PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW KOMPUTEROWYCH

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW KOMPUTEROWYCH WYKŁAD NR 1 HISTORIA ROZWOJU KOMPUTERÓW I SPRZĘTU KOMPUTEROWEGO dr Artur Woike

Klasyfikacja systemów komputerowych

Typy systemów komputerowych 1. Klasyfikacja przez rozmiar Superkomputery Mainframe Minikomputery Mikrokomputery 2. Klasyfikacja przez funkcje Serwery Stacje robocze Urządzenia informacyjne Systemy wbudowane

Superkomputery Zazwyczaj służą do wykonywania zadań, które wymagają prowadzenia intensywnych i złożonych obliczeń numerycznych. Są to systemy komputerowe o największej szybkości wykonywania obliczeń, mierzonej w ilości operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę (Flop/s). Ze względu na stały rozwój technologii, szybkość wykonywania obliczeń przez superkomputery relatywnie maleje w dłuższej perspektywie czasowej.

Tianhe-2 3 120 000 rdzeni 33 862,7 TFLOPS 17 808,00 kw mocy 1 024 000 GB pamięci Intel Xeon E5-2692v2 12C 2.2GHz Chiny

Sunway TaihuLight 10 649 600 rdzeni 93 014,6 TFLOPS 15 371,00 kw mocy 1 310 720 GB pamięci Sunway SW26010 260C 1.45GHz

Mainframe Zazwyczaj mają za zadanie obsługiwać dużą liczbę użytkowników. Nie muszą posiadać dużej mocy obliczeniowej. Specjalizują się w bardzo wydajnych operacjach wejścia/wyjścia (I/O). Często obsługują obszerne bazy danych, a także przetwarzają duże pliki. Zazwyczaj są wykorzystywane przez duże instytucje. Wymaga się od nich dużej niezawodności.

IBM System z10 TM BC (model E10) 3,5 GHz częstotliwości taktowania procesora do 12 rdzeni (w tym 2 rdzenie wspomagające działanie systemu) od 4 do 256 GB pamięci do 12 połączeń z podsystemem operacji I/O (o przepustowości 6 GB/s każde)

Minikomputery Zazwyczaj są to komputery będące w środkowym zakresie dostarczanej mocy obliczeniowej (tj. pomiędzy mikrokomputerami oraz najmniejszymi komputerami typu Mainframe). Współcześnie używa się określenia komputer klasy średniej. Obecnie rzadko spotykane (dawniej np. systemy komputerowe zbudowane w oparciu o procesory serwerowe z rodzin Itanium, SPARC). Nowoczesne mikrokomputery przejęły wiele cech minikomputerów.

Mikrokomputery Najbardziej powszechny rodzaj komputerów (używane od lat 70 XX wieku). Zazwyczaj mają niewielkie rozmiary i są relatywnie niedrogie (w porównaniu do komputerów klasy mainframe). Zbudowane w oparciu o pojedynczy mikroprocesor. Zawierają takie same elementy składowe systemu (np. mikroprocesor, układ I/O, pamięć, magistrale systemowe). Obecnie (między innymi na skutek miniaturyzacji) pojawiają się nowe rodzaje mikrokomputerów.

Serwery Są to komputery przeznaczone do świadczenia usług dla innych komputerów (np. udostępnianie pewnych zasobów lub pośredniczenie w przekazywaniu danych). Zazwyczaj są przystosowane do pracy ciągłej. Mają być systemami niezawodnymi (często wyposażane w pamięci ECC oraz rozbudowane systemy zasilania i chłodzenia). Serwery na ogół wyposaża się w wydajne procesory serwerowe (często jest ich więcej niż jeden), dużą ilość pamięci RAM, duże i szybkie pamięci dyskowe. Mogą być podłączone do Internetu szybkim łączem.

