HISTORICKÝ VÝVOJ VÝPOČETNÍ TECHNIKY

HISTORICKÝ VÝVOJ VÝPOČETNÍ TECHNIKY Informační a komunikační technologie Mechanik seřizovač První Mgr. Fjodor Kolesnikov 1

Prohlášení Prohlašuji, že jsem tento výukový materiál vypracoval(a) samostatně, a to na základě poznatků získaných praktickými zkušenostmi z pozice učitele ve Střední odborné škole Josefa Sousedíka Vsetín, a za použití níže uvedených informačních zdrojů a literatury. Tento výukový materiál byl připravován se záměrem zkvalitnit a zefektivnit výuku minimálně ve 2 vyučovacích hodinách. Ve Vsetíně dne 20. 5. 2009 podpis autora 2

Obsah 1. Historický vývoj výpočetní techniky... 4 1.1. Mechanické stroje... 4 1.2. Pomůcky k počítání... 5 2. Nultá generace počítačů... 8 2.1. SAPO... 8 3. První generace počítačů... 9 4. Druhá generace počítačů... 10 5. Třetí generace počítačů... 10 6. Čtvrtá generace počítačů... 11 6.1. Výroba mikroprocesorů... 11 6.2. První osobní počítače... 12 7. Pátá generace počítačů... 13 Seznam použité literatury 1. Pavel Navrátil S počítačem nejen k maturitě Computer Media s.r.o 2004, ISBN 80-86686-19-1, 2. Pavel Navrátil Informační a výpočetní technika č.1 Computer Media s.r.o 2006 ISBN 80-86686-57-4 3. www.markonet.cz; www.wikipedia.cz 3

1. Historický vývoj výpočetní techniky - první mechanické počítače - charakteristické znaky počítačů nulté, první, druhé, třetí a čtvrté generace, typičtí zástupci - hlavní vývojové generace počítačů, vývojové znaky, součástky, možnosti programování Pomůcky k počítání Již od dávnověku si lidé snaží zjednodušit a hlavně zrychlit počítání. Využívali prsty (od tohoto také používáme desítkovou soustavu). Vznikaly různá počítadla jako je řecký abakus (hliněné nebo dřevěné destičky, do nichž se vkládaly kamínky, ve starém Řecku, Římě zajišťovaly základní aritmetické úkony), čínský suan-pchan atd. V sedmnáctém století po objevu logaritmů byly sestaveny první logaritmická pravítka, patent na něj získal Angličan E. Wingate. 1.1. Mechanické stroje Ale již v šestnáctém století vznikaly první počítací stroje. Jeden z prvních takovýchto strojů navrhl Wilhelm Schickard. Nestačil však svůj nápad realizovat, neboť během třicetileté války zahynul při epidemii moru. Blaise Pascal 17. st., vyrobil počítací mechanický stroj tzv. paskalina. Tento stroj postavil pro svého otce, jenž pracoval jako daňový úředník. Pouze sčítání, odčítání. Wilhelm von Leibnitz v roce 1671 vytvořil počítač, který zvládal čtyři základní početní úkony. Leibnitz pochopil, že desítková soustava pro tyto stroje není nejvhodnější a sestavil dvojkovou neboli binární soustavu. Thomas de Colmar - první hromadně vyráběná a používaná kalkulačka Joseph Marie Jacquard - 1805, děrné štítky použil k řízení tkal.strojů. První stroj řízený programem. Charles Babbage 19. st., stroj Diference engine (diferenční počítací stroj), byl moderně navržen, avšak nedokončen. Programově řízený stroj. Architektura stroje podobná dnešním PC paměť, centrální operační jednotka (výpočty), řízení posloupností operací, výstupní a vstupní jednotka. Herman Hollerith 1889, získal patent na soupravu děrnoštítkových strojů, které značně zjednodušily zaznamenávání údajů o obyvatelstvu. O využití děrnoštítkových strojů projevily značný zájem banky, pojišťovny a velké firmy, a proto Hollerith založil v roce 1896 společnost Tabulating Machina Company. V roce 1924 tato firma a několik dalších podobných se spojila v mamutí koncern International Bussines Machina (IBM). 4

