КОМП ЮТЕРНА СХЕМОТЕХНІКА ТА АРХІТЕКТУРА КОМП ЮТЕРА Лекція 1 Історія

КОМП’ЮТЕРНА СХЕМОТЕХНІКА ТА АРХІТЕКТУРА КОМП’ЮТЕРА Лекція 1: Історія комп’ютерів

Література 1. 2. 3. Э. Таненбаум. «Архитектура компьютера» . 5 -е изд. - СПб. : Питер, 2007. — 844 с. Таненбаум Э. С. , Ван Стеен М. Распределенные системы. Принципы и парадигмы. - СПб. : Питер, 2003. - 880 с. Уилкинсон Б. “Основы проектирования цифровых схем”. : Пер. с англ. – М. : Издательский дом “Вильямс”, 2004. – 320 с. 2

Як це все здати? • Екзамен • Дуже страшно • Може Вам пощастить 3

Під архітектурою обчислювальної системи зазвичай розуміється логічна побудова ОМ, тобто те, якою машина представляється програмістові. Архітектура комп’ютера — це логічна організація і структура апаратних і програмних ресурсів. Архітектура містить в собі вимоги до функціональності і принципи організації основних вузлів комп’ютерної системи. 4

Архітектура ЕОМ включає інформацію про: • • набір машинних команд (набір інструкцій), тобто операцій, які може виконувати ця обчислювальна машина доступні регістри процесора — внутрішні комірки пам'яті процесора (пристрою, який виконує набір інструкцій), а саме: функціональне призначення, розрядність, кількість, особливості програмування таких регістрів. розрядність та формати даних— об'єктів, над якими виконуються операції способи адресації пам'яті — методи доступу до операндів в пам'яті ЕОМ механізми управління та захисту пам'яті особливості обробки ситуацій та помилок в системі організацію системи вводу-виводу доступні програмісту апаратні засоби організації багатозадачної та багатопроцесорної обробки інформації 5

Сучасні комп’ютери є багаторівневою організацією архітектур Зазвичай рівнів від 2 до 6: 0 – цифровий-логічний рівень апаратне забезпечення 1 – мікроархітектурний рівень інтерпретація (мікропрограма) або безпосереднє виконання 2 – рівень архітектури системи команд трансляція (асемблер) 3 – рівень операційної системи трансляція (асемблер) 4 – рівень мови асемблера трансляція (асемблер) 5 – мова високого рівня трансляція (компілятор) 6

Дуже давно • Перший пристрій для обчислень • Використовується в Азії 7

Логаріфмічна лінійка • Логаріфмічна Лінійка 1630 • Заснована на правилах логаріфмірованія Непера • Використовувалася до 1970 8

Циліндрічна Логаріфмічна Лінійка 9

Спиральна Логаріфмічна Лінійка 10

Вільям Шіккард (15921635) • Перша працююча машина для складання 11

Блез Паскаль (1623 -1662) • Багато зубчатих колес • Віднімання в додатковому коді 12

Готфрід Лейбніц (1646 – 1716) • Механічний калькулятор, який виконує арифмітичні дії 13

XIX Вік • Вперше використовується програма – металеві карти • Перший промисловий комп’ютер • Працює і зараз! 14

Чарльз Беббідж - 1792 -1871 • Разностна Машина 1822 – Великий калькулятор • Аналітична Машина 1833 – Могла зберігати числа – Обчислювач “млин” використовував металеві перфокарти для вводу – Була паровою машиною! – Точність до 6 -го знаку після коми 15

Аналітична машина Беббіджа • У 1834 році англієць Чарльз Беббідж винаходить аналітичну машину. Вона складалася з "складу" для зберігання чисел ("накопичувач"), "млина" - для виробництва арифметичних дій над числами ("арифметичний пристрій"), пристрою, що управляє в певній послідовності операціями машини ("пристрій управління"), пристрою введення і виведення даних. У аналітичній машині передбачалися три різні способи виведення отриманих результатів: друкування однієї або двох копій, виготовлення стереотипного відбитку, пробивки на перфокартах. Аналітична машина Беббіджа - перший прообраз сучасних комп'ютерів 16

Разностна Машина 17

Разностна Машина 18

Хоча його пристрій працював досить непогано, Беббіджу незабаром наскучила машина, що виконувала лише один алгоритм. Він витратив дуже багато часу, велику частину свого родинного стану і ще 17 000 фунтів, виділених урядом, на 19 розробку аналітичної машини.

Аналітична Машина 20

Машина Фон Неймана 21

Машина фон Неймана складалася з п'яти основних частин: пам'яті, арифметикологічного пристрою, пристрою управління, а також пристроїв вводу- виводу. Пам'ять включала 4096 слів розміром по 40 біт, біт — це 0 або 1. Кожне слово містило або 2 команди по 20 біт, або ціле число із знаком на 40 біт. 8 біт вказували на типа команди, а останні 12 біт визначали одне з 4096 слів. Арифметичний блок і блок управління складали «мозковий центр» комп'ютера. У сучасних машинах ці блоки поєднуються в одній мик- мікросхемі, що названа 22 центральним процесором (ЦП).

Дорр Фелт - Аріфмометри(1886) 23

Релейні комп’ютери • Z 1 1936 – Конрад Цузе – Механічний калькулятор – Включав керуючу систему и пам’ять • Атанасов – Беррі Комп’ютер 1939 – Перший електричний цифровий комп’ютер – Використовував електронні лампи для збереження інформації – Перший комп’ютер з двоічною системою Компьютер Атанасова - Берри 24

ABC 25

The ENIAC - 1944 26

Електронні Лампи - 1941 - 1954 • Комп’ютери Першого Покоління використовували електронні лампи • Електронні лампи не містять повітря 27

UNIVAC - 1951 • Перший повністю електронноцифровий комп’ютер в США • Створено в Університеті Пенсільванії • Важив 30 тон • Містив 18, 000 ламп • Вартість ~ $487, 000 28

Перший Баг - 1945 • Перемикачі реле – це частина комп’ютерів • Грейс Хоппер знайшов метелика в реле, яке давало збій • Назвав це “debugging” комп’ютера 29

Перший Транзистор • Використовує кремній • Розроблені в 1948 • Перемикач on-off • Друге покоління комп’ютерів, яке використовувало транзистори, виникло в 1955 30

Друге Покоління – 19551965 • 1955 – Комп’ютери почали використовувати Транзистори • Електронні лампи було замінено 31

Третє Покоління– 19651980 • Інтегральні Схеми • Операційні Системи • Меньше і компактніше 32

МЕСМ (Мала електронна рахункова машина) радянська ЕОМ, «перша в СРСР і континентальній Європі» . Розроблялася лабораторією С. А. Лебедева (на базі київського Інституту електротехніки АН УРСР) з кінця 1948 року. До кінця 1949 року розроблена архітектура машини, а також принципові схеми окремих блоків. У 1950 р. машина була змонтована в двоповерховій будівлі колишнього монастиря у Феофанії (під Києвом). 6 листопада 1950 року виконаний пробний пуск машини, в ході якого вирішувалося завдання: Y'' + Y = 0; Y(0) = 0; Y(р) = 0. 4 січня 1951 року вирішені перші завдання: обчислення суми непарного ряду факторіалу числа; піднесення до ступеня. МЕСМ продемонстрована спеціальній комісії АН СРСР на чолі з М. Ст Келдишем. 25 грудня 1951 року почата регулярна експлуатація машини. 33

Характеристики Месм оперативная пам'ять: на тригерних ячейках, для даних — на 31 число, для команд — на 63 команди; тактовая частота: 5 к. Гц; Швидкість: 3000 операцій в хвилину (повний час одного циклу складає 17, 6 мс; операція ділення займає від 17, 6 до 20, 8 мс); кількість електровакуумних ламп: 6000 (3500 тріодпентодів і 2500 діодів); площа: 60 м 2. У квітні 1953 року в експлуатацію поступила сама швидкодіюча в Європі ВМ БЕСМ (С. А. Лебедев). Її швидкодія склала 8000 -10000 операцій/с. Приблизно в той же час випущена лампова «Стріла» (Ю. А. Базільовський, 34 Би. І. Рамєєев) ВМ з швидкістю 2000 операцій/с.

БЕСМ- 6 35

Перший Мікропроцесор – 1971 • 2, 250 транзисторів • 4 -бітний • 108 Khz • “Мікрочіп” 36

Мікрочіп • Сверхвелика Інтегральна Схема (СБІС) – Транзистори, резістори, конденсатори • 4004 - 2, 250 транзисторів • Pentium IV – 42, 000 транзисторів – Кожний транзистор 0. 13 мікрон 37

4 ое Поколение – 1980 - … • Мікрочіпи! • Зменьшення в розмірах продовжується 38

Народждння ПК - 1975 • 256 byte пам’ять (всього лише) • 2 MHz Intel 8080 chips • Ціна $395 - $495. 39

IBM PC - 1981 • IBM-Intel-Microsoft спільна робота • Перший випуск в продаж ПК • 8088 Мікрочіп - 29, 000 транзисторів – 4. 77 Mhz процесор • 256 K RAM (Random Access Memory) • Один або два флоппі-диска 40

Apple Macintosh • 1984 • Процесор Motorola 68000 • Перший ПК с GUI і мишкою 41

Прогрес Комп’ютерів 42

Зараз: 43

Майбутнє? 44

Закон Мура —спостереження, зроблене в 1965 році (через шість років після винаходу інтегральних схем), у процесі підготовки виступу Гордоном Муром (одним із засновників компанії Інтел). Він висловив припущення, що кількість транзисторів на кристалі мікросхеми буде подвоюватися кожні 24 місяці. Створивши графік зростання продуктивності запам'ятовуючих мікросхем, він виявив закономірність: нові моделі мікросхем розроблялися через більш-менш однакові періоди (18 -24 міс. ) після появи їхніх попередників. При цьому їхня місткість зростала щоразу приблизно вдвічі. Якщо така тенденція продовжиться, уклав Мур, то потужність обчислювальних пристроїв експоненціально зросте протягом відносно короткого проміжку часу. 45

ЗАКОН МУРА Згідно закону Мура, кожне наступне покоління комп’ютерів працює в 2, 5 рази бистріше, а кожна наступна версія операційної системи - в 1, 5 разів медленіше. 46

За час існування корпорації Intel (з 1968 року) собівартість виробництва транзисторів впала до такої міри, що тепер обходиться приблизно в стільки ж, скільки коштує надрукувати будь-який друкарський знак — наприклад, кому. В процесі розробки мікропроцесорів, що містять один мільярд транзисторів, Intel зменшила величину транзисторів до такої міри, що тепер на шпильковій голівці можуть розміститися 200 млн транзисторів. 47

Найбільшого поширення в ЕОМ отримали 2 типи архітектури: Прінстонська(фон Неймана) і Гарвардська. Обидві вони виділяють 2 основних вузли ЕОМ: центральний процесор і пам'ять комп'ютера. Різниця полягає в структурі пам'яті: в прінстонській архітектурі програми і дані зберігаються в одному масиві пам'яті і передаються в процесор одним каналом, тоді як гарвардська архітектура передбачає окремі сховища і потоки передачі для команд і даних. 48

Основні компоненти комп’ютера: мікропроцесор Центральний процесор Блок керування Пристрої вводу-виводу АЛП Регістри Основна Пам’ять Диск Принтер Шина 49

• Системою команд обчислювальної машини називають повний перелік команд, які здатна виконувати дана ОМ. • У свою чергу, під архітектурою системи команд (АСК) прийнято визначати ті засоби обчислювальної машини, які видно і доступно програмістові.

Концепція машини с програмою в пам’яті Алгоритм — це: Ø спосіб перетворення інформації, що задається з допомогою кінцевої системи правил; Ø сукупність правил, що визначають ефективну процедуру рішення будь-якої задачі з деякого заданого класу завдань; Ø точно певне правило дій, для якого задана вказівка, як і в якій послідовності це правило необхідно застосовувати до вихідних даних завдання аби отримати її рішення.

Дякую за увагу! 52