TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČR.
Kapitoly z dějin informatiky 2 Vývoj hardware ve 20. století Michal Musílek
Centrum talentů MFI, Pedagogická fakulta UHK, Hradec Králové 2010
Obsah Předmluva .......................................................................................................................................................... 3 4
První elektromechanické a elektronické počítače........................................................................................ 4 4.1 Konrad Zuse a jeho elektromechanický počítač Z3 ............................................................................... 4 4.2 Atanasoff-Berry Computer (ABC) – první elektronický počítač ........................................................... 5 4.3 Colossus Mark 1 a 2 - britské kryptoanalytické počítače v tajné válce .................................................. 5 4.4 USA a Velká Británie v čele vývoje – počítače nulté a první generace ................................................. 8 4.5 Monstrum zvané ENIAC a jeho následovník EDVAC .......................................................................... 9 4.6 Generace počítačů ................................................................................................................................ 10
5 Analogové počítače, záznamová a sdělovací technika ................................................................................ 11 5.1 Mechanické a elektromechanické analogové počítače ......................................................................... 11 5.2 Operační zesilovač – základní konstrukční prvek analogových počítačů ............................................ 12 5.3 Analogové počítače a jejich použití, přednosti a slabiny ..................................................................... 13 5.4 Záznam zvuku a postupné splývání výpočetní a záznamové techniky ................................................. 15 5.5 Historie telegrafie a její vliv na počítačovou techniku ......................................................................... 16 5.6 Telegrafie a šifrování, šifra PlayFair .................................................................................................... 19 6 Historie počítačových periferií a pamětí ..................................................................................................... 21 6.1 Konzole – od elektrického psacího stroje k znakovému terminálu ...................................................... 21 6.2 Počítačové monitory CRT, vývoj grafických adapterů PC .................................................................. 23 6.3 Počítačové tiskárny, různé principů tisku, souřadnicové zapisovače ................................................... 24 6.4 Vývoj operační paměti počítačů ........................................................................................................... 25
2
Předmluva Toto vyprávění o nejzajímavějších momentech historického vývoje informatiky vzniklo jako studijní text pro nadané zájemce o informatiku (případně výpočetní techniku či matematiku) z řad středoškolských studentů v rámci projektu Centrum talentů MFI Pedagogické fakulty Univerzity Hradec Králové. Stejně dobře může posloužit i jejich učitelům pro zpestření výuky informatiky. Historie informatiky nebo, chcete-li, výpočetní techniky začíná už v době starověkých civilizací výpočetními pomůckami (abakus, čínské počítací hůlky) a pokračuje v novověku od dob renesance dokonalejšími mechanickými kalkulátory buď digitálními (konstrukce Shickardova, Pascalova, Leibnizova, Colmarova, Odhnerova), nebo analogovými (logaritmické pravítko), aby v 19. století mechanická etapa vývoje vyvrcholila velkolepými projekty jednoúčelových počítačů – diferenčních strojů, jež dokázaly automaticky počítat a tisknout tabulky matematických funkcí, a Hollerithových děrnoštítkových systémů, jež dokázaly zpracovávat rozsáhlé relační databáze. Masový rozvoj informačních technologií ovšem přichází až ve 20. století s elektronickými počítači a rychlým zvyšováním jejich výkonu při současném zmenšování rozměrů. Proto je druhý díl kapitol z dějin informatiky zcela zasvěcen elektronickým počítačům, jak číslicovým, tak analogovým, včetně vstupních a výstupních (periferních) zařízení, jak se vyvíjely v minulém století. Zmíníme se také o vzájemném ovlivňování výpočetní, záznamové a sdělovací techniky, které nakonec vedlo k jejich současnému propojení. Protože ve 20. století se toho v dějinách informatiky událo opravdu hodně, bude vývoji programovacích jazyků, operačních systémů, uživatelských rozhraní počítačů a aplikačního software věnován samostatný 3. díl publikace. Přeji vám, milí čtenáři, aby vás čtení kapitol z historie informatiky bavilo alespoň tak, jako mne těšilo je pro vás psát.
V Hradci Králové v březnu 2010 Michal Musílek
3
4
První elektromechanické a elektronické počítače
4.1 Konrad Zuse a jeho elektromechanický počítač Z3 Tvůrcem prvního univerzálního (Turing kompletního) elektromechanického počítače byl německý inženýr Konrad Zuse (1910 – 1995). Plně funkční a Luftwaffe prakticky používaný počítač Z3 dokončil roku 1941. Svůj první počítač Z1 navrhl už v roce 1936 a jeho stavbu dokončil roku 1938. První nedokonalý model měl kolíčkovou paměť na pouhých 16 čísel a byl poměrně poruchový. Na druhou stranu už tento první pokus vykazoval pokrokovou koncepci, k níž patřilo uložení čísel ve dvojkové soustavě, aritmetika s plovoucí desetinou čárkou, záznam programu na děrné pásce (jako médium byl použit 36 mm kinofilm). Tyto prvky neměly některé pozdější stroje jiných konstruktérů. Druhý počítač Z2 už byl navíc o mnoho spolehlivější. V pravou chvíli se k Zusemu připojil Helmut Shreyer a společným úsilím vyrobili první Turing kompletní (univerzální) elektromechanický počítač Z3. Počítač byl ihned využíván německým válečným letectvem, např. pro výpočty drah balistických raket V2 či pro statistickou analýzu vibrací křídel letadel. Relé bylo vynalezeno už 1835 J. Henrym. Jakmile cívkou elektromagnetu 1 začne téct elektrický proud, přítáhne zmagnetované jádro 2 kotvu 3 a pákovým převodem sepne pružné kontakty 4.
Obr. 47 Autoportrét Kondrada Zuse
Obr. 48 Relé – schéma činnosti součástky
Hlavním konstrukčním prvkem elektromechanických počítačů bylo relé, spínací součástka, jejíž kontakt je ovládán magnetickým polem cívky. Počítače, jejichž výpočetní a paměťové obvody obsahovaly relé, byly nazvány elektromechanické. Stroje bez relé byly nazvány elektronické, jejich výpočetní obvody obsahují pouze elektronické součástky (nejprve elektronky, později tranzistory a ještě později integrované obvody). Zuse neznal Babbageovy práce, takže začínal od nuly. Přesto byl jeho Z3 velmi dokonalý. Jedinou koncepční chybou Z3 byla absence podmíněného skoku. Místo výběru z variant bylo nutné pomocí smyček vypočítat všechny varianty a následně zahodit všechny nepotřebné možnosti. Zuseho přínos k vývoji počítačů byl celosvětově uznán až s určitým zpožděním. Bezprostředně po skončení 2. světové války mělo poražené Německo oslabenou pozici také při prosazování v oblasti vědy a techniky. Obr. 49 Funkční replika Z3, kterou sestavil K. Zuse roku 1960, v Něměckém Muzeu v Berlíně
4
4.2 Atanasoff-Berry Computer (ABC) – první elektronický počítač Zcela nezávisle na Zuseho výzkumech vznikl jen o rok později v USA první elektronický počítač. Nebyl sice univerzální, nýbrž jednoúčelový, ale zato měl velmi elegantní konstrukci bez použití relé a jeho rozměry byly dány velikostí běžného psacího stolu. Program byl dán napevno zapojením hardware, tedy ABC nebyl vůbec programovatelný. Jeho úkolem bylo řešit soustavy n (n ≤ 29) lineárních rovnic o n neznámých. Tvůrci počítače John Atanosoff (1903 – 1995) a jeho student Clifford Berry (1918 – 1963) použili v roce 1942 mnoho originálních konstrukčních řešení. Např. dynamickou kondenzátorovou paměť na otočném bubnu, či vypalování štítků elektrickou jiskrou místo jejich děrování. V roce 1997 byla na Iowa State University, tedy na stejném místě, kde v roce 1942 vznikl originál, po několika letech práce týmu nadšenců spuštěna funkční replika ABC. Již v roce 1973 byl rozsouzen patentový spor mezi firmami Remington Rand a IBM, ve kterém se cítila být na koni firma Remington Rand, které koupila patentová práva na počítač od Johna Mauchlyho, tvůrce prvního univerzálního amerického počítače ENIAC. Obr. 50 Funkční replika ABC Závěr soudu v patentovém sporu byl jednoznačný. Prvním americkým elektronickým počítačem nebyl ENIAC, ale ABC. Tvůrci ENIAC se inspirovali některými konstrukčními myšlenkami tvůrců ABC. USA patent na elektronický počítač získal syn bulharského přistěhovalce John Atanasoff.
