Wprowadzenie do współczesnej inżynierii. Rozwój komputerów i metod komunikacji człowieka z komputerem

Transkrypt

1 Politechnika Łódzka Instytut Elektroniki Wprowadzenie do współczesnej inżynierii Rozwój komputerów i metod komunikacji człowieka z komputerem Andrzej Materka, kwiecień 2013 Jena Meeting, December /8

2 Plan wykładu - Rozwój urządzeń wspomagających obliczenia - Prawo Moore a - Budowa i działanie komputera - Wprowadzanie danych do komputera - Komputer sterowany myślami 2/47

3 Rozwój komputerów łac. computo zrachować, obliczyć łac. calculus kamyk, rachunek Liczydło III w. pne (?) 3/47

4 Rozwój komputerów Kipu (Inkowie) Mnożarka (pałeczki) Nepera (1602) Suwak logarytmiczny 4/47

5 Rozwój komputerów Kalkulator Da Vinci (ok. 1500) Kalkulator CURTA ( ) - Kalkulator mechaniczny Schickarda (1600) - Sumator Pascala (1642) - Kalkulator Leibniza (1673) 5/47

6 Rozwój komputerów Maszyna tkacka Jacquarda (1804) Karty perforowane (program) - Maszyna analityczna Babbage a (1834) - Tabulator Holleritha (1890) 6/47

7 Rozwój komputerów Komputer elektroniczny (1946) Electronic Numerical Integrator And Calculator Lampy elektronowe (obliczanie trajektorii pocisków artyleryjskich) 7/47

8 Rozwój komputerów Komputery elektroniczne I generacja ( ) lampy elektronowe II generacja ( ) tranzystory III generacja ( ) układy scalone IV generacja (od 1975) układy scalone wielkiej skali integracji 8/47

9 Rozwój komputerów ENIAC (1946) 100 m 3 objętości 30 ton lamp próżniowych kondensatorów instr./s ENIAC-on-a-Chip (Univ. Pennsylvania 1995) 7,4 mm 5,3 mm tranzystorów MOS 9/47

10 Rozwój komputerów 1975: IBM mainframe 10 mln instrukcji/s 10 mln USD 1995: gra komputerowa 500 mln instrukcji/s (50:1) 500 USD (1:20 000) Dr Amar Gupta (MIT) Gdyby w czasie ostatnich 25 lat samoloty rozwijały się równie szybko jak komputery, to... Boeing 727 kosztowałby 500 USD, okrążałby Ziemię w 20 minut zużywając przy tym 20 l paliwa. 10/47

11 Rozwój komputerów Układ scalony miliony tranzystorów na wspólnym podłożu Duże możliwości obliczeniowe - Duża szybkość - Zwiększona niezawodność 11/47

12 Zastosowania komputerów MP3 Telefon DVD/BD Telewizor 12/47

13 Zastosowania komputerów Pralka Kuchnia mikrofalowa 13/47

14 Zastosowania komputerów Samochód osobowy Prom kosmiczny 14/47

15 Spostrzeżenie - Komputery stają się mniejsze, tańsze, szybsze, wykonują więcej funkcji i wywierają istotny wpływ na nasze życie. - Komputery stają się wszechobecne. 15/47

16 Pytania - Czym jest komputer w wymienionych zastosowaniach? - Jakie funkcje realizuje? - Dlaczego używamy komputerów do pełnienia tych funkcji? 16/47

17 Elementy składowe komputera Program John von Neumann ( ) Jednostka arytmetycznologiczna Im krótszy okres zegara, tym szybciej liczy komputer. Układy wejściowe Jednostka sterująca Układy wyjściowe Pamięć Zegar czas Cykl pracy - pobranie instrukcji - rozkodowanie instrukcji - pobranie danych - wykonanie instrukcji - przesłanie wyniku do pamięci 17/47

18 Działanie komputera CPU - Central Processing Unit (Procesor) Jednostka arytmetycznologiczna Układy wejściowe Jednostka sterująca Układy wyjściowe Tekst Mowa, Muzyka, Dane Obrazy Wideo, Wyniki pomiarów, Pamięć Informacja Tekst Dźwięk, Film, Animacja, Wykres, Tabela, Przetwarzanie danych liczbowych 18/47

19 Angielski Polski hardware sprzęt software oprogramowanie Potrzeba programowania Procesor Hardware Urządzenie wejściowe Dane Pamięć Informacja Urządzenie wyjściowe Program (aplikacja) Software - Funkcja pełniona przez komputer zależy od programu. - Sprzęt się nie zmienia. - Jest to zaleta komputerów cyfrowych. 19/47

20 Komputer elementy i operacje Założenia - przetwarzane liczby są zapisane dwójkowo (binarnie) - czas wykonania pojedynczej operacji jest bardzo krótki - elementy składowe komputera mają bardzo małe rozmiary Zapis dziesiętny dwójkowy dekompozycja na proste operacje odporność na zakłócenia 20/47

21 Komputer elementy i operacje Przykłady obliczeń dwójkowych Reguły dodawania : Kodowanie znaków pisma! $ A B Z a m Możliwość przetwarzania danych symbolicznych. 21/47

22 Okładki Pamięć Komputer elementy i operacje Kondensator płaski A C A d pojemność kondensatora d Izolator Q U 1 bajt pamięci (8 bitów) Q CU ładunek napięcie pojemność = 25 22/47

