Vyučující předmětu Ing Pavel Haluza ústav informatiky PEF MENDELU v Brně haluza@mendelucz VERZE PRO TISK NEOBSAHUJE SNÍMKY S FOTOGRAFIEMI Vyučující předmětu Garant předmětu Ing Petr Jedlička, PhD ústav informatiky (1 patro), kancelář Q262 tel: 545 13 22 32, e-mail: petrj@pefmendelucz Přednášející Ing Pavel Haluza Ing Petr Jedlička, PhD Cvičící Ing Pavel Haluza RNDr Tomáš Hála, PhD Ing Naděžda Chalupová, PhD Ing Jiří Třináctý Ing Miroslav Cepl Ing Jaromír Landa Ing Oldřich Trenz, PhD Bc Stratos Zerdaloglu 2/42 Přednáška 1: Přednáška 1: Obsahová náplň předmětu Obsahová náplň předmětu Obsahová náplň přednášek 3/42 Obsahová náplň cvičení 4/42 Historie výpočetní techniky Vnitřní reprezentace dat Formáty uložení dat Informace v počítači Souborové systémy Základy práce v OS třídy Unix Základy práce v OS Windows Počítačová kriminalita Úvod do zpracování textů na počítači Tvorba odborných prací Etapa A (6 výukových týdnů) práce v procesoru MS Word (3 cvičení + samostudium) test z Wordu ( malý zápočet ) Etapa B (od 7 výukového týdne) úvod do výpočetní techniky (2 cvičení) operační systémy třídy Unix (3 cvičení) operační systém MS Windows (1 cvičení) zápočtový test ( velký zápočet ) Přednáška 1: Přednáška 1:
Studijní literatura Požadavky na ukončení Studijní literatura 5/42 Požadavky na ukončení předmětu 6/42 PEZLAR, Z, RYBIČKA, J Informatika pro ekonomy Brno: Konvoj, 2002 ISBN 80-7302-2647-017-3 BITTO, O Microsoft Windows 7: podrobná uživatelská příručka Brno: Computer Press, 2009 ISBN 978-80-251-2647-9 BITTO, O Microsoft Windows Vista: podrobná uživatelská příručka Brno: Computer Press, 2007 ISBN 978-80-251-1545-9 HERBORTH, C Unix a Linux: názorný průvodce administrátora Brno: Computer Press, 2006 ISBN 80-251-0978-X RYBIČKA, J Základy zpracování textů počítačem Brno: Konvoj, 2000 ISBN 80-7302-003-3 Aktuální novinky publikované na Internetu Test z Wordu v 6 výukovém týdnu, případné opravy ve zkouškovém období ověření praktických dovedností ze cvičení udělení malého zápočtu plně v kompetenci cvičících Zápočtový test v posledním výukovém týdnu, další termíny a opravy v lednu účast možná až po získání malého zápočtu především ověření praktických dovedností ze cvičení orientace v pojmech z přednášek Legální Windows pro studenty předmětů z ústavu informatiky http://uipefkamendelucz/technika/msdnaa Přednáška 1: Přednáška 1: Požadavky na ukončení Požadavky na ukončení Osnova přednášky 8/42 Úvod do výpočetní techniky Ing Pavel Haluza ústav informatiky PEF MENDELU v Brně haluza@mendelucz Základní pojmy počítač, informatika, teorie informace jednotky informace staré výpočetní pomůcky mechanické počítací stroje koncept prvního počítače strojová statistika a evidence generace počítačů vývoj operačních systémů
Základní pojmy Základní pojmy Počítač Jednotky informace Počítač, informatika, teorie informace 9/42 Jednotky informace 10/42 Počítač automatizované zpracování dat podle předepsaného programu základ ve slově počítat, totéž v angličtině compute, computer tvořen technickým (hardware) a programovým (software) vybavením Informatika nauka o získávání, uchovávání, zpracovávání a přenosu informací Teorie informace matematická vědní disciplína, která vznikla na konci druhé světové války (Claude Shannon) zkoumá informaci jako základní jev, který umožňuje existenci složitých