЛАВЛЕНИЙ

НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ САЙТА

Материалы используются на Едином Образовательном Пространстве Первого московского государственного медуниверситета им. И.М. Сеченова