Anatomy of a Computer; Computer Architecture

Πρόδρομοι της πληροφορικής

• ´Ανθρωπος: ο πρώτος υπολογιστής
• Το δεκαδικό (decimal) σύστημα και οι τέσσερεις πράξεις
• Ο αλγόριθμος του Ευκλείδη για το ΜΚΔ
• Μηχανικά βοηθήματα
  • Πέτρες
  • ´Αβακας
  • Ο αστρολάβος των Αντικηθύρων - διαφορικά γρανάζια
  • Αριθμομηχανές
    • Wilhelm Schickard (1592-1635)
      Συνεργάστηκε με τον Kepler, μηχανή που άθροιζε και πολλαπλασίαζε (σε πολλαπλά βήματα) αριθμούς έξι ψηφίων.
    • Blaise Pascal (1632-1662)
      Κατασκεύασε πάνω από 30 αθροιστικές μηχανές, η αφαίρεση γίνονταν με τη μέθοδο του συμπληρώματος.
    • Gottfried Leibniz (1646-1716)
      Προσπάθεια για πολλαπλασιασμό
• Αποθηκευμένα προγράμματα
  • Λατέρνες και μηχανικά πιάνα
  • Ελεγχόμενοι αργαλιοί (Jacquard 1805)
  • Η διαφορική μηχανή του Charles Babbage (1792-1871)
  • Η αναλυτική μηχανή του Charles Babbage
  • Διάτρητες κάρτες (punched cards) (Hollerith 1886)

Ο αλγόριθμος ΜΚΔ του Ευκλείδη

1. Διαιρούμε ακέραια το Α με το Β και έχουμε ένα υπόλοιπο Υ
2. Αν το Υ είναι 0 τότε ο Β είναι ο ΜΚΔ
3. Αν το Υ δεν είναι 0 τότε υπολογίζουμε ως ΜΚΔ τον ΜΚΔ του Β και Υ

Μηχανικός υπολογιστής του William von Schickard

Η διαφορική μηχανή του Charles Babbage

Η αναλυτική μηχανή του Charles Babbage

Διάτρητη κάρτα (1950)

Η βάση της διαφορικής μηχανής

Υπολογισμοί με πολυώνυμα

• Πολλές συναρτήσεις εκφράζονται ως πολυώνυμα
• cos(x) = 1 - x²/2! + x⁴/4! - x⁶/6! + ... + (-1)^r*x^(2*r)/(2*r)!
• ln(1 + x) = x - x²/2 + x³/3 - x⁴/4 + ... + (-1)^(r+1)*x^r/r
• Πολυώνυμα βαθμού ν έχουν σταθερές διαφορές τάξεως ν

f(x) = x²

1
     3
4         2
     5
9         2
     7
16        2
     9
25        2
     11
36

f(x) = 3x² + 2x + 5

10
     11
21        6
     17
38        6
     23
61        6
     29
90

Το παράδειγμα με τα ρολόγια

Clock A      Clock B      Clock C
1            3            2
+3           +2
4            5            2
+5           +2
9            7            2
+7           +2
16           9            2

Ακαδημαϊκές προσπάθειες Η/Υ

• Colossus Mark I (1943) Σχεδιασμένο για την εκτέλεση λογικών πράξεων
• Harvard Mark I 1944 (relay computer)
• ENIAC (1946-1955) Mauchly και Eckert - Moore School of Electrical Engineering, University of Pensylvania
• EDVAC (1946, Cambridge) και EDSAC (1949, Moore School) Αποθηκευμένο πρόγραμμα
• Πανεπιστήμιο του Machester (1949)
• Whirlwind (1950) Έργο για λογαριασμό του αμερικανικού ναυτικού. Οθόνη CRT, 20000 εντολές / δευτερόλεπτο.

