Современные многоуровневые машины

Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Существуют машины даже с шестью уровнями (рис. 1.2). Уровень 0 — аппаратное обеспечение машины. Его электронные схемы выполняют программы, написанные наязыке уровня 1. Ради полноты нужно упомянуть о существовании еще одного уровня, расположенного ниже уровня 0. Этот уровень не показан на рис. 1.2, так как он попадает в сферу электронной техники и, следовательно, не рассматривается в этойкниге. Он называется уровнем физических устройств.На этом уровне находятся транзисторы, которые являются примитивами для разработчиков компьютеров.Объяснять, как работают транзисторы, — задача физики.

На самом нижнем уровне, цифровом логическом уровне,объекты называются вентилями.Хотя вентили состоят из аналоговых компонентов, таких как транзисторы, они могут быть точно смоделированы как цифровые средства. У каждого вентиля есть одно или несколько цифровых входных данных (сигналов, представляющих 0 или 1). Вентиль вычисляет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16,32 или 64, формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела.

Из вентилей также может состоять сам компьютер.

Следующий уровень — микроархитектурный уровень.На этом уровне можно видеть совокупности 8 или 32 регистров, которые формируют локальную память и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство).АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных,по которому поступают данные. Основная операция тракта данных состоит в следующем. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит надними какую-либо операцию, например сложения, а результат помещается в одиниз этих регистров.

На некоторых машинах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой.На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами. В предыдущих изданиях книги мы назвали этот уровень ≪уровнем микропрограммирования≫, потому что раньше он почти всегда был интерпретатором программного обеспечения. Поскольку сейчас тракт данных обычно контролируется аппаратным обеспечением, мы изменили

название, чтобы точнее отразить смысл.

На машинах, где тракт данных контролируется программным обеспечением,

микропрограмма — это интерпретатор для команд на уровне 2. Микропрограмма вызывает команды из памяти и выполняет их одну за другой, используя при этом тракт данных. Например, для того чтобы выполнить команду ADD, эта команда вызывается из памяти, ее операнды помещаются в регистры, АЛУ вычисляет сумму, а затем результат переправляется обратно. На компьютере с аппаратным контролем тракта данных происходит такая же процедура, но при этом нет программы, которая контролирует интерпретацию команд уровня 2.

Многоуровневая компьютерная организация 23

Второй уровень мы будем называть уровнем архитектуры системы команд.

Каждый производитель публикует руководство для компьютеров, которые он продает, под названием ≪Руководство по машинному языку≫ или ≪Принципы работы компьютера Western Wombat Model 100X≫ и т. п. Такие руководства содержат информацию именно об этом уровне. Когда они описывают набор машинных команд, они в действительности описывают команды, которые выполняются микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением. Если производитель поставляет два интерпретатора для одной машины, он должен издать два руководства по машинному языку, отдельно для каждого интерпретатора.

Следующий уровень обычно гибридный. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры системы команд (команды, имеющиеся на одном из уровней, вполне могут находиться на других уровнях). У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: набор новых команд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программ одновременно и некоторые другие. При построении третьего уровня возможно больше вариантов, чем при построении первого и второго.

Новые средства, появившиеся на третьем уровне, выполняются интерпретатором, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой. Команды третьего уровня, идентичные командам второго уровня, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Иными словами, одна часть команд третьего уровня интерпретируется операционной системой, а другая часть — микропрограммой. Вот почему этот уровень считается гибридным. Мы будем называть этот уровень уровнем операционной системы.

Между третьим и четвертым уровнями есть существенная разница. Нижние три уровня конструируются не для того, чтобы с ними работал обычный программист.

Они изначально предназначены для работы интерпретаторов и трансляторов, поддерживающих более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми системными программистами,которые специализируются на разработке и построении новых виртуальных машин. Уровни с четвертого и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи.

Еще одно изменение, появившееся на уровне 4, — способ, которым поддерживаются более высокие уровни. Уровни 2 и 3 обычно интерпретируются, а уровни 4, 5 и выше обычно, хотя и не всегда, поддерживаются транслятором.

