Historia komputerów. Historia komputerów. Historia komputerów. Historia komputerów. Historia komputerów

Transkrypt

1 Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 1 z Elementy komputera Procesor, pamięć, magistrala Urządzenia pamięci Porty Maszyna Jacquard a Drukowanie powtarzalnych wzorów na materiałach Karty drukowane Era prehistoryczna Palce u rąk (dlatego mamy system dziesiętny) Linie na ścianach Budowle kamienne Elektryczność, wynalezienie lampy elektronowej 1945 rok Wreszcie prawdziwy komputer ENIAC Electronic Numerical Integrator Analyzer and Computer Pierwszy komputer Liczydło Wynalezione w Chinach około 400 roku przed naszą erą Rozwój mikroelektroniki Wynalezienie tranzystora zawór (1947) Wynalezienie układu scalonego (1958) 1821 Pierwszy prawdziwy komputer Maszyna licząca Babbage a Zwyczajny Tranzystory Polowy MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Wzmacniacz Przełącznik cyfrowy

2 Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 2 z 9 Komputer osobisty Altair Elektronika organiczna Co dalej? Liverpool University Komputery kwantowe Qbity Komputer osobisty Budowa komputera Magistrala Procesor Pamięć Układy I/O procesor układ elektroniczny realizujący przetwarzanie informacji pamięć przechowywanie informacji. układy wejścia/wyjścia (I/O) komunikacja z otoczeniem Najszybszy komputer świata Tianhe-1A (Droga mleczna) 7168 procesorów graficznych Tesla M2050 Nvidia procesorów Intela Xeon X TB pamięci operacyjnej oraz 5 PB przestrzeni dyskowej PROCESOR Procesor CPU- Central Processing Unit (centralna jednostka przetwarzająca). Półprzewodnikowy element w postaci układu scalonego dużej skali integracji (miliony bramek) Intel tranzystorów 60 tys operacji /s 90nm 2006 Dual Core Itanium mln - tranzystorów 45nm 2009 Intel i GHz, FSB 1600MHz, 758 mln tranzystorów A gdzie my jesteśmy? Klaster Zeus z CYFRONETU AGH Procesory Intela 18 TB pamięci operacyjnej oraz 1,5 PB przestrzeni dyskowej Parametry charakteryzujące procesor Podstawowymi parametrami wpływającymi na wydajność procesora (szybkość wykonywania operacji przez procesor) są: Liczba rdzeni Szybkość (częstotliwość taktowania) określana częstotliwością zegara ( mierzona w MHz) Wielkość magistrali danych (liczba przesyłanych jednocześnie bitów), (8, 16, 32, 64 bity) Częstotliwość taktowania magistrali danych (Szybkość przekazywania danych do urządzeń wejściowych i wyjściowych) Wielkość pamięci CACHE pierwszego poziomu (L1) i drugiego poziomu (L2) Wewnętrzna konstrukcja oraz lista rozpoznawanych i wykonywanych instrukcji elementarnych

