FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
PB001: Uvod do informačních technologií
Luděk Matýska (Eva Hladká)
podzim 2024
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
1/29
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Obsah přednášky
Úvod
Technické prostředky
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
2/29
Úvod
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Co může být počítač
Různé pohledy:
1. Technologický: Babbageův počítací stroj, superpočítač, mobilní „telefon",...
2. Formální: Turingův stroj
3. Netradiční: Kvantový počítač
4. Futuristický: DNA počítač
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
3/29
Úvod
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Babbageův počítací stroj
1. První zmínka 1822
2. Prvenství myšlenky programovatelného počítacího stroje
■ instrukce
■ oddělená datová a programová paměf
■ oddělená vstup/výstupní jednotka
■ řídící jednotka schopna provádět podmíněné skoky
3. Ada Augusta King, hraběnka z Lovelace
■ popis
■ programovací jazyk
4. 1991 sestrojen a prokázána funkčnost
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
4/29
Úvod
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Babbageův počítací stroj
Uvod
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Turingův stroj
1. Teoretický modeL výpočetního stroje
2. Problém zastavení Turingova stroje - problém rozhodnuteLnosti
3. Turingův test
4. Definován v roce 1936
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
6/29
Úvod
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Turingův stroj - definice
Definice
Formálně je Turingův stroj definován jako šestice
M = (Q,X,T,S,q0,F) kde:
• Q je konečná množina stavů
• T je konečná množina páskových symbolů
• S C r, S 7^ 0 je konečná množina vstupních symbolů
• S:(Q-F)xT^QxTx {-1,0,+1} je přechodová funkce
• qo e Q je počáteční stav
• F C Q je množina koncových stavů
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
7/
Úvod
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Turingův stroj - schema
moving CPU
read/write device
1
0
1
1
0
0
1
memory tape
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
8/29
Úvod
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Kvantové počítače
■ Data jsou reprezentována qubity, ne bity
■ superpozice dvou stavů (nula/jedna)
■ kvantový entag lement
■ DLouho spíše teoretický koncept
■ Změna 1994, publikován Shorův algoritmus pro faktorizaci
■ rychlé řešení specifického NP úplného problému
■ Využívá interferenci
■ „souběžně" zvažuje všechna (i špatná) řešení
■ na konci výpočtu má správné řešení nejvyšší amplitudu („ p ra vd ě pod o b n osť)
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
9/29
Úvod
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
DNA počítače
■ Stavy (zadání, postupy i řešení) jsou definovány nukleovými
kyselinami (sekvence nukleotidů)
■ Stavy odpovídající zadání si připravíme a smícháme
■ proběhnou interakce (propojení řetězců)
■ mezi výslednými řetězci nimi budou i „správné", tedy ty, co odpovídají hledaným řešením
■ Po ustálení „vytáhneme" nalezená řešení
■ Rychlost rekombinace (interakce) ve velkém množství stavů dělá DNA počítač atraktivní
■ zvládnutelné NP úplné problémy
■ Viz https://www.fi.muni.cz/usr/jkucera/pvl09/
2002/xhelan_dna ."html
■ Rovněž DNA paměti
■ atraktivní vysoká hustota záznamu
■ stovky PB do jednoho gramu DNA
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024 10 / 29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Von Neumanovo schéma
1. 40. Léta 20.stoLetí
2. Nová koncepce toho, co je „počítač"
3. Základní funkční části
4. Dvojková soustava
5. Základ architektur běžných číslicových počítačů
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
11/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Von Neumanovo schéma - obrázek
Vstupní zařízení
Operační paměť
ALU
Radič
Výstupní zařízení
^  Tok dat
Řídící signály radiče Stavová hlásení radiči
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
12/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Základní komponenty
■ Procesor(-řadič)-paměf-periferie: von Neumannova architektura
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
13/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Základní komponenty
■ Procesor(-řadič)-paměf-periferie: von Neumannova architektura
■ Harward memory model: zvlášt paměf pro data a zvlášť pro program
■ základ vnitroprocesorového paralelismu
■ Řízené zpracování dat
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
13/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Procesor
■ Stroj vykonávající instrukce
■ Instrukční cyklus: výběr a provedení instrukce jednou jednotkou
■ Vnitřní hodiny: takt procesoru
■ Základní jednotka sekvenční (ALU, FPU)
■ Může obsahovat více jednotek: vnitřní paraLeLismus
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
14/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Typy procesorů
■ Univerzální
■ CISC: Complex Instruction Set Computer
■ RISC: Reduced Instruction Set Computer
■ S jedním, několika či mnoha jádry
části Logiky znásobeny, část sdílena
■ vyšší kumulovaný výkon
■ problém programování paralelního systému (sdílené části slabým místem (bottleneck))
■ • • •
■ Specializované
■ Vektorové
■ Grafické
■ Embedded
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
15/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Paměť (vnitřní)
■ Uchovává data
■ Přímo adresovatelná: sloupec a řádek
■ Rozsah adres: 16, 32,64, 128, ...bitů
■ Cyklus paměti: doba nezbytná pro vystavení nebo zápis dat
■ Vzpamatování se po provedené operaci, prokládání pamětí
■ Statická vs. dynamická pamět volatilita
■ Hierarchie pamětí
■ Rychlá-pomalá
■ Drahá-levná
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
16/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Paměť (vnitřní)
■ Uchovává data
■ Přímo adresovatelná: sloupec a řádek
■ Rozsah adres: 16, 32,64, 128, ...bitů
■ Cyklus paměti: doba nezbytná pro vystavení nebo zápis dat
■ Vzpamatování se po provedené operaci, prokládání pamětí
■ Statická vs. dynamická pamět volatilita
■ Hierarchie pamětí
■ Rychlá-pomalá
■ Drahá-levná
■ Ilustrace ekonomického imperativu v IT
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
16/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Periferie
■ Zajišťují vstup/výstup informací:
■ komunikace s uživatelem
■ permanentní ukládání dat
■ komunikace s jinými systémy
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
17/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Komunikace s uživatelem
■ Interaktivní
■ Klávesnice: vstup
■ Myš, tablet (ve smyslu perfierie), stylus,vstup
■ Obrazovka: výstup i vstup
■ Zvuk: výstup i vstup
■ Bezdotyková zařízení : Kamery, Kinect,...
