Podstawowe pojęcia

dotyczące komputera

- architektura

Definicje

n

Informatyka - nazwa powstała w 1968 roku, stosowana w Europie

n

=dział matematyki

n

Computer science, czyli

nauki komputerowe, USA

n

=działy nauki stosujące wyrafinowane metody komputerowe (np. chemia

czy ekonomia komputerowa).

n

Computational science,

nauki obliczeniowe, Kanada

n

Information science -

nauki o informacji

n

= zastosowania komputerów do zarządzania informacją.

Definicje

n

Definicja encyklopedyczna:

n

„Informatyka

Informatyka zajmuje się całokształtem przechowywania, przesyłania,

przetwarzania i interpretowania informacji. Wyróżnia się w niej dwa działy,

dotyczące sprzętu i oprogramowania”.

n

Nowsza definicja, opracowana w 1989 roku przez Association for

Computing Machinery (ACM), mówi:

n

„Informatyka

Informatyka to systematyczne badanie procesów algorytmicznych, które

charakteryzują i przetwarzają informację, teoria, analiza, projektowanie,

badanie efektywności, implementacja i zastosowania procesów

algorytmicznych. Podstawowe pytanie informatyki to: co można

(efektywnie) zalgorytmizować”.

Organizacje informatyków

n

ACM, Association for Computing Machinery. Największa i najstarsza

(1947) organizacja skupiająca informatyków.

n

IEEE Computer Society – IEEE (The Institute of Electrical and

Electronics Engineers) jest największym stowarzyszeniem zawodowym

na świecie.

n

American Society for Information Science, stowarzyszenie nauk

informacyjnych.

n

Polska Izba Informatyki i Telekomunikacji

Czym się zajmuje informatyka?

n

Algorytmika - fundament informatyki, wiedza o sposobach rozwiązywania

zagadnień, czyli konstruowaniu algorytmów.

n

Zadania algorytmiczne - czyli zadania, dla których znamy sposób

rozwiązania.

n

Algorytm – sposób rozwiązania zagadnienia podany w formie przepisu

określającego skończoną liczbę operacji oraz kolejność w jakiej operacje te

powinny być wykonywane.

n

Algorytmy efektywne - czyli takie, które dają rozwiązanie przed końcem

świata.

n

Złożoność obliczeniowa algorytmów - ocena, ile trzeba będzie wykonać

obliczeń.

n

Testowanie i dowodzenie poprawności algorytmów.

n

Algorytmy heurystyczne: metody bez gwarancji na znalezienie rozwiązania

(sztuczna inteligencja).

Czym się zajmuje informatyka?

n

Struktury danych: liczby, tablice, wektory, rekordy, listy, stosy, kolejki,

drzewa, węzły potomne, grafy, diagramy.

n

Teoria języków programowania: specyfikacja, procesory, automaty

skończone (automaty Turinga).

n

Organizacja i architektury systemów komputerowych, systemów

operacyjnych i sieci komputerowych, teoria baz danych.

n

Zastosowania komputerów - zwykle nie zajmują się nimi informatycy.

Krótka historia komputera

Maszyna Turinga

Maszyna Turinga to stworzony w 1936 roku przez Alana Turinga

model abstrakcyjnej maszyny obliczeniowej. Pomimo swojej

prostoty posiada ona olbrzymie znaczenie teoretyczne, bowiem

wszystkie współczesne komputery dają się do niej sprowadzić.

n

Maszyna Turinga

n

Maszyna von Neumanna

pomysł konstrukcji komputera opracowany i

wdrożony przez Johna von Neumanna w roku 1945. Jego istotą było

utrzymywanie w pamięci komputera zarówno programu, jak i danych, które są

przechowywane w kodzie dwójkowym, a ich przetwarzanie odbywa się w

arytmometrze. Wynalazek von Neumanna jest kontynuacją maszyny Turinga.

Praktycznie wszystkie komputery są budowane według pomysłu von Neumanna.

n

Koncepcja przechowywanego programu

n

Pamięć główna przechowuje dane i programy

n

Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) działa na danych binarnych

n

Jednostka sterująca interpretuje oraz wykonuje rozkazy z pamięci

n

Urządzeniami we/wy steruje jednostka sterująca

n

Princeton Institute for Advanced Studies (IAS komputer ukończony

w 1952)

Architektura komputera

Architektura komputera

Program maszynowy

n

(np. dodawanie dwóch liczb zapisanych w pamięci operacyjnej)

n

...

n

150 Instrukcja 1 (np. LDA - pobierz dane z pamięci i zapamiętaj w

akumulatorze)

n

151 argument (np. 233 - adres danych do pobrania)

n

152 Instrukcja 2 (np. ADDA - pobierz dane z pamięci i dodaj do

zawartości akumulatora)

n

153 argument (np. 234 - adres danych do pobrania)

n

154 Instrukcja 3 (np. STA pobierz dane z akumulatora i zapisz do

pamięci)

n

155 argument (adres pod którym zapisane zostaną dane, np. 235)

Architektura komputera

n

Cykl instrukcji (instruction cycle):

Pobierz instrukcję.
Pobierz dane z pamięci.
Wykonaj instrukcję.
Zapisz wynik w pamięci.

n

Instrukcje

Pobieranie/składowanie danych
Operacje na danych
Skoku bezwarunkowego
Skoku warunkowego

Przerwania (IRQ): system przejmowania kontroli nad

czynnościami mikroprocesora.