systémů, a snaží se najít matematické vyjádření množství informace Základní jednotkou je jeden bit (binary digit), hodnota 0, nebo 1 Vyšší jednotkou je jeden bajt (byte) = 8 bitů Násobky podle nových pravidel (ČSN IEC 60027-2) z roku 2004 Kibibajt (KiB) 1 KiB = 2 10 B = 1 024 B Mebibajt (MiB) 1 MiB = 2 20 B = 1 024 KiB Gibibajt (GiB) 1 GiB = 2 30 B = 1 024 MiB Tebibajt (TiB) 1 TiB = 2 40 B = 1 024 GiB Pebibajt (PiB) 1 PiB = 2 50 B = 1 024 TiB Exbibajt (EiB) 1 EiB = 2 60 B = 1 024 PiB Zebibajt (ZiB) 1 ZiB = 2 70 B = 1 024 EiB Yobibajt (YiB) 1 YiB = 2 80 B = 1 024 ZiB Velikosti běžných pevných disků osobních počítačů se dnes pohybují v řádu stovek GiB Základní pojmy Jednotky informace Jednotky informace 11/42 12/42 Dekadické předpony podle soustavy SI, dříve byly používány v chybném významu Kilobajt (KB) 1 KB = 10 3 B = 1 000 B Megabajt (MB) 1 MB = 10 6 B = 1 000 KB Gigabajt (GB) 1 GB = 10 9 B = 1 000 MB Terabajt (TB) 1 TB = 10 12 B = 1 000 GB Petabajt (PB) 1 PB = 10 15 B = 1 000 TB Exabajt (EB) 1 EB = 10 18 B = 1 000 PB Zettabajt (ZB) 1 ZB = 10 21 B = 1 000 EB Yottabajt (YB) 1 YB = 10 24 B = 1 000 ZB Přírodní materiály kameny, hůlky, kosti, mušle, tvrdé plody, provázky z vláken, Prsty prokazatelně u Číňanů, Indů, Peršanů, Turků, Arabů, předkolumbovských Aztéků i u západních civilizací proto dnes používáme desítkovou soustavu Dřívka s vruby, provazy s uzly počítání s uzly (quipu) u Inků v dnešní Bolívii, Ekvádoru a Peru tibetští mniši, sibiřští šamani, modlitební řemínky v judaismu vrubovky používány ještě ve 20 stol při evidenci dobytka vyháněného na letní pastvu mlynářské uzly v jižním Německu až do 20 stol
Abakus Napierovy kostky 13/42 14/42 Počítadlo původně čáry v písku a kamínky (calculi) mezi nimi, později kuličky (kotoučky) na drátě vznik v 5 tis př n l v Malé Asii, později Řecko a Řím (abakus) v Číně znám od 13 století pod názvem suànpán v Japonsku od 16 století pod názvem soroban v Rusku od 17 století pod názvem sčotnaja deska (sčoty) 11 11 1946 utkání mezi sorobanem (Kiyoshi Matsuzaki) a elektronickým počítačem (Thomas Nathan Wood) v základních aritmetických operacích, přesvědčivý výsledek 4 : 1 v Číně, Japonsku a Rusku používán dodnes děti si hrají s kuličkovým počítadlem Napierovy kosti lord John Napier of Merchiston (1550 1617) autor pojmu logaritmus podnět pro rozvoj logaritmického pravítka (1614) Napierovy kostky zveřejněny v roce 1617 deset hůlek, na kterých byla vyryta multiplikační tabulka dodnes se s jejich pomocí učí násobit v Číně Logaritmické tabulky (1617), logaritmické pravítko (1622) první průkopníci William Oughtred a Edmund Gunter převádějí násobení (dělení) na sčítání (odčítání) log (a b) = log a + log b log (a : b) = log a log b Mechanické počítací stroje Koncept prvního počítače Mechanické počítací stroje 15/42 Předchůdci počítačů 16/42 Mechanické počítací stroje na principu ozubených kol násobení a dělení se převádělo na opakované sčítání a odčítání (s posuvy o řád), na starších kalkulátorech manuálně, na pozdějších i automaticky mechanická kalkulačka (Wilhelm Schickard, 1623) Pascaline (Blaise Pascal, 1642) krokový kalkulátor (Gottfried Wilhelm von Leibniz, 1673) Arithmomètre (Charles-Xavier Thomas de Colmar, 1820) systém počítacího stroje (Willgodt Theophil Odhner, 1873) účtovací stroj sčítací kalkulátor s psacím strojem fakturovací stroj násobící kalkulátor s psacím strojem elektronické kalkulátory s příchodem integrovaných obvodů v 70 letech 20 stol Charles Babbage (1791 1871) matematik, filozof, ekonom, vynálezce a strojní inženýr klíčová postava prehistorie informatiky
