1 Tematyka wykładu Rozwój komputerów ENIAC i co dalej? Zastosowania informatyki Kierunki rozwoju informatyki Arytmetyka komputerowa Pozycyjne systemy liczbowe
2 Komputer ENIAC the Electronic Numerical Integrator and Computer Źródło: U.S. Army Photo http://ftp.arl.army.mil/ftp/historic-computers Zakończył swą służbę 2 października 1955 roku o godzinie 23.45
3 Rozwój komputerów Komputer ENIAC Electronic Numerical Integrator and Computer Geneza: II wojna światowa, zapotrzebowanie na maszynę liczącą. Tablice balistyczne do celowania pocisków. Twórcy: dr Herman Heine Goldstine (pracownik Ballistic Research Laboratory, John Mauchly (dr fizyki, Uniwersytet w Pensylwanii) John Presper Eckert (inż. Elektroniki, Uniwersytet w Pensylwanii).
Komputer ENIAC the Electronic Numerical Integrator and Computer ENIAC zawierał 17.468 próżniowych lamp elektronowych, 7.200 diod, 1.500 przekaźników, 70.000 rezystorów, 10.000 kondensatorów i około 5 milionów lutów. Był ustawiony na planie prostokąta 12 na 6 m w kształcie litery U. Był wysoki na 2,6 m, szeroki na 0,9 m, długi na 26 m, zajmował ponad 67.6 m², ważył 27 ton i zużywał 150 kw energii. Był chłodzony systemem wentylacyjnym opartym na dwóch silnikach Chryslera o łącznej mocy 24 KM. Najdłuższy czas bezawaryjnej pracy w roku 1954 wynosił 116 godzin. Liczył w systemie dziesiętnym. Pozwalał na wykonanie 5.000 operacji dodawania na sekunde, 385 operacji mnożenia na sek. Podstawowy cykl maszyny wynosił 200 mikrosekund (20 cykli 100 khz zegara) lub 5.000 cykli na sekundę dla operacji na 10-cyfrowej liczbie. Budżet 486 tys. USD, wdrożony w 1947, zakończył służbę 2. października 1955r. na podstawie: http://en.wikipedia.org/wiki/eniac i http://pl.wikipedia.org/wiki/eniac 4
Lampy elektronowe 5
6 Rozwój komputerów 1949 - Eckert i Mauchly, po założeniu własnej firmy, budują BINAC-a. (z przeznaczeniem dla sił powietrznych USA). 1950 Yoshiro Nakamats opracowuje dyskietkę. 1955 2.X. ENIAC zostaje ostatecznie wyłączony i zdemontowany. 1956 - IBM buduje pierwszy dysk twardy - RAMAC 350. Pojemność: 5MB, cena: milion dolarów.
Tranzystory (1950 1960) 7
8 Rozwój komputerów 1956 - W laboratoriach MIT ukończony zostaje pierwszy komputer tranzystorowy TX-O (Transistorized Experimental Computer). Komputery oparte na tranzystorach rozpoczynają drugą generację. 1957 - Ken Olsen i Harlan Anderson zakładają firmę DEC (Digital Equipment Corporation), która stanie się jednym z największych producentów komputerów na świecie. 1957 - Oficjalnie opublikowany zostaje język FORTRAN-1, stworzony przez Johna Backusa i jego współpracowników z IBM.
9 Rozwój komputerów 1958 - Wynalazcy z Fairchild Semiconductor i Texas Instruments niezależnie pracują nad układem scalonym. W lutym 1959 r. Jack Kilby, z Texas Instruments, zgłosił patent opisujący, jak prosty obwód - złożony z dwóch tranzystorów - zrobić na jednym kawałku germanu. Za swoje osiągnięcie otrzyma w roku 2000 Nagrodę Nobla. nieco później - Fairchild Semiconductor, Robert Noyce opracuje technikę tzw. integracji planarnej. Ta technologia lepiej nadaje się do budowania układów scalonych na płytkach z krzemu niż germanu. Dominacja krzemu w światowej elektronice.
