Generacje komputerów Generacje komputerów I 1944-58 lampy elektronowe, czytniki taśm dziurkowanych, taśmy magnetyczne, zawodne, energochłonne, jednoprogramowe, ENIAC (1946), UNIVAC1 (seryjny(50-te)) Sprzęt komputerowy 1 Sprzęt komputerowy 2 ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) Sprzęt komputerowy 3 ENIAC (1946) Ustawione w prostokącie 12 na 6 m w kształcie litery U czterdzieści dwie pomalowane na czarno szafy z blachy stalowej kaŝda miała 3 m wysokości, 60 cm szerokości i 30 cm głębokości były nafaszerowane 18 800 lampami elektronowymi szesnastu rodzajów; zawierały ponadto 6000 komutatorów, 1500 przekaźników, 50 000 oporników. Całość wymagała ręcznego wykonania 0,5 mln lutowań. Monstrum waŝyło 30 ton i pobierało 140 kw mocy. System wentylacyjny miał wbudowane dwa silniki Chryslera o łącznej mocy 24 KM; termostat zatrzymywał wszelkie działania, jeśli temperatura wewnątrz którejkolwiek z jego części przekraczała 48 C. Sprzęt komputerowy 4 Generacje komputerów II 1959-63 tranzystorowe, pamięć rdzeniowa, bębny magnetyczne, pierwsze dyski Generacje komputerów III 1964-70 układy scalone SSI, powszechne dyski wzrost mocy - wielodostęp, podział czasu, pierwsze minikomputery, Sprzęt komputerowy 5 Sprzęt komputerowy 6 1

Odra 1305 wnętrze jednostki centralnej (1978) Generacje komputerów IV 1971-teraz wzrost upakowania układów scalonych postęp w urządzeniach zewnętrznych, procesorach,... Sprzęt komputerowy 7 Sprzęt komputerowy 8 Generacje komputerów V?? optyczne, kwantowe... Klasy komputerów Sprzęt komputerowy 9 Sprzęt komputerowy 10 Klasyfikacja komputerów: mikrokomputery Popularne od lat 80-tych. Koszt: od 500 do 5000 USD RóŜne formy: biurkowe (desktop), laptopy, notebooki, palmtopy Stacje robocze zaawansowane technicznie mikrokomputery o duŝej wydajności, stabilności, bezpieczeństwie (często wykorzystywany s.o. Unix) Sprzęt komputerowy 11 Minikomputery od lat 60-tych, złote lata 70-te cena od kilku do kilkudziesięciu tysięcy USD potrafią obsługiwać jednocześnie od kilku do kilkudziesięciu uŝytkowników są kilkakrotnie szybsze i mają kilkakrotnie większe pamięci, niŝ mikrokomputery. nie wymagają specjalnego pomieszczenia: instalowania dodatkowego zasilania w energię elektryczną, podwójnej podłogi do ukrycia setek metrów kabli i klimatyzacji. Sprzęt komputerowy 12 2

Minikomputery (2) Unix (s.o.) i C (język programowania) zwykle mają duŝą moc obliczeniową (szybki procesor i duŝa pamięć operacyjna), często zaniedbują parametr przepustowości systemu (czyli liczby zadań obsłuŝonych w jednostce czasu), szybkości systemu (kanałów) wejścia/wyjścia obsługującego urządzenia zewnętrzne (pamięci zewnętrzne i urządzenia wejścia/wyjścia) i bezpieczeństwu. Sprzęt komputerowy 13 Mainframe y cena 100 tys. - 5 mln. USD, wymagają specjalnie dostosowanego pomieszczenia obsługiwane przez zespół ludzi centralny komputer z tysiącami terminali banki, linie lotnicze, duŝe uczelnie przepustowość, system we/wy powody ciągłego wykorzystywania programy wsadowe dostępność skalowalność mogą wykorzystywać stare oprogramowanie łatwość administrowania i bezpieczeństwo Sprzęt komputerowy 14 IBM zseries (2002) Obecnie najmniejszy mainframe IBM z9 ma 26 MIPS, a największy 17 801 MIPS Wysokość: ok. 190 cm Sprzęt komputerowy 15 Superkomputery cena zwykle > 5 mln. -20 mln. USD, laboratoria naukowe i przemysłowe, zadania duŝej skali (moc i PaO), dziedziny zastosowania 1. wojskowe, 2. projektowanie konstrukcji, 3. modelowanie prognostyczne (meteorologia, oceanografia, astrofizyka, ekonomia), 4. badania geologiczne, 5. modelowanie reaktorów jądrowych, 6. badania podstawowe (fizyka, chemia), 7. biologia i medycyna, 8. przetwarzanie obrazów i grafika kom., 9. komputerowo wspomagane projektowanie (CAD). Sprzęt komputerowy 16 IBM BlueGene/L (2005) aktualny rekordzista świata Najszybszy komputer System Name BlueGene/L Site DOE/NNSA/LLNL System Family IBM BlueGene/L Computer eserver Blue Gene Solution Vendor IBM URL http://www.llnl.gov/asc/comput... Application area Research Installation Year 2005 Processors 131072 Main Memory 32768 GB Rmax(GFlops) 280600 Sprzęt komputerowy 17 Sprzęt komputerowy 18 3