Stacje robocze System komputerowy przeznaczony do pracy. Zazwyczaj ma wyższą wydajność od komputera osobistego. Najczęściej kładzie się nacisk na moc obliczeniową, wielowątkowość oraz możliwości przetwarzania grafiki komputerowej. Mają zastosowania komercyjne i naukowe. Obecnie zacierają się granice pomiędzy stacjami roboczymi a komputerami osobistymi wysokiej klasy.

Urządzenia informacyjne Zazwyczaj urządzenia zaprojektowane do łatwego wykonywania specyficznych funkcji (odtwarzanie multimediów, komunikacja, fotografia cyfrowa itp.). Współcześnie do klasy urządzeń informacyjnych można zaliczyć np. smartfony.

Systemy wbudowane System komputerowy specjalnego przeznaczenia będący integralną częścią obsługiwanego przez niego urządzenia. Zazwyczaj wykonują program przechowywany w pamięci trwałej i dostosowany tylko do obsługi danego urządzenia. Obecnie systemy wbudowane są powszechnie spotykane (np. w samochodach, samolotach, sprzęcie elektronicznym, przemyśle, podzespołach komputerowych).

Budowa mikrokomputera

Architektura von Neumann a Po raz pierwszy opublikowana w artykule z 1945 r. Model systemu komputerowego wykorzystującego architekturę von Neumann a jest często nazywany przykładową maszyną cyfrową (PMC). W odróżnieniu od konkurencyjnej architektury harvardzkiej PMC nie posiada oddzielnej pamięci dla danych i instrukcji (zarówno instrukcje jak i dane są zakodowane w postaci liczb, a program może się sam modyfikować). Współczesne systemy komputerowe (w większości) wykorzystują architekturę von Neumann a.

Schemat budowy PMC

Główne komponenty PMC Pamięć główna przechowuje rozkazy i instrukcje. Jednostka sterująca odpowiada za pobieranie z pamięci danych i instrukcji oraz za ich sekwencyjne przetwarzanie. Jednostka arytmetyczno-logiczna odpowiada za wykonywanie podstawowych operacji logicznych i arytmetycznych. Urządzenia wejścia i wyjścia odpowiadają za interakcję z operatorem. Procesor tworzą jednostka sterująca razem z jednostką arytmetyczno-logiczną.

Postulaty architektury von Neumann a Skończona i funkcjonalnie pełna lista rozkazów. Możliwość wprowadzenia programu do systemu komputerowego poprzez urządzenia zewnętrzne. Możliwość przechowywania programu w pamięci w taki sam sposób jak dane. Jednakowa dostępność danych i instrukcji dla procesora. Informacje są przetwarzane dzięki sekwencyjnemu odczytywaniu instrukcji z pamięci komputera i wykonywaniu tych instrukcji przez procesor. Możliwość przełączania systemu komputerowego z wykonywania jednego programu na inny bez konieczności fizycznej ingerencji w strukturę tego systemu.

Budowa komputera osobistego 1. Monitor 2. Płyta główna 3. Procesor 4. Pamięć operacyjna 5. Karty rozszerzeń 6. Zasilacz 7. Napęd optyczny 8. Pamięć dyskowa 9. Mysz 10. Klawiatura

Historia rozwoju komputerów

Mechanizm z Antykithiry Odkryty w 1902 r. Powstał około 205 r. p.n.e. Składa się z 37 kół zębatych z brązu napędzanych korbą i poruszających wskazówkami. Pozwalał między innymi przewidywać zaćmienia Słońca i Księżyca, momenty wschodów i zachodów niektórych obiektów astronomicznych, a także prawdopodobnie pozycje pięciu znanych w tamtym okresie planet. Najnowsza rekonstrukcja pochodzi z 2014 r. (zbudowana między innymi na podstawie wyników tomografii komputerowej).

Pascalina Zaprojektowana przez Blaise Pascala w 1645 r. Umożliwiała wykonywanie wszystkich czterech podstawowych operacji matematycznych. Do 1652 r. wykonano około 50 egzemplarzy.