Другое различие между уровнями 1,2,3 и уровнями 4,5 и выше — особенность языка. Машинные языки уровней 1,2 и 3 — цифровые. Программы, написанные на этих языках, состоят из длинных рядов цифр, которые удобны для компьютеров, но совершенно неудобны для людей. Начиная с четвертого уровня, языки содержат слова и сокращения, понятные человеку.

Четвертый уровень представляет собой символическую форму одного из язы-

ков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером.

Пятый уровень обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня.Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них — BASIC, С, C++, Java, LISP и Prolog. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами.Отметим, что иногда также используется метод интерпретации. Например, программы на языке Java обычно интерпретируются.

В некоторых случаях пятый уровень состоит из интерпретатора для такой сферы приложения, как символическая математика. Он обеспечивает данные и операции для решения задач в этой сфере в терминах, понятных людям, сведущим в символической математике.

Вывод: компьютер проектируется как иерархическая структура уровней, каждый из которых надстраивается над предыдущим. Каждый уровень представляет собой определенную абстракцию с различными объектами и операциями. Рассматривая компьютер подобным образом, мы можем не принимать во внимание ненужные нам детали и свести сложный предмет к более простому для понимания.

Набор типов данных, операций и особенностей каждого уровня называется архитектурой. Архитектура связана с аспектами, которые видны программисту. Например, сведения о том, сколько памяти можно использовать при написании программы, — часть архитектуры. А аспекты разработки (например, какая технология используется при создании памяти) не являются частью архитектуры. Изучение того, как разрабатываются те части компьютерной системы, которые видны программистам, называется изучением компьютерной архитектуры.Термины ≪компьютерная архитектура≫ и ≪компьютерная организация≫ означают в сущности одно

и то же.

Развитие многоуровневых машин

В этом разделе мы кратко изложим историю развития многоуровневых машин, покажем, как число и природа уровней менялись с годами. Программы, написанные на машинном языке (уровень 1), могут сразу выполняться электронными схемами компьютера (уровень 0), без применения интерпретаторов и трансляторов. Эти электронные схемы вместе с памятью и средствами ввода-вывода формируют аппаратное обеспечение.Аппаратное обеспечение состоит из осязаемых объектов — интегральных схем, печатных плат, кабелей, источников электропитания, запоминающих устройств и принтеров. Абстрактные понятия, алгоритмы и команды не относятся к аппаратному обеспечению.

Программное обеспечение,напротив, состоит из алгоритмов (подробных последовательностей команд, которые описывают, как решить задачу) и их компьютерных представлений, то есть программ. Программы могут храниться на жестком диске, гибком диске, компакт-диске или других носителях, но в сущности программное обеспечение — это набор команд, составляющих программы, а не физические носители, на которых эти программы записаны.

В самых первых компьютерах граница между аппаратным и программным обеспечением была очевидна. Со временем, однако, произошло значительное размывание этой границы, в первую очередь благодаря тому, что в процессе развития.

Многоуровневая компьютерная организация 25 компьютеров уровни добавлялись, убирались и сливались. В настоящее время очень сложно отделить их друг от друга. В действительности центральная тема этой книги может быть выражена так: аппаратное и программное обеспечение логически

эквивалентны.

Любая операция, выполняемая программным обеспечением, может быть встроена в аппаратное обеспечение (желательно после того, как она осознана). Карен Панетта Ленц говорил; ≪Аппаратное обеспечение — это всего лишь окаменевшее программное обеспечение≫. Конечно, обратное тоже верно: любая команда, выполняемая аппаратным обеспечением, может быть смоделирована в программном обеспечении. Решение разделить функции аппаратного и программного обеспечения основано на таких факторах, как стоимость, скорость, надежность, а также частота ожидаемых изменений. Существует несколько жестких правил, сводящихся к тому, что X должен быть в аппаратном обеспечении, a Y должен программироваться.

Эти решения изменяются в зависимости от тенденций в развитии компьютерных технологий.

2.Типы компьютеров

Технологические и экономические аспекты

Степень технологического прогресса можно наблюдать, используя закон Мура,названный в честь одного из основателей и главы компании Intel Гордона Мура,который открыл его в 1965 году Закон Мура гласит, что число транзисторовна одной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев, то есть увеличивается на60% каждый год. Размеры микросхем и даты их производства, показанные нарис. 1.6, подтверждают, что закон Мура до сих пор действует.