4.3 Colossus Mark 1 a 2 - britské kryptoanalytické počítače v tajné válce Zatímco Německo používalo počítač Z3 při vývoji zbraní svého válečného letectva, snažila se Velká Británie vyvinout tajnou zbraň, která by jí pomohla rozlomit šifry nepřítele a dovolila získávat sledováním jeho radiové komunikace zpravodajské informace, nebo mu podsunout dezinformace. Šlo především o dva šifrovací systémy. Známější rotorový šifrovací stroj Enigma, který měl několik variant (jinou používaly pozemní síly, jinou letectvo a jinou námořnictvo), a méně známý, ale dokonalejší šifrovací dálnopis Lorenz SZ40 / SZ42. Rotorové šifrovací stroje různých konstrukcí používaly jak armády osy Berlín – Řím – Tokio, tak spojenci. Konstrukcí na první pohled připomínaly spíš mechanické kalkulátory, o kterých jsme hovořily v první kapitole. Uvnitř rotorů však byly spojovací vodiče, které důmyslně propojovaly kontakty po jejich obvodu, a také vně rotorů byl systém vnějších vodivých spojení, který zajišťoval skládání permutací daných rotory. Permutace, kterou vytvářel každý z rotorů se měnila při každém jeho pootočení. Otáčení rotorů zajišťovala mechanická část stroje, vlastní zašifrování jednotlivého písmene elektrická část. Šlo tedy o jednoúčelové elektromechanické zařízení. 5
Obr. 51 Rotorový šifrovací stroj Enigma (vlevo schéma zapojení z patentového spisu, uprostřed celkový pohled na variantu pozemních sil Wehrmachtu s třemi rotory, vpravo schéma vnitřního zapojení dvou rotorů vedle sebe, z něhož je patrný princip skládání permutací) Enigmu vynalezl a dal si ji patentovat roku 1918 německý inženýr Athur Scherbius jako šifrovací stroj pro civilní použití (k ochraně obchodního tajemství). Původní robustní konstrukci postupně zjednodušoval. V roce 1925 si Wermacht objednal tajnou armádní verzi s jiným vnitřním zapojením rotorů a přidaným propojovacím panelem, který radikálně zvýšil počet možných nastavení stroje a ztížil případně luštění tajných zpráv. Již roku 1926 používá Wermacht Enigmu při manévrech pro šifrování radiového spojení (radiotelegrafie užitím Morseovy abecedy), které odposlouchávají a pečlivě zapisují polští radisté. Roku 1931 získala francouzská špionážní služba manuál k obsluze Enigmy, přísně tajný dokument určený obsluze vojenského šifrovacího stroje. Kopii manuálu předá svému spojenci – Polsku, aniž by si byla vědoma, jak obrovskou cenu pro něj může mít. Šifrovací stroj Enigma byl v té době a ještě dalšího čtvrt století pokládán za nerozluštitelný, na čemž manuál k obsluze (nikoliv přesná technická dokumentace s vnitřním zapojením rotorů) zdánlivě nemohl nic změnit. V polském Biuru Szyfrów od roku 1930 pracoval nadaný matematik, čerstvý absolvent Poznaňské univerzity, Marian Rejewski (1905 – 1980), kterému se uplatněním kombinace matematických a psychologických metod podařilo rozluštit vnitřní zapojení rotorů Enigmy. Následně se dvěma kolegy ze studií rozpracovali metodiku umožňující pravidelné luštění německých šifrových zpráv. V roce 1938 zkonstruoval stroj na automatické odhalování počátečního nastavení Enigmy pro konkrétní zachycený šifrogram, který nazval bomba kryptologyczna. V roce 1939 ještě před vypuknutím války předali dostupné informace pracovníkům britské a francouzské vojenské rozvědky. Ve chvíli, kdy bylo Polsko napadeno uprchl spolu s dalšími kryptology do Francie, kde 6
luštili německé šifry a později do Velké Británie, kde se stal příslušníkem Polské zahraniční armády. Fotografii z tohoto období vidíme na obr. 52. Mezitím už v srpnu 1939 Velká Británie začala budovat své tajné kryptoanalytické centrum v Bletchey Park 6 . Členem týmu a později šéfem oddělení pro luštění šifer německého námořnictva byl Alan Turing. Tento vynikající matematiky je znám nejen díky praktickým úspěchům kryptoanalýzy, ale také teoretickou koncepcí univerzálního počítače (Turingův stroj) a návrhem testu, kterým lze posoudit, zda se stroj chová inteligentně (Turingův test). Obr. 52 Marian Rejewski
Obr. 53 Alan Turing
Alan Turing (1912 – 1954) sestrojil s využitím Rejewského zkušeností jednoúčelové počítače, které dokázali velmi rychle (do dvou hodin) odhalit aktuální klíč pro daný zachycený kryptogram. Podle Rejewského bomby kryptologyczne se jim říkalo Turingovy bomby. Protože zprávy zachycené v jednom dni používaly stejné výchozí nastavení, znamenalo to prakticky plnou kontrolu německé radiotelegrafické komunikace. Zatímco Enigmu se dařilo zvládat s využitím Turingových bomb relativně snadno, šifrovací dálnopis Lorenz SZ40 / SZ42 byl tvrdším oříškem. Radiodálnopis užívaly k šifrování vyšší štáby německé armády, takže právě rozluštění těchto zpráv mělo obrovský strategický význam. Proti Lorenzům chtěli odborníci z Bletchey Parku nasadit výkonný programovatelný počítač. Zkonstruoval jej pro ně inženýr Tommy Flowers (1905 – 1998) z výzkumného ústavu britského ministerstva pošt v roce 1943 (Colossus Mark 1) a 1944 (Colossus Mark 2). Obr. 54 Turingova bomba
6
http://www.bletchleypark.org.uk/
7
Počítače Colossus Mark 1,2 byly elektronické a své jméno si vysloužily i díky na svou dobu „kolosálnímu“ počtu použitých elektronek – 1800 (v CM1), resp. 2400 (v CM2). Počítačů CM2 bylo vyrobeno celkem 10 kusů a první z nich byl nasazen do akcí Bletchey Parku už od června 1944. Vojenští specialisté odhadují, že práce kryptoanalytiků z Bletchey Parku usnadnila otevření západní fronty vyloděním v Normandii a zkrátila trvání 2. světové války v Evropě asi o 18 měsíců. Obr. 55 Colossus Mark 2 a jeho operátorky Všech 10 exemplářů CM2 bylo ihned po skončení války zničeno, aby se zachovalo vojenské tajemství. Velká Británie pečlivě chránila už jen samotné tajemství leštitelnosti kódů Enigmy. Řada států totiž po válce používala trofejní Enigmy pro šifrování vlastní komunikace, a tak britské tajné služby získaly významnou výhodu. Také přínos jednotlivých osobností byl pečlivě tajen až do roku 1970. Rodina Tommyho Flowers věděla pouze, že za války pracoval na něčem tajném a důležitém. Marian Rejewski vystoupil z ilegality až v roce 1973, kdy se začalo v západní Evrope hovořit o přínosu Poláků k rozlomení Enigmy. Mnohem hůř však dopadl Alan Turing, který byl po válce pronásledován kvůli homosexualitě, jež v té době ještě byla ve Velké Británii trestná. Příkoří velmi špatně snášel a roku 1954 spáchal sebevraždu (snědl otrávené jablko). Architektura počítačů CM2 odpovídala jejich určení. Programovaly se pomocí propojovacích kabelů a přepínačů na ovládacím panelu. V roce 2007 byla dokončena spuštěna funkční replika počítače Colossus Mark 2 v londýnském Národním muzeu výpočetní techniky.
4.4 USA a Velká Británie v čele vývoje – počítače nulté a první generace Po ojedinělé průkopnické práci Konrada Zuseho převzaly iniciativu USA a Velká Británie, které zkonstruovaly během 40. let a v první polovině 50. let dvacátého století většinu počítačů. 1941 1942 1943 1944 1944 1946 1947 1948 1949 1949 1949
7
Z3 (K. Zuse a H. Shreyer) ABC (J. Atanasoff a C. Berry) Colossus Mark 1 Colossus Mark 2 Harward Mark I ENIAC (Mauchly a Eckert) Harward Mark II Manchester „Baby“ EDSAC Manchester Mark 1 CSIRAC
univerzální jednoúčelový
elektromechanický
elektronický programovatelný elektronický programovatelný elektronický elektromechanický univerzální univerzální elektronický elektromechanický univerzální univerzální elektronický univerzální elektronický univerzální elektronický univerzální elektronický
BCD … binárně kódovaná desítková soustava.
8
binární binární binární binární BCD7 BCD BCD binární binární binární binární
Německo USA Velká Británie Velká Británie USA USA USA Velká Británie Velká Británie Velká Británie Austrálie
První počítače používaly pro uložení čísel a výpočty s nimi buď binární číselnou soustavu, nebo desítkovou soustavu, ovšem binárně kódovanou (BCD … binary coded decimal). Arichtektura počítačů byla buď von Neumannova, nebo Harwardská. Tyto dvě architektury se liší uložením programu a dat, které jsou ve von Neumanově uloženy ve společné operační paměti, zatímco v Harwardské architektuře jsou separovány, tj. uloženy naprosto odděleně. První počítače také neměly program uložený v operační paměti, ale programovaly buď se propojovacími kabely a přepínači na ovládacím panelu (Colossus Mark 1 a 2, ENIAC), nebo četly instrukce programu z děrné pásky a vykonávaly je krok za krokem (Z3 a Harward Mark I). Další již měly operační paměť, do které ukládaly program. Operační paměti prvních počítačů byly založeny na velmi rozdílných technických principech. Budeme se jimi zabývat v kapitole 6. Pokud jde o hranici mezi 0. a 1. generací počítačů, je nezřetelná. Můžeme se dohodnout, že počítače první generace musí splňovat následující podmínky: 1. být elektronické, nikoliv elektromechanické, 2. být programovatelné, nikoliv jednoúčelové, 3. být univerzální, tedy Turing kompletní. Pak můžeme zhruba říct, že nultá generace odpovídá první polovině čtyřicátých let, zatímco první generace druhé polovině čtyřicátých a první polovině padesátých let.