Czy Pascal był pierwszy? Pierwszy znany kalkulator mechaniczny zbudował w 1623 r. Wilhelm Schickard. Maszyna Schickard a była zbudowana z elementów drewnianych i umożliwiała wykonywanie wszystkich czterech operacji matematycznych Jedyny egzemplarz spłonął w 1624 r. Zachowały się jedynie dokumenty zawierające opis maszyny (w tym listy Schickard a do Keplera). Na podstawie zachowanych dokumentów w 1960 r. zbudowano rekonstrukcję maszyny liczącej Schickard a.

Maszyna różnicowa Babbage a W 1822 r. angielski matematyk Charles Babbage zaproponował zbudowanie maszyny automatycznie wyliczającej tablice matematyczne (np. tablice funkcji trygonometrycznych i logarytmów). Budowa maszyny różnicowej została ukończona tylko częściowo. W latach 1847-1849 Babbage zaprojektował drugą wersję maszyny różnicowej (ulepszoną). Pierwszą kompletną replikę zbudowano w 2002 r. (8000 elementów, waga 5 ton).

Maszyna analityczna Babbage a W 1837 r. Charles Babbage po raz pierwszy opisał koncepcję maszyny analitycznej: konstrukcja mechaniczna napędzana silnikiem parowym; rozdzielenie pamięci ( magazynu ) od jednostki obliczeniowej ( młyna ); wprowadzanie danych za pośrednictwem kart perforowanych; trzy typy urządzeń wyjściowych (drukarka, urządzenie kreślarskie, drukarka kart perforowanych); możliwość wykorzystania konstrukcji takich jak pętle, instrukcje warunkowe, skoki, przetwarzanie równoległe.

Maszyna analityczna nigdy nie została skonstruowana przez Babbage a. W 1910 r. zbudowano młyn (wykonywał wszystkie cztery podstawowe operacje, ale nie był programowalny) oraz drukarkę. W latach 1842-1843 brytyjska matematyczka Augusta Ada King (Ada Lovelace) napisała pierwszy algorytm/program dla maszyny analitycznej Babbage a (obliczanie liczb Bernoulliego). W 2011 r. rozpoczęto prace nad konstrukcją modelu maszyny analitycznej.

Maszyna Touringa Teoretyczny model komputera opracowany przez angielskiego matematyka Alana Touringa w 1937 r. Składa się z nieskończonej (jednostronnie lub dwustronnie) taśmy podzielonej na pola na których zapisuje się dane. Każde pole może znajdować się w jednym z N stanów. Maszyna zawsze jest ustawiona nad jednym z pól i znajduje się w jednym z M stanów. N i M są dowolnymi skończonymi liczbami. W zależności od kombinacji stanu maszyny i pola maszyna zapisuje nową wartość w polu, zmienia stan, a następnie może przesunąć się o jedno pole w prawo lub w lewo. Maszyna Touringa jest sterowana listą rozkazów (programem) zawierającą dowolną ich liczbę.

Komputery zerowej generacji Brak elementów elektronicznych. Budowane w oparciu o elementy mechaniczne lub elektromagnetyczne. Niektóre modele komputerów zerowej generacji: Z1 (1936-1938 r.); Harvard Mark I (1937 r.); Z2 (1939 r.); Z3 (1941 r.).

Z1 Pierwszy programowalny komputer mechaniczny. Wykorzystywał binarne liczby zmiennoprzecinkowe. Nie był kompletny w sensie Touringa (nie akceptował instrukcji warunkowej). Programowalny za pomocą taśmy perforowanej. Zniszczony w 1943 roku (odbudowany przez Konrada Zuse w 1986 r.)

Harvard Mark I Zbudowany w 1937 roku. Oficjalna nazwa to IBM Automatic Sequence Controlled Calculator Pierwsza maszyna licząca posiadająca możliwość przechowywania wbudowanego programu. Zawierał ponad 800 km przewodów i 3 mln. połączeń.