KaŜda szafa zawiera >2000 procesorów Sprzęt komputerowy 19 Sprzęt komputerowy 20 Sprzęt komputerowy 21 Sprzęt komputerowy 22 Sprzęt komputerowy 23 Sprzęt komputerowy 24 4

Najwydajniejsze instalacje superkomputerowe Rank Manufacturer Computer Country Processors RMax Processor Family Operating System Segment 1 IBM Gene Solution United States 131072 280600 Power CNK/SLES 9 Research eserver Blue 2 Cray Sandia/ Cray Red Storm, Opteron GHz United dual core States 26544 101400 AMD x86_64 UNICOS/SUSE Linux Research Inc. 2.4 United States 40960 91290 Power CNK/SLES 9 Research 3 IBM eserver Blue Gene Solution 4 IBM eserver pseries p5 575 1.9 GHz United States 12208 75760 Power AIX Research 5 IBM BladeCenter JS21 Cluster, PPC GHz, SpainMyrinet 10240 62630 Power SuSE Linux Enterprise Academic Server 970, 2.3 9 United 9024 53000 Intel EM64T Linux Research 6 Dell PowerEdge 1850, 3.6 GHz, Infiniband States 7 Bull NovaScale 5160, Itanium2 1.6 GHz, Quadrics France 9968 52840 Intel IA-64 Linux Research SA United 10160 51870 Intel IA-64 SuSE Enterprise Research Server 8 SGI SGI Altix 1.5 GHz, Voltaire Infiniband States Linux 9 9 NEC/Sun Sun Fire x4600 Cluster, Opteron 2.4/2.6 GHz Japand ClearSpeed 11088 Accelerator, 47380 Infiniband AMD x86_64 SuSE Linux Enterprise Academic Server 9 10 Cray Inc. Cray XT3, 2.6 GHz dual Core United States 10424 43480 AMD x86_64 UNICOS/SUSE Linux Research 11 Dell PowerEdge 1955, 3.0 GHz, Infiniband United States 5200 42390 Intel EM64T RedHat Enterprise Research 4 12 Dell PowerEdge 1955, 2.66 GHz, Infiniband United States 5200 41460 Intel EM64T Linux Academic 13 IBM eserver Blue Gene Solution Germany 16384 37330 Power CNK/SLES Research 9 14 NEC Earth-Simulator Japan 5120 35860 NEC Super-UX Research 15 Cray Cray XT3, 2.6 GHz dual Core United Kingdom 7812 32500 AMD x86_64 UNICOS/Linux Classified Inc. 16 Cray Inc. Cray XT4, 2.6 GHz United States 6696 27980 AMD x86_64 UNICOS/Linux Vendor 17 IBM eserver Blue Gene Solution Netherlands 12288 27450 Power CNK/SLES 9 Academic 18 SGI Altix 4700 1.6 GHz Germany 4096 24360 Intel IA-64 SUSE Linux Enterprise Academic Server 10 19 California Digital Intel Corporation Itanium2 Tiger4 1.4GHz - Quadrics United States 4096 19940 Intel IA-64 Linux Research 20 ClusterVision/DellPowerEdge 1950, 3.0 GHz, Infinipath United Kingdom 2340 18270 Intel EM64T Linux Academic 21 IBM eserver Blue Gene Solution Japan 8192 18200 Power CNK/SLES Research 9 22 IBM eserver Blue Gene Solution Switzerland 8192 18200 Power CNK/SLES 9 Academic 23 IBM eserver Blue Gene Solution Japan 8192 18200 Power CNK/SLES 9 Research Sprzęt Japan komputerowy 8192 Research 25 24 IBM eserver Blue Gene Solution 18200 Power CNK/SLES 9 25 IBM eserver Blue Gene Solution United States 8192 18200 Power CNK/SLES 9 Research Sprzęt komputerowy 26 W Polsce jest 5 ośrodków superkomputerowych obecnie najszybsza maszyna jest na Politechnice Gdańskiej i jej teoretyczna moc obliczeniowa sięga 1.5 TFLOPS, działa pod system GNU/Linux (dystrybucja Debian) Architektura systemów komputerowych Sprzęt komputerowy 27 Sprzęt komputerowy 28 System komputerowy składa się z 2 wzajemnie powiązanych i uzupełniających się części: sprzętu (ang. hardware) i oprogramowania (ang. software). Komputer składa się z połączonych ze sobą urządzeń, których zadaniem jest realizacja podstawowych funkcji składających się na przetwarzanie informacji: wprowadzanie, magazynowanie, przekształcanie, wyprowadzanie i wymiana informacji Sprzęt komputerowy 29 Sprzęt komputerowy 30 5

