Podstawy Informatyki Organizacja prostego komputera dydaktycznego

Transkrypt

1 Podstawy Informatyki Organizacja prostego komputera dydaktycznego

2 Plan wykładu 1 2 Wprowadzenie Architektura maszyny W Rozkazy maszyny W 3 Rozkazy arytmetyczne Rozkazy przesyłów Rozkazy skoków

3 Wilhelm Schickard ( ) Niemiecki matematyk, orientalista i konstruktor, profesor Uniwersytetu w Tybindze, pastor luterański. Twórca pierwszego kalkulatora (1623), wykonującego dodawanie, odejmowanie, mnożenie i dzielenie liczb całkowitych. Konstrukcja drewniana powstała na zamówienie Jana Keplera, spłonęła w 1624 w czasie wojny trzydziestoletniej.

4 Blaise Pascal ( ) Francuski matematyk, fizyk i filozof religii Twórca mechanicznego kalkulatora Pascaliny (1642) umożliwiającego dodawanie i odejmowanie liczb. 19-letni Pascal chciał ułatwić pracę ojcu (poborcy podatkowemu). Do 1652 roku wykonano około 50 pascalin, służących do liczenia w różnych systemach monetarnych lub wspomagania pracy geodetów.

5 Gottfried Leibniz ( ) Niemiecki filozof, matematyk, prawnik, inżynier mechanik, fizyk, historyk i dyplomata. W 1671 zaprojektował i wykonał Stepped reckoner (niem. lebendige Rechenbank, dosł. żywa ława do obliczeń) - kalkulator mechaniczny zdolny do odejmowania, mnożenia, dzielenia i wyprowadzania pierwiastków kwadratowych.

6 Charles Babbage ( ) Angielski matematyk, astronom i mechanik, autor tablic logarytmicznych, poświęcił 35 lat życia na konstruowanie maszyn liczących. W 1822 Babbage zaproponował zbudowanie maszyny różnicowej, która automatycznie wyliczałaby tablice logarytmów i funkcji trygonometrycznych. Konstrukcja została tylko częściowo ukończona (1832). Pierwszy kompletny egzemplarz (2002) składa się z części i waży 5 ton.

7 Maszyna Analityczna Plan wykładu W 1837 Babbage przedstawił projekt maszyny analitycznej, który rozwijał aż do śmierci. Ze względu na brak środków finansowych maszyna nigdy nie została zbudowana. Założenia: konstrukcja mechaniczna, napędzaną silnikiem parowym program i dane mają być wprowadzane za pośrednictwem kart perforowanych dane wyjściowe mają być drukowane na drukarce, rysowane przy pomocy urządzenia kreślarskiego lub zapisywane na kartach perforowanych konstrukcja zakłada rozdzielenie pamięci i jednostki obliczeniowej maszyna pozwala na wykorzystanie konstrukcji takich jak pętle, instrukcje warunkowe czy przetwarzanie równoległe

8 Augusta Ada King, hrabina Lovelace ( ) Angielska matematyczka, uważana za pierwszego programistę napisała pierwszy w historii algorytm, który miał być wykonany przez maszynę Babbage a. Ciekawostki: Urodzona jako Augusta Ada Byron, znana jako Ada Lovelace 10 grudnia 1980 r. Ministerstwo Obrony Stanów Zjednoczonych zatwierdziło opis nowego języka programowania nazwanego Ada. Jej podobizna widnieje na hologramach autentyczności produktów Microsoftu.

9 Augusta Ada King, hrabina Lovelace ( ) Angielska matematyczka, uważana za pierwszego programistę napisała pierwszy w historii algorytm, który miał być wykonany przez maszynę Babbage a. Ciekawostki: Urodzona jako Augusta Ada Byron, znana jako Ada Lovelace 10 grudnia 1980 r. Ministerstwo Obrony Stanów Zjednoczonych zatwierdziło opis nowego języka programowania nazwanego Ada. Jej podobizna widnieje na hologramach autentyczności produktów Microsoftu.

