Elektronické počítače

0. generácia (... – 1945)

Niekedy sa počítače z obdobia druhej svetovej vojny považujú za počítače nultej generácie.

Alan M. Turing (1937)

http://www.turing.org.uk/turing/

Počítač Colossuss

Britský matematik Alan Turing vypracoval v roku 1937 teóriu známu pod menom Turingov stroj, v ktorej uviedol teoretický základ moderných počítačov. Tento stroj vznikol ako reakcia na riešenie matematickej úlohy tej doby: rozhodnuteľnosti - vyčísliteľnosti:

Problém je nerozhodnuteľný (pravdivý, nepravdivý), ak neexistuje algoritmus na jeho riešenie

Ako prvý sa tejto problematike venoval rakúsky matematik Kurt Gödel. Pod Turingovým vedením bol v Anglicku v roku 1943 skonštruovaný COLOSSUS. Pomocou tohto stroja dekódovali správy zakódované nemeckým kódovacím prístrojom Enigma. Najnovšie „výskumy“ považujú tento stroj za prvý elektronický počítač. Pôvodne bol považovaný za prvý počítač ENIAC.

Počítač Colossuss

John W. Mauchly a John P. Ecker (1946)

Skonštruovali na „University of Pennsylvania“ počítač s názvom – ENIAC (Electronic Numerical Inegrator and Calculator).Pôvodne bol vyvíjaný pre armádu. Vývoj trval tri roky. Dokončený bol v roku 1946.Bol vyvinutý pre potreby organizácie, ktorá počítala balistické krivky nových zbraní. ENIAC bol použitý pri vývoji vodíkovej bomby. ENIAC zaberal plochu 9x 15 m2 (30 x 50 feet) a vážil 30ton. Bol zostrojený z 18000 elektróniek, 70000 odporov, 10000 kondenzátorov a 6000 prepínačov. Pracovná frekvencia bola 100kHz. Príkon zariadenia bol 140 kW (príkon sa opäť mení podľa zdroja). Na chladenie sa používali dva letecké motory. Čísla boli reprezentované v dekadickej sústave. Ako príklad: násobenie trvalo cca 3 ms. Nedostatkom ENIACu bolo programovanie. Programoval sa ručne nastavením prepínačov a poprepájaním jednotlivých blokov navzájom pomocou káblov.

Počítač ENIAC

Konrad Zuse (1938 - 41)

Nemec Konrad Zuse konštruuje v Berlíne mechanické stroje V1 a V2 a neskôr elektromechanický V3. Tieto počítače sú po vojne premenované na Z1, Z2 a Z3. Počítače pracovali v dvojkovej sústave s pohyblivou rádovou čiarkou. Zuse nepoznal Babbageho práce, čo malo za následok, že do svojho projektu nezahrnul podmienené skoky. Pôvodne bol Zuseho počítače vyvíjané pre armádu, ale pre malý výkon sa nevyužívali. Program sa ukladal na diernu pásku (fotografický film). Dĺžka slova bola 22 bitov.

Taktovacia frekvencia: (5 až 10Hz). Pamäť mala kapacitu 64 slov. Dáta sa zadávali ručne z klávesnice. Výstup bol na žiarovkový zobrazovač. Počítač bo v roku 1944 zničený pri leteckom nálete.

Porovnanie s inými prácami:

Z3 (1941) bol prvým fungujúcim programovo riadeným počítačom, ktorý obsahoval až 2600 relé. Prvý neprogramovateľný počítač bol postavený v roku 1623 Wilhelm-om Schickard-om. Zopakujme si slovné spojenie: Dvojková sústava, a mená s týmto pojmom spojené: „Pre nás“ dvojkovú sústavu „vymyslel“ Gottfried Leibniz, Boole k tomu vymyslel boolovú algebru, Shannon obhájil na túto tému dizertačnú prácu, výsledkom ktorej boli číslicové obvody postavené na relátkach. Zuse to celé dal dokopy a vytvoril prvý programom riadený počítač. Program bol vydierovaný na páse filmu. Ak by niekto povedal, že prvým programovatelným počítačom bol Babbage-ho počítač, tak treba povedať ale „dekadický“ a nedokončený, .... . ENIAC bol síce elektrónkový a dokončený neskôr, ale preprogramovať ho, znamenalo „predrátkovať“. Dá sa povedať, že Zuse trocha predbehol dobu ale mal smolu, že ...