1.2. Pomůcky k počítání Abakus - Starověká početní tabulka Za nejstarší dochovanou početní pomůcku je považován abakus. Tato pomůcka je založena na systému korálků, které na tyčkách nebo ve žlábcích kloužou nahoru a dolů. Používal se ve starém Řecku a Římě. Byla to dřevěná, nebo hliněná destička, do nichž se vkládaly kamínky - "calculli" - odtud název kalkulačka. Číně je abakus znám od 13. století pod jménem " uan - pâna"japonci abakus převzali asi v 17. století, pojmenovali ho soroban Ruská verze abakusu se jmenuje sčot" Pomůcka z ruky dinosaurů Zářezy do kostí Kupodivu abakus nebyl první počítací pomůckou. Ještě dříve byla používána pro počítání speciální pomůcka, z ruky (Dinosaurů (Tetrapod), jež měli 8 prstů a pomocí nich se zřejmě pravěcí lidé dostávali k výsledkům jejich matematického tvoření. Později však bylo využíváno pouze jedné velké kosti, na kterou se prováděly zářezy. Logaritmické pravítko 5

Mezi první počítací stroj (pomůcku) je právem považováno logaritmické pravítko, jehož přesnost závisela na jeho délce. Počátek 17. stol jsou v Anglii sestaveny první logaritmické tabulky, po nichž následovalo i první logaritmické pravítko. Napierovy kostky což bylo deset hůlek, na kterých byla vyryta multiplikační tabulka. S její pomocí bylo možno velice rychle násobit za předpokladu, že alespoň jedno z násobených čísel bylo jednociferné. Autorem byl John Napier. Schickardova kalkulačka Pracovala již se systémem plovoucí řádové čárky. Z jeho práce je dochována pouze dokumentace, jelikož dva sestavené prototypy se poděly neznámo kam. Autorem byl Wilhelm Schickard První kalkulačky byly mechanické a využívaly se např. k počítání daní. (Pascalina), autorem byl Francouz Blaise Pascal, pouze operace sčítání a odčítání. Leibnitzův krokový kalkulátor Německý filozof Gottfried Wilhelm von Leibniz v roce 1694 sestrojil tzv. krokový kalkulátor, který uměl navíc také násobit, dělit a provádět druhou odmocninu. Aritmometr První opravdu sériově vyráběnou a používanou kalkulačku vynalezl v roce 1820 Thomas de Colmar. Tento přístroj zvaný aritmometr uměl čtyři základní matematické operace - sčítání, odčítání, násobení a dělení. Těchto kalkulaček se používalo zejména v první světové válce. Později se též používaly i za druhé světové války pro výpočty vědců pracujících na atomové pumě. 6

Za tvůrce prvního počítače je všeobecně pokládán anglický matematik Charles Babbage. V roce 1822 sestrojil diferenciální stroj pro výpočet hodnot kvadratických polynomů; později návrh rozšířil až na výpočet polynomů 10. stupně, ale pro technické problémy nebyl diferenciální stroj nikdy dokončen. Ch. Babbage - automatický stroj Jacquardův děrný štítek Nápad s děrnými štítky nebyl ovšem nápadem Babbageovým nýbrž Joseph-Maria Jacquardovým, který jej použil pří řízení tkalcovského stavu, právě s použitím děrných štítků. Typický děrný štítek s 80 sloupci Děrná páska Děrné pásky se staly základním komunikačním prostředkem člověka s počítačem. V roce 1889 jej použil americký vynálezce Herman Hollerith při sčítání obyvatelstva. Sčítání lidí totiž zabralo sedm let a to se zdálo velmi zdlouhavé vzhledem k přírůstku obyvatelstva. Hollerith tyto děrné pásky využil jako nosiče dat, které byly potřeba zpracovat - každá vyražená dírka představovala jednu číslici, kombinace dvou dírek pak jedno písmeno. Touto metodou se veškeré sčítání zkrátilo na šest týdnů. Tento systém se používal až do druhé poloviny 20. století. 7