Многие специалисты считают, что закон Мура действует и в XXI веке, возможно, до 2020 года. Вероятно, транзисторы скоро будут состоять всего лишь из нескольких атомов, хотя достижения квантовой компьютерной техники, может быть, позволят использовать для размещения 1 бита спин одного электрона.

Еще один фактор развития компьютерных технологий - первый натановский закон программного обеспечения, названный в честь Натана Мирвольда, главного администратора компании Microsoft. Этот закон гласит: «Программное обеспечение - это газ. Оно распространяется и полностью заполняет резервуар, в котором находится» Современные электронные редакторы занимают десятки мегабайтов. В будущем, несомненно, они будут занимать десятки гигабайтов. Программное обеспечение продолжает развиваться и создает постоянный спрос на процессоры, работающие с более высокой скоростью, на большийобъем памяти, на большую производительность устройств ввода-вывода.

С каждым годом происходит стремительное увеличение количества транзисторов на одной микросхеме. Отметим, что достижения в развитии других частей компьютера столь же велики.

Подсчитать, насколько быстро происходит совершенствование жесткого диска, гораздо сложнее, поскольку тут есть несколько параметров (объем, скорость передачи данных, цена и т. д ), но измерение любого из этих параметров покажет, что показатели возрастают, по крайней мере, на 50% в год.

Крупные достижения наблюдаются также и в сфере телекоммуникаций и создания сетей. Меньше чем за два десятилетия мы пришли от модемов, передающих информацию со скоростью 300 бит/с, к аналоговым модемам, работающим со скоростью 56 Кбит/с, телефонным линиям ISDN, где скорость передачи информации 2x64 Кбит/с, оптико-волоконным сетям, где скорость уже больше чем 1 Гбит/с. Оптико-волоконные трансатлантические телефонные кабели (например, ТАТ-12/13) стоят около $700 млн., действуют в течение 10 лет и могут передавать 300 000 звонков одновременно, поэтому стоимость 10-минутной межконтинентальной связи составляет менее 1 цента. Лабораторные исследования подтвердили, что возможны системы связи, работающие со скоростью 1 терабит/с (1012 бит/с) на расстоянии более 100 км без усилителей, Едва ли нужно упоминать здесь о развитии сети Интернет.

3.Семейства компьютеров

3.1. Широкий спектр компьютеров

Ричард Хамминг, бывший исследователь из Bell Laboratories, заметил, что количественное изменение величины на порядок ведет к качественному изменению.

Например, гоночная машина, которая может ездить со скоростью 1000 км/ч попустыне Невада, коренным образом отличается от обычной машины, котораяездит со скоростью 100 км/ч по шоссе Точно так же небоскреб в 100 этажей несопоставим с десятиэтажным многоквартирным домом А если речь идет о компьютерах, то тут за три десятилетия количественные показатели увеличились не в 10, а в 1 000 000 раз.

Развивать компьютерные технологии можно двумя путями: или создавать компьютеры все большей и большей мощности при постоянной цене, или выпускать один и тот же компьютер, с каждым годом снижая цену. Компьютерная промышленность использует оба эти пути, создавая широкий спектр разнообразных компьютеров. Очень приблизительная классификация современных компьютеров представлена в табл. 1.3.

В самой верхней строчке находятся микросхемы, которые приклеиваются на внутреннюю сторону поздравительных открыток для проигрывания мелодий «Happy Birthday», свадебного марша или чего-нибудь подобного. Автор идеи еще не придумал открытки с соболезнованиями, которые играют похоронный марш, но поскольку он выпустил эту идею в потребительскую сферу, вскоре можно будет ожидать появления и таких открыток. Тот, кто воспитывался на компьютерах стоимостью в миллионы долларов, воспринимает такие доступные всем компьютеры примерно так же, как доступный всем самолет. Тем не менее такие компьютеры, вне всяких сомнений, должны существовать (а как насчет говорящих мешков для мусора, которые просят вас не выбрасывать алюминиевые банки?).