3 No i czy na tym już koniec? Prawo Moor a 1972 r. Moc obliczeniowa układów scalonych podwaja się co półtora roku Oryginał 1965 Superskalarność (superscalar) Możliwość ukończenia kilku instrukcji na raz, w pojedynczym cyklu zegara, jest możliwa dzięki zwielokrotnieniu jednostek wykonawczych Wielowątkowość Wielordzeniowość Możliwość realizacji kilku wątków (zadań działających na tym samym obszarze pamięci) na pojedynczym procesorze (Pentium) Możliwość realizacji kilku zadań na mnogich jednostkach obliczeniowych (Pentium DualCore, AMD X2) Przetwarzanie potokowe (pipelining) Układ DualCore Technika polegająca na podziale działania procesora na specjalizowane grupy, w taki sposób, aby każda z grup wykonywała część pracy związanej z wykonaniem rozkazu. Rdzeń CPU i pamięć podręczna L1 Rdzeń CPU i pamięć podręczna L1 Przykładowe etapy wykonania jednego rozkazu: [Pobierz]->[Dekoduj]->[Ładuj]->[Wykonaj]->[Zapisz] Szyna danych i pamięć podręczna L2 Obecnie można kupić jednostki sześciordzeniowe Przetwarzanie potokowe (pipelining) Wielordzeniowość Działanie niepotokowe [Pobierz]->[Dekoduj]->[Ładuj]->[Wykonaj]->[Zapisz] Cykl 1: [Pobierz rozkaz 1] Układ eksperymentalny Cykl 2: [Dekoduj rozkaz 1] Cykl 3: [Ładuj dane do rozkazu 1] Cykl 4: [Wykonaj rozkaz 1] Cykl 5: [Zapisz wynik wykonania rozkazu 1] Wykonanie 1 rozkazu zajmuje średnio 5 cykli Intel - Teraflops Research Chip Układ posiada 80 rdzeni Przetwarzanie potokowe (pipelining) Działanie potokowe [Pobierz]->[Dekoduj]->[Ładuj]->[Wykonaj]->[Zapisz] Cykl 1: [Pobierz rozkaz 1] Cykl 2: [Pobierz rozkaz 2], [Dekoduj rozkaz 1] Cykl 3: [Pobierz rozkaz 3], [Dekoduj dekoduj rozkaz 2], [Ładuj dane do rozkazu 1] Cykl 4: [Pobierz rozkaz 4], [Dekoduj rozkaz 3], [Ładuj dane do rozkazu 2], [Wykonaj rozkaz 1] Cykl 5: [Pobierz rozkaz 5], [Dekoduj rozkaz 4], [Ładuj dane do rozkazu 3], [Wykonaj rozkaz 2], [Zapisz wynik wykonania rozkazu 1] Wykonanie 1 rozkazu zajmuje średnio 1 cykl Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 3 z 9

4 Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 4 z 9 Budowa komputera Magistrala Szybkie pamięci Statyczna Static RAM (SRAM) zbudowana na 6 tranzystorach CMOS - bardzo szybka, droga Procesor Pamięć Układy I/O procesor układ elektroniczny realizujący przetwarzanie informacji pamięć przechowywanie informacji układy wejścia/wyjścia (I/O) komunikacja z otoczeniem Nie potrzebuje odświeżania Czas dostępu ~ 8 ns Współpraca procesora z pamięcią RAM Takt ~0.3 ns PROCESOR 3GHz Czas dostępu ~ 40 ns Bardzo wolne Magistrala WOLNE DANE PROGRAM PAMIĘĆ RAM Pamięć podręczna (cache) Coraz wyższe prędkości pracy procesorów wymagają zwiększenia prędkości działania układów pamięciowych. Procesor musi czekać coraz dłużej na kolejną porcję danych Ograniczenia : - cena - technologia Badania dowiodły, iż większość odwołań do pamięci mieści się w bloku 16 kb Pamięci RAM Dynamiczna (DRAM) Zespół małych kondensatorów, ładowanych ładunkiem elektrycznym. Tania pamięć, wymagająca cyklicznego odświeżania (bo kondensatory się rozładowują). Pamięć podręczna (cache) Coraz wyższe prędkości pracy procesorów wymagają zwiększenia prędkości działania układów pamięciowych Pamięć operacyjna CACHE PROCESOR Tranzystor sterujący Duża tania wolna dziesiątki ns Mała, szybka i nie tak bardzo droga kilka ns CACHE Kaskada - kolejne poziomy Coraz większe i wolniejsze Kondensator PROCESOR L1 L2 L3 L1 Należy ją odświeżać Czas dostępu ~50 ns Wielkości: Pentium III /512 Pentium IV Różne wersje pamięci DDR Pamięć wirtualna Pamięci DDR, DDR2, DDR3 Mniejszy pobór mocy, większa przepustowość Napięcie zasilania: DDR 2,5 V DDR2 1,8 V DDR3 1,5 V PC ,6 GB/s, pracujące z prędkością 200 MHz PC ,5 GB/s, pracujące z prędkością 1066 MHz PC ,7 GB/s, pracujące z prędkością 1600 MHz Pamięci nie są kompatybilne Pamięć wirtualna jest oszustwem Tak naprawdę dane są zapisywane na dysk Bardzo wolne działanie Najpierw sprawdź czy nie masz za mało pamięci

