Architektúrák és operációs rendszerek: Bevezetés - Történelem

Átírás

1 Architektúrák és operációs rendszerek: Balogh Ádám Lőrentey Károly Eötvös Loránd Tudományegyetem Informatikai Kar Algoritmusok és Alkalmazásaik Tanszék

2 Tartalomjegyzék Bevezetés A számológépek története Korai számítógépek Elektroncsöves gépek (1. generáció) Tranzisztoros gépek (2. generáció) Integrált áramkörök (3. generáció) A mikroprocesszor (4. generáció) A jövő számítógépei 2. oldal

3 A tárgy előadói Balogh Ádám Lőrentey Károly ELTE Informatikai Kar, Algoritmusok és Alkalmazásaik Tanszék Déli tömb, 2. emelet, es szoba Telefon: / Honlap: 3. oldal

4 Számonkérés módja Félév végi kollokvium az előadás anyagából Kétlépcsős vizsgák Kötelező beugróvizsga számítógépes teszt kitöltésével Sikeres beugró után (nem kötelező) szóbeli vizsga A beugrón maximum közepes kapható Szóbeli tételsor a félév vége előtt kerül kihirdetésre Gyakorlati jegy Két zárthelyi, negyedév és félév végén Részletek a gyakorlatvezetőktől 4. oldal

5 A tárgy témakörei Számítógép-történet Operációs rendszerek Mechanikus számológépek Korai számítógépek 2. vh utáni generációk Számítógépek felépítése Neumann-architektúra Adatreprezentáció Logikai kapuk Mikroprocesszor, utasításkészlet Időosztás, folyamatok, ütemezés Memóriakezelés, lapozás Fájlrendszerek Számítógép-perifériák működése Mágneses-, optikai és félvezető adattárolók Megjelenítők, nyomtatók Beviteli eszközök Hálózati eszközök 5. oldal

6 Segédanyagok A tárgy honlapja: Az előadások teljes anyaga felkerül a honlapra 6. oldal

7 Magyar nyelvű szakirodalom Andrew S. Tanenbaum: Számítógép-architektúrák Panem, Budapest, oldal

8 Magyar nyelvű szakirodalom Andrew S. TanenbaumAlbert S. Woodhull: Operációs rendszerek Panem-Prentice Hall oldal

9 Magyar nyelvű szakirodalom Bakos Tamás Zsadányi Pál Operációs Rendszerek LSI oktatóközpont Knapp Gábor Operációs Rendszerek LSI oktatóközpont Horváth Gábor Bepillantás az operációs rendszerek világába LSI oktatóközpont 9. oldal

10 Idegen nyelvű szakirodalom Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne: Operating System Concepts. Sixth edition, Wiley Text Books, Andrew S. Tanenbaum: Modern Operating Systems. Second edition, Prentice Hall, oldal

11 Rendszerspecifikus szakirodalom Robert Love: Linux Kernel Development. Second edition, Novell Press, Daniel P. Bovet, Marco Cesati: Understanding the Linux Kernel. O Reilly, David A. Solmon, Mark E. Russinovich: Inside Microsoft Windows Microsoft Press, David D. Miller: OpenVMS Operating System Concepts. Second Edition. Digital Press, Frank G. Soltis: Inside the AS/400. Duke Press, 1996 John Murray: Inside Microsoft Windows CE. Microsoft Press, oldal

12 Tartalomjegyzék Bevezetés A számológépek története Korai számítógépek Elektroncsöves gépek (1. generáció) Tranzisztoros gépek (2. generáció) Integrált áramkörök (3. generáció) A mikroprocesszor (4. generáció) A jövő számítógépei 12. oldal

13 Abakuszok Kr.e. 2400, Babilóniai birodalom Világszerte használatban volt, a maja birodalomtól Kínáig Összeadás/kivonás mellett szorzás/osztásra, sőt, négyzet- és köbgyök számolásra is kitaláltak módszereket Kínában, volt szovjet tagállamokban ma is használják máshol gyakran iskolai szemléltető eszköz 13. oldal