Z3 Zbudowany w 1941 r. przez niemieckiego inżyniera Konrada Zuse. Pierwszy działający w pełni automatyczny komputer o zmiennym programie. Jego budowa bazowała na przekaźnikach elektromagnetycznych. W czasie II wojny światowej wykorzystywany do obliczeń związanych z projektowaniem skrzydeł. Jedyny istniejący egzemplarz zniszczony przez aliantów pod koniec wojny. W latach 60 XX wieku zbudowano replikę.

Komputery pierwszej generacji Zbudowane w oparciu o lampy elektronowe. Pierwszą diodę (lampę elektronową prostowniczą o dwóch elektrodach) skonstruowano w 1904 r. Pierwszą triodę (lampę elektronową wzmacniającą o trzech elektrodach) skonstruowano w 1906 r.

ENIAC ENIAC - Electronic Numerical Integrator And Computer. Skonstruowany w latach 1943-1945. Przekazany wojsku w 1946 r. (w użytkowaniu dopiero od 1947 r.) Zawierał 18800 lamp elektronowych, 50000 oporników, 6000 komutatorów i 1500 przekaźników. Ważył 30 ton i zajmował około 140 m 2. Wykonywał obliczenia w systemie dziesiętnym. Nie posiadał pamięci operacyjnej. Początkowo programowany poprzez przełączanie wtyków kablowych, później poprzez karty perforowane.

Używany między innymi do obliczeń związanych z balistyką i wytwarzaniem broni jądrowej. Czy naprawdę ENIAC był pierwszy?

Colossus Wersje Mk1 (1600 lamp) i Mk2 (2400 lamp) oddano do użytku odpowiednio w 1943 i 1944 r. Podczas wojny był wykorzystywany do łamania niemieckich szyfrów. Pod koniec wojny w użyciu było 10 egzemplarzy. Wszystkie egzemplarze oraz dokumentację zniszczono w celu zachowania tajemnicy. Dane o jego istnieniu odtajniono dopiero w 1976 r. Programowany za pomocą wtyków kablowych i przełączników.

Był wyspecjalizowany do wykonywania obliczeń związanych z kryptografią. W 2007 r. zbudowano w pełni funkcjonalną replikę Colossusa Mk2. A może jednak nie Colossus?

ABC ABC - Atanosoff-Berry Computer. Skonstruowany w 1939 r. Wymagał stałego nadzoru człowieka operatora. Zbudowany z 270 lamp elektronowych. Nie był programowalny. W 1973 r. sąd amerykański unieważnił patent ENIAC a i przyznał twórcy ABC miano wynalazcy komputera elektronicznego.

EDVAC EDVAC - Electronic Discrete Variable Automatic Computer. Skonstruowany w 1949 r. Wykonywał obliczenia na liczbach binarnych. Przechowywał program w pamięci wewnętrznej. Pierwszy komputer zbudowany na podstawie architektury von Neumann a (ogłoszonej w pracy First Draft of a Report on the EDVAC ). Zbudowany z około 6000 lamp elektronowych i 12000 diód. Ważył 7,85 tony i zajmował 45,5 m 2.

Komputery drugiej generacji Zbudowane w oparciu o tranzystory. Pierwszy działający tranzystor został zbudowany w 1947 r. w laboratoriach firmy Bell Telephone Laboratories.

IBM 7090 Wprowadzony w 1959 r. jako tranzystorowa wersja lampowego modelu IBM 709 klasy mainstream. Taka sama struktura jak w modelu IBM 709, ale lampy elektronowe zastąpiono tranzystorami. Efekt: 6 razy szybszy, około 100 KFLOPS; 2 razy tańszy, średnio 2,9 mln $ (1960), równowartość 23,2 mln $ (2015).

Komputery trzeciej generacji Zbudowane w oparciu o układy scalone małej i średniej skali integracji. W 1958 r. Jack Kilby z firmy Texas Instruments zbudował pierwszy działający model układu scalonego.