4.5 Monstrum zvané ENIAC a jeho následovník EDVAC První počítač splňující všechny tři podmínky první generace byl ENIAC, tedy Electronic Numerical Integrator And Computer. Tento počítač obsahoval ve svých obvodech 17 468 elektronek, 7 200 krystalových diod, 70 000 rezistorů, 10 000 kondenzátorů a 5 000 000 ručně pájených spojů. Jeho celková hmotnost byla 27 000 kg a elektrický příkon 150 000 W. Podlahová plocha, na které stály skříně s obvody byla 63 m2 a cena počítače 500 000 amerických dolarů. Velká součástková a z ní plynoucí energetická náročnost byly do značné míry dány použitím binárně kódované desítkové soustavy, což se projevilo v uspořádání operační paměti i aritmetické jednotky počítače. Zkusíme-li porovnat ENIAC a EDVAC, na kterém pracovala stejná dvojice šéfů konstrukčního týmu – John Mauchly (1907 – 1980) a Presper Eckert (1919 – 1995), zjistíme, že binární aritmetika a paměť potřebovali při srovnatelném výpočetním výkonu pouze 6 000 elektronek a 1200 krystalových diod. Hmotnost počítače EDVAC byla 7 850 kg a podlahová plocha skříní 46 m2. Cena počítač měla být původně také výrazně nižší, ale nakonec byla stejná – 500 000 $. Obr. 56 P. Eckert a J. Mauchly Operační paměť tohoto sálového počítače byla 5,5 kB, přesněji řečeno 1024 slov o délce 44 bitů, zatímco tento text píšu na notebooku s operační pamětí 4 GB. Násobení dvou čísel trvalo 2900 μs.
9
Poradcem vývojového týmu byl John von Neuman (1903 – 1957), který v „Prvním náčrtu zprávy o EDVAC“ popsal roku 1946 architekturu počítače, která díky tomu dodnes nese jeho jméno. Zabýval se také teorií neuronových sítí. Kromě informatiky byl úspěšný také v matematice jako spoluzakladatel teorie her a ve fyzice v oblasti kvantové a jaderné fyziky. Obr. 57 John von Neumann
Obr. 58 Von Neumannovo schéma arichtektury počítače Typické je použití společné paměti pro program a data, které je z mnoha důvodů výhodnější než jejich separace. Stejnou architekturu mají i současné osobní počítače.
4.6 Generace počítačů Vývoj sálových počítačů probíhal velmi rychle. Souběžně s rozvojem součástkové základny šel vývoj softwarového vybavení. Nebudeme se podrobně zabývat vývojem technických parametrů, protože bychom se ztratili v záplavě údajů. Jen si připomeneme, jak se zpravidla definují generace počítačů. Podle součástkové základny 1. 2. 3. 4.
generace generace generace generace
… … … …
elektronky tranzistory integrované obvody obvody s vysokým stupněm integrace; mikroprocesory
Podle pokroku v softwarovém vybavení 1. 2. 3. 4.
generace generace generace generace
… … … …
strojový kód počítače jazyky symbolických adres, assemblery vyšší programovací jazyky, operační systémy aplikační software dostupné na úrovni uživatele
10
5 Analogové počítače, záznamová a sdělovací technika 5.1 Mechanické a elektromechanické analogové počítače V době vynálezů prvních mechanických kalkulátorů, tedy v první polovině 17. století, vznikla současně mnohem jednodušší výpočetní pomůcka – logaritmické pravítko. Už tehdy by se dala výpočetní technika s trochou nadsázky rozdělit na digitální (s ostře oddělenými stavy počítacího mechanismu) a analogovou (se spojitou logaritmickou stupnicí). Při počítání na logaritmickém pravítku máme dvě platné číslice vyznačené na stupnici čárkami, ale třetí už zpravidla pouze odhadujeme a zaokrouhlujeme výsledek posunutí stupnic vůči sobě, či jezdce. Výpočty tedy nejsou ideálně přesné, ale pro rychle inženýrské propočty zůstalo logaritmické pravítko vynikající pomůckou až do sedmdesátých let 20. století. Analogové výpočetní systémy založené na mechanickém principu se objevovaly v 19. století. Jeden z nich navrhl roku 1836 francouzský přírodovědec Gaspard-Gustave de Coriolis (1792 – 1843), přístroj dokázal řešit jednoduché diferenciální rovnice I. řádu. Princip diferenciálního analyzátoru vyvinul roku 1876 fyzik James Thomson (1822 – 1892), bratr slavného Williama Thomsona, lorda Kelvina. Princip pak byl používán ve vojenství, konkrétně v systémech řízení dělostřelecké palby, ale plnohodnotný univerzální analogový počítač byl sestaven až Vannevarem Bushem. Mechanické části byly ovládány a poháněny elektromotory, takže i zde jde o krok od čistě mechanického stroje k elektromechanickému počítači. Obr. 59 James Thomson Tak se v první polovině 20. století objevují vedle digitálních (číslicových) počítačů také počítače analogové. Inspirován principy Jamese Thomsona se zabýval Vannevar Bush (1890 – 1974), konstrukcí elektromechanického diferenc. analyzátoru od roku 1927. Výsledkem jeho práce byl první prakticky použitelný analogový počítač, který dokázal řešit diferenciální rovnice až s 18 nezávislými proměnnými veličinami. Zprávu o počítači publikoval Bush v roce 1931. Obr. 60 Vannevar Bush V období 2. světové války měl Vannevar Bush velký vliv na prezidenta Franklina D. Roosevelta a koordinoval vědecko-výzkumné práce pro americký vojenský výzkum. Mimo jiné rozběhl projekt vývoje atomové bomby. Koncem války navrhl stavbu elektronického analogového počítače, ale sám se již této problematice nevěnoval. Mezitím již spatřil světlo světa základní stavební kámen všech elektronických analogových počítačů.
11
5.2 Operační zesilovač – základní konstrukční prvek analogových počítačů V roce 1941 byl v USA patentován první operační zesilovač Karlem D. Swartzelem z Belových laboratoří. Tento zesilovač ještě neměl všechny později obvyklé vstupy. Název operační zesilovač dal až v roce 1947 speciálnímu elektronickému obvodu prof. John R. Ragazzini z Kolumbijské univerzity, který také definoval požadavky na obvod vhodný k výpočtům. Jeho student Loebe Julie ve stejné době navrhl univerzálnější zapojení, které je v podstatě používáno dodnes. Jaké tedy jsou požadované vlastnosti ideálního operačního zesilovače: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
nekonečně velké napěťové zesílení, nekonečně velký vstupní odpor, nulový výstupní odpor, nulové výstupní napětí, pokud jsou napětí na obou vstupech stejná, nulové zpoždění signálu procházejícího zesilovačem, nekonečně velká šířka pásma (nezávislost na frekvenci změn vstupního napětí), nulový šum a nezávislost parametrů na teplotě. Z uvedeného výčtu je jasné, že skutečný operační zesilovač se může idealizovaným požadavkům pouze blížit. Pro běžné potřeby výpočtů a modelování pomocí analogových počítačů však splňují vyráběné operační zesilovače od začátku jejich výroby požadavky velmi dobře. Vyhovují tedy účelu, pro který byly navrženy. Součástková základna operačních zesilovačů se vyvíjela podobně jako u číslicových počítačů. První byly elektronkové, další tranzistorové a nakonec integrované obvody. Integrovaný operační zesilovač obsahuje řádově 20 tranzistorů a další elektronické prvky zapouzdřené buď v malém kovovém válcovém pouzdru, nebo v plastovém pouzdru tvaru kvádru.
Obr. 61 Operační zesilovač v „hrníčkovém“ pouzdru Operační zesilovač má vždy dva vstupy (invertující – a neinvertující +) a jeden výstup. Další tři kontakty (nožičky) slouží k připojení symetrického napájecího napětí a společné nuly (uzemnění). Operační zesilovač pak podle zapojení vnějších součástek může plnit různé funkce a realizovat různé matematické operace. Obr. 62 Operační zesilovač v plastovém pouzdře Velikost pouzdra u nejmodernějších typů operačních zesilovačů je ještě menší než u hrníčkového provedení. Integrované obvody zalité v černém plastů s dvěma rovnoběžnými řadami kontaktů (nožiček) bývají slangově nazývány šváby.
