Maturitní otázka z POS - č. 1
Historie počítačů • • • •
historický vývoj počítačů Neumannovo schéma počítače – nakreslit, popsat moduly a princip činnosti počítače základní odlišnosti dnešních počítačů od Neumannova schématu základní jednotky používané v informačních technologiích
Lidé jsou vynalézaví, a proto se snaží ulehčit nebo zautomatizovat neustále se opakující výpočetní operace. Počátkem 40. let 20. stol. se začínají objevovat první tzv. počítací stroje. Jedním z prvních počítačů byl mechanický počítač, který v roce 1938 sestrojil německý vynálezce Konrad Zuse (letecký inženýr) a nazval jej Z1. V roce 1939 reléově-mechanický počítač Z2 (obsahoval 200 relé). V roce 1941 tentýž vynálezce sestrojil počítač Z3 (reléový), obsahoval 2600 relé a dokázal vykonat za jednu minutu až 50 instrukcí. Byl také užíván k výpočtům balistických tabulek. Počítač Z3 se nedochoval, protože byl zničen při náletu. Jediný model, který se dochoval byl reléově-mechanický počítač Z4 (sestrojen v roce 1944). Ve Spojených státech představil v roce 1943 Howard Aikene svůj reléový počítač MARK 1, používalo ho americké námořnictvo pro výpočty balistických tabulek. O rok později (1944) byl uveden na Pensylvánské universitě do provozu první elektronkový počítač ENIAC (Elektronic Numerical Integrator And Calculator). Měl 18 tisíc elektronek, vážil 30 tun, zaujímal plochu 135 m2, dokázal vykonat 300 instrukcí za sekundu. V roce 1945 byl sestaven a uveden do provozu John von Neumannem počítač MANIAC (Mathematical Analyser Numerical Integrator And Computer), který byl použit k výpočtům sestrojení atomové bomby. V roce 1951 se stal prvním sériově vyráběným počítačem UNIVAC (UNIVersal Automatic Computer) – firma Remington. UNIVAC měl 5200 elektronek, vážil 13 tun, zaujímal plochu 35 m2, mohl vykonat 2000 operací za sekundu. V následujícíh letech se vyvýjely tzv. sálové počítače. Ty na zákázku zpracovávaly obrovské množství dat, vznikaly velké klimatizované sály a obrovská výpočetní střediska. Avšak objem požadavků se hromadil a výpočetní centra nebyla schopna v přijatelném čase uspokojovat své klienty. To znamenalo výrazně změnit rozměry a složitost počítače, tedy vznikly tzv. superpočítače (terminály) – klávesnice a monitor na stole uživatele spojené se superpočítačem někde v klimatinované místnosti. V roce 1971 byl firmou Intel vyroben první mikroprocesor, který dostal označení Intel 4004 (byl čtyřbitový) obsahoval 2300 tranzistorů, jeho výkon byl srovnatelný s počítačem ENIAC (v té době 60 000 operací za sekundu). O rok později (1972) byl sestrojen Intel 8008 (osmibitový). Kvalitativním posunem byl mikroprocesor Intel 8080 (osmibitový) uvedený na trh v roce 1974, byl schopen zpracovat 400 tisíc instrukcí za sekundu. Polovodičové obvody umožnily zkonstruovat počítač takové velikosti, aby se dal umístit na stůl. Začaly vznikat první osobní počítače (PC - personal computer). V roce 1982 představila firma IBM (International Business Machines) model počítače PC/XT (Extended Technology) a o rok později (1983) model PC/AT (Advanced Technology). V 80. letech se osobní počítače ovládaly pomocí klávesnice (textový režim). Od roku 1990 se přechází na grafický režim (standartním ovládáním se stává myš). Počítače řady PC nejsou jediným typem na trhu. Velkou konkurencí pro „písíčka“ byly počítače Apple Macintosh (ty byly ve svém počátku nejprodávanějšími počítači), dnes se používají hlavně pro náročnější grafické aplikace. Zpočátku nebyly kompatibilní s počítači PC. Dnes už ano, ale ještě ne zcela stoprocentně. kompatibilita = slučitelnost -1-
Maturitní otázka z POS - č. 1 Von Neumannovo schéma Von Neumannovo schéma bylo navrženo roku 1945 americkým matematikem (narozeným v Maďarsku) Johnem von Neumannem jako model samočinného počítače. Tento model s jistými výjimkami zůstal zachován dodnes.