Colossus Mark I (1943)

Ο πίνακας οργάνων του υπολογιστή Whirlwind (1947)

Πρώτοι εμπορικοί Η/Υ

• IBM
  • Σειρά 600 (1935) - "multiplying punch" - προγραμματισμός με πλακέτες
  • SSEC (ηλεκτρομηχανικό: 13000 λυχνίες, 23000 ρελέ) (1948)
  • Σειρά 700 (1952) (ενοικίαση προς $1500/ μήνα) - FORTRAN
• UNIVAC (Eckert/Mauchly 1950)
• Raytheon και Honeywell
• RCA
• Burroughs

Θεωρητικό υπόβαθρο

• Kurt Goedel. On Formally Undecidable Propositions in Principia Mathematica and Related Systems (1931).
• Alan M. Turing. On Computable Numbers with an Application to the Entscheidungsproblem (1936)
• Norbert Wiener. Cybernetics: The study of control and communication in the animal and the machine (1947)
• C. E. Shannon. The Mathematical Theory of Communication (1948)

Τεχνολογική εξέλιξη

• Πρώτη γενεά (generation) -1950: Λυχνίες
• Δεύτερη γενεά -1960: Τρανζίστορ, ταινίες, τύμπανα, μνήμη φερριτικού πυρήνα
• Τρίτη γενεά 1965-: Πρώτα ολοκληρωμένα κυκλώματα (integrated circuits), οικογένειες υπολογιστών
• Τέταρτη γενεά 1970-: LSI (ολοκληρωμένα κυκλώματα υψηλής ολοκλήρωσης (large scale integrated circuits))
• Πέμπτη γενεά 1980-: VLSI (ολοκληρωμένα κυκλώματα υπερύψηλης ολοκλήρωσης (very large scale integrated circuits))

• λυχνία,
• τρανζίστορ,
• μνήμες EPROM TTL, επεξεργαστές (1980),
• επεξεργαστής και άρθρωμα μνήμης RAM 1995

Μνήμη φερριτικού πυρήνα

Λογικό κύκλωμα με λυχνία (IBM Pluggable Units - 1950)

Λογικό κύκλωμα με τρανζίστορ (1960)

Τεχνολογία ημιαγωγών

• Το πυρίτιο (silicon) (Si)
• Si n (περίσσεια e) με προσθήκη P, As, Sb
• Si p (έλλειμμα e) με προσθήκη B, Al, Ga
• SiO2 (κακός αγωγός)
• Τεχνολογία N-MOS
  
• Βασικά στοιχεία κατασκευής ολoκληρωμένων κυκλωμάτων
  • Ανάπτυξη κρυστάλων Si
  • Κοπή δίσκων
  • Κατασκευή με φωτολιθογραφία
    • Διάχυση p
    • Οξείδωση SiO2
    • Επίστρωση πολυπυριτίου
    • Φωτολιθογραφία και απόξεση για εμφάνιση του Si p
    • Διάχυση n
    • Απόθεση SiO2 για μόνωση
    • Φωτολιθογραφία και απόξεση
    • Απόθεση Al για δημιουργία συνδέσεων
    • Φωτολιθογραφία και απόξεση Al
  • Κοπή και συσκευασία

Ο επεξεργαστής 750 της αρχιτεκτονικής IBM Power PC υλοποιημένος με την τεχνολογία χαλκού CMOS 7S

Πυρίτιο σε γερμάνιο (τομή)

Κύκλωμα κατασκευασμένο με την τεχνολογία πυριτίου σε μονωτικό υλικό (silicon on insulator (SOI)) σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο

Οι εικόνες προέρχονται από τον τόπο IBM Microelectronics Gallery (http://www.chips.ibm.com/gallery/index.html).

Δομικά στοιχεία

• Λογικές πύλες
• Αθροιστές
• Αριθμητική και λογική μονάδα
• Δισταθή κυκλώματα
• Τεχνολογίες μνήμης
• Μικροεπεξεργαστές

Λογικές πύλες

• Πύλη άρνησης (NOT) Y = !A

  

  A	Y
  0	1
  1	0

• Πύλη σύζευξης (AND) Y = A && B

  

  A	B	Y
  0	0	0
  0	1	0
  1	0	0
  1	1	1

• Πύλη διάζευξης (OR) Y = A || B

  

  A	B	Y
  0	0	0
  0	1	1
  1	0	1
  1	1	1

• Πύλη αποκλειστικής διάζευξης (XOR) Y = A ^ B

  

  A	B	Y
  0	0	0
  0	1	1
  1	0	1
  1	1	0

Αθροιστές

• Απλός αθροιστής (adder)
  
  

  A	B	Σ	C
  0	0	0	0
  0	1	1	0
  1	0	1	0
  1	1	0	1

• Αθροιστής με κρατούμενο ή πλήρης αθροιστής (full adder)
  
  

  C0	A	B	Σ	C1
  0	0	0	0	0
  0	0	1	1	0
  0	1	0	1	0
  0	1	1	0	1
  1	0	0	1	0
  1	0	1	0	1
  1	1	0	0	1
  1	1	1	1	1

• Σύνδεση αθροιστών
  
  Σ = Α + Β (Στην πράξη το κρατούμενο υπολογίζεται παράλληλα με το αποτέλεσμα).