Koncept prvního počítače Strojová statistika a účetní evidence Předchůdci počítačů 17/42 Strojová statistika 18/42 Diferenční stroj (Difference Engine, 1822) výpočet hodnot polynomů (tvorba tabulek) poháněný parou, velký jako lokomotiva v roce 1832 hotová pouze sedmina zařízení prototypu v roce 1834 ve Švédsku postaven malý diferenční stroj ze dřeva, v roce 1853 dokončen v plném rozsahu (George Scheutz) v roce 1991 sestaven podle originálních plánů za pomoci prostředků z 19 století a skutečně fungoval Analytický stroj (Analytical Engine, 1834) univerzální počítací stroj poháněný parním strojem řízen programem na děrných štítcích aritmetická jednotka s tiskárnou realizována po 35 letech předběhl dobu o 100 let, jako celek nikdy nebyl dokončen Děrnoštítková technika 1801 vznik děrného štítku pro řízení tkalcovského stavu 1890 použití pro zpracování sčítání lidu (Herman Hollerith) polovina 20 stol využití ve strojně-početních stanicích děrný štítek 19/42 podle použitých součástek 20/42 Etapy vývoje výpočetních systémů Kritéria dělení použité stavební prvky a obvody výkonové parametry druhy pamětí typy periferních jednotek a způsob jejich připojení k primární jednotce programové vybavení a oblast jeho využití Dosud nebylo přesně vymezeno a časově ukotveno, nejasnosti ohledně příslušnosti některých počítačů k dané generaci Gen Období Součástky Programové vybavení Konfigurace Rychlost (op/s) Vnitřní paměť 0 1938 44 elmag relé strojový kód mnoho skříní do 10 cca 100 KiB 1 1944 55 elektronky strojový kód, assembler desítky skříní 10 2 10 4 1 2 KiB 2 1955 64 tranzistory vyšší program jazyky do 10 skříní 10 4 10 5 16 32 KiB 3 1964 72 integrované obvody SSI 3 1 1972 81 integrované 2 obvody MSI nebo LSI 4 od 1981 integrované obvody VLSI operační systémy, vyšší programovací jazyky rozšiřitelné operační systémy, modernější programovací jazyky operační systémy a jazyky přizpůsobené uživatelům do 5 skříní do 5 skříní 10 5 až 5 10 6 0,5 2 MiB okolo 10 6 1 16 MiB 1 skříň 10 6 až 3 10 7 1 18 MiB
0 generace 1 generace 0 generace 21/42 1 generace 22/42 Konrad Zuse Z1 (1938) mechanický programovatelný počítač, nespolehlivý Z2 (1940) obvody na bázi elektromagnetických relé Z3 (1941) utajovaný, balistické výpočty drah raket Z4 (1944) první malý reléový počítač John Vincent Atanasoff, Clifford Berry první elektronický počítač ABC (1942) pro řešení lineárních rovnic ve fyzice Howard Hathaway Aiken Harvard Mark I (1943), mechanický, 765 tisíc součástek, 5 tun Harvard Mark II (1947), 13 000 relé, předán námořnictvu Alan Mathison Turing Colossus (1943), Colossus II (1944), luštění šifer německého šifrovacího stroje Enigma Antonín Svoboda SAPO (1956), první v ČSR, shořel v r 1960 John William Mauchly, John Presper Eckert ENIAC (1944) elektronická varianta Mark I, 18 tis elektronek, 10 tis kondenzátorů, 70 tis odporů, 1 500 relé, chlazení dvěma leteckými motory, plocha 160 m 2, hmotnost 30 tun, 5 000 operací/s UNIVAC (1951) první sériově vyráběný počítač John von Neumann MANIAC (1945) použit k vývoji vodíkové bomby Manchester Mark I (1948) ve spolupráci s F C Williamsem, první počítač podle von Neumannovy koncepce s programem uloženým v paměti EDVAC (1952) vzor všech novodobých počítačů, 4 tis elektronek, taktovací frekvence 1 MHz 1 generace 1 generace Von Neumannova koncepce 23/42 Základní struktura počítače 24/42 John von Neumann (1903 1957) americký matematik židovského původu narozený v Maďarsku publikoval teorii přirozených čísel, vyvinul teorii her základní principy fungování univerzálního počítače (1945) podle těchto principů se staví počítače dodnes Základní principy von Neumannovy koncepce počítač má pět částí (řídicí jednotka, aritmeticko-logická jednotka, paměť, vstupní zařízení, výstupní zařízení) počítač bude využívat dvojkovou soustavu (pouze 0 a 1) počítač bude řízen procesorem, který bude postupně vykonávat příkazy programu počítač bude univerzální, pro různá využití se budou používat různé programy PROCESOR(CPU) Řídicí část (řadič) Zpracovatelská část(alu) Instrukce Data Výstupní zařízení Hlavní (operační) paměť Vstupní zařízení Sekundární paměť
1 generace 2 generace Odlišnosti současných počítačů od von Neumannovy koncepce V jednom počítači může být více než jeden procesor, případně procesor s více jádry V jednom okamžiku může být spuštěno více programů, dokonce jich může běžet více najednou (multitasking, multiprocessing) Existují vstupní a výstupní zařízení, která jsou vstupně-výstupní (dotykové obrazovky, multifunkční zařízení apod) Není nutné mít program v operační paměti celý, je možné zavést do paměti jen potřebnou část Virtuální paměť 25/42 2 generace Uplatnění pro hromadné zpracování dat, vědeckotechnické výpočty a řízení technologických procesů Vyšší programovací jazyky FORTRAN (1957), ALGOL (1958), COBOL (1958) aj Antonín Svoboda EPOS (1960) elektronický počítač střední EPOS 2 (1962) sériově vyráběný jako ZPA 600 ZPA 601 mobilní verze EPOSu s bohatou výbavou (operační systém, assembler, překladače) IBM 1401 (1959) základní typ všeobecně použitelného počítače IBM7090 (1960) jeden z prvních plně tranzistorových počítačů Zuse Z23 (1961), Minsk 32 (1968) aj 26/42 2 generace 3 generace Vznik a vývoj operačních systémů 27/42 3 generace 28/42 Zpočátku počítače operační systém vůbec neměly Programátor musel se strojem rozmlouvat v jeho řeči (pouze 0 a 1) a přitom vědět, kde se v počítači co nachází S rozvojem výpočetní techniky se tato metoda stávala pomalu neúnosnou, programátoři si proto pro vlastní potřebu vytvořili několik programovacích jazyků Program zapsaný v programovacím jazyce je soubor příkazů, které jsou překládány do strojového kódu pomocí překladače nebo interpretu programovacího jazyka Místo nekonečných řad čísel ve dvojkové soustavě se zadávaly příkazy v podobě čísel osmičkové nebo šestnáctkové soustavy a později i skutečná slova z písmen Paralelní zpracování programů, lepší využití strojového času Zvyšování počtu integrovaných členů na čipu integr obvodu SSI Small Scale Integration MSI Middle Scale Integration LSI Large Scale Integration VLSI Very Large Scale Integration PDP-1 (1960) první komerční počítač vytvořený firmou Digital Equipment Corp, vybaven obrazovkou a klávesnicí IBM 360 (1964), Siemens 4004 (1965), JSEP-R1 (1968 74) 3 1 generace vyšší hustota prvků v integrovaných obvodech, 2 zlepšené provozní vlastnosti, vyšší operační rychlost IBM 370 (1970), český JSEP-R2 (1977), minipočítač SM 52/11
