Principy počítačů

Zdroj: Ondřej Čepek

1

Hrubá osnova

• Historie počítačů

• Architektura a organizace počítačů

• Reprezentace dat

• Procesory

• Paměti

• Propojovací systémy

• Periferie

2

Historie

• počátky obtížné definovat (záleží na definici pojmu „počítač“)

• computer – z latinského computare, počítat (1646 – Sir Thomas Browne)

• předchůdci počítačů (výpočetní pomůcky): abacus (sčot), tabulky, pravítka, strojky, mechanické tabulátory a kalkulátory

3

Abacus (sčot)

4

Pascalina (1642)

• Blaise Pascal (1623 - 1662)

5

Další mechanické počítače

• Gottlieb Wilhelm von Leibniz (1646 – 1716): jeho stroj uměl + - * / (1674)

• Thomas de Colmar (1785 – 1870) navrhnul a sestrojil arithmometr (1820), který uměl vynásobit 2 osmiciferná čísla za 18 sekund

6

Piánový arithmometr (1851)

Počítač dnes

• univerzální programovatelný stroj• první stroj vyhovující této definici:

programovatelný tkalcovský stav (1805)• konstruktér stroje: Joseph-Marie Jacquard

(1752 – 1834)• čtení vstupu (popis vzoru vyráběné látky)

z děrovaného pásu papíru (šablony): Jacques de Vaucanson (1709 – 1782)

7

Charles Babbage (1791-1871)

• 1822 Difference Engine hodnoty polynomů 6.stupně paměť, řídící jednotka, vstup/výstup

• 1842 Analytical Engine univerzální, řízen programem na „děrných štítcích“ podmíněný skok používal dekadickou soustavu čísla až o padesáti místech, paměť pro tisíc čísel stejně jako Difference Engine stroj nikdy nebyl dokončen

8

Herman Hollerith(1860-1929)

• mechanický tabulátor• vstupní data na štítcích• sčítání lidu 1890, výsledky za 6 týdnů: 62 622 250

(výsledky z r. 1880 nebyly ani po 7 letech)• 1911 Computer Tabulating Recording Company

( 1924 International Business Machines Corp.)

9

Počítače 1900-1945

• počátek – především Holleritovy tabulátory

• mezi válkami a během II. světové války:– Konrad Zuse– Alan Turing– John von Neumann– Howard Hathaway Aiken (Mark 1)– John Mauchly, John Eckert (ENIAC)

10

Konrad Zuse(1910 – 1995)

• studium stavebního inženýrství• Z1 1936-1938 – mechanický; binární kód• Z2 1940 – experiment, • Z3 1938-1941 – reléový, děrná páska

považován za „první funkční počítač na světě“– binární, 64 slov po 22 bitech– floating-point (14 mantissa, 7 exp., 1 znam.)– 2400 relé (1800 paměť, 600 výkonná jedn.)– 5-10Hz, */ 3s, + 0.7s, 4kW, 1000kg

• údajně neznal práce Charlese Babbage

11

• Z1 (1936) - původně se jmenoval V-1, po válce ale byl zpětně přejmenován na Z1, aby zabránil zaměňování s raketami V-1 (Zuse byl přítelem Wernera von Brauna)

12

• Z3

13

• Z4 1941-1945 – podobná architektura jako Z1 a Z3• paměť 1024 slov • 2 registry R1 a R2• Instrukční sada:

– + - * / – čtení z klávesnice– zobrazení R1– uložení registru– načtení registru

• 8-stopá páska• podmíněný skok

14

Alan Mathison Turing(1912-1954)

• 1936 hypotetické zařízení „Turingův stroj“

• během II. Světové války v Británii,pokusy o dešifrování Enigmy 1943 COLOSSUS

• základy oboru

„umělá inteligence“

• 1950 „Turingův test“

15

Turingův stroj

• hypotetické zařízení• řídící jednotka s konečnou množinou stavů• (potenciálně) nekonečná páska na zápis

symbolů z pracovní abecedy stroje• tabulka přechodové funkce• dodnes základní model v teorii časové a

prostorové složitosti algoritmů• Church-Turingova teze

16

Turingův test

• Práce A.Turinga směřovaly do oblasti vztahu člověka a stroje, položil základy vědního oboru o „umělé inteligenci“ (AI)

• navrhl test popisující možnost testování inteligence stroje– připojení testující osoby dálnopisy– pokud není možno v přijatelném čase rozlišit

zda odpovídá stroj nebo člověk, pak stroj „vykazuje znaky inteligence“

17

Harvard Mark I1944-1959

• Automatic Sequence-Controlled Calculator• Howard Hathaway Aiken (1900-1973)

• standardní elektromechanické prvky• + - * /, logaritmy, trigonometrické funkce• 18 x 2.5 m, 5 tun, 530 mil drátu,