Αριθμητική και λογική μονάδα

• Τελεστές
• Πράξη π.χ. 74ALS381:
  • A - B
  • B - A
  • A + B
  • A ^ B
  • A | B
  • A & B

Υλοποίηση της ALU 74AS181

Δομή ενός υπολογιστή

• Επεξεργαστής (Processor)
• Κύρια μνήμη (main memory)
• Συσκευές εισόδου εξόδου (Input output devices)
• Δίαυλος (Bus)

Κεντρική μονάδα επεξεργασίας

• Μονάδα αριθμητικής και λογικής (Arithmetic and logical unit) (ΜΑΛ)
• Γενικοί καταχωρητές (registers) (ΓΚι)
• Μετρητής προγράμματος (Program counter) (ΜΠ (PC))
• Καταχωρητής διεύθυνσης μνήμης (Memory address register) (ΚΔιΜ (MAR))
• Καταχωρητής δεδομένων μνήμης (Memory data register) (ΚΔεΜ (MDR))
• Καταχωρητής εντολής (Instruction register) (ΚΕ (IR))
• Μονάδα ελέγχου (Control unit) (ΜΕ)

O κύκλος εντολών

1. Ανάκληση εντολής (Instruction fetch)
2. Αποκωδικοποίηση εντολής (Instruction decode)
3. Εκτέλεση εντολής (Instruction execution)
4. Πρόσβαση μνήμης (Memory access)
5. Εγγραφή

Κύρια μνήμη

• Κρυφή μνήμη (Cache memory)
• Κύρια μνήμη
• Ιδεατή μνήμη (Virtual memory)

Περιφερειακή μνήμη

• Μαγνητικοί δίσκοι
• Δισκέτες
• CD-ROM
• DVD
• Μαγνητο-οπτικοί δίσκοι
• Μαγνητικές ταινίες
• Μονάδες αυτοματοποιημένης εναλλαγής μέσων

Μονάδα ταινίας

Συσκευές εισόδου

• Πληκτρολόγιο (keyboard)
• Ποντίκι (mouse)
• Ψηφιοποιητής (digitizer)
• Αναλογικός-ψηφιακός μετατροπέας (Analog to digital converter)
• Σαρωτής (scanner)
• Ψηφιακή κάμερα

Συσκευές εξόδου

• Οθόνη (screen)
• Εκτυπωτές (printers)
  • Ακίδων
  • Γραμμής
  • LASER
  • Εκτοξευτή μελάνης
• Σχεδιογράφος (Plotter)
• Ψηφιακός-αναλογικός μετατροπέας (Digital to analog converter)

Σχεδιογράφος

Συσκευές επικοινωνίας

• Διαμορφωτής / αποδιαμορφωτής (MODEM)
• Σύνδεση με ISDN
• Ευρυζωνική σύνδεση (xDSL)
• Σύνδεση με δίκτυο Ethernet
• Σύνδεση με δίκτυο οπτικής ίνας
• Ασύρματη σύνδεση