3 generace 4 generace 29/42 Softwaroví giganti 30/42 60 léta 20 stol potřeba programu, který by základní funkce systému obstarával sám a ulehčil tak programátorovi práci První operační systém vyvinula firma IBM, která v té době měla téměř monopol na sálové počítače Se vznikem minipočítačů, které nevyžadovaly tak specializovanou obsluhu, vyvstala potřeba operačních systémů tak, jak je známe dnes 70 léta 20 stol vznik legendárních operačních systémů VMS (DEC) a Unix (AT&T), oba pro sálové počítače Apple, Inc (1 10 1976, Cupertino, Silicon Valley, Kalifornie) Steve Jobs (* 1955), Steve Wozniak (* 1950) Microsoft Corporation (4 4 1975, Albuquerque, Nové Mexiko) Bill Gates (* 1955), Paul Allen (* 1953), Steve Ballmer (* 1956) 4 generace 4 generace 4 generace 31/42 4 generace 32/42 Pokročilá miniaturizace, zvyšování výkonu a paměťových kapacit Vývoj není ukončen ani v současnosti Mikroprocesor 4004 (Intel, 1971) otevřel cestu k výrobě malých osobních počítačů Altair 8800 (1975) první masově prodávaný osobní počítač Apple I (1976) pouze výpočetní jednotka, vše ostatní si uživatel musel dokoupit Apple II (1977) první předsmontovaný osobní počítač Další výrobci Atari, Commodore, vždy jen centrální jednotka a procesor, doposud ovládání prostřednictvím programovacího jazyka Basic Jedním z nejpopulárnějších Basiců byl produkt tehdy ještě neznámé firmy Microsoft Později se objevil tehdejší král operačních systémů pro osobní počítače CP/M (Control Program for Microcomputers), drastické zjednodušení Unixu, zavedení konvence osmiznakového jména souboru a trojznakové přípony, označování jednotek písmeny IBM 5150 (1981) první PC vybavený operačním systémem MS-DOS (Microsoft), ve skutečnosti mírně upravený CP/M Nepříjemná omezení MS-DOSu (jednouživatelský, jednoúlohový) vedla k vývoji dalších DOSů PC-DOS (IBM), DR-DOS, stále mnohá omezení
4 generace 5 generace 4 generace 33/42 5 generace 34/42 Lisa (Apple, 1983) první počítač s GUI, vysoká pořizovací cena Macintosh (Apple, 1984) jednodušší, stal se legendou, víceúlohový systém s podporou multimédií PC oproti svým konkurentům vypadalo velmi odpudivě PC-AT (IBM, 1984) vylepšený DOS, odstraněny nejkřiklavější nedostatky Pro PC-AT byl certifikován kromě MS-DOSu také Xenix, klon Unixu, který se ale bohužel neprosadil Nový OS pro PC bez nedostatků DOSu OS/2 (IBM + Microsoft, 1987), spolupráce se ale rozpadla a každá z firem si vyvíjela svoji vlastní verzi OS/2 (IBM: OS/2 Warp, MS: Windows NT) EC 1027 (1986) sálový počítač, 200 tis operací/s, kapacita paměti 2 MiB Budoucnost/sci-fi Schopnost zpracovávat informace (ne pouze data) Schopnost práce s lidskou řečí, konverzace s člověkem Paralelní zpracování procesů (opuštění koncepce von Neumanna) Využití umělé inteligence a neuronových sítí Automatická oprava programu, samostatné rozhodování Kvantové počítače DNA počítače Analogové a hybridní počítače? 5 generace Složení počítače 35/42 36/42 Počítač je tvořen jednotou technického vybavení (hardware) a programového vybavení (software) Hardware (HW) základní deska s procesorem vnitřní (operační) paměť a podpůrné obvody přídavné části (vstupní a výstupní zařízení, vnější paměti) Software (SW) veškeré programové vybavení počítače zejména operační systém Ve svých počátcích byl MS Windows zcela neschopným produktem plným chyb Masivní marketingová podpora jej nakonec prosadila proti jeho konkurentům 1985 Windows 10 1988 Windows 203 1990 Windows 30 přijatelně funkční 1992 Windows 31 Použití grafického uživatelského rozhraní odstranilo propastný rozdíl mezi PC a Macintoshem