Podle tohoto schématu se počítač skládá z pěti hlavních modulů: •
•
•
• •
operační paměť - slouží k uchování zpracovávaného programu, zpracovávaných dat (vstupních i výstupních) a výsledků výpočtu, při startu počítače se do ní zavádí operační systém ALU - Arithmetic-logic Unit (aritmeticko-logická jednotka) - jednotka provádějící veškeré aritmetické výpočty a logické operace. Obsahuje sčítačky, násobičky (pro aritmetické výpočty) a komparátory (pro porovnávání) řadič - řídící jednotka, která řídí činnost všech ostatních částí počítače, toto řízení je prováděno pomocí řídících signálů, které jsou zasílány jednotlivým modulům, reakce (modulů) na řídící signály jsou naopak zasílány zpět řadiči pomocí stavových hlášení vstupní zařízení - zařízení určená pro vstup programu a dat výstupní zařízení - zařízení určená pro výstup výsledků, které program zpracoval
-2-
Maturitní otázka z POS - č. 1 Princip činnosti počítače podle von Neumannova schématu 1. Do operační paměti se pomocí vstupních zařízení přes ALU umístí program, který bude provádět výpočet. 2. Stejným způsobem se do operační paměti umístí data, která bude program zpracovávat. 3. 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. 4. 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 s jedním programem. Toto vede k velmi špatnému využití strojového času. Je tedy obvyklé, že počítač zpracovává paralelně více programů zároveň - tzv. multitasking (současný provoz více úloh na jednom počítači, kdy jedna úloha probíhá na popředí a ostatní probíhají na pozadí). Počítač může disponovat i více než jedním procesorem. Počítač podle von Neumannova schématu pracoval pouze v tzv. diskrétním režimu (způsob práce počítače, kdy je do paměti počítače zaveden program, data a pak probíhá výpočet, v průběhu výpočtu již není možné s počítačem dále interaktivně komunikovat tento způsob práce byl charakteristický pro počítače první generace). Program se do paměti nemusí zavést celý, ale je možné zavést pouze jeho část a ostatní části zavádět až v případě potřeby. Existují zařízení určená pro vstup i výstup dat (programu) (disky, páskové mechaniky).
Základní jednotky používané v informačních technologiích BIT - (binary digit - dvojková číslice) je základní (nejmenší) jednotka informace, poskytuje množství informace potřebné k rozhodnutí mezi dvěma možnostmi, jednotka bit se označuje b a může nabývat pouze dvou hodnot - 0, 1 (logické ano/ne), 1 bit říká, že něco je nebo není S touto myšlenkou zakódování čehokoliv do 0 a 1 (dvojková soustava) přišel von Neumann. BYTE – označuje se B, jeden byte = 8 bitů, do jednoho bytu lze uložit jeden znak, písmeno, číslo, k uložení delšího textu je potřeba více bytů. Každý znak se skládá 8 bitů (nul a jedniček), které můžeme zkombinovat 256 způsoby (28 = 256), pomocí 1 B můžeme tedy zakódovat 256 různých znaků. Dnešní kapacita pamětí a velikosti programů se pohybuje ve velkých číslech, proto se zavádí kilobyte, megabyte, gigabyte atd.
Předpona
Značka
Zápis
Mocnina (B)
kilo
k, K
1 KB
210 B
1024 B
mega
M
1 MB
220 B
1048576 B
giga
G
1 GB
230 B
1073741824 B
tera
T
1 TB
240 B
1099511627776 B
-3-
Převod (B)
Maturitní otázka z POS - č. 1 John von Neumann "Lidé nevěří, že matematika je jednoduchá, protože si neuvědomují, jak složitý je život." (John von Neumann)
John Ludwig von Neumann se narodil 28. prosince 1903 v Maďarsku v Budapešti jako János Neumann. V roce 1913 jeho otec, významný bankéř a právník, Max Neumann, koupil šlechtický titul. Později ve Spojených státech si začal říkat John. Jeho rodina byla židovského původu (vnuk rabína) a patřila k vyšším vrstvám společnosti. Už v ranném dětství se u Neumanna projevovaly známky geniality. Měl vynikající paměť. Byl schopen si zapamatovat stránky telefonního seznamu. Z paměti dělil osmimístnými čísly. Učil se jazykům od německé a francouzské vychovatelky a již v šesti letech dovedl s otcem mluvit plynnou starořečtinou. Před první světovou válkou a během ní studoval von Neumann na luteránském gymnáziu. Již zde si učitelé všimli jeho výjimečných matematických schopností, věnovali mu zvýšenou pozornost a od dvanácti let ho soukromě učil nejlepší profesor matematiky z budapešťské univerzity. Po válce, v roce 1919, uprchla celá Neumannova rodina na měsíc do Rakouska, ale jeho studium to moc neovlivnilo. Gymnázium dokončil v roce 