Τερματισμός οπτικών ινών

Η επιστήμη της πληροφορικής

• Υλικό
  • Λογικά κυκλώματα και μνήμες
  • Επικοινωνίες και μονάδες εισόδου / εξόδου
  • Ολοκληρωμένα κυκλώματα
• Οργάνωση συστημάτων
  • Αρχιτεκτονικές επεξεργαστών
  • Δίκτυα
  • Απόδοση
• Λογισμικό
  • Προγραμματισμός
  • Τεχνολογία λογισμικού
  • Λειτουργικά συστήματα
• Δεδομένα
  • Δομές δεδομένων
  • Θεωρία κωδικοποίησης και πληροφορίας
  • Αρχεία
• Θεωρία υπολογιστών
  • Υπολογισμοί από αφηρημένες μηχανές
  • Ανάλυση αλγορίθμων
  • Λογική και ερμηνεία προγραμμάτων
  • Μαθηματική λογική και φορμαλιστικές γλώσσες
• Μαθηματικά της πληροφορικής
  • Αριθμητική ανάλυση
  • Διακριτά μαθηματικά
  • Πιθανότητες και στατιστική
  • Μαθηματικό λογισμικό
• Πληροφοριακά συστήματα
  • Αρχές και μοντέλα
  • Διαχείριση βάσεων δεδομένων
  • Αποθήκευση και ανάκτηση πληροφοριών
  • Εφαρμογές
  • Επικοινωνία με τον άνθρωπο
• Μεθοδολογίες πληροφορικής
  • Αλγεβρική επεξεργασία
  • Τεχνητή νοημοσύνη
  • Γραφικά
  • Επεξεργασία εικόνας
  • Επεξεργασία σημάτων
  • Προσομοίωση και μοντελοποίηση
  • Επεξεργασία κειμένου
• Εφαρμογές
  • Γραφείου
  • Φυσικών επιστημών και μηχανικού
  • Βιολογικών και ιατρικών επιστημών
  • Κοινωνικών και ψυχολογικών επιστημών
  • Τέχνης και ανθρωπιστικών επιστημών
  • Σχεδιασμός με υπολογιστή
• Πληροφορική και κοινωνία
  • Η βιομηχανία υπολογιστών
  • Ιστορία της πληροφορικής
  • Πληροφορική και εκπαίδευση
  • Πληροφορική και κοινωνία
  • Νομικές διαστάσεις
  • Το επάγγελμα του επιστήμονα πληροφορικής

(Βασισμένο στο σύστημα ταξινόμησης ACM Computing Reviews.)

Βιβλιογραφία

• J. Glenn Brookshear. Computer Science, pages 1–15, 28–33, 73–108. Addison-Wesley, 8th edition, 2004.

• IEEE Computer, July 1985.

• Aaron Finerman. The CR classification system. ACM Computing Reviews, pages 4–19, January 1992.

• John L. Hennessy and David A. Patterson. Computer Architecture: A Quantitative Approach. Morgan Kaufmann Publishers, 1990.

• Roger Hunt and John Shelley. Computers and Common Sense. Prentice Hall, fourth edition, 1988.

• IEEE annals of the history of computing. Published by the Institute of Electrical and Electronics Engineers Computer Society.

• J.A.N. Lee. Computer pioneers. IEEE Computer Society Press, 1995.

• Brian Randell. The Origins of Digital Computers. Springer Verlag, Berlin, 1973.

• Eric Raymond. The New Hacker's Dictionary. MIT Press, 1991.

• Saul Rosen. Electronic computers: A historical survey. ACM Computing Surveys, 1(1):7–36, March 1969.

• Richard L. Sites. Alpha AXP architecture. Communications of the ACM, 36(2):33–44, February 1993.

• Joseph Weizenbaum. Computer Power and Human Reason. Pelican books, 1984.

• Michael A. Williams. A History of Computing Technology. IEEE Computer Society Press, 1997.

Γενικές πηγές στο διαδίκτυο

• ACM - Association for Computing Machinery (http://www.acm.org)
• IEEE Computer Society (http://www.computer.org/)
• USENIX - The Advanced Computing Systems Association (http://www.usenix.org)
• Slashdot - News for nerds, stuff that matters (http://slashdot.org/)

Πηγές στο διαδίκτυο

• Computer History Museum (http://www.computerhistory.org/)
• Timeline of Computing History (http://www.computer.org/computer/timeline/)
• The Virtual Museum of Computing (http://vmoc.museophile.org/)
• State of the Art: A Photographic History of the Integrated Circuit (http://smithsonianchips.si.edu/augarten/index.htm)
• LEGO Logic Gates (http://goldfish.ikaruga.co.uk/logic.html)

• Contents

 Last change: Friday, January 7, 2005 9:34 am
 Unless otherwise expressly stated, all original material on this page created by Diomidis Spinellis is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Greece License.