Poˇcítaˇcové systémy Historický vývoj výpoˇcetní techniky
Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-1/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Co je to poˇcítaˇc? Poˇcítaˇc: poˇcítací stroj, pˇrevážnˇe automatické elektronické zaˇrízení urˇcené k provádˇení matematických a logických operací; cˇ asto s upˇresˇnujícím prefixem jako analogový, digitální, elektronický poˇcítaˇc. — Oxford English Dictionary Hnacím motorem rozvoje poˇcítacích stroj˚u byl rozvoj r˚uzných obor˚u lidské cˇ innosti jako kupˇríkladu astronomie, námoˇrní navigace, ekonomiky. Hlavním omezujícím faktorem byl aktuální technologický stav. Etapy vývoje dle technologie ë mechanické (3000 pˇred.n.l. - poˇcátek 20,století) ë elektromechanické/reléové (40. léta 20.století) ë elektronkové (40. - 50. léta 20.století) ë tranzistorové (50. - 60. léta 20.století) ë z integrovaných obvod˚u (60. - 70. léta 20.století) ë mikroprocesorové (od 70. let 20.století) Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-2/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Co je to poˇcítaˇc? Poˇcítaˇc: poˇcítací stroj, pˇrevážnˇe automatické elektronické zaˇrízení urˇcené k provádˇení matematických a logických operací; cˇ asto s upˇresˇnujícím prefixem jako analogový, digitální, elektronický poˇcítaˇc. — Oxford English Dictionary Hnacím motorem rozvoje poˇcítacích stroj˚u byl rozvoj r˚uzných obor˚u lidské cˇ innosti jako kupˇríkladu astronomie, námoˇrní navigace, ekonomiky. Hlavním omezujícím faktorem byl aktuální technologický stav. Etapy vývoje dle technologie ë mechanické (3000 pˇred.n.l. - poˇcátek 20,století) ë elektromechanické/reléové (40. léta 20.století) ë elektronkové (40. - 50. léta 20.století) ë tranzistorové (50. - 60. léta 20.století) ë z integrovaných obvod˚u (60. - 70. léta 20.století) ë mikroprocesorové (od 70. let 20.století) Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-2/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Mechanické poˇcítací stroje â Vˇetšina raných poˇcítacích stroj˚u byla analogová zaˇrízení sestrojená za jedním specifickým úˇcelem. â Jen málo z nich bylo zdaˇrilých z d˚uvodu na svou dobu pˇrílišné technologické nároˇcnosti pˇresných souˇcástek (ozubená kola). Významné mechanické poˇcítací stroje
1642 – Blaise Pascal Pascaline 3000 pˇred.n.l – Abacus â první a prakticky nejpoužívanˇejší poˇcítací nástroj â dal základy pro používání poziˇcního systému â v r˚uzných variantách používán dodnes
Miroslav Flídr
â umí pouze sˇcítat a odˇcítat
1623 – Schickardovy “poˇcítací hodiny”
â schopný zpracovat jen max. 8-mi místná cˇ ísla o základu 10
â první automatický kalkulátor â již implementuje 4 základní funkce
1673 –Gottfried Leibniz
â 6ti místná cˇ ísla, detekce pˇreteˇcení
â upravený Pascaline
â Kepler je využíval ke svým výpoˇct˚um
â implementuje 4 základní funkce
â 300 let v zapomnˇení
â umožˇnoval až 16ti místné výsledky
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-3/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Mechanické poˇcítací stroje 1823 – Difference engine - specializovaný poˇcítaˇc â urˇcen k výpoˇctu tabulek pro námoˇrní navigaci â poˇcítal hodnoty polynomiálních funkcí pomocí Newtonovy metody následných diferencí (vyžaduje jen operaci sˇcítání) â výstup na mˇedˇené rycí desky 1833 – Analytical engine - poˇcítaˇc s obecným použitím â cˇ tyˇri souˇcásti í sklad (pamˇet’) - tisíc 50ti místných dekadických slov í mlýn (výpoˇcetní jednotka) - dva hlavní akumulátory a nˇekolik specializovaných pomocných í nˇekolik cˇ teˇcek dˇerných štítk˚u pro data a program í výstupní jednotka s tiskem â rˇízen programem v jednoduchém assembleru â realizován až koncem minulého století pro muzeum Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-4/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Mechanické poˇcítací stroje 1823 – Difference