760 000 součástí, 3304 relé.• program na děrné pásce bez návratu• plně automatický, možné dlouhé výpočty

18

ENIAC1946-1955

• Electronic Numerical Integrator And Computer• objednán Ballistics Research Laboratory během

2.světové války pro výpočty balistických tabulek nových děl

• do provozu uveden až po válce a použit pro výpočty při konstrukci H-bomb

19

Parametry ENIACu

• Konstruktéři J.W.Mauchly a J.P.Eckert na University of Pennsylvania ve Philadelphii

• 30 tun, přes 100 m2 plochy, příkon 140 kW• desetimístná dekadická čísla, každá číslice

reprezentována svazkem 10 elektronek• 20 sčítaček, násobička, dělička, a obvody pro

výpočet druhé odmocniny• použita „rychlá“ (0,2 ms) registrová paměť• programoval se pomocí nastavení přepínačů a

propojování programových jednotek kabely

20

ENIAC vs Pentium

ENIACENIAC Pentium Pentium @@ 150MHz150MHz

rychlost rychlost (součtů(součtů/s)/s)

5 0005 000 300 000 000300 000 000

pampaměťěť 200 čísel200 čísel 512 000 Bytů L2 512 000 Bytů L2 cachecache

prvkyprvky 17 500 elektronek17 500 elektronek6 000 přepínačů6 000 přepínačů10 000 kondenzátorů10 000 kondenzátorů70 000 odporů70 000 odporů1 500 relé1 500 relé

4 000 000 4 000 000 tranzistorůtranzistorů

velikostvelikost 3m výška, plocha 3m výška, plocha >>100m100m22

29x21 mm29x21 mm

hmotnosthmotnost 30 tun30 tun <20g<20g 21

John Louis von Neumann1903- 1957

• americký matematik maďarského

původu• zakladatel „teorie her“• konzultant na projektu ENIAC• autor koncepce programovatelného počítače

(program, podle kterého stroj pracuje, je uložen v jeho paměti), která se stala základem pro realizaci moderních programovatelných strojů

22

„von Neumannova architektura“

23

„von Neumannova architektura“

• Počítač se skládá z těchto funkčních jednotek: • paměti, ve které jsou uložena jak data tak

instrukce (program) • aritmeticko-logické jednotky (ALU), která provádí

A a L operace s binárními daty• řadiče, který interpretuje instrukce v paměti a

vykonává je • vstupní jednotky (IN) a výstupní jednotky(OUT),

které jsou řízeny řadičem

24

„von Neumannova architektura“1. Struktura počítače je nezávislá na řešené úloze, počítač je řízen programem

uloženým v paměti.2. Instrukce i operandy (data) jsou uloženy v téže paměti a jsou nerozlišitelné.3. Paměť je tvořena buňkami stejné velikosti.4. Adresa místa v paměti je dána pořadovým číslem tohoto místa, bez ohledu

na obsah.5. Program je tvořen posloupností elementárních příkazů, které určují změnu

stavu stroje. V příkazu zpravidla není obsažena hodnota operandu, ale jeho adresa, takže program se při změně dat nemění.

6. Instrukce se provádějí jednotlivě v takovém pořadí, v jakém jsou uloženy v paměti.

7. Změna pořadí provádění instrukcí programu je provedena pouze instrukcemi skoku (podmíněného nebo nepodmíněného).

8. Pro reprezentaci instrukcí i čísel se používají dvojkové signály a dvojková číselná soustava.

25

EDVACnávrh 1945, dokončen 1949

• Electronic Discrete Variable Computer

26

•binární aritmetika

•vnitřní paměť na rtuťových zpožďovacích linkách

•řízení programem uloženým v paměti

•následoval UNIVAC

Stojany počítače EDVAC

27

IAS machine

• vybudován von Neumannem v Princetonu• první „ryze von Neumannovský“ počítač• paměť na 1000 „slov“, každé 40 bitů• data (číselná): znaménko a 39 bitová hodnota• instrukce: 8 bitů kód instrukce, 12 bitů adresa v

paměti (tj. 2 instrukce v každém slově)• 21 instrukcí 5 základních typů (přenos dat,

podmíněný a nepodmíněný skok, aritmetické operace, modifikace adresy

28

IAS machine - instrukce

• přenos dat: mezi registry v ALU a pamětí a mezi registry v ALU navzájem (2 registry)

• nepodmíněný skok: přerušuje sekvenční provádění instrukcí, vhodný pro realizaci cyklů

• podmíněný skok: umožňuje mít v programu „rozhodovací uzly“

• aritmetické instrukce: +, -, *, /, shifty• modifikace adresy: umožňuje přesunovat adresy

spočítané v ALU do adresových částí instrukcí v paměti, což dává velkou adresovací pružnost

