Hlavní navigace

Čtyřicet let existence oslavované i nenáviděné platformy PC

11. 3. 2021
Doba čtení: 41 minut

Sdílet

 Autor: Depositphotos
Další kulaté výročí slaví samotná platforma PC. Ta vznikla již v roce 1981 a sérií mnoha mnohdy až nepochopitelných skoků přežila až dodnes. Dokonce i v moderních PC nalezneme stopy prehistorického designu založeného na čipu 8088.

Obsah

1. Čtyřicet let existence oslavované i nenáviděné platformy PC

2. První generace sálových počítačů společnosti IBM

3. Druhá generace – vítězství polovodičových tranzistorů

4. Pořádek ve vlastních řadách prezentovaný jako výhoda pro zákazníka: počítače řady System/360

5. Od mainframů k minipočítačům

6. Minipočítače PDP

7. Od elektronek přes tranzistory až po integrované obvody

8. Vznik mikroprocesoru – příležitost pro malé firmy a současně i cesta ke komodizaci hardware

9. Sběrnice S-100

10. Trinity (1977)

11. První úspěšný (nejenom) kancelářský mikropočítač: Apple II

12. Všechny podmínky jsou splněny: udělejme tedy konečně PC!

13. Vznik koncepce IBM PC

14. 8088: výkonově omezený a neinovativní čip, který dostal společnost Intel do Fortune 500

15. IBM PC 5160 aneb slavné PC XT

16. Pokus o redefinici PC a slavné propadáky

17. Sběrnice ISA

18. Lokální sběrnice VESA Local Bus

19. Vývoj grafických karet na osobních počítačích IBM PC

20. Odkazy na Internetu

1. Čtyřicet let existence oslavované i nenáviděné platformy PC

Letos, již za několik měsíců, uplyne čtyřicet let od vzniku oslavované i nenáviděné platformy PC. Skutečně – první IBM PC začalo být nabízeno již v roce 1981. Platformě osobních počítačů (PC) sice můžeme po architektonické stránce, výběru mikroprocesoru, výběru operačního systému atd. mnohé vytknout, ale právě tato platforma se ukázala být tou nejvíce životaschopnou, a to zejména díky tomu, že se na jejím dalším vývoji a rozšiřování podílelo velké množství firem (z nichž mnohé – což je typické – už neexistují); a to dokonce firem čistě softwarových. Pro samotnou společnost IBM se navíc jednalo o vstup do nových segmentů trhu; zcela odlišných od segmentu s mainframy (mnozí další „dinosaurové IT“ tento krok již nestihli učinit). A velkou vzpruhu znamenalo PC i pro společnost Intel a později pro další firmy, které byly schopny dodávat čipy kompatibilní s řadou 8086.

Obrázek 1: Tabulkový procesor VisiCalc spuštěný v DOSu (resp. přesněji řečeno v jeho emulátoru). Jednalo se o jednu z takzvaných „killer application“ pro PC.

S mnoha informacemi, které jsou shrnuty v dnešním článku, jsme se již ve skutečnosti na stránkách Rootu setkali, ovšem v naprosté většině případů v jiném kontextu. Samotný vznik IBM PC je výsledkem dlouhodobého vývoje na poli výpočetní techniky, a to nejenom samotného hardware, takže některé události popisované v dnešním článku jsou 70 let staré (tedy mnohem starší než samotné IBM PC). Současně se ovšem nejedná o historii psanou pouze společností IBM. Dokonce by se dalo říci, že je to přesně naopak – IBM udělala na poli IBM PC (později „jen“ PC) „první výkop“, ovšem poté byl vývoj řízen mnoha dalšími firmami, popř. jejich konsorcii (VESA atd.), a to navzdory snaze IBM o redefinice samotného konceptu PC (příkladem může být řada PS/2 atd.).

Obrázek 2: Další killer app pro platformu PC: slavný tabulkový kalkulátor Lotus 1–2–3 s charakteristickým řádkovým menu.

2. První generace sálových počítačů společnosti IBM

Společnost IBM se začala vývojem a posléze i výrobou (elektronických) sálových počítačů zabývat na počátku padesátých let minulého století, tedy v době, kdy se jednalo o „zaběhanou“ firmu (IBM vznikla v roce 1911 pod jménem Computing-Tabulating-Recording Company, na IBM se přejmenovala v roce 1924). Již v roce 1952 byl představen první elektronický sálový počítač nesoucí označení IBM 701. Jednalo se o počítač, ve kterém byly jednotlivé logické členy sestavené z elektronek a pasivních elektronických součástek (rezistorů, kondenzátorů, cívek), což mělo samozřejmě vliv jak na velikost celého počítače, tak i na jeho vysokou cenu, nemluvě o spotřebě elektrické energie a nepřímo taktéž o spolehlivosti. Právě od velikosti elektronkových počítačů se odvozuje jak jejich český název – sálové počítače –, tak i název anglický – mainframe –, protože jednotlivé moduly těchto počítačů bývaly umístěny ve velkých kovových rámech (frame).

ibm01

Obrázek 3: Elektronky byly v prvních sálových počítačích firmy IBM použity pro konstrukci kombinačních i sekvenčních logických obvodů.

Vzhledem k tomu, že dnes má termín mainframe již poněkud odlišný význam (nehledě na to, že například celý počítač System/360 by bylo dnes možné umístit na jediný čip), budeme se v tomto článku držet spíše termínu sálový počítač, který poměrně přesně vystihuje dojem, jakým musely tyto stroje působit na své okolí (pokud už někdo dostal povolení navštívit klimatizované výpočetní centrum). Vraťme se však k firmě IBM. O necelé desetiletí později, tj. na přelomu padesátých a šedesátých let, začaly být elektronkové počítače postupně nahrazovány počítači, jejichž procesorová jednotka byla složena z tranzistorů a pasivních elektronických součástek. Použití tranzistorů umožnilo vznik výkonnějších počítačů, které díky tomu dokázaly řešit i složitější úlohy, popř. stejné úlohy, ale za cenu menších finančních výdajů (spotřebovala se menší kvanta strojového času). Současně se měnily i technologie operačních pamětí. Původní katodové trubice, jejichž princip si vysvětlíme později, byly nahrazeny nejprve paměťmi s feritovými jádry a posléze polovodičovými paměťovými moduly.

ibm02

Obrázek 4: Nažhavené elektronky – katody elektronek musely být zahřáty na dostatečně vysokou teplotu, aby z nich vyletovaly elektrony zachycované anodou (či anodami). Elektrony při svém letu musely většinou projít několika mřížkami, přičemž počet mřížek určoval typ elektronky (žádná mřížka – dioda, jedna mřížka – trioda, tři mřížky – pentoda atd.).

První generace sálových počítačů firmy IBM byla označována tříciferným kódem začínajícím na sedmičku. Celkem se vyrábělo pět typů počítačů této generace – IBM 701, IBM 702, IBM 704, IBM 705 a IBM 709. Číselné označení těchto počítačů respektuje i posloupnost jejich vzniku (rok vzniku počítače), což u dalších řad již není vždy splněno. Procesor (resp. přesněji řečeno centrální procesorová jednotka) těchto počítačů byl sestaven z elektronek a pasivních elektronických součástek. Operační paměť se u modelů 701 a 702 skládala z katodových trubic a u dalších třech modelů pak z magnetické paměti vytvořené ze sítě feritových jader navlečených na adresové a čtecí/zápisové vodiče. Dva modely těchto počítačů byly určeny pro hromadné zpracování dat (tomu byla uzpůsobena především instrukční sada), další dva modely byly optimalizovány spíše pro vědeckotechnické výpočty – viz tabulka zobrazená pod tímto odstavcem.

Model Určení Rok výroby
701 první elektronický počítač firmy IBM 1952
702 hromadné zpracování dat 1953
704 vědeckotechnické výpočty 1954
705 hromadné zpracování dat 1954
709 vědeckotechnické výpočty 1958
ibm03

Obrázek 5: Feritová paměť, která nahradila složitou a drahou paměť vytvořenou s využitím katodových (Williamsových) trubic. Předností feritové paměti je poměrně dlouhá doba udržení zapsané informace, takže obsah paměti většinou úspěšně přestál i pád systému – nebylo zapotřebí implementovat core-dump :-), protože celý „dump“ paměti už v „core(s)“ uložen byl.