10 Rozwój komputerów 1958 - W laboratoriach Bell zbudowany zostaje pierwszy modem. Jego prędkość to 300 bitów na sekundę. 1963 - Narodowy Instytut Standardów w USA (ANSI) akceptuje standard ASCII w wersji siedmio-bitowej. Dzięki niemu możliwa staje się bezproblemowa wymiana informacji pomiędzy maszynami różnych producentów. 1963 - Douglas Engelbert otrzymuje patent na wymyśloną przez siebie mysz. Rok później buduje pierwszy działający egzemplarz.
11 Rozwój komputerów 1964 - Tom Kurtz i John Kemeny (Uniwersytet Dartmouth) tworzą język BASIC (Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Language) Szef firmy Intel - Gordon Moore - sugeruje, że układy scalone będą podwajały swoją złożoność co rok. Stwierdzenie to będzie znane jako prawo Moore'a. 1968 - R.Noyce i G.Moore zakładają firmę INTEL.
12 Rozwój komputerów 1971 - Niklaus Wirth tworzy język programowania Pascal. Programy w nim napisane mają budowę strukturalną - podzielone są na funkcje i procedury. 1971 - Wayne Pickette z firmy Intel wynalazł sposób tworzenia mikroprocesora, czyli komputera umieszczonego na chipie 1971 komputery ODRA produkowane w POLSCE lata 70-te ośmiobitowe mikoprocesory: 8080 Intel, 6800 Motorola, Z80 Zilog, 6502 Rockwell. Powstają pierwsze mikrokomputery: Altair, Apple, Commodore, Atari.
13 Komputer Odra 130x Prototyp powstał w 1971 r. Produkowany seryjnie od 1973 r. w Zakładach Elektronicznych Elwro we Wrocławiu. Przedostatni pracujący komputer Odra w fabryce Hutmen został wyłączony 18 lipca 2003roku. Otatni pracujący komputer Odra w PKP w Ostródzie został wyłączony w połowie 2006 roku.
14 Komputer Odra 130x seria: Odra 1300 mikroprogramowany komputer III generacji zbudowany na układach scalonych TTL pełna zgodność funkcjonalna i programowa z systemami komputerów serii ICL 1900 prędkość: cykl mikroprogramu: 1/3 albo 1/4 µs (niezgodność danych) cykl odczytu pamięci operacyjnej: 1 µs czas wykonania rozkazów: skok: 1 µs dodawanie stałoprzecinkowe: 1,6 µs mnożenie stałoprzecinkowe: 9 µs pamięć operacyjna: ferrytowa 24 bitowa + bit parzystości półprzewodnikowa 24 bitowa z korekcją pojedynczych błędów i wykrywaniem wielokrotnych od 32 do 256 kilosłów możliwość pracy dwóch jednostek centralnych ze wspólną pamięcią.
Układ scalony INTEL 4004 (1971) 15
16 Rozwój komputerów 1972 - Nolan Bushnell oraz Al Alcorn zakładają własną firmę - Atari - wkrótce jednego z największych producentów komputerów domowych i automatów do gier. 1972 - Ray Tomlinson tworzy program do wysyłania listów elektronicznych e-mail. To właśnie on zadecydował o użyciu znaku @ w adresie poczty elektronicznej. 1972 - Dennis Ritchie kończy pracę nad językiem C i publikuje oficjalną specyfikację.
17 Rozwój komputerów 1975 - Powstaje firma Microsoft. 1976 - Powstaje firma Apple. 1979 Pierwsze szesnastobitowe mikroprocesory: 8086, 68000 lata 80-te 32 bity 1983 r. - Commodore prezentuje C-64. 1984 r. - data rozpoczęcia sprzedaży ZX spectrum. 1984 r. - ATARI wypuszcza model 520ST.
18 Rozwój komputerów 1979 - pierwszy arkusz kalkulacyjny - VisiCalc. Jego twórcami są Don Bricklin oraz Bob Franston. W samym roku 1980 zostanie sprzedanych 900 tys. kopii programu. 1980 - Hewlett-Packard model - HP-85. Cena 3.250 dolarów. 1980 - IBM rozpoczyna prace nad stworzeniem komputera osobistego. IBM Microsoft DOS (Seattle Computer Products). System MS-DOS.
