Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

1 Principy počítačů Ondřej Čepek

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "1 Principy počítačů Ondřej Čepek"— Transkript prezentace:

1 1 Principy počítačů Ondřej Čepek

2 2 Cíl předmětu vysvětlit z jakých částí se dnešní počítače skládají a jak jsou tyto části propojeny (pro většinu uživatelů je to „black box“) vysvětlit z jakých částí se dnešní počítače skládají a jak jsou tyto části propojeny (pro většinu uživatelů je to „black box“) u každé z hlavních částí vysvětlit jak funguje u každé z hlavních částí vysvětlit jak funguje úroveň podrobnosti bude proměnlivá (ale nikde nepůjdeme až na fyzikální úroveň) úroveň podrobnosti bude proměnlivá (ale nikde nepůjdeme až na fyzikální úroveň)

3 3 Hrubá osnova Historie počítačů Historie počítačů Architektura a organizace počítačů Architektura a organizace počítačů Reprezentace dat Reprezentace dat Procesory Procesory Paměti Paměti Propojovací systémy Propojovací systémy Periferie Periferie

4 4 Literatura Doporučená literatura Doporučená literatura Stallings, William. Computer Organisation and Architecture: Designing for Performance (šesté vyd.). Prentice Hall ISBN Stallings, William. Computer Organisation and Architecture: Designing for Performance (šesté vyd.). Prentice Hall ISBN Chalk,B.S.,Carter,A.T., Hind, R.W. Computer Organisation and Architecture: An Introduction (druhé vydání). Palgrave MacMillan ISBN Chalk,B.S.,Carter,A.T., Hind, R.W. Computer Organisation and Architecture: An Introduction (druhé vydání). Palgrave MacMillan ISBN

5 5 Literatura Doplňková literatura Doplňková literatura J.L.Hennessy, P.A.Patterson: Computer architecture: a Quantitative Approach J.L.Hennessy, P.A.Patterson: Computer architecture: a Quantitative Approach J. Hlavička: Computer Architecture J. Hlavička: Computer Architecture J.Douša, A.Pluháček: Introduction to Computer Systems J.Douša, A.Pluháček: Introduction to Computer Systems J.Bayer et al: Počítače pro řízení J.Bayer et al: Počítače pro řízení

6 6 Zkouška bude formou písemného testu bude formou písemného testu podrobnější informace sdělím na poslední přednášce podrobnější informace sdělím na poslední přednášce

7 7 Historie počátky obtížné definovat (záleží na definici pojmu „počítač“) počátky obtížné definovat (záleží na definici pojmu „počítač“) computer – z latinského computare, počítat (1646 – Sir Thomas Browne) computer – z latinského computare, počítat (1646 – Sir Thomas Browne) předchůdci počítačů (výpočetní pomůcky): abacus (sčot), tabulky, pravítka, strojky, mechanické tabulátory a kalkulátory předchůdci počítačů (výpočetní pomůcky): abacus (sčot), tabulky, pravítka, strojky, mechanické tabulátory a kalkulátory

8 8 Abacus (sčot)

9 9 Pascalina (1642) Blaise Pascal ( ) Blaise Pascal ( )

10 10 Další mechanické počítače Gottlieb Wilhelm von Leibniz (1646 – 1716): jeho stroj uměl + - * / (1674) Gottlieb Wilhelm von Leibniz (1646 – 1716): jeho stroj uměl + - * / (1674) Thomas de Colmar (1785 – 1870) navrhnul a sestrojil arithmometr (1820), který uměl vynásobit 2 osmiciferná čísla za 18 sekund Thomas de Colmar (1785 – 1870) navrhnul a sestrojil arithmometr (1820), který uměl vynásobit 2 osmiciferná čísla za 18 sekund Piánový arithmometr (1851)