Mechanický počítací stroj V roce 1905 sestrojil Willgodt Odhner počítací stroj, který pracoval se systémem ozubených koleček. Tento stroj se stal velmi populární a jeho prototyp se dostal až do Ruska, kde byl sestrojen roku 1972 pod názvem Felix. 2. Nultá generace počítačů V roce 1938 sestrojil německý inženýr Konrád Zuse první elektromechanický počítací automat nazvaný Z-1 pracující ve dvojkové soustavě, který však byl dosti pomalý a nespolehlivý. Teprve roku 1941 společně s Helmutem Schreyerem sestrojil elektronický počítač Z-3, který obsahoval 2 600 elektromagnetických relé. Bohužel nadějný vynález byl během náletu na Berlín zničen zásahem bomby. Po válce Zuse sestrojil poměrně spolehlivý Z-4 pro univerzitu v Zürichu a Z-5 pro Leitzovy optické závody. Konrad Zuse Z1 Z5 7. srpna 1944 na Harwardské univerzitě uvedl Howard Aiken do provozu počítač ASCC (Automatic Sequence Controled Calculator), známý pod vojenským názvem MARK I. Toto zařízení mělo hmotnost pět tun a skládalo se z 3 500 elektromagnetických relé, mnoha set kilometrů drátových spojů a několika tisíc dekadických koleček poháněných elektromotorem. Sečtení dvou čísel trvalo asi třetinu sekundy, násobení asi dvacetkrát déle. Na tomto stroji byla během stovky hodin vypočtena konfigurace uranové nálože první atomové pumy, která byla odpálena 16. června 1945 v poušti Alamogordo. Po válce sestrojil Aieken ještě Mark II, pracující již s dvojkovou soustavou a Mark III, řízený programem, který byl odbavován z otáčejícího se magnetického bubnu. 2.1. SAPO Zatím co ve vyspělých státech v poválečném období se již vyráběly elektronkové počítače, ČSSR se začala ubírat vlastní cestou výzkumu, vývoje a výroby počítačů. V laboratoři matematických strojů Ústředního ústavu matematického se v roce 1950 začalo pracovat na projektu reléového počítače pod vedením doc. Ing. A. Svobody. 8

Trvalo celých sedm let než se podařilo uvést první československý počítač do zkušebního provozu. Prodleva byla způsobena hlavně vysokou poruchovostí, nedostatkem zkušených pracovníků a neplněním dodávek potřebných součástek, což bylo tehdy celostátním problémem. Rok 1958 lze tedy považovat za začátek výpočetní techniky v ČSSR. Prvním počítačem vyrobeným v Československu byl SAPO (SAmočinný POčítač), který byl uveden do provozu v roce 1957. Obsahoval 7000 relé a 400 elektronek. Měl magnetickou bubnovou paměť o kapacitě 1024 dvaatřicetibitových slov. Pracoval ve dvojkové soustavě s pohyblivou řádovou čárkou. Tento počítač měl dvě zvláštnosti: první bylo, že byl pětiadresový neboli součástí každé instrukce bylo 5 adres (2 operandy, výsledek a adresy skoků v případě kladného a záporného výsledku) a druhou bylo, že se vlastně jednalo o tři shodné počítače, které pracovaly paralelně. Výsledek každé operace z jednotlivých počítačů se mezi sebou porovnal a o výsledku se rozhodovalo hlasováním. Pokud byl shodný alespoň ve dvou případech, byl považován za správný. Pokud se ve všech třech případech lišil, operace se opakovala. Počítač SAPO byl zkonstruován prof. Svobodou, Dr. Oblonským a jejich spolupracovníky ve Výzkumném ústavu matematických strojů a byl instalován v budově ústavu na Loretánském náměstí. Tři roky po jeho zhotovení, v roce 1960, počítač SAPO shořel. Z jiskřících reléových kontaktů se vzňala loužička oleje, kterým se relé promazávala. 3. První generace počítačů 16. února 1946 se odbyla premiéra pro novináře a odborníky počítače ENIAC. Toto třicetitunové monstrum, které zabralo téměř celou bývalou univerzitní tělocvičnu se skládalo mimo jiné z 18 000 elektronek, 1 500 relé, 70 000 odporů a dvou leteckých motorů, které celé zařízení svými vrtulemi chladily. Velmi nepružně vytvořené schéma ENIACu přetvořil původem maďarský matematik John von Neumann (1903-1957). Jeho mnohem univerzálnější počítač byl nazván EDVAC a byl dokončen v Bellových laboratořích roku 1951. Od speciálních jednoúčelových počítačů (BINAC - pro letecké společnosti) se postupně přecházelo k výrobě počítačů univerzálním ( UNIVAC, IBM 650). EDVAC 9