engine - specializovaný poˇcítaˇc â urˇcen k výpoˇctu tabulek pro námoˇrní navigaci â poˇcítal hodnoty polynomiálních funkcí pomocí Newtonovy metody následných diferencí (vyžaduje jen operaci sˇcítání) â výstup na mˇedˇené rycí desky 1833 – Analytical engine - poˇcítaˇc s obecným použitím â cˇ tyˇri souˇcásti í sklad (pamˇet’) - tisíc 50ti místných dekadických slov í mlýn (výpoˇcetní jednotka) - dva hlavní akumulátory a nˇekolik specializovaných pomocných í nˇekolik cˇ teˇcek dˇerných štítk˚u pro data a program í výstupní jednotka s tiskem â rˇízen programem v jednoduchém assembleru â realizován až koncem minulého století pro muzeum Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-4/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Elektromechanické poˇcítaˇce Poˇcítaˇce konstruované Konradem Zusem
Z1 (1938) & Z2 (1939) â první binární poˇcítaˇc se všemy základními prvky dnešních poˇcítaˇcu˚ (stále ještˇe mechanický) â cˇ ísla v plovoucí ˇrádové cˇ árce (7-bitový exponent, 16-bitová mantissa a znaménkový bit) â pamˇet’ sestavéná z kovových šoupátek uchovávala 16 tˇechto cˇ ísel â aritmetická jednotka nespolehlivá ⇒ Z2 zkombinoval pamˇet’ový modul ze Z1 s novou reléovou aritmetickou jednotkou
Z3 (1941) - první opravdu funkˇcní programovatelný poˇcítaˇc â cˇ ísla v plovoucí ˇrádové cˇ árce â pamˇet’ o velikosti 64 slov o 22 bitech (1400 relé) â 3-4 souˇct˚u za minutu; jedno násobení za 3-5 sekund â vstup z klávesnice a výstup pomocí lamp Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-5/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Elektromechanické poˇcítaˇce Poˇcítaˇce konstruované Konradem Zusem
Z1 (1938) & Z2 (1939) â první binární poˇcítaˇc se všemy základními prvky dnešních poˇcítaˇcu˚ (stále ještˇe mechanický) â cˇ ísla v plovoucí ˇrádové cˇ árce (7-bitový exponent, 16-bitová mantissa a znaménkový bit) â pamˇet’ sestavéná z kovových šoupátek uchovávala 16 tˇechto cˇ ísel â aritmetická jednotka nespolehlivá ⇒ Z2 zkombinoval pamˇet’ový modul ze Z1 s novou reléovou aritmetickou jednotkou
Z3 (1941) - první opravdu funkˇcní programovatelný poˇcítaˇc â cˇ ísla v plovoucí ˇrádové cˇ árce â pamˇet’ o velikosti 64 slov o 22 bitech (1400 relé) â 3-4 souˇct˚u za minutu; jedno násobení za 3-5 sekund â vstup z klávesnice a výstup pomocí lamp Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-5/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Elektromechanické poˇcítaˇce Harvard Mark I/IBM ASCC (Automatic Sequence Controlled Calculator) (1944) â první plnˇe automatický a velmi spolehlivý poˇcítaˇc â 72 pamˇet’ových míst pro 23ti ciferná desítková cˇ ísla â kromˇe základních operací i výpoˇcet logaritmu a sinu â 60 rotaˇcních pˇrepínaˇcu˚ používaných jako konstantní registy â program naˇcítán z dˇerné pásky; data na jiné pásce, dˇerných štítcích nebo v konstantních registrech â program neumožˇnoval vˇetvení â oddˇelení dat a programu je dnes oznaˇcováno jako Harvardská architektura IBM v této dobˇe nevidí v poˇcítaˇcích zajímavý obchodní artikl: I think there is a world market for maybe five computers. — Thomas Watson, pˇredseda pˇredstavenstva IBM, 1943 Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-6/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Elektronkové poˇcítaˇce Atanasoff, Berry Computer (1942) â využívá binární cˇ ísla a Booleovu algebru â regenerativní pamˇet’ tvoˇrena dvˇema rotujícími bubny po 1600 kodenzátorech organizovaných do 32 pás˚u po 50 â rychlost 30 souˇct˚u za sekundu â 50ti bitová cˇ ísla s pevnou rˇádovou cˇ árkou â nepoužíval uložený program â neuchytil se, ale inspiroval napˇr. tv˚urce EINACu
Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-7/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Elektronkové poˇcítaˇce ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) (1943-1946) â používán na výpoˇcty balistických drah a testování teorií pˇri návrhu vodíkové bomby â 20 registr˚u schopných uchovat desetimístné desítkové cˇ íslo â programování probíhalo pomocí 6000 pˇrepínaˇcu˚ a propojováním dráty â v principu pomocí elektronek emuloval cˇ innost mechanických poˇcítaˇcu˚ â 5000 jednoduchých operací za sekundu a 385 násobení/s
Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-8/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Elektronkové poˇcítaˇce EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) (1946-1949) â zkonstruován podle návrhu Johna von Neumanna â binární poˇcítaˇc; využíval k ukládání dat magnetické pásky â data i program uloženy ve spoleˇcné pamˇeti a bˇeh je ˇrízen z centrálního ˇradiˇce UNIVAC (1951) První komerˇcnˇe úspˇešný poˇcítaˇc a první, který byl schopen zpracovat jak cˇ íselné, tak i textové informace. Whirlwind (1951) â První poˇcítaˇc, který pracoval v reálném cˇ ase a používal monitory pro výstup. â jako pamˇet’ použity feritová jádra â používal 16 paralelnˇe pracujících 1-bitových matematických jednotek Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-9/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Elektronkové poˇcítaˇce EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) (1946-1949) â zkonstruován podle návrhu Johna von Neumanna â binární poˇcítaˇc; využíval k ukládání dat magnetické pásky â data i program uloženy ve spoleˇcné pamˇeti a bˇeh je ˇrízen z centrálního ˇradiˇce UNIVAC (1951) První komerˇcnˇe úspˇešný poˇcítaˇc a první, který byl schopen zpracovat jak cˇ íselné, tak i textové informace. Whirlwind (1951) â První poˇcítaˇc, který pracoval v reálném cˇ ase a používal monitory pro výstup. â jako pamˇet’ použity feritová jádra â používal 16 paralelnˇe pracujících 1-bitových matematických jednotek Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-9/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Elektronkové poˇcítaˇce EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) (1946-1949) â zkonstruován podle návrhu Johna von Neumanna â binární poˇcítaˇc; využíval k ukládání dat magnetické pásky â data i program uloženy ve spoleˇcné pamˇeti a bˇeh je ˇrízen z centrálního ˇradiˇce UNIVAC (1951) První komerˇcnˇe úspˇešný poˇcítaˇc a první, který byl schopen zpracovat jak cˇ íselné, tak i textové informace. Whirlwind (1951) â První poˇcítaˇc, který pracoval v reálném cˇ ase a používal monitory pro výstup. â jako pamˇet’ použity feritová jádra â používal 16 paralelnˇe pracujících 1-bitových matematických jednotek Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-9/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Tranzistorové poˇcítaˇce TX-0 (Transistorized Experimental computer) (1956) â TX-0 byl v podstatˇe jen tranzistorová verze Whirlwindu â používal 12” osciloskop jako display o rozlišení 512×512 bod˚u â pamˇet’ o 64K slov (tj. vyžadoval 16-ti bitové adresování) â instrukce 18-ti bitové ⇒ pouze 4 možné instrukce (add, store, branch a operate) IBM 7090 (1961) â vˇedecký poˇcítaˇc â cˇ ísla 36-ti bitová (jak v plovoucí tak i pevné ˇrádové cˇ árce) â pamˇet’ velikosti 32K slov â 6ti bitové alfanumerické znaky ukládány po šesti â 4 typy registr˚u (akumulátor, násobek/kvocient, index a sense indicator) â instrukce: 3 bity prefix, 15 bit˚u dekrement, 3 bity tag, 15 bit˚u adresa Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-10/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Tranzistorové poˇcítaˇce TX-0 (Transistorized Experimental computer) (1956) â TX-0 byl v podstatˇe jen tranzistorová verze Whirlwindu â používal 12” osciloskop jako display o rozlišení 512×512 bod˚u â pamˇet’ o 64K slov (tj. vyžadoval 16-ti bitové adresování) â instrukce 18-ti bitové ⇒ pouze 4 možné instrukce (add, store, branch a operate) IBM 7090 (1961) â vˇedecký poˇcítaˇc â cˇ ísla 36-ti bitová (jak v plovoucí tak i pevné ˇrádové cˇ árce) â pamˇet’ velikosti 32K slov â 6ti bitové alfanumerické znaky ukládány po šesti â 4 typy registr˚u (akumulátor, násobek/kvocient, index a sense indicator) â instrukce: 3 bity prefix, 15 bit˚u dekrement, 3 bity tag, 15 bit˚u adresa Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-10/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Tranzistorové poˇcítaˇce PDP-1 (Programmed Data Processor-1) (1960) â pamˇet’ 4K 18-ti bitových slov â pamˇet’ový cyklus feritových pamˇetí 5µs â komerˇcnˇe velmi úspˇešný (cena $ 120000) â pro PDP-1 napsána první poˇcítaˇcová hra Autonetics D-17 navádˇecí poˇcítaˇc â První vestavný systém pro ˇrízení balistických stˇrel Minuteman â jako hlavní pamˇet’ používal 4K rotaˇcní magnetický disk
Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-11/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Tranzistorové poˇcítaˇce PDP-1 (Programmed Data Processor-1) (1960) â pamˇet’ 4K 18-ti bitových slov â pamˇet’ový cyklus feritových pamˇetí 5µs â komerˇcnˇe velmi úspˇešný (cena $ 120000) â pro PDP-1 napsána první poˇcítaˇcová hra Autonetics D-17 navádˇecí poˇcítaˇc â První vestavný systém pro ˇrízení balistických stˇrel Minuteman â jako hlavní pamˇet’ používal 4K rotaˇcní magnetický disk
Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-11/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Poˇcítaˇce z integrovaných obvod˚u IBM System 360 (1964) â první rodina poˇcítaˇcu˚ urˇcena k nahrazení ˇrad 7094 a 1401 â urˇcen jak pro vˇedecké výpoˇcty, tak i pro potˇreby velkých firem â výhodou byla pˇrenositelnost softwaru â umožˇnoval multiprogramming (více program˚u v pamˇeti) â využíval mikroprogramování ⇒ snadná emulace starších model˚u â možnost adresace až 224 bytové pamˇeti â 16 32-bitových registr˚u pro binární aritmetiku â zachoval si sérové instrukce pro práci se záznamy s promˇennou délkou
Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-12/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Poˇcítaˇce z integrovaných obvod˚u PDP-11 (1970) â 16-ti bitový minipoˇcítaˇc â používal ortogonální instrukˇcní sadu â poskytoval 8 registr˚u (7 obecných + cˇ ítaˇc instrukcí) â umožˇnoval nˇekolik adresních mód˚u (pˇrímý, absolutní a relativní) â nepoužíval specializovanou sbˇernici, všechny V/V operace se mapovaly do adresního prostoru â vestavná varianta LSI-11 - CPU na 4 integrovaných obvodech (mikrokód obsahoval i debugger pˇrístupný pˇres RS-232) Navádˇecí poˇcítaˇc Apolla â 16ti bitový; 4K slov RAM, 32K ROM â 4 centrální registry a 11 vnitˇrních registr˚u â umožˇnoval úsporný režim Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-13/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Poˇcítaˇce z integrovaných obvod˚u PDP-11 (1970) â 16-ti bitový minipoˇcítaˇc â používal ortogonální instrukˇcní sadu â poskytoval 8 registr˚u (7 obecných + cˇ ítaˇc instrukcí) â umožˇnoval nˇekolik adresních mód˚u (pˇrímý, absolutní a relativní) â nepoužíval specializovanou sbˇernici, všechny V/V operace se mapovaly do adresního prostoru â vestavná varianta LSI-11 - CPU na 4 integrovaných obvodech (mikrokód obsahoval i debugger pˇrístupný pˇres RS-232) Navádˇecí poˇcítaˇc Apolla â 16ti bitový; 4K slov RAM, 32K ROM â 4 centrální registry a 11 vnitˇrních registr˚u â umožˇnoval úsporný režim Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-13/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
Mikroprocesorové poˇcítaˇce Významné milníky â 1971 - Intel uvádí první dynamickou RAM pamˇet’ â 1972 - vyvinut první mikroprocesor Intel 4004 â 1974 - 8 bitové mikroprocesory Intel 8080 a Motorola 6800 â 1978 - 16 bitový Intel 8086 â 1979 - Motorola 68000 vnitˇrnˇe již 32 bitový â 1980 - jednoˇcipový mikropoˇcítaˇc Intel 8051
Miroslav Flídr
Poˇcítaˇcové systémy LS 2006
-14/14-
Západoˇceská univerzita v Plzni