Składniki sprzętowe systemu komputerowego Procesor Pamięć zewnętrzna centralna część kaŝdego komputera składa się z: układu sterowania Urządzenia wejścia Jednostka centralna Pamięć operacyjna Procesor Urządzenia wyjścia arytmometru zespołu rejestrów magistral łączących pozostałe części Urządzenia telekomunikacyjne Sprzęt komputerowy 31 Sprzęt komputerowy 32 Intel Pentium 100 MHz Sprzęt komputerowy 33 Skala postępu Sterownik dziecięcej gry telewizyjnej ma 10 000 razy większą moc obliczeniową, niŝ ENIAC z 1947 r. Kartka z Ŝyczeniami, grająca Happy Birthday ma większą moc obliczeniową, niŝ wszystkie komputery na świecie przez 1950 r. Większość domowych kamer wideo zawiera układy scalone o większej mocy, niŝ IBM 360 mainframe z lat 60. Firma Genesis oferuje konsolę do gier o większej mocy obliczeniowej, niŝ superkomputer Cray z 1976 r., kosztujący wiele milionów USD Konsola Sony ma procesor o mocy obliczeniowej 200 MIPS jeszcze niedawno taką moc miał mainframe kosztujący 3 mln USD, obsługujący setki/tysiące terminali Przesyłanie pliku 1,5 MB przez łącze 6 Mb/s trwa 2 s, a film 600 MB 13,5 min Sprzęt komputerowy 35 Porównanie "If the automobile business had developed like the computer business, a Rolls Royce would now cost $2.75 and run 3 million miles on a gallon of gas." Time (January 3, 1983) A od tego stwierdzenia minęło juŝ prawie 25 lat! Teraz moŝe Rolls Royce powinien juŝ kosztować 5 centów? 6

Układ sterowania otrzymuje z pamięci operacyjnej (głównej) kolejne rozkazy (instrukcje) do wykonania, dekoduje je, koordynuje przepływ danych między arytmometrem, rejestrami, pamięcią operacyjną, jak równieŝ pamięcią zewnętrzną i urządzeniami zewnętrznymi. Sprzęt komputerowy 37 Arytmometr Wykonuje operacje arytmetyczne (dodawanie, odejmowanie, mnoŝenie, dzielenie) logiczne (zerowania, negacji (NOT), sumy logicznej (OR), iloczynu logicznego (AND), lub wykluczającego" (EXCLUSIVE OR, czyli XOR) i in., a takŝe operacje przesuwania (czyli mnoŝenia lub dzielenia przez odpowiednią potęgę liczby 2) wartości argumentu To, jaką operację wykona arytmometr, wskazuje układ sterowania, przesyłając odpowiedni sygnał sterujący. Sprzęt komputerowy 38 Rejestry wyróŝnione, znajdujące się we wnętrzu procesora komórki pamięci, do których dostęp jest szybszy, niŝ do jakichkolwiek innych miejsc pamięci są w nich przechowywane dane, bezpośrednio przed, w trakcie, oraz po przetworzeniu ich przez arytmometr, zanim zostaną przeniesione do pamięci operacyjnej niektóre rejestry pełnią specjalne funkcje, na przykład licznik rozkazów przechowuje adres następnej instrukcji do wykonania. Sprzęt komputerowy 39 Magistrale wiązki przewodów, którymi przesyłane są sygnały elektryczne łączą poszczególne części procesora (magistrale wewnętrzne: danych, adresowa i sterowania), a takŝe procesor z innymi częściami komputera (magistrala zewnętrzna). Sprzęt komputerowy 40 Wydajność procesorów mierzy się jednostkami MIPS i FLOPS zwiększenie wydajności procesora uzyskuje się przez zwiększenie szybkości taktowania zegara poszerzenie magistral i wydłuŝenie rejestrów zmieniając architekturę (CICS RISC) stosowanie wieloprocesorowości Sprzęt komputerowy 41 Procesor Instructions Per Second Rok Pencil and Paper 0.0119 IPS 1892 Intel 8080 640 kips at 2 MHz 1974 Motorola 68000 1 MIPS at 8 MHz 1979 Intel 386DX 8.5 MIPS at 25 MHz 1988 Intel 486DX 54 MIPS at 66 MHz 1992 PowerPC 600s (G2) 35 MIPS at 33 MHz 1994 Intel Pentium Pro 541 MIPS at 200 MHz 1996 Intel Pentium III 1354 MIPS at 500 MHz 1999 AMD Athlon 3561 MIPS at 1.2 GHz 2000 AMD XP 2400+ 5935 MIPS at 2.0 GHz 2002 Pentium 4 Extr Ed 9726 MIPS at 3.2 GHz 2003 AMD Athlon FX-57 12000 MIPS at 2.8 GHz 2005 AMD At 64 X2 (Dual) 14564 MIPS at 2.2 GHz 2005 AMD At FX-60 (Dual) 18938 MIPS at 2.6 GHz 2006 Intel Core 2 X6800 27079 MIPS at 2.93 GHz 2006 IBM Cell BE (Single) 25600 MIPS (FLOPS) at 3.2 GHz 2006 Intel Core 2 Ext QX6700 61119 MIPS at 3.33 GHz 2006 7