■ Dávková: nepřímá, prostřednictvím jiných zařízení
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
18/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Permanentní ukládání dat
■ Paměti (ROM, PROM, EPROM, NVRAM)
■ Disky
■ Magnetické Magnetooptické
■ Optické
■ Solid State
Bloková zařízení
■ Pásky
Lineární přístup
■ Sítě
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
19/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Permanentní ukládání dat
■ Paměti (ROM, PROM, EPROM, NVRAM)
■ Disky
■ Magnetické
■ Magnetooptické
■ Optické
■ Solid State
Bloková zařízení
■ Pásky
■ Lineární přístup
■ Sítě
■ Papír (kámen): trvanlivost!
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
19/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Komunikace s dalšími systémy
■ Počítačové sítě Drátové
■ Metalické/Elektrické
■ Optické
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
20/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Komunikace s dalšími systémy
■ Počítačové sítě Drátové
■ Metalické/Elektrické Optické
■ Bezdrátové
■ Radiové vlny
■ Optické
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
20/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Komunikace s dalšími systémy
■ Počítačové sítě
■ Drátové
■ MetaLické/ELektrické
■ Optické
■ Bezdrátové
■ Radiové vlny
■ Optické
■ Akustické
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
20/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Komunikace s dalšími systémy
■ Počítačové sítě
■ Drátové
■ Metalické/Elektrické
■ Optické
■ Bezdrátové
■ Radiové vlny
■ Optické
■ Akustické
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
20/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Speciální periferie
■ Virtuální realita
■ Brýle a helmy
■ 3D projekce a prostorový zvuk
■ Haptika (rukavice,...)
■ Detekce polohy a pohybu
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
21/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Speciální periferie
■ Virtuální realita
■ Brýle a helmy
■ 3D projekce a prostorový zvuk
■ Haptika (rukavice,...)
■ Detekce polohy a pohybu
■ Mobilní telefony, phablety a tablety
■ Wearable computers
■ loT
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
21/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Co je to počítač?
■ Standardní pohled:
■ Procesor(y)
■ Paměf
■ Periferie
■ Možné i jiné pohledy
■ Buněčné automaty
■ Neuronové počítače
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
22/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Paralelní systémy
■ Úzce propojené (tightly coupled)
■ Volně propojené (Loosely coupled)
■ Distribuované
■ Gridy
■ Cloudy
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
23/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Úzce propojené systémy
■ Často společná paměf
■ Minimální vliv vzdálenosti procesorů
■ Speciální propojení procesorů a pamětí
■ Vhodné pro tzv. jemný paralelismus
■ Typický výpočetní model: sdílená paměf (i kdyby byla pouze virtuální)
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
24/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Volně propojené systémy
■ Převážně distribuovaná paměf (každý procesor zvláši)
■ Vzdálenost procesoru může hrát roLi
■ Speciální propojení procesoru
■ Výrazně vyšší Latence (zpoždění) v meziprocesorové komunikaci (jednotky /xs a méně)
■ Existence operací remote put a remote get pro přístup do paměti vzdáleného procesoru
■ Typický výpočetní model: zasílání zpráv
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
25/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Distribuované systémy
■ Rozšíření předchozího modelu
■ Vždy distribuovaná pamef
■ Vzdálenost procesoru hraje významnou roli
■ Propojení procesoru často formou běžné LAN sítě
■ Vysoká Latence v meziprocesorové komunikaci (100/xs až jednotky ms)
■ Typický výpočetní model: zasílání zpráv
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
26/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Gridy
■ Systém distribuovaný po geograficky rozsáhlých prostorech (země, kontinent,...)
■ Propojeny samostatné počítače (včetně paralelních)
■ Propojení počítačů WAN sítí
■ Extrémně vysoká Latence v meziprocesorové komunikaci (desítky až stovky ms)
■ Prakticky jediný výpočetní model: zasílání zpráv
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
27/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Cloudy
■ Spíše způsob použití než (jen) technické řešení
■ Vysoká škáLovateLnost
■ implikuje paralelní/distribuovanou infrastrukturu
■ Přístup přes Internet
■ hardware „skrytý" před uživatelem
■ Nabízí od infrastruktury (virtuální servery) až po služby (Google docs)
■ Interně základ kombinace velkých výpočetních center a gridů
■ pro správce v podstatě stejné problémy
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
28/29
Technické prostředky
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Cloud computing
Cloud computing
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
29/29