Компьютер с нуля

Интегральные микросхемы — это

Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.

В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробовать их объединить на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.

Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова.

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов — эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).

Идея устройства интегральной схемы

Идея устройства микросхемы состояла в том, чтобы взять полную схему со всеми многочисленными электронными компонентами и связями, с последующим воссозданием в микроскопической форме на поверхности куска кремния. Благодаря этой идее появились всевозможные виды «микроэлектронных» гаджетов, которые сейчас воспринимаются как должное:

• цифровые часы,
• карманные калькуляторы,
• космические ракеты,
• спутниковая навигация и многое другое.

Интегральные схемы произвели настоящую революцию в электронике и вычислительной технике в период 1960 — 1970-х годов. Постепенно интегральные схемы модернизировались, что сопровождалось увеличением масштабов интеграции электронных компонентов при сохранении (и даже уменьшении) малых габаритных размеров:

• Маломасштабная интеграция (SSI)
• Среднемасштабная интеграция (MSI)
• Крупномасштабная интеграция (LSI)
• Очень крупномасштабная интеграция (VLSI)
• Ультра крупномасштабная интеграция (ULSI)

Первый период (1945–1955 гг.)

Мы начнем исследование развития компьютерных комплексов с появления электронных вычислительных систем (опуская историю механических и электромеханических устройств). Первые шаги в области разработки электронных вычислительных машин были предприняты в конце Второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства и появился принцип программы, хранящейся в памяти машины (John Von Neumann, июнь 1945 г.).

В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не регулярное использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Об операционных системах не было и речи, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. За пультом мог находиться только один пользователь.

Программа загружалась в память машины в лучшем случае с колоды перфокарт, а обычно с помощью панели переключателей. Вычислительная система выполняла одновременно только одну операцию (ввод-вывод или собственно вычисления). Отладка программ велась с пульта управления с помощью изучения состояния памяти и регистров машины.

В конце этого периода появляется первое системное программное обеспечение: в 1951–1952 гг. возникают прообразы первых компиляторов с символических языков (Fortran и др.), а в 1954 г. Nat Rochester разрабатывает Ассемблер для IBM-701.

Существенная часть времени уходила на подготовку запуска программы, а сами программы выполнялись строго последовательно. Такой режим работы называется последовательной обработкой данных .

В целом первый период характеризуется крайне высокой стоимостью вычислительных систем, их малым количеством и низкой эффективностью использования.

История развития компьютерной техники

Потребность в хранении, преобразовании и передачи информации у человека появилась значительно раньше, чем был создан телеграфный аппарат, первая телефонная станция и электронная вычислительная машина (ЭВМ). Фактически весь опыт, все знания, накопленные человечеством, так или иначе, способствовали появлению вычислительной техники. История создания ЭВМ — общее название электронных машин для выполнения вычислений — начинается далеко в прошлом и связана с развитием практически всех сторон жизни и деятельности человека. Сколько существует человеческая цивилизация, столько времени используется определенная автоматизация вычислений.

История развития компьютерной техники насчитывает около пяти десятилетий. За это время сменилось несколько поколений ЭВМ. Каждое следующее поколение отличалось новыми элементами (электронные лампы, транзисторы, интегральные схемы), технология изготовления которых была принципиально иной. В настоящее время существует общепринятая классификация поколений ЭВМ:

• Первое поколение (1946 — начало 50-х гг.). Элементная база — электронные лампы. ЭВМ отличались большими габаритами, большим потреблением энергии, малым быстродействием, низкой надежностью, программированием в кодах.
• Второе поколение (конец 50-х — начало 60-х гг.). Элементная база — полупроводниковые элементы. Улучшились по сравнению с ЭВМ предыдущего поколения практически все технические характеристики. Для программирования используются алгоритмические языки.
• 3-е поколение (конец 60-х — конец 70-х). Элементная база — интегральные схемы, многослойный печатный монтаж. Резкое снижение габаритов ЭВМ, повышение их надежности, увеличение производительности. Доступ с удаленных терминалов.
• Четвёртое поколение (с середины 70-х — конец 80-х). Элементная база — микропроцессоры, большие интегральные схемы. Улучшились технические характеристики. Массовый выпуск персональных компьютеров. Направления развития: мощные многопроцессорные вычислительные системы с высокой производительностью, создание дешевых микроЭВМ.
• Пятое поколение (с середины 80-х гг.). Началась разработка интеллектуальных компьютеров, которая пока не увенчалась успехом. Внедрение во все сферы компьютерных сетей и их объединение, использование распределенной обработки данных, повсеместное применение компьютерных информационных технологий.