I přes značné rozdíly v instrukční sadě i struktuře procesorů byla periferní zařízení pro všechny zmíněné modely počítačů víceméně shodná, což znamená, že se tyto počítače od sebe odlišovaly především instrukční sadou a strukturou procesorové jednotky, tj. počtem a typem pracovních registrů, typem zpracovávaných operandů (celočíselné či reálné hodnoty × řetězce), formátem instrukcí, formátem údajů ukládaných do paměti atd., ale jednotky pro čtení i zápis (děrování) dat na děrné štítky, magnetické pásky či bubnové paměti byly shodné a vzájemně zaměnitelné, stejně jako další typy zařízení, například tiskárny. Některé z těchto zařízení ostatně pocházely z dob minulých – firma IBM je používala například ve specializovaných systémech určených pro vedení účetnictví či zpracování statistických údajů. Zajímavé bylo, že tyto systémy byly dodávány bez přidaných utilit, teprve později začala firma IBM dodávat překladače jazyka Fortran a Cobol.

ibm04

Obrázek 6: Bubnová paměť je předchůdcem dnešních pevných disků. Na rozdíl od nich se pro každou stopu využívala samostatná sada čtecích a zápisových hlav, což zjednodušilo konstrukci paměti (nemusel se implementovat mechanismus pro vystavení hlav) a umožnilo paralelní zápis/čtení ze všech stop současně. Kvůli poměrně malému množství stop však byla kapacita bubnové paměti malá, nehledě na větší problémy s výrobou přesného bubnu (v porovnání s plotnami disků).

3. Druhá generace – vítězství polovodičových tranzistorů

„Nebudeme vyrábět polovodiče, počkáme si až na celovodiče“
Tradovaný (ale asi ne vážně doložený) výrok československého ministra těžkého strojírenství, pod něhož spadal i elektrotechnický průmysl.

„Tranzistory se vyrábět nebudou, protože je nikdo nepotřebuje“
Doložený výrok jednoho z vedoucích představitelů elektrotechniky v padesátých letech (ČSSR).

Druhá generace sálových počítačů navržených a vyráběných společností IBM, jejíž modely jsou označovány čtyřciferným kódem začínajícím opět na sedmičku, se od první generace odlišovala především v použití odlišné technologie elektronických součástek – namísto rozměrných a poruchových elektronek s velkou spotřebou elektrické energie se zde konečně objevují polovodičové tranzistory. Rozdělení počítačů podle způsobu jejich použití (vědeckotechnické výpočty, hromadné zpracování dat, účetní operace v dekadické soustavě) však zůstává zachováno – žádný z tehdejších mainframů není skutečně univerzálním počítačem. Některé modely z druhé generace nejsou v podstatě ničím jiným, než počítači první generace s upravenou součástkovou základnou a několika dalšími vylepšeními (příkladem může být model IBM 705, který byl nahrazen modernějším modelem IBM 7080). V následující tabulce jsou vypsány nejvýznamnější modely druhé generace sálových počítačů firmy IBM (vynechány jsou pouze některé méně často prodávané varianty těchto počítačů):

Model Určení Rok výroby (komerční dostupnosti)
7090 vědeckotechnické výpočty 1959
7094 vědeckotechnické výpočty 1962
7094 II vědeckotechnické výpočty 1964
7040 vědeckotechnické výpočty 1963
7044 vědeckotechnické výpočty 1963
7080 hromadné zpracování dat 1961
7010 rozšířená verze IBM 1410 1962
7070 dekadická soustava 1960
7072 dekadická soustava 1962
7074 dekadická soustava 1961
ibm05

Obrázek 7: Sálový počítač první generace IBM-702.

4. Pořádek ve vlastních řadách prezentovaný jako výhoda pro zákazníka: počítače řady System/360

V roce 1964 firma IBM oznámila vznik nové série počítačů pojmenované System/360. Číslo „360“ v názvu této série naznačovalo, že se jedná o univerzální počítače, což znamenalo určitý odklon firmy IBM od návrhu počítačů specializovaných na určitý typ úloh (viz v předchozích dvou kapitolách zmíněné počítače specializované buď na hromadné zpracování dat nebo na provádění vědeckotechnických výpočtů). Celá série System/360 původně zahrnovala šest vzájemně kompatibilních modelů, které se však od sebe odlišovaly jak cenou, tak i výpočetním výkonem. Mezi nejvýkonnějším a nejméně výkonným modelem dosahoval poměr výpočetní rychlosti hodnoty téměř 25:1!

ibm09

Obrázek 8: Sálový počítač System/360 model 40.

Celá série IBM System/360 byla velmi úspěšná a, což je zajímavé – úspěch se dostavil ihned při zahájení prodeje, protože jen za první měsíc si některý z nabízených modelů objednalo téměř 1000 firem, což je s ohledem na rok vzniku poměrně vysoké číslo. Ukončení prodeje těchto počítačů se datuje do roku 1977 (jednalo se o model 195), ale i o mnoho let později byly aplikace naprogramované pro tyto stroje spouštěny například na mainframech série System/370, které svým uživatelům nabízely režim zpětné kompatibility. Aplikace bylo možné psát v mnoha různých programovacích jazycích, například Cobolu, Fortranu, ale také v obskurním, ale o to výkonnějším jazyce APL.

ibm2

Obrázek 9: Jeden z prvních modelů počítače série System/360.

Traduje se, že System/360 vznikl proto, že si jednotlivá komerční oddělení IBM navzájem konkurovala – například jedno oddělení nabídlo zákazníkům levnější počítač i ve chvíli, kdy by se podle požadavků hodil složitější a dražší model (ovšem nabízený oddělením o patro výš), přičemž přechody mezi jednotlivými architekturami nebyly jednoduché ani levné. System/360 tedy byl snahou o to, aby se stále nabízelo široké portfolio produktů, mezi kterým by se však dalo relativně snadno přecházet, například ve chvíli, kdy se daná společnost zvětší a tím pádem se zvýší i její požadavky na IT.

ibm2

Obrázek 10: Jednotky pro ukládání programů a dat na magnetické pásky s možností automatického přetočení na hledaný blok.

5. Od mainframů k minipočítačům

Až do přibližně konce šedesátých let minulého století byla situace na poli počítačů poměrně přehledná. Pokud se soustředíme na západní země, soupeřilo s firmou IBM na poli mainframů neboli sálových počítačů jen několik vážných konkurentů. Konkrétně se jednalo o firmy Borroughs, UNIVAC, NCR, Control Data Corporation (CDC), Honeywell, RCA a General Electric (GE) (všechny tyto firmy měly sídlo v USA, což není náhoda), které byly poněkud posměšně nazývány „sedm trpaslíků“ („seven dwarfs“), protože jejich společný podíl na trhu se sálovými počítači byl menší než podíl samotné firmy IBM (ta měla v roce 1965 podíl na trhu s mainframy větší než 65%). Později, přesněji řečeno po odchodu společností RCA a General Electric z tohoto segmentu trhu se zbylých „pět trpaslíků“ často označovalo zkratkou BUNCH (asi jste již přišli na to, že jde o počáteční písmena názvů těchto firem).

univac

Obrázek 11: Elektronkový počítač UNIVAC-1

Velmi malý počet společností podnikajících v tak prudce se rozvíjejícím období, jako je IT, naznačuje, že vstup na tento trh – tedy na trh s mainframy – nebyl vůbec jednoduchý. Z dnešního „startupářského“ pohledu byly vstupní náklady obrovské, protože se týkaly nejenom hardwarové části (od procesorových jednotek až po pevné disky), ale i vývoje operačního systému, překladačů a dalšího software, který byl v daném ekosystému zákazníky vyžadován.

univac

Obrázek 12: Takto se programoval UNIVAC-1: instrukce se zapisovaly do předtištěných tabulek, posléze se na upravených psacích strojích vyděrovaly na děrnou pásku a následně překopírovaly na pásku magnetickou.

Poněkud odlišná situace ovšem panovala na trhu takzvaných minipočítačů. Jednalo se o novou skupinu počítačů, která se začala rozvíjet přibližně v polovině šedesátých let minulého století. Jak již název napovídá, jednalo se o méně výkonné (a taktéž mnohem levnější) alternativy k mainframům. Minipočítače se většinou používaly i k jiným účelům než původní mainframy: zatímco mainframy dávkově zpracovávaly data, realizovaly clearing v bankách, popř. prováděly výpočty a simulace, byly minipočítače nasazovány například v průmyslu pro řídicí účely, na univerzitách atd.

pdp1

Obrázek 13: V pozadí můžeme vidět vlastní počítač PDP-1 (procesorovou jednotku i jednotku periferií), v popředí je vidět stůl operátora s řídicím panelem.