12
Příklady zapojení s operačními zesilovači v analogových počítačích:
Invertující zesilovač
Neinvertující zesilovač
Komparátor
Derivující zesilovač
Integrující zesilovač
Sčítací zesilovač
Obr. 63 Příklady zapojení s operačními zesilovači Všimněme si na obr. 63, že v zjednodušených schématech zapojení s operačními zesilovači se zcela vynechávají vodiče, které přivádějí napájecí napětí. Ve skutečném zapojení je pochopitelně vynechat nesmíme. Z ukázek zapojení je vidět, že analogové počítače obsahovaly nejen moduly, které umí sčítat, odčítat, násobit konstantou, invertovat (otáčet polaritu napětí, tedy znaménko), ale také derivovat a integrovat. Místo rezistorů s pevně daným odporem se mohly používat proměnné odpory (potenciometry) a tak měnit kvantitativní nastavení zapojeného výpočetního obvodu.
5.3 Analogové počítače a jejich použití, přednosti a slabiny Analogové počítače byly poměrně široce používány vedle číslicových počítačů v 50., 60. a 70. letech dvacátého století. V Československu se od počátku 60. let vyráběly počítače MEDA (malé elektronické diferenciální analyzátory), a to v pražském podniku ZPA Vysočany. Umožňovaly řešit nelineární diferenciální rovnice až 12. řádu (typ MEDA 81T až 24. řádu). Obr. 64 Analogový počítač MEDA Analogové počítače se nejčastěji programovaly propojováním jednotlivých funkčních bloků vodiči. Pro lepší orientaci byly zdířky na ovládacím a propojovacím panelu barevně rozlišeny. Výpočetní moduly jednotlivých typů (viz obr. 63) bylo možné vyměňovat zasouváním do připravených slotů. Výstup výpočtu se většinou graficky zobrazoval pomaloběžným osciloskopem nebo zakresloval pomocí analogového plotteru (souřadnicového zapisovače). Počítače MEDA byly vyráběny v elektronkové a později i v tranzistorové verzi (u níž bylo písmeno T součástí typového označení). 13
Analogové počítače byly používány k matematickým výpočtům (řešení diferenciálních rovnic), simulacím fyzikálních dějů pomocí analogií, řízení trenažérů a reálných technologických procesů (regulace a automatizace). K posledně jmenovanému účelu, tj. v regulační a automatizační technice, se využívají zapojení s operačními zesilovači i v současnosti. I z tohoto posledního ostrůvku je však vytlačuje číslicová technika. Jak je možné, že analogové počítače se slibně rozvíjely až do 70. let minulého století, ale pak rychle ustoupily číslicové konkurenci? Bylo to pravděpodobně s nástupem relativně levných osmibitových domácích počítačů, které šlo jednoduše ovládat – programovat ve vyšším programovacím jazyce (nejčastěji BASIC). Tím analogové počítače ztratily hlavní dvě výhody proti číslicovým – nízkou cenu a jednoduché programování. Jaké bylo srovnání číslicových a analogových počítačů ve vysokoškolských skriptech 8 z roku 1976: Kód Použitelnost Programování Přesnost Cena Údržba Rychlost
Číslicové počítače Pracují s diskrétními čísly Jsou univerzální, hodí se pro řešení téměř všech úloh Složité – je třeba školených programátorů Neomezená – záleží na počtu použitých míst Dražší – záleží na složitosti Složitá a drahá Až na malé výjimky neřeší úlohy v reálném čase
Analogové počítače Pracují s fyzikálními veličinami, které se mění spojitě Většinou jsou specializované, hodí se pro řešení určitých úloh Jednoduché – jsou pomůckou inženýrů a výzkumíků Menší (řádově 1%), vystačí ale pro inženýrské výpočty Levnější – stoupá neúměrně se zvyšováním přesnosti Jednoduchá a levná Řeší úlohy v reálném čase, rychleji i pomaleji
Tabulka 1 Srovnání vlastností číslicových a analogových počítačů v 70. letech 20. století Kód zde představuje typ uložení dat a způsob práce s nimi. Nezměnil se, stejně jako použitelnost a přesnost. Ve všech ostatních ohledech však číslicové počítače udělaly od 70. let obrovský pokrok. Programování číslicových počítačů je na začátku 21. století o něco jednodušší a uživatelské využití mnohonásobně jednodušší než tomu bylo u analogových počítačů. Cena ve velkých sériích vyráběných osobních počítačů je učinila dostupné jednotlivcům, údržba je relativně jednoduchá a levná a rychlost se zvýšila natolik, že běžně umožňuje řešit úlohy v reálném čase, nebo využívat číslicovou techniku k regulaci a automatizaci a k řízení reálných technologických procesů.
8
Josef Haška. Počítače a programování – II. Analogové počítače. 1. vyd. Brno: VUT, 1976
14
5.4 Záznam zvuku a postupné splývání výpočetní a záznamové techniky Historie záznamu zvuku je zajímavou ukázkou vývoje od mechanického přes elektromechanický až k elektronickým principům, ukázkou přechodu od analogových k digitálním formátům a ukázkou postupné miniaturizace a zvyšování hustoty záznamu. Na konci uvedené cesty se na stejné nosiče (média) zapisuje jak zvuk, tak počítačová data v principiálně stejných zařízeních a tak se v podstatě záznamová technika stává jedním z typů strojů na zpracování informací, „postaru“ řečeno počítačů. Prví přístroj pro mechanický záznam zvuku na válečky pokryté vrstvou vosku roku 1877 vynalezl Thomas Alva Edison (1847 – 1931) a o rok později si jej nechal patentovat pod názvem fonograf. Doba záznamu byla zhruba 2 min a každý záznam byl originálem, nebyla vyřešena výroba kopií. Mechanický gramofon nezávisle na něm roku 1888 zkonstruoval jiný americký vynálezce, který se však narodil v Berlíně, Emile Berliner. Původní gramofon byl čistě mechanické zařízení, jehož pohon obstarával ručně natahovaný hodinový mechanismus (na pero) a zvuk byl přenášen z drážky na desce na membránu reproduktoru. Délka záznamu byla 4 min a desky bylo možné mechanicky kopírovat – vyrábět ve velkých sériích. Zdokonalení přinesl později elektrický pohon a elektronické zesilování zvuku. První přístroje měly rychlost otáčení 78 ot./min. Pozdější „singly“ (SP desky s jednou písničkou na každé straně, průměr disku 17 cm) rychlost 45 ot./min a „elpíčka“ (LP, tj. long play desky, které měly kapacitu cca 45 min záznamu a průměr disku 30 cm) rychlost 33,3 ot./min. Stereofonní záznam hudby byl vyřešen se zpětnou kompatibilitou, takže stereo desky bylo možné přehrávat (byť jen monofonně) i na starších typech přehrávačů. Vedle mechanického záznamu zvuku se souběžně vyvíjel záznam magnetický. První magnetofon sestrojil v roce 1899 dánský inženýr Valdemar Poulsen (1869 – 1942). Zvuk se zaznamenával na ocelový drát, magnetofonová páska přišla až později. První přístroj také neobsahoval zesilovač (první zesilovací elektronka – trioda – byla sestrojena až roku 1906), přesto bylo možné záznam zřetelně poslouchat pomocí sluchátek. Rozvoj magnetického záznamu umožnil vynález magnetické pásky Fritzem Pfleumerem (1881 – 1945) roku 1926 a prstencové záznamové a čtecí hlavy Eduardem Schüllerem (1904 – 1976) roku 1933. Pro ukládání počítačových dat byla magnetická páska použita poprvé v roce 1951 u počítače UNIVAC I. K tomuto počítači bylo možné připojit až 10 magnetopáskových jednotek UNISERVO, použitá hustota záznamu dat byla 128 bitů na palec a přenosová rychlost byla 7200 znaků za sekundu (znak byl zaznamenán paralelně v osmi stopách). Pro záznam dat byl v roce 1951 poprvé použit stejný princip jako pro záznam zvuku, ale detaily technického řešení byly jiné. U magnetopáskových datových jednotek se používaly širší pásky, zaznamenávající současně 8 rovnoběžných stop a protože pohyb pásky přes hlavu při záznamu i čtení nebyl plynulý, ale trhaný, byly mezi hlavou a oběma cívkami udržovány smyčky pásky pomocí podtlaku vzduchu udržovaného vývěvou. Minimální a maximální délka smyček byly kontrolovány pomocí dvou světelných závor. Na dobových filmech, které obsahují záběry z výpočetního střediska, bývají magnetopáskové jednotky vděčnými objekty, protože je na nich vidět technologická vyspělost a nezávislost pohybů pásky, odvíjející se a navíjející se cívky působí zajímavě.