29

Komerční počítače

• UNIVAC 1 (Mauchly, Eckert 1950) určen jak pro vědecké tak pro komerční aplikace (Universal Automatic Computer)

• UNIVAC 2 větší pamět, vyšší výkon• IBM 604 (1948) - elektronkový s registry• IBM 701 (1953) - programovatelný, elektronkový

s paměťovou elektronkou• IBM 702 (1955) – zaměřený na komerční

aplikace, počátek dominance IBM na trhu• IBM 704 (1956) - feritové paměti

30

Jeden byte akumulátoru v počítači Borroughs 205 (cca 1954)

31

Desítkový čítač s elektronkami

32

Ovládací panel bloku počítače

33

Feritová paměť

34

Druhá generace počítačů

• elektronky nahrazeny tranzistory (CPU)• výhody: menší, levnější, méně hřeje• první stroje od společností NCR a RCA• IBM 7090 (1960)• IBM 7094 (1962) – datové kanály,

multiplexor• od cca 10 000 po stovky tisíc tranzistorů

jednotlivě pájených na desku obvodu

35

Rozdíly IBM 701 a IBM 7094

• počet instrukcí: 24 vs. 185

• paměť: 2K vs. 32K (36 bitových slov)

• přístupový čas: 30 vs. 1,4 mikrosekundy

• relativní rychlost CPU: vzrostla 50 krát

36

Třetí generace počítačů

• jednotlivě pájené diskrétní komponenty (tranzistory, rezistory, odpory) nahrazeny integrovanými obvody

• SSI (small scale integration): řádově jen desítky komponent na jednom čipu

• Mooreův zákon (1965): počet prvků umístěných na jednom čipu se každý rok zhruba zdvojnásobuje

37

IBM 360 (1964)

• zřejmě nejvýznamější a nejúspěšnější sálový počítač (mainframe) všech dob

38

IBM 360/370

• postaven na integrovaných obvodech• zásadní změny výstavby

– stavebnicová konstrukce– jednotná struktura dat a instrukcí– jednotný způsob připojování periferií– ochrana dat v paměti

• tato koncepce zůstala dlouho zachována (více méně dodnes (pro mainframy)

39

DEC PDP-8

• DEC = Digital Equipment Corporation• PDP-8 první minipočítač, vešel se na stůl,

zatímco mainframe zabíral celou místnost• stál $16 000 (mainframe > $100 000)• komerčně veleúspěšný, za 12 let prodáno

přes 50 000 kusů (různých modelů)• pozdější modely jako první využívaly

sběrnicovou architekturu (omnibus)

40

Generace počítačů

0. relé, jednotky operací za sekundu (Z, Harvard Mark1)1. 1951 – elektronky, elektronková nebo bubnová paměť

1kB, 0.01MIPS (ENIAC, UNIVAC)2. 1957 – tranzistory, ferritová paměť 10kB, 0.1MIPS

(IBM 1401, IBM 7070)3. 1964 – SSI, ferritová paměť 1MB, 1MIPS (IBM 360)3.5 1971 – MSI, paměť MSI 1MB, 1MIPS (IBM 370)4. 1976 – LSI, paměť 10MB, 10MIPS5. 1980 – VLSI, paměť 100MB, 100MIPS nutno brát s rezervou, co autor to jiné členění

41

Vývoj v Čechách

• První návrh počítače představen v Badatelském ústavu matematickém (1947)

• Některé části návrhu pokusně realizovány, např. elektronková násobička

• Založeno oddělení počítacích strojů v Ústředním ústavu matematickém ČSAV

• Projekt M1 - Fourierova transformace (1952)

42

SAPO (1958)

43

generátor impulsů

aritmetické jednotky a řadič

magnetická bubnová paměť

ovládací panel a I/O

SAPO

• reléová technologie, 400 elektronek, 700 relé• binární aritmetika v pohyblivé řádové čárce• délka slova 32 bitů• magnetická bubnová paměť 1024 slov• pětiadresové instrukce• rychlost práce 5 op/s• trojnásobná redundance ALU• 15 střadačů, paralelní operace

44

EPOS 1 (1963)

• Předcházely ověřovací práce na projektech E1a a E1b

• 8000 elektronek, feritová paměť, 20000 op/s

• vnější a vnitřní sdílení času (HW)

• stavebnicovost

• spolehlivost (samoopravné kódy)

45

Prof. Antonín Svoboda

• *14. října 1907 v Praze• pracoval na vývoji vojenských zaměřovačů pro

řízení protiletecké obrany• za války odešel nejdříve do Francie a potom do

USA - firma ABAX• po roce 1946 koncepční práce na projektech

SAPO a EPOS (Svobodovy mapy)• 1964 odešel opět do USA• †18. května 1980

46