11 11 Počítač dnes univerzální programovatelný stroj univerzální programovatelný stroj první stroj vyhovující této definici: programovatelný tkalcovský stav (1805) první stroj vyhovující této definici: programovatelný tkalcovský stav (1805) konstruktér stroje: Joseph-Marie Jacquard (1752 – 1834) konstruktér stroje: Joseph-Marie Jacquard (1752 – 1834) čtení vstupu (popis vzoru vyráběné látky) z děrovaného pásu papíru (šablony): Jacques de Vaucanson (1709 – 1782) čtení vstupu (popis vzoru vyráběné látky) z děrovaného pásu papíru (šablony): Jacques de Vaucanson (1709 – 1782)

12 12 Charles Babbage ( ) 1822 Difference Engine 1822 Difference Engine  hodnoty polynomů 6.stupně  paměť, řídící jednotka, vstup/výstup 1842 Analytical Engine 1842 Analytical Engine  univerzální, řízen programem na „děrných štítcích“  podmíněný skok  používal dekadickou soustavu  čísla až o padesáti místech, paměť pro tisíc čísel  stejně jako Difference Engine stroj nikdy nebyl dokončen

13 13 Herman Hollerith ( ) mechanický tabulátor mechanický tabulátor vstupní data na štítcích vstupní data na štítcích sčítání lidu 1890, výsledky za 6 týdnů: (výsledky z r nebyly ani po 7 letech) sčítání lidu 1890, výsledky za 6 týdnů: (výsledky z r nebyly ani po 7 letech) 1911 Computer Tabulating Recording Company 1911 Computer Tabulating Recording Company ( 1924 International Business Machines Corp.) ( 1924 International Business Machines Corp.)

14 14 Počítače počátek – především Holleritovy tabulátory počátek – především Holleritovy tabulátory mezi válkami a během II. světové války: mezi válkami a během II. světové války: Konrad Zuse Konrad Zuse Alan Turing Alan Turing John von Neumann John von Neumann Howard Hathaway Aiken (Mark 1) Howard Hathaway Aiken (Mark 1) John Mauchly, John Eckert (ENIAC) John Mauchly, John Eckert (ENIAC)

15 15 Konrad Zuse (1910 – 1995) studium stavebního inženýrství studium stavebního inženýrství Z – mechanický; binární kód Z – mechanický; binární kód Z – experiment, Z – experiment, Z – reléový, děrná páska považován za „první funkční počítač na světě“ Z – reléový, děrná páska považován za „první funkční počítač na světě“ binární, 64 slov po 22 bitech binární, 64 slov po 22 bitech floating-point (14 mantissa, 7 exp., 1 znam.) floating-point (14 mantissa, 7 exp., 1 znam.) 2400 relé (1800 paměť, 600 výkonná jedn.) 2400 relé (1800 paměť, 600 výkonná jedn.) 5-10Hz, */ 3s, + 0.7s, 4kW, 1000kg 5-10Hz, */ 3s, + 0.7s, 4kW, 1000kg údajně neznal práce Charlese Babbage údajně neznal práce Charlese Babbage

16 16 Z1 (1936) - původně se jmenoval V-1, po válce ale byl zpětně přejmenován na Z1, aby zabránil zaměňování s raketami V-1 (Zuse byl přítelem Wernera von Brauna) Z1 (1936) - původně se jmenoval V-1, po válce ale byl zpětně přejmenován na Z1, aby zabránil zaměňování s raketami V-1 (Zuse byl přítelem Wernera von Brauna)

17 17 Z3 Z3

18 18 Z – podobná architektura jako Z1 a Z3 Z – podobná architektura jako Z1 a Z3 paměť 1024 slov paměť 1024 slov 2 registry R1 a R2 2 registry R1 a R2 Instrukční sada: Instrukční sada: + - * /  + - * /  čtení z klávesnice čtení z klávesnice zobrazení R1 zobrazení R1 uložení registru uložení registru načtení registru načtení registru 8-stopá páska 8-stopá páska podmíněný skok podmíněný skok

19 19 Alan Mathison Turing ( ) 1936 hypotetické zařízení „Turingův stroj“ 1936 hypotetické zařízení „Turingův stroj“ během II. Světové války v Británii, pokusy o dešifrování Enigmy  1943 COLOSSUS během II. Světové války v Británii, pokusy o dešifrování Enigmy  1943 COLOSSUS základy oboru základy oboru „umělá inteligence“ 1950 „Turingův test“ 1950 „Turingův test“