IBM System/360 Rodzina kompatybilnych maszyn opracowana w 1964 roku. Do 1968 r. sprzedano 14 tys. egzemplarzy. Wykorzystywał terminale podłączane przez linie telefoniczne.

K-202 Pierwszy polski minikomputer zaprojektowany w latach 1970-73 przez inż. Jacka Karpińskiego. Zbudowany w oparciu o układy scalone małej i średniej skali integracji. Jeden z pierwszych komputerów stosujących adresowanie stronicowe. 16 bitowy, modularny, teoretycznie mógł zaadresować 8MB pamięci. Pod względem szybkości przewyższał pierwsze komputery IBM PC. Nie trafił do produkcji seryjnej (wyprodukowano 30 sztuk, z czego 15 trafiło do Wielkiej Brytanii). W 1976 r. powstała udoskonalona wersja pod nazwą MERA 400.

Odra 1305 Prototyp powstał w 1971 r. w Zakładach Elektronicznych Elwro we Wrocławiu. Seryjna produkcja od 1973 r. Łącznie wyprodukowano 346 egzemplarzy. Ostatnie dwie Odry pracowały do 2010 r.: 1 kwietnia 2010 wyłączono przedostatnią w Polsce działającą Odrę 1305 pracującą na stacji towarowej PKP Wrocław Brochów. 1 maja 2010 roku o godzinie 9:18 wyłączono ostatnią w Polsce działająca Odrę 1305 zainstalowaną na stacji PKP Lublin Tatary. Obie ostatnie Odry służyły do inwentaryzacji składów i zestawiania składów pociągów towarowych.

Komputery czwartej generacji Zbudowane w oparciu o układy scalone o wielkiej skali integracji (mikroprocesory). W 1973 r. Texas Instruments otrzymało patent na mikroprocesor.

Pierwsze mikroprocesory Texas Instruments TMS 1000 (17 września 1971 r.) Intel 4004 (15 listopada 1971 r.)

ALTAIR 8800 Zestaw do samodzielnego montażu. Uznawany za pierwszy komputer osobisty. Duże możliwości rozbudowy, m.in. dodatkowe kości pamięci RAM, magnetofon, stacja dyskietek. Procesor Intel 8080, 8 bit, 2MHz. Pamięć operacyjna 256 B. Sprzedano około 10 tys. egzemplarzy.

Apple I Początek sprzedaży w 1976 r. Sprzedawany w pełni złożony. Pierwszy powszechnie dostępny wykorzystujący klawiaturę i monitor. komputer osobisty Procesor MOS Technology 6502, 8 bit, 1MHz. Pamięć operacyjna od 4 do 48 KB. Pamięć graficzna 1 KB (tryb tekstowy, 40 kolumn, 24 wiersze).

ZX Spectrum Początek produkcji w 1982 r. Wyjście telewizyjne (tryb graficzny 256x192 piksele, tryb tekstowy 24 wiersze na 32 kolumny, 8 kolorów, 2 odcienie jasności Procesor Zilog Z80A, 8 bit, 3,54 MHz. Pamięć operacyjna 16/48 KB RAM, 16 KB ROM. Nośnikiem danych były kasety magnetofonowe.

Commodore 64 Początek produkcji w 1982 r. Procesor MOS Technology 6510, 8 bit, około 1MHz. Pamięć operacyjna 64 KB RAM, 20 KB ROM. Wbudowany układ graficzny MOS Technology VIC-II. Wbudowany układ dźwiękowy MOS Technology SID 6581.

Atari 800XL Początek produkcji w 1983 r. Procesor MOS 6502C, 8 bit, około 1,7 MHz. Pamięć operacyjna 64 KB RAM, 24 KB ROM.

