1 / 46

Principy počítačů

Principy počítačů. Zdroj: Ondřej Čepek. Hrubá osnova. Historie počítačů Architektura a organizace počítačů Reprezentace dat Procesory Paměti Propojovací systémy Periferie. Historie. počátky obtížné definovat (záleží na definici pojmu „počítač“)

blake-jennings
Download Presentation

Principy počítačů

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Principy počítačů Zdroj: Ondřej Čepek

  2. Hrubá osnova • Historie počítačů • Architektura a organizace počítačů • Reprezentace dat • Procesory • Paměti • Propojovací systémy • Periferie

  3. 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

  4. Abacus (sčot)

  5. Pascalina (1642) • Blaise Pascal (1623 - 1662)

  6. 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)

  7. 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)

  8. 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

  9. Herman Hollerith(1860-1929) • mechanický tabulátor • vstupní data na štítcích • sčítání lidu 1890, výsledky za 6 týdnů: 62 622 250 (výsledky z r. 1880 nebyly ani po 7 letech) • 1911 Computer Tabulating Recording Company ( 1924 International Business Machines Corp.)

  10. 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)

  11. Konrad Zuse(1910 – 1995) • studium stavebního inženýrství • Z11936-1938 – mechanický; binární kód • Z21940 – experiment, • Z31938-1941 – 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

  12. 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)

  13. Z3

  14. Z41941-1945 – 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

  15. 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“

  16. 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

  17. 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“

  18. Harvard Mark I1944-1959 • Automatic Sequence-Controlled Calculator • Howard Hathaway Aiken(1900-1973) • standardní elektromechanické prvky • + - * /, logaritmy, trigonometrické funkce • 18 x 2.5 m, 5 tun, 530 mil drátu, 760 000 součástí, 3304 relé. • program na děrné pásce bez návratu • plně automatický, možné dlouhé výpočty

  19. ENIAC1946-1955 • 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

  20. 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

  21. ENIAC vs Pentium

  22. John Louis von Neumann1903- 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

  23. „von Neumannova architektura“

  24. „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

  25. „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.

  26. EDVACnávrh 1945, dokončen 1949 • Electronic Discrete Variable Computer • binární aritmetika • vnitřní paměť na rtuťových zpožďovacích linkách • řízení programem uloženým v paměti • následoval UNIVAC

  27. Stojany počítače EDVAC

  28. 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

  29. 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

  30. 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

  31. Jeden byte akumulátoru v počítači Borroughs 205 (cca 1954)

  32. Desítkový čítač s elektronkami

  33. Ovládací panel bloku počítače

  34. Feritová paměť

  35. 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 10 000 po stovky tisíc tranzistorů jednotlivě pájených na desku obvodu

  36. 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

  37. 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

  38. IBM 360 (1964) • zřejmě nejvýznamější a nejúspěšnější sálový počítač (mainframe) všech dob

  39. 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)

  40. DEC PDP-8 • DEC = Digital Equipment Corporation • PDP-8 první minipočítač, vešel se na stůl, zatímco mainframe zabíral celou místnost • stál $16 000 (mainframe > $100 000) • komerčně veleúspěšný, za 12 let prodáno přes 50 000 kusů (různých modelů) • pozdější modely jako první využívaly sběrnicovou architekturu (omnibus)

  41. Generace počítačů 0. relé, jednotky operací za sekundu (Z, Harvard Mark1) 1. 1951 – elektronky, elektronková nebo bubnová paměť 1kB, 0.01MIPS (ENIAC, UNIVAC) 2. 1957 – tranzistory, ferritová paměť 10kB, 0.1MIPS (IBM 1401, IBM 7070) 3. 1964 – SSI, ferritová paměť 1MB, 1MIPS (IBM 360) 3.5 1971 – MSI, paměť MSI 1MB, 1MIPS (IBM 370) 4. 1976 – LSI, paměť 10MB, 10MIPS 5. 1980 – VLSI, paměť 100MB, 100MIPS nutno brát s rezervou, co autor to jiné členění

  42. 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)

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

  44. 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

  45. EPOS 1 (1963) • Předcházely ověřovací práce na projektech E1a a E1b • 8000 elektronek, feritová paměť, 20000 op/s • vnější a vnitřní sdílení času (HW) • stavebnicovost • spolehlivost (samoopravné kódy)

  46. 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

More Related