Principy počítačů Historie snímek 1 Principy počítačů Část I Historie VJJ 1 snímek 2 První záznam čísel Začátky používání čísel spadají do dávnověku počítání dnů mezi náboženskými obřady počítání částí, kusů První výpočetní pomůcky zářezy na holi čárky na stěně jeskyně VJJ 2 snímek 3 Oprava chyb nebo pomůcka? Počítat delší časové období pomocí čárek nebo zářezů vedlo k chybám pomocné systémy orientace v čase např. Stonehenge (2800 let př. n.l.), primitivní kalendář VJJ 3
snímek 4 Arabské symboly Záznam čísel 1000 M 500 D 100 C 50 L 10 X 5 V 1 I Římské symboly VJJ 4 snímek 5 Abacus - první počitadlo zrozené v Číně Paměti a ALU Model počitadla, který používal Julius Caesar (100-44 př. n. l.) VJJ 5 snímek 6 Praktické provedení abacusu VJJ 6
snímek 7 Praotcové moderních počítačů Blaise Pascal (1623-1662) Gottfried Wilhelm von Liebniz (1646-1716) Charles Babbage (1792-1871) VJJ 7 snímek 8 Pascalina Pascalina - první počítací stroj, který Blaise Pascal sestrojil pro svého otce - výběrčího daní. Pracoval s ozubenými kolečky, podobně jako tachometr u auta. VJJ 8 snímek 9 Aritmometr Aritmometr (1820), uměl čtyři základní matematické operace - sčítání, odčítání, násobení a dělení. Vyráběl se hromadně v mnoha variantách a byl používán až do první světové války. Autorem byl Thomas de Colmar VJJ 9
snímek 10 Piánový arithmometr (1851) VJJ 10 snímek 11 Colmarův patent z 10. Února 1851 VJJ 11 snímek 12 Charles Babbage * 1791 v hrabství Devonshire v rodině bankovního úředníka velmi nekonvenční přístup na konzervativní viktoriánskou Anglii posedlý měření a statistickým zpracováním dat v knize On the Economy of Manufacturing položil základy operačního výzkumu 1871 v Londýně VJJ 12
snímek 13 Difference Engine Stroj Charlese Babbage by zabral plochu fotbalového hřiště (kdyby byl dokončen!) Difference Engine byl řízen pevným programem VJJ 13 snímek 14 Difference Engine (náčrtek Charlese Babbage) VJJ 14 snímek 15 Analytical Engine používal dekadickou soustavu čísla až o padesáti místech paměť pro tisíc čísel řízení děrnými štítky (Jacques de Vaucanson) stejně jako Difference Engine stroj nikdy nebyl dokončen VJJ 15
snímek 16 Analytical Engine - replika Část repliky "Analytical Engine", zkonstruovaná podle náčrtů Charlese Babbage VJJ 16 snímek 17 Analytical Engine (podmíněný skok) revoluční myšlenky v programování stroje A > 6 Číslo A A? A <= 6 17 152 Přiřazení hodnoty Podmínka a rozhodnutí Výstup VJJ 17 snímek 18 Ada Adelida de Lovelac dcera lorda Byrona inspirovala Charlese Babbage k napsání prvního počítačového programu pravděpodobně přišla s myšlenkou podmíněného skoku, vlastní programy popularizátorka díla Ch. Babbage na její počest - programovací jazyk ADA VJJ 18
snímek 19 Automaty řízené binárním kódem Řízení pomocí binárních kódů se přeneslo do řady elementárních mechanických automatů VJJ 19 snímek 20 Tabulátor Hermana Holleritha První reálně použitý stroj na zpracování hromadných dat - tabulátor Hermana Holleritha. Otvory ve štítku odpovídaly odpovědím ANO/NE v dotazníku. VJJ 20 snímek 21 Binární reprezentace 32 16 8 4 2 1 Celkem 2 6 možností 1.2 5 +1.2 4 +0.2 3 +1.2 2 +1.2 1 +0.2 0 = 54 0.2 5 +1.2 4 +1.2 3 +0.2 2 +1.2 1 +1.2 0 = 27 1.2 5 +1.2 4 +1.2 3 +1.2 2 +1.2 1 +1.2 0 = 63 1.2 5 +0.2 4 +1.2 3 +1.2 2 +1.2 1 +0.2 0 = 46 1.2 5 +0.2 4 +1.2 3 +0.2 2 +1.2 1 +1.2 0 = 26 0.2 5 +0.2 4 +0.2 3 +0.2 2 +0.2 1 +0.2 0 = 0 1.2 5 +1.2 4 +0.2 2 +1.2 2 +1.2 1 +1.2 0 = 55 0.2 5 +0.2 4 +0.2 3 +0.2 2 +0.2 1 +1.2 0 = 1 VJJ 21
