PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
Základní části počítačů, paměti
Eva Hladká
Fakulta informatiky Masarykovy univerzity
podzim 2012
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
1 / 29
• Základní koncept počítaču najdeme už u analytických kalkulátoru (např. Ch. Babbage).
• Mezi hlavní části patří:
• aritmetická (aritmeticko logická) jednotka - zpracovává zadaná data a výsledky ukládá do paměti;
• zařízení pro vstup a výstup - umožňují kontakt s okolím, zadávání dat a prezentace výsledku;
• řídicí jednotka - řídí provádění sekvence instrukcí (programu);
• paměť - pro uchování instrukcí, mezivýsledků i výsledků, vnitřní/vnější.
• Termín procesor se obvykle nepoužíval.
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
2/29
• Vnitřní paměti
• Mechanické a elektromechanické paměti
• Zpožďovací linky
• Elektrostatické paměti (Willsonova trubice)
• Feritové paměti
• Paměti na bázi klopných obvodů
• Volatilní vs. non-volatilní pamět
• Vnější paměti
• Děrné štítky a pásky
• Magnetické paměti (magnetické bubny, pásky, disky)
• Optická média
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
3/29
• Používané od poloviny 17. století (viz 2. přednáška) téměř do konce 20. stol.
• Různé formy (tvar i materiál) - štítky, pásky
• Problémy:
• pásky se snadno trhaly,
• většinou byl program na mnoha lístcích -nutné dodržet pořadí,
• zdlouhavé zadávání.
o Výhody:
• trvanlivost,
• nízká cena.
Zdroj: http://www.gym-karvina.cz
■....................        m 111 j i11*. 1111 p* i j.....:..........:..........i1,..........i
Zdroj: http://ncssm.edu
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
4/29
• Objevily se již v Analytical Engine, počátkem 20. stol. v počítačích Zl a Z2 K. Zuseho.
• Přístupová doba byla vysoká, ve srovnání s rychlostí tehdejších počítačů však postačovala.
• Mechanická paměť K. Zuseho
• Slovo délky 22 bitů.
• Bit byl reprezentován jako soustava pevné tyčky protínající kovové plíšky.
• Dvě pozice reprezentující 0 a 1.
Zdroj: http://www.xnumber.com
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
5/29
• Založeny zpravidla na relé (0. generace - např. Z3)
• Kapacity pamětí v řádu jednotek kB.
• Nejjednodušší implementace - přepínací relé
• Jednou cívkou se docílí přepnutí do stavu 0, druhou cívkou do stavu 1.
• Pomalé, náchylné k poruchám —> ztráta informace.
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
6/29
• Používány od I. generace počítačů (UNIVAC I, EDVAC apod.) až do 70. let
• Vynálezce W. Shockley z Bell Labs (mj. autor tranzistoru).
• 40. léta 20 stol, J. P. Eckert - další zdokonalení umožnilo využít je jako hlavní paměť v počítačích.
• Přenosové médium:
• válec naplněný rtutí (v počátcích),
• magnetorestriktivní cívka,
• piezoelektrický krystal.
Magnetorestriktivní cívka (60. léta) Zdroj: http://en.wikipedia.org
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
7/29
• El. pulsy se měnily na mechanické (pomalejší, v řádku /is).
• Po dosažení konce přenosového média byly vlny přeměněny zpět na el. pulsy.
• Médium mohlo přenášet stovky či tisíce vln (i opakovaně).
• Problémy rtuťových zpožďovacích linek:
• Zajištění přenosu signálu z trubice do krystalu na přijímací straně.
• Problém s rychlostí šíření signálu s ohledem na teplotu rtuti.
Zpožďovací linka počítače UNIVAC I Zdroj: http://en.wikipedia.org
Pulses pass down Itie merairy dela/ line
'"T™"
i
High-level view of mercury delay line
Schematické znázornění Zdroj: http://diycalculator.com
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
8/29
o Princip stejný jako u CRT monitorů - emise elektronů ve vakuu na stínítko.
• Dva hlavní zástupci:
• Williamsova trubice
• Selectron
• První paměti s náhodným přístupem (RAM)
• Nástup feritových pamětí zcela vytlačil z trhu elektrostatické počátkem 50. let 20. stol.
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
9/29
o Též Williams-Kilburn tube, sestrojena během let 1946-1947.
o Konstrukčně podobná osciloskopu, základem je katodová trubice.
o Před stínítkem je umístěna kovová mřížka určená pro zpětné čtení zapsaných informací.
o Používané v počítačích vyrobených do poloviny 50. letch - např. IBM 701/702
o Nevýhody:
;  malá kapacita - xlOO - 1000 bitů
o nutnost kalibrace trubice před použitím
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
• Princip činnosti:
• Informace jsou zaznamenány na obrazovku ve formě bitové mapy pomocí elektronového paprsku (1 — rozsvícený bod).