Вторая строчка — компьютеры, которые помещаются внутрь телефонов, телевизоров, микроволновых печей, CD-плейеров, игрушек, кукол и т. п. Через несколько лет во всех электрических приборах будут находиться встроенные компьютеры, количество которых будет измеряться в миллиардах. Такие компьютеры состоят из процессора, памяти менее 1 Мбайт и устройств ввода-вывода, и все это на одной маленькой микросхеме, которая стоит всего несколько долларов.

Следующая строка — игровые компьютеры. Это обычные компьютеры с особой графикой, но с ограниченным программным обеспечением и почти полным отсутствием открытости, то есть возможности перепрограммирования. Примерно равны им по стоимости электронные записные книжки и прочие карманные компьютеры, а также сетевые компьютеры и web-терминалы. Все они содержат процессор, несколько мегабайтов памяти, какой-либо дисплей (может быть, даже телевизионный) и больше ничего. Поэтому они такие дешевые.

Далее идут персональные компьютеры. Именно они ассоциируются у большинства людей со словом «компьютер». Персональные компьютеры бывают двух видов: настольные и ноутбуки. Они обычно содержат несколько мегабайтов памяти, жесткий диск с данными на несколько гигабайтов, CD-ROM, модем, звуковую карту и другие периферийные устройства. Они снабжены сложными операционными системами, имеют возможность наращивания, при работе с ними используется широкий спектр программного обеспечения. Компьютеры с процессором Intel обычно называются «персональными компьютерами», а компьютеры с другими

процессорами — «рабочими станциями», хотя особой разницы между ними нет.

Персональные компьютеры и рабочие станции часто используются в качестве сетевых серверов как для локальных сетей (обычно в пределах одной организации), так и для Интернета. У этих компьютеров обычно один или несколько процессоров, несколько гигабайтов памяти и много Гбайт на диске. Такие компьютеры способны работать в сети с очень высокой скоростью. Некоторые из них могут обрабатывать тысячи поступающих сообщений одновременно.

Помимо небольших серверов с несколькими процессорами существуют системы, которые называются сетями рабочих станций (NOW — Networks of Workstations) или кластерами рабочих станций (COW — Clusters of Workstations). Они состоят из обычных персональных компьютеров или рабочих станций, связанных в сеть, по которой информация передается со скоростью 1 Гбит/с, и специального программного обеспечения, позволяющего всем машинам одновременно работать над одной задачей. Такие системы широко применяются в науке и технике. Кластеры рабочих станций могут включать в себя от нескольких компьютеров до нескольких тысяч. Благодаря низкой цене компонентов отдельные организации могут приобретать такие машины, которые по эффективности являются мини-суперкомпьютерами.

А теперь мы дошли до больших компьютеров размером с комнату, напоминающих компьютеры 60-х годов. В большинстве случаев эти системы - прямые потомки больших компьютеров серии IBM-360. Обычно они работают ненамного быстрее, чем мощные серверы, но у них выше скорость процессов ввода-вывода и обладают они довольно большим пространством на диске — 1 терабайт и более(1 терабайт=1012байт). Такие системы стоят очень дорого и требуют крупных вложений в программное обеспечение, данные и персонал, обслуживающий эти компьютеры. Многие компании считают, что дешевле заплатить несколько миллионов долларов один раз за такую систему, чем даже думать о том, что нужно будет заново программировать все прикладные программы для маленьких компьютеров.

Именно этот класс компьютеров привел к проблеме 2000 года. Проблема возникла из-за того, что в 60-е и 70-е годы программисты, пишущие программы на языке COBOL, представляли год двузначным десятичным числом с целью экономиипамяти. Они не смогли предвидеть, что их программное обеспечение будет использоваться через три или четыре десятилетия. Многие компании повторили ту же ошибку, добавив к числу года только два десятичных разряда. Автор этой книги предсказывает, что конец цивилизации произойдет в полночь 31 декабря 9999 года, когда сразу уничтожатся все COBOL-программы, написанные за 8000 лет.

Вслед за большими компьютерами идут настоящие суперкомпьютеры. Их процессоры работают с очень высокой скоростью, объем памяти у них составляет множество гигабайтов, диски и сети также работают очень быстро. В последние годы многие суперкомпьютеры стали очень похожи, они почти не отличаются от кластеров рабочих станций, но у них больше составляющих и они работают быстрее. Суперкомпьютеры используются для решения различных научных и технических задач, которые требуют сложных вычислений, например таких, как моделирование сталкивающихся галактик, разработка новых лекарств, моделирование потока воздуха вокруг крыла аэроплана.

3.2.Семейства компьютеров

В этом разделе мы дадим краткое описание трех компьютеров, которые будут использоваться в качестве примеров в этой книге: Pentium II, UltraSPARC II и picojava II.

Pentium II

В 1968 году Роберт Нойс, изобретатель кремниевой интегральной схемы, Гордон Мур, автор известного закона Мура, и Артур Рок, капиталист из Сан-Франциско, основали корпорацию Intel для производства компьютерных микросхем. За первый год своего существования корпорация продала микросхем всего на $3000, но потом объем продаж компании заметно увеличился.

В конце 60-х годов калькуляторы представляли собой большие электромеханические машины размером с современный лазерный принтер и весили около 20 кг.

В сентябре 1969 года японская компания Busicom обратилась к корпорации Intel с просьбой выпустить 12 несерийных микросхем для электронной вычислительной машины. Инженер компании Intel Тед Хофф, назначенный на выполнение этого проекта, решил, что можно поместить 4-битный универсальный процессор на одну микросхему, которая будет выполнять те же функции и при этом окажется проще и дешевле. Так в 1970 году появился первый процессор на одной микросхеме, процессор 4004 на 2300 транзисторах.

Заметим, что ни Intel, ни Busicom не имели ни малейшего понятия, какое грандиозное открытие они совершили. Когда компания Intel решила, что стоит попробовать использовать процессор 4004 в других разработках, она предложила купить все права на новую микросхему у компании Busicom за $60000, то есть за сумму, которую Busicom заплатила Intel за разработку этой микросхемы. Busicom сразу приняла предложение Intel, и Intel начала работу над 8-битной версией микросхемы 8008, выпущенной в 1972 году.

Компания Intel не ожидала большого спроса на микросхему 8008, поэтому она выпустила небольшое количество этой продукции. К всеобщему удивлению, новая микросхема вызвала большой интерес, поэтому Intel начала разработку еще одного процессора, в котором предел в 16 Кбайт памяти (как у процессора 8008), навязываемый количеством внешних выводов микросхемы, был преодолен. Так появился небольшой универсальный процессор 8080, выпущенный в 1974 году.

Как и PDP-8, он произвел революцию на компьютерном рынке и сразу стал массовым продуктом: только компания DEC продала тысячи PDP-8, a Intel — миллионы процессоров 8080.

В 1978 году появился процессор 8086 — 16-битный процессор на одной микросхеме. Процессор 8086 был во многом похож на 8080, но не был полностью совместим с ним. Затем появился процессор 8088 с такой же архитектурой, как и у 8086.

Он выполнял те же программы, что и 8086, но вместо 16-битной шины у него была 8-битная, из-за чего процессор работал медленнее, но стоил дешевле, чем 80861. Когда IBM выбрала процессор 8088 для IBM PC, эта микросхема стала эталоном в производстве персональных компьютеров.

Ни 8088, ни 8086 не могли обращаться к более 1 Мбайт памяти. К началу 80-х годов это стало серьезной проблемой, поэтому компания Intel разработала модель 80286, совместимую с 8086. Основной набор команд остался, в сущности, таким же, как у процессоров 8086 и 8088, но память была устроена немного по-другому, хотя и могла работать по-прежнему из-за требования совместимости с предыдущими микросхемами. Процессор 80286 использовался в IBM PC/AT и в моделях PS/2.

Он, как и 8088, пользовался большим спросом (главным образом потому, что покупатели рассматривали его как более быстрый процессор 8088).