snímek 22 První polovina 20. století ve znamení Holleritových tabulátorů první světová válka přerušila vývoj v období mezi válkami a během II. Světové války sehráli rozhodující roli dva Evropané Konrád Zuse Alan Turing poválečný vývoj ovládly válkou nedotčené Spojené státy americké VJJ 22 snímek 23 Konrád Zuse * 1910 v Berlíně začínal jako statik v továrně na výrobu letecké techniky zkonstruoval řadu strojů Z.., které se vyráběly až do počátku 60. let v jeho továrně, kterou založil v roce 1939 údajně neznal předcházející práce v oboru (např. Charlese Babbage) VJJ 23 snímek 24 Hlediska konstrukce stroje matematické a logické metody řízení běhu programu binární systém pro reprezentaci čísel metody pro realizaci aritmetiky v pohyblivé řádové čárce designérské realizace plně automatických aritmetických kalkulací paměť s vysokou kapacitou stavební moduly pracující na dvoustavovém principu VJJ 24
snímek 25 První stroje Z... Z1 - mechanický ale předpokládající použití relé Z2 - experimentální verze (relé a elektronky), mikrořadič a proudové zpracování Z3 - paměť 64 slov (22 bitů), binární systém a aritmetika v plovoucí řádové čárce (relé a elektronky) Z4 větší výkon, vybaven několika snímači a děrovači děrných štítků... VJJ 25 snímek 26 Stroj Z1 - maketa Deutschen Technik Museum Berlin VJJ 26 snímek 27 Stroj Z3 VJJ 27 Deutschen Museum, Muenchen
snímek 28 Alan Mathison Turing *23. června 1912 v Londýně 1936 publikoval hypotetické zařízení Turingův stroj v článku On Computable Numbers pracoval v šifrovacím oddělení britského štábu - stroj COLLOSUS účastnil se na výstavbě ACE a MADAM 7.června 1954 VJJ 28 snímek 29 Stav 3 Stav 2 Turingův stroj Úloha: Nastav 1 na výstupu, když jsou na vstupu nalezeny alespoň tři po sobě jdoucí jedničky. Jinak nastav na výstupu 0 1 0 1 0 0 0 Start 0 Stav 1 Čtecí a záznamová hlava 1 0 1 1 1 0 1 Děrná páska VJJ 29 0 červené šipky reprezentují vstup 0 modré šipky representují vstup 1 čísla reprezentují výstup odpovídajicí současnému vstupu snímek 30 Turingův test jeho práce směřovaly do oblasti vztahu člověka a stroje, položil základy vědy o umělé inteligenci navrhl test popisující možnost testování inteligence stroje připojení testující osoby dálnopisy pokud není možno v přijatelném čase rozlišit zda odpovídá stroj nebo člověk, pak stroj vykazuje inteligenci VJJ 30
snímek 31 Harvard Mark I Howard Hathaway Aiken (9.3. 1900-14.3. 1973) Postaven na elektromechanických součástkách - relé a bubnové čítače. Byl řízen děrnou páskou, výstupy na děrovač štítků a elektrický psací stroj. VJJ 31 snímek 32 ENIAC uveden do provozu na Pensylvánské univerzitě v roce 1946, používal desetimístná dekadická čísla, aritmeticko-logická jednotka obsahovala dvacet sčítaček, speciální násobičku, děličku a obvody pro výpočet druhé odmocniny, programoval se pomocí propojování speciálních programových jednotek, použita "rychlá" registrová paměť VJJ 32 snímek 33 John Louis von Neumann 28. 12. 1903-8. 2. 1957 Americký matematik maďarského původu, zakladatel teorie her a moderních počítačových struktur, profesor v Berlíně a Princetonu. Jeho koncepce programovatelného počítače se stala základem pro realizaci moderních programovatelných strojů VJJ 33
snímek 34 Blok vstupů Paměť Struktura počítače dle von Neumanna IN Aritmeticko logická jednotka VJJ 34 P M ALU Řadič OUT Blok výstupů snímek 35 Koncepce John von Neumanna (1) Počítač je tvořen řadičem (P), aritmetickologickou jednotkou (ALU), pamětí (M), blokem vstupů (IN) a blokem výstupů (OUT). Struktura počítače je neměnná a jeho práce je řízena programem uloženým v paměti. V paměti jsou uložena data společně s instrukcemi programu. VJJ 35 snímek 36 Koncepce John von Neumanna (2) Paměť je tvořena jednotlivými paměťovými místy do kterých se dá zapisovat a ze kterých je možno uloženou informaci přečíst po zadání adresy tohoto místa. Adresa místa v paměti je dána pořadovým číslem tohoto místa. Program je tvořen posloupností instrukcí, které určují elementární změnu stavu stroje. VJJ 36