Pamięć operacyjna (PaO) tablica komórek pamięci bajtów (B) kaŝdy bajt składa się z 8 bitów (ang. BInary digit) (b) kaŝdy bajt ma swój adres w PaO przechowuje się system operacyjny (program nadzorujący pracę całego komputera) aktualnie wykonywany program dane i wyniki dla tego programu Sprzęt komputerowy 43 Podstawowe cechy PaO czas dostępu jednakowy dla kaŝdego bajtu, dlatego nazywa się ją pamięcią o dostępie bezpośrednim (RAM Random Access Memory) dane w niej zapisane moŝna w dowolnym momencie zapisywać, zmieniać, kasować jest ulotna zawartość ginie po wyłączeniu zasilania Sprzęt komputerowy 44 Zasadnicze parametry PaO pojemność obecnie setki milionów (MB), a nawet kilka GB (duŝe komputery o rząd wielkości większe) czas dostępu do przechowywanych w nich danych kilka/kilkadziesiąt nano-sekund (10-9 s) bardzo szybki w stosunku do pamięci zewnętrznych, stąd konieczność stosowania pamięci podręcznych (ang. cache) Sprzęt komputerowy 45 Pamięć stała ROM (ang. Read Only Memory) uzupełnienie pamięci RAM zawartość nie ginie po wyłączeniu zasilania przechowuje oprogramowanie firmowe (ang. firmware) coraz częstsze stosowanie w formie pamięci flash, pozwalającej na programową wymianę zawartości takiej pamięci Sprzęt komputerowy 46 Cykl pracy procesora 1. Odczytanie rozkazu. Rozkaz, który ma być wykonany, pobierany jest z pamięci operacyjnej i umieszczony w jednym z rejestrów procesora, współpracującym z układem sterowania. 2. Dekodowanie rozkazu. Układ sterowania określa, jaka operacja zostanie wykonana i wysyła odpowiedni sygnał do arytmometru, wyznaczane są adresy przetwarzanych danych, dane te przesyłane są do arytmometru, wyznaczany jest rozkaz, jaki będzie wykonany w następnym cyklu. 3. Wykonanie rozkazu. Arytmometr wykonuje zleconą operację. 4. Zapisanie wyniku. Wynik działania zapisywany jest 2c Wejście Wyjście Magistrala sterowania Magistrala danych Procesor 2a Układ sterowania Arytmometr 3 Zespół rejestrów Pamięć operacyjna Rozkazy programu w miejscu docelowym (w rejestrze lub w pamięci). Sprzęt komputerowy 47 Sprzęt komputerowy 48 2d 4 2d 2b 4 2c 1 2d 2c Dane 4 8

