5. Historie počítačů a princip činnosti počítače.Von Neumannova schéma. Zobrazení dat v počítači

Vysvětlit pojmy a uvést příklady:

„Počítače“ a jiné stroje: (Předchůdci)Abakus Vznikl přibližně před 5000 lety. Používal se ve starém Řecku a Římě. Byla to

dřevěná, nebo hliněná destička, do nichž se vkládaly kamínky - "calculli" - odtud název kalkulačka.

Logaritmické tabulky Počátek 17. stol jsou v Anglii sestaveny první logaritmické tabulky, po nichž následovalo i první logaritmické pravítko.

Ozubená kola (mechanické kalkulátory) Objevují se i první počítací stroje, pracují na principu ozubených kol,které se nám v pozměněné podobě zachovaly dodnes – mechanické kalkulačky a staré pokladny.

18.-19- st. – vynález děrovaných štítků (to je považováno za počátek programovatelnosti strojů). Použití štítků pro uchovávání dat bylo poprvé použito r. 1890 Hermanem Hollerithem, jehož firma později dala základ pro společnost IBM.

Nultá generace: Za počítače nulté generace jsou považovány elektromechanické počítače využívající většinou relé. Pracovaly většinou na kmitočtu okolo 100 Hz. Hybnou silou vývoje nulté generace se stala druhá světová válka, kdy došlo paralelně k velkému pokroku v různých částech světa.Z1 - První, komu se podařilo sestrojit fungující počítací stroj, byl němec Konrád Zuse. R. 1938 tak světlo světa spatřil první počítač nazvaný Z1. Pracoval v dvojkové soustavě. Program byl na děrné pásce (kinofilm). Dokázal si zapamatovat 16 čísel. Byl však poněkud nespolehlivý a pro praktické použití nevhodný.Z2, Z3 - Zuse proto přistoupil ke stavbě počítače Z2, který již obsahoval asi 200 relé.

Paměť však byla stále ještě mechanická, převzatá ze Z1. Spolu s Helmutem Schreyerem se pustil do stavby počítače Z3. Tento první prakticky použitelný počítač obsahoval 2600 elektromagnetických relé. Pracoval s dvojkovou aritmetikou v pohyblivé čárce a prováděl až 50 aritmetických operací za minutu. Délka slova byla 22 bitů, reléová paměť měla kapacitu 64 slov. Data se zadávala ručně z klávesnice, výstup byl na žárovkovém zobrazovači. Počítač byl v roce 1944 zničen při leteckém náletu.

Mark 1 - Celý projekt financovala firma IBM, která se původně zabývala výrobou děrnoštítkových strojů). Aikenův projekt počítacího stroje chápala jako demonstraci

svých technických možností. Byl to její první vstup do světa výpočetní techniky. Počítač dostal pracovní název ASCC (automatický sekvenčně řízený počítač)→ později Mark I. Počítač byl dokončen r. 1943 ve výpočetní laboratoři Hardvardské univerzity v Cambridge. Počítač byl 15 metrů dlouhý. Základní hnací jednotkou byl elektromotor o výkonu 3,7 kW napojený na dlouhou hřídel, která zprostředkovala pohon jednotlivých částí počítače. Program nesla děrná páska, jejíchž 24 stop

bylo rozděleno do tří skupin po osmi (2 adresy + kód operace). Počítač pracoval v desítkové soustavě s pevnou čárkou. Paměť měla dvě části - statickou, do které bylo možno před zahájením výpočtu vložit až 60 dvacetitřímístných čísel, a dynamickou (operační) paměť tvořenou elektromechanicky ovládanými kolečky. Do této paměti

si mohl počítač zaznamenat a zpětně přečíst dalších 72 čísel. Zároveň zde probíhaly aritmetické operace sčítání a odčítání. Mark I dovedl sečíst dvě čísla za 0,3 s, vynásobit je za 6 s a vypočítat např. hodnotu sinus daného úhlu během jedné minuty.

Mark II - Po úspěchu počítače Mark I začal Aiken pracovat na počítači Mark II. Toto zařízení bylo již čistě reléové. Aritmetika pracovala v plovoucí čárce s desítkovými

číslicemi, které byly dvojkově kódovány pomocí čtyř relé. Operační paměť počítače mohla pojmout až 100 čísel s deseti platnými číslicemi. Sčítání trvalo pouze 0,125s a násobení průměrně 0,25 s. Celý počítač obsahoval přibližně 13 000 relé.