• V místě dopadu paprsku vzniká nábojový rozdíl mezi ním a okolím, který zůstává stabilní několik stovek ms.
• Čtení je destruktivní.
		M«tlín		... Jjfr		
		■	t"			
	■<					
Zdroj: http: //computerhistory. org
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
11 / 29
• Idea: rychlá paměť s velkou kapacitou (původně se uvažovalo o 4096 bitů).
• Komerčně dostupná nakonec pouze 256b verze (cena $500).
• Kvůli vysoké ceně a dlouhému vývoji se nakonec neprosadila.
• Použita pouze v jediném počítači -JOHNNIAC.
Zdroj: http://en.wikipedia.org
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
12 / 29
» Katoda obklopená metalickou mřížkou s kladným nábojem (dvě ortogonální pole) a vnější dielektrikum (stínítko).
» Výběr bitu - dva přilehlé vodiče s kladným nábojem —> elektron dopadl na dielektrikum.
Zápis - výběr bitu, následované vysláním signálu (+ nebo -) na stínítko. Podle náboje byly elektrony bud' odpuzovány (-) nebo přitahovány (+) dielektrikem (místo dopadu bylo nabito statickým nábojem).
Čtení - výběr bitu následovaný vysláním signálu z katody. Pokud na dielektriku byl náboj, byl signál přečten jako krátký napěťový puls na stínítku. Absence pulsu znamenala místo bez náboje.
Zdroj: http://computerhistory.
i Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy v
• Vynález již z roku 1932 (G. Tauschek, Rakousko), jako operační paměť
v počítačích používán od 40. let.
• Konstrukčně jednoduché řešení - jeden motor, který otáčí válcem konstantní rychlostí.
• Válec z nemagnetického materiálu potažený feromagnetickou vrstvou (podobně jako magnetofonové pásky či HDD).
• K povrchu jsou přitlačovány čtecí a zápisové hlavy.
• Počet hlav odpovídal zpravidla délce slova - paralelní čtení/zápis.
Adresy bitů v rámci stopy Stopa
Čteci a zápisová hlava
Zdroj: http://root.cz
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
14 / 29
• Používán jako operační paměť, kapacita v řádu kB.
• Přístupová doba = doba poloviny otáčky bubnu.
• Hlavní nevýhodou byla citlivost na magnetické a mechanické vlivy.
• Výhodou napak velmi nízká cena a jednoduchost konstrukce (žádné krokové motory).
Zdroj: http: //computerhistory. org
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
15 / 29
• Matice feritových jader, které byly magnetizovány.
• Používány v počítačích téměř 20 let jako hlavní paměť.
• Čtení - na adresové vodiče je přiveden proud, na čtecím vodiči se zjistí míra indukce.
• Čtení je destruktivní - jadérko musí být znovu zmagnetizováno.
• Zápis - zmagnetizováním feritového jadérka
Detail čtyř buněk paměti (adresové vodiče a červený čtecí vodič) Zdroj: http: //root. cz
i Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy v
• Paměť je non-volatilní (náboj vydrží několik desítek minut po vypnutí)
• Pojem core dump - zjištění stavu programu před pádem
• Odolnost vůči různým druhům záření-není nutné drahé stínění, využito např. při kosmickém programu.
Feritová pamět o kapacitě 32x32 b Zdroj: http://en.wikipedia.org
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
17 / 29
• triody
• Typ elektronky, dva režimy práce - zesilovač (tranzistor) a spínač (relé).
• Kombinací 2 triod a několika pasivních součástek lze sestavit paměťovou buňku o kapacitě 1 b.
• Používány pro pracovní registry doplňující bubnovou paměť.
• tranzistory
• Původně se používaly bipolární, později unipolární tranzistory.
• Na 1 paměťovou buňku je třeba min. 2 tranzistorů bipolárních nebo 6 unipolárních.
• Oproti triodám jsou menší, levnější a mají vyšší rychlost.
• integrované klopné obvody
Větší blok operační paměti sestavený z triod Zdroj: http: //root. cz
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
18 / 29
Vdd
Q
1. A six-transistor CMOS SRAM cell, like the one shown in this diagram, is the basic building block of a. memory array.
Jednobitová paměťová buňka sestavená z šesti tranzistorů NMOS a PMOS Zdroj: http: //root. cz
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
19 / 29
Integrované klopné obvody
o 70. léta - integrace několika obvodů do jednoho pouzdra (čipu).
o Tranzistorové paměti byly nahrazovány
paměťovými čipy, např. CMOS. o Výsledkem paměťi typu SRAM (Static RAM) □ volatilní paměť
nedestruktivní čtení ;  složitější konstrukce (až 6 tranzistorů na 1 bit) —>■ vyšší cena
o DRAM (Dynamic RAM) konstrukčně jednodušší (tranzistor+kondenzátor) ;  náboj v kondenzátoru je nutné obnovovat, čtení je destruktivní
-■
-dl
la§jf$g.b DATABELECTOR (4TO I MLIXl|
1 P.O. < DATA PUT) fTRI STTATE
Blok paměťovýcri buněk v pai DRAM Zdroj: http: //root. cz
'V109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
20 / 29
• Read Only Memory - paměť pouze pro čtení
• Non-volatilní paměť, zpravidla predprogramovaná (maska používaná při výrobě)
• Používala se např. pro uložení firmware již od 60. let.
