PV109: Historie a vývojové trendy ve VT Základní části počítačů, paměti Luděk Matýska a Eva Hladká Fakulta informatiky Masarykovy univerzity podzim 2016 Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 1/29 akiaani časti počítače • 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); o 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 2016 2/29 ozaeieni paměti o Vnitřní paměti • Mechanické a elektromechanické paměti • Zpožďovací linky • Elektrostatické paměti (Willsonova trubice) • Feritové paměti • Paměti na bázi klopných obvodů • Volatilní vs. non-volatilní paměť • 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 2016 3 / 29 erne štítky a p • 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. Zd roj: http: //www. gym- karvina. cz 'jiijHľ>:i'J:-isůrafij=í tdi ď I Un [ n la i julií' Iři 'ilílíľlí 5 3J3I3Jl35 |£"5.5-ÍI55S| i SB' I I I III I I I D tí C B C -S El E-U í TJ f 7? r I I II n i !i ■ a I a n 3 s: a :■: !i: 'i I ■] !i: i !i: :i: 'i :■ 11 :< ] a 3 a t a j i n * Zdroj: http://ncssm.edu Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 4 / 29 ecnanicke paměti • 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. o Mechanická paměť K. Zuseho • Slovo délky 22 bitů. • Bit byl reprezentován jako soustava pevné tyčky protínající kovové plíšky. • Dvě pozice reprezentující 0 a 1. Zd roj: http: //www. xnumber. com Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 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 2016 6 / 29 poza ovaci iinKy • 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 2016 7 / 29 poza ovaci linky • El. pulsy se měnily na mechanické (pomalejší, v řádku /xs). • Po dosažení konce přenosového média byly vlny přeměněny zpět na el. pulsy. o 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 lne mercury delay line Mercu ry d elay I i ne Detector s nd s m plifi 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 2016 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 2016 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 - xlOO - 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 2016 iiiiamsova truDice - 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. Electron Beam Collector Plate Signal Path- '-1 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 2016 11 / 29 electron - siepa větev vývoje o Idea: rychlá paměť s velkou kapacitou (původně se uvažovalo o 4096 bitů). • Komerčně dostupná nakonec pouze 256b verze (cena $500). o 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 2016 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. i Zápis - výběr bitu, následované vysláním signálu (+ nebo -) na stínítko. Podle náboje byly elektrony buď odpuzovány (-) nebo přitahovány (+) dielektrikem (místo dopadu bylo nabito statickým nábojem). i 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 c nr tri trTonu Zdroj: http: //computerhistory. org Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 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). 9 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 Zd roj: http: //root. cz Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 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 2016 15 / 29 eritova parne • Matice feritových jader, které byly magnetizovány. • Používány v počítačích téměř 20 let jako hlavní paměť. o 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) Zd roj: http: //root. cz Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 16 / 29 eritova parne • 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. Ji jíž jiHŽií ^fcJJLJtJ* JjŽJfCJijtli 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 2016 17 / 29 opne oDvoay - použite tecnnoiogie • 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 Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT Větší blok operační paměti sestavený z triod Zd roj: http: //root. cz podzim 2016 opne oDvoay 1. A six-transistor CMOS SRAM cell, like the one shown in this diagram, is the basic building bicok of a memory array. Jednobitová paměťová buňka sestavená z šesti tranzistorů NMOS a PMOS Zd roj: http: //root. cz Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 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 paměťi typu SRAM (Static RAM) • volatilní paměť • nedestruktivní čtení • složitější konstrukce (až 6 tranzistorů na 1 bit) —>- vyšší cena • DRAM (Dynamic RAM) • konstrukčně jednodušší (tranzistor+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 * t1 °ŕ I i 1 T J t T T MUX OATA SELECTOR (4 TO 1 UUX) | P.O. j DATA OUT) THI STATE I SUS Blok paměťových buněk v paměti DRAM Zd roj: http: //root. cz Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 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 o PROM - Programmable ROM (1956), programovatelná (pouze jednou) o EPROM - Erasable PROM (1971), umožnila smazat program pod UV světlem a EEPROM - Electrically EPROM (1983), nebylo nutné paměť vyjímat z počítače • Flash - základ dnešních paměťových karet • Více o pamětech např. v PV094 - Technické vybavení počítačů ídr. Pelikán) Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT Zdroj: http://cs.wikipedia.org Zdroj: http://futurlec.com Zdroj: http: //build-your-own-computer.net podzim 2016 agneticKe parne • 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 Core Demagnetizing field Magnetization Electric I current Write head Gap Magnetic mediurr Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 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). o Výhody: velká kapacita, přepisovatelné médium (na rozdíl např. od děrných štítků), vysoká životnost. o Nevýhody: sekvenční přístup, řádově vyšší doba Zd roj: http://computersciencelab.com pro vystavení dat. přetržení páskv. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 23 / 29 E iskove paměti • Rotující pevný/pružný disk, pohyblivá čtecí hlava. • Stopy jsou uloženy v soustředných kružnicích. • Čtyři kategorie O disketové paměti (pružný disk) O 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 Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 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). Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 25 / 29 apisu na Zd roj: http: //extrahardware. cnews . cz Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 26 / 29 • Kombinace optických a magnetických médií, vynalezena v roce 1985. • Řádově vyšší kapacita při stejné velikosti jako magnetické disky (1,44 MB (FDD) vs. až 9 GB (MO) při velikosti 3,5") • Ctení: 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. O Ohřáté lokace se rychle ochlazují, magnetické domény tak zůstávají ,,zmrazený" ve feromagnetické vrstvě. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 27 / 29 aznam na mm smer pohybu záznamového média magnetická hlava záznamové * i ■ medium laserový paprsek Zdroj: http://www.umel.feec.vutbr.cz/~adamek/komp/KOMPFRAM.HTM Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 28 / 29 -|istoricky vývoj paměti Elektrostatické paměti [1956 - ] Magnetické disky Elektromechanické paměti 951 -- 80. léta 20. stol.] Magnetické pásky Feritová paměť Mech. Paměti ± _ agnetický buben Děrné štítky [1979 -] Optická média 1935 0. generace 1940 1945, 1. generace 2.generace 19501 1955 [1936] Zl 19-6; von Neumannova architektura. Tranzistor [1952] BiVi 701 [i95i; UNIVAC 1 I960 3. generace 1965 19 4. generace (integrované obvody) 1975 1980 1985 1990 [1958] Integrovaný obvod., optický disk [1956] ROM, HDD [1965] IBM System/360 [1963] EPOS 1 [1974] Altair 8080 ;i973; Xerox Alto [1971] Intel 4004 [1985] Magneto-optický disk [1981] IBM/PC [1979] CD [1995] DVD Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2016 29 / 29