SAPO - (SAmočinný POčítač) Prvním PC vyrobený v naší republice, který byl uveden do provozu r.1957. Obsahoval 7000 relé a 400 elektronek. Měl

magnetickou bubnovou paměť o kapacitě 1024 32bitových slov. Pracoval ve dvojkové soustavě s pohyblivou řádovou čárkou. Tento počítač měl dvě zvláštnosti. Za prvé byl pětiadresový (2 operandy, výsledek a adresy skoků v případě kladného a záporného výsledku). Druhou zvláštností bylo to, že se vlastně jednalo o tři shodné počítače,

které pracovaly paralelně. Výsledek každé operace z jednotlivých počítačů se mezi sebou porovnal, a pokud byl shodný alespoň ve dvou případech, byl považován za správný. Pokud se lišil, operace se opakovala.

První generace: První generace je charakteristická použitím elektronek (v menší míře i relé) Počítače byly poměrně neefektivní, velmi drahé, měly vysoký příkon, velkou poruchovost a velmi nízkou výpočetní rychlost.

ENIAC (r. 1944 byl na univerzitě v Pensylvánii). První elektronkový počítač. Z dnešního hlediska to bylo příšerné monstrum s nulovým výkonem - 18 tis. elektronek, 10 tis. kondenzátorů, 7000 odporů, 1300 relé, byl chlazen dvěma leteckými motory, zabíral plochu asi 63m2 a vážil asi 27 tun. Určen byl pro výpočty dělostřeleckých palebných tabulek za druhé světové války, ale ta skončila před jeho dokončením. Po válce se na něm prováděly i výpočty pro konstrukci atomové pumy.

Druhá generace: Nastupuje s vynálezem tranzistoru (John Barden), který dovolil díky svým vlastnostem zmenšení rozměrů celého počítače, zvýšení jeho rychlosti a spolehlivosti a snížení energetických nároků počítače.V této generaci počítačů také začínají vznikat operační systémy a první programovací jazyky, jako jsou COBOL a FORTRAN.Počítače: UNIVAC a EPOS

Třetí generace: Počítače jsou vybudovány na integrovaných obvodech, které na svých čipech integrují velké množství tranzistorů. S postupným vývojem integrovaných obvodů se neustále zvyšuje stupeň integrace. Podle počtu takto integrovaných součástek je možné rozlišit následující stupně integrace: * SSI - Small Scale Integration

* MSI - Middle Scale Integration * LSI - Large Scale Integration * VLSI - Very Large Scale Integration

Počítače: Cray-1 (tehdy nejvýkonnější počítač -superpočítač) a IBM System 360

Čtvrtá generace: Začala r. 1981 a trvá do dnes. Obsahují integrované obvody střední a velké integrace, malé rozměry, velké rychlost a velká kapacita paměti. Je charakterizována mikroprocesory.Počítače firmy IBM, Apple, … Vývoj operačních systémů DOS, Windows,…

Pátá generace: Stroje budoucnosti – umělá inteligence,…

2

1

4

5

Rozdělení „vnitřností“ počítače:

Von Neumannovo schéma:

Jedná se o koncepci, v níž počítač užívá společnou paměť pro instrukce i data. Výhodou těchto počítačů je jejich univerzálnost, mají jednu velkou paměť místo dvou menších. Nevýhodou je však nutnost postupného čtení z paměti namísto načítání instrukce i informace zároveň - pro urychlení této činnosti se využívají rychlé cache paměti. Tyto počítače jsou složitější na správu pamětí, ale v dnešní době velice rozšířené. Na Von Neumanově koncepci jsou založeny PC, PDA, mobily,…

Podle tohoto schématu se počítač skládá z pěti hlavních modulů: 1. Operační paměť : slouží k uchování zpracovávaného programu, dat a výsledků výpočtu 2. ALU (aritmetickologická jednotka): jednotka provádějící veškeré aritmetické výpočty

a logické operace. Obsahuje sčítačky, násobičky (pro aritmetické výpočty) a komparátory

3. Řadič: řídící jednotka, která řídí činnost všech částí počítače. Toto řízení je prováděno pomocí řídících signálů, které jsou zasílány jednotlivým modulům. Reakce na ně jsou pak stavové hlášení (inf. o stavu modulu).

4. Vstupní zařízení: zařízení určená pro vstup programu a dat. (klávesnice, myš, joystick,…)5. Výstupní zařízení: zařízení určená pro výstup výsledků, které program zpracoval (monitor,

tiskárna, reproduktory,…)

Princip činnosti počítače podle von Neumannova schématu: 1. Do operační paměti se pomocí vstupních zařízení přes ALU umístí program (+potřebná

data), který bude provádět výpočet. 2. Proběhne vlastní výpočet, jehož jednotlivé kroky provádí ALU. Tato jednotka je v průběhu

výpočtu spolu s ostatními moduly řízena řadičem počítače. Mezivýsledky výpočtu jsou ukládány do operační paměti.