Вместе со сменой поколений ЭВМ менялся и характер их использования. Если сначала они создавались и использовались в основном для решения вычислительных задач, то в дальнейшем сфера их применения расширилась. Сюда можно отнести обработку информации, автоматизацию управления производственно-технологическими и научными процессами и многое другое.

ЭВМ третьего поколения

Третье поколение ЭВМ создавалось на новой элементной базе – интегральных схемах (ИС).

ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. Немного позднее появились машины серии IBM-370.

В Советском Союзе в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ) по образцу IBM 360/370. Скорость работы наиболее мощных моделей ЭВМ достигла уже нескольких миллионов операций в секунду. На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств – магнитные диски.

Успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электрических элементов.

В 1971 году американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора. Это событие стало революционным в электронике.

Микропроцессор – это миниатюрный мозг, работающий по программе, заложенной в его память.

Соединив микропроцессор с устройствами ввода-вывода и внешней памяти, получили новый тип компьютера: микро-ЭВМ.

Технологические особенности первого поколения ЭВМ

Собственно, исходя из каких критерий определяется первое поколение развития ЭВМ? Таковым IT-специалисты считают, прежде всего, компонентную базу в виде вакуумных ламп. Машины первого поколения к тому же обладали рядом характерных внешних признаков – огромный размер, очень большое энергопотребление.

Вычислительная их мощность также была относительно скромна, она составляла несколько тысяч герц. Вместе с тем ЭВМ первого поколения содержали многое, что есть в современных компьютерах. В частности, это машинный код, позволяющий программировать команды, а также запись данных в память (с помощью перфокарт и электростатических трубок).

ЭВМ первого поколения требовали высочайшей квалификации человека, их использующего. Требовалось не только владение профильными навыками (выражающимися в работе с перфокартами, знании машинного кода и т.д.), но, как правило, также и инженерные знания в области электроники.

В ЭВМ первого поколения, как мы уже сказали, уже была оперативная память. Правда, ее объем был исключительно скромным, он выражался в сотнях, в лучшем случае – в тысячах байт. Первые модули ОЗУ для ЭВМ с трудом можно было классифицировать как электронный компонент. Они представляли собой наполненные ртутью емкости в виде трубок. Кристаллы памяти фиксировались на определенных их участках, и тем самым данные сохранялись. Однако достаточно скоро после изобретения первых ЭВМ появилась более совершенная память на базе ферритовых сердечников.

КР580ВМ80А

Пожалуй, не найдется ни одного радиолюбителя старше 30-35 лет, который бы не слышал об этом легендарном микропроцессоре. Фактически ВМ80А — это клон американского процессора Intel 8080A 1974 года. Выпускался с 1977 года (оригинал — с 1974). Первое название на отечественном рынке — КР580ИК80, но в ходе масштабного изменения системы обозначений микросхем в СССР получил свое «привычное» имя.

Источник: auction.ru

Отличия от своего американского собрата у процессора минимальны.

Источник: commons.wikimedia.org

Кратко о технических характеристиках:

тактовая частота — 2,5МГц (максимальная гарантированная, но не предельная, если исходить из практики);

самый распространенный формат — DIP40, но существовала и ранняя планарная версия с 48 контактами;

шина адреса — 16 бит, до 64кБ оперативной памяти;

шина данных — 8 бит;

содержит 80 инструкций.

Разработан этот процессор был Киевским НИИ микроприборов под руководством А.В. Кобылинского. В поддержку процессора также был выпущен полноценный комплект дополнительных микросхем-аналогов серии Intel 82xx, среди которых КР580ВГ75 (контроллер дисплея), КР580ВИ53 (таймер-счетчик, который также использовался в качестве музыкального «сопроцессора»).

В силу ряда исторических причин самостоятельного развития на территории нашей страны этот процессор не получил. Не имеющий аналогов в мире чип КР580ВМ1, выпущенный заводом «Квазар», содержал некоторые существенные улучшения, однако производился в ограниченном количестве.