20 20 Turingův stroj hypotetické zařízení hypotetické zařízení řídící jednotka s konečnou množinou stavů řídící jednotka s konečnou množinou stavů (potenciálně) nekonečná páska na zápis symbolů z pracovní abecedy stroje (potenciálně) nekonečná páska na zápis symbolů z pracovní abecedy stroje tabulka přechodové funkce tabulka přechodové funkce dodnes základní model v teorii časové a prostorové složitosti algoritmů dodnes základní model v teorii časové a prostorové složitosti algoritmů Church-Turingova teze Church-Turingova teze

21 21 Turingův test Práce A.Turinga směřovaly do oblasti vztahu člověka a stroje, položil základy vědního oboru o „umělé inteligenci“ (AI) Práce A.Turinga směřovaly do oblasti vztahu člověka a stroje, položil základy vědního oboru o „umělé inteligenci“ (AI) navrhl test popisující možnost testování inteligence stroje navrhl test popisující možnost testování inteligence stroje připojení testující osoby dálnopisy připojení testující osoby dálnopisy pokud není možno v přijatelném čase rozlišit zda odpovídá stroj nebo člověk, pak stroj „vykazuje znaky inteligence“ pokud není možno v přijatelném čase rozlišit zda odpovídá stroj nebo člověk, pak stroj „vykazuje znaky inteligence“

22 22 Harvard Mark I Automatic Sequence-Controlled Calculator Automatic Sequence-Controlled Calculator Howard Hathaway Aiken ( ) Howard Hathaway Aiken ( ) standardní elektromechanické prvky standardní elektromechanické prvky + - * /, logaritmy, trigonometrické funkce + - * /, logaritmy, trigonometrické funkce 18 x 2.5 m, 5 tun, 530 mil drátu, součástí, 3304 relé. 18 x 2.5 m, 5 tun, 530 mil drátu, součástí, 3304 relé. program na děrné pásce bez návratu program na děrné pásce bez návratu plně automatický, možné dlouhé výpočty plně automatický, možné dlouhé výpočty

23 23 ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer Electronic Numerical Integrator And Computer objednán Ballistics Research Laboratory během objednán Ballistics Research Laboratory během 2.světové války pro výpočty balistických tabulek nových děl do provozu uveden do provozu uveden až po válce a použit pro výpočty při konstrukci H-bomb

24 24 Parametry ENIACu Konstruktéři J.W.Mauchly a J.P.Eckert na University of Pennsylvania ve Philadelphii Konstruktéři J.W.Mauchly a J.P.Eckert na University of Pennsylvania ve Philadelphii 30 tun, přes 100 m 2 plochy, příkon 140 kW 30 tun, přes 100 m 2 plochy, příkon 140 kW desetimístná dekadická čísla, každá číslice reprezentována svazkem 10 elektronek desetimístná dekadická čísla, každá číslice reprezentována svazkem 10 elektronek 20 sčítaček, násobička, dělička, a obvody pro výpočet druhé odmocniny 20 sčítaček, násobička, dělička, a obvody pro výpočet druhé odmocniny použita „rychlá“ (0,2 ms) registrová paměť použita „rychlá“ (0,2 ms) registrová paměť programoval se pomocí nastavení přepínačů a propojování programových jednotek kabely programoval se pomocí nastavení přepínačů a propojování programových jednotek kabely

25 25 ENIAC vs Pentium ENIAC 150MHz rychlost (součtů/s) paměť 200 čísel Bytů L2 cache prvky elektronek přepínačů kondenzátorů odporů relé tranzistorů velikost 3m výška, plocha >100m 2 29x21 mm hmotnost 30 tun <20g

26 26 John Louis von Neumann americký matematik maďarského americký matematik maďarskéhopůvodu zakladatel „teorie her“ zakladatel „teorie her“ konzultant na projektu ENIAC konzultant na projektu ENIAC autor koncepce programovatelného počítače (program, podle kterého stroj pracuje, je uložen v jeho paměti), která se stala základem pro realizaci moderních programovatelných strojů autor koncepce programovatelného počítače (program, podle kterého stroj pracuje, je uložen v jeho paměti), která se stala základem pro realizaci moderních programovatelných strojů

27 27 „von Neumannova architektura“

28 28 „von Neumannova architektura“ Počítač se skládá z těchto funkčních jednotek: Počítač se skládá z těchto funkčních jednotek: paměti, ve které jsou uložena jak data tak instrukce (program) paměti, ve které jsou uložena jak data tak instrukce (program) aritmeticko-logické jednotky (ALU), která provádí A a L operace s binárními daty aritmeticko-logické jednotky (ALU), která provádí A a L operace s binárními daty řadiče, který interpretuje instrukce v paměti a vykonává je řadiče, který interpretuje instrukce v paměti a vykonává je vstupní jednotky (IN) a výstupní jednotky(OUT), které jsou řízeny řadičem vstupní jednotky (IN) a výstupní jednotky(OUT), které jsou řízeny řadičem

29 29 „von Neumannova architektura“ 1. Struktura počítače je nezávislá na řešené úloze, počítač je řízen programem uloženým v paměti. 2. Instrukce i operandy (data) jsou uloženy v téže paměti a jsou nerozlišitelné. 3. Paměť je tvořena buňkami stejné velikosti. 4. Adresa místa v paměti je dána pořadovým číslem tohoto místa, bez ohledu na obsah. 5. Program je tvořen posloupností elementárních příkazů, které určují změnu stavu stroje. V příkazu zpravidla není obsažena hodnota operandu, ale jeho adresa, takže program se při změně dat nemění. 6. Instrukce se provádějí jednotlivě v takovém pořadí, v jakém jsou uloženy v paměti. 7. Změna pořadí provádění instrukcí programu je provedena pouze instrukcemi skoku (podmíněného nebo nepodmíněného). 8. Pro reprezentaci instrukcí i čísel se používají dvojkové signály a dvojková číselná soustava.

30 30 EDVAC návrh 1945, dokončen 1949 Electronic Discrete Variable Computer Electronic Discrete Variable Computer binární aritmetika vnitřní paměť na rtuťových zpožďovacích linkách řízení programem uloženým v paměti následoval UNIVAC

31 31 Stojany počítače EDVAC

32 32 IAS machine vybudován von Neumannem v Princetonu vybudován von Neumannem v Princetonu první „ryze von Neumannovský“ počítač první „ryze von Neumannovský“ počítač paměť na 1000 „slov“, každé 40 bitů paměť na 1000 „slov“, každé 40 bitů data (číselná): znaménko a 39 bitová hodnota data (číselná): znaménko a 39 bitová hodnota instrukce: 8 bitů kód instrukce, 12 bitů adresa v paměti (tj. 2 instrukce v každém slově) instrukce: 8 bitů kód instrukce, 12 bitů adresa v paměti (tj. 2 instrukce v každém slově) 21 instrukcí 5 základních typů (přenos dat, podmíněný a nepodmíněný skok, aritmetické operace, modifikace adresy 21 instrukcí 5 základních typů (přenos dat, podmíněný a nepodmíněný skok, aritmetické operace, modifikace adresy

33 33 IAS machine - instrukce přenos dat: mezi registry v ALU a pamětí a mezi registry v ALU navzájem (2 registry) přenos dat: mezi registry v ALU a pamětí a mezi registry v ALU navzájem (2 registry) nepodmíněný skok: přerušuje sekvenční provádění instrukcí, vhodný pro realizaci cyklů nepodmíněný skok: přerušuje sekvenční provádění instrukcí, vhodný pro realizaci cyklů podmíněný skok: umožňuje mít v programu „rozhodovací uzly“ podmíněný skok: umožňuje mít v programu „rozhodovací uzly“ aritmetické instrukce: +, -, *, /, shifty aritmetické instrukce: +, -, *, /, shifty modifikace adresy: umožňuje přesunovat adresy spočítané v ALU do adresových částí instrukcí v paměti, což dává velkou adresovací pružnost modifikace adresy: umožňuje přesunovat adresy spočítané v ALU do adresových částí instrukcí v paměti, což dává velkou adresovací pružnost