Howard Aiken a Grace Hopper (1943)

Počítač MARK I

Aiken na rozdiel od Zuseho poznal prácu Babbage-a. Na vývoji počítača MARK I (Harvard University) začali pracovať v 1939 a funkčný počítač bol hotový 1944. Podobne ako Babbage používal dekadické zobrazovanie čísel. Kapacita pamäte bola 72 23-miestných dekadických čísel. Inštrukcie sa ukladali na dierovaný papierový pásik. Aiken na rozdiel od Babbage-ho mal „operácie“ aj „ premenné“ na jednom médiu. Každá inštrukcia mala formát: A1 A2 OP. Kde OP boli operácie typu: +, -, *, /, a A1 a A2 boli registre, v ktorých boli uložené operandy.

Tento počítač bo síce pomalý, ale mal zabudované také prvky architektúry počítačov ako sú: akumulátor, indexové registre, ... Aritmetické operácie súčet, rozdiel, násobenie, ako aj logické operácie boli realizované hardverovo. Bežné inštrukcie sa vykonali za cca 1.8 ms. Jednoduché spočítanie mu trvalo 0.3 sekundy a násobenie 6 sekúnd. Zaujímavou bola „stredná doba bezporuchovej prevádzky“: TÝŽDEŇ. RPP16, prvý ČSSR riadiaci počítač, sa vraj za tú dobu dokázal pokaziť niekoľko krát.

Von Neumann (1946) von N

Von Neumann, Američan maďarského pôvodu, a Goldstine prevzali základné princípy ENIAC-u a navrhli ukladať program do pamäte. Dá sa to povedať aj takto: uvedomili si nedostatky ENIACU: Počítač nie je jednoúčelový stroj, a dá sa programovať aj ináč ako prestavením prepínačov,... V článku (uverejnený v roku 1945) o počítači EDVAC (Electronic Discrete Variable automatic Computer) definoval vlastnosti súčasných počítačov. V rovnakom čase dospel k záveru, že počítač je stroj riadený programom uloženým spolu s dátami v pamäti aj Angličan Turing. Jeho práce podliehali utajeniu.

Táto architektúra sa preslávila pod názvom “von Neumann” architektúra a stala sa prakticky základom všetkých neskôr vyvinutých počítačov. Táto architektúra bola dôsledne použitá až pri vývoji počítača EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) na univerzite v Pensylvánii v roku 1949.

Treba spomenúť aj meno Claude E. Shannon: v roku 1948 publikoval „A Mathematical Theory of Communication“. O rok neskôr publikoval prácu „Communication Theory of Secrecy Systems“. S menom Shannon sa spája aj tzv. Vzorkovací teorém (Whittaker-Nyquist-Kotelnikov-Shannon sampling theorem), ktorý nám hovorí ako sa dá rekonštruovať spojitý signál s navzorkovaného.

Pri zrode moderného počítača boli tri krajiny:

• Nemecko. Mnoho Zuse-ho prác bolo zničených pri náletoch na Berlín. Vývoj sa zastavil v roku 1945.
• USA. Dve vetvy vývoja:
  • Základom Aiken-ových počítačov MARK I a II boli relé. Keďže sa táto technológia ukázala ako zastaralá, vývoj sa ukončil v roku 1947.
  • Základom druhej vetvy bola práca Atanasoff–a a Berry-ho, ktorí ako prví použili elektrónky. Elektrónky boli použité aj v počítači ENIAC. Teoreticky túto vetvu zavŕšil Von Neumann a v spojení s prácami britských vedcov vzniká moderný počítač.
• Anglicko. Angličania prispeli Turing-ovými prácami a počítačom COLOSSUS.

1. generácia (1945 – 1958)

• Základom počítačov 1. generácie bola elektrónka, ktorú v roku 1906 vyvinul Lee De Forest v USA. Elektrónka bola základ bezzotrvačných prepínačov a pamäťových prvkov.
• Dáta a inštrukcie (program) sú uložené v tej istej pamäti typu: read-write memory. Obsah pamäte je adresovateľný umiestnením bez ohľadu na obsahu samotnom. Inštrukcie sa spracovávajú postupne – sériovo.
• Jedna centrálna procesorová jednotka (CPU – Central Processor Unit ). CPU realizuje všetky pamäťové a vstupno-výstupné operácie.
• Komplikovaná inicializácia.
• Rýchlosť výpočtov: cca 40 000 OP/sek.
• Programové prostriedky: Strojový kód, asemblér. Ešte sa nepoužívajú vyššie programovacie jazyky. Neexistujú operačné systémy. Do pamäte sa zavedie vždy len jeden program.
• Veľká zastavaná plocha.
• V roku 1951 Grace Hopper, kolega Howarda Aikena, vyvinul nový počítačový program, jazyk, nazývaný compiler (prekladajúci program), ktorý prekladal symbolický jazyk do binárneho jazyka počítača. Od tohto okamžiku bolo programovanie jednoduchšie.
• “I think there is a world market for maybe 5 computers”, Thomas Watson, IBM (1943)