Следующим шагом был 32-битный процессор 80386, выпущенный в 1985 году. Как и 80286, он был более или менее совместим со всеми старыми версиями. Совместимость такого рода оказывалась благом для тех, кто пользовался старым программным обеспечением, и некоторым неудобством для тех, кто предпочитал современную архитектуру, не обремененную ошибками и технологиями прошлого.

Через четыре года появился процессор 80486. Он работал быстрее, чем 80386, мог выполнять операции с плавающей точкой и имел 8 Кбайт кэш-памяти. Кэш-память используется для того, чтобы держать наиболее часто используемые слова внутри центрального процессора и избегать длительного доступа к основной (оперативной) памяти. Иногда кэш-память находится не внутри центрального процессора, а рядом с ним. 80486 содержал встроенные средства поддержки многопроцессорного режима, что давало производителям возможность конструировать системы с несколькими процессорами.

В этот момент Intel, проиграв судебную тяжбу по поводу нарушения правил наименования товаров, выяснила, что номера (например, 80486) не могут быть торговой маркой, поэтому следующее поколение компьютеров получило название Pentium (от греческого слова ЛЕУТЕ — пять). В отличие от 80486, у которого был один внутренний конвейер, Pentium имел два, что позволяло работать ему почти в два раза быстрее (конвейеры мы рассмотрим подробно в главе 2).

Когда появилось следующее поколение компьютеров, те, кто рассчитывал на название Sexium (sex по-латыни — шесть), были разочарованы. Название Pentium стало так хорошо известно, что его решили оставить, и новую микросхему назвали Pentium Pro. Несмотря на столь незначительное изменение названия, этот процессор очень сильно отличался от предыдущего. У него была совершенно другая внутренняя организация, и он мог выполнять до пяти команд одновременно.

Еще одно нововведение у Pentium Pro — двухуровневая кэш-память. Процессор содержал 8 Кбайт памяти для часто используемых команд и еще 8 Кбайт для часто используемых данных. В корпусе Pentium Pro рядом с процессором (но не на самой микросхеме) находилась другая кэш-память в 256 Кбайт.

Вслед за Pentium Pro появился процессор Pentium II, по существу такой же, как и его предшественник, но с особой системой команд для мультимедиа-задач (ММХ — multimedia extensions). Эта система команд предназначалась для ускорения вычислений, необходимых при воспроизведении изображения и звука. При наличии ММХ специальные сопроцессоры были не нужны. Данные команды имелись в наличии и в более поздних версиях Pentium, но их не было в Pentium Pro.

Таким образом, компьютер Pentium II сочетал в себе функции Pentium Pro с мультимедиа-командами.

В начале 1998 года Intel запустил новую линию продукции под названием Celeron. Celeron имел меньшую производительность, чем Pentium II, но зато стоилдешевле. Поскольку у компьютера Celeron такая же архитектура, как у Pentium II, мы не будем обсуждать его в этой книге. В июне 1998 года компания Intel выпустила специальную версию Pentium II — Хеоп. Он имел кэш-память большего объема, его внутренняя шина работала быстрее, были усовершенствованы средства поддержки многопроцессорного режима, но во всем остальном он остался обычным Pentium II, поэтому мы его тоже не будем обсуждать. Компьютеры семейства Intel показаны в табл. 1.4.

Все микросхемы Intel совместимы со своими предшественниками вплоть до

процессора 8086. Другими словами, Pentium II может выполнять программы, написанные для процессора 80861. Совместимость всегда была одним из главных требований при разработке новых компьютеров, чтобы покупатели могли продолжать работать со старым программным обеспечением и не тратить деньги на новое. Конечно, Pentium II во много раз сложнее, чем 8086, поэтому он может выполнять многие функции, которые не способен выполнять процессор 8086. Все эти постепенные доработки в каждой новой версии привели к тому, что архитектура Pentium II не так проста, как могла бы быть, если бы разработчикам процессора Pentium II предоставили 7,5 млн транзисторов и команд, чтобы начать все заново.

Интересно, что хотя закон Мура раньше ассоциировался с числом битов в памяти компьютера, он в равной степени применим и по отношению к процессорам.

Если напротив даты выпуска каждой микросхемы поставить число транзисторов на этой микросхеме (количество транзисторов показано в табл. 1.4), мы увидим, что закон Мура действует и здесь. График показан на рис.1.7.