10 Claude Elwood Shannon ( ) Amerykański matematyk i inżynier, jeden z twórców teorii informacji. Już jako młody człowiek twierdził, że ciągami zer i jedynek da się opisać tekst, obraz i dźwięk. Pracował nad sztuczną inteligencją, rozwijając koncepcje maszyn Turinga, czego efektem był m.in. komputer szachowy MANIAC 1 (1956). Zafascynowany algebrą Boole a w 1938 roku opracował metodę szybkiego przetwarzania danych, wykorzystywaną do sterowania elektronicznymi przekaźnikami.

11 Alan Mathison Turing ( ) Angielski matematyk, kryptolog, jeden z twórców informatyki. Dzięki pracy O liczbach obliczalnych (gdzie przedstawił koncepcję tzw.maszyny Turinga) w wieku 26 lat Turing został uznany za jednego z najwybitniejszych matematyków świata. Zaprojektował tzw. bombę Turinga ( ), urządzenie służące do łamania kodu Enigmy. Był pomysłodawcą tzw. testu Turinga (1950) eksperymentu będącego próbą formalnego zdefiniowania sztucznej inteligencji.

12 to umowny podział komputerów cyfrowych, zależnie od zastosowanej technologii. Zerowa generacja maszyny konstruowane przed pojawieniem się uniwersalnych, elektronicznych maszyn cyfrowych (brak lamp, tranzystorów itd.) budowane na elementach mechanicznych lub elektromagnetycznych, np. przekaźnikowy Z3 (komputer o zmiennym programie zbudowany przez niemieckiego inżyniera Konrada Zuse w 1941r.)

13 1 generacja Plan wykładu Maszyny budowane na lampach elektronowych. ABC - Atanasoff-Berry Computer (USA, 1939) ENIAC - Electronic Numerical Integrator and Computer (USA, 1945) XYZ - pierwszy elektroniczny komputer cyfrowy zbudowany i uruchomiony w Polsce (1957) 400 lamp elektronowych i 2000 diod pamięć operacyjna (rtęciowa): 1024 słowa długości 18 bitów urządzenia zewnętrzne: czytnik i perforator kart szybkość obliczeń: dodawań na sekundę mnożeń na sekundę

14 2 generacja Plan wykładu Maszyny budowane na tranzystorach. Philco Transac (Transistor-Automatic-Computer) S-1000 oraz S-2000 (1957, USA) Olivetti Elea 9003 (1959, Włochy) ZAM 41 (1961, Polska) zbudowany na selekcjonowanych germanowych tranzystorach stopowych TG1

15 3 generacja Plan wykładu Maszyny budowane na układach scalonych małej i średniej skali integracji. IBM System/360 S360 - system trzeciej generacji na lata sześćdziesiąte rodzina komputerów produkowana od 1964 do 1980 cechy: podobna lub identyczna lista rozkazów/system operacyjny, rosnąca szybkość, liczba urządzeń wejścia - wyjścia, rozmiar pamięci Odra produkowany seryjnie od 1973 r. w Zakładach Elektronicznych Elwro we Wrocławiu. Do 1 kwietnia 2010 roku przedostatnia Odra 1305 pracowała na stacji towarowej Wrocław Brochów. Służyła do zdalnej inwentaryzacji składów i zestawiania pociągów towarowych. 1 maja 2010 roku o godzinie 9:18 została wyłączona ostatnia działająca Odra 1305, która pracowała w PKP Lublin Tatary nieprzerwanie od 1974r.

16 Odra 1305 Plan wykładu Działający komputer Odra 1305 (styczeń 2010r.) Odra 1305 we Wrocławiu, 2:32 Kadra opiekująca się Odrą 1305 w Lublinie (kwiecień 2010r.) Odra 1305 w Lublinie, 1:13 Zapowiedź wystawy Made in Wrocław (czerwiec 2010r.) Wystawa, 2:30

17 4 generacja Plan wykładu Maszyny budowane na układach scalonych wielkiej skali integracji, np. komputery osobiste PC. Ich podstawą była konstrukcja mikroprocesora przez firmę Intel (pierwszy model 4004, powstał w 1971r.) Piąta generacja to projekty o niekonwencjonalnych rozwiązaniach komputer optyczny (hipotetyczne urządzenie wykorzystujące fotony zamiast prądu elektrycznego do przeprowadzania obliczeń) komputer kwantowy (dane są reprezentowane przez aktualny stan kwantowy układu stanowiącego komputer a jego ewolucja odpowiada procesowi obliczeniowemu)