5 Budowa komputera Procesor Magistrala Pamięć Układy I/O procesor układ elektroniczny realizujący przetwarzanie informacji pamięć przechowywanie informacji układy wejścia/wyjścia (I/O) komunikacja z otoczeniem Urządzenia wejścia-wyjścia Pamięci masowe: dyski twarde (HDD) dyski optyczne (CD, DVD, BlueRay) napędy taśmowe (streamer y) pamięci stałe Klawiatura (przewodowa i bezprzewodowa) Karta graficzna (i monitor) Urządzenie wskazujące (mysz) Karty sieciowe, modemy i in. Wykład o grafice komputerowej Wykład o grafice komputerowej Wykład o sieciach komputerowych Typy magistral Twardy Dysk - budowa ISA - Industry Standard Architecture Najstarszy typ magistrali. 16 bitowa. Była taktowana z częstotliwością 8 MHz. Szybkość transmisji 8 Mbajtów/s. Silnik Tarcze magnetyczne Obudowa PCI - Peripheral Connect Interface Częstotliwość taktowania 133 MHz Szybkość transmisji Oryginalna 32 bity i 132 MB/sec Teoretyczna 64 bity i 1066 MB/sec Głowice Zapisująco-odczytujące Typy magistral PCI-X Szybsza wersja magistrali PCI Wersje PCI-X PCI-X 1.0 PCI-X 2.0 PCI-X 3 Rok wprowadzenia Maksymalna szerokość szyny danych 64 bity 64 bity 64 bity Maksymalna częstotliwość taktowania 133 MHz 533 MHz 1066 MHz Maksymalna przepustowość 1066 MB/s 4264 MB/s 7,95 GB/s Napięcie 3.3 V 3.3 V/1.5 V 3.3 V/1.5 V Do każdego talerza głowica jest osadzona na ramieniu Wszystkie głowice osadzone na tej samej osi Liczba talerzy zależna od wykonania HD Talerze wirują z dużą prędkością Jest kompatybilna z PCI Głowice wraz z ramionami są poddawane dużym przeciążeniom - jedno ze źródeł hałasu Typy magistral PCI Express Dyski robią się coraz pojemniejsze PCI-Express (PCIe) jest szeregową magistralą służącą do przyłączania urządzeń do płyty głównej. Częstotliwość taktowania - 2.5GHz. Liczba linii Przepustowość 728,69 x1 x2 x4 x8 X16 X16 v3 250 MB/s 500 MB/s 1000 MB/s 2000 MB/s 8000 MB/s MB/s Hitachi Deskstar 0S " Hard Drive - 3TB Prędkość obrotowa 7200 obr/min Pojemność: 3 TB Interface: SATA III Szybkość transmisji danych: 600 MB/s Cena: ok. 900 zł Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 5 z 9

