ΕΙΣΑΓΩΓΗ στους Η/Υ Τμήμα Τεχνολογίας Αεροσκαφών ΤΕΙ ΣΤΕΡΕΑΣ ΕΛΛΑΔΑΣ Δρ. Β Σγαρδώνη Χειμερινό Εξάμηνο 2013-14
Εισαγωγικές Έννοιες Τι είναι ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής ; Ιστορία των Η/Υ Αρχιτεκτονική των Η/Υ Δυαδικό σύστημα. Γιατί οι σύγχρονοι Η/Υ το χρησιμοποιούν? 2
Πως ορίζεται o Η/Υ; Δυνατότητα εκτελέσεως υπολογισμών και λογικών αποφάσεων. Πολλές φορές μεγαλύτερη ταχύτητα από του ανθρώπου! Προγράμματα υπολογιστών : Εντολές βάσει των οποίων ένας Η/Υ εκτελεί κάποια συγκεκριμένη εργασία Υλικό (hardware) : Ηλεκτρονικά και μηχανικά τμήματα ενός υπολογιστικού συστήματος Λογισμικό (sovware) : Προγράμματα και δεδομένα που εκτελούνται σε ένα Η/Υ 3
Ιστορική αναδρομή v ~ 2000 π.χ.: Επίλυση πρακτικών υπολογιστικών προβλημάτων. v B. Pascal (~1640) Μηχανή πρόσθεσης v G. Leibniz (~1673) Μηχανή τεσσάρων βασικών πράξεων (+, -, *, /) v Joseph Babbage (~1850) Μηχανικοί υπολογιστές: Εισαγωγή, Επεξεργασία Εξαγωγή. Αναλυτική Μηχανή. v George Boole (~1850) Θεωρία μαθηματικής λογικής. v Ada Byron (~1880) Σχεδίασε προγράμματα για μηχανές Babbage (Αναλυτικές Μηχανές). v Alan Turing (~1950) Έννοια προγραμματισμού. 4
Ιστορική αναδρομή v (~1946) von Neumann: Έννοια αποθηκευμένου προγράμματος. v 1947: Εφεύρεση κρυσταλλοδιόδου (transistor) v 1959: Εφεύρεση ολοκληρωμένου κυκλώματος (integrated circuit, chip). 5
!! Μηχανές Babbage Υπολογισμοί με βάση «μηχανικών» υπολογιστών κινούμενων με ατμό. Εισήγαγε τα στάδια υπολογιστικής διαδικασίας: Εισαγωγή- Επεξεργασία- Εξαγωγή 6
Turing Ιδέα της Προγραμματισμένης Υπολογιστικής μηχανής. 7
John von Neumann Εισήγαγε την έννοια αποθηκευμένου προγράμματος, δηλαδή ένα τρόπο να χρησιμοποιεί την μνήμη του υπολογιστή για να «αποθηκεύσει» ένα πρόγραμμα μέσα στον υπολογιστή ώστε ο υπολογιστής να παίρνει εντολές από την μνήμη του. 8
! Οι πρώτοι Η/Υ Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) 18000 λυχνίες κενού. Διαστάσεις: 9 x 18 m Βάρος: 30 τόνοι. 9
!"# $!%&'() EDVAC (1949) Διάδοχος του ENIAC απο John Eckert John Mauchly & John von Neumann. Η «αποθήκευση προγράμματος»./"' 0/" γινόταν *+%,!"" σε επίπεδο μνήμης Jonh Von Neumann Ø Όλα τα δεδομένα και εντολές αναπαρίστανται μέσω δυαδικού κώδικα και αποθηκεύονται στην μνήμη του υπολογιστή. Ø Ο υπολογιστής δεν διακρίνει δεδομένα από εντολές. 10
9+:;!<*=('-,>/'&?*"@*!A#B>'C),<*=D<*4EFE 11
Το PC 1947 William Shockley invents the transistor, a solid- state, reliable version of the vacuum tube.! 1954 Texas Instruments announces the start of commercial produc on of silicon transistors. 1969 Intel s Ted Hoff designs a chip that can follow instruc ons and perform simple func ons on data. 1981: IBM introduces its Personal Computer (PC). IBM PC5150 12
#!'! ()*)9+,--9./012/3124,5962172/88,259 :,;;,3<9)<18651;9/;=9>,;;459?43@<4,9 =,A,-16,=93<,9!"#$%&'()*+,-.%/0/+(1% 1;9/956/2,9>BC984;4@186D3,2E 13