UltraSPARC II

В 70-х годах во многих университетах была очень популярна операционная система UNIX, но персональные компьютеры не подходили для этой операционной системы, поэтому любителям UNIX приходилось работать на мини-компьютерах с разделением времени, таких как PDP-11 и VAX. Энди Бехтольсхайм, аспирант Стэнфордского университета, был очень расстроен тем, что ему нужно посещать компьютерный центр, чтобы работать с UNIX. В 1981 году он разрешил эту проблему, самостоятельно построив персональную рабочую станцию UNIX из стандартных частей, имеющихся в продаже, и назвал ее SUN-1 (Stanford University Network – сеть Стэнфордского университета).

На Бехтольсхайма скоро обратил внимание Винод Косла, 27-летний индиец, который горел желанием годам к тридцати стать миллионером и уйти от дел. Косла предложил Бехтольсхайму организовать компанию по производству рабочих станций Sun. Он нанял Скота Мак-Нили, другого аспиранта Стэнфордского университета, чтобы тот возглавил производство. Для написания программного обеспечения они наняли Билла Джоя, главного создателя системы UNIX. В 1982 году они вчетвером основали компанию Sun Microsystems. Первый компьютер компании, Sun-1, был оснащен процессором Motorola 68020 и имел большой успех, как и последующие модели Sun-2 и Sun-З, которые также были сконструированы с использованием микропроцессоров Motorola. Эти машины были гораздо мощнее, чем другие персональные компьютеры того времени (отсюда и название «рабочая станция»), и изначально были предназначены для работы в сети. Каждая рабочая станция Sun была оснащена сетевым адаптером Ethernet и программным обеспечением TCP/IP для связи с сетью ARPANET, предшественницей Интернета.

В 1987 году компания Sun, которая к тому времени продавала рабочих станций на полмиллиарда долларов в год, решила разработать свой собственный процессор, основанный на новом революционном проекте калифорнийского университета в Беркли (RISC II). Этот процессор назывался SPARC (Scalable ProcessorARCitecture — наращиваемая архитектура процессора). Он был использован при производстве рабочей станции Sun-4. Через некоторое время все рабочие станции компании Sun стали производиться на основе этого процессора.

В отличие от многих других компьютерных компаний, Sun решила не заниматься производством процессоров SPARC. Вместо этого она предоставила патент на их изготовление нескольким предприятиям, надеясь, что конкуренция между ними повлечет за собой повышение качества продукции и снижение цен. Эти предприятия выпустили несколько разных микросхем, основанных на разных технологиях, работающих с разной скоростью и отличающихся друг от друга по стоимости.

Микросхемы назывались MicroSPARC, HyperSPARK, SuperSPARK и TurboSPARK. Мало чем отличаясь друг от друга, все они были совместимы и могли выполнять одни и те же программы, которые не приходилось изменять.

Компания Sun всегда хотела, чтобы разные предприятия поставляли для SPARK составные части и системы. Нужно было построить целую индустрию, только в этом случае можно было конкурировать с компанией Intel, лидирующей на рынке персональных компьютеров. Чтобы завоевать доверие компаний, которые были заинтересованы в производстве процессоров SPARC, но не хотели вкладывать средства в продукцию, которую будет подавлять Intel, компания Sun создала промышленный консорциум SPARC International для руководства развитием будущих версий архитектуры SPARC. Важно различать архитектуру SPARC, которая представляет собой набор команд, и собственно выполнение этих команд. В этой книге мы будем говорить и об общей архитектуре SPARC, и о процессоре, используемом в рабочей станции SPARC (предварительно обсудив процессоры в третьей и четвертой главах).

Первый SPARC был 32-битным и работал с частотой 36 МГц. Центральный процессор назывался Ш (Integer Unit — процессор целочисленной арифметики) и был весьма посредственным. У него было только три основных формата команд и в общей сложности всего 55 команд. С появлением процессора с плавающей точкой добавилось еще 14 команд. Отметим, что компания Intel начала с 8- и 16-битных микросхем (модели 8088, 8086, 80286), а уже потом перешла на 32-битные (модель 80386), a Sun, в отличие от Intel, сразу начала с 32-битных.