15
Pro snadné přenášení malých objemů dat nebyla magnetická páska, navinutá na masivních cívkách, příliš vhodná. Proto byly vyvinuty ploché pružné plastové disky s nanesenou magnetickou vrstvou, na které se zaznamenávala data na stopy v podobě systému soustředných kružnic. Anglický název floppy disc (pružný disk) vychází právě z pružnosti disku i obálky, ve které byl uložen. První diskety firmy IBM z roku 1967 měly průměr 14 palců (356 mm). Další z roku 1971 měly průměr 8 palců (203 mm) a kapacitu nejprve 160 kB, později až 1 MB. U osobních počítačů typu IBM PC byly používány diskety s průměrem 5¼ palce (133 mm) od roku 1976 a 3½ palce (89 mm) od roku 1984 s kapacitami od 360 kB (první 5¼) do 2,88 MB (maximum u 3½). Ve druhé polovině 90. let byly po krátkou dobu populární velkokapacitní diskety, z nichž nejznámější byl asi Iomega ZIP, uvedený na trh v roce 1994 s kapacitou 100 MB při rozměru disku 3½ palce. Od přelomu tisíciletí se postupně diskety přestávaly používat a byly zcela nahrazeny levnějšími a spolehlivějšími optickými disky. Další vývoj principu gramofonu šel cestou miniaturizace a digitalizace. Místo vyrývání ostrým hrotem jehly je záznam vypalován do citlivé vrstvy paprskem laseru, záznamová spirála se neodvíjí od okraje ke středu, ale naopak od středu k okraji. Standard umožňuje jak výrobu lisovaných disků, tak individuální vypalování na k tomu určená média. Dohodu o společném standardu uzavřely firmy Philips a Sony v roce 1980 a již roku 1982 byl vydáno v Hannoveru první lisované CD s nahrávkou Alpské symfonie Richarda Strausse (1864 – 1949). Vzhledem k tomu, že hudba je před vypálením na CD digitalizována, byla stejná média vzápětí používána také pro záznam dat jako tzv. CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory). Délka spirály na CD je zhruba 6 km, protože odstup stop je pouhých 1,6 μm. Ještě jemnější drážku a vyšší hustotu záznamu používají novější disky založené na principiálně podobném optickém záznamu – DVD a Blue Ray. Rychlost otáčení optických disků není konstantní, ale mění se podle okamžitého poloměru záznamové stopy tak, aby rychlost posunu stopy vzhledem k laserovému paprsku byla konstantní, přičemž pro záznam a čtení dat se používají násobky původní rychlosti pro zvukový záznam.
5.5 Historie telegrafie a její vliv na počítačovou techniku Systémy pro rychlé sdělování existují už v prvobytně pospolné společnosti. Vzpomeňme si na ohně a kouřové signály indiánů nebo bubny afrických domorodců – tamtamy. Ve starověkém Římě byly používány k signalizaci hořící pochodně. Z této doby se také dochoval jeden z prvních kódovacích systémů, nazývaný Polybiův čtverec podle starověkého řeckého politika a historika Polybia (asi 203 př.n.l. – asi 120 př.n.l.), který jej popsal ve svých Dějinách. Signalizující voják vyjádřil počtem pochodní v levé ruce číslo řádku a počtem pochodní v pravé ruce číslo sloupce ve čtvercové kódovací tabulce a tím vyjádřil vždy jedno písmeno zprávy. Každé písmeno je vyjádřeno dvojicí číslic (od 1 do 5). Polybiův čtverec lze použít jak ke kódování, jestliže do tabulky zapíšeme 25 písmen mezinárodní (anglické) abecedy v běžném abecedním pořadí (jedno z 26 písmen musíme vynechat, pro české texty vynecháváme nejčastěji Q), tak také k šifrování, jestliže do prvního, nebo prvních dvou řádků zapíšeme nejprve dohodnuté heslo a pak teprve zbývající písmena v abecedním pořadí.
16
1 2 3 4 5
1 A F K P V
2 B G L R W
3 C H M S X
4 D I N T Y
5 E J O U Z
Každé písmeno je zakódováno dvojicí písmen. Např. slovo KOSTEL kódujeme jako 31 35 43 44 15 32. Pokud budeme šifrovat pomocí hesla „Hradec Králové“ dostaneme šifrový text 22 24 44 45 15 23 (22244 44515 23000).
1 2 3 4 5
1 H C B M U
2 R K F N V
3 A L G P W
4 D O I S Y
5 E V J T Z
Tabulka 2 Polybiův čtverec (kódovací a šifrovací tabulka) První optický telegraf spolehlivě a rychle fungující za denního světla navrhl francouz Claude Chappe (1763 – 1805) a první ukázkovou stanici (věž) vybudoval se svými čtyřmi bratry a veřejně předvedl poslancům Národního konventu roku 1792. Na radu přítele o rok později pojmenoval své zařízení telegraf a v roce 1794 byla dobudována první telegrafní linka Paříž – Lille s 15 stanicemi ve vzdálenostech od 12 do 25 km od sebe. Obsluha každé stanice předávala zprávu s malým zdržením, přesto se zpráva šířila rychlostí větší než 100 km/h. Chappeův optický telegraf byl ve Francii používán až do roku 1852. Obr. 65 Chappeův optický telegraf
Obr. 66 Chappe předvádí telegraf konventu
Jiný systém optického telegrafu navrhl ve stejné v době angličan lord George Murray. Šest velkých kruhových otvorů (terčů) ve dvou řadách po třech mohlo být buď zakryto, nebo odkryto. Tento systém tedy používal binární kódování předávaných znaků. Už na konci 18. století tedy používala telegrafie dvojkové kódování znaků, které později nacházíme u číslicových počítačů. Některé ze signálů (znaků) Murrayova systému si můžeme přiblížit pomocí světelných signálů pro tramvaje.
Obr. 67 Světelné signály pro tramvaje 17
Všech signálů pro tramvaje je ovšem jen 7, zatímco 2 řady po 3 terčích umožňují celkem 26 = 64 kombinací. Zajímavé je, že matici šesti bodů ve dvou řadách po třech používá také Braillovo písmo. Po éře optických telegrafů nastupují telegrafy s přenosem elektrických signálů kovovými vodiči. Zobrazení znaků přijímačem je založeno nejčastěji na elektromagnetickém principu. Mezi jinými systémy vynikl jednoduchostí a spolehlivostí systém navržený amerických malířem a vynálezcem Samuelem Morse (1791 – 1872), který se začal myšlenkami na telegraf zabývat roku 1832 a patent na základě fungujícího prototypu získal roku 1837. První telegrafní linka Washington – Boltimore byla postavena 1844 a pak už se nový vynález rychle šířil a úspěšně prakticky využíval. Namátkou uveďme některé zřizované linky: 1846 Vídeň – Brno; 1847 Vídeň – Praha; 1851 Callais – Dover; 1866 Evropa – Amerika. Značky se nejprve psaly na papírovou pásku, později byl zápis nahrazen zachycováním značek sluchem (tzv. klapáky), což vedlo ke zrychlení provozu. V devadesátých letech 19. století byla Morseova abeceda využita v radiotelegrafii, což umožnilo především spojení s loděmi na vzdálenost desítek až stovek kilometrů. Radiotelegrafie je sice v principu binární, ale nemá standardizovanou rychlost vysílání ani synchronizační signály nutné k automatickému příjmu, proto se do světa číslicových počítačů nehodila. Krokem k výpočetní technice byla tzv. postupná telegrafie francouzského vynálezce Émile Baudota (1845 – 1903), patentovaná roku 1874. Šlo o multiplexní systém se sdílením času, kdy se na jedné lince střídalo pět kanálů pro přenos zpráv. Operátoři museli pracovat v pravidelném rytmu, který byl dán systémem. Vysílaný znak zakódovali stiskem pěti kláves (z nichž dvě ovládali prsty levé ruky a tři prsty pravé ruky). Klávesy zůstaly stisknuté po dobu, než se vystřídaly další telegrafní přístroje v multiplexu, a pak se automaticky uvolnily a tím daly signál, že je možné zakódovat další znak. Obr. 68 Princip Baudotovy telegrafie Synchronizaci