23 V in Komputer elementy i operacje V DD =5V Inwerter V o C A A Funkcja NIE A A W stanie statycznym układy CMOS nie pobierają energii. ŹRÓDŁO (S) BRAMKA (G) DREN (D) V DD =5V W Vin v GSP v GSN S D D S Inwerter CMOS V o C 0,1 µm n + n + Si L podłoże typu p B Tranzystor MOS 23/47

24 Komputer elementy i operacje A B LUB NIE-LUB A A + B B Funkcja NIE - LUB A B M 1 M 2 V DD X=A+B George Boole ( ) System funkcjonalnie pełny można zbudować używając tylko dwóch operatorów, np. LUB i NIE. A B A + B LUB A NIE A M 3 M 4 Układ NIE - LUB Układy scalone CMOS mogą służyć do budowy komputerów. 24/47

25 Komputer elementy i operacje Układ scalony - miliony tranzystorów na wspólnym podłożu. - duże możliwości obliczeniowe - duża szybkość - zwiększona niezawodność 25/47

26 Liczba tranzystorów w układzie scalonym Rozwój komputerów 1.0E E E E E Rok (19XX) Prawo Moore a (1965) Liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się co 18 miesięcy. Hipoteza Kurzweilla (1999) Prawo Moore a dotyczy możliwości obliczeniowych komputera każdego typu, niezależnie od technologii jego realizacji. 26/47

27 Rozwój komputerów Układy scalone... - mogą pomieścić setki tysięcy układów LUB i NIE - są coraz szybsze Komputery zbudowane z układów scalonych... - stają się mniejsze - wykonują więcej złożonych obliczeń - liczą szybciej 27/47

28 Urządzenia wejściowe Karta dziurkowana Taśma dziurkowana 28/47

29 Urządzenia wejściowe Klawiatura Ekran dotykowy 29/47

30 Urządzenia wejściowe Pióro świetlne Tablica graficzna 30/47

31 Urządzenia wejściowe Mysz komputerowa Patent (1970) 31/47

32 Urządzenia wejściowe Działanie popularnych urządzeń wejściowych nie jest zgodne z naturą komunikowania się człowieka z otoczeniem. Mysz przewodowa optyczna Myszy bezprzewodowe 32/47

33 Urządzenia wejściowe Interfejsy HCI (Human-Computer Interface) /47

34 Instytut Elektroniki PŁ b-link Sterowanie komputerem za pomocą mrugnięć powiekami. 34/47

35 Interfejs mózg-komputer BCI BCI (Brain-Computer Interface) wykorzystuje analizę pracy mózgu (np. mózgowe sygnały elektryczne) i nie zależy od aktywności innych nerwów lub mięśni. 35/47

36 Interfejs mózg-komputer Korzystanie z interfejsu BCI nie wymaga wykonywania ruchu. Angorka nr 10 ( ) Odbiorcy osoby niepełnosprawne, sparaliżowane piloci samolotów, kierowcy wszyscy użytkownicy komputerów 36/47

37 Interfejs mózg-komputer Kora mózgowa Planowanie ruchu Ograniczona pojemność i szybkość 37/47

38 Zasada działania interfejsu mózg-komputer Pomiar EEG Sygnał EEG Przetwarzanie wstępne Komputer Wyznaczanie cech images/10_20_system_mod.gif Klasyfikacja cech Informacja zwrotna Wykonanie zadania images/placed3way_web.jpg Elektryczne sygnały mózgowe są bardzo słabe i silnie zakłócone 38/47

39 Wspomaganie osób niepełnosprawnych 39/47

40 Mózgowe odpowiedzi wywołane Analiza widmowa f x Częstość f x index.shtml?main=/tbi/brain.html Czas Duża pojemność i prędkość 40/47

41 Świetlna klawiatura Każdy klawisz miga z inną częstością EEG Analiza widmowa Wybieranie numerów telefonicznych (Tsinghua University, Pekin) 41/47

42 Instytut Elektroniki PŁ Badania i eksperymenty S F S L 1 cm S R 42/47

43 Instytut Elektroniki PŁ Badania i eksperymenty 43/47

44 Instytut Elektroniki PŁ Badania i eksperymenty Użytkownik Czas detekcji [s] min max średni AK AK AK LS LS MP WF MB MB MB /47

45 Instytut Elektroniki PŁ Podsumowanie Opracowano nowy system interfejsu mózgkomputer Lepsza jakość sygnału => większa szybkość i pojemność Tylko 3 elektrody Mały rozmiar wirtualnej klawiatury 1 Obecne badania: zwiększenie liczby 1 znaków wirtualnej klawiatury 45/47

46 Podsumowanie cd. Wykorzystanie elektrycznych sygnałów mózgowych udostępnia komputer osobom niepełnosprawnym. Istnieją możliwości zwiększenia szybkości i niezawodności komunikacji za pomocą SSVEP. Jest bardzo dużo do zrobienia w zakresie komunikacji człowieka z [wszechobecnymi] komputerami. 46/47

47 Rozwój komputerów i metod komunikacji człowieka z komputerem Dziękuję Państwu za uwagę i życzę ciekawych, owocnych studiów Andrzej Materka, 47/47