FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita PV109: Historie a vývojové trendy ve VT Základní části počítačů, paměti Luděk Matýska a Eva Hladká podzim 2018 Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 1/29 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Základní části počítače ■ Základní koncept počítačů najdeme už u analytických kaLkuLátorů (napr. 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, vnitrni/vnejsi. ■ Termín procesor se obvykle nepoužíval. Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 2/29 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Rozdělení pamětí ■ Vnitřní paměti ■ Mechanické a elektromechanické paměti ■ Zpožďovací linky ■ Elektrostatické paměti (Willsonova trubice) ■ Feritové paměti ■ Paměti na bázi klopných obvodů ■ Voíatiínľvs. non-voíatiínľpaméí ■ Vnejsi paměti ■ Děrné štítky a pásky ■ Magnetické paměti (magnetické bubny, pásky, disky) ■ Optická média Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 3/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Děrné štítky a pásky 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. ^ :::;'-^'"V;-."'v7 Zdroj: http://www.gym-karvina.cz ^V! U rJj =1" i,c! J! A 1 1. ■ 1 ii 1 iii 1 Bv n |[.n [-n |n ii: n d n n: u na d?| I" ll 1 1 1 é lil 1 1 I 1 1 1 lil |1 lil M'£ äíílÍ2JÍ2!í-äl2ll!í2Ií'!íä l| 3 :;(J :] í IS3 3J3 íl3J 3 Í3 3 ;3 JJ It i*4l441*4 4l q 44 ílí4444lí4 I|^55^l5 5&l!iílb5!i4íh5llí55 Hj! ! Ci 5B e ■ B s| e iB ř.B e e Bř B 6 S B K ■ I 1 T|ľ7 7 17 ľ! ľ77 11 11 77 7 11 77 ■í 3 [: i] E> ■ ď ■:] ■ ■ S1:] ■ 4 ■ j B E ■ 1 ! B IMJi 'L-i1' 1. = : ľ. J :ii ľ i ■ Jp = :■■ •: ■• " • ' i - ! Tí .?> J :»n " iii ii 1 ii ■ 1 1 iii 1 ii ii 1 ii nillllí ľ il D [i'l n [■|riii||rr n n |n n |n n: |:-n n n |:-n| n n 11 n n n rin n n |n n :■! 1 11111 1 1 3 1 1 ľ 1111 1 í 1 1 11 1 1 11 1 ľ 111 í 1 11 1 11 i 1111 11 1 11 1 11 "1111 -1 IÍ!ÍJÍj|SIÍ.Í2SIS!ÍSISi|!li|äiJ!J!3|I|il!IäIS!r|IIä|ííi.Ía ř i J 313 í 3 2 3 3J313 3|3J3Í3 3Í3|3 í|3 3 3 ! 313í 3 3l| í 3 3 3 3Í 3 3)3 3| 3 IÍ3 *4U4* 14.144 44 4 4-1 445 + 4 |4 q 44 14 «4 4 4-l| 4 4 4 44 41414 114-il 4 4 4 4 ! 44 lla55l5a*5S5 5i555SS5l55|s|sS5|5 5l 5 5 5 5lSi5l5Sl5iS5|sss|s'S j B e 6 B B B j c h|| i n | n h 1 n s niii c s n i n n n c|n ;n t|n in r, u n|n it 1.1 c ne n í p|ě 3 7ll77 77 777 77 7J77 7 7 J 777 I77T7 1 ) 77 7 )7J)7 1)77 íliJí?l! J 11 117) gíMjlteB3-BielBE9BI.3|3BjB|3|j||3|aB13|l|L||a|l3Bl|e|^||,| Zdroj: http: //ncssm. edu Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 4/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Mechanické paměti Objevily se již v AnaLyticaL Engine, počátkem 20. stoL v počítacích Zl a Z2 K. Zuseho. Přístupová doba byLa vysoká, ve srovnání s rychlostí tehdejších počítačů však postačovala. Mechanická pamef 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 Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 5/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Elektromechanické paměti ■ 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. Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 6/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Zpožďovací Linky I. 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 stoLJ. P. Eckert - daLší zdokonalení umožnilo využít je jako hlavní paměfv 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 7/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Zpožďovací Linky II. EL puLsy se měniLy na mechanické (pomalejší, v řádku /xs). 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 the mercury delay line ))) ))) ))) ))) 110 1 0 0 1 Piezoelectric transmitter I Piezoelectric receiver 1 Mercury delay line Detector and amplifier High-level view of mercury delay line Schematické znázornění Zdroj: http: //diycalculator. com Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 8/29 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Elektrostatické paměti ■ 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 9/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Williamsova trubice Zdroj: http://en.wikipedia.org ■ Též WiUiams-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 Zd roj: http: / /http: Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 20^8/www science uva'-W 2^ FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita 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. v ■ Ctení je destruktivní. Signal Path- 1 11 Reshapěr Amplifier Write Control Read Line Líne Line Zdroj: http: //computertiistory. org Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 11/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Selectron - slepá větev vývoje Idea: ry c h Lá paměf 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. Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 Zdroj: 12 / 29 htto://en.wikioedia.ora FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Selectron - princip COi i. ľ TOR —•■ SELECTinC CifliD r OIRECTION ,4C SELECTINC SflIO ACCELEBATlNG-*... i Katoda obklopená metalickou mřížkou s kladným nábojem (dvě ortogonální pole) a vnější dielektrikum (stínítko). i 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 PLATE y (M e T A Lj "--INJULATOR (MICA sheet; t t I t f t í I OVERALL ELECTRON BOM BARD u E NT - + - - + +- _ ACLECTIVELT LjPENED WINDOW Zdroj: http: //computerhistory. org Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 13/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Magnetický buben I. 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 Cteci a zápisová hlava Zdroj: http: //root. cz Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Magnetický buben Používán jako operační pamět 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). ^-uiuj. . / /computerhistory. org Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 15/29 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Feritová paměť I. ■ Matice feritových jader, které byly magnetizovány. ■ Používány v počítačích téměř 20 Let jako hlavní pamět ■ 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 Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzimeflíW50^ vodlce f cervi8V^řfcí vodic) FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Feritová paměť II. ■ Paměf je non-voLatiLní (náboj vydrží několik desítek minut po vypnutí) ■ Pojem core d u m 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 17/29 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Klopné obvody - použité technologie ■ 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 pamět ■ 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 18 / 29 Větší blok operační paměti sestavený z triod Zdroj: http: //root. cz FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Klopné obvody 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 19/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Integrované klopné obvody 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 (tranzistor+kondenzátor) ■ náboj v kondenzátoru je nutné obnovovat, čtení je destruktivní na -o Ji T - ! T 1_Oj Ulit-i T 1--1 T T T T T 1 i o!n p/,1 I ATC.-\ t: MUX g§q pDATA SELECTOR (4 TO 1 MUXfl ' I D.O. (OATAOUT) THI STATE Blok paměťových buněk v paměti DRAM Zdroj: http: //root. cz Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 20/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Paměti typu ROM mm m ■ Ľ> PO Zdroj: http://cs.wikipedia.org Read Only Memory - pamet pouze pro ctení ■ 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 ZZPROM (1971), umožnila smazat program pod UV světlem ■ EEPROM - Electrically EPROM (1983), nebylo nutné paměťvyjímat z počítače ■ Flash - základ dnešních paměťových karet ■ Více o pamětech např. v PV094 - Technické vybavení počítačů (dr. Pelikán) //buiid-yoľr-ownPcomPuter net Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 21 / 29 Zdroj: http: //futurlec. com FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Magnetické paměti 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 Electric j current Demagnetizing .. field Magnetization Magnetic mediuir Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 22/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Magnetické pásky 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 prístup, řádově vyšší doba pro vystavení dat, přetržení pásky. Zdroj: http: //computersciencelab.com Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 23/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Diskové paměti 8", 5,25" a 3,5" diskety Rotující pevný/pružný disk, pohyblivá čtecí hlava. Stopy jsou uloženy v soustředných kružnicích. Čtyři kategorie 1. disketové paměti (pružný disk) 2. diskové paměti s výměnným svazkem disků (používají se pevné disky, dnes prakticky bez významu) 3. diskové paměti s nevýměnným svazkem disků (klasické harddisky) 4. 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 24 / 29 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Optická média ■ 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 25/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Hustota zápisu na optických médiích Zdroj:http://extrahardware.cnews.cz Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 26 / 29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Magnetooptická média ■ 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") v ■ 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: 1. laserový paprsek zahřeje místo feromagnetického materiálu na Currieovu teplotu (dochází ke změně struktury látky) 2. Magnetická hlava nejprve zapíše logické 0 následně 1. 3. Ohřáté lokace se rychle ochlazují, magnetické domény tak zůstávají „zmrazený" ve feromagnetické vrstvě. Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 27/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Záznam na MO disk Zdroj:http://www.umel.feec.vutbr.cz/~adamek/komp/KOMPFRAM.HTM Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 28/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Historický vývoj pamětí Elektrostatické paměti [1956 - ] Magnetické disky Elektromechanické paměti [1951 - 80. léta 20. stol.] Magnetické pásky Feritová paměť Mech. Paměti Děrné štítky [1979 -] Optická média 0. generace 1. generace 2. generace 3. generace 1935 1 940 1945 [1936] ZI [1932] Magnet. buben [1946] von Neumannova architektura, 950'. 1955 ;19-t; Tranzistor [1952] 13,7, 701 [1951] UNIVAC 1 I960 1965 1970 4. generace {integrované obvody) 1975 1980 1985 1990 [1958] Integrovaný 0:DVOC, optický disk [1956] ROM, HDD [1965] IBM System/360 [1963] EPOS 1 [1974] Altair S0S0 11973; Xerox Alto [1971] Intel 4004 [1985] Magneto-optický disk [1981] IBM/PC [1979] CD [1995] DVD Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2018 29/29