rozdělovačů zajišťovaly synchronizační impulsy, vysílané na začátku a na konci každého pětibitového znaku. Počet znaků 25 = 32 pokryje celou mezinárodní abecedu (26 písmen), ale nikoliv také číslice, byly zavedeny 2 speciální znaky pro změnu na číslice a změnu na písmena. Další rozvoj Baudotovy telegrafie znamenalo zavedení pětistopé děrné pásky roku 1897. Telegrafní zprávy se pak vyděrovaly předem v off-line režimu a odesílání zprávy probíhalo zcela automaticky. Revolucí v telegrafii pak byla symbióza Baudotova telegrafu a elektrického psacího stroje, díky níž vznikl dálnopis (angl. teletipe … TTY). První komerční dálnopisná linka byla zřízena mezi New Yorkem a Bostonem v roce 1910. Dálnopis se pak velmi rychle rozšířil, takže po první světové válce byly dálnopisy ve všech redakcích novin, velkých závodech, obchodech a úřadech. Není divu, že dálnopis a elektrický psací stroj se zařadily mezi první periferní zařízení počítačů. Baudotův telegrafní kód se stal základem budoucích počítačových kódů ASCII a EBCDIC a dosud používané sériové rozhraní RS-232 je možné ze základního osmibitového režimu přepnout do TTY režimu s přenosem znaků v Baudotově kódu. 18
5.6 Telegrafie a šifrování, šifra PlayFair Od 40. let devatenáctého století s rozvojem veřejných telegrafních stanic vyvstala naléhavá potřeba ochrany obsahu soukromých telegrafních zpráv. Té bylo možné dosáhnout jedině šifrováním zpráv. O šifrování náhle projevila zájem řada obchodníků a podnikatelů, kteří potřebovali udržet v tajnosti obchodní informace před konkurencí a současně využít telegrafickou rychlost předávání zpráv. Této potřebě vyhověl Francis Ormand Jonathan Smith (1806 – 1876), propagátor Morseova telegrafu a spoluinvestor první telegrafní linky, který roku 1845 vydal komerční telegrafní kód pod názvem The Secret Corresponding Vocabulary; Adapted to Morse’s Electro-Magnetic Telegraph (Slovník tajného dopisování upravený pro použití ve spojení s Morseovým elektromagnetickým telegrafem). Po tomto průkopnickém činu následovalo vydání desítek obdobných slovníků, které kódy označily celá často používaná slova a dokonce i často užívané věty. Důvodem byla zejména snaha ušetřit na telegrafních poplatcích. Telegrafní poplatky byly zpravidla účtovány podle počtu slov ve zprávě. V kódovaném či šifrovaném textu však není možné počet slov objektivně posoudit. Proto ve stejné době vznikl úzus psát zašifrované zprávy do skupin o pěti znacích. Jen o pár let později vznikaly také důmyslné šifrovací systémy, vhodné pro šifrování telegrafních zpráv. Jedním z nejznámějších je šifra PlayFair, kterou navrhl v roce 1854 všestranný britský vědec Charles Wheatstone (1802 – 1875). Jméno však dostala podle jeho přítele a velkého propagátora této šifry, přírodovědce, poslance britského parlamentu Lyon Playfaira (1818 – 1898), skotského barona. Bez jeho politického vlivu by se použití šifry nepodařilo prosadit. Osobně přesvědčoval o jejích kvalitách kolegy poslance a významné britské státní představitele, i když ne vždy se mu to dařilo. Je známo, že ministr zahraničních věcí odmítl šifru jako příliš složitou s odůvodněním, že britští diplomaté se něco tak komplikovaného nikdy nenaučí. My se ji ale naučíme! Před šifrováním celý text přepíšeme pomocí bigramů (tj. dvojic písmen). Budeme-li šifrovat větu: „Komu není shůry dáno, v apatyce nekoupí“, přepíšeme ji pomocí bigramů takto: KO MU NE NI SH UR YD AN OV AP AT YC EN EK OU PI. Pokud by vznikl bigram složený ze dvou stejných písmen, musíme jej nahradit dvojicí bigramů tak, že za první písmeno napíšeme W a za druhé X (volíme písmena, která se v českých textech téměř nevyskytují). Pokud by byl počet písmen zprávy lichý, doplníme na konec zprávy písmeno X. Tedy šifrujeme-li větu „Přátelé Evy Poddané mají rádi brazilskou kávu“, získáme bigramy: PR AT EL EW EX VY PO DW DX AN EM AJ IR AD IB RA ZI LS KO UK AV UX. Dále si musíme připravit šifrovací tabulku, kterou zkonstruujeme podobně jako Polybiův čtverec, ovšem s tím rozdílem, že nepotřebujeme záhlaví s číslicemi 1 až 5. Nejprve do tabulky zapíšeme písmena dohodnutého hesla, s tím, že žádné písmeno se nesmí v tabulce opakovat. Zbývající volná pole vyplníme ostatními písmeny mezinárodní abecedy, kromě písmene Q (pokud by se vyskytlo v šifrovaném textu, nahradili bychom ho písmenem K). Pro naše dva příklady použijeme heslo „Hradec Králové“, to znamená, že do tabulky postupně zapíšeme písmena H, R, A, D, E, C, K, L, O, V, B, F, G, I, J, M, N, P, S, T, U, V, W, X, Y, Z. 19
H C B M U
R K F N W
A L G P X
D O I S Y
E V J T Z
H C B M U
R K F N W
A L G P X
D O I S Y
E V J T Z
H C B M U
R K F N W
A L G P X
D O I S Y
E V J T Z
H C B M U
R K F N W
A L G P X
D O I S Y
E V J T Z
Tabulka 3 Šifra PlayFair – konstrukce šifrovací tabulky z hesla a příklady šifrování bigramů Máme-li připravené bigramy i tabulku, můžeme začít šifrovat. Při šifrování mohou nastat tři situace. Obě písmena bigramu jsou buď ve stejném řádku, ve stejném sloupci, nebo je každé z nich v jiném řádku i jiném sloupci. Podle toho, který z případů nastane, volíme konkrétní pravidlo: 1) Pokud leží obě písmena ve stejném řádku, je každé písmeno bigramu nahrazeno písmenem ležícím v tabulce vpravo od něj. Poslední písmeno v řádku se nahradí prvním písmenem téhož řádku. 2) Pokud leží obě písmena ve stejném sloupci, je každé písmeno bigramu nahrazeno písmenem pod ním. Je-li písmeno v posledním řádku je nahrazeno prvním písmenem téhož sloupce. 3) Pokud je každé z písmen v jiném řádku a sloupci, je každé písmeno bigramu nahrazeno písmenem nacházejícím se v průsečíku jeho vlastního řádku a sloupce obsahujícího druhé písmeno bigramu. V tabulce 3 vidíme nejprve konstrukci šifrovací tabulky z daného hesla „Hradec Králové“ a za ní hned ukázku šifrování prvních tří bigramů. Písmena bigramu KO (zelená pole) leží ve stejném řádku, proto je nahradíme písmeny vpravo od nich, tedy LV (žlutá pole). Další dvojice písmen leží v jednom sloupci, nahrazují se směrem dolů. Písmeno U je poslední v daném sloupci, takže se nahradí prvním písmenem ve stejném sloupci, tedy H. Třetí dvojice nemá společný ani řádek ani sloupec. Představíme si v duchu obdélník s dvěma protějšími vrcholy v šifrovaných písmenech NE, pak hledaná písmena leží ve zbývajících vrcholech obdélníka, vždy ve stejném řádku, ve kterém je nahrazované písmeno.Třetí bigram tedy zašifrujeme jako TR. Celá první zpráva pak bude zapsána do bigramů: LV UH TR SF MD WH DO RP VC LX PE UO RT RV CY SG. A po přepsání do pětimístných skupin: LVUHT
RSFMD
WHDOR
PVCLX
PEUOR
TRVCY
SG.
Stejnou metodou zašifrujeme také druhou zprávu – větu „Přátelé Evy Poddané mají rádi brazilskou kávu“. Výsledný šifrový text je: NAEPA
VRZAZ
OZSLR
YAYRP
HTEGF
DDEJF
ADYJO
PLVWC
ELWY.
Dešifrování probíhá podobným způsobem. V pravidle 1) zaměníme slova „vpravo od něj“ za „vlevo od něj“, v pravidle 2) slova „pod ním“ za „nad ním“ a pravidlo 3) zůstane beze změny. Zkuste sami dešifrovat následující zprávu, abyste si ověřili, že je vám systém PlayFair zcela jasný: FAEPX
CZBFO
YMTAT
PHTYH
DTJGD
20
KLESF.