18 4 generacja Plan wykładu Maszyny budowane na układach scalonych wielkiej skali integracji, np. komputery osobiste PC. Ich podstawą była konstrukcja mikroprocesora przez firmę Intel (pierwszy model 4004, powstał w 1971r.) Piąta generacja to projekty o niekonwencjonalnych rozwiązaniach komputer optyczny (hipotetyczne urządzenie wykorzystujące fotony zamiast prądu elektrycznego do przeprowadzania obliczeń) komputer kwantowy (dane są reprezentowane przez aktualny stan kwantowy układu stanowiącego komputer a jego ewolucja odpowiada procesowi obliczeniowemu)

19 ALTAIR 8800 Plan wykładu Zestaw komputerowy do własnoręcznego montażu, opracowany pod koniec 1974 r. w firmie Micro Instrumentation and Telemetry Systems, zawierał 8-bitowy mikroprocesor Intel Brak klawiatury i monitora, obsługiwany poprzez przełączniki na przednim panelu Podstawowa pamięć operacyjna to 256 bajtów, z możliwością rozbudowy, np. kości pamięci RAM 1, 2, 4, 16 kb Możliwość podłączenia magnetofonu jako pamięci masowej Sprzedano około 10 tys. egzemplarzy

20 Apple I i II Plan wykładu Apple I (1976) Apple II (1977) Sprzedawane już w pełni złożone Posiadały 8-bitowy mikroprocesor firmy MOS Technology 6502 i pamięć operacyjną 4kB RAM (max. 48kB) Apple I jako pierwszy komputer korzystał z klawiatury i monitora Apple II jako pierwszy mógł wyświetlić kolorową grafikę

21 K-202 Plan wykładu Polski 16-bitowy modularny komputer opracowany i konstruowany przez inż. Jacka Karpińskiego z zespołem w latach Umożliwiał wielozadaniowość, wielodostępność i wieloprocesorowość Jako pierwszy stosował adresowanie stronicowe Zastosowano w nim pamięć stałą i operacyjną 8 MB Wykonywał milion operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę Wyprodukowano około 30 sztuk

22 Warto obejrzeć Plan wykładu Jacek Karpiński ( ) Ale Historia, 2:05 Polski Bill Gates, 3:13 Jack Tramiel( ) wg innych źródeł: Jacek Trzmiel, Idek Tramielski lub Idek Trzmiel Komputery a sprawa polska, 1:57

23 Wprowadzenie Architektura maszyny W Rozkazy maszyny W Komputer - architektura von Neumanna

24 Komputer, pogram, rozkaz Wprowadzenie Architektura maszyny W Rozkazy maszyny W Komputer Urządzenie techniczne zdolne do realizacji programu, czytania programu i danych oraz wyprowadzania wyników Program - uporządkowany ciąg instrukcji elementarnych zwanych rozkazami Rozkaz - uporządkowany ciąg operacji na elementach komputera uaktywnianych przez odpowiednie sygnały sterujące - zbiór wszystkich rozkazów dostępnych w danym komputerze

25 Układ sterowania Plan wykładu Wprowadzenie Architektura maszyny W Rozkazy maszyny W Układ sterujący realizuje pewną funkcję wektorową X = Φ(Y ), czyli i x i = Φ i (Y ) X = (x 1, x 2,..., x n ) - mikrorozkaz, czyli wektor sygnałów sterujących doprowadzanych do punktów sterowania Y = (y 1, y 2,..., y m ) - stan urządzenia, czyli wektor sygnałów zgłoszenia (stanu) generowanych przez źródło zgłoszenia