19 Rozwój komputerów 1980 - Tworzony kilka lat język programowania ADA jest już skończony. Prace nad nim prowadził Departament Obrony USA. Augusta Ada King, hrabina Lovelace (1815-1852) matematyk i Informatyk - opisała mechaniczny komputer Charles Babbage (1791-1871), tzw. maszynę analityczną, tworzyła programy dla maszyny Babbage'a. Uważana jest za pierwszego programistę.
Rozwój komputerów 1981 - Adam Osborne tworzy pierwszy udany komputer przenośny Osborne 1. Cena: 1.795 dolarów. 1981-12 sierpnia IBM przedstawia swój pierwszy komputer osobisty - IBM 5150 PC. Zawiera on procesor Intel 8088, 64KB pamięci RAM, 40 KB ROM oraz jedną stację dyskietek 5,25 cala. Na komputerze zainstalowany jest system MS-DOS Microsoftu. Cena: 3.000 6.000 dolarów. 20
Rozwój komputerów 1981 - Xerox przedstawia komercyjną wersję komputera Alto - Xerox Star 8010. Wprowadza on wiele innowacji, m.in. środowisko graficzne. W skład zestawu wchodzą mysz, drukarka laserowa, edytor tekstu WYSIWYG (ang. What You See Is What You Get). Commodore wprowadza komputer VIC20. Posiada on mikroprocesor 6502A, 5KB RAM, 20 KB ROM, kolorową grafikę. Dzięki tym właściwościom oraz bardzo niskiej cenie (ok. 300 dolarów) VIC20 staje się bardzo popularnym komputerem. Będzie to pierwsza maszyna sprzedana w ilości ponad miliona sztuk. 21
22 Rozwój komputerów 1981 - Pojawia się komputer ZX-81, przebudowana wersja modelu ZX-80. W odróżnieniu od poprzednika, umożliwia pracę na liczbach zmiennoprzecinkowych oraz posiada ulepszoną, choć nadal niedoskonałą, grafikę. Niższa cena - przez rok sprzedano ok. 500 tys. sztuk.
PENTIUM (1993) 3,2 mln. tranz., 60-200 MHz 23
PENTIUM 4 (2000) 55 mln. tranz., 3GHz 24
Porównanie technologii 45nm z otaczającym światem grubość paznokcia = 20.000.000nm włos = 90.000nm pyłek kwiatowy = 20.000nm bakteria = 2,000nm tranzystor 45nm Intel a = 45nm wirus = 20nm atom krzemu = 0.24nm Na podstawie danych firmy Intel 25
International Technology Roadmap for Semiconductors Międzynarodowe plany rozwoju technologii półprzewodnikowych 10 µm - 1971 3 µm - 1975 1,5 µm - 1982 1 µm - 1985 800 nm (0,80 µm) - 1989 600 nm (0,60 µm) - 1994 350 nm (,35 µm) - 1995 250 nm (0,25 µm) - 1998 180 nm (0,18 µm) - 1999 130 nm (0,13 µm) - 2000 90 nm - 2002 65 nm - 2006 45 nm - 2008 32 nm - 2010 22 nm - 2012 14 nm - 2014 technologia obecnie stosowana 10 nm - 2015 (Intel premiera przewidywana na 2016) 7 nm - 2015 (IBM we współpracy z GlobalFoundries, Samsungiem oraz SUNY) 5 nm - około 2020 źródło: http://whatnext.pl/ źródło: zestawienie wiki.en na podstawie http://www.itrs.net/ 26
Ciekawostki: jak mały i szybki jest tranzystor 45nm 1 metr to 1 miliard nanometrów Oryginalny tranzystor zbudowany w laboratoriach firmy Bell Labs w 1947 roku mógł zmieścić się w ręku. Na powierzchni pojedynczej czerwonej krwinki mogą się zmieścić setki nowych tranzystorów wykonanych w technologii 45nm. Żeby zobaczyć tranzystor wykonany w technologii 45nm trzeba użyc zaawansowanego mikroskopu Cena tranzystora w jednym z wchodzących na produkcję procesorów następnej generacji Intel a o nazwie kodowej Penryn będzie wynosiła 1/1.000.000 średniej ceny tranzystora z 1968 roku. Jeśli cena samochodów spadałaby z takim samym współczynnikiem dzisiaj nowy samochód kosztowałby około 1 centa. Na średnicy włosa można ułożyć więcej niż 2.000 tranzystorów 45nm. Na główce szpilki (o średnicy 1,5 mm) można zmieścić ponad 30 milionów tranzystorów 45nm. Ponad 2 miliony tranzystorów 45nm zmieści się na kropce kończącej ten akapit (powierzchnia około 1/10 mm2). Tranzystor 45nm pozwala wykonac około 300 milinów przełączeń na sek. W czasie jaki jest potrzebny na przełączenie tranzystora 45nm wiązka światła przebędzie mniej niż 2,5mm. Na podstawie danych firmy Intel 27
28 Generacje komputerów Ze względu na zastosowaną technologię wyróżnia się generacje komputerów: 0 układy przekaźnikowe 1 (od 1946 r.) technika lamp elektronowych (ENIAC), 2 (od 1956 r.) technika tranzystorowa, 3 (od 1963 r.) technika układów scalonych małej (SSI) i średniej (MSI) skali integracji układy scalone, 4 (od 1981 r.) technika układów scalonych dużej (LSI) i wielkiej (VLSI) skali integracji np. PC, 5 technika sztucznej inteligencji, np. komputer optyczny.
