1. Wstęp. Informatyka a elektronika

1.1. Uwagi wprowadzające

Techniczne realizacje systemów infor-

matycznych opierają się na elektronice.

Inżynier informatyk musi znać i rozumieć

budowę urządzeń informa-tycznych, czyli

potrzebna mu jest wiedza z zakresu

podstaw elektroniki.


Plan wykładu Wstęp. Informatyka a elektronika Podstawy obwodów elektrycznych

Elementy półprzewodnikowe i układy scalone

Podstawowe układy cyfrowe

Podstawowe układy analogowe

Tendencje rozwojowe

Część wstępna: relacje między

informatyką i elektroniką z uwzglę-

dnieniem uwarunkowań historycznych.

Rozwój informatyki jest ściśle powiązany

z rozwojem technologii elektronicznych.


Parametry elementarnych struktur

w układach scalonych parametry

techniczne tych układów parametry

użytkowe sprzętu komputerowego.


1.2. Zadania informatyki

Informatyka zajmuje się zbieraniem,

przechowywaniem, przetwarzaniem i prze-

syłaniem informacji (obróbką informacji).

Pojęcie informacji nie posiada ścisłej

definicji. Przyjmujemy, że informacja jest

stwierdzeniem pewnego stanu rzeczy.


Przykład: patrząc na termometr

stwierdzam, że temperatura za oknem

wynosi 12°C.

W moim umyśle pojawia się informacja:

„temperatura za oknem wynosi 12°C”.


To, co widzę na termometrze (liczba 12)

jest reprezentacją informacji.

Odczytanie tej reprezentacji jest

czynnością zbierania informacji.

Informację tę mogę przechować

w pamięci, przesłać (przekazać innej

osobie) lub przetworzyć.


Dla dokonania obróbki informacji

(zbierania, przechowywania, przetwa-

rzania, przesyłania) trzeba powiązać infor-

mację z pewnym nośnikiem: zjawiskiem

lub wielkością fizyczną.


1.3. Nośniki informacji - sygnały

Sygnał: zjawisko lub wielkość fizyczna

służące jako nośnik informacji. Przykłady:

drgania akustyczne – dźwięki, przebiegi

elektryczne w układach wewnątrz kompu-

tera.

Tę samą informację można przekazać za

pomocą różnych sygnałów (dźwięki, tekst

pisany w różnych językach). Ten sam typ

sygnału może służyć do przekazywania

różnych informacji. Nawet identyczne

sygnały mogą nieść informacje różne dla

różnych odbiorców.


Kod: sposób powiązania informacji

z sygnałem wykorzystywanym jako nośnik

(umowa między nadawcą i odbiorcą

informacji).


Kodowanie: kształtowanie sygnału tak aby

odpowiadał pożądanej informacji. Sygnał

zostaje przesłany do odbiorcy, który

dokonuje dekodowania, czyli odczytu

informacji z odebranego sygnału.

Kodowanie informacji ma z reguły

charakter wielopoziomowy.


1.4. Przetwarzanie informacji a przetwa-rzanie sygnałów

W trakcie przesyłania informacji, sygnał

będący jej nośnikiem jest wielokrotnie

przetwarzany. Przykład: telefoniczne

przekazywanie informacji, że temperatura

za oknem wynosi 12°C.

Ciąg przekształceń sygnałów: sygnały

elektrochemiczne między mózgiem a na-

rządem mowy, sygnał akustyczny od ust

do mikrofonu, sygnały elektryczne

w telefonie, sygnały elektromagnetyczne

w przestrzeni itd.

1.4. Przetwarzanie informacji a przetwarzanie sygnałów

Określenia „przetwarzanie informacji”

i „przetwarzanie sygnałów” są często

mylone. W trakcie przekazywania

informacji, sygnały będące jej nośnikiem

są wielokrotnie przetwarzane, bez zmiany

samej informacji.


Ściślej: w trakcie kodowania, deko-

dowania i przetwarzania sygnałów

następuje na ogół niepożądane znie-

kształcenie informacji.


Celowe przekształcanie informacji: na

podstawie informacji początkowych

(wejściowych), przez wykonanie pewnych

operacji powstaje nowa informacja.


1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych

Rozwój technik przekazywania informacji -

chyba najważniejszy element rozwoju

cywilizacji.