6. Minipočítače PDP

Velmi dobrým a současně i známým příkladem minipočítačů jsou stroje vyráběné firmou Digital. Jedná se například o počítač PDP-8 z roku 1964, který nahradil původní nepříliš úspěšný model PDP-5 vyrobený o rok dříve. Tento počítač byl na svou dobu velmi levný, protože byl v základním vybavení prodáván za cca šestnáct tisíc dolarů, což byla až o řád nižší cena, než v případě výkonnějších typů počítačů. PDP-8 byl používán na univerzitách, v mnoha laboratořích a posléze i v průmyslových aplikacích, protože si díky relativně nízké ceně a kompaktnímu tvaru (ve své podstatě se jednalo o krabici tvaru a velikosti ledničky – viz též přiložené fotografie) mohli tento počítač pořídit i menší firmy jako alternativu k nákupu strojového času ve výpočetních centrech. Z tohoto důvodu existuje pro PDP-8 poměrně velké množství programů, například různých simulací, numerických výpočtů, aplikací řídicích průmyslové procesy či měření v laboratořích atd.

pdp1

Obrázek 14: Detail řídicího panelu počítače PDP-1.

Proč jsme jako příklad zvolili zrovna PDP? V roce 1975 firma Intersil získala od Digitalu časově omezená práva na návrh a následnou výrobu čipu Intersil 6100. V podstatě se jednalo o vměstnání celé procesorové jednotky původního počítače PDP-8 do jednoho integrovaného obvodu, což na jednu stranu ukazuje na velkou popularitu PDP-8 (a samozřejmě taktéž na velké množství vytvořených aplikací, které bylo nutné udržovat funkční) i deset let po jeho vstupu na trh a na stranu druhou dobře ilustruje rychlý vývoj v oblasti čipů s velkou mírou integrace (VLSI), protože právě díky možnostem větší integrace bylo možné původní „ledničku“ umístit na čip s plochou menší než 2 cm2. Instrukční sada procesorové jednotky počítače PDP-8 taktéž inspirovala firmu Intel při výrobě prvního mikroprocesoru na světě – známého čipu Intel 4004, což je opět téma, které dnes nemůžeme opomenout.

pdp1

Obrázek 15: Zrestaurovaná napájecí jednotka počítače PDP-1.

Minipočítače se v relativně velkém množství vyráběly i v zemích RVHP – mnohdy se jednalo právě o modely odvozené od PDP. Existovalo zde poměrně velké množství výrobců těchto minipočítačů i výrobců periferních zařízení, které se k těmto počítačům dala připojit přes universální sběrnici nazvanou příznačně Unibus. Mezi výrobci figurovaly i podniky z ČSSR, NDR, Bulharska, Maďarska a samozřejmě i SSSR. Jednalo se například o některé modely počítačové řady SMEP 1 a SMEP 2 vyráběné v ČSSR. Do řady SMEP 1 jsou zařazeny minipočítače SM 3/20 a SM 4/20, v modelové řadě SMEP 2 pak minipočítače SM 52/11 a SM 52/12 (inspirovaný VAXem) i mikropočítače SM 50/40 a SM 50/50 (tyto mikropočítače jsou založeny na osmibitovém resp. šestnáctibitovém procesoru a v mnoha ohledech se odlišují od zbylých systémů). Základní technické parametry vybraných minipočítačů z obou zmíněných řad jsou vypsány v následující tabulce (kapacitou operační paměti je myšlen maximální objem operační paměti, protože některé počítače mohly mít z cenových důvodů pouze poloviční či dokonce jen čtvrtinovou kapacitu paměťových bloků):

Model SM 3/20 SM 4/20 SM 52/11 SM 52/12
Odvozeno od PDP 11/10 PDP 11/40 PDP 11/50 VAX 11/780
Bitová šířka 16 16 16 32
Operační paměť (max.kapacita) 64 256 256 4096
Vyrovnávací paměť – cache (kB) 0 0 2 4/8
Cyklus operační paměti (ns) 500 850/1000 850 800
Cyklus vyrovnávací paměti (ns) 80 ?
Výpočetní rychlost (MIPS) 0,3 0,42 2,8 1,0
Počet instrukcí 76 84 132 248
FP instrukce ne ano ano ano
pdp1

Obrázek 16: Zrekonstruovaný (a v současnosti funkční) počítač PDP-1.

7. Od elektronek přes tranzistory až po integrované obvody

Zcela zásadní vliv na vývoj mikropočítačů měl vznik zcela nového a přelomového čipu – mikroprocesoru. Díky těmto novým integrovaným obvodům bylo možné navrhovat malé a levné mikropočítače – dostatečně levné dokonce do té míry, že si je mohly pořídit jak menší firmy, tak dokonce i domácnosti. Při zpětném pohledu se může zdát myšlenka mikroprocesoru (tedy náhrady centrální procesorové jednotky jediným čipem) logická, ovšem s konkrétní realizací bylo nutné přijít ve správnou dobu – a to se vlastně povedlo až napodruhé, protože pokus o prosazení mikroprocesoru 4004 pro kalkulátory nebyl úspěšný; úspěšné a revoluční bylo až nasazení mikroprocesorů právě v mikropočítačích.

Poznámka: původně byla u mainframů centrální procesorová jednotka obrovská skříň (či několik rámů) s elektronkami. Později se díky lepší integrovatelnosti tranzistorů podařilo centrální procesorovou jednotku schovat do jediné skříně, což je příklad IBM2040 Central Processing Unit pro IBM/360. Viz například https://collection.motat.or­g.nz/objects/28104. Jak je z obrázků patrné, cesta k čipu, který se dnes bez problémů může nosit v hodinkách, byla ještě dlouhá.

Z technologického hlediska ovšem byl mikroprocesor zcela logickým mezikrokem, přičemž cílem byl čip, který dnes označujeme zkratkou SoC – System on Chip. Od padesátých let se totiž začal vývoj elektronických součástek postupně zrychlovat, až se dospělo do situace, že se několik tranzistorů, rezistorů a diod v rámci zmenšení a zlevnění obvodů začalo vyrábět v jednom celku – vznikl tak první koncept integrovaného obvodu (IC – integrated circuit). Zpočátku byly integrované obvody poměrně jednoduché a obsahovaly několik málo tranzistorů. Takové obvody (s nízkou či střední integrací) se ostatně vyrábí dodnes, jedná se například o populární řadu 7400 či geniálně navržený obvod 555. Inženýři dokázali do integrovaných obvodů vkládat stále více součástek (většinou tranzistorů), až se začalo ukazovat, že cena samotného vývoje obvodu a výroby prvotní masky je tak drahá a pomalá, že se některé specializované obvody nevyplatí vytvářet resp. se nevyplatí následné postupné vylepšování a vývoj takových čipů. Pomalu se tedy rodila myšlenka na obvod univerzální, který by mohl nahradit mnoho obvodů specializovaných. Pravděpodobně někdy v této době, tj. koncem šedesátých let minulého století, některé lidi napadlo spojit výhody programovatelných počítačů s přednostmi integrovaných obvodů (ostatně z integrovaných obvodů se tehdejší počítače skládaly – na Internetu lze dohledat, jak se dá dnes pouze z hradel řady 7400 složit jednoduchý počítač).

Poznámka: ve skutečnosti je mikroprocesor pouze jedním z příkladů univerzálního integrovaného obvodu, tedy obvodu, který je navržen pro mnoho různých použití. Kromě 555 existuje ještě jeden velmi úspěšný typ podobného obvodu, tentokrát z analogové oblasti. Jedná se o operační zesilovače, například o přelomový obvod 741 z roku 1968 od David Fullagara nebo LM301, μA702 a μA709 od geniálního inženýra Roberta Johna Widlara, potomka českých imigrantů (ten si zaslouží vlastní článek, protože jak jeho kariéra, tak i designy jím navrhovaných obvodů byly plné zvratů).

8. Vznik mikroprocesoru – příležitost pro malé firmy a současně i cesta ke komodizaci hardware

V roce 1970 se začal v rámci projektu CADC (Central Air Data Computer) vytvářet systém, který je některými historiky považován za první skutečný mikroprocesor. Jednalo se o procesor nazývaný MP944, jež byl určený pro stíhačky F-14 Tomcat amerického námořnictva. Z důvodu vojenského utajení (probíhala studená válka) se odborná veřejnost dozvěděla technické podrobnosti o tomto procesoru až v roce 1998, tj. skoro třicet let po vytvoření této technologie. Ve skutečnosti se nejednalo o mikroprocesor v pravém slova smyslu, spíše o čipovou sadu, která byla propojena pomocí rychlé sériové linky (což je ovšem nadčasový design). Aritmeticko-logická jednotka zpracovávala dvacetibitová slova (tato značná bitová šířka byla vyžadována kvůli přesnosti některých senzorů) sériovým způsobem, tj. do jednotky vcházelo nové slovo, které bylo bit po bitu zpracováváno, zatímco na výstupu se postupně vysunoval výsledek předchozí operace. Vzhledem k oddělení ALU od řídicích obvodů se tedy opravdu nejedná o skutečný mikroprocesor, jak ho chápeme dnes.

Pro vznik a vývoj mikroprocesorů byla nejdůležitější právě sedmdesátá léta minulého století, tedy období, kdy se již poměrně velké množství lidí mohlo seznámit s výše uvedenými minipočítači. Rychlost vývoje integrovaných obvodů se v tomto období tak prudce zvýšila, že na začátku sedmdesátých let jen několik lidí na světě vůbec dokázalo předvídat strategický význam těchto elektronických součástek. Na konci sedmdesátých let (tedy za pouhé jedno desetiletí) již byly celé dvě generace mikroprocesorů na ústupu, mikroprocesory si našly cestu do průmyslu i domácností, a začala bitva několika firem o místo na trhu s šestnáctibitovými a třicetidvoubitovými mikroprocesory. Na stránkách Roota jsme si již některé milníky ve vývoji mikroprocesorů popsali, včetně dnes již legendárních čipů MOS 6502, Zilog Z80 a Motorola 6809. Zajímavé je, že například mikroprocesory řady MOS 6502 se dodnes ve své inovované podobě vyrábí, v mnoha modemech se zase můžeme setkat s rozšířenou variantou mikroprocesoru Zilog Z80. To zajisté svědčí o nadčasovém designu a kvalitě jejich tvůrců (v tomto případě se jedná o Federica Faggina a Chucka Peddleho).

Ovšem jen jedna řada čipů přežila – i když ve značně modifikované podobě – i v mainstreamových počítačích. Jedná se o řadu Intel 8086, která je dnes neodmyslitelně spjata právě s vývojem platformy PC.

faggin

Obrázek 17: Detailní pohled na iniciály Federica Faggina na masce i4004.

Za první skutečný mikroprocesor na světě je všeobecně považován Intel 4004, jehož duchovním tvůrcem je známý Federico Faggin. Společnost Intel měla v roce 1970 pouhých 150 zaměstnanců a soustředila se převážně na výrobu pamětí – velmi úspěšná byla například paměť 1103 s kapacitou 1024 bitů a s pouhými třemi tranzistory na jednu buňku. Samotný nadřízený Faggina, kterým nebyl nikdo jiný než Andy Groove, v mikroprocesorech neviděl žádnou velkou budoucnost a prý ani neexistoval plán pro komerční využití mikroprocesorů. Pouze pro potřeby výrobců kalkulaček (stolních, ne kapesních :-) však Intel začal s vývojem čipu, který byl – na návrh Faggina – pojmenován 4004, ostatní podpůrné součástky také začínaly číslicemi 400. Faggin se jakožto hlavní tvůrce dokonce „podepsal“ do výrobní masky čipu, takže každý mikroprocesor Intel 4004 nese jeho iniciály – viz oba obrázky uvedené v této kapitole.

4004

Obrázek 18: Všech pět vrstev mikroprocesoru Intel 4004.

9. Sběrnice S-100

Koncepce IBM PC, ke které se postupně přibližujeme, byla důležitá i v tom ohledu, že přesně specifikovala způsob připojení dalších rozšiřujících karet k počítači. Tato koncepce byla vlastně dovedena prakticky do extrému, protože i tak základní součásti počítače, jako jsou sériové a paralelní porty či grafická karta, byly připojeny přes standardní sběrnici. A právě existence široce akceptované specifikace sběrnice umožnila, aby pro PC vzniklo prakticky nepřeberné množství různých rozšiřujících karet. Samozřejmě, že IBM PC neobsahovalo první takto pojatou sběrnici. Z historického pohledu je důležitá především starší sběrnice nazvaná S-100, která byla používána od roku 1974 přibližně do doby, kdy bylo představeno IBM PS/2, popř. koncepce PC AT. Právě ISA sběrnice nebo PS/2 sběrnice (Micro Channel Architecture) vedly i další výrobce k masivnímu přechodu od S-100 na standardy používané ve sféře PC.

Vraťme se však ke sběrnici S-100, která byla skutečně masivně využívána, a to i v mnoha průmyslových oblastech. Tato sběrnice, která původně vznikla pro počítač Altair 8800, je založena na signálech produkovaných čipy okolo osmibitového mikroprocesoru Intel 8080 (8224, 8228). Kromě řídicích signálů a signálů napájecích byla součástí této sběrnice zejména osmibitová datová část (paralelní přenos dat, rozdělena na část vstupní a výstupní) a šestnáctibitová část adresová (ta byla později rozšířena na 24 bitů, což ostatně ukazuje, že tato sběrnice byla používána skutečně dlouho). Technologicky zajímavě je vyřešeno napájení, protože po sběrnici byla poskytována napětí +8V, +16V a –16V. Tato napětí musela být na každé připojené kartě snižována na běžných +5V (TTL), +12V, –12V (využíváno některými pamětmi) a –5V. Současně se +12V a –12V používalo na kartách realizujících sériovou linku RS-232.

pmi

Obrázek 19: Integrované obvody, které tvořily ústřední část československého počítače PMI-80: mikroprocesor MHB 8080A, podpůrné obvody 8224 a 8228, paměť ROM, paměť RAM (2×1024×4 bity) a paralelní vstupně-výstupní brány realizované obvody 8255. Mikroprocesore 8080 musel využívat 8224 a 8228, na rozdíl od ostatních mikroprocesorů, které bylo možné ke sběrnici zapojit přímo.

10. Trinity (1977)

Na vznik konceptu IBM PC měly s velkou pravděpodobností vliv domácí osmibitové mikropočítače, které vznikly v roce 1977. Jednalo se konkrétně o tři typy mikropočítačů, které tehdejší (dobové) časopisy označily jako Trojici (tedy Trinity) – TRS-80 Model 1, Commodore PET a Apple II. K samotné koncepci IBM PC se z této trojice nejvíce blíží Apple II, což je řada počítačů, které je věnována navazující kapitola. TRS-80 byl mikropočítač založený na mikroprocesoru Zilog Z-80 (ovšem taktovaným jen na 1,774 MHz, takže zdaleka nevyužíval plnou rychlost Zilogu), paměti RAM o původní kapacitě čtyř kilobajtů a interpretrem programovacího jazyka BASIC. Pro zobrazení se používal monochromatický monitor s úhlopříčkou dvanácti palců, přičemž byl podporován textový režim 64×16 znaků (jako stvořený pro jazyk Forth). Původně se pro záznam dat používal magnetofon, ale nabízena byla i disketová mechanika a dokonce i pevný disk s převratnou kapacitou pěti megabajtů.

Obrázek 20: „1977 Trinity“ aneb mikropočítače Commodore PET 2001–8, Apple II a TRS-80 Model I. První dva počítače jsou založeny na čipu MOS-6502.
Zdroj a licence: https://upload.wikimedia.or­g/wikipedia/commons/f/ff/Tri­nity77.jpg

11. První úspěšný (nejenom) kancelářský mikropočítač: Apple II

Je všeobecně známým faktem, že firma Apple vznikla v období těsně předcházejícímu boomu výpočetní techniky jako klasická garážová firma, kterých v té době (a samozřejmě i dnes) ročně vznikaly stovky. Tomu ostatně odpovídají i parametry prvních počítačů, které tato firma (pokud lze mluvit o firmě, která se původně sestávala pouze z trojice lidí) vytvořila. Nejprve si, přesně v souladu s historií, alespoň ve stručnosti popíšeme osmibitové mikropočítače firmy Apple. Tyto mikropočítače byly postaveny na bázi známého mikroprocesoru MOS 6502, resp. jeho upravené verze MOS 65C02.

Apple II

Obrázek 21: Mikropočítač Apple II.

Poznámka: pokud bychom měli být historicky přesní, bylo by nutné počítače firmy Apple uvést na prvním místě, o modelu Apple II se ostatně mluví jako u prvním domácím mikropočítači. Situace však byla trošku obtížnější, protože firma Apple se orientovala téměř výhradně na americký trh. Z toho důvodu se počítače Apple v Evropě (západní i východní) nikdy příliš nepoužívaly, resp. zdaleka ne v takové míře, jako tomu bylo v USA. Úlohu prvního široce rozšířeného domácího počítače zde převzal ZX-80 a jeho následovníci ZX-81 a ZX Spectrum. Další problém spočívá v tom, že Apple II bylo využíváno i v kancelářích a školství (nikoli ovšem pouze pro výuku programování), což tento počítač odlišuje od klasických „herních“ domácích mikropočítačů typu Atari, Commodore či již zmíněný ZX Spectrum.
Apple II Plus

Obrázek 22: Mikropočítač Apple II Plus.

Prvním počítačem, které ve firmě Apple vznikl, byl počítač nazvaný Apple I. Tento počítač byl určen především pro uživatele zběhlé ve stavbě elektronických zařízení, protože se dodával jako skládačka (řekněme „bastl“ – tak tomu ostatně bylo i u některých počítačů sira Sinclaira a u tuzemského Maťo, nemluvě například o elektronických mikropočítačích KIM-I apod.). Apple I se začal prodávat v roce 1976, čemuž také odpovídá jeho skromné technické vybavení.

počítač Apple I v dřevěném obalu

Obrázek 23: Počítač Apple I v dřevěném obalu.

Celý design tohoto počítače byl postaven okolo mikroprocesoru MOS 6502, který byl taktovaný na 1MHz. Kapacita operační paměti činila v základní sestavě 4kB, tuto kapacitu bylo možné jednoduše rozšířit až na 8kB (což je na dobu vzniku obrovská kapacita do značné míry ovlivňující cenu mikropočítače, ostatně o několik let později vytvořené ZX-80 a ZX-81 bylo v tomto ohledu skromnější). Další rozšíření kapacity paměti se provádělo přes specializovanou expanzní kartu. Data bylo možné ukládat na kazetový magnetofon rychlostí cca 1200 bitů za sekundu, což opět není zcela špatná rychlost (spíš naopak).

xyzzy

Obrázek 24: Počítač Apple I na montážní desce.

Grafický výstup byl prováděn na televizor přes klasický VF modulátor, grafika se generovala v normě NTSC (neboli Never The Same Colors) programově (tj. velmi pomalu, ale „levně“). Bylo možné zobrazit pouze text v režimu 40 znaků na 24 řádcích, přičemž vykreslování probíhalo rychlostí 60 znaků za sekundu. Grafické schopnosti jsou na první pohled poměrně chudé, musíme si však uvědomit, že i výkonné počítače té doby většinou pouze blikaly žárovičkami, popřípadě TISKLY VYSLEDKY VYPOCTU NA TISKARNU (minusky a dokonce akcenty jsou přece pouze pro požírače koláčů :-).

Výše popsaný počítač Apple I nikdy nezaznamenal větší komerční úspěch, pravý opak se však dá říci prakticky o celé řadě počítačů Apple II. Tyto počítače mnoho autorů považuje za de-facto první domácí počítače, které byly jak svými vlastnostmi, tak i cenou dostupné poměrně široké řadě uživatelů. Původní počítač Apple II, kterým celá tato řada počítačů začíná, byl vyráběn v letech 1977–1980. Použitým procesorem byl opět MOS 6502, který byl taktován na frekvenci 1MHz (přesněji 1,023MHz).

Kapacita operační paměti RAM byla v základní sestavě rovna pouze 4kB, mohlo se však provést rozšíření až na 48kB, pomocí speciální rozšiřující karty dokonce i na 64kB. K počítači byl dodáván i magnetofon pro záznam programů a dat. Při návrhu tohoto počítače, který byl kombinován s klávesnicí, se důsledně dodržovala otevřená architektura – k dispozici byly sloty, do kterých bylo možné připojit další rozšiřující karty. Paradoxní přitom je, že pozdější Macintoshe se naproti tomu vyznačovaly silně uzavřenou architekturou.

Grafické možnosti tohoto stroje jsou mnohem zajímavější, než u původního Apple I. K dispozici byl textový režim, ve kterém se zobrazovalo 40 znaků na řádek, počet řádků byl roven 24. Znaky byly definovány v rastru pouhých 5×7 pixelů a na zakódování každého znaku bylo použito pouze šest bitů. To mimo jiné znamená, že se zobrazovala pouze velká písmena, číslice a některé další znaky z podmnožiny ASCII kódu.

Kromě textového režimu bylo možné použít dva grafické režimy. První režim zobrazovat grafiku v rastru pouhých 40×48 pixelů, každý pixel však mohl nabývat jedné z patnácti předdefinovaných barev. Ve druhém grafickém režimu se grafika zobrazovala v rastru 280×192 pixelů. K dispozici přitom byly čtyři pevně dané barvy (černá, bílá, zelená a fialová), další modely však dokázaly zobrazit až šest barev. Grafika se generovala programově, tj. čtením jednotlivých barev pixelů do posuvného registru.

Zajímavostí je, že kvůli podpoře prodeje tohoto počítače se vytvořilo i nové logo Apple. Jedná se o známé nakousnuté duhové jablíčko, které bylo až mnohem později změněno na logo jednobarevné.

Počítač Apple II Plus představuje model, který se v mnohém podobá svému předchůdci Apple II. Tento počítač byl opět osazen mikroprocesorem MOS 6502, jež byl taktovaný na 1,023MHz. Byl změněn design stroje a také se rozšířila kapacita operační paměti, která činila standardních 48kB, maximálně bylo možné paměť rozšířit na 64kB. Kromě těchto změn došlo i k výměně programového vybavení, nově se objevuje AppleSoft Basic, který mimo jiné obsahoval i základní příkazy pro ovládání grafického výstupu. Po grafické stránce (podporované textové a grafické režimy, způsob generování grafiky) je tento model počítače prakticky shodný s původním Apple II.

Poznámka: další typ si v tomto článku zaslouží zmínku, ovšem s tím dodatkem, že se jedná o počítač, jenž byl vydán až po vzniku IBM PC.
Apple IIe

Obrázek 25: Mikropočítač Apple IIe.

Počítač Apple IIe drží zajímavý primát – byl totiž vyráběn celých deset let, od roku 1983 do roku 1993. I podle počtu prodaných kusů se jednalo o jeden z nejúspěšnějších typů počítačů celkem – ještě dnes prý lze modely Apple IIe nalézt v amerických školách a úřadech, což je při celkové penetraci PCček obdivuhodné. Použitý mikroprocesor MOS 6502 byl taktován opět na 1.023MHz, kapacita operační paměti RAM se však zvýšila ve standardním vybavení na 64kB, pomocí dalšího modulu bylo možné provést rozšíření až na 128kB. Počítač byl v základní sestavě dodáván pouze se zabudovanou klávesnicí (poprvé se zde objevují dvě přeřaďovací klávesy s logem firmy: jedno tlačítko s obrysem jablka, druhé tlačítko s vyplněným jablkem), bylo však možné přikoupit i externí disketovou jednotku a myš, což je ostatně patrné i z ilustračního obrázku.

Apple IIe klávesnice

Obrázek 26: Detail klávesnice Apple IIe s jablíčkovou klávesou.

Grafické schopnosti tohoto počítače byly oproti předchozím modelům poněkud rozšířeny. K velké spokojenosti uživatelů byl změněn textový režim tak, aby bylo možné zobrazit i minusky, tj. „malé“ znaky. U předchozích modelů se totiž používaly pouze verzálky, číslice a některá interpunkční znaménka a závorky. Dále byly k dispozici dva grafické režimy dostupné i u předchozích modelů: 40×48 pixelů v patnácti barvách a 280 192 pixelů v šesti barvách. Kromě toho bylo možné použít i grafický režim o rozlišení 140 192 pixelů v patnácti barvách.

Apple IIc

Obrázek 27: Mikropočítač Apple IIc.

To však není vše – k počítači bylo možné připojit i rozšiřující grafickou kartu, která podporovala dva nové režimy. První režim byl textový, kdy se zobrazovalo 80 znaků na řádek. Druhý režim byl grafický, přičemž rozlišení tohoto režimu bylo rovno 560×192 pixelům, ale pouze monochromaticky. Výstup obrazu bylo možné provést buď na televizi, nebo na počítačový monitor. U režimů vykreslovaných rozšiřující grafickou kartou byl monitor takřka nutností, protože televizory nemají tak velké přenosové pásmo, aby dokázaly vykreslit horizontálně 560 pixelů.

Apple II GS

Obrázek 28: Mikropočítač Apple II GS.

12. Všechny podmínky jsou splněny: udělejme tedy konečně PC!

Dostáváme se na přelom let 1980 a 1981, kdy již byly splněny všechny podmínky, které umožnily nejenom vznik konceptu PC, ale i jeho komerční úspěch, což je o to důležitější, když si uvědomíme, jak problematické a mnohdy krátkodobé byly mnohé další projekty v oblasti domácích či osobních mikropočítačů. Vše podstatné jsme si již řekli v předchozích kapitolách, takže si všechny střípky slepme dohromady:

Obrázek 29: Cesta ke koncepci IBM PC.

13. Vznik koncepce IBM PC

Myšlenka osobního počítače se sice objevila již na konci sedmdesátých let minulého století, ovšem na její rozvinutí do skutečně praktické podoby si museli uživatelé počkat až do první poloviny osmdesátých let. Prvním skutečně osobním počítačem (tento termín se totiž používal i předtím, ovšem v poněkud jiném kontextu) je slavné IBM PC (5150) pocházející již z roku 1981 – a které bylo primárním důvodem pro vznik dnešního článku. V podobně tohoto počítače firma IBM představila koncept rozšiřitelného mikropočítače – tj. počítače postaveného na bázi mikroprocesoru – složeného z modulů využívajících standardizovanou sběrnici (čímž současně začala doba postupného úpadku výše zmíněné sběrnice S-100). Současně se do značné míry jednalo o otevřenou architekturu, kde až na BIOS bylo možné jakoukoli komponentu nahradit za komponentu od jiného výrobce (a později došlo – k velké nelibosti IBM – i na náhradu původního BIOSu za BIOSy třetích stran, čímž se celé PC stalo komoditou).

Obrázek 30: Šestnáctibitový mikroprocesor Intel 8086. Tento mikroprocesor ve skutečnosti nebyl v osobních mikropočítačích IBM PC použit, protože jeho podpůrné čipy i nutná infrastruktura (sběrnice) byly relativně drahé. Namísto toho použili inženýři z firmy IBM čip Intel 8088 a podpůrné čipy používané již v minulosti společně s mikroprocesory Intel 8080 a Intel 8085. Historie ukázala, že se jednalo o velmi důležité rozhodnutí, které mj. rozhodlo i o osudu firem Intel a Motorola na poli mikroprocesorů.

Samotný první model IBM PC 5150 byl pro firmu IBM důležitý zejména z toho důvodu, že se jí podařilo alespoň částečně prosadit i na novém trhu s počítači prodávanými i do menších firem či soukromníkům, což byl odlišný segment trhu, než ve kterém IBM se svými mainframy a minipočítači původně působila. Tento nový trh byl skutečně zajímavý, protože v roce 1979 (tedy ještě před vznikem IBM PC, resp. přesněji řečeno před začátkem jeho komerčního prodeje) dosahovaly prodeje výše 150 milionů dolarů a pro další rok se počítalo s dalším nárůstem o celých 40% (prodávaly se především osmibitové mikropočítače Atari, Commodore PET a v USA pak především Apple II, zejména model Apple IIe zmíněný v jedenácté kapitole).

pc83

Obrázek 31: Textově-grafická karta MDA s čipem MC6845. Tato grafická karta firmy IBM podporovala pouze textový režim 80×25 znaků, přičemž jednotlivé znaky byly zobrazovány v masce 9×14 pixelů. Na některých počítačích stále tento režim můžete vidět při vstupu do BIOSu.

14. 8088: výkonově omezený a neinovativní čip, který dostal společnost Intel do Fortune 500

Při popisu vzniku platformy PC není možné vynechat čip, okolo kterého byla celá tato platforma postavena. Jedná se o mikroprocesor Intel 8088, což je hned po několika stránkách dosti zvláštní integrovaný obvod, který v žádném případě neoslňuje ani svým výpočetním výkonem ani technickými inovacemi. Ovšem právě tento mikroprocesor dostal společnost Intel na samotný vrchol, z něhož potom relativně snadno mohla konkurovat například společnosti Motorola s technicky sice lepšími čipy (Motorola 68000), ovšem s horší obchodní pozicí. Jak ovšem společnost Intel vůbec přišla k čipu 8088?

Již v osmé kapitole jsme se zmínili o čipu Intel 4004. Ve skutečnosti nebyl Intel 4004 komerčně moc úspěšný, ale firma Intel se začala tímto odvětvím průmyslu zabývat poněkud intenzivněji, což jí vydrželo až do dneška (i když…). V roce 1972, tj. pouhých pět měsíců po uvedení 4004 (to se nám to zrychluje) představila společnost Intel jeho osmibitového nástupce. Jednalo se o mikroprocesor Intel 8008. V jeho instrukční sadě se již mnoho programátorů bez problému vyzná, protože po rozšíření se s ní můžeme setkat i v 8080 a Z80. Tento čip již při použití stejné desetimikronové technologie obsahoval 3500 tranzistorů, pracoval na frekvenci 800 kHz a mohl adresovat až 16 kB paměti (kombinace ROM se statickou RAM). Samotný výpočetní výkon byl oproti 4004 skoro dvojnásobný, především však byla použita osmibitová sběrnice a řada podpůrných obvodů, se kterými se můžeme setkat i u pozdějších procesorů.

Za dva roky poté, tj. v roce 1974, Intel uvedl další procesor nazvaný Intel 8080. Ten již pracoval s hodinovou frekvencí 2 MHz, obsahoval cca 4500 tranzistorů a mohl adresovat až 64 kB paměti (+ periferie adresované mimo hlavní RAM+ROM). Jednou z předností tohoto procesoru bylo použití nové třímikronové technologie výroby. Intel 8080 byl použit v mnoha počítačích (Altair 8800), i když ke své práci potřeboval kromě standardního pětivoltového napájení ještě jedno vyšší napětí (pro oscilátory) a také dva podpůrné obvody – 8224 a 8228. Jednou ze zajímavostí je, že se tento mikroprocesor vyráběl i v naší Tesle pod označením MHB 8080A (dlužno ovšem říci, že v době, kdy se ve světě přecházelo na šestnáctibitové a třicetidvoubitové mikroprocesory).

Posledním čistě osmibitovým procesorem přímo či nepřímo založeným na 4004 byl čip Intel 8085 vytvořený v roce 1976. Jednalo se v podstatě o vylepšený 8080, který pracoval na hodinové frekvenci 5 MHz, obsahoval cca 6500 tranzistorů, měl přímo na čipu některé další obvody (sériová linka apod.) a především nepotřeboval nestandardní napětí, takže se jeho zařazení do počítačů a dalších zařízení zjednodušilo. Tento mikroprocesor ovšem přišel až v době, kdy na trhu kralovaly mikroprocesory jiných firem, Zilog a MOS Technologies. S 8085 se bylo možné setkat i v průmyslových zařízeních, kde byl použit ve funkci mikrořadiče.

Dostáváme se k čipu Intel 8086. Jednalo se o šestnáctibitový čip, který v mnoha ohledech původní trojici 8008/8080/8085 překonával, a to jak plnohodnotnými 16bitovými operacemi (které původně byly realizovány nad dvojicí registrů), větším množstvím pracovních registrů, novými adresovacími režimy, blokovými operacemi (nad řetězci atd.), instrukcemi pro násobení a dělení, ale v neposlední řadě i možností překonat limit 64kB s využitím nechvalně známého segmentování, kdy adresa byla rozdělena na dvě překrývající se části: segment a offset (což mj. znamenalo problematické porovnávání adres atd.). Interně se jednalo o poměrně složitý čip, který počtem tranzistorů překonal své předchůdce i některé konkurenty (Zilog Z80 či spíše 6809). Velký počet tranzistorů byl způsobem mj. i nutností použití samostatné sčítačky pro výpočet adres, viz též https://en.wikipedia.org/wi­ki/Intel_8086 i složitým mikroprogramovým řadičem.

Paralelně (resp. nepatrně později) s Intel 8086 byla realizována i jeho zjednodušená podoba Intel 8088, který se od originálu lišil šířkou externí datové sběrnice, která byla osmibitová a umožňovala využití původních periferních čipů určených pro 8080/8085 (což se ostatně stalo i v případě IBM PC, v němž jsou tyto čipy použity). Intel 8088 byl vybrán pro použití v prvním PC a právě díky tomu, že se čip Intel 8088 stal prvním mikroprocesorem z celé doposud používané architektury PC, se 8088 dostal podle časopisu IEEE Spectrum mezi 25 nejdůležitějších čipů všech dob, vedle slavného mikroprocesoru MOS 6502, čítače NE555 (pravděpodobně nejznámější integrovaný obvod vůbec), digitálního signálového procesoru TMS32010, mikrořadiče PIC 16C84 či operačního zesilovače μA741. K tomu editor tohoto časopisu lakonicky poznamenal: „not bad for a castrated chip“.

15. IBM PC 5160 aneb slavné PC XT

Vraťme se ovšem zpátky k samotné platformě IBM PC. Z technologického a ve skutečnosti i z historického hlediska je mnohem důležitější až další model IBM PC 5160, který nese (zkrácený) název PC XT. Tento počítač, jenž začal být prodáván v roce 1983, obsahoval mikroprocesor Intel 8088 (šestnáctibitový CPU s externí osmibitovou sběrnicí, z historického hlediska jeden z nejúspěšnějších čipů firmy Intel vůbec) taktovaný původně na 4,77 MHz. Kapacita operační paměti RAM mohla dosahovat 128 kB až 640 kB (to musí stačit každému :-) a především se zde již objevuje podpora pro harddisk s na tehdejší dobu obrovskou kapacitou 10MB. Podle povahy práce bylo možné do počítače IBM PC XT nainstalovat různé typy grafických karet, především kartu MDA (podpora pouze pro textové režimy), CGA (monochromatické či čtyřbarevné grafické režimy s nízkým rozlišením), později i EGA (pro PC AT) a konkurenční Hercules (textové režimy a monochromatický grafický režim s vysokým rozlišením). Objevily se i první modely zvukových karet, z nichž nejznámější je AdLib následovaný SoundBlasterem.

Obrázek 32: Zvuková karta Adlib je určena pro instalaci do osmibitové sběrnice PC BUS, tedy kompatibilní s prvními PC.

16. Pokus o redefinici PC a slavné propadáky

Společnost IBM se stále považovala za lídra v oblasti PC, takže v dalších letech postupně navrhla další varianty postavené na stejné či podobné architektuře. Některé z těchto variant byly úspěšné, na další by bylo slušnější zapomenout, protože se jednalo o propadáky:

Rok Platforma
1981 IBM PC
1983 IBM PC XT
1984 IBM Portable Personal Computer
1984 IBM PCjr
1984 IBM PC AT
1986 IBM PC Convertible
1986 IBM PC XT 286

Úspěšné – a to velmi – byly projekty PC XT a PC AT. Ovšem naprostým propadákem bylo PCjr navržené jako cenově dostupnější varianta PC (resp. přesněji řečeno PC XT). Nejproblematičtější částí tohoto počítače byla nedokonalá klávesnice, které se „moderně“ připojovala přes IR rozhraní. To samo o sobě bylo poruchové, s velkou spotřebou baterií. Ovšem i provedení klávesnice bylo po mechanické stránce „supoptimální“, což u společnosti, kde vznikl slavný Model M, dosti zamrzí. Další problém PCjr bylo omezení kapacity RAM na 128kB, takže mnoho úspěšných aplikací, které bez problémů běhaly na PC XT, zde nebylo možné spustit. I rozšiřitelnost byla oproti plnohodnotnému XT mnohem menší, takže tento projekt byl odsouzen k zániku.

Později, v dobách mikroprocesoru Intel 80386, byla již situace na trhu s PC dosti odlišná a vývoj diktovaly další firmy, například Compaq popř. Dell. To je však již téma na jiný článek.

17. Sběrnice ISA

„Skládačková“ architektura IBM PC byla umožněna díky existenci osmibitové sběrnice PC Bus, později rozšířené na 16bitovou sběrnici ISA, která se stala skutečným průmyslovým standardem. Zkratka ISA vychází z anglického názvu Industry Standard Architecture a tento název je kupodivu pravdivý i v praxi. Tato sběrnice byla navržena firmou IBM v roce 1980 v laboratořích IBM Development Lab Bocaraton na Floridě.

V roce 1981 bylo použita osmibitová verze této sběrnice pro první počítače typu IBM PC. Tato verze podporovala připojení přídavných karet s osmibitovým rozhraním a konektorem, který obsahoval celkem 62 pinů. Od roku 1984 se začíná v počítačích IBM PC AT a kompatibilních používat šestnáctibitová verze této sběrnice, která podporuje karty s 98pinovým konektorem. Tato sběrnice se ve firemních materiálech IBM také nazývá AT Bus, ostatní výrobci však používají označení ISA. Šestnáctibitová sběrnice ISA se ve výpočetní technice používala velmi dlouho, zejména díky její konstrukční jednoduchosti (konektor šlo vytvořit přímo na plošném spoji bez dalších konstrukčních součástí) a detailnímu popisu komunikačního protokolu a průběhů signálů.

Sběrnice ISA obsahovala adresovou část, která měla šířku 24 bitů, což odpovídá možnostem adresování až 16MB paměti (pomocí čtyř nejvyšších adresových bitů bylo možné ovládat takzvaný latch, tj. záchytný registr). Kromě paměti bylo možné obsluhovat maximálně 64kB vstupně/výstupních portů pomocí šestnáctibitové IO sběrnice (adresová část IO sběrnice měla šířku šestnácti bitů, maximální počet portů je tedy 216=65536). Datová část sběrnice měla šířku šestnácti bitů. Blokový přenos dat byl řešen buď pomocí převzetí řízení sběrnice zařízením (jednodušší obdoba bus master přenosu používaného ve vyspělejších sběrnicích) nebo pomocí čtyř (později osmi) DMA kanálů, což na tehdejší dobu a rychlost připojovaných zařízení bylo více než dostačující.

Pro přenos dat se používal synchronní protokol, oscilátor měl časovou základnu 70 ns, což odpovídá frekvenci 14,285 MHz. Tato frekvence byla dále dělena třemi, takže skutečná taktovací frekvence sběrnice byla u prvních verzí rovna necelým 4,77 MHz. Existovaly také rychlejší varianty s taktovací frekvencí 8 MHz, 10 MHz, 12 MHz a 16 MHz (ovšem ne všechna zařízení dokázala na těchto frekvencích spolehlivě pracovat).

18. Lokální sběrnice VESA Local Bus

Sběrnice VESA Local Bus (zkráceně VLB) byla navržena sdružením VESA (tedy již nikoli pouze firmou IBM) jako rychlejší doplněk výkonnostně nedostatečné sběrnice ISA. Zatímco je sběrnice ISA určena pro prakticky libovolné zařízení, u sběrnice VESA Local Bus se předpokládalo její použití zejména pro grafické karty, řadiče rychlých pevných disků a síťové karty. Tato sběrnice byla používána pouze na osobních počítačích typu PC, podpora pro jiné výpočetní systémy prakticky neexistuje (je do značné míry závislá na signálech produkovaných samotným mikroprocesorem).

Největší rozšíření této sběrnice bylo v dobách osobních počítačů s procesory řady 486, u kterých rostla poptávka po rychlých grafických kartách a pevných discích (u grafických karet mj. i kvůli nutnosti podpory větších rozlišení a vyššího počtu barev). S dalším vývojem počítačů (zejména těch s procesory Intel Pentium) je zřetelný značný ústup v používání sběrnice VLB, naopak se začíná prosazovat v té době velmi perspektivní sběrnice PCI a její nástupce PCI Express.

Jak již název sběrnice VESA Local Bus napovídá, jedná se o sběrnici lokální, tj. o sběrnici, která přímo sdílí datovou a adresovou část s mikroprocesorem počítače. To má mimo jiné za následek omezení maximálního počtu připojených zařízení na dvě až tři, protože větší počet zařízení by příliš proudově a impedančně zatěžoval procesorovou sběrnici, způsoboval sklony hran signálů, přeslechy atd. Také frekvence sběrnice je odvozena z vnější taktovací frekvence procesoru a může se pohybovat v hodnotách od 33MHz do 50MHz (což je nevýhoda pro tvůrce zařízení).