snímek 37 Koncepce John von Neumanna (3) Pořadí provádění instrukcí programu je, až na výjimky, sekvenční. Výjimkou jsou instrukce skoku. Instrukce, data a adresy jsou kódovány binárně. První počítače navržené podle této koncepce se objevily v roce 1947. Patřil mezi ně EDVAC a UNIVAC. VJJ 37 snímek 38 EDVAC binární aritmetika vnitřní paměť na rtuťových zpožďovacích linkách řízení programem uloženým v paměti následoval UNIVAC VJJ 38 snímek 39 Plány EDVACu VJJ 39
snímek 40 Stojany počítače EDVAC VJJ 40 snímek 41 Manchester Mark I (1948) (F.C. Williams a Tom Kilburn) 32-bitové slovo, sériová binární aritmetika, používající pro záznam čísel jejich dvojkový doplněk, hlavní paměť 32 slov s náhodným přístupem, rozšiřitelná až na 8192 slov a rychlost výpočtu asi 1,2 ms na jednu instrukci. VJJ 41 snímek 42 Ferranti Mark I (1949) Paměť byla organizována jako 20-ti bitové adresovatelné řádky, kde instrukce měla délku jedné a data dvou řádek. Aritmetika 40-ti bitová, obsahující hardwarovou sčítačku a násobičku (akumulátor měl dvojnásobnou délku) a logické instrukce. Sada osmi speciálních registrů používaných pro modifikace adres v instrukcích, se zvláštní aritmetikou a testovacími instrukcemi. VJJ 42
snímek 43 Ferranti Mark I (1949) Hardware mohl provádět padesát jednoadresových instrukcí se standardním časem provádění instrukce 1,2 ms; jediná instrukce násobení trvala 2,16 ms. Paměť s náhodným přístupem rozdělená na osm stránek, jedna stránka definována jako 64 řádků po dvaceti bitech. VJJ 43 snímek 44 Ferranti Mark I (1949) Sekundární paměť na magnetických bubnech obsahovala 512 stránek, dvě stránky na jednu stopu s přístupovým časem 30 ms. Instrukce pro operace vstupu a výstupu zahrnovaly čtení a děrování pětistopé děrné pásky, a přenos jedné stránky mezi primární a sekundární pamětí. VJJ 44 snímek 45 Program na stroji Ferranti Mark I Záznam do děrné pásky jako pětibitové ekvivalenty Číslo 10001 11011 10100 01001 10001 11001 01010 10110 zapsáno jako Z"SLZWRF. Instrukce zapsány přímo pětibitovými, např. /E@A:SIU?DRJNFCKTYLWHZPQOBG:MXVL VJJ 45
snímek 46 Počítač EDSAC (1949) Zkonstruován na universitě v Cambridge Obsahoval 3500 elektronek Programování mnemonickým kódem, např. A45 - add 45 Rekonstrukce programu pro EDSAC na universitě Warwick, simulátor pro PC VJJ 46 snímek 47 Zdokonalování von Neumannovy koncepce 1947 Formulace von Neumannovy koncepce Indexregistry 1949 1954 Jednotka pro operace v pohyblivé řádové čárce 1956 Přerušení, univerzální registry, asynchrnonní činnost obvodů I/O Nepřímé adresování 1958 1959 Virtuální paměť VJJ 47 snímek 48 Počítačový průmysl Rozmach poválečného počítačového průmyslu USA, firma IBM Odliv odborníků do USA, aktivní kapitálově silné firmy Xerox Rand Corp. Remington etc. VJJ 48
snímek 49 Počítače IBM IBM 604 (1948) - elektronkový s registry IBM 701 (1952) - elektronkový s paměťovou elektronkou IBM 650 (1954) - elektronkový s magnetickou bubnovou pamětí IBM 704 (1956) - feritové paměti IBM 7090 (1960) - první počítač vybavený polovodičovou technologií VJJ 49 snímek 50 Jeden byte akumulátoru v počítači Borroughs 205 (cca 1954) VJJ 50 snímek 51 Desítkový čítač s elektronkami VJJ 51