1921. I když Neumannův otec Max chtěl, aby jeho syn studoval na škole se zaměřením na obchod, nakonec souhlasil s jeho studiem chemie na univerzitě, takže se v roce 1921 přihlásil na Univerzitu v Budapešti, kde sice nedocházel na žádné přednášky, ale i přesto dosahoval při zkouškách z matematiky výborných výsledků. Téhož roku odešel studovat chemii do Berlína, kde se také začal zabývat kvantovou teorií a teorií neutronové sítě, a poté (1923) do Zürichu na Technickou Vysokou školu, kde v roce 1926 získal diplom inženýra chemie. Za svoji práci o teorii množin na Univerzitě v Budapešti získal doktorát z matematiky. Po studiích začal John von Neumann přednášet na Univerzitě v Berlíně (1926-1929) a v Hamburku (19291930). Díky Rockefellerově stipendiu také dále studoval, a to na Univerzitě v Göttingenu. V roce 1928 se celosvětově proslavil jako spolutvůrce matematické teorie her, která je dodnes používána nejen v matematice, ale i v ekonomice, politice a v dalších oblastech. Zabýval se řadou různých oborů, například: teorií funkcí reálných proměnných, matematickou logikou, axiomatickou teorií množin a samotnou podstatou teorie množin. Zavedl nové statistické mechaniky a položil matematické základy měření v kvantové teorii. Ve všech oborech jsou jeho výsledky významným přínosem. Než John von Neumann roku 1929 odešel přednášet o kvantové teorii na Univerzitu v Princetonu oženil se se svou snoubenkou Mariettou Kovesi. S ní strávil osm let svého života. Rok po narození jeho jejich dcery Mariny se s ní rozvedl a následujícího roku (1937) si vzal Kláru Danovou z Budapešti. I když byl ženatý, jeho zálibou zůstalo navštěvování různých nočních podniků. V Berlíně například navštěvoval Cabaret-Era. V roce 1931 byl jmenován profesorem na Univerzitě v Princetonu. Společně s Albertem Einsteinem a dalšími profesory matematiky založili The Institute for Advanced Study (vědecký institut v Princetonu).
-4-
Maturitní otázka z POS - č. 1 Za druhé světové války se John von Neumann zapojil do Manhattanského projektu. Projekt se zabýval výrobou atomové zbraně. Tým vědců měl veliké matematické problémy s výpočtem množství explozivního materiálu kolem plutonia v jedné z bomb. Nevěděli si s tím rady dokud nepřišel von Neumann. Problém skoro ihned vyřešil ("čočka pro implozi") a ona bomba, na které pracoval, a která byla svržena na Nagasaki dne 9. srpna 1945 byla dvakrát účinnější než bomba svržená o tři dny dříve nad Hirošimou. Von Neumann se také podílel na vývoji vodíkové bomby - tisíckrát ničivější než dvě výše zmiňované. U tohoto projektu však ani jeho síly nestačily a Neumann musel použít k výpočtům počítač. Měl hrůzu z atomového útoku na USA, proto nabádal vládu a prezidenta Trumana k preventivnímu útoku na Sovětský svaz. Možná zde hrály roli jeho vzpomínky z dětství na útěk před komunismem. Nicméně prezident Truman to nepřipustil. Von Neumann stál u zrodu moderních počítačů a velmi se zasloužil o rozvoj výpočetní techniky tím, že formuloval myšlenky architektonické stavby počítače, přispěl k rozvoji její logické struktury. To charakterizuje tzv. von Neumannova schéma (architektura). Další jeho myšlenky se týkají programů a dat (nedělá mezi nimi rozdíl). Zda jsou v paměti uložena data nebo program určovala pouze interpretace těchto dat procesorem - s programem se dalo zacházet jako s daty. Uvažoval o práci s jedničkami a nulami - binárním systému, který tvoří základ dnešních počítačů. Jeho koncepce měla vliv na výrobu počítačů až do osmdesátých let, kdy se objevil první procesor s Harvardskou architekturou. Dále se zabýval teorií automatů a rozvinul teorii celulárních automatů. V roce 1955 zjistil, že má rakovinu a 8. února 1957 na ni ve Washingtonu D.C. John von Neumann ve svých třiapadesáti letech umírá. Publikace: • • • • • • • • •
Publikovat začal už v sedmnácti letech (1920). 1923: Publikoval svoji definici přirozených čísel, která se používá dodnes. 1926: Publikoval svoji definici ordinálních čísel, která se také používá dodnes. 1932: "Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik" - základ nové kvantové mechaniky od roku 1933 vydával v časopise Annals of Mathematics 1934, 1935 časopis Transactions - dva články o kvaziperiodických funkcích a grupách od roku 1935 vydával v časopise Compositio Mathematica 1944: "Teorie her a ekonomické chování" a mