Definicija računalnika. Zgradba računalnika. Zgodovina. Babbage diferenčni stroj. Leibnitz računski stroj 1694 ENIAC (1946) Konrad Zuse Z1 ( )

Transcript

1 Vhodno izhodni sistem Definicija računalnika Zgradba računalnikov Definicija Zgodovina Strojna oprema Računalnik - naprava za obdelavo podatkov strojna (aparaturna) oprema programska oprema komunikacijska oprema von Neumann - definicija centralna procesna enota - CPE (angl. CPU), centralni ali glavni pomnilnik, vhodno/izhodni sistem v pomnilniku ima shranjen program in podatke ukazi programa se izvajajo zaporedno drug za drugim Zgradba računalnika Trajni masovni pomilnik Centralna procesna enota CPU Delovni pomnilnik - RAM Omrežje Izhodne naprave Vhodne naprave Zgodovina Mehanska računala Napier Drsno Mehansko: prvo , Pascal, Leibnitz Logično Mehanski računalniki Diferenčni Babbage Analitični Babbage Kartice Hollerith Binarni Zuse Analogni Diferencialni (MIT) Elektromehanski 36 Bell 41 Z3 Zuse 43 Colossus (Manchester) 44 Mark I (IBM)-Aiken Elektronski 46 ENIAC Pensilvania 49 EDSAC Cambridge* 52 EDVAC Princetown Leibnitz računski stroj 1694 Babbage diferenčni stroj seštevanje, odštevanje, množenje, deljenje, kvadratni koren Konrad Zuse Z1 ( ) ENIAC (1946)

2 Ključni dogodki 1822 Prvi računalnik: Diferenčni stroj (Charles Babbage) 1833 Prvi programer: Ada Augusta Lovelace 1854 Booleova algebra (George S. Boole) 1906 Prva elektronka (Lee De Forest) 1919 Flip-flop (W. H. Eccles, F. W. Jordan) 1936 Turingov stroj (Alan M. Turing) 1945 Prvi hrošč (bug): Mark II 1946 Von Neumannova arhitektura (John von Neumann) 1947 Izum tranzistorja (William Shockley) 1951 Prvi komercialni računalnik: UNIVAC 1957 Prvi visokonivojski programski jezik: FORTRAN 1958 Prvo integrirano vezje (Texas Instruments: Jack S. Kilby) 1960 Izum laserja (Theodore H. Maiman) 1961 Prvi miniračunalnik (DEC) Ključni dogodki 1962 Spacewar prva igra 1964 Prvi komercialni superračunalnik (CDC) 1964 Miška in okna Xerox, Palo Alto 1969 ARPAnet 1971 Prvi mikroprocesor 4004 (Intel: Ted Hoff) 5 5 mm 1971 Prvi ekspertni sistem: DENDRAL (E. Feigenbaum, B. Buchanan) 1971 Prvi osebni računalnik: Kenbak (John Blankenbaker) 1973 Ethernet - omrežje 1977 Apple II 1977 Prva preglednica: VisiCalc 1980 Prvi procesor RISC (John Cocke) 1980 Prvi 32-bitni mikroprocesor: Bellmac IBM PC 1981 Microsoft MS-DOS 1983 Apple Lisa prvi GUI 1984 Apple Macintosh 1985 Microsoft Windows 1987 Razvojno okolje Hypercard (Apple, Bill Atkinson) Generacije računalnikov Trendi Gen Obdobje Izvedba Pomnilnik elektronka tranzistor integrirana vezja LSI, VLSI, mikro procesor RISC magnetni, nekaj KB nekaj 10KB + magnetni trak, disk not.: nekaj 100KB zun.: nekaj MB not.: nekaj 100MB zun.: reda GB in TB Vnos podatkov stikala, luknjane kartice, luknjani trak terminal + komuni kacije sodobne V/I enote Hitrost operacije desetinka sekunde reda mikro sekund mikro sekunda reda nano sekund nekaj MIPS Progra miranje nivo strojnega jezika višji programski jeziki (fortran cobol, algol, basic) op. sistem spec. jeziki grafični op.sis. objektno prog. razvojna okolja integr. paketi Predstav niki ENIAC, EDVAC, IBM 650 in 70x CDC 3600 UNIVAC 1107 IBM 7000, 1400 CDC 6000 DEC PDP-11 IBM 360, 370 IBM PC Apple Macintosh del. postaje Sun, HP, SGI Moorov "zakon" (Gordon Moore, Intel, 1965): Število elementov, ki jih lahko vgradimo na določeno površino silicija, se podvoji vsakih 18 mesecev (ob enaki ceni!) Vsakih 10 let se cena zmanjša 10 krat Vsakih 10 let se procesna moč poveča okoli 100 krat Vir: Število tranzistorjev in Moorov zakon Procesor Tranzistorjev Leto Proizvajalec Proces Površina Pentium 4 42,000, Intel 180 nm Atom 47,000, Intel 45 nm Barton 54,300, AMD 130 nm AMD K8 105,900, AMD 130 nm Itanium 2 220,000, Intel 130 nm Cell 241,000, Sony/IBM/Toshiba 90 nm Core 2 Duo 291,000, Intel 65 nm AMD K10 463,000, AMD 65 nm AMD K10 758,000, AMD 45 nm Itanium 2 with 9MB cache 592,000, Intel 130 nm Core i7 (Quad) 731,000, Intel 45 nm 263 mm² Six-Core Xeon ,900,000, Intel 45 nm POWER6 789,000, IBM 65 nm 341 mm² Six-Core Opteron ,000, AMD 45 nm Six-Core Core i7 1,170,000, Intel 32 nm POWER7 1,200,000, IBM 45 nm 567 mm² z196 [2] 1,400,000, IBM 45 nm 512 mm² Dual-Core Itanium 2 1,700,000, Intel 90 nm 596 mm² Quad-Core Itanium Tukwila 2,000,000, Intel 65 nm 8-Core Xeon Nehalem-EX 2,300,000, Intel 45 nm 10-Core Xeon Westmere-EX 2,600,000, Intel 32 nm 512 mm² Procesor Tranzistorjev Leto Proizvajalec Proces Površina Intel , Intel 10 µm 12 mm² Intel , Intel 10 µm 14 mm² Motorola , Motorola 16 mm² Intel , Intel 6 μm 20 mm² RCA , RCA 5 μm 27 mm² Intel , Intel 3 μm 20 mm² Zilog Z80 8, Zilog 4 μm 18 mm² Motorola , Motorola 5 μm 21 mm² Intel , Intel 3 μm 33 mm² Intel , Intel 3 μm 33 mm² Intel , Intel Motorola , Motorola 4 μm 44 mm² Intel , Intel 1.5 µm Intel , Intel 1.5 µm 104 mm² Intel ,180, Intel 1 µm Pentium 3,100, Intel 0.8 µm AMD K5 4,300, AMD 0.5 µm Pentium II 7,500, Intel 0.35 µm AMD K6 8,800, AMD 0.35 µm Pentium III 9,500, Intel 0.25 µm AMD K6-III 21,300, AMD 0.25 µm AMD K7 22,000, AMD 0.25 µm Vir: Zgradba računalnika Trajni masovni pomnilnik Centralna procesna enota CPU Delovni pomnilnik - RAM V H O D N O / I Z H O D N I SIS TEM Izhodne naprave Vhodne naprave Omrežje

3 Procesor - CPU Širina bit: 8, 16, 32, 64 Takt MHz, GHz: 600MHz 5GHz Zgradba CISC, RISC, ARM mobilni telefoni Število jeder enojedrni, dvo in več jedrni Hitrost MIPS, Flops, SPECmark, 3Dmark Poraba varčni, hladni, tihi, mobilni, prilagodljivi APU Accelerated PU Vgrajena grafična enota, kontrolne enote (chipset) Processor Takt Proizvodni proces Število jeder Intel Atom 800 MHz - 2 GHz 45 nm Single, Dual Intel Celeron 266 MHz GHz 45 nm, 250 nm Single, Dual Intel Pentium III 450 MHz GHz 130 nm, 180 nm, 250 nm Single Intel Xeon Pentium MHz GHz 1.3 GHz GHz 45 nm, 65 nm, 90 nm, 130nm, 180 nm, 250 nm 65 nm, 90 nm, 130 nm, 180 nm Single, Dual, Quad, Six, 8 Single Pentium 4 EE 3.2 GHz GHz 90 nm, 130 nm Single Pentium M 800 MHz GHz 90 nm, 130 nm Single Pentium D/EE 2.66 GHz GHz 65 nm, 90 nm Dual Intel Pentium DualCore 1.33 GHz GHz 32 nm, 45 nm, 65 nm Single, Dual Intel Core 1.06 GHz GHz 65 nm Single, Dual Intel Core GHz GHz 45 nm, 65 nm Single, Dual, Quad Intel Core i3 2.4 GHz GHz 32 nm Dual Intel Core i GHz GHz 32 nm, 45 nm Dual, Quad Intel Core i7 1.6 GHz GHz 45 nm Quad Intel Core i7 3.2 GHz GHz 32 nm Six AMD serija A APU Accelerated Processor Unit Model A A Razred grafične enote Radeon HD 6550D HD 6530D Takt CPU 2.9GHz 2.6GHz Število jeder CPU 4 cores 4 cores Poraba 100W 100W Predpomnilnik 4MB 4MB Število grafičnih jeder Radeon Takt GPU 600 MHz 443 MHz Različica DIRECTX Frekvenca pomnilnika DDR Osnovna plošča Vhodno izhodni sistem - povezuje komponente Prenosne poti Neposredno (point to point) Vodilo (bus) več hkrati Povezava Vzporedna paralelna FSB, AGP, PCI, (E)IDE Zaporedna - serijska SATA, SCSI, USB, FireWire, PCI-E, omrežje Podjetja - modeli Intel Core i7, Core[2]Duo, Quad, Extreme, Pentium, Celeron, Xeon, Atom AMD Advanced Micro Devices A8, Phenom II, Athlon 64, FX, X2 Dual-core, Turion 64 Mobile, Sempron, Opteron IBM, MIPS, SUN, HP, SGI, Sony Qualcomm, Marvel XScale (Intel, ARM), Samsung, TI, Nvidia dlančniki (PDA) Intel Core i7 Extreme Edition Naziv procesorja Core i7-2920xm Štev. Pred jeder pomnilnik Core i7-9xxx 6 12 MB Core i7-9xx Podnožje Poraba Proces Objava 4 8 MB FCPGA988 55W 32 nm Jan 2011 LGA W 4 8 MB 45 nm Core i7-9xxxm µpga W Pomnilnik hitri; delovni RAM (Random Acces Memory) Dinamični začasni 32 nm Mar 2010 SDRAM, DDR(2,3), RAMBUS Količina MB, GB 1GB 4GB (16GB) Dostopni čas ns ~5ns Prenos MB/s MB/s Statični ohrani podatke ROM (Read Only Memory) Predpomnilnik cache Navidezni pomnilnik Trajni masovni pomnilnik Način zapisa Magnetni Svetlobni - optični Elektronski Solid State (brez gibljivih delov) Medij Fiksni medij vgrajen v pogonu Izmenljiv - ločena pogon in medij Dostop neposredni (angl. direct access) zaporedni (angl. sequential access) Nov 2008 Sep 2009

4 Trdi Diski HD (Hard Drive) Fiksen medij, magnetni zapis, neposredni dostop Zmogljivost GB 160 GB 2 TB Dostop ms 5 10 ms Prenos MB/s MB/s Povezave ATA IDE vzporedna (paralelna) S-ATA zaporedna (serial) RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) 2 ali več diskov, različne vezave Povečana hitrost in/ali varnost Disk znotraj Optični pomnilnik Izmenljiv medij, neposredni dostop Bralni ROM (1985) Zapisljivi (angl. recordable) R, +R, -R Prepisljivi (angl. ReWritable) RW, RAM CD 650 (700, 800) MB DVD 4,7 (dvoslojni 8,5) GB BlueRay (BD) modri laser 25-50GB HD DVD 15-51GB Opuščanje Bliskovni pomnilnik Flash RAM USB ključki Do - 256GB, hitrost branja in pisanja cena?? Omejeno število zapisovanj Ponaredki!!! Pomnilne kartice - nezdružljive MMC Multi Media Card, CF Compact Flash, SD Secure Digital, MS Memory Stick (Sony) xd Card (Fuji Olympus) Datotečni sistem: 4GB/datoteko pri FAT 32 Oznaka Polja RAID najpogostejše izvedbe Najmanj diskov Izkoristek Toleranca odpovedi Hitrost branja Hitrost pisanja RAID (nič) nx nx RAID 1 2 1/n n-1 diskov nx 1X RAID /n 1 disk (n 1)X (n 1)X Ilustracija Izmenljiv magnetni pomnilnik Diskete - opuščene 3,5, 1,44MB Kasete (trakovi) zaporedni dostop DDS (Digital Data Storage) razvit iz DAT (Digital Audio Tape) za varnostne kopije (backup) DDS-1, 2, 3, 4 1,1 20GB nestisnjeno, prenos 0,6 3,2MB/s DAT72, DAT160, (DAT320) 36 80GB nestisnjeno, prenos 3,2 6,9MB/s Časovna primerjava zmogljivosti optičnih pogonov in diskov Današnje kapacitete diskov BluRayDisc BD - 25GB DVD-4,7GB (DL-8,5GB) CD-650 MB CD ROM CD R Pregled ključka USB

5 Negibljivi diski - SSD (solid state drive) Primerjava SSD z diski Diski brez gibljiv delov NAND Flash multi-level cell (MLC) - cenejši single-level cell (SLC) hitrejši pri pisanju DRAM napajanje + baterija za kopiranje Zelo hitri in zelo dragi Majhne kapacitete Prednosti Neobčutljivost Gibanje Magnetno polje Temperature Glasnost - tišji Poraba energije - segrevanje Hitrost branja Ni potreben zagon Popravljanje napak Slabosti Hitrost pisanja posebej pri MLC in majhnih datotekah Omejeno število ciklov Zmogljivosti GB (1TB) Cena MLC: (3000) SLC: 128GB=1500 Vhodno Izhodne naprave Interaktivne Vhodne Izhodne Tekstne Tipkovnica Terminal Grafične Smerne tipke Krmilna palica-joystick Monitor, grafični Miška procesor Krmilna sledilna krogla Grafični Svetlobno pero terminal Zaslon na dotik Grafična tablica Sledilna plošča - touchpad Zvočne Mikrofon Zvočniki Prikaz slike grafika Grafični procesor + pomnilnik (VRAM) 2D ravninski prikaz 3D prostorski prikaz Izvedba Grafična kartica Vgrajen (integriran) v MB ali CPU Izhod Monitor analogni, digitalni TV, HDMI zvok Vhodno Izhodne naprave Paketne Vhodne Izhodne Tekstne Optično branje - OCR Tiskalnik Grafične Digitalizator Prostorski digitalizator Risalnik plotter Grafični tiskalnik Optični čitalnik Rezalnik prebiralnik, skener Fotokamera Videokamera Digitalni fotoaparat Pretvorba slike Prostorski prikaz - projekcija Az oddaljenost oči od modela Bz oddaljenost oči od zaslona Ax koordinata X modela Bx koordinata X na zaslonu Bx = Ax Bz / Az By = Ay Bz / Az Grafične kartice Integrirani vmesniki na osnovni plošči Osnovni razred ~ 100 Srednji razred Zgornji razred >250 SLI, CrossFire Profesionalne Open GL, ( Open CL ) Mobilne Integrirani vmesniki v procesorju APU Accelerated process unit

6 Primerjava zmogljivih grafičnih kartic Vir: Monitor, junij 2011 Prikaz slike Grafična enota -> električni signal Človeško oko <- vidna svetloba Pretvorba signala iz grafične enote v vidno svetlobo Monitor Televizor različen vhodni signal Projektor Monitor Tehnologija Katodna cev CRT Tekoči kristali LCD LED, OLED, plazma, SED Velikost diagonale (<15), 17, 19, 20, 22, 24>palcev (30) Razmerje stranic 4:3, 5:4, 16:9, 16:10 Ločljivost , , , , , , Zaslon s tekočimi kristali Barvna "pod" pika - subpixel Steklene plošče Navpični filter Prikaz barve 3 pod pike, vsaka 256 odtenkov barve (8 bit) = 16,8M barv 6 bit = = spreminjanje (16,2M) = tranzistorjev Molekule kristala Barvni filter Vodoravni filter

7 Tehnologije LCD TN+Film + hitri, poceni omejene barve MVA/PVA + kontrasten odzivni čas IPS, S-IPS + uravnotežen cena Prikaz barv: 16,2 16,7M Odzivni čas: 25 1ms Kontrast: 300:1 3000:1 dinamični kontrast nima pomena, trgovska finta Vidni kot: o Priklop: analogni D-SUB, DVI, HDMI Projektorji Problemi "Mrtve" točke (dead pixels) Tranzistor vselej vklopljen ali izklopljen Ena barva ali več barv Kvalitetni razred (število na površini) "Zaskočene" pike (stuck pixels) Možna odprava Fiksna ločljivost Pri spremembi potrebna interpolacija E-črnilo (e-ink) Vir svetlobe ločen od projekcijske ravnine Prednja projekcija Zadnja projekcija (včasih v istem ohišju). CRT zelo svetle katodne cevi, LCD vir svetlobe skozi zaslon, DLP Digital Light Processing (Texas Instruments), LED svetleče diode, LCoS Liquid Crystal on Silicon, Druge tehnologije Organic light-emitting diode (OLED) Light Emitting Polymer (LEP) P-OLED Organske diode v polimeru Surface-conduction electron-emitter (SED) Vsaka točka "mikro" katodna cev Field Emission Display (FED) Karbonske nanocevke Virtual Retinal Display (VRD) Projekcija slike na očesno mrežnico Vhodne naprave Tekstovne Tipkovnica Grafične Miška Sledilna kroglica Krmilna palica Tablica Izhodne naprave Dodatne naprave Tiskalnik Velikost: A4, A3, foto Tehnologija: Laser Brizgalni Vosek, gel Hitrost: 1-40 str/min Barvni, črnobeli, dvostranski Risalnik Velikost: A0 in več barve Optični čitalnik skener Branje besedila - OCR Digitalna kamera ali fotoaparat Zvočni sistem Vgrajen (integriran) Zvočna kartica stereo, 5.1 kanal Zvočniki TV sprejemnik USB grelnik kave

8 Vrste računalnikov Osebni Namizni Prenosni Delovna postaja? Strežnik (mainframe) Super računalnik Ročni dlančnik Nadomestili pametni telefoni Pametni telefon Mini prenosnik "Netbook" Tablični računalnik Hišni - MM center Igralna konzola Osebni računalnik Sestavni deli običajnega osebnega računalnika razširjena ilustracija 1. Skener 2. Procesor - CPU 3. Pomnilnik - RAM 4. Razširitvene kartice 5. Napajalnik 6. Optična enota 7. Trdi disk 8. Osnovna plošča 9. Zvočniki 10. Monitor 11. Operacijski sistem 12. Uporabniški programi 13. Tipkovnica 14. Miška 15. Zunanji disk 16. Tiskalnik Pisarniški računalnik (2011) Intel Core i3, Celeron DualCore, RAM: 4 GB Disk: GB Grafika: vgrajena v procesorju Zaslon: 24 LCD DVD-RW Omrežje LAN Laserski tiskalnik Kvalitetna tipkovnica 2,5 GHz Domači računalnik (2011) Intel Core i7, i5, AMD A8, ~3GHz RAM: 4-16 GB, MHz Disk: 2TB Grafika: GeForce GTX 590 (580) HD6990, (6870) SLI, CrossFire dvojna grafična kartica Zaslon: W, <4ms, <zastoji DVD±RW, BD Omrežje LAN Zvočni sistem PRENOSNI RAČUNALNIK Intel Core i3, Core(2) Duo 1,66-2,4GHz 2-4 GB RAM prosta reža 250 GB disk 13 15,4 (17 ) Wide ( ) WiFi, n (g) Bluetooth junij 2011 Ustanova/Država Računalnik/Leto - Podjetje Št. jeder R max R peak Poraba kw RIKEN Advanced Institute for Computational Science (AICS) Japan National Supercomputing Center in Tianjin China DOE/SC/Oak Ridge National Laboratory United States National Supercomputing Centre in Shenzhen (NSCS) China GSIC Center, Tokyo Institute of Technology Japan K computer, SPARC64 VIIIfx 2.0GHz, Tofu interconnect Fujitsu Tianhe-1A - NUDT TH MPP, X Ghz 6C, NVIDIA GPU, FT C NUDT Jaguar - Cray XT5-HE Opteron 6-core 2.6 GHz Cray Inc. Nebulae - Dawning TC3600 Blade, Intel X5650, NVidia Tesla C2050 GPU Dawning TSUBAME HP ProLiant SL390s G7 Xeon 6C X5670, Nvidia GPU, Linux/Windows NEC/HP Prenosni računalnik notesnik Cenejši ~ 500 Vrhunski ~ Ultra lahki ~ 1000 Netbook ~ Centrino Majhna poraba WLAN "Mobile" procesorji Razvoj Hologramski pomnilniki 3D prikazovalniki - hologram Predstavitev otipa, vonja, okusa Prenos (branje) misli Bio DNK računalniki Kvantni računalniki kubit (qbit) 300-qubit ~ = bit Računalniško omrežje in Internet 64