1984 Apple introduces the Macintosh, a computer using a mouse and graphic interface. 1985 First retail version of Microso Windows on November 20,1985 14
!"#$, %&'(&) *&&'+ -'.)/0/-&' (0+!1 23 405+5, 6'&7 +89&)+)-0.::; 70-< -0=+>5??? @ =0::0&) -'.)/0/-&'AB<09 C.''0+'!"1D5 : 2EDD -'.)/0/-&'/,! *FG B:&BH 4I)-+: 3DD3> K!"J! :!# *0::0&) -'.)/0/-&'/ 4L:-'. M9.'B III> : 32 *0::0&) -'.)/0/-&'/, 2 %FG B:&BH 4I)-+: N+&)> @ 2DD! : $$ *0::0&) -'.)/0/-&'/, E %FG,!ED)= -+B<)&:&6;, 2$D== 2 (0+ 4I)-+: O+)-0P= 3> K 2DD3 :!3D *0::0&) -'.)/0/-&' 4FO OQK1$DD> 15
!"#$%&'())&%*+(%,&%-."'( Απόδοση uniprocessors 2&3453678% %&$'()*$+,-.!!/01"# #$$$$$$$$$$$$$$!""""!"""!""!" From Hennessy and Patterson, Computer Architecture: A Quantitative Approach, 4th edition, October, 2006 43012(.% 34012(.% //012(.%!!901!91"!91:!91;!91<!911!99"!99:!99;!99<!991 :""" :"": :""; :""< = +,- >:?@/A&73!901B5!91< >$:?@/A&73$!901$B5$!91< = CDEF$G$H1<>$?:@/A&73$!91<$B5$:"": = CDEF$G$H1<>$II@/A&73$:"":$B5$J3&)&8B 16 564 76* 846 4765
Aλλαγες στη σχεδίαση chip!"#$%&#'("$)'$%&)*$+",)(' Intel 4004 (1971): 4- bit processor,!-".#/$%%$/&'()'*0/$1+,"/2345.66437 $ 2312 transistors, 89'8/"3:-6,6"4367/%;$/<=>7/ 0.4 MHz, 10 micron PMOS, 11 mm '%/?,534-/@<AB7/''/?? 2 chip 8/ 5C,2/ RISC II (1983): 32- bit, 5 stage pipeline, 40,760 D!BE/!!/&'(F9*0/981+,"7/G/6":H./ transistors, 3 MHz, 3 micron NMOS, 2,2.#,-.7/$%7)I%/"3:-6,6"4367/9/<=>7/ 60 mm 2 chip 9/?,534-/J<AB7/I%/?? 125 mm2 chip, 0.065 micron 8/ 5C,2 CMOS = 2312 RISC II+FPU+Icache+Dcache '8G/?? RISC II shrinks to 8/ 5C,27/%;%IG/?,534-/E<AB/ K/-./-$01!%$112345216#6&"2+6#6&" ~ 0.02 mm 2 at 65 nm o D!BE/!!/6C3,-L6/"4/ Caches via DRAM M/%;%8/?? %%8?? or 8 1 :"/IG/-? transistor SRAM o E:5C.6/N,:/ODP</43/ '/"3:-6,6"43/BDP<Q 17
! 18
!!! " Οι Η/Υ Σήμερα #$% &$! '%( %&$# #$% &$! '%( %&$# 19
!!!! "!! " 3&&('4,-'$. #$%&'()* +&)*,-'./ 012-)% 5'*%6,*) <)%$*1! 212-)% 7.2-*8!0)-!9*$48 7"+!212-)% 7.2-*:4-'$.!0)- 3*4;'-)4-:*) =,-,&,-; >!#$.-*$(! ='/'-,(!=)2'/. #'*4:'-!=)2'/.!! "! #!"#"!$%&'%()$*+(,*-&./ 20
Instruc on Set Architecture ISA: «An abstract interface between the hardware and the lowest level so ware of a machine that encompasses all the informa on necessary to write a machine language program that will run correctly, including instruc ons, registers, memory access, I/O, and so on...» Σετ εντολών 21
!"#$%&'$()*+,&-.%#+(*+/)0.%*+1-#$.2# Επίπεδα αφαίρεσης λειτουργίας Η/Υ 8%&#&-,"4 =$),&-4$>4 '(14+$)*0'1%4,%+(&'1+' 6HIJ3DKLJ37!**"&+,'&$-!"#$%&'().%$#%,))&-#4/,-#0,#1 8*1%,'&-#4593'1):;&%'0,"4<,+(&-13 2-3'%0+'&$-451'4!%+(&'1+'0%14625!7 <&+%$,%+(&'1+'0%1 ' B,'13:C1#&3'1%DE%,-3>1%4/1F1"46CE/7 G&%+0&'3?1F&+13.(93&+3 3&%&44.4+ ')256$(*7@4 31+0%&'9@4A?$),&-4$>4 %1+1-'4 +$)*0'1%4,%+(&'1+'0%1 6HMJ37 C1"&,N&"&'9@4 *$O1%@4A C1&-F&#$%,'&$-4$>4 +$)*0'1%4,%+(&'1+'0%1@4 )&=DPJJJ34$-O,%=Q 22
Δυαδικό Σύστημα Βάση 2 Ψηφία 0 1 23