6 Dyski robią się coraz pojemniejsze Dyski z prostopadłym zapisem Zapis poziomy Pierścieniowy element zapisujący Granica gęstości upakowania 38 Gbit/cm² 728,69 Magnetyzacja Monopolowy element zapisujący Obszar przejściowy Obszar przejściowy Zbudowany domowym sposobem system 70 TB Biegun powrotny Zapis prostopadły Większa gęstość upakowania Jak to się zmieniało z czasem? Formatowanie Formatowanie partycji to podzielenie fizycznego i logicznego obszaru dysku na sektory, nadanie im odpowiednich oznaczeń oraz utworzenie systemu plików. Ścieżka kołowy segment dysku. Sektor fragment ścieżki. Typowy sektor może zawierać 512 bitów danych. Wikipedia Sposób w jaki zapisywane będą pliki określa tzw. system plików. i coraz mniejsze Toshiba CIMG1102 Ok. 2 cm 8 GB Waga 2g Jak tworzyć partycje? System Windows Windows XP, Vista i 7 Narzędzia administracyjne -> Zarządzanie komputerem -> Zarządzanie dyskami Wymazują zawartość całego fizycznego dysku PartitionMagic -dzięki temu narzędziu możemy usuwać, tworzyć i zmieniać rozmiar istniejących partycji bez utraty danych, a nawet bez ich uszkodzenia. oraz coraz tańsze RAMAC komputer z pierwszym twardym dyskiem 13 IX 1956 rok Pojemność dysku 4.4 MB Koszt 1 MB ~ dolarów Obecnie koszt 1MB wynosi około centa Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 6 z 9

7 Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 7 z 9 Tworzenie partycji dysku Tworzenie partycji to sztuka dzielenia dysku na mniejsze części Czy opłaca się mieć wiele partycji? Tak Każda partycja jest widziana przez system jako osobny dysk, czyli w przypadku awarii programu, uszkodzenie krytycznych danych jednej partycji nie narusza integralności drugiej Nie Co zrobić, aby całkowicie usunąć zbiór? Aby całkowicie usunąć zbiór należy się dobrze namęczyć! Analiza fourierowska sygnałów elektrycznych. Analiza poziomu tła. Zbiór należy nadpisać przynajmniej 7 razy! Mamy wiele małych dysków, które się szybko zapełnią kawałki pojedynczych plików na dysku nie są położone obok siebie, ale są rozdzielone innymi plikami i dodatkowo rozrzucone na całym dysku Fragmentacja zbiorów wolna przestrzeń na dysku jest podzielona na wiele małych kawałków Macierze dyskowe Virtual Array XP24000 Zespół n sprzężonych dysków Pojemność: do 2260 TB (do 1152 dysków) RAID - Redundant Array of Inexpensive Disks Dane są zapisywane na kilku dyskach. W razie awarii jednego z nich system może odtworzyć utracone dane czytając je z innych dysków. Liczba kopii jest określona. Więc jeśli coś stanie się z jedną z nich, to tworzona jest dodatkowa kopia. Efekt fragmentacji Efekt nadmiernej fragmentacji jest podwójny: dostęp do poszczególnych plików jest wydłużony, tworzenie nowych plików trwa dłużej Od czasu do czasu należy przeprowadzić defragmentację dysku (np. Norton Speed Disk lub deftrag dysk: -b ) RAID 0 RAID 1 Macierze dyskowe RAID 0 i 1 Dane są przeplecione pomiędzy dyskami. Zwiększa się szybkość zapisu i odczytu. Całkowita pojemność = n * pojemność najmniejszego dysku. Wada brak odporności na uszkodzenia Dane są powielone na n dyskach. Są bezpieczne w razie uszkodzenia n-1 dysków. Całkowita pojemność = pojemność najmniejszego dysku A co zrobić, gdy system plików został uszkodzony? Macierze dyskowe RAID 5 Istnieje oprogramowanie, które pozwala na odzyskanie plików. Zapłakać GetDataBack Dane są przeplecione na wszystkich dyskach. Zwiększa się szybkość odczytu. Całkowita pojemność = (n -1)* pojemność najmniejszego dysku. Wady: zmniejsza się prędkość zapisu (liczenie sum kontrolnych) czasochłonne odtwarzanie danych