Etapy rozwoju „cywilizacji informacyjnej”:

stopniowe wprowadzanie liczbowej reprezentacji informacji;

rozwój logiki i matematyki, a zwłaszcza

metod numerycznych;


opracowywanie urządzeń technicznych do

wykonywania obliczeń; zastosowanie sygnałów elektrycznych

w obróbce informacji; rozwój technik przesyłania sygnałów

elektrycznych niosących informację;


powstanie elektroniki w początkach XX

wieku; powstanie elektroniki półprzewodnikowej

w połowie XX wieku; powstanie Internetu pod koniec XX wieku.


Rozwój technik obróbki informacji uległ

gwałtownemu przyśpieszeniu w XX wieku,

głównie w związku z rozwojem elektroniki

półprzewodnikowej.


W obróbce informacji (gromadzenie,

przesyłanie itd.) najwygodniej wykorzy-

stywać liczbową reprezentację informacji.

Przetwarzane informacje mają często

charakter liczb (gdy używamy komputera

do obliczeń).


W innych wypadkach, kodowanie

informacji obejmuje przedstawienie jej

w formie ciągu liczb. Przetwarzanie

informacji: algorytmu obliczeniowy

obejmujący operacje logiczne i arytme-

tyczne.


Kodowanie informacji mającej repre-

zentację liczbową: wartości liczbowe

sygnału (nośnika) reprezentują kolejne

elementy informacji. Liczbowa repre-

zentacja informacji może nie występować

w sposób jawny lub odnosi się tylko do

jednej z form używanych sygnałów.


Sygnały używane jako nośniki informacji

można różnie klasyfikować, na przykład

według wykorzystywanego zjawiska

fizycznego (mechaniczne, optyczne, aku-

styczne, elektryczne).


Inny ważny podział: sygnały analogowe

i cyfrowe. Wielkość stanowiąca sygnał

analogowy jest określona w każdej chwili

czasu i może przyjmować dowolne

wartości liczbowe (liczby rzeczywiste).


Sygnał cyfrowy jest określony tylko

w wybranych, dyskretnych punktach czasu

i może przyjmować tylko dyskretne

wartości, reprezentowane najczęściej jako

liczby całkowite. Mówi się o technikach

i urządzeniach analogowych lub cyfro-

wych.


Dokładniej: sygnały używane w technice

cyfrowej są ciągłymi funkcjami czasu, ale

bierze się pod uwagę jedynie ich wartości

w wybranych chwilach. Wartości te mogą

być dowolne, ale wartości z przedziałów

(Cn - , Cn + ) interpretuje się jako Cn,

a wartości spoza tych przedziałów jako

nieokreślone.


Do zapisu liczb można stosować różne

zestawy cyfr; obecnie stosuje się

powszechnie zapis dziesiętny. Do liczbo-

wej reprezentacji informacji najwygodniej-

szy jest zapis binarny (tylko dwie cyfry).


Taką reprezentację łatwo powiązać z noś-

nikami fizycznymi, traktując dwie możliwe

cyfry jako: 0 – 1; czarny – biały; duży –

mały; tak – nie; kropka – kreska itd.


1.7. Przetwarzanie informacji jako ciąg operacji elementarnych

Przetwarzanie informacji mających

reprezentację liczbową: algorytm złożony

z elementarnych operacji arytmetycznych

lub logicznych. Te operacje mogą być

realizowane przez elementarne komórki

urządzenia technicznego.


Przykład: tarcza z cyframi od 0 do 9.

Naciśnięcie dźwigni przesunięcie tarczy

o 1/10 obrotu. Naciśnięcie dźwigni: impuls

wejściowy; cyfra widoczna w okienku:

stan tarczy; stan początkowy: zero.

Aktualny stan tarczy informuje o liczbie

podanych impulsów wejściowych N (gdy N

9).


Urządzenie to może sumować liczby

w zakresie od 0 do 9. Rozszerzenie

zakresu: dołączamy drugą tarczę tak, że

zmiana stanu pierwszej z „9” na „0”

powoduje wprowadzenie impulsu wejścio-

wego do drugiej tarczy i tak dalej.


Takie mechaniczne urządzenia umożli-

wiające dodawanie były rzeczywiście

konstruowane.


Wykonywanie bardziej złożonych obliczeń

(np. dzielenie liczb, rozwiązywanie

równań) lub innych operacji przetwarzania

informacji może być też sprowadzone do

ciągu działań elementarnych.


Wykonanie działania elementarnego

w danym kroku zależy w ogólności od

aktualnego stanu urządzenia, od

obecności lub braku impulsu wejściowego

i od treści aktualnego kroku instrukcji

kierującej wykonywanym obliczeniem.


W każdym kroku musi być uwzględniana

kombinacja trzech zmiennych (stan,

wejście, instrukcja), co wymaga doko-

nywania na nich elementarnych operacji

logicznych takich jak „NIE” (NOT), „LUB”

(OR), „I” (AND).


Zasady według których realizacja

dowolnych algorytmów przetwarzania

informacji zostaje sprowadzona do ciągu

elementarnych manipulacji na symbolach

opierają się na pracach G. Boole’a i A.

Turinga. Strona teoretyczna należy do

podstaw informatyki.


Od lat 30-tych XX wieku, w charakterze

nośników informacji w urządzeniach do

przetwarzania informacji stosuje się

sygnały elektryczne a liczby, na

najniższym poziomie przetwarzania, są

reprezentowane w systemie binarnym.


Napięcia elektryczne w elementarnych

komórkach urządzenia obliczeniowego

mogą znajdować się w jednym z dwóch

przedziałów; wartości większe interpre-

tujemy jako 1, mniejsze – jako 0.


Za pomocą tychże cyfr reprezentuje się

stan bloków logicznych w logice dwuwar-

tościowej.

Omówienie praktycznych rozwiązań

technicznych przedstawimy w ujęciu

historycznym.


1.8. Mechaniczne maszyny obliczeniowe – rys historyczny

Sumowanie liczb naturalnych można

zrealizować w sposób mechaniczny

(połączenie kółek zębatych, dźwigni,

sprężynek, zapadek itd.). Pierwsze

mechaniczne sumatory poruszane ręcznie

pojawiły się w wieku XVII (konstruktorzy:

m. in. Pascal i Leibniz).

Wiek XVIII: modyfikacje, poszerzenie

możliwości.

W roku 1820, Francuz Charles Thomas

skonstruował arytmometr mechaniczny

umożliwiający wykonywanie czterech

działań arytmetycznych. Po ok. 40-tu

latach, zmodyfikowaną wersję zaczęto

wytwarzać seryjnie.


Pod koniec XIX wieku, różne typy

arytmometrów budowano we Francji,

Anglii, Niemczech, USA i Rosji.


Najciekawsze koncepcje budowy

mechanicznych maszyn obliczeniowych

w XIX wieku przedstawił Anglik Ch.

Babbage, jednak jego nowatorskie

koncepcje nie zostały wprowadzone do

produkcji.


Przełom w. XIX i XX – najszybszy rozwój

konstrukcji mechanicznych kalkulatorów

i innych maszyn biurowych w USA.


Jedna z firm utworzona w r. 1896:

Tabulating Machine Company po

połączeniu z inną firmą przekształciła się

w r. 1911 w Computer Tabulating

Recording Company a w r. 1924 zmieniła

nazwę na International Bussiness Machine

Corporation (IBM).


Na przełomie XIX i XX wieku do

poruszania mechanizmu kalkulatorów

zaczęto stosować napęd elektryczny.

Tego typu konstrukcje elektromecha-

niczne, stosowano mniej więcej do połowy

XX wieku.


W latach 30-tych pojawiła się koncepcja

maszyn elektrycznych, w których liczby

były reprezentowane przez sygnały

elektryczne. Sygnały elektryczne stoso-

wano już wcześniej jako nośniki do

przesyłania informacji.


1.9. Elektryczne techniki przesyłania informacji. Początki elektroniki

Od lat 30-tych XIX wieku trwały próby

wykorzystania sygnałów elektrycznych do

przesyłania informacji. W latach 40-tych

XIX wieku, po opracowaniu alfabetu

Morse’a operującego dwoma znakami

(kropka, kreska) zaczęto konstruować

urządzenia telegraficzne.

Telegraf stał się głównym środkiem łączności w drugiej połowie XIX wieku. W r. 1851 zbudowano połączenie telegra-ficzne między Anglią i kontynentem europejskim zaś w roku 1866 połączono kablem Europę z Ameryką i ustanowiono połączenie telegraficzne między tymi kontynentami.


Uruchomiona w r. 1870 napowietrzna linia

telegraficzna połączyła Anglię z Indiami.


Rozpoczęte w latach 60-tych XIX wieku

prace nad zamianą drgań akustycznych w

sygnały elektryczne doprowadziły do

opracowania telefonu. Amerykanin

Graham Bell opatentował telefon w r.

1876. Telefonia kablowa rozwijała się

szybko w USA pod koniec XIX wieku.


Początkowo każda para telefonów wymagała bezpośredniego połączenia, potem opracowano centrale telefoniczne i stopniowo wprowadzano ich automa-tyzację. Telegraf i telefon w wersji kablowej były najważniejszymi sposobami przesyłania informacji mniej więcej do połowy XX wieku.


W r. 1896 G. Marconi i A. Popow

przeprowadzili pierwsze udane próby

przesyłania informacji za pośrednictwem

fal elektromagnetycznych.


W kolejnych eksperymentach Marconi

przesyłał sygnały bezprzewodowo na

coraz większe odległości: w r. 1899

między Anglią i Francją a w r. 1901 –

między Anglia i Ameryką.


W roku 1897 Anglik J.J. Thomson dokonał odkrycia elektronu – cząstki elementarnej o ładunku ujemnym. Opanowanie sposobów wytwarzania wiązki elektronów oraz sterowania tą wiązką przez pole elektryczne doprowadziło do opracowania lamp elektronowych, a potem fotokomórek

i kineskopów.


Wprowadzenie lamp elektronowych (dioda

- 1904, trioda – 1906) stworzyło nieznane

wcześniej możliwości przetwarzania

sygnałów elektrycznych. Zostały one

wykorzystane do udoskonalenia telegrafii

i telefonii kablowej ale przede wszystkim

umożliwiły powstanie radiofonii.


Prace nad odbiornikami i nadajnikami radiowymi (głównie w USA) doprowadziły do powstania radiofonii jako ogromnej gałęzi przemysłu w początkach lat 20-tych XX w. Wtedy też zaczęto używać określenia „elektronika” (electronics) dla dziedziny techniki opartej na wykorzy-staniu lamp elektronowych.


W latach 30-tych XX oprócz intensywnego

rozwoju radiofonii, zaczęto wprowadzać

telewizję w USA i Europie Zachodniej.


1.10. Elektryczne nośniki informacji w technice komputerowej

Urządzenia obliczeniowe, w których do

reprezentacji liczb zastosowano sygnały

elektryczne zaczęto opracowywać w la-

tach 30-tych XX wieku. Początkowo, przez

około 30 lat opracowywano zarówno

elektryczne maszyny analogowe jak

i cyfrowe.

W maszynach analogowych, poszcze-

gólne wielkości występujące w danym

problemie, np. w równaniu algebraicznym

lub różniczkowym, były reprezentowane

bezpośrednio przez wielkości elektryczne,

na przykład napięcia w odpowiednich

miejscach specjalnie połączonego obwo-

du.


W drugiej połowie lat 30-tych XX w.

pojawiły się prace teoretyczne (Turinga,

Posta i Shannona) stanowiące podstawę

do zastosowania elektrycznych obwodów

przełączających w realizacji obliczeń

w systemie binarnym.


W r. 1937 G. R. Sibitz z Bell Laboratory

zbudował binarny sumator elektryczny

oparty na przekaźnikach. Na przełomie lat

30-tych i 40-tych opracowano kilka typów

elektrycznych, przekaźnikowych maszyn

obliczeniowych, głównie w Bell Laboratory

i w IBM.


Po wybuchu II wojny światowej -

gwałtowny wzrost produkcji sprzętu

wojskowego, w tym urządzeń elektry-

cznych i elektronicznych.

Najważniejsze przedsięwzięcia przemysłu

elektronicznego w USA dotyczyły techniki

radarowej i maszyn obliczeniowych.


W roku 1943 w uniwersytecie stanowym

w Pensylwanii podjęto prace nad pierwszą

lampową maszyną obliczeniową. Ten

pierwszy, w pełni elektroniczny komputer

o nazwie ENIAC został uruchomiony na

przełomie lat 1946/47.


Przeciętne mnożenie dwóch liczb dziesię-

ciocyfrowych (w zapisie dziesiętnym)

zajmowało mu ok. 3 msek, znacznie mniej

niż w opracowanych wcześniej maszynach

przekaźnikowych.


ENIAC zajmował pomieszczenie o po-

wierzchni ok. 200 m2, miał wysokość 3 m,

ważył 30 ton i pobierał ok. 150 kW mocy.

Zawierał około 18 tys. lamp elektro-

nowych.


IBM podjęła potem produkcję mniejszych

maszyn lampowych, np. IBM604 (ok. 1400

lamp). W latach 1948 – 60

wyprodukowano ok. 4000 takich kompu-

terów.