Pamięci zewnętrzne (masowe) Hierarchia wielkości, czasu dostępu i ceny (za jednostkę przechowywanej informacji) Plusy przechowują ogromne ilości danych w sposób trwały moŝliwość zmiany tanio Minus powolny dostęp Czas dostępu Rejestry Podstawowa pamięć podręczna Wtórna pamięć podręczna Pamięć operacyjna Pamięć zewnętrzna Cena Sprzęt komputerowy 49 Wielkość Sprzęt komputerowy 50 Najczęściej stosowane rodzaje pamięci zewnętrznych taśmy magnetyczne dyski magnetyczne dyski optyczne Sprzęt komputerowy 51 Taśmy magnetyczne polietylenowa taśma pokryta warstwą ferromagnetyczną róŝna szerokość i długość (do 1100 m) dostęp sekwencyjny konsekwencją jest długi czas dostępu długi czas dostępu (do kilku minut!) duŝa pojemność obecnie (koniec 2006 r.) największe mają 800 GB (bez uŝycia kompresji niski koszt przechowywania danych (<1 centa za 1 MB) systemy bibliotek taśmowych (kilkaset TB 2 12 bajtów) Sprzęt komputerowy 52 Taśma magnetyczna KrąŜek taśmy i kaseta streamer a Sprzęt komputerowy 53 Sprzęt komputerowy 54 9

RóŜne typy kaset do streamera (w porównaniu z dyskietką 3,5 cala Sprzęt komputerowy 55 Dysk magnetyczny (1) krąŝek metalowy lub plastikowy pokryty warstwą ferromagnetyczną krąŝek 1 / kilka/ kilkanaście, obracające się na wspólnej osi kaŝda powierzchnia obsługiwana przez oddzielną pływającą głowicę prędkość kątowa to od kilku do 10 tysięcy obrotów na minutę (czyli prędkość liniowa krawędzi dysku to ponad 100 km/h) Sprzęt komputerowy 56 Dysk magnetyczny (2) informacje zapisywane w formie namagnesowanych punktów rozmieszczonych wzdłuŝ współcentrycznych okręgów ścieŝek ścieŝki podzielone są na sektory informacje adresowane są przez podanie numeru: powierzchni ścieŝki sektora Sprzęt komputerowy 57 Dysk magnetyczny (3) czas dostępu: ok. 10 ms (10-3 s) twarde dyski; kilkaset milisekund (dyskietki) czyli milion razy większy, niŝ do PaO (bo te kilkanaście ns (10-9 s) pojemności: zróŝnicowane, obecnie zbliŝają się do 1TB (1000 GB) Sprzęt komputerowy 58 Twardy dysk wewnątrz Sprzęt komputerowy 59 RAID Redundant Array of Inexpensive Disks jeden duŝy dysk zastąpiony przez wiele mniejszych i tańszych zarządzany jest przez dedykowany do tego celu, specjalizowany komputer uŝytkownik ma wraŝenie, Ŝe dysponuje jednym duŝym dyskiem spadek kosztu, wzrost szybkości i bezpieczeństwa Sprzęt komputerowy 60 10

Macierz dyskowa RAID Dyski optyczne (1) do zapisu i odczytu wykorzystywany promień lasera na niewielkiej płytce zapisana ogromna ilość informacji i bezpośrednim dostępie duŝa trwałość CD ROM do 700 MB informacji (300 000 stron maszynopisu) bity informacji wypalone obok siebie, układają się w spiralę o długości ok. 6 km bardzo tanie Sprzęt komputerowy 61 Sprzęt komputerowy 62 Dyski optyczne (2) CD-R CD Recordable (jednokrotnego zapisu) CD R/W ReWritable (wielokrotnie zapisywalne) DVD (Digital Versatile Disc) dalsze rozwinięcie technologii CD pojemność zwiększona do kilku GB dzięki zagęszczeniu ścieŝek, zmniejszeniu wielkości wypalanych/wytłaczanych zagłębień, skróceniu długości fali stosowanej wiązki laserowej Sprzęt komputerowy 63 Urządzenia wejścia klawiatura urządzenia wskazujące (mysz, dŝojstik, manipulator kulowy i in.) zamieniają połoŝenie czujnika (na ekranie to pewien wyróŝniony obiekt) na współrzędne liczbowe, interpretowane przez program obsługi urządzenie skaner pozwala uzyskać cyfrowy obraz wczytanego dokumentu (rysunku, zdjęcia, kodu paskowego) wejście głosowe Sprzęt komputerowy 64 Urządzenia wyjścia monitory drukarki plotery wyjście głosowe Sprzęt komputerowy 65 11