6 Historie počítačových periferií a pamětí 6.1 Konzole – od elektrického psacího stroje k znakovému terminálu První počítače používaly jako konzole (vstupně-výstupní zařízení pro komunikaci člověk – stroj) dálnopis nebo elektrický psací stroj. Počítače EDSAC, CSIRAC a Manchester Mark 1 v roce 1949 používaly dálnopis včetně možností vstupu z pětistopé děrné pásky i výstupu na děrovač pásky. Počítač UNIVAC I používal psací stroj Remington. I když od té doby uteklo dost času, stále ještě máme v kódové sadě ASCII9 znaky CR (carriage return … návrat vozíku) a LF (line feed … posun o řádek). První elektrické psací stroje vyráběla roku 1902 firma Blickensderfer Manufacturing Company ve Stamfordu. Spojením s Baudotovým telegrafem vznikl dálnopis (angl. teletipe … TTY). První komerční dálnopisná linka byla zřízena mezi New Yorkem a Bostonem v roce 1910. V Evropě byla zřizována veřejná dálnopisná síť Telex od roku 1935 (účastníci se spojovali volbou čísla podobně jako v telefonní síti) a fungovala po celé dvacáté století. Klávesnice dálnopisu se podobá klávesnici psacího stroje, ale je jednodušší. Obsahuje jen klávesy s písmeny mezinárodní abecedy, mezerník a klávesy změny na číslice a změny na písmena. Čtečky a děrovače děrné pásky, které byly součástí dálnopisů používaly pětistopou děrnou pásku a brzy začaly být pro počítače pomalé. Proto se jako konzole počítačů začaly používat elektrické psací stroje a čtečky a děrovačky pásky se osamostatnily a začaly používat širší osmistopou děrnou pásku. Nevýhodou psacích strojů zůstávala omezená sada znaků a značná hlučnost. Částečné tento problém řešily moderní konstrukce, např. slavný psací stroj IBM s kulovou hlavou. Tiskl jednotlivé znaky natáčením a nakláněním hlavy, takže výměnou hlavy bylo možné měnit použitou znakovou sadu (např. azbuku místo latinky) i tvar a velikost tištěných písmen (font). Elegantnějším řešením však byly teprve terminály, které místo tisku zobrazovaly znaky na obrazovce podobné televizní. První terminály byly řádkové, takže kopírovaly funkčnost dálnopisů a elektrických psacích strojů. Výstup mohl rolovat, tj. po zaplnění obrazovky se všechny řádky posunuly nahoru a další výstup šel na poslední řádek. Ujíždějící řádky pak připomínaly filmové titulky. Druhým režimem řádkových terminálů bylo stránkování, tj. po zaplnění stránky se výstup pozastavil, počkal na potvrzení obsluhy, že stránku přečetla, a po potvrzení celou obrazovku smazal a začal znovu psát od levého horního rohu obrazovky. Obr. 69 Textový terminál Modernější terminály s monochromatickými displeji umožňovaly zobrazit kdykoliv libovolný znak na libovolné pozici. Kromě písmen, číslic, speciálních znaků a interpunkčních znamének umožnily
9
American Standard Code for Information Interchange („americký standardní kód pro výměnu informací“).
21
zobrazování tzv. pseudografických znaků, z nichž šly sestavit např. jednoduché a dvojité rámečky kolem částí textu. Monochromatické monitory používaly různé barvy luminoforů, nejčastější byly zelená a oranžová. Působily příjemněji než ostře bílá barva, a tak méně unavovaly zrak. Dnešní monitory už v textovém režimu většinou nepracují, používá se převážně grafické rozhraní. Zato klávesnice dodnes obsahuje památku na doby, kdy byla součástí textového terminálu a pomocí klávesy ScrollLock (ScrLck) se přepínal režim rolování a stránkování výstupu. V dnešní době tato klávesa již nemá žádný význam, ale na klávesnici zůstává. Dalším historickým a dnes už zpravidla trvale zapnutým přepínačem je NumLock, který u starších typů klávesnic (na obr. 70 vidíme klávesnici počítače IBM PC AT), přepínal u jedné skupiny kláves režim kláves pro pohyb kurzoru a kláves pro psaní číslic. Funkční klávesy F1 až F10 (opravdu jich bylo jen 10, nikoliv 12) byly vlevo od alfanumerické části, odvozené z klávesnice psacího stroje. Dnes jsou klávesy pro pohyb kurzoru samostatně mezi alfanumerickou a numerickou částí klávesnice a funkční kláves F1 až F12 jsou nahoře nad alfanumer. částí. Klávesa NumLock se prakticky nepoužívá, režim psaní číslic zůstává trvale zapnutý (jeho kontrolka svítí). Obr. 70 Počítač IBM PC AT I tak samozřejmá periferie, jakou je počítačová klávesnice, se vyvíjí. Ze tří přepínačů zůstal funkční už jen CapsLock. Připojení klávesnice k počítači začalo pětikolíkovou zástrčkou DIN, pokračovalo PS/2 a dnes jsou běžné klávesnice připojované přes USB. Samostatnou kapitolou jsou klávesnice notebooků, které musí šetřit místem. Naopak moderní multimediální klávesnice mají mimo standardních kláves řadu speciálních tlačítek pro ovládání hlasitosti reproduktorů, ovládání Windows Media Playeru a spouštění vybraných programů. Dalším dnes už samozřejmým vstupním zařízením je počítačová myš. První byla dřevěná krabička s kolečky snímajícími pohyb a malým kulatým tlačítkem. Sestrojil ji Douglas Engelbart (* 1925) v roce 1963 a US patent získal v roce 1970. I tak to bylo příliš brzy, protože patentová ochrana vypršela dřív než se myš široce rozšířila u osobních počítačů, takže vizionář Engelbart na vynálezu myši nikdy nezbohatl. Kuličkovou myš vymyslel, shodou okolností také v roce 1970, Bill English z firmy Xerox. Komerčně ji ale prosadila až firma Apple computer, která u svých počítačů použila myš s jedním tlačítkem. Proti tomu osobní počítače IBM PC používaly nejprve dvoutlačítkovou a později třítlačítkovou, přičemž na prostřední tlačítko bylo později umístěno rolovací kolečko. V roce 1980 byly vyvinuty první optické myši, ale vyžadovaly speciální podložky s rastrem, který umožňuje dobře snímat pohyb. Optické myši pracující na libovolném povrchu byly vyráběny až v devadesátých letech minulého století. Podobně jako u klávesnice se měnilo připojení k počítači i u myši. Nejprve se připojovaly k sériovému rozhraní RS-232, později pomocí PS/2 a nakonec pomocí USB. Počítač Apple používaly vlastní rozhraní Apple Desktop Bus.
22
6.2 Počítačové monitory CRT, vývoj grafických adapterů PC Prvními počítačovými monitory byly osciloskopy. Opět můžeme zmínit počítač UNIVAC I (1951), ke kterému byl standardně připojován osciloskop značky Tektronix. Také britský počítač EDSAC (1949) používal jako výstupní zařízení osciloskop a stojí za zmínku, že videovýstup na osciloskop byl využit v rámci programu tic-tac-toe (minipiškvorky ve čtvercové síti 3x3 pole), který vytvořil profesor Alexander S. Douglas v roce 1952 jako pravděpodobně první počítačovou hru v historii. K analogovým počítačům byly připojovány speciální, paměťové pomaloběžné osciloskopy, které byly vynikající alternativou k analogovým souřadnicovým zapisovačům. Katodovou trubici opatřenou luminoforem světélkujícím v místě dopadu elektronového paprsku vynalezl v roce 1897 německý fyzik Karl Ferdinand Braun (1850 – 1918), nositel Nobelovy ceny za fyziku (1909). Zobrazení televizního signálu pomocí CRT experimentálně předvedl v roce 1907 ruský vynálezce Boris Lvovič Rosing (obraz měl k dnešní televizi velmi daleko, byl nekvalitní, monochromatický a přenášel se po metalickém vedení, nikoliv pomocí radiových vln). Snímací televizní elektronku (ikonoskop) vynalezl Vladimír Kozmič Zvorykin (1889 – 1982) v roce 1923. Pravidelné televizní vysílání zahájila BBC v listopadu 1936. Modernější CRT monitory (zkratka CRT pochází z angl. Cathode Ray Tube … katodová trubice) již neměly elektrostatické vychylování elektronového paprsku jako osciloskopy, ale elektromagnetické vychylování, podobně jako televizní obrazovky. Nejprve se používaly monochromatické obrazovky s různými typy a barvami luminoforu, později barevný RGB systém. Vývoj od řádkového, přes znakové k plně grafickému zobrazení už nebyl dán vývojem vlastního monitoru, ale grafické karty (grafického adapteru). Ten prodělal nejbouřlivější vývoj od vzniku prvních osobních počítačů IBM PC na začátku 80. let až do začátku 90. let 20. století. Podívejme se na něj podrobněji. V roce 1981 přichází IBM s prvním grafickým standardem, kartou CGA (Color Graphic Adapter), která umožňuje textový (znakový) režim s 25 řádky po 40, nebo 80 znacích. Každý znak bylo možné zobrazit v jedné z 16 daných barev. Grafický režim je pouze jeden, využívá pouze 4 barvy a umožňuje práci v rozlišení 320 x 200 px10. V roce 1984 vylepšuje IBM standard na EGA (Enhanced Graphic Adapter), který má oba textové režimy shodné s CGA, ale v grafickém režimu využívá všech 16 barev a rozlišení je 640 x 350 px. O tři roky později (1987) je uvedeno VGA (Video Graphic Adapter). Pokrok je opět v grafickém režimu, a to hlavně ve zvýšení počtu barev na 256. Rozlišení se zlepšuje pouze ve svislém směru, poměr šířky k výšce je 3 : 4, tedy rozlišení 640 x 480 px. Posledním standardem IBM je roku 1990 grafický adapter XGA (Extended Graphic Array), který je orientovaný jednoznačně na grafický režim monitorů CRT. Využívá podle velikosti grafické paměti buď high colors (paleta 65536 barev), nebo true colors (16,7 milionů barev). Rozlišení, které se dodnes běžně používá např. u dataprojektorů, je 1024 x 768 px.