37/42 38/42 Ve světě velkých počítačů, pracovních stanic a síťových serverů panoval Unix, ať už měl jakékoliv jméno a byl od kterékoliv firmy Přidáno grafické uživatelské rozhraní X Window (pro Unix) 80 a 90 léta 20 stol nejrozšířenější platformou se stává PC, první pokusy o vytvoření Unixu pro PC Na PC kralovala firma Microsoft s Windows a DOSem 1995 Windows 95 s řadou vylepšení (zcela nové grafické rozhraní, podpora dlouhých názvů souborů), stále však pouze grafická nadstavba nad starým a nedokonalým DOSem 1996 čtvrtá verze Windows NT, stejné grafické rozhraní jako Windows 95, ale to byl jediný společný prvek Odstraňování chyb ve Windows 95 1996 Windows 95 OSR2 1998 Windows 98, později Windows 98 SE přímo v jádře obsahoval webový prohlížeč Internet Explorer, což znevýhodňovalo ostatní výrobce prohlížečů tento fakt zapřičinil antimonopolní řízení vlády USA proti Microsoftu, v němž vyšla najevo spousta dalších nekalých praktik včetně vydírání a vyhrožování 2000 Windows 2000, interní označení Windows NT 50, uživatelské prvky Windows 98 (webový prohlížeč v jádře, multimédia, hry) 2000 Windows ME (Millenium Edition) následník Windows 98 (tedy stále nadstavba MS DOSu) pro domácí použití Produkty firmy Apple v současnosti 39/42 Produkty firmy Microsoft v současnosti 40/42 Firma Apple představila počítač imac (1998) se zcela novým designem, standardně bez disketové jednotky, ale s operačním systémem shodným jako u prvního Macintoshe All in one monitor a počítač v jednom Apple imac se stal hitem a otevřel cestu dalším novým produktům MacBook, MacBook Pro (2006) notebooky ipod (2001) multimediální přehrávač iphone (2007) kombinace mobilního telefonu, digitálního fotoaparátu, multimediálního přehrávače a zařízení pro komunikaci s Internetem, od r 2008 také kapesní herní konzole MacBook Air (2008) ultratenký notebook ipad (2010) multimediální počítač typu tablet 2001 Windows XP (experience) spojení vývojových větví pro domácí počítače, kancelářské pracovní stanice a servery 2003 Windows Server 2003 řada bezpečnostních vylepšení 2007 Windows Vista opět silně inspirován Applem (MacOS), avšak pomalejší než XP 2008 Windows Server 2008 sdílí stejný kód důležitých částí se systémem Vista 2009 Windows 7 údajně plná kompatibilita s existujícími ovladači zařízení, aplikací a hardwaru 2012 Windows 8 viditelné změny ve vzhledu, kvůli změnám v jádře možná nekompatibilita ovladačů
Linux 41/42 Osnova příští přednášky 42/42 Kromě Windows se u osobních počítačů stále častěji prosazují operační systémy typu Unix 1991 Linux zdařilý klon Unixu pro PC, jádro je volně šiřitelné podle pravidel GPL (General Public Licence), autorem finský student Linus Torvalds Existuje několik distribucí Linuxu Debian, Mandrake, RedHat, SuSe, Fedora, Ubuntu, Kubuntu, Práce s počítačem ergonomie údržba počítače Číselné soustavy poziční a nepoziční soustavy převody mezi soustavami aritmetické operace v různých soustavách Uložení dat v paměti počítače čísla znaky zvuky obrazy