34 34 Komerční počítače UNIVAC 1 (Mauchly, Eckert 1950) určen jak pro vědecké tak pro komerční aplikace (Universal Automatic Computer) UNIVAC 1 (Mauchly, Eckert 1950) určen jak pro vědecké tak pro komerční aplikace (Universal Automatic Computer) UNIVAC 2 větší pamět, vyšší výkon UNIVAC 2 větší pamět, vyšší výkon IBM 604 (1948) - elektronkový s registry IBM 604 (1948) - elektronkový s registry IBM 701 (1953) - programovatelný, elektronkový s paměťovou elektronkou IBM 701 (1953) - programovatelný, elektronkový s paměťovou elektronkou IBM 702 (1955) – zaměřený na komerční aplikace, počátek dominance IBM na trhu IBM 702 (1955) – zaměřený na komerční aplikace, počátek dominance IBM na trhu IBM 704 (1956) - feritové paměti IBM 704 (1956) - feritové paměti

35 35 Jeden byte akumulátoru v počítači Borroughs 205 (cca 1954)

36 36 Desítkový čítač s elektronkami

37 37 Ovládací panel bloku počítače

38 38 Feritová paměť

39 39 Druhá generace počítačů elektronky nahrazeny tranzistory (CPU) elektronky nahrazeny tranzistory (CPU) výhody: menší, levnější, méně hřeje výhody: menší, levnější, méně hřeje první stroje od společností NCR a RCA první stroje od společností NCR a RCA IBM 7090 (1960) IBM 7090 (1960) IBM 7094 (1962) – datové kanály, multiplexor IBM 7094 (1962) – datové kanály, multiplexor od cca po stovky tisíc tranzistorů jednotlivě pájených na desku obvodu od cca po stovky tisíc tranzistorů jednotlivě pájených na desku obvodu

40 40 Rozdíly IBM 701 a IBM 7094 počet instrukcí: 24 vs. 185 počet instrukcí: 24 vs. 185 paměť: 2K vs. 32K (36 bitových slov) paměť: 2K vs. 32K (36 bitových slov) přístupový čas: 30 vs. 1,4 mikrosekundy přístupový čas: 30 vs. 1,4 mikrosekundy relativní rychlost CPU: vzrostla 50 krát relativní rychlost CPU: vzrostla 50 krát

41 41 Třetí generace počítačů jednotlivě pájené diskrétní komponenty (tranzistory, rezistory, odpory) nahrazeny integrovanými obvody jednotlivě pájené diskrétní komponenty (tranzistory, rezistory, odpory) nahrazeny integrovanými obvody SSI (small scale integration): řádově jen desítky komponent na jednom čipu SSI (small scale integration): řádově jen desítky komponent na jednom čipu Mooreův zákon (1965): počet prvků umístěných na jednom čipu se každý rok zhruba zdvojnásobuje Mooreův zákon (1965): počet prvků umístěných na jednom čipu se každý rok zhruba zdvojnásobuje

42 42 IBM 360 (1964) zřejmě nejvýznamější a nejúspěšnější sálový počítač (mainframe) všech dob zřejmě nejvýznamější a nejúspěšnější sálový počítač (mainframe) všech dob

43 43 IBM 360/370 postaven na integrovaných obvodech postaven na integrovaných obvodech zásadní změny výstavby zásadní změny výstavby stavebnicová konstrukce stavebnicová konstrukce jednotná struktura dat a instrukcí jednotná struktura dat a instrukcí jednotný způsob připojování periferií jednotný způsob připojování periferií ochrana dat v paměti ochrana dat v paměti tato koncepce zůstala dlouho zachována (více méně dodnes (pro mainframy) tato koncepce zůstala dlouho zachována (více méně dodnes (pro mainframy)

