PV109: Historie a vývojové trendy ve VT Základní části počítačů, paměti Luděk Matýska a Eva Hladká Fakulta informatiky Masarykovy univerzity podzim 2015 Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 1/29 • Základní koncept počítačů najdeme už u analytických kalkulátorů (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 výsledků; • řídicí jednotka - řídí provádění sekvence instrukcí (programu); • paměť - pro uchování instrukcí, mezivýsledků i výsledků, vnitřní/vnější. • Termín procesor se obvykle nepoužíval. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 2 / 29 o 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 Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 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. • Výhody: • trvanlivost, • nízká cena. Zdroj: http://www.gym-karvina.cz d n [ n I g ii: n d s I [h o: u d d g iniiiľ""' 4'iůHE)4TJs42ůirffiíJ=íTÍ]i C" I III I I III I IM||DHD|[ii]0i]D0|D[]|| 11 n 1111 u m 1111111 21.22 i 32 i IS.IU 2 3 3 3 2 2 2 3 3" 3M333 3|313 í l4;l'= 4Í í ■) é|í4 j í|( j j < 4| m (Hl ■! 1 14 i 1 i i i h 1 -H 1 ^■!.S"i IS í 5 | 5 E|b 5 54 S bS||S íí|| 5 5 5 | 5 5 i ä 5 5 5 5-5 5-5 5 5 g-t.B S 5 6 e - B 61E ; B i. S f. 6 6 ; fi 6 E ESE BEEíESEEIIE-EIE 61g S ' -1 Jlľl? f? 17J77J?77ľl? ľTJT? llJ77I7ľ?ľ7?T7 I7J7 B J l'[ B B S-_B I !_I(_S 3 6 S ^fi-a-!ia:!Hň!i;!i!i3S39f3l;BSflsas:|;as feä J 5 í 3 J 13 1 í J J í I í J J S 3 5 S a 3 3 II II dr n r. | r n | n n t 1 ;= i r. .n i c- r | n 0 * ■ c □ n r n ii 111 j e 111111iin111111 ÍJľlIl!"li:3i3í2l2l!l21i:3 23l S 33 3|33|33 3 j 33 3 J3 3 1| (3 33 313 5|S ä'ls'í a E É G E E g JľT.í'JTr |5|^ S E S- S E J T T T 7 ■ H | H| 4 4 4 ll 5 I I II ovnolml ľ'i'iiií 123223 3 3 3 3| 3 3 3 3 414444144 5 5|R 55|S> E r, í E í c I & i'lííl f 71 r I I II 9 E S.9 13-3.3 9 * 3 3 9 9 Si 13 9 í 9 t * 9 S í 9 91 9 í 9 í 9 4 3 9 3 3 "ľ Zdroj: http://ncssm.edu Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 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 plísky. • Dvě pozice reprezentující 0 a 1. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 5 / 29 ektromecnanicke paměti • Založeny zpravidla na relé (0. generace - např. Z3) • Kapacity pamětí v řádu jednotek kB. • Nejjednodušší implementace - přepínací relé o Jednou cívkou se docílí přepnutí do stavu 0, druhou cívkou do stavu 1. • Pomalé, náchylné k poruchám —>► ztráta informace. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 6 / 29 pozd ovaci linky • Používány od I. generace počítačů (UNIVAC I, EDVAC apod.) až do 70. let • Vynálezce W. Shockley z Bell Labs (mj. autor tranzistoru). o 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 Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 7 / 29 poza ovaci linky • El. pulsy se měnily na mechanické (pomalejší, v řádku /zs). • 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 Pulsem pass down ihe mercury delay line Mercu ry delay line Detector a rid a m piifi er High-level view of mercury delay line Schematické znázornění Zdroj: http://diycalculator.com Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 8 / 29 • 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. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 9 / 29 niiamsova truDice • Též Williams-Kilburn tube, sestrojena během let 1946-1947. • Konstrukčně podobná osciloskopu, základem je katodová trubice. • Před stínítkem je umístěna kovová mřížka určená pro zpětné čtení zapsaných informací. • Používané v počítačích vyrobených do poloviny 50. letch - např. IBM 701/702 • Nevýhody: • malá kapacita - x 100 - 1000 bitů • nutnost kalibrace trubice před použitím Zdroj: http://en.wikipedia.org Zdroj: http://http: //www.science.uva.nl/ Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 10 / 29 Williamsova trubice - princip 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. • Ctení je destruktivní. Phosphor Surface Signal Path- Amplifier Write Control Read Line Line Line Zdroj: http: //computerhistory. org Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 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 Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 12 / 29 COLLE'TOR —■• SELECTING GBlD r DIRECTION SELECTING Cflio V OIRCCTION ACCELERATING*-.. GRID 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 buď 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. CAPACITY PLAT í IME TA g INSULATOR (mica SHEET) i-f t t I I 1 I OVERALL ELECTRON BOMBARDMENT SELECTIVELY OPENED WINDOW Z 3 - ■ + 3-=1 3- ] - 3- poiuriBi r nr tri trTonu Zdroj: http: //computerhistory. org Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 13 / 29 • Vynález již z roku 1932 (G. Tauschek, Rakousko), jako operační paměť v počítacích 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 Čteci a zápisová hlava Zdroj: http://root.cz Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 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 Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 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. • Ctění 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 Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 16 / 29 • Paměť je non-volatilní (náboj vydrží několik desítek minut po vypnutí) • Pojem core dum p - zjištění stavu programu před pádem • Odolnost vůči různým druhům záření-není nutné drahé stínění, využito např. při kosmickém programu. Feritová paměť o kapacitě 32x32 b Zdroj: http://en.wikipedia.org Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 17 / 29 a iiijiM SE ISJ 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. Větší blok operační paměti sestavený z triod Zdroj: http://root.cz • integrované klopné obvody Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 18 / 29 opne oDvoay 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 Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2015 19 / 29 ntegrované k ;lopné o b vo d y • 70. léta - integrace několika obvodů do jednoho pouzdra (čipu). • Tranzistorové paměti byly nahrazovány paměťovými čipy, např. CMOS. • Výsledkem paměti typu SRAM (Static RAM) • volatilní paměť • nedestruktivní čtení • složitější konstrukce (až 6 tranzistorů na 1 bit) —>> vyšší cena • DRAM (Dynamic RAM) • konstrukčně jednodušší (tra nzistor+kondenzátor) • náboj v kondenzátoru je nutné obnovovat, čtení je destruktivní 33 - al- 1 A. - T i T 1 T - i T T I T I T 1 T 1 T 1 t ■ 1 T i ff1 °f iL 4 * t1 °ŕ I i 1 T LATCH J t T T MUX S3 OATA SELECTOR (4 TQ 1 MUK) I P.O.