29 Architektura komputera sposób organizacji elementów tworzących komputer zazwyczaj pod pojęciem architektury rozumie się organizację połączeń pomiędzy pamięcią, procesorem i urządzeniami wejścia-wyjścia.
30 Klasyfikacja architektury komputera Ze względu na sposób organizacji pamięci i wykonywania programu: architektura von Neumanna architektura harvardzka architektura mieszana
31 Klasyfikacja architektury komputera Ze względu na sposób organizacji pamięci i wykonywania programu: architektura von Neumanna architektura harvardzka architektura mieszana
32 Architektura von Neumanna W 1945 John von Neumann opublikował książkę: "First Draft of a Report on the EDVAC*", opisującą architekturę Von Neumanna, utworzoną wspólnie z Johnem Mauchly'ym i Johnem Eckertem. *Electronic Discrete Variable Automatic Computer
33 Architektura von Neumanna Polega na ścisłym podziale komputera na trzy podstawowe części: procesor (w ramach którego wydzielona bywa część sterująca oraz część arytmetyczno-logiczna); pamięć komputera (zawierająca dane i sam program); urządzenia wejścia/wyjścia.
Architektura von Neumanna System komputerowy zbudowany w oparciu o architekturę von Neumanna powinien: mieć skończoną i funkcjonalnie pełną listę rozkazów; mieć możliwość wprowadzenia programu do systemu komputerowego poprzez urządzenia zewnętrzne i jego przechowywanie w pamięci w sposób identyczny jak danych; dane i instrukcje w takim systemie powinny być jednakowo dostępne dla procesora; informacja jest tam przetwarzana dzięki sekwencyjnemu odczytywaniu instrukcji z pamięci komputera i wykonywaniu tych instrukcji w procesorze. 34
35 Architektura komputera pamięć procesor CPU jednostka sterująca jednostka arytmetycznologiczna akumulator wejście wyjście Architektura von Neumanna (przedstawiona w 1945 wspólnie z Johnem W. Mauchly'ym i Johnem Presper Eckertem)
36 Normy dotyczące zestawów komputerowych Filozofią gospodarki Unii Europejskiej jest swobodny przepływ wyrobów i usług między jej krajami członkowskimi. Dla pewnych grup wyrobów - zwłaszcza, jeżeli mogą one stanowić zagrożenia dla zdrowia, mienia czy środowiska - zostały opracowane dyrektywy zawierające wymagania zasadnicze, których spełnienie jest warunkiem wprowadzenia do obrotu. Dowodem spełnienia przez wyrób tych wymagań jest umieszczenie na nim oznakowania CE, poprzedzone przeprowadzeniem oceny zgodności i wystawieniem deklaracji WE. Oznakowanie CE można umieścić tylko wtedy, gdy ocena zgodności wykazała, że wyrób spełnia wymagania wszystkich obowiązujących go dyrektyw. Zakres notyfikacji obejmuje następujące dyrektywy nowego podejścia: * 88/378/EWG/ Bezpieczeństwo zabawek * 89/336/EWG Kompatybilność elektromagnetyczna * 73/23/EWG Sprzęt elektryczny * 98/37/WE Maszyny * 90/385/EWG Aktywne implantowane wyroby medyczne * 93/42/EWG Wyroby medyczne * 98/79/WE Wyroby medyczne do diagnostyki in vitro * 89/106/EWG Wyroby budowlane * 94/25/WE Rekreacyjne jednostki pływające EWG obecnie EEC Źródło: http://www.pcbc.gov.pl/index.php?page=ce/ce