Amiga 500 Początek produkcji w 1987 r. Wyposażony w zestaw układów OCS (Original Chip Set) odpowiadających m.in. za funkcje dźwiękowe (4-kanałowy 8-bitowy dźwięk stereo 22 KHz) i graficzne. Procesor Motorola 68000, 16 bit, około 7 MHz. Pamięć operacyjna 512 KB RAM, 256 KB ROM. Wbudowany napęd dyskietek 3.5" o pojemności 880 KB.

IBM PC 5150 Początek produkcji w 1981 r. Procesor Intel 8088, 16 bit, 4,77 MHz. Pamięć operacyjna od 16 do 256 KB. Po raz pierwszy pojawia się Basic Input/Output System (BIOS). Komputery rodziny IBM PC odniosły olbrzymi sukces komercyjny. Masowo pojawiają się komputery zgodne z IBM PC. Narodziny standardu dla większości obecnych PC.

Współczesny komputer PC

Komputery piątej generacji Komputery przyszłości zbudowane w oparciu o sztuczną inteligencję. Komputery kwantowe. Możliwe wykorzystanie nanotechnologii oraz przetwarzania równoległego. Celem jest zaprojektowanie komputerów zdolnych do przyjmowania instrukcji przekazywanych przy użyciu języka naturalnego, zdolnych do uczenia się oraz samodoskonalenia.

Wybrane momenty rozwoju techniki komputerowej

Myszy komputerowe Pierwsze egzemplarze pojawiły się w 1968 r.: Telefunken Rollkugel (sprzedaż rozpoczęto 2.10.1968 r.); Prototyp opracowany w Stanford Research Institute (pierwszy egzemplarz zaprezentowano 9.12.1968r.).

Dyski twarde (HDD) Wprowadzone przez firmę IBM w 1956 r. W latach 60-tych były już najczęstszym wyborem dodatkowej pamięci w komputerach ogólnego zastosowania.

Dyski półprzewodnikowe (SSD) Początki dysków półprzewodnikowych sięgają lat 50-tych. W 1991 r. firma SanDisk Corporation stworzyła 20 MB dysk SSD.

Dyski optyczne Płyty kompaktowe (CD): Wprowadzone do sprzedaży w 1982 r. wspólnie przez firmy Phillips i Sony.; Średnica 120 mm lub 80 mm; Pojemność od 650 MB do 1,4 GB. Płyty DVD: Wynalezione w 1995 r. wspólnie przez firmy Panasonic, Phillips, Sony i Toshiba; Pojemność od 4,7 do 17,08 GB. Płyty Blu-Ray: Opracowane w 2000 r. przez Blu-ray Disc Association; Standardowa pojemność od 25 do 128 GB.

Karty graficzne Wprowadzone przez IBM w 1981 r. Pierwsze karta grafiki dla IBM PC to IBM MDA (Monochrome Display and Printer Adapter) oraz IBM CGA (Color Graphics Adapter).

S3 Graphics S386C911 pierwszy jednoukładowy akcelerator grafiki 2D (1991 r.). S3 Graphics S3 ViRGE pierwszy jednoukładowy akcelerator grafiki 2D i 3D (1995 r.).

3dfx Interactive Voodoo Graphics pierwszy akcelerator grafiki 3D (1995 r.). nvidia GeForce 256 pierwszy GPU (1999 r.).

Karty dźwiękowe AdLib Card (1987 r.) Creative Music System (C/MS) (1987 r.)

Popularne systemy operacyjne PC DOS, MS DOS od 1981 do 2000 r. Linux od 1991 r. Microsoft Windows od 1981 r.: Windows 95, 98, ME (2000 r.) (zawierały MS DOS). Windows NT (1996 r.), 2000, XP (2001 r.), Server 2003 i 2003 R2 (2005 r.), Vista (2006 r.), Server 2008, 7 (2009 r.), Server 2008 R2 (2009 r.), 8 (2012 r.) i 8.1 (2013 r.), 10 (2015 r.). Chrome OS od 2011 r.