Ondřej Čepek ondrej.cepek@mff.cuni.cz http://kti.mff.cuni.cz/~cepek Principy počítačů Ondřej Čepek ondrej.cepek@mff.cuni.cz http://kti.mff.cuni.cz/~cepek.

Prezentace na téma: "Ondřej Čepek ondrej.cepek@mff.cuni.cz http://kti.mff.cuni.cz/~cepek Principy počítačů Ondřej Čepek ondrej.cepek@mff.cuni.cz http://kti.mff.cuni.cz/~cepek."— Transkript prezentace:

1 Ondřej Čepek ondrej.cepek@mff.cuni.cz http://kti.mff.cuni.cz/~cepek
Principy počítačů Ondřej Čepek

2 Cíl předmětu 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 úroveň podrobnosti bude proměnlivá (ale nikde nepůjdeme až na fyzikální úroveň)

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

4 Literatura Doporučená literatura
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

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

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

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

8 Abacus (sčot)

9 Pascalina (1642) Blaise Pascal ( )

10 Další mechanické počítače
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 Piánový arithmometr (1851)

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

12 Charles Babbage (1791-1871) 1822 Difference Engine
hodnoty polynomů 6.stupně paměť, řídící jednotka, vstup/výstup 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 Herman Hollerith (1860-1929) mechanický tabulátor
vstupní data na štítcích sčítání lidu 1890, výsledky za 6 týdnů: (výsledky z r nebyly ani po 7 letech) 1911 Computer Tabulating Recording Company ( 1924 International Business Machines Corp.)

14 Počítače 1900-1945 počátek – především Holleritovy tabulátory
mezi válkami a během II. světové války: Konrad Zuse Alan Turing John von Neumann Howard Hathaway Aiken (Mark 1) John Mauchly, John Eckert (ENIAC)

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

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)

17 Z3

18 Z4 1941-1945 – podobná architektura jako Z1 a Z3 paměť 1024 slov
2 registry R1 a R2 Instrukční sada: + - * /  čtení z klávesnice zobrazení R1 uložení registru načtení registru 8-stopá páska podmíněný skok

19 Alan Mathison Turing (1912-1954)
1936 hypotetické zařízení „Turingův stroj“ během II. Světové války v Británii, pokusy o dešifrování Enigmy  1943 COLOSSUS základy oboru „umělá inteligence“ 1950 „Turingův test“

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

21 Turingův test 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 připojení testující osoby dálnopisy pokud není možno v přijatelném čase rozlišit zda odpovídá stroj nebo člověk, pak stroj „vykazuje znaky inteligence“

22 Harvard Mark I 1944-1959 Automatic Sequence-Controlled Calculator
Howard Hathaway Aiken ( ) standardní elektromechanické prvky + - * /, logaritmy, trigonometrické funkce 18 x 2.5 m, 5 tun, 530 mil drátu, součástí, 3304 relé. program na děrné pásce bez návratu plně automatický, možné dlouhé výpočty

23 ENIAC 1946-1955 Electronic Numerical Integrator And Computer
objednán Ballistics Research Laboratory během 2.světové války pro výpočty balistických tabulek nových děl do provozu uveden až po válce a použit pro výpočty při konstrukci H-bomb

24 Parametry ENIACu Konstruktéři J.W.Mauchly a J.P.Eckert na University of Pennsylvania ve Philadelphii 30 tun, přes 100 m2 plochy, příkon 140 kW desetimístná dekadická čísla, každá číslice reprezentována svazkem 10 elektronek 20 sčítaček, násobička, dělička, a obvody pro výpočet druhé odmocniny použita „rychlá“ (0,2 ms) registrová paměť programoval se pomocí nastavení přepínačů a propojování programových jednotek kabely

25 ENIAC vs Pentium ENIAC Pentium @ 150MHz rychlost (součtů/s) 5 000
paměť 200 čísel Bytů L2 cache prvky elektronek přepínačů kondenzátorů odporů relé tranzistorů velikost 3m výška, plocha >100m2 29x21 mm hmotnost 30 tun <20g

26 John Louis von Neumann 1903- 1957
americký matematik maďarského původu zakladatel „teorie her“ 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

27 „von Neumannova architektura“

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

29 „von Neumannova architektura“
Struktura počítače je nezávislá na řešené úloze, počítač je řízen programem uloženým v paměti. Instrukce i operandy (data) jsou uloženy v téže paměti a jsou nerozlišitelné. Paměť je tvořena buňkami stejné velikosti. Adresa místa v paměti je dána pořadovým číslem tohoto místa, bez ohledu na obsah. 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. Instrukce se provádějí jednotlivě v takovém pořadí, v jakém jsou uloženy v paměti. Změna pořadí provádění instrukcí programu je provedena pouze instrukcemi skoku (podmíněného nebo nepodmíněného). Pro reprezentaci instrukcí i čísel se používají dvojkové signály a dvojková číselná soustava.

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

31 Stojany počítače EDVAC

32 IAS machine vybudován von Neumannem v Princetonu
první „ryze von Neumannovský“ počítač paměť na 1000 „slov“, každé 40 bitů data (číselná): znaménko a 39 bitová hodnota 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

33 IAS machine - instrukce
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 podmíněný skok: umožňuje mít v programu „rozhodovací uzly“ aritmetické instrukce: +, -, *, /, shifty modifikace adresy: umožňuje přesunovat adresy spočítané v ALU do adresových částí instrukcí v paměti, což dává velkou adresovací pružnost

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

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

36 Desítkový čítač s elektronkami

37 Ovládací panel bloku počítače

38 Feritová paměť

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

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

41 Třetí generace počítačů
jednotlivě pájené diskrétní komponenty (tranzistory, rezistory, odpory) nahrazeny integrovanými obvody 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

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

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

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

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

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

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

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

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