Architektura komputera

n

Procesor zawiera:
Arytmometr - wykonuje operacje logiczne i arytmetyczne na 4-64

bitach.
Układ sterowania - pobiera z pamięci kolejne rozkazy, oblicza adresy

argumentów operacji
Rejestry - podręczne komórki pamięci: licznik rozkazów, rejestr

rozkazów, akumulator, stos, rejestry pomocnicze.

n

- licznik rozkazów zawiera adres następnego rozkazu do wykonania,

rejestr rozkazów zawierający kod wykonywanego aktualnie rozkazu,

akumulator przechowujący dane,rejestry pomocnicze.

n

Interpretuje 20 do 200 instrukcji,

n

Architektury mikroprocesorów typu:

n

RISC (Reduced Instruction Set Computer), 1-5 instrukcji/cykl.

CISC (Complex Instruction Set Computer), 2-10 cykli/instrukcję.

Architektura komputera

n

Zegar: wytwarza prostokątne impulsy synchronizując działanie

układów logicznych i pamięci;

częstości 1MHz -2000 MHz, czas cyklu od 0.5 nanosekundy do 1

mikrosekundy (neurony - 1-100 Hz).

n

CPU: Centralna Jednostka Przetwarzająca (Central Processing Unit).

Mikroprocesor - procesor wykonany w technologii VLSI.

FPU (Floating Point Unit), czyli jednostka zmiennoprzecinkowa, zwykle

(od Pentium) wbudowana w FPU, dawniej osobna.

n

Pamięć stała ROM, Read Only Memory (pamięć pozwalająca tylko na

odczyt)

Pamięć zapisywalna RAM, „bufor pamięci” - obszar wydzielony

pamięci.

Architektura komputera

n

Pamięć cache: L1, L2 cache,

L1 - w procesorze, do 128 KB

L2 - zwykle pamięć statyczna SDRAM o krótkim czasie dostępu, droga,

zwykle 32-512 KB, niektóre mikroprocesory (np. Xenon) do 4 MB,

czasami wbudowana w procesor (np. P4 ma 256 lub 512 KB).

n

Magistrale (szyny): przysyłanie danych do urządzeń zamontowanych

wewnątrz komputera, dysków i kart rozszerzeń.

n

Szyna adresowa: wysyła informację z CPU do pamięci pozwalając

odszukać adres komórki pamięci.

n

Szyna danych: przesyła dane, znajdujące się w pamięci pod

wskazanym adresem do/z CPU.

Architektura komputera

n

Adresowanie pamięci = odnajdywanie miejsc, z których chcemy

pobrać lub wpisać bajty.

Szerokość = liczba równoległych połączeń w szynie.

Szerokość 8 (szyna 8-bitowa) pozwala rozróżnić 2

8

=256 komórek.

Szerokość 16 (szyna 16-bitowa) daje 65536 czyli 64k możliwości.

Szerokość 20, 1M adresów.

Szerokość 32, 4G adresów.

Szerokość 64, 16 mld adresów!

n

Układy I/O (Input/Output), wejścia/wyjścia: komunikacja procesora

ze światem zewnętrznym.

Kanały I/O: wyspecjalizowane procesory służące komunikacji.

Kontrolery I/O, graficzne: obsługa komunikacji

Architektura komputera

n

Kanały bezpośredniego dostępu (DMA): omijanie mikroprocesora

przy transmisji danych z urządzeń zewnętrznych.

n

Łącza (porty) zewnętrzne: dołączone do układów I/O porty, np.

szeregowy (serial port), równoległy (parallel port), port USB.

n

Układy wspomagające mikroprocesor (chipset): decydują o

integracji całości.

Chipset obsługuje pamięć i złącza PCI, AGP, IDE do urządzeń

zewnętrznych.

Popularne: Intel Chipset 440BX, nowsze 815E lub 850 do płyt dla P4.

n

Zasilanie.

Architektura komputera

n

System komputerowy

n

mikroprocesor i płyta główna - różne procesory mają różne podstawki,

uwaga przy planach rozbudowy;

n

chipset obsługujący płytę główną - decyduje o typie obsługiwanego RAM i

szynie do grafiki;

n

liczba wolnych gniazd - zależy od typu obudowy i wielkości płyty;

n

porty, oprócz standardowych ile USB, czy jest i-link, port IrDa

(podczerwony);

n

pamięć RAM i pamięć podręczna L1 i L2;

n

dyski twarde, kontrolery dysków;

n

dyskietki, CD-ROM/DVD i inne napędy wymiennych nośników;

Architektura komputera

n

podsystem graficzny;

n

monitor;

n

klawiatura;

n

wskaźniki: mysz, joystick, tabliczka graficzna;

n

peryferia: kamery, dodatki.

Architektura komputera

n

Wzrost możliwości procesorów

n

Pentium I - 60 MHz, technologia 0,8 mikrona, 3 mln tranzystorów

n

Pentium IV - 2 GHz, 0,18 mikrona, 42 mln tranzystorów

n

Superkomputer IBM ASCI White

n

12 bilionów operacji na sekundę

n

512 oddzielnych komputerów (powierzchnia 2 boisk do koszykówki)

n

8.192 mikroprocesory

n

6 TB pamięci operacyjnej, 160 TB pamięci masowej

Architektura komputera

n

Prawo Moore’a (rok 1965)

wydajność procesorów podwaja się co 1,5 roku
czyli...
ok. 2020 roku nastąpi koniec ery silikonowego chipa!

n

Gęstość upakowania informacji

n

Silikonowa pamięć

kilkadziesiąt MB/cm

2

n

Pamięć bazująca na białku

1 GB/cm

2

n

struktura DNA/RNA osiąga

100 000 GB/cm

2

Architektura komputera

n

DNA Komputer
informatyk Leonard Adleman w 1994 roku rozwiązuje przy

pomocy DNA tzw. problem Hamiltona dla n=7

Problem Hamiltona czyli wędrującego komiwojażera: jak znaleźć

najkrótszą drogę, łączącą N miast odwiedzając każde tylko jeden raz?