Грандиозный перелом в развитии SPARC произошел в 1995 году, когда была разработана 64-битная версия (версия 9) с адресами и регистрами по 64 бит. Первой рабочей станцией с такой архитектурой стал UltraSPARC I, вышедший в свет в 1995 году. Он был полностью совместим с 32-битными версиями SPARC, хотя сам был 64-битным.

В то время как предыдущие машины работали с символьными и числовыми данными, UltraSPARC с самого начала был предназначен для работы с изображениями, аудио, видео и мультимедиа вообще. Среди нововведений, помимо 64-битной архитектуры, появились 23 новые команды, в том числе команды для упаковки и распаковки пикселов из 64-битных слов, масштабирования и вращения изображений, перемещения блоков, а также для компрессии и декомпрессии видео в реальном времени. Эти команды назывались VIS (Visual Instruction Set) и предназначались для поддержки мультимедиа. Они были аналогичны командам ММХ.

UltraSPARC предназначался для web-серверов с десятками процессоров и физической памятью до 2 Тбайт (терабайт, 1Тбайт = 1012 байтов). Тем не менее некоторые версии UltraSPARC могут использоваться и в ноутбуках.

За UltraSPARC I последовали UltraSPARC II и UltraSPARC III. Эти модели отличались друг от друга по скорости, и у каждой из них появлялись какие-то новые особенности. Когда мы будем говорить об архитектуре SPARC, мы будем иметь в виду 64-битную версию компьютера UltraSPARC II (версии 9).

PicoJava II

Язык программирования С придумал один из работников компании Bell Laboratories Деннис Ритчи. Этот язык предназначался для работы в операционной системе UNIX. Из-за большой популярности UNIX С скоро стал доминирующим языком в системном программировании. Через несколько лет Бьярн Строуструп, тоже из компании Bell Laboratories, добавил к С некоторые особенности из объектно-ориентированного программирования, и появился язык C++, который также стал очень

популярным.

В середине 90-х годов исследователи в Sun Microsystems думали, как сделать

так, чтобы пользователи могли вызывать двоичные программы через Интернет и загружать их как часть web-страниц. Им нравился C++, но он не был надежным в том смысле, что программа, посланная на некоторый компьютер, могла причинить ущерб этому компьютеру. Тогда они решили на основе C++ создать новый язык программирования Java, с которым не было бы подобных проблем. Java - объектно-ориентированный язык, который применяется при решении различных прикладных задач. Поскольку этот язык прост и популярен, мы будем использовать его для примеров.

Поскольку Java — всего лишь язык программирования, можно написать компилятор, который будет преобразовывать его для Pentium, SPARC или любого другого компьютера. Такие компиляторы существуют. Однако этот язык был создан в первую очередь для того, чтобы пересылать программы между компьютерами по Интернету и чтобы пользователям не приходилось изменять их. Но если программа на языке Java компилировалась для SPARC, то когда она пересылалась по Интернету на Pentium, запустить там эту программу было уже нельзя.

Чтобы разрешить эту проблему, компания Sun придумала новую виртуальную машину JVM ( J a v a Virtual Machine — виртуальная машина Java). Память у этой машины состояла из 32-битных слов, машина поддерживала 226 команд. Большинство команд были простыми, но выполнение некоторых довольно сложных команд требовало большого количества циклов обращения к памяти.

В компании Sun разработали компилятор, преобразующий программы на языке Java на уровень JVM, и интерпретатор JVM для выполнения этих программ.

Этот интерпретатор был написан на языке С и, значит, мог использоваться практически на любом компьютере. Следовательно, чтобы компьютер мог выполнять двоичные программы на языке Java, нужно было всего лишь достать интерпретатор JVM для соответствующего компьютера (например, для Pentium II с системой Windows 98 или для SPARC с системой UNIX) вместе с определенными программами поддержки и библиотеками. Кроме того, большинство браузеров в Интернете содержат интерпретатор JVM, что позволяет легко запускать апплеты (небольшие двоичные программы на Java, связанные со страницами World Wide Web).

Большинство этих апплетов поддерживают