Sběrnice VLB podporovala takzvaný burst režim přenosu blokových dat. Jednalo se o zvláštní mód, ve kterém se přenesla vždy jedna adresa a po ní čtyři datová slova. Bylo tak možné jednoduše a rychle přenést 2×32 bitů pouze v pěti sběrnicových cyklech oproti osmi cyklům nutným pro přenos čtyř dvojic adresa-data. Podobný nebo vylepšený koncept existuje i u pokročilejších sběrnic. Tento koncept spočívá v tom, že se po zadání jedné adresy a počtu opakování může přenést mnohem více dat, což ve svém důsledku vede k vyšší přenosové rychlosti, neboť se ušetří cykly nutné pro přenos a dekódování adresy.

Prakticky jedinou výhodou sběrnice VESA Local Bus oproti technicky promyšlenější sběrnici PCI a PCI Express, je v některých případech vyšší přenosová rychlost, zejména v počítačích, kde je použita taktovací frekvence sběrnice 40 MHz a 50 MHz (při použití frekvence 40 MHz je možné na sběrnici připojit maximálně tři zařízení, na sběrnici VLB o frekvenci 50 MHz je však počet zařízení omezen na dvě). Převažují však nevýhody, mezi něž patří zejména: stále (v době nástupu PCI) klesající podpora jak u výrobců zařízení pro tuto sběrnici, tak u producentů čipových sad základních desek (dnes se sběrnice VLB vyskytuje prakticky pouze v průmyslových počítačích), možnost připojení omezeného množství zařízení a různorodá taktovací frekvence (která způsobuje komplikace návrhu přídavné karty).

19. Vývoj grafických karet na osobních počítačích IBM PC

Historický vývoj grafických karet na osobních počítačích typu IBM PC byl velmi zajímavý a v poslední době i poměrně bouřlivý. V době uvedení prvních počítačů PC na trh asi nikdo nečekal, že se právě tyto počítače stanou v nedaleké budoucnosti stroji, které postupně nahradí profesionální grafické stanice od firem Sun a SGI – spíše se počítalo s tím, že se bude jednat o inteligentnější psací stroje popř. o počítače pro vedení účetnictví. Grafické možnosti počítačů PC byly opravdu po dlouhou dobu velmi skrovné, jedinou předností PCček oproti konkurenci byla jejich hrubá výpočetní síla, která nahradila kvalitní návrh jednotlivých součástí počítače. Oproti mnohdy velmi propracovaným grafickým čipům dostupných již na osmibitových a šestnáctibitových počítačích neobsahovaly první PC-čkovské grafické karty téměř žádnou funkcionalitu, uměly pouze zobrazit bitovou mapu uloženou v jejich video paměti.

wecast_aruba

Ostatně právě oddělení operační paměti od video paměti je pro počítače PC typické a do určité míry ovlivňuje funkcionalitu i nejmodernějších grafických karet. IBM PC je navrženo tak, aby bylo důsledně modulární, což ve svém důsledku znamená, že každou součást počítače může vyrábět jiná firma. Modulárnost řešení celého počítače se samozřejmě nevyhnula ani grafickému subsystému počítače, proto se místo grafického čipu spolupracujícího přímo s CPU a operační pamětí objevuje grafická karta, která s CPU komunikuje nepřímo, přes univerzální sběrnici (která je v případě PC Bus či ISA navíc poměrně pomalá).

Toto řešení grafického subsystému má některé výhody, ale samozřejmě i nevýhody, proto se v minulosti (a s největší pravděpodobností i v budoucnosti, pokud se nepřejde na plnohodnotné SoC) objevily snahy o zajištění užší spolupráce mezi CPU, operační pamětí a grafickou kartou. Mezi relativně úspěšná řešení patřilo použití lokálních sběrnic (například výše zmíněná sběrnice VESA Local Bus) či portů vymezených pouze pro grafickou kartu (Advanced Graphics Port). Opačné snahy vedou k unifikaci přístupu ke všem zařízením, včetně grafické karty (sběrnice ISA, PCI či PCI Express).

20. Odkazy na Internetu

  1. When IBM Was The Center Of Gravity
    https://www.zerohedge.com/techno­logy/when-ibm-was-center-gravity
  2. Mainframe family tree and chronology
    http://www-03.ibm.com/ibm/history/ex­hibits/mainframe/mainframe_FT1­.html
  3. 704 Data Processing System
    http://www-03.ibm.com/ibm/history/ex­hibits/mainframe/mainframe_PP704­.html
  4. 705 Data Processing System
    http://www-03.ibm.com/ibm/history/ex­hibits/mainframe/mainframe_PP705­.html
  5. The IBM 704
    http://www.columbia.edu/a­cis/history/704.html
  6. IBM Mainframe album
    http://www-03.ibm.com/ibm/history/ex­hibits/mainframe/mainframe_al­bum.html
  7. Mainframe computer
    http://en.wikipedia.org/wi­ki/Mainframe_computer
  8. IBM mainframe
    http://en.wikipedia.org/wi­ki/IBM_mainframe
  9. IBM 700/7000 series
    http://en.wikipedia.org/wi­ki/IBM700/7000_series
  10. IBM System/360
    http://en.wikipedia.org/wi­ki/IBM_System/360
  11. IBM System/370
    http://en.wikipedia.org/wi­ki/IBM_System/370
  12. 36-bit
    http://en.wikipedia.org/wiki/36-bit_word_length
  13. 36bit.org
    http://www.36bit.org/
  14. Tesla: Historie a současnost
    http://www.tesla.czweb.org/historie/
  15. S-100 bus
    https://en.wikipedia.org/wiki/S-100_bus
  16. The TRS-80 Model I
    http://www.trs-80.org/model-1/
  17. Level I BASIC
    http://www.trs-80.org/level-1-basic/
  18. The Radio Shack Expansion Interface
    http://www.trs-80.org/radio-shack-expansion-interface/
  19. 25 Microchips That Shook the World
    https://spectrum.ieee.org/tech-history/silicon-revolution/25-microchips-that-shook-the-world
  20. Chip Hall of Fame: MOS Technology 6502 Microprocessor
    https://spectrum.ieee.org/tech-history/silicon-revolution/chip-hall-of-fame-mos-technology-6502-microprocessor
  21. Chip Hall of Fame: Intel 8088 Microprocessor
    https://spectrum.ieee.org/tech-history/silicon-revolution/chip-hall-of-fame-intel-8088-microprocessor
  22. Jak se zrodil procesor?
    https://www.root.cz/clanky/jak-se-zrodil-procesor/
  23. Apple II History Home
    http://apple2history.org/
  24. The 8086/8088 Primer
    https://www.stevemorse.or­g/8086/index.html
  25. Visi On (Wikipedia)
    http://en.wikipedia.org/wiki/Visi_On
  26. VisiCorp's VisiOn Graphical User Interface System for IBM and compatible PCs
    http://www.digibarn.com/co­llections/software/VisiOn/in­dex.html
  27. Obrazem: Operační systémy od roku 1981
    http://digitalne.centrum.cz/obrazem-operacni-systemy-od-roku-1981/diskuze/undefined/un­defined/?pid=6150
  28. VisiCorp Visi On
    http://toastytech.com/guis/vi­sion.html
  29. A Guided Tour of Visi On
    http://www.guidebookgalle­ry.org/articles/aguidedtou­rofvision
  30. VisiCalc Executable for the IBM PC
    http://www.bricklin.com/his­tory/vcexecutable.htm
  31. PDP-1 Web Pages
    http://www.pdp-1.org/
  32. PDP-1 Restoration Process
    http://pdp-1.computerhistory.org/pdp-1/
  33. Programmed Data Processor
    http://en.wikipedia.org/wi­ki/Programmed_Data_Proces­sor
  34. Digital Equipment Corporation
    http://en.wikipedia.org/wi­ki/Digital_Equipment_Corpo­ration
  35. PDP-1
    http://en.wikipedia.org/wiki/PDP-1
  36. Ancient Computing Machinery
    http://www.ee.ryerson.ca/~elf/ancient-comp/index.html
  37. Spacewar – The first computer video game. Really!
    http://www3.sympatico.ca/mau­ry/games/space/spacewar.html
  38. Programmed Data Processor-1 Handbook
    http://www.dbit.com/~green­g3/pdp1/pdp1.html