14 A tízes számrendszer Abu Ja'far Muhammad ibn Mûsâ Al-Khwârizmî 9. századi perzsa matematikus Könyvében leírta a számítási műveletek szabályait A szerző nevéből az algoritmus, könyvének címéből az algebra szavunk ered Kitâb al-jabr wa'l-mukâbala Európába a könyv a 12. század közepén jut el A hinduktól átvéve bevezeti a nulla helyiérték fogalmát Arab számjegyek Nem használt szimbolikus változókat, inkább lépésenkénti leírást (algoritmust) adott 14. oldal

15 Algoritmus Algoritmus: olyan véges szabályhalmaz, mely könnyen végrehajtható lépésekre bontja írja elő valamely feladat megoldásának egy pontos módszerét Informális definíció Babilóniai ékírásos agyagtáblákon számtalan algoritmikus feladatmegoldó recept maradt ránk (kifejezések kiszámítása) Általában elvárjuk, hogy az algoritmus véges számú lépés után befejeződjön Az egyes szabályok (utasítások) legyenek egyszerűek, világosak, egyértelműen meghatározottak Legyenek akár papír-ceruzával is könnyen végrehajthatóak A végrehajtáshoz ne legyen szükség intuícióra Szabatos formális definíció: 20. század első fele (Turing, Church) 15. oldal

16 Napier-csontok John Napier ( ), skót matematikus A szorzás műveletének leegyszerűsítése Az iskolában tanult szorzási algoritmusunk részeredményeinek gépies előállítására alkalmas Ügyes kiegészítésekkel az osztást és a négyzetgyökvonást is megkönnyíti 16. oldal

17 Logaritmus 1614: logaritmusfüggvény feltalálása Joost Bürgi ( ), svájci órásmester John Napier: természetes logaritmus y logb(x) = y, ha b = x A szorzás és osztás a logaritmusfüggvénnyel összeadásra és kivonásra vezethető vissza log(xy) = log(x) + log(y) log(x/y) = log(x) log(y) y Ha könnyen tudunk logb(x)-t és b -t számolni, a szorzás/osztás is könnyen megy 17. oldal

18 Függvénytáblázatok Kézenfekvő megoldás a függvénytáblázatok használata A köztes számok függvényértékeit interpolációval kaphatjuk meg, a táblázat ezt is segíti Már a babilóniaiak is készítettek reciproktáblázatokat, sőt trigonometrikus függvénytáblák is fennmaradtak Az elektronikus számológép megjelenéséig általános használatban maradtak Elkészítésük óriási erőfeszítésbe került Kézi számolás, sokszor évekig tartó aprólékos munka Sok hiba (Vlacq 1628-as tízjegyű táblázatában pl. 603) Számolási hibák, másolási hibák, nyomdahibák A táblázatkészítés automatizálása a számítógépek feltalálásának jelentős motivációja volt 18. oldal

19 A logarléc Megfigyelés: két vonalzó segítségével hosszúságokat könnyen tudunk összeadni ill. kivonni Az egyik mennyiséghez hozzámérjük a másikat 1622: a logarléc feltalálása William Oughtred ( ), Cambridge Logaritmikus beosztású vonalzók A csúsztatással szorozni, osztani lehet Közelítő számítások elvégzésére használható Analóg eszköz, nem digitális! Max. három tizedesjegy pontosságig (25cm: kb. 1% pontosság) Mérnöki számításokhoz ideális eszköz Az 1970-es évekig általános használatban maradt A mérnöki hivatás jellegzetes szimbóluma volt Középiskolákban is tanították használatát 19. oldal

20 A logarléc 20. oldal

21 Wilhelm Schickard , Tübingen Csillagászat, matematika és héber nyelv professzora 1623: számoló óra Hatjegyű számokkal dolgozó mechanikus összeadó- és kivonó gép A túlcsordulást csengő jelezte Tervei a 20. századig elvesztek, csak 1960-ban készült működő replika 21. oldal

22 Blaise Pascal , francia matematikus, fizikus 18 évesen kezdi tervezni mechanikus számológépét Édesapja adóhivatalnoki munkája megkönnyítésére 1645-ben készül el Ötjegyű összeadás, kivonás 1652-ig több, mint 50 gépet készített Nyolc számjegyig Nem lett kereskedelmi sikere A gép decimális volt, de a pénzrendszer vegyes számrendszerű 22. oldal

23 Gottfried Wilhelm von Leibniz , német tudós 1679: bináris aritmetika Kettes alapú számrendszer, aritmetikai műveletek 1672: mechanikus számológép Összeadás, kivonás, szorzás, osztás, sőt gyökvonás Szimbólum-manipuláló gépről álmodik, amivel matematikai állítások igazságát automatikusan eldönthetné Élete hátralévő részében sokat foglalkozik egy univerzális formális nyelv megalkotásán, melyet a gép előfeltételének tart Ezt az ötletet az 1920-as években David Hilbert veszi elő ismét 23. oldal

24 Charles-Xavier Thomas de Colvar 1820 Arithrométre Első üzletileg is sikeres mechanikus számológép Első 50 évben 1500 darabot gyártottak A különféle mechanikus számológépek az 1970-es évekig általános alkalmazásban maradtak 24. oldal

25 Bütyköstárcsás számológépek 1874 Willgodt T. Odhner, orosz feltaláló Legnépszerűbb mechanikus számológép 1970-es évekig több tucat cég gyártotta szerte a világon 25. oldal

26 A Curta hordozható számológép Curt Herzstark, a buchenwaldi koncentrációs táborban Leibniz számológépének leszármazottja Nagyon elegáns, kompakt megoldás ig gyártották, össz db Négy alapművelet 26. oldal

27 Elektronikus számológépek 1970: Első elemes kézi számológépek Jobbra: Sharp QT-8B Négy alapművelet Fluoreszcens kijelző Közel 500 $ 1972: Első tudományos zsebszámológép: HP-35 Gyökvonás, logaritmus, trigonometrikus függvények Fordított lengyel jelölés Logarléc-helyettesítő LED kijelző, 395 $ 27. oldal

28 Tartalomjegyzék Bevezetés A számológépek története Korai számítógépek Elektroncsöves gépek (1. generáció) Tranzisztoros gépek (2. generáció) Integrált áramkörök (3. generáció) A mikroprocesszor (4. generáció) A jövő számítógépei 28. oldal

29 Joseph Marie Jacquard , francia feltaláló 1801: lyukkártya vezérlésű szövőgép A szövőgép szerkezetének átépítése nélkül megváltoztatható az előállított minta Programozható szerkezet Selyemszövő iparosok a kiállított gépet elpusztították 1812-re Jacquard-rendszerű szövőszék működik Franciaországban, a selyemszövők tiltakozása ellenére A lyukkártyás vezérlés ötletét hamarosan széles körben átvették (zenegépek, adatfeldolgozás) 29. oldal

30 A Jacquard-szövőszék 30. oldal

31 Charles Babbage , angol feltaláló és matematikus A modern számítógépek ősatyja Általános célú mechanikus számítógépet tervezett Kriptográfiai eredmények Vigenère-kódolás feltörése a Brit hadsereg nagy örömére 31. oldal

32 Babbage differencia gépei Hibamentes függvénytáblázatok készítésére Speciális célú gép, csak egyetlen célra alkalmazható Polinomok behelyettesítéseinek kiszámolása Bármely folytonos függvény közelíthető polinommal A gép nyomdakész(!) táblázatokat állít elő rézlemezre préselve A kézi másolásból fakadó és a tipográfiai hibákat is kizárja 1828: kész tervek, állami támogatás Joseph Clement mérnököt fogadja fel a megépítésre Specializált céleszközök, új technikák Az építés 1834-ben leáll Pénzügyi nehézségek Babbage és Clement közti viták 32. oldal

33 Babbage differencia gépei : második számú differencia gép Az Analitikus Gép tapasztalatai alapján Elegáns új tervek, harmadannyi alkatrész Babbage nem próbálta elkészíteni, inkább az AG-n dolgozott Hatodfokú polinomok, 31 jegy pontosság 1855: első működő differencia gép Párizsi világkiállítás, Per Georg Scheutz, svéd feltaláló Babbage gépei alapján, de Babbage nélkül A brit & az amerikai kormányzat vett belőle Harmadfokú polinomok, 15 jegy pontosság Különféle differencia gépeket a 1940-es évekig használtak táblázatok automatikus előállítására 33. oldal

34 Babbage differencia gépei 1991: Babbage születésének 200. évfordulójára megépül az első működő második számú differencia gép A londoni Science Museum munkatársai, Babbage eredeti tervei szerint, korabeli tűréshatárú alkatrészekkel 2.6 tonna, 4000 alkatrész, dupla ruhásszekrény méret A gép hibátlanul működik (gyönyörű klattyogó hangja van) 34. oldal

35 Az Analitikus Gép Babbage 1837-től haláláig (1871) dolgozott rajta Gőzgéppel hajtott mechanikus számítógép 30 méter hosszú, 10 méter széles Lyukkártyás adat- és programbevitel Kimeneti eszközök: nyomtató, görberajzoló, kártyalyukasztó és csengő Tízes alapú, fixpontos számábrázolás Memória: 1000 db. 50 jegyű szám Malom (aritmetikai egység): a négy alapművelet A kódolás a modern gépi kódra emlékeztet Soha nem épült meg, csak részegységei 35. oldal

36 Az Analitikus Gép Fennmaradt részek: 36. oldal

37 Ada Lovelace , Lord Byron lánya Nem ismerte apját : Babbage kérésére lefordítja Luigi Menabrea jegyzetét az Analitikus Gépről Saját feljegyzéseivel egészíti ki Az utolsó feljegyzésben megtaláljuk a világ legelső számítógép-programját ún. Bernoulli-számok előállítására Adát a világ első programozójaként tartják számon Tiszteletére: Ada programozási nyelv MIL-STD oldal

38 Herman Hollerith , amerikai statisztikus USA népszámlálás Az alkotmány előírja a tízévenkénti adatgyűjtést Az 1880-as adatok kézi feldolgozása még 1890-ben is zajlott Hollerith lyukkártyás adatfeldolgozást javasol Jacquard szövőszéke mintájára 1890-as népszámlálás során 65 millió ember adatait gyűjtik össze Átütő siker: tíz év helyett egyetlen hónap elegendő a feldolgozásra 38. oldal

39 Az 1890-es USA cenzus Hollerith-gépei 39. oldal

40 Herman Hollerith és a lyukkártyák 1896: Tabulating Machine Corporation Mai nevén International Business Machines (IBM) További találmányok: 1900-as népszavazás: automatikus kártyabetöltő mechanizmus Billentyűzetről működtetett kártyalyukasztó gépek Gyakorlott operátorok óránként kártyát is lyukasztottak 1906, Type I Tabulator: huzalozótábla, a programozhatóság kezdetei A modern adatfeldolgozás-ipar megalapítása 40. oldal

41 Lyukkártyák 1928: nyolcvan karakteres lyukkártyák Hamar elterjedtek az egész világon Egészen az 1980-as évekig általános használatban maradtak Az USA-ban szavazatszámlálásra ma is használják (lásd 2000-es elnökválasztás) A 80 oszlopos szabványos kártyaszélesség napjaink gépeire is hatással van IBM PC szöveges üzemmód: 80x25 karakteres képernyőméret 41. oldal

42 Lyukkártya mm széles, 82.55mm magas (7.75''x3.25'') A fenti kártyán, balról jobbra: betűk (A-Z), számjegyek (0-9) és speciális szimbólumok oldal

43 Lyukkártya-táska (1960-as évek) 2000 kártya, 6.6 kg, 20 KiB oldal

44 IBM 029 kártyalyukasztó berendezés 1964, IBM 360-as rendszerhez A kártyán lévő adatokat a kártya felső sorában olvasható formában kinyomtatta 44. oldal

45 Kártyaolvasó berendezés Tipikusan 1000 kártya percenként 45. oldal

46 Alan Turing , brit matematikus A számítástudomány egyik atyja Turing-gépek Megállási probléma Church-Turing tézis, Turing-teljesség Világháborús kódfeltörő tevékenység Bletchley park Enigma és Fish kódok feltörése Európai háború jelentős megrövidítése (akár egy évvel) Mesterséges intelligencia Turing-teszt Első sakkprogram, gép híján papíron végrehajtva 46. oldal

47 1936: Turing-gépek Egyszerűen leírható absztrakt gépek A cél nem a gyakorlati megépítés, hanem a gép működésének matematikai kezelhetősége Szalag, író-olvasó fej, rögzített vezérlő program A program az aktuálisan beolvasott jel és az aktuális állapot alapján dönti el, hogy milyen irányba mozduljon a fej, mi kerüljön a beolvasott jel helyére a szalagon, és mi legyen az új állapot. 47. oldal

48 1936: Turing-gépek Mozgatható író-olvasó fej S Végtelen hosszúságú szalag Program: 1. (S, 0) (V, 1, balra) 2. (S, 1) (A, 0, balra) 3. (A, 0) (V, 1, balra) 4. (A, 1) (A, 0, balra) 5. (A, üres) (V, 1, balra) 6. (V, bármi) stop 7. (bármi, üres) stop 1. lépés A lépés A lépés V oldal

49 1936: Turing-gépek Univerzális Turing-gép Konstruálható olyan Turing-gép, mely bármely Turing-gép működését szimulálni tudja, önmagát beleértve Church-Turing tézis: Senki sem talált olyan algoritmust, amit ne lehetne Turinggépekre is átfogalmazni C-T tézis: Bármely algoritmus elvégezhető Univerzális Turing-géppel Egy gép Turing-teljes, ha kiszámítható feladatainak köre ekvivalens egy Univerzális Turing-géppel Babbage analitikus gépe Turing-teljes lett volna Napjaink számítógépei (a potenciálisan végtelen tárolási kapacitástól eltekintve) mind Turing-teljesek Az algoritmus fogalmának formális definíciója 49. oldal

50 1936: Turing-gépek Vajon minden problémára találhatunk-e megoldó algoritmust? Church, Turing, 1936: Nem; egyes feladatok kiszámíthatatlanok Megállási probléma: adott egy program, döntsük el, hogy véges idő alatt lefut-e, vagy sohasem fog megállni A megállási problémára nem létezhet általános megoldó algoritmus 50. oldal

51 Konrad Zuse , német mérnök 1935 Technische Universität Berlin Tanulmányai közben untatták a kézi számítások , első (kísérleti) modell: Z1 Felmondott állásából, hogy építeni kezdje szülei nappalijában alkatrész (kézzel vágott fémlemezek, nem relék) 1000 wattos elektromotor, 500 kg 64x22 bit memória, lebegőpontos számolóegység ( bit) 1 Hz; egy szorzás kb. 5 másodpercig tartott A mai számítógépek szinte valamennyi jellemzője felismerhető benne Nem elég megbízható konstrukció A gép Berlin 1943-as bombázásakor a tervekkel együtt teljesen megsemmisült 51. oldal

52 Zuse és az újjáépített Z1 (1989) oldal

53 A Z1 közelről oldal

54 1939, második modell: Z2 A Z1 megbízhatatlannak bizonyult Túl bonyolult konstrukció A fémlemezes mechanika nem vált be Z2: második kísérleti modell Relés aritmetikai egység (200 relé) 16x16 bites fémlemezes memória A Z1-nél kisebb tudású prototípus, a relé-technika kipróbálására A második világháború alatt ez is megsemmisült 54. oldal

55 Kitérő: jelfogók (relék) Joseph Henry, 1835 Független elektromos áramkör által vezérelt elektromos kapcsolók Normálállapotban a vezérelt áramkör bontott vagy zárt állapotú egyaránt lehet A kapcsolókörra adott feszültség hatására a relében lévő elektromágnes mechanikusan kapcsolja a vezérelt kapcsolót Egyszerű, könnyen érthető elektromechanikus szerkezetek 55. oldal

56 Kitérő: jelfogók (relék) 56. oldal

57 Kitérő: jelfogók (relék) 57. oldal

58 Kitérő: jelfogók (relék) A vezérlő és a vezérelt áramkör között nincs elektromos kapcsolat Kisfeszültséggel lehet nagyfeszültséget vezérelni Millió gyakorlati alkalmazás: erősáramú kapcsolók, gyújtásindítók, modemek,... Egy újabb tekercs hozzáadásával kétállású kapcsolót kapunk Egy bit tárolására alkalmas Claude Shannon, 1937, MIT: Relék segítségével bármely bináris algebrai függvény kiszámolható Shannon disszertációja óriási figyelmet keltett Hátrányok: Lassú kapcsolási idő, mozgó alkatrészek, nagy méret 58. oldal