Elektronka Charakteristika: - 1945 až 1956 - základem je elektronka - příkon 100-10 kw - operační rychlost 100-10 000 operací - za sekundu - vnitřní paměť 1-2 KB - magnetické bubny, děrné štítky a děrné pásky - programové vybavení - strojový kód, assembler 4. Druhá generace počítačů V prosinci 1947 předvedli v Bellových laboratořích John Bardeen, Walter H. Brattain a William B. Shockley první tranzistor, který se stal základem počítačů druhé generace. Charakteristika: - 1957 až 1963 - základem jsou polovodičové součástky (tranzistor) - příkon 1-2 kw - operační rychlost vzrostla na 10 000-250 000 operací za sekundu - vnitřní paměť 16-32 KB - feritové paměti, magnetické disky a pásky - vedle assemblerů se začaly prosazovat i nezávislé problémově orientované jazyky (Fortran, COBOL, ALGOL) - roztříštěnost koncepcí nedovolovala spojování počítačů a periferií různých značek 5. Třetí generace počítačů Další velký přelom znamenal v roce 1961 první integrovaný obvod, který tehdy sdružoval čtyři tranzistory na jediném čipu. Integrované obvody (IO) SSI a MSI se staly základním prvkem počítačů třetí generace. Charakteristika: - 1964 až 1971 - základem IO SSI, MSI a LSI - operační rychlost až 1 000 000 operací za sekundu - vnitřní paměť 0,5-2 MB - zvýšení kompatibility - větší vnější paměti (magnetické štítky, rotující magnetické disky) - vyšší programovací jazyky (LISP, Pascal...) - modulární sestavování počítače - terminálové sítě, větší počet terminálů připojených k centrálnímu počítači 10

6. Čtvrtá generace počítačů Roku 1968 zavedením IO v miniaturizovaném provedení do výpočetní a datové techniky nastoupila 4. generace počítačů. Obrovskou úlohu při tomto pokroku sehrála náhrada tzv. hybridní techniky technikou monolitní. Monolitní IO se dají racionálně vyrábět jen ve velkých sériích, ale to otvírá cestu k další pronikavé miniaturizaci elektroniky. Celé složité obvody se zde dají směstnat na malou křemíkovou destičku čip. 6.1. Výroba mikroprocesorů V roce 1971 zavedla americká firma Texas Instruments poprvé výrobu mikroprocesorů. Mikroprocesor v sobě spojuje funkce 5000 až 100 000 tranzistorů. V počítači plní funkci centrální jednotky (CPU Central Processing Unit). Skládá se z registrů, z prvků matematických a logických operací, z řídících prvků, koordinuje celý počítačový systém. Intel 4004 1.programovatelný čip, v r. 1969 ho u IBM vypracoval Marcian Hoff. 4 bitový procesor pro kalkulačky. Intel 8008 v r. 1972 byl představen první 8 bitový mikroprocesor. Intel 8080 v r. 1974 byl použit v prvním obecně známém osobním počítači Altair 8800 Edd Roberts obsahoval mikroprocesor od firmy Intel, 1 KB paměti, neměl klávesnici, ani obrazovku, programování pomocí přepínačů, mohl s ním pracovat 1 člověk. Neměl programovací jazyk na vytváření aplikací. S rozvojem počítačů pokračoval i vývoj programovacích jazyků. Programovací jazyk Pascal v r. 1971 jej uvedl profesor Wirth, obecný jazyk, jednoduchý, vhodný pro výuku programování. jazyk C r. 1974, byl původně navržen pro vývoj operačního systému UNIX. jazyk Prolog r. 1975, neprocedurální jazyk podporuje modulární programování, použití umělá inteligence. 11

jazyk Ada r. 1979, jazyk pro většinu aplikací včetně řízení procesů v reálném čase. jazyk Smaltalk r. 1980, objektový jazyk, podporující grafické uživatelské rozhraní. jazyk C++ - r. 1986 plně podporuje objektově orientované programování. jazyk Java r. 1996 objektový jazyk umožňuje vytvářet bezpečné a přenositelné programy. Moderní paměťové čipy z roku 1982 byly schopny zaznamenat až 64 000 bitů do paměti. Stolní počítače nacházejí kolem roku 1983 stále větší uplatnění v kancelářích. Cena počítačů stále drasticky klesá a je k dispozici stále více speciálně uživatelsky orientovaných programů. V 70. letech již byly počítače opravdu dobré, bohužel poměrně drahé a pro běžného uživatele v podstatě nedostupné. Z toho důvodu byl vynalezen osmibitový procesor a vše bylo najednou jinak. Díky využití tohoto levného procesoru v porotách náhle poklesla jejich dosud téměř neskutečná cena na snesitelnou úroveň a začaly se lavinově šířit, byly určeny převážně pro použití v domácnosti. Jako vstupní médium se používal kazetový magnetofon, později nekonečná páska (microdrive) a později disketová jednotka o kapacitě až 360 kb. 6.2. První osobní počítače Vic 20 r. 1981, jeden z prvních osmibitů, počítač určen pro hry, vybaven joystickovým portem. Commodore 64 měl zvukový čip SID, později i vestavěný barevný monitor a diskovou mechaniku. Atari počítače této firmy disponovaly jedním portem na datovou cartridge a dvěma porty na joysticky. ZX Spektrum r. 1982, ve Velké Británii se stal nejprodávanější počítačem zaměřený na hry a vzdělávání. 12