3. Po skončení výpočtu jsou výsledky poslány přes ALU na výstupní zařízení.

Základní odlišnosti dnešních počítačů od von Neumannova schématu: * Podle von Neumannova schématu počítač pracuje vždy nad jedním programem. Toto vede

k velmi špatnému využití strojového času. Je tedy obvyklé, že počítač zpracovává paralelně více programů zároveň - tzv. multitasking

* Počítač může disponovat i více než jedním procesorem * Počítač podle von Neumannova schématu pracoval pouze v tzv. diskrétním režimu. * Program se do paměti nemusí zavést celý, ale je možné zavést pouze jeho část a ostatní části

zavádět až v případě potřeby

Výstupní a vstupní zařízení:Výstupní zařízení: monitor, tiskárna, reproduktory, sluchátka, dataprojektor,…Vstupní zařízení: klávesnice, myš, microfon, tablet, spaceball, joystick, gamepad,…

Registr: Je to malé úložiště dat umístěné v mikroprocesoru, jejichž obsah lze načíst rychleji než

data uložená jinde.

Procesor: (CPU – Central Processing Unit) Jedná se o primární výpočetní jednotku počítačového systému. Probíhají zde veškeré matematicko-logické operace. Procesor úzce komunikuje se operační pamětí, která procesor zásobuje daty ke zpracování. Současní, nejznámější výrobci procesorů pro osobní počítače jsou společnosti AMD a Intel.Je to složitý programovatelný integrovaný obvod, mozek (srdce) počítače, zajišťuje nejdůležitější funkce, řídí činnost PC, výkon je určen:

a) výrobní řadou např.: 80386, 80486, Pentium I-IV,.... b) taktovací frekvencí např.: 100 Mhz, 600Mhz, 2,4 Ghz,.... Je umístěn na základní desce. Procesor čte z paměti instrukce a na

jejich základě vykonává program. Má vlastní jazyk: strojový kód.

Bit x Byte: Bit je základní jednotkou informace, 1 nebo 0 (ANO-NE). Bit je velmi malá jednotka a tak se rychlosti udávají v kbit a Mbit. Byte je složen z 8 bitů. Pokud si např. pořídíte rychlost připojení 64 kbit, znamená to, že rychlost stahování bude 8 kbyte.Dále se tyto jednotky využívají k označení velikosti daného média (RAM, HDD,…)

Boolean logika: Dvouhodnotová logika založená na tom, že logické výroky jsou buď pravdivé nebo nepravdivé (pravda = 1 x nepravda = 0). Proměnné mohou mít jen jednu ze dvou možných hodnot vztahy mezi proměnnými se logicky vyjadřují operátory (AND, OR, NOT). V oblasti vyhledávání informací nachází booleovská logika uplatnění v dotazovacích jazycích, a to především u textově orientovaných systémů (plnotextové databáze, bibliografické databáze, vyhledávací nástroje pro WWW dokumenty)

true = 1 false = 0

Číselné soustavy: je způsob reprezentace čísel. Rozlišujeme dva hlavní druhy číselných soustav: poziční číselné soustavy a nepoziční číselné soustavy (např.: římské číslice). Dnes se obvykle používají soustavy poziční. Čísla dané soustavy se skládají z uspořádané množiny symbolů, které se nazývají číslice.

Dvojková (binární) 1110101110001 používají ji všechny moderní počítačeOsmičková (oktální)Desítková (decimální) 3758 nejpoužívanější v běžném životěŠestnáctková (hexadecimální) F1A pro číslice 10-15 se používá A-F

Zobrazení textu v   počítači:

ASCII: Jedná se o tabulku (kód), která přiřazuje každému znaku anglické abecedy tzv. ASCII kód. Je to původně 8bitový - obsahuje 128 znaků. Pro dalších jazyky se používají 8bitová rozšíření, obsahující dalších 128 znaků. Význam těchto dalších kódů však není jednoznačný, přizpůsobuje se vždy potřebám daného jazyka. ASCII přesto zůstává historicky nejúspěšnější a nejrozšířenější znakovou sadou, ze které vzešla většina současných standardů pro kódování textu.

Znaková sada: jedná se o kód, který sdružuje znaky z dané množiny (např. abecedy) a přiděluje jim jinou identifikační hodnotu (sekvence čísel, bytů atp.). V praxi narazíme na pojem znaková sada např.: když dojde v nějakém dokumentu k nesprávnému zobrazení českých znaků. Chybně nastavená znaková sada může způsobit i naprostou nečitelnost daného

dokumentu - zobrazí se pouze nesprávné znaky.