59 Vissza Zuséhez: A Z3 1941, Z3: A világ első működő programvezérelt számítógépe Bináris számábrázolás (a siker egyik titka) Az első Turing-teljes számítógép Végtelen tárkapacitást feltételezve Nem tárolt programú Túl kicsi memória Lyukszalag-vezérelt (lyukasztott film) Praktikus, jól használható utasításkészlet Mérnöki számításokhoz tervezve Feltételes ugró utasítások hiányoztak Egyszerű lett volna megvalósítani Az kiszámítani kívánt feladatokhoz nem volt rá szükség 59. oldal

60 Az újjáépített Z3 (196x) oldal

61 A Z3 paraméterei 600 relés aritmetikai egység 5-10 Hz Szorzás 16, osztás 18 ciklusban (3mp) Összeadás 3 ciklusban (0.7 mp) 64x22 bites memória (1400 relé) 4000 watt, 1000 kg Szárnyfelület-tervek számolására használták Az eredeti példány 1944-ben elpusztult A háború után Zuse sikeres céget alapított Zuse KG, 1969-ig több mint 200 számítógépet adtak el Z4, Z5, Z11, Z22, Z23, oldal

62 Konrad Zuse Zuse a világtól elszigetelve alkotta meg gépeit Kortárs fejlesztésektől függetlenül Eredményeit nem publikálta A későbbi fejlesztésekre nem volt hatással 1950-ig Németországon kívül szinte egyáltalán nem ismerték A német kormányzat kevéssé támogatta a fejlesztést További érdekes fejlesztések 1937: Szabadalmi beadvány tárolt programú gépekre 1945: Plankalkül Az első magasszintű programozási nyelv 1971-ig nem publikált, 2000-ig nem implementált Történeti érdekesség, gyakorlati hatása nulla 1949: Első pipeline technikát használó számítógép 62. oldal

63 USA: Harvard Mark I IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC) Tervező: Howard H. Aiken, Harvard University Inspiráció: Babbage Analitikus Gépe Az építése 1939-ben indult, 1944-ben ért véget Korlátozott tudású elektromechanikus, relés számítógép alkatrész, 16m x 2.4m x 60cm, 4500 kg Tárolókapacitás: 72 db 23 jegyű decimális szám Az utasításokat lyukszalagról olvasta Ugró utasítások hiányoztak Ciklusok: a szalag végeinek összeragasztásával Nem Turing-teljes! Másodercenként három összeadás/kivonás Szorzás: 6mp, osztás: 15mp, trigonometrikus fv-k: több mint 1 perc! 63. oldal

64 USA: Harvard Mark I oldal

65 Nagy-Britannia: Bletchley park Bletchley park Brit kódfeltörő központ Eredményei a radarral és az atombombával összemérhető hatással voltak a háború kimenetelére szeptember 16., 16: oldal

66 Bletchley park: Az Enigma Enigma: hordozható elektromechanikus kódoló/dekódoló szerkezet 1920-as évektől gyártják Német katonaság, 2. világháború Írógépformájú, kényelmesen használható A kódolt üzeneteket rádión továbbították 3-8 forgó rotor belső huzalozása más-más permutációt végez az ábécén A rotorok helyzete az egyes billentyűlenyomások után megváltozik A billentyűk lenyomásakor a rotorokon keresztül zárul az áramkör, és felvillan a helyettesítendő betű képe Különböző további alkatrészekkel bonyolították a működést szeptember 16., 16: oldal

67 Bletchley park: Az Enigma feltörése 1940: Bombe (Alan Turing, Gordon Welchman) Lengyel kriptológusok munkájából kiindulva Elektromechanikus, speciális, csak egyetlen célra használható szerkezet Az Enigma összes kombinációját hat óra alatt végigpróbálta Egyszerű logikai levezetéssel a lehetőségek elsöprő többségét automatikusan kizárta A fennmaradó kombinációk közül kézzel választották ki a helyeset Átlag három óra kellett az aznapi üzenetek megfejtéséhez szeptember 16., 16: oldal

68 Bletchley park: Egy újjáépített Bombe (Később még visszatérünk a másik nagy bletchley parki eredményre) szeptember 16., 16: oldal