1.11. Elektronika półprzewodnikowa

Jako początek elektroniki półprze-

wodnikowej uznaje się na ogół odkrycie

efektu tranzystorowego (grudzień 1947,

laboratorium Bella w USA). Germanowa

struktura trójkońcówkowa dawała możli-

wość wzmacniania zmiennego sygnału

elektrycznego.

Podjęcie produkcji germanowych

tranzystorów bipolarnych: rok 1952. Dwa

lata później wykonano pierwszy bipolarny

tranzystor krzemowy, później – tranzystory

polowe: złączowe a potem MOSFET.


Pojedynczy tranzystor spełniał w układzie

te same funkcje co lampa elektronowa ale

miał znacznie mniejsze rozmiary i pobór

mocy. W latach 50-tych i 60-tych

wprowadzano podukłady tranzystorowe

w miejsce lampowych, co prowadziło do

miniaturyzacji urządzeń elektronicznych.


Kolejny przełom to wprowadzenie układów

scalonych. Naturalnym kierunkiem dalszej

miniaturyzacji były próby wykonania kilku

struktur tranzystorowych w jednym

kryształku półprzewodnikowym.


J. Kilby z firmy Texas Instruments wykonał

w roku 1958 pierwszą strukturę układu

scalonego z kilkoma tranzystorami; R.

Noyce z firmy Fairchild opracował w r.

1961 nieco lepsze rozwiązanie, w którym

zastosował metalowe ścieżki przewo-

dzące.


W połowie lat 60-tych XX wieku, podjęto w

kilku firmach produkcję seryjną układów

scalonych. Udoskonalano technologię,

poprawiano czystość i precyzję.

Konkurujące firmy wprowadzały na rynek

kolejne typy układów scalonych o coraz

większej liczbie tranzystorów.


Po kilku latach rozwoju produkcji układów

scalonych, Gordon Moore z firmy Intel

zauważył, że liczba tranzystorów w ko-

lejnych typach największych układów

scalonych podwaja się średnio co 1,5

roku. To tempo rozwoju utrzymało się do

czasów obecnych.


Pierwszy mikroprocesor (czterobitowy o symbolu 4004) opracowano w firmie Intel w r. 1971. Jego struktura półprze-wodnikowa o rozmiarach 3 na 4 mm (grubość ok. 0.5 mm) zawierała 2300 tranzystorów p-MOS wykonanych z roz-dzielczością 10 m. Pracował z często-tliwością zegara 108 kHz.


W kolejnych latach opracowywano

procesory i inne układy scalone z coraz

lepszą rozdzielczością powierzchniową, na

płytkach krzemowych o coraz większych

rozmiarach, zawierające coraz większe

liczby tranzystorów – zgodnie z prawem

Moore’a.


Układy te pracują z coraz większą

częstotliwością zegara, przetwarzają dane

o coraz większej długości słowa.

Współcześnie (koniec roku 2007) liczba

tranzystorów w największych układach

scalonych dochodzi do miliarda (109).


1.12. Znaczenie elektroniki lampowej i półprzewodnikowej dla rozwoju

informatykiElementy półprzewodnikowe (diody i tran-

zystory) występujące wewnątrz układów

scalonych stanowią specyficzny rodzaj

elementów elektronicznych, podobnie jak

stosowane dawniej lampy elektronowe.

Są to elementy nieliniowe, a tranzystory

(podobnie jak niegdyś lampy) są

elementami aktywnymi czyli są zdolne do

wzmacniania pewnego typu sygnałów

elektrycznych.

1.12. Znaczenie elektroniki lampowej i półprzewodnikowej dla rozwoju informatyki

Do zbudowania komórek zdolnych do

wykonywania elementarnych operacji

logicznych i arytmetycznych, a więc do

przetwarzania informacji, niezbędne jest

użycie elementów aktywnych.


Fundamentalną zaletą współczesnych,

półprzewodnikowych elementów akty-

wnych jest to, że mogą mieć bardzo małe

rozmiary i w strukturze scalonej o objętości

znacznie poniżej 1 cm3 można umieścić

setki milionów takich elementów.


Daje to możliwość konstruowania

urządzeń do obróbki informacji o potę-

żnych możliwościach i małych rozmiarach.


Możliwości współczesnego przenośnego

komputera osobistego są tysiące razy

większe niż komputera ENIAC sprzed 60-

ciu lat, a rozmiary – tysiące razy mniejsze.

Dzieje się to głównie dzięki postępom

w technologii półprzewodnikowych

układów scalonych.


1. Wstęp. Informatyka a elektronika

Documents

Transcript of 1. Wstęp. Informatyka a elektronika