37 Normy dotyczące zestawów komputerowych Kompatybilność elektromagnetyczna (ang. electromagnetic compatibility EMC) Guidelines On the Application of Council Directive 89/336/EEC (http://ec.europa.eu/enterprise/electr_equipment/emc/guides/emcguide.htm) Definicje: "kompatybilność elektromagnetyczna" oznacza zdolność urządzenia, elementu wyposażenia lub systemu do zadowalającego działania w jego środowisku elektromagnetycznym, bez powodowania zakłóceń elektromagnetycznych, które nie są tolerowane w tym środowisku. "zakłócenie elektromagnetyczne" to zjawisko elektromagnetyczne, które może pogorszyć działanie urządzenia, elementu wyposażenia lub systemu. Zakłóceniem elektromagnetycznym może być hałas elektromagnetyczny, niepożądany sygnał lub nawet zmiana w samym środku przekazu. więcej informacji: oraz: http://www.pcbc.gov.pl/index.php?page=ce/kompatybilnosc http://www.automatykaonline.pl/poradnik/normy.php?id=13
38 Z czego składa się system komputerowy? zamieszczone zdjęcia, stanowią przykładowe graficzne uzupełnienie wykładu i nie są przeglądem najnowszych rozwiązań w tej dziedzinie
39 Budowa systemu komputerowego Komputer składa się z: jednostki centralnej (formalnie: procesor i pamięć; praktycznie podzespoły umieszczone w obudowie komputera PC: płyta główna z procesorem i pamięcią, karty rozszerzeń, napędy dysków, zasilacz itd.) urządzeń peryferyjnych urządzeń wejścia/wyjścia: monitor - CRT (ang. Cathode-Ray Tube) lub LCD (ang. Liquid Crystal Display), klawiatura, myszka, drukarka (m.in. igłowa, atramentowa, laserowa, termiczna)...
40 Budowa systemu komputerowego Podstawowym, bazowym elementem jednostki centralnej komputera jest: Płyta główna (ang. mainboard, motherboard). Źródło: http://www.intel.pl
41 Budowa systemu komputerowego Podstawowym, bazowym elementem jednostki centralnej komputera jest: Płyta główna (ang. mainboard, motherboard). procesor CPU, pamięć operacyjna RAM, BIOS i CMOS, zegar czasu rzeczywistego, gniazda (sloty) kart rozszerzających (np. ISA, PCI, AGP, PCI Express), gniazda zasilania (standard AT, ATX, ATX2.2., BTX), gniazda napędów dysków twardych, napędów optycznych (ATA, SATA), gniazda urządzeń zewnętrznych (portu szeregowego RS, równoległego CENTRONICS, USB, FireWire, klawiatury i myszy (std. AT, PS2, ostatnio wyłącznie przez USB), audio, wideo (VGA, SVHS, HDMI).
42 Budowa systemu komputerowego Na płycie głównej (ang. mainboard, motherboard) znajdują się: procesor, pamięć operacyjna, BIOS i CMOS, gniazda (sloty) kart rozszerzających (np. ISA, PCI, AGP, PCI Express), napędów (dyski twarde, napędy optyczne itp.) gniazda zasilacza, innych urządzeń zewnętrznych (portu szeregowego, równoległego, USB, FireWire, złącze klawiatury, złącze myszy), zegar czasu rzeczywistego. Kontrolery urządzeń są zgrupowane głównie w mostkach: - mostek północny podłączony bezpośrednio do procesora zawiera kontroler pamięci oraz kontroler szyny graficznej, - mostek południowy - podłączony do mostka północnego, zawiera kontrolery PCI, dysków, USB, dźwięku, Ethernetu, dysków (ATA, SATA) itp. + zewnętrzne kontrolery (np. IEEE 1394).