• Různé typy
• PROM - Programmable ROM (1956), programovatelná (pouze jednou)
• EPROM - Erasable PROM (1971), umožnila smazat program pod UV světlem
• EEPROM - Electrically EPROM (1983), nebylo nutné paměť vyjímat z počítače
• Flash - základ dnešních paměťových karet
• Více o pamětech např. v PV094 - Technické vybavení počítačů (dr. Pelikán)
Zdroj: http://cs.wikipedia.org
Zdroj: http: //build-your-own-computer.net
i Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy v
• Princip: na médiu je nanesena feromagnetická vrstva, povrch je rozdělen na magnetické regiony (sub-mikrometrové velikosti).
• Čtení/zápis zajišťuje čtecí/zapisovací hlava (cívka).
• Non-volatilní paměť, zpravidla používané jako vnější úložiště dat
• Různé formy:
• Magnetický buben - původně operační, posléze i jako vnější paměť
• Magnetické pásky
• Magnetické disky
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
22 / 29
• Poprvé nasazeny u počítače UNIVAC 1 v roce 1951, hustota záznamu byla 128 znaků na palec na 8 stopách.
• Hlavní záznamové médium vnější paměti u mainframů.
• 8bitové počítače používaly klasické magnetofonové audio pásky (kapacita cca 500 kB - 1 MB)
• Používané dodnes pro zálohu dat (páskový robot).
• Výhody: velká kapacita, přepisovatelné médium (na rozdíl např. od děrných štítků), vysoká životnost.
• Nevýhody: sekvenční přístup, řádově vyšší doba pro vystavení dat, přetržení pásky.
Zd roj:
http://computersciencelab.com
i Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy v
• Rotující pevný/pružný disk, pohyblivá čtecí hlava.
• Stopy jsou uloženy v soustředných kružnicích.
• Čtyři kategorie
O disketové paměti (pružný disk)
q diskové paměti s výměnným svazkem
disků (používají se pevné disky, dnes
prakticky bez významu) O diskové paměti s nevýměnným
svazkem disků (klasické harddisky) O kazetové diskové paměti (pamětníci je
většinou znají z výpočetních center)
8", 5.25" , 3.5", 2.5" , 1.8", a 1" pevné disky Zdroj: http://en.wikipedia.org
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
24 / 29
• První optický disk byl vynalezen již v roce 1958, původně analogové.
• Kompaktní disky tak, jak je známe dnes, byly vyvinuty až roku 1979 (Sony+Philips).
• Datová stopa ve tvaru spirály, začíná u středu.
• Průměr média je 12 nebo 8 cm.
• Čtení: Laserové světlo snímá povrch (prohlubně).
• Zápis: lisováním matrice při výrobě nebo laserem do chemické vrstvy.
• Nástupci: DVD (1995), Blue-ray (2000).
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
25 / 29
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
26 / 29
• Kombinace optických a magnetických médií, vynalezena v roce 1985.
• Radově vyšší kapacita při stejné velikosti jako magnetické disky (1,44 MB (FDD) vs. až 9 GB (MO) při velikosti 3,5")
• Čtení: laserový paprsek dopadá na zmagnetizovanou vrstvu. Dochází ke stáčení polarizační roviny odraženého světla, polarizační filtry na čtecí hlavě pak rozlišují 0 nebo 1 bit.
• Zápis:
O laserový paprsek zahřeje místo feromagnetického materiálu na Currieovu teplotu (dochází ke změně struktury látky)
O Magnetická hlava nejprve zapíše logické 0 následně 1.
q Ohřáté lokace se rychle ochlazují, magnetické domény tak zůstávají „zmrazený" ve feromagnetické vrstvě.
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
27 / 29
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
28 / 29
i 0. generace
1940 1945,
2. generace
I960
[1932] Magnet.
OJ 051
[1946-1 von
Heumarnova architektura.
[194/] "rc-ľVor
[1952] Ii,V, 701
[1951] UNIVAC 1
3. generace |
1965 1970
[1958]
Integrovaný obvod, optický disk
[195-S] ROM, HDD
[19651 IBM
Syste m/360
EDOS 1
4. generace (integrované obvody)
1975       1980       1985 1990
[1985] Magneto-optický disk
[197-;
-   :ii ;
119731 Xerox Alto
Eva Hladká  (Fl MU)
PV109: Historie a vývojové trendy ve VT
podzim 2012
29 / 29