8 Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 8 z 9 Dyski SSD (Solid State Drive) Odczyt detektor laser 728,69 Bardzo szybkie Bardziej odporne na uszkodzenia i temperaturę Stosunkowo niewielka pojemność (1 TB -2010) Drogie (~ 10 zł/gb) OCZ 3.5'' SSD Collosus 500GB 7200 zł detektor laser A jak to działa? Odczyt MOSFET z podwójną bramką 0.5 µm µm Zapis Kasowanie 1.6 µm V g = + 12V V d = + 7V V g = - 12 V V s = + 6V 1.7 µm µm = 1/4 długości fali lasera wgłębienie n=1.55 λ=500 nm 800 µm n=1.0 λ=780 nm wzmocnienie wygaszenie Dyski HDD/SSD hybrydy Złącza Złącze ATA (Advanced Technology Attachment) magistrala równoległa (40 linii sygnałowych) - standardowo po 2 porty obsługujące do 2 urządzeń (master-slave): prędkości transmisji: 16, 33, 66, 100, 133 MB/s. Serial ATA seryjne ATA sygnał jest przesyłany szeregowo po czterech liniach (2 linie do i 2 linie od urządzenia). prędkości transmisji: ok. 150 MB (SATA I), 300 MB/s (SATA II) i 600 MB/s (SATA III). Płyty CD i DVD wgłębienie Seryjne ATA a normalne ATA Transmisja może być szybsza (brak wymagania synchronizacji sygnału na wielu kablach) Początek ścieżki Koniec ścieżki etykieta Mniejszy rozmiar kabla -> łatwiejsze prowadzenie wewnątrz obudowy, kabel może być dłuższy -> lepsze chłodzenie lakier µm Gruby kabel aluminium nm 1.2 mm poliwęglan Cienki kabel

9 Z. Postawa, "Podstawy Informatyki II" Strona: 9 z 9 Złącza Złącze SCSI (Small Computers System Interface) standard równoległego przesyłu danych pomiędzy komputerem a jego urządzeniami. do 7 (a w wersji Wide i Ultra do 15) urządzeń na jednej magistrali, zaawansowane sterowanie transmisją, prędkości transmisji: 10, 20, 40, 80, 160, 320, (640) MB/s. Szybkość transmisji Dla czytników DVD wielokrotność 1350 kb/s np. 16x -> 16x1350 kb/s kb/s (21.09 MB/s) Dla czytników HD DVD i BlueRay wielokrotność 4500 kb/s np. 2x -> 2x4500 kb/s 9000 kb/s (9 MB/s) CD a DVD CD DVD λ=780 nm λ=650 nm Klawiatura Port USB Porty Port szeregowy Port równoległy Port monitora Port do gier Płyty CD i DVD pojemność USB Port służy do dwukierunkowej transmisji danych CD-ROM tylko do odczytu, poj. ok. 700 MB. DVD 4.7 GB/strona/warstwa DVD dwuwarstwowe (9.4 GB), dwustronne-dwuwarstwowe (17.1 GB) BlueRay (λ=405 nm) 25 GB/stronie/warstwie BlueRay dwustronny - sześciowarstwowy ~300 GB Urządzenia USB można łączyć w szereg W sumie do komputera można podłączyć do 127 urządzeń Hot-swap USB 1.1 szybkość transmisji ok. 1.5 MB/s USB 2.0 szybkość transmisji ok. 60 MB/s USB 3.0 szybkość transmisji ok. 600 MB/s Szybkość transmisji Co za tydzień Omówione urządzenia różnią się także szybkością transmisji danych. Dladysków twardych może wynosić do kilkaset MB/s Dlastacji dysków elastycznych -ok.150 kb/s Dla czytników CD określana jest jako wielokrotność szybkości transmisji stacji dysków elastycznych czyli oznaczenie 24x oznacza szybkość transmisji = 24*150 kb/s =3600 kb/s=3,52 MB/s Procesor tekstu czyli Jak napisać dobrze wyglądającą pracę licencjacką? WordPerfect Office StarOffice