Источник: phantom.sannata.org

Сейчас этот процессор встречается лишь на сайтах для коллекционеров и стоит весьма ощутимых денег.

Теперь же обратимся к двум популярным компьютерам, построенным на базе процессора КР580ВМ80А.

«Радио-86РК»

Схема этого памятного для многих радиолюбителей компьютера впервые была опубликована в 1986 году, в журнале «Радио» №4-6. Авторами цикла статей числятся Д. Горшков, Г. Зеленко, Ю. Озеров, С. Попов. «86РК» (или «РК-86», как его иногда называют) позиционировался в качестве самодельного устройства, собрать которое в состоянии даже подросток, хотя бы раз державший в руках паяльник. Правда, добыть некоторые запчасти порой было весьма непросто.

Классическое исполнение самодельного «Радио-86РК», источник: https://habr.com/ru/post/172405/

К слову, «Радио-86РК» является прямым потомком компьютера «Микро-80». Сам же «Микро-80» ввиду сложности сборки и большого (ок. 200 против 29 в «РК») количества микросхем популярности не снискал.

«Микро-80» и самодельная клавиатура. Внушает уважение. Источник: http://zxbyte.ru

Характерная особенность компьютера — отсутствие графического режима и цветовой палитры. Однако читатели буквально заваливали редакцию «Радио» письмами с предложениями доработок и улучшений компьютера. Самые полезные и удачные идеи публиковались на страницах журнала в виде описаний и даже схем.

Пятичасовой стрим-демонстрация работы «Радио-86РК» с массой интересных доработок:

Классический «86РК» имел на борту 16-32кБ оперативной памяти, однобитный бипер-пищалку и два ПЗУ: первая — с программой «Монитор», вторая — с набором символов. Чтобы запрограммировать компьютер, сборщику требовался «ручной» программатор: микросхема ПЗУ вставлялась в панельку, а человек методично вводил данные с помощью кнопок, сверяясь с журналом. В котором, к слову, далеко не всегда печатались корректные прошивки. А если ошибка была допущена в процессе работы, микросхему приходилось стирать с помощью УФ-лампы.

Один из вариантов программатора. Источник: http://kazus.ru/

Загрузка программ в компьютер осуществлялась через магнитофонный вход и (при внесении ряда доработок) через дисковод. Соответствующие модули расширения производились непосредственно авторами компьютера, и их можно было купить прямо в редакции «Радио» или у фирм-посредников.

Современная реализация компьютера, на 99% соответствующая оригинальной схеме. Источник: https://ruecm.forum2x2.ru/t986-topic

Несмотря на массу ограничений и лишений, «РК» был полноценным компьютером: на нем можно было программировать, «прошивать» микросхемы с помощью самосборного программатора, играть в игры, слушать музыку — словом, делать всё то, к чему мы привыкли на наших современных машинах. Конечно же, для полноценной «офисной» работы компьютер не годился. Но и не для предприятий он делался, так что здесь все в порядке.

Существовала также коммерческая «доработка компьютера до цвета». Однако компания, производившая софт (преимущественно игровой) для этой версии компьютера, в середине-конце 1990-х годов разорилась, унеся с собой около 3-х десятков уникальных программ. Найти их сейчас не представляется возможным.

Современные клоны «Радио-86РК» «научились» работать в цвете, проигрывать музыку на популярном музыкальном чипе AY-3-8910 и «грузиться» с SD-карты или HDD.

К 1987 году началось промышленное производство «Радио-86РК» и его более продвинутых клонов: «Микроши», «Апогея», «Партнера», «Спектра» и прочих. Кроме того, в СССР были разработаны также 2 производных ПК: «Юниор ФВ-6506» и довольно-таки продвинутый «Электроника КР-04».

Прочие компьютеры на базе КР580ВМ80А, конструктивно превосходящие или принципиально отличающиеся от «Радио-86РК»:

Текстовый компьютер «ЮТ88» (1989, схема опубликована в журнале «Левша»);

«Орион» и его модификации;

А мы будем двигаться дальше. И на очереди у нас едва ли не самый интересный и самобытный компьютер советской эпохи.

«Вектор-06Ц»

Одна из версий «Вектора» с характерными заводскими кабелями. Источник: chipwiki.ru

История рождения этого интересного и по-настоящему самобытного компьютера весьма непроста. Он прошел путь от наброска на салфетке до промышленного производства и едва не был похоронен бюрократическими органами. Наиболее полную и интересную версию истории «Вектора» вы можете узнать на YouTube-канале главного «летописца» Вектора-06Ц Lafromm31. Неплохое текстовое изложение истории доступно здесь.