26 Architektura maszyny W Wprowadzenie Architektura maszyny W Rozkazy maszyny W

27 Format i lista rozkazów maszyny W Wprowadzenie Architektura maszyny W Rozkazy maszyny W Rozkaz to 8-bitowe słowo maszynowe K 1 K 2 K 3 A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 Kod operacji Adres argumentu Gdy słowo pojawia się w rejestrze I, jest interpretowane jako rozkaz. Tablica rozkazów Symbol Kod Treść DOD 001 (Ak) + ((Ad)) Ak ODE 010 (Ak) ((Ad)) Ak ŁAD 011 (Ak) (Ad) POB 100 ((Ad)) Ak SOB 101 (Ad) L SOM 110 (Ad) L gdy Z = 1 STP 111 zatrzymanie zegara

28 Cykl rozkazowy Plan wykładu Wprowadzenie Architektura maszyny W Rozkazy maszyny W Podzielony jest na fazy Rozpoczyna się pobraniem i zdekodowaniem rozkazu oraz zwiększeniem wartości licznika rozkazów czyt, wys, wei, il Kończy się przygotowaniem do realizacji kolejnego rozkazu wyl, wea

29 Rozkaz dodawania Plan wykładu Rozkazy arytmetyczne Rozkazy przesyłów Rozkazy skoków DOD: (Ak) + ((Ad)) Ak ((A)) S, (S) I, (L) + 1 L czyt, wys, wei, il (Ad) A wyad, wea ((A)) S, (Ak) + (S) Ak czyt, wys, weja, dod, weak (L) A wyl, wea

30 Rozkazy arytmetyczne Rozkazy przesyłów Rozkazy skoków Przebiegi czasowe i równania rozkazu DOD

31 Rozkaz odejmowania Plan wykładu Rozkazy arytmetyczne Rozkazy przesyłów Rozkazy skoków ODE: (Ak) ((Ad)) Ak ((A)) S, (S) I, (L) + 1 L czyt, wys, wei, il (Ad) A wyad, wea ((A)) S, (Ak) (S) Ak czyt, wys, weja, ode, weak (L) A wyl, wea

32 Rozkazy arytmetyczne Rozkazy przesyłów Rozkazy skoków Przebiegi czasowe i równania rozkazu ODE

33 Rozkaz pobierania z pamięci Rozkazy arytmetyczne Rozkazy przesyłów Rozkazy skoków POB: ((Ad)) Ak ((A)) S, (S) I, (L) + 1 L czyt, wys, wei, il (Ad) A wyad, wea ((A)) S, (S) Ak czyt, wys, weja, przep, weak (L) A wyl, wea

34 Rozkazy arytmetyczne Rozkazy przesyłów Rozkazy skoków Przebiegi czasowe i równania rozkazu POB

35 Rozkaz ładowania do pamięci Rozkazy arytmetyczne Rozkazy przesyłów Rozkazy skoków ŁAD: (Ak) (Ad) ((A)) S, (S) I, (L) + 1 L czyt, wys, wei, il (Ad) A wyad, wea (Ak) S wyak, wes (S) (A), pisz (L) A wyl, wea

36 Rozkazy arytmetyczne Rozkazy przesyłów Rozkazy skoków Przebiegi czasowe i równania rozkazu ŁAD

37 Rozkaz skoku bezwarunkowego Rozkazy arytmetyczne Rozkazy przesyłów Rozkazy skoków SOB: (Ad) L ((A)) S, (S) I, (L) + 1 L (Ad) L (L) A czyt, wys, wei, il wyad, wel wyl, wea

38 Rozkazy arytmetyczne Rozkazy przesyłów Rozkazy skoków Przebiegi czasowe i równania rozkazu SOB

39 Rozkazy arytmetyczne Rozkazy przesyłów Rozkazy skoków Rozkaz skoku warunkowego (przy minusie) SOM: (Ad) L, gdy (Ak) < 0, czyli Z = 1 ((A)) S, (S) I, (L) + 1 L czyt, wys, wei, il Jeżeli Z = 0 to (L) A wyl, wea Jeżeli Z = 1 to (Ad) L, A wyad, wel, wea

40 Rozkazy arytmetyczne Rozkazy przesyłów Rozkazy skoków Przebiegi czasowe i równania rozkazu SOM, gdy Z = 0

41 Rozkazy arytmetyczne Rozkazy przesyłów Rozkazy skoków Przebiegi czasowe i równania rozkazu SOM, gdy Z = 1