1984 Apple počítač Apple Macintosh OS, který využíval GUI. (Pozn.: GUI = Grafické uživatelské rozhraní (anglicky Graphical User Interface) je druh komunikace s počítačem mající podobu interaktivních grafických prvků. V dnešní době se nejčastěji skládá z oken a ikon zabírajících větší či menší část počítačového monitoru. Kromě GUI existují i jiná rozhraní, především starší ale dodnes užívaný příkazový řádek, která pracují s textovým módem 7. Pátá generace počítačů Počítače, které architekturou, vzhledem a velikostí zhruba odpovídají počítačům, které máme dnes na stole, se objevily na scéně počátkem 80. let. Jsou založeny na základní desce, obsahující čipovou sadu (čipset). K základní desce jsou připojena veškerá ostatní zařízení, typická jsou více či méně univerzální sběrnice (PC- BUS, ISA, EISA) pro připojení jednotlivých zařízení. Procesory jsou zpočátku výhradně vyrobeny firmou Intel. Kromě vzhledu došlo k pokroku ve výkonech počítačů do takové míry, že mohly převzít náročnější úkoly, např. zpracování grafiky, videa nebo zvukových záznamů. Procesory Intel 1982 - Intel přestavuje nový procesor, označení 80286 a je taktován na 6 MHz, později až na 12 MHz. 1985 - Intel uvádí na trh 16 MHz procesor 80386. 1989 - Intel představuje 25 MHz procesor 80486. 1993 - procesor s názvem Pentium, 66 MHz. 13

1995 - procesor Pentium Pro, max. 200 MHz. 1998 - procesor Pentium II, 333 MHz, kontakty procesoru jsou na jedné straně desky. 1999 - procesor Pentium III, dvouprocesorová podpora pro pracovní stanice a servery. 2000 - procesor Mobil Celeron určen pro notebooky, 1 GHz. 2001 - procesor Pentium 4 (původně s označením Wilamette), 2 GHz. 2002 - jádro Wilamette a přejmenováno na Northwood, 2,6 GHz, 2003 další vylepšení Pentia 4, 3,5 GHz. V současnosti jsou v počítačích používány procesory firem Intel a AMD 8. Otázky 1) Kdy vzniká představa o dvojkové (binární) soustavě v souvislosti s počítacími stroji? Proč je dvojková soustava u počítačů výhodnější než desítková? Proč ne třeba pětková číselná soustava? 2) V jaké číselné soustavě pracovaly první početní stroje? 3) Jakými způsoby byly během vývoje početní stroje řízeny (programovány)? 4) K čemu sloužil děrný štítek? 5) Uveďte první úkoly počítačů k čemu sloužily? 6) Uveďte historický sled nejdůležitějších součástek počítačů. 7) Co je to strojový kód? 8) Co je to assembler? Lze jej dnes ještě někde využít? 9) Uveďte názvy několika prvních nezávislých programovacích jazyků? 10) Proč vznikla poptávka po programátorech znalých např. Cobolu, Algolu několik let před přechodem do nového tisíciletí? 11) Co je to integrovaný obvod? 12) Kolik logických členů mohou obsahovat dnešní integrované obvody? 13) Existuje během vývoje počítačů jednotná celosvětová koncepce? 14) Uveďte názvy několika obřích nadnárodních firem souvisejících s počítači. 15) Kdy a jak začíná éra osobních počítačů? 16) Jaká vstupní a záznamová média byla využita u prvních osobních počítačů? 17) Kdo přišel s prvním grafickým uživatelským rozhraním osobních počítačů? 18) Uveďte běžné vybavení (hardware) nynějších moderních osobních počítačů. 14