snímek 52 Ovládací panel bloku počítače VJJ 52 snímek 53 Feritová paměť VJJ 53 snímek 54 Technologie let 60-tých VJJ 54
snímek 55 Deska počítače fy DEC s diskrétní logikou VJJ 55 snímek 56 Deska počítače Borrough s integrovanými obvody SSI VJJ 56 snímek 57 IBM 360 (1964) postaven na integrovaných obvodech zásadní změny výstavby stavebnicová konstrukce jednotná struktura dat a instrukcí jednotný způsob připojování periferií ochrana dat v paměti tato koncepce zůstala dlouho zachována VJJ 57
snímek 58 Počítač BESM - 1967 VJJ 58 snímek 59 Vývoj v Čechách První návrh počítače představen v Badatelském ústavu matematickém (1947) Některé části návrhu pokusně realizovány, např. elektronková násobička Založeno oddělení počítacích strojů v Ústředním ústavu matematickém ČSAV Projekt M1 - Fourierova transformace (1952) VJJ 59 snímek 60 generátor impulsů magnetická bubnová paměť SAPO (1958) (1) aritmetické jednotky a řadič ovládací panel a I/O VJJ 60
snímek 61 SAPO (2) reléová technologie, 400 elektronek, 700 relé binární aritmetika v pohyblivé řádové čárce délka slova 32 bitů magnetická bubnová paměť 1024 slov pětiadresové instrukce rychlost práce 5 op/s trojnásobná redundance ALU 15 střadačů, paralelní operace VJJ 61 snímek 62 EPOS 1 (1963) Předcházely ověřovací práce na projektech E1a a E1b 8000 elektronek, feritová paměť, 20000 op/s vnější a vnitřní sdílení času (HW) stavebnicovost spolehlivost (samoopravné kódy) VJJ 62 snímek 63 Prof. Antonín Svoboda *14. října 1907 v Praze pracoval na vývoji vojenských zaměřovačů pro řízení protiletecké obrany za války odešel nejdříve do Francie a potom do USA - firma ABAX po roce 1946 koncepční práce na projektech SAPO a EPOS (Svobodovy mapy) 1964 odešel opět do USA 18. května 1980 VJJ 63
snímek 64 Rozvoj mikroprocesorů 1971 - Intel 4004 stavebnice Altair první personální počítač VJJ 64 snímek 65 Oznámení počítače Altair VJJ 65 snímek 66 Deska procesoru počítače Altair VJJ 66
snímek 67 Bill Gates Microsoft V roce 1975 Bill Gates a Paul Allen navštívili Eda Robertse z MITS s nabídkou dodávky překladače BASIC pro počítač Altair. Příjmy z této akce byly vstupním kapitálem firmy Microsoft. VJJ 67 snímek 68 Explose personálních počítačů IBM Apple Ostatní Acorn uveden pod názvem PC v roce 1981 1984, uvedení 286- AT celá řada "klonů" PC na trhu, Compaq uvedl první "portable" Apple II, 1977 Apple III, 1980 Lisa, 1983, první použití myši a grafického interface Macintosh uveden na trh, 1984 Radio Shack TRS-80, 1977, Commodore PET, 1980 1981, novinář Adam Osborne a jeho Osborn I, používal CP/M VJJ 68 snímek 69 MIPS 1E3 1E2 1E1 1E0 1E-1 1E-2 4004 8080 Nárůst výkonnosti Mikroprocesory 8086 1971 1976 1982 1991 1994 Rok 80386 80286 DX2 DX Sálové počítače Model Rok MIPS IBM 360/65 1964 0,4 IBM 370/165 1970 2,0 IBM 370/168 1974 2,5 IBM 3033 1977 5,0 IBM 3083 1982 8,0 IBM 3090 1985 12,0 VJJ 69 Pentium
snímek 70 Generace 5 4 3,5 3 2 1 0 1995 1990 1980 1970 1960 1950 1940 Generace počítačů??? multiprocesorové systémy, plně polovodičové, obvody vysoké integrace, rychlost 10 7-10 8 [op/s], rychlost 10 5 [op/s], polovodičové paměti, virtuální paměť virtuální paměť, dynamické přidělování paměti, interakční systémy monolitické a hybridní integrované obvody, univerzální charakter a kompatibilita, rychlost 10 4 [op/s], multiprogramování, sdílení času, dálkový přenos dat, tranzistorová elektronika, feritové paměti, rychlost 10 3 [op/s] elektronkové počítače, rychlost 10 2 až 10 3 [op/s] reléové počítače, rychlost řádu 58 10 0 [op/s] VJJ 70