2.generácia (1958 - 1964)

Prvý tranzistor

• Zmena technológie. Namiesto elektrónky je použitý tranzistor (menšie elektródy ako elektrónká, a teda rýchlejší). Tranzistor bol objavený v 1948 v Bell Laboratories, USA. Tranzistorový efekt bol známy oveľa skorej, ale jav sa podarilo popísať neskôr. Najskôr sa vyrábal ako hrotový – veľký rozptyl parametrov, neskôr ako plošný. Vykonával rovnakú funkciu ako elektrónka, avšak s oveľa menším napätím, prúdom a celkovým vyžiarením teplom. Odborníci tej doby sa o tranzistore vyjadrovali nasledovne: Je to pekné, ale nenahradí to elektrónku. Tranzistor je vyrobený z polovodičového materiálu. Prúd prechádzajúci medzi kolektorom a emitorom je ovládaný nábojom privedeným na bázu.
• Ako operačná pamäť sa začala používať feritová pamäť (1 jadro - 1 bit, „deštrukčná pamäť“ čítaním sa obsah zrušil).
• Aritmetika v pohyblivej rádovej čiarke.
• Vstupno-výstupné operácie vykonáva I/O jednotka (I/O procesor).
• Rýchlosť výpočtov: cca 200 000 OP/sek.
• Programové prostriedky: Problémovo orientované programovacie jazyky. COBOL, FORTRAN, ALGOL.
• Vznikajú jednoduché operačné systémy, začiatok uplatňovania filozofie prideľovania času a jednoduchých prerušovacích systémov, dávkový spôsob prístupu používateľa k počítaču.

3. generácia (1964 - 1974)

Problémom počítačov druhej generácie bola výroba dosiek plošných spojov s množstvom tranzistorov, odporov, kondenzátorov, ... Celé sa to montovalo do rámov. Výroba a oživovanie bola drahá a pomalá.

• Základom počítačov 3. generácie sú integrované obvody – ICs a polovodičové pamäte. Prvý integrovaný obvod vznikol tak, že na polovodičový materiál výskumníci dali niekoľko tranzistorov a prepojenia medzi nimi boli realizované na samotnom polovodičovom materiály. Po zistení, že kúsok polovodičového „vodiča“ dokáže uchovávať elektrický náboj sa začali vyrábať polovodičové pamäte.
• Mikroprogramové riadenie CPU.
• Prúdové spracovanie informácií (pipelining).
• Vyrovnávacie pamäte typu cache. Slúžia na vyrovnanie rýchlostí medzi hlavnou pamäťou a CPU.
• Na ukladanie programu sa používajú diskové magnetické pamäte.
• Multiprogramovanie podporuje viac používateľský prístup pomocou prekrývania činnosti CPU a I/O blokov.
• Rýchlosť výpočtov: cca 1 000 000 OP/sek .
• Programové prostriedky: vývoj a používanie operačných systémov podporujúcich virtuálny pamäťový priestor. Vznikli nové programovacie jazyky: BASIC (1965) PASCAL.
• Aplikácie v riadiacich systémoch pracujú v reálnom čase.
• Existujú rodiny počítačov.

4. generácia (1974 – až do súčasnosti)

• Prvková základňa: obvody LSI (Large scale integration) a VLSI. Mikroprocesory. Polovodičové pamäte.
• Rýchlosť výpočtov: cca 10 000 000 OP/sek
• Programové prostriedky: Distribuované systémy – počítačové siete.
• Počítač sa natoľko zmenšil, že sa objavili prvé Osobné počítače postavené na báze procesora 8088 a operačného systému DOS, Pokračovaním bol procesor 80286 – 16 bitový .

5. generácia (? Súčasná budúcnosť ?)

• VLSI / ULSI
• Vznikajú prvé „pentia“
• Počítačové siete.
• Umelá inteligencia – komunikácia s človekom, automatické opravy programu,
• ...
• Paralelné spracovanie. Počítače „non von Neumann“ koncepcie.

Ďalšia kapitola: Čo je to počítač?
Predošlá kapitola: História: Vek mechaniky
Obsah: Architektúra počítačov