źródło:abit Źródło: http://www.komputronik.pl Źródło: http://www.intel.pl 43
44 Komputery personalne Dwa rodzaje komputerów personalnych: PC Mac Realizacje: desktop, tower, laptop, notebook, netbook, palmtop, smartphon, tablet...
45 Typy obudów pamięci komputera DIP, SIPP, ZIP, SIMM 30 pin, SIMM 72 pin, DIMM (168-pin), DDR DIMM (184-pin), DDR2 GDDR3 GDDR5.
46 Typy pamięci komputera Pamięć stała ROM Read Only Memory Pamięć ulotna RAM Random Access Memory SRAM static bardzo droga, bardzo szybka, energochłonna cache, DRAM dynamic tańsza, szybka pamięć operacyjna, VRAM video droga, szybka pamięć video.
47 Memory timings cykle pamięci np. dla KHX3200A/512: 2-3-2-6-1 CAS latency CL Delay between activation of row and reading of row - opóźnienie między aktywacją wiersza i jego odczytem RAS to CAS (or Row to Column Delay) trcd Activates row aktywacja wiersza Row Precharge Delay (or RAS Precharge Delay) trp/trcp Deactivates row deaktywacja wiersza Row Active Delay (or RAS Active Delay, or time to ready) tra/trd/tras Number of clock cycles between activation and deactivation of row liczba cykli zegara między aktywacją a deaktywacją wiersza Command Rate CMD Rate Delay between chip select and command opóźnienie między wybraniem chipa i rozkazem
źródło pl.wikipedia.org Patrz również: http://www.kingston.com/hyperx/products/khx.asp http://www.kingston.com/hyperx/products/krx.asp http://www.kingston.com/hyperx/products/khx_ddr2.asp http://www.kingston.com/hyperx/products/khx_ddr3.asp http://www.kingston.com/hyperx/products/decoder.asp 48
49 pierwsze pamięci GDDR5 rok 2007/2008 GDDR5 pamięci Qimonda Qimonda AG, znany producent układów pamięci poinformował o dostarczeniu swoim klientom pierwszych próbek układów GDDR5. Może to oznaczać, że w przyszłym roku na rynek trafią karty graficzne wyposażone w nowy typ pamięci. Układy GDDR5 zapewniają przepustowość rzędu 20 Gb/s na komponent. Oznacza to, że są dwukrotnie szybsze od najbardziej wydajnych GDDR3. Mogą być one taktowane nawet 5-gigahercowym zegarem. Mariusz Błoński źródło: Qimonda za http://kopalniawiedzy.pl/wiadomosc_4792.html
50 Złącza PCI porównanie Złącze PCI Express x1 I/O umożliwia przesyłanie do 500MB/s danych tzn. ma 3.5 raza większe pasmo niż PCI (do 133MB/s) Złącze PCI Express x16 umożliwia przesyłanie do 8GB/s danych tzn. ma 3.5 raza większe pasmo niż AGP8X (do 2.1GB/s) gniazda PCI-E od góry: x4, x16, x1 i x16 w porównaniu ze złączem PCI (na dole) źródło: Wikimedia Commons
51 Schemat blokowy komputera - konstrukcyjny szyna sygnałów sterujących szyna adresowa CPU ROM RAM sterowniki I/O wejście wyjście pamięć zewnętrzna szyna danych
52 Schemat blokowy komputera - funkcjonalny
53 Proces kompilacji programów Analiza syntaktyczna Kod źródłowy Analiza semantyczna Generacja kodu Biblioteki kompilatora Kod półskompilowany Biblioteki, kody zewnętrzne Łączenie Program wynikowy
54 Proces uruchamiania i realizacji programów - interpretacja Pamięć operacyjna System operacyjny Pamięć zewnętrzna System operacyjny interpreter Kompilator Program źródłowy Tłumaczenie i realizacja Program źródłowy Wprowadzenie modułów do pamięci operacyjnej
55 Proces uruchamiania i realizacji programów - kompilacja Pamięć operacyjna Pamięć zewnętrzna System operacyjny System operacyjny Tłumaczenie Kompilator Program źródłowy Kompilator Program źródłowy Realizacja Program wynikowy Wprowadzenie modułów do pamięci operacyjnej