44 44 DEC PDP-8 DEC = Digital Equipment Corporation DEC = Digital Equipment Corporation PDP-8 první minipočítač, vešel se na stůl, zatímco mainframe zabíral celou místnost PDP-8 první minipočítač, vešel se na stůl, zatímco mainframe zabíral celou místnost stál $ (mainframe > $ ) stál $ (mainframe > $ ) komerčně veleúspěšný, za 12 let prodáno přes kusů (různých modelů) komerčně veleúspěšný, za 12 let prodáno přes kusů (různých modelů) pozdější modely jako první využívaly sběrnicovou architekturu (omnibus) pozdější modely jako první využívaly sběrnicovou architekturu (omnibus)

45 45 Generace počítačů 0.relé, jednotky operací za sekundu (Z, Harvard Mark1) – elektronky, elektronková nebo bubnová paměť 1kB, 0.01MIPS (ENIAC, UNIVAC) – tranzistory, ferritová paměť 10kB, 0.1MIPS (IBM 1401, IBM 7070) – SSI, ferritová paměť 1MB, 1MIPS (IBM 360) – MSI, paměť MSI 1MB, 1MIPS (IBM 370) – LSI, paměť 10MB, 10MIPS – VLSI, paměť 100MB, 100MIPS nutno brát s rezervou, co autor to jiné členění

46 46 Vývoj v Čechách První návrh počítače představen v Badatelském ústavu matematickém (1947) První návrh počítače představen v Badatelském ústavu matematickém (1947) Některé části návrhu pokusně realizovány, např. elektronková násobička Některé části návrhu pokusně realizovány, např. elektronková násobička Založeno oddělení počítacích strojů v Ústředním ústavu matematickém ČSAV Založeno oddělení počítacích strojů v Ústředním ústavu matematickém ČSAV Projekt M1 - Fourierova transformace (1952) Projekt M1 - Fourierova transformace (1952)

47 47 SAPO (1958) generátor impulsů aritmetické jednotky a řadič magnetická bubnová paměť ovládací panel a I/O

48 48 SAPO reléová technologie, 400 elektronek, 700 relé reléová technologie, 400 elektronek, 700 relé binární aritmetika v pohyblivé řádové čárce binární aritmetika v pohyblivé řádové čárce délka slova 32 bitů délka slova 32 bitů magnetická bubnová paměť 1024 slov magnetická bubnová paměť 1024 slov pětiadresové instrukce pětiadresové instrukce rychlost práce 5 op/s rychlost práce 5 op/s trojnásobná redundance ALU trojnásobná redundance ALU 15 střadačů, paralelní operace 15 střadačů, paralelní operace

49 49 EPOS 1 (1963) Předcházely ověřovací práce na projektech E1a a E1b Předcházely ověřovací práce na projektech E1a a E1b 8000 elektronek, feritová paměť, op/s 8000 elektronek, feritová paměť, op/s vnější a vnitřní sdílení času (HW) vnější a vnitřní sdílení času (HW) stavebnicovost stavebnicovost spolehlivost (samoopravné kódy) spolehlivost (samoopravné kódy)

50 50 Prof. Antonín Svoboda *14. října 1907 v Praze *14. října 1907 v Praze pracoval na vývoji vojenských zaměřovačů pro řízení protiletecké obrany pracoval na vývoji vojenských zaměřovačů pro řízení protiletecké obrany za války odešel nejdříve do Francie a potom do USA - firma ABAX za války odešel nejdříve do Francie a potom do USA - firma ABAX po roce 1946 koncepční práce na projektech SAPO a EPOS (Svobodovy mapy) po roce 1946 koncepční práce na projektech SAPO a EPOS (Svobodovy mapy) 1964 odešel opět do USA 1964 odešel opět do USA †18. května 1980 †18. května 1980


Stáhnout ppt "1 Principy počítačů Ondřej Čepek"

Podobné prezentace


Reklamy Google