Politechnika Łódzka Instytut Elektroniki Wstęp do współczesnej inżynierii EKS i komputery sterowane myślami Andrzej Materka, listopad 2010 Jena Meeting, 12-14 December 2008 1/8 Plan wykładu - rozwój urządzeń wspomagających obliczenia - prawo Moore a - budowa i działanie komputera - karty elektroniczne - zastosowania kart na kampusie uczelni, EKS - wprowadzanie danych do komputera - komputer sterowany myślami 2/8
Rozwój komputerów łac. computo zrachować, obliczyć łac. calculus kamyk, rachunek Liczydło III w. pne (?) 3/8 Rozwój komputerów Kipu (Inkowie) Mnożarka (pałeczki) Nepera (1602) http://ww2.tvp.pl/view?cat=1875&id=235297 Suwak logarytmiczny http://www.computerhistory.org/virtualvisiblestorage/entry.html http://www.sliderules.clara.net/ 4/8
Rozwój komputerów Kalkulator Da Vinci (ok. 1500) Kalkulator CURTA (1948-1972) http://www.maxmon.com/history.htm Kalkulator mechaniczny Schickarda (1600) Sumator Pascala (1642) Kalkulator Leibniza (1673) http://www.curta.de/kr31/index.htm 5/8 Rozwój komputerów Maszyna tkacka Jacquarda (1804) http://history.acusd.edu/gen/recording/jacquard1.html Karty perforowane (program) Maszyna analityczna Babbage a (1834) Tabulator Holleritha (1890) 6/8
Rozwój komputerów Komputer elektroniczny (1946) Electronic Numerical Integrator And Calculator Lampy elektronowe (obliczanie trajektorii pocisków artyleryjskich) http://www.library.upenn.edu/exhibits/rbm/mauchly/jwmintro.html 7/8 Rozwój komputerów Komputery elektroniczne I generacja (1946-59) lampy elektronowe II generacja (1959-65) tranzystory III generacja (1965-75) układy scalone IV generacja (od 1975) układy scalone wielkiej skali integracji http://pl.wikipedia.org 8/8
Rozwój komputerów ENIAC (1946) 100 m 3 objętości 30 ton 18 000 lamp próżniowych 10 000 kondensatorów 5 000 instr./s http://www.library.upenn.edu/exhibits/rbm/mauchly/jwm8b.html ENIAC-on-a-Chip (Univ. Pennsylvania 1995) 7,4 mm 5,3 mm 175 000 tranzystorów MOS http://www.ee.upenn.edu/~jan/eniacproj.html 9/8 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) http://en.wikipedia.org/wiki/ibm_pc http://en.wikipedia.org/wiki/boeing_727 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. 10/8
Rozwój komputerów Układ scalony miliony tranzystorów na wspólnym podłożu. http://www.ee.upenn.edu/~jan/eniac_chip.html http://pl.wikipedia.org/wiki/uk%c5%82ad_scalony duże możliwości obliczeniowe duża szybkość zwiększona niezawodność 11/8 Zastosowania komputerów http://www.sonyericsson.com/ http://www.tomshardware.pl/consumer/20020913/ MP3 http://www.hoopla.pl Telefon DVD/BD http://www.agdrtv.com/dvd/grundig_dvd_p_7000.php Telewizor 12/8
Zastosowania komputerów http://www.hoopla.pl/product_info.php?products_id=3615 http://en.wikipedia.org/wiki/image:microwave.750pix.jpg Pralka Kuchnia mikrofalowa 13/8 Zastosowania komputerów http://www.mazda.de/default.asp http://travel.howstuffworks.com/space-shuttle.htm Samochód osobowy Prom kosmiczny 14/8
Notatka Komputery stają się mniejsze, tańsze, szybsze, wykonują więcej funkcji i wywierają istotny wpływ na nasze życie. Komputery stają się wszechobecne. 15/8 Elementy składowe komputera Program John von Neumann (1903-1957) Jednostka arytmetycznologiczna Im krótszy okres zegara, tym szybciej liczy komputer. Układy wejściowe Jednostka sterująca Układy wyjściowe Pamięć Zegar 0 1 0 1 0 1 0 1 czas Cykl pracy - pobranie instrukcji - rozkodowanie instrukcji - pobranie danych - wykonanie instrukcji - przesłanie wyniku do pamięci 16/8
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 10 1 8 4 2 1 0 0 1 1 2 1 0 3 1 1 4 1 0 0...... 1 5 1 1 1 1 dekompozycja na proste operacje odporność na zakłócenia 17/8 Komputer elementy i operacje Przykłady obliczeń dwójkowych Reguły dodawania 0 0 1 1 +0 +1 +0 +1 0 1 1 10 6 5: 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 + 1 1 0 1 1 1 1 0 Kodowanie znaków pisma! - 00100001 $ - 00100100 A - 01000001 B - 01000010 Z - 01011010 a - 01100001 m - 01101110 Możliwość przetwarzania danych symbolicznych. 18/8
Okładki Pamięć Komputer elementy i operacje Kondensator płaski A C A d pojemność kondensatora d Izolator + + + + + + + + + + + + Q - - - - - - - - - - - - U 1 bajt pamięci (8 bitów) 0 0 0 1 1 0 0 1 Q CU ładunek napięcie pojemność 16 + 8 + 1 = 25 19/8 Komputer elementy i operacje V DD =5V Inwerter A A Funkcja NIE A A 0 1 1 0 W stanie statycznym układy CMOS nie pobierają energii. V in V o C 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 + podłoże typu p B Si L Tranzystor MOS 20/8
Komputer elementy i operacje A B LUB NIE-LUB 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 A A + B B Funkcja NIE - LUB A B M 1 M 2 V DD X=A+B George Boole (1815-1864) 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. 21/8 Komputer elementy i operacje Układ scalony - miliony tranzystorów na wspólnym podłożu. - duże możliwości obliczeniowe - duża szybkość - zwiększona niezawodność 22/8
Liczba tranzystorów w układzie scalonym Rozwój komputerów 1.0E+07 1.0E+06 1.0E+05 1.0E+04 1.0E+03 70 75 80 85 90 95 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. 23/8 Rozwój komputerów Układy scalone... - mogą pomieścić setki tysięcy układów LUB i NIE - są coraz szybsze Komputery zbudowane z układów scalonych... - są coraz mniejsze - wykonują coraz więcej złożonych obliczeń - są taktowane coraz szybszymi zegarami 24/8
Karta elektroniczna Ronald Moreno (1974) Patent: Niezależny obiekt elektroniczny z pamięcią oraz identyfikatorem PIN. Innovatron (Francja) - licencja 1976: Honeywell-Bull-Motorola (karty z pamięcią) 1979: karty inteligentne (z procesorem) 1980: pierwsze zastosowania (banki, szpitale, telekomunikacja) 1992: 21 mln kart 1995: 400 mln kart 1999: 3 mld kart 2000 2 biliony kart 25/8 Karta elektroniczna procesor zegar reset m a g i s t r a l a pamięć we/wy Karta elektroniczna zawiera w sobie komputer. J. Zareda, Andrzej J. Oton, Materka, Smartd Cards, WDWI: Artech EKS i komputery House, 1994sterowane myślami, Łódź, listopad 2010 26/8
Karta elektroniczna Czytnik karty bezstykowej Czytnik karty elektronicznej Karta elektroniczna zapewnia większą pojemność większą niezawodność bezpieczeństwo danych 27/8 Karta elektroniczna Telekomunikacja Ochrona zdrowia Finanse Sport, wypoczynek J. Zareda, J. Oton, Smart Cards, Artech House, 1994 Transport Szkoły wyższe 28/8
Karta elektroniczna w szkole wyższej karta biblioteczna legitymacja indeks portmonetka Andrzej MATERKA DM 1999/00 nr alb. 007 Elektroniczna karta studenta (EKS) 29/8 Karta elektroniczna w szkole wyższej Oceny, programy zajęć, komunikaty,... Informacje Bufet, kawiarnia Księgarnia, kiosk, sklep uczelniany Parking Szkoła wyższa Kserokopiarka J. Zareda, J. Oton, Smart Cards, Artech House, 1994 Biblioteka Dziekanat, administracja 30/31
Karta elektroniczna w szkole wyższej 31/31