10
px (z angl. pixel = picture element) … obrazový bod
23
6.3 Počítačové tiskárny, různé principů tisku, souřadnicové zapisovače Druhů počítačových tiskáren a principů tisku je tolik, že nebudeme sledovat přesný časový sled. Půjde nám spíš o celkový přehled a souvislost s posunem centra pozornosti od sálových k osobním počítačům. U sálových počítačů byla rozhodující robustnost a rychlost tisku. Tisklo se prakticky pouze v řádkovém režimu, pro grafické účely se nepoužívaly tiskárny, ale výhradně souřadnicové zapisovače. U osobních počítačů byla od počátku rozhodující hlavně cena a jednoduchost obsluhy, vítána byla možnost tisku grafiky. Mechanické počítačové tiskárny S typy (matricemi) jednotlivých tisknutelných znaků o s tiskem úderem typu proti válci: s typovými pákami (typovým košem), s kulovou tiskovou hlavou, s typovým kotoučem (kopretinou); o s tiskem úderem kladívka zdola proti typu: bubnové (tisk se pozná podle „tančících“ písmenek, tj. nesedí na lince), řetězové (tisk se pozná podle nestejných mezer mezi písmeny). Jehličkové (znaky se skládají z jednotlivých bodů v daném rastru) o 8-jehličkové a 9-jehličkové, měly zpravidla 2 a více různých kvalit tisku – DRAFT, HQ (high quality), byly pomalejší, ale levnější, o 24-jehličkové byly při tisku vysokou kvalitou (jako v režimu HQ u 8-jehličkových) třikrát rychlejší než 8-jehličkové, o 1-jehličkové tiskárny byly raritou používanou pouze krátce u programovatelných kalkulátorů a domácích osmibitových počítačů, byly extrémně pomalé ale stejně jako modely s více jehličkami umožnily nejen tisk znaků, ale i grafiky. Inkoustové počítačové tiskárny S tiskem rychlým ohřevem inkoustu. Tisk je založen na objemové teplotní roztažnosti kapaliny - inkoustu, který se indukčním ohřevem prudce roztáhne a vystřelí kapičku (resp. bublinku) prudce na papír: o bubble jet, o voskové. S piezoelektrickým tiskem. Piezokrystal slouží jako miniaturní pumpa, která „vystřelí“ kapičku barvy na papír. Systém je náchylnější k zasychání barvy v tiskové hlavě, ale je o něco přesnější než „bubble jet“. S kontinuálním tiskem. Zde také funguje miniaturní piezoelektrická pumpa, která ovšem vytváří plynulý proud mikroskopických kapiček (okolo sto tisíc kapiček za sekundu). Tento princip je ve skutečnosti historicky nejstarší. První inkoustovou tiskárnu tohoto typu uvedla na trh firma Siemens v roce 1951.
24
Xerografické počítačové tiskárny Laserové. Tisková stránka je na xerografický válec vykreslena laserovým paprskem. LED. Tuto technologii používá firma OKI. Místo laseru se používá matice bodů vykreslená řadou svítivých diod LED (Light-emitting diode). Výhodou laserového tisku ve srovnání s inkoustovým je nižší cena spotřebního materiálu (toneru). Proto se xerografický tisk stává na přelomu 20. a 21. století nejčastější formou počítačového tisku. Samotné slovo xerografický vzniklo z řeckých slov xero (suchý) a graphein (psaní), tedy suchý tisk. Jiný název této technologie je elektrostatická fotografie. Princip xerografie vynalezl Chester Carlson (1906 – 1968) v roce 1938. Patentovou přihlášku podal o rok později, ale teprve roku 1942 obdržel US patent. První komerčně prodávaná řada kopírek firmy Xerox, která tiskla na obyčejný kancelářský papír, spatřila světlo světa v roce 1959. Souřadnicové zapisovače Podle ovládání pohybu pisátka: o analogové plottery, o digitální plottery. Podle druhu pisátka: o perové (tužkové), o inkoustové (s tiskovou hlavou podobnou jako u inkoustové tiskárny), o vyřezávací (místo pisátka je ostrý nůž, který vyřezává např. ze samolepicích fólií). Souřadnicový zapisovač, neboli plotter byl od počátku typickým výstupním zařízením analogového počítače. Šlo tedy o analogové perové plottery, jejichž výchylka v obou na sebe navzájem kolmých souřadnicích je závislá na napětí přivedeném na vstupy plotteru. U číslicových plotterů se pozice pisátka zadává jako dvojice binárních čísel s velkou přesností. Díky tomu lze plottery využívat např. pro kreslení přesných technických výkresů. V poslední době se prosazují hybridní plottery, které mohou pracovat jak v režimu souřadnicového zapisovače, tak v režimu barevné inkoustové tiskárny pro velkoformátový barevný tisk. Samostatnou kapitolou jsou vyřezávací plottery, které se užívají při vyřezávání reklamních polepů ze samolepících barevných fólií. Barevné reklamní polepy dnes neodmyslitelně patří k firemním automobilům a autobusům.
6.4 Vývoj operační paměti počítačů Ve čtvrté kapitole jsme se už zmínili o operační paměti založené na klopných obvodech, složených z relé, elektronek, či tranzistorů. Sestavit z těchto prvků operační paměť s větší kapacitou však bylo drahé a prostorově náročné. Proto konstruktéři prvních počítačů vymýšleli nová zařízení založená na rozmanitých fyzikálních principech, umožňující krátkodobé uložení většího objemu dat. První elektronický jednoúčelový počítač ABC měl originální bubnovou kapacitní paměť. O něco později se začaly používat magnetické bubnové paměti. Bubnové paměti jsou příkladem operační paměti typu SAM (Serial Access Memory), tj. paměti se sériovým přístupem. Na rozdíl od operační paměti RAM (Random Access Memory) není možné kdykoliv číst, či zapisovat libovolnou buňku paměti, 25
ale musí se čekat až ke čtecímu, či záznamovému zařízení dorazí odpovídající místo paměťového média (v případě bubnové paměti čekáme až se buben natočí tím správným místem. To znamená, že průměrná doba přístupu do paměti je rovna polovině času za který se buben celý otočí. Jiným typem SAM byla paměť se rtuťovou zpožďovací linkou, kterou vynalezl roku 1940 John Adam Presper Eckert (1919 – 1995). Hlavní součástí paměti byly skleněné válcové trubice naplněné tekutou rtutí, kterými se relativně pomalu (ve srovnání s rychlostí elektromagnetického vlnění) šířily mechanické pulsy. Na začátku trubice se vyvolaly pulsy pomocí piezoelektrického krystalu, nebo pomocí magnetostrikční cívky. I když utlumení pulsů ve rtuti nebylo velké, bylo nutné paměť neustále obnovovat. Na konci trubice se pulsy četly, zesílily, elektronicky přenesly a opět se vybudily na začátku trubice. Rychlost šíření zvuku ve rtuti závisí na teplotě, proto byla nutná klimatizace počítače na přesnou provozní teplotu. Paměť se rtuťovou zpožďovací linkou byla použita např. u počítače EDVAC a UNIVAC I. Praktičtější a rychlejší jsou samozřejmě paměti RAM. Zajímavý princip, známý pod různými názvy – paměťová obrazovka, Williamsova trubice nebo Williams-Kilburnova trubice, použili v roce 1946 angličtí fyzikové Frederic Williams (1911 – 1977) a Tom Kilburn (1921 – 2001). Napadlo je použít katodovou trubici nikoliv jako zobrazovací prvek (monitor), ale jako paměťový prvek počítače. Na kruhové obrazovce, podobné osciloskopické, se rozsvěcely či zhasínaly body v připravené matici. Jednotlivé body obrazovky představují jednotlivé bity paměti. Obr. 71 Obrazovka Williams-Kilburnovy trubice počítače Ferranti Mark 1 Rozsvícené místo je zároveň elektricky nabité, což lze snímat pomocí tenkých kovových vodičů na povrchu obrazovky. Williams-Kilburnovy trubice byly použity např. v počítačích Ferranti Mark 1, IBM 701, IBM 702. Každá Williams-Kilburnovy trubice měla kapacitu řádově 1024 bitů (512 až 2048 bitů). Výše uvedené rané typy operačních pamětí byly poměrně brzy nahrazeny feritovou pamětí, angl. core memory (paměť magnetického jádra). Feritovou paměť zkonstruovali dva Američané čínského původu An Wang (1920 – 1990) a Way-Dong Woo v roce 1951. Vynálezci museli vyřešit problém destruktivního čtení, tj. při čtení došlo ke smazání paměti v příslušné buňce, takže bylo okamžitě po čtení automaticky provést obnovu. Po této úpravě byla feritová paměť na rozdíl od většiny předchozích nevolatilní, tj. při výpadku napájení nedošlo k jejímu vymazání. Riziko naopak představovalo přímé slunce „opřené“ do skříně počítače, které mohlo ferity ohřát nad tzv. Curieovu mez a tím ji vymazat. Feritová paměť pak byla hlavním typem operační paměti počítačů dlouhá desetiletí. Křemíkovými čipy – integrovanými obvody s vysokým stupněm integrace, začala být vytlačována v průběhu 70. let dvacátého století. Zajímavé je, že v počítačových systémech raketoplánů NASA byla feritová paměť vyměněna v rámci celkového upgrade až v roce 1990.
26