Компьютер был разработан в Кишиневе в середине 1980- годов. Авторство проекта принадлежит двум инженерам ПО «Счетмаш», Донату Темиразову и Александру Соколову.

64КБ оперативной памяти (1/10 от той, что «хватит всем»);

Тактовая частота процессора повышена до 3 МГЦ, однако некоторые команды выполнялись существенно медленнее, чем могли бы;

Трехканальный звук на базе микросхемы КР580ВИ53 (микросхема-таймер, которая была применена в компьютере по причинам дешевизны и отсутствия доступных промышленных аналогов);

Ввод данных через магнитофонный вход (также существовали устройства-комбодевайсы, позволяющие подключать HDD, FDD, квази-диск и AY-3-8910 для проигрывания музыки);

Аппаратный вертикальный скроллинг;

Три режима видео с поддержкой до 16 одновременно отображаемых цветов из палитры 256;

Отсутствие как такового аппаратного «текстового» режима.

Для наглядности приведем несколько скриншотов с «Вектора-06Ц».

Источник: https://www.old-games.ru/forum/attachments/1cf025898efee44263f84c271ac233ce-png.38960/ Источник: https://1.bp.blogspot.com/-ydRKsSgrcqM/X0QPqQarwcI/AAAAAAAABXg/4cKo4b_e4lkinAU-SoCOHI24QGqrll9_gCLcBGAsYHQ/s765/qas2.png Источник: https://img.youtube.com/vi/6lsslkj-_js/0.jpg Источник: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4d/Vector-06C_Ambal.jpg

Для любителей ZX Spectrum-совместимых компьютеров кое-что в «Векторе» может стать неожиданностью, а именно отсутствие «Бейсика» в штатной прошивке. Компьютер «стартовал» сразу же готовым к загрузке с кассеты. Посмотрите на снимок ниже: каждый столбик — это ячейка памяти. По мере загрузки с кассеты столбики заполнялись.

Источник: http://sensi.org/~svo/verilog/palencoder/images/dfpxhpz9_53hn42b6fm_b.jpg

На сегодняшний день «Вектор-06Ц» — редкий и весьма дорогой гость в коллекциях любителей ретро. Причина тому — высокое содержание драгметаллов в компьютере. Это и позолоченные разъемы, и «дорогие» конденсаторы. Подавляющее большинство «Векторов», которые можно найти на онлайн-аукционах, либо перепаяны на менее «дефицитные» компоненты, либо пали жертвой варваров с бокорезами.

А вот с клавиатурой «Вектора» были сложности. Выпускались 2 варианта клавиатур, на герконах и «емкостные».

Герконовые варианты были на порядок удобнее своих емкостных конкурентов (на самом деле, нажатие на клавишу перемыкало две половинки «пятаков»), однако сейчас почти не встречаются. А поролон, который вкупе с пружинкой обеспечивал упругое нажатие на емкостных клавиатурах, имел тенденцию рассыпаться, в связи с чем его приходилось регулярно менять.

Герконовая клавиатура, источник: http://images.vfl.ru/ii/1541959612/4e59d89f/24153437_m.jpg Плата емкостной клавиатуры, источник: http://images.vfl.ru/ii/1541959612/4e59d89f/24153437_m.jpg

Компьютер производился с 1987 по начало 1990-х годов. Постепенно был вытеснен IBM-совместимыми машинами и (локально) клонами ZX-Spectrum.

Всем, кто не знаком с этим замечательным компьютером, настоятельно рекомендуем посмотреть обзоры на уже упомянутом выше канале.

Разумеется, только «Вектором» и «РК» применение процессора ВМ80А в нашей стране не ограничивается.

Другими интересными образчиками машин на базе ВМ80А являются шахматный компьютер «Интеллект-2», печатная машинка «ПЭЛК-3110 Элема», музыкальные синтезаторы (например, «Форманта»), игровые автоматы («ТИА-МЦ-1»), различные периферийные устройства (принтеры, УВВПЧ) и даже телефоны с АОН. Но что касается последних — здесь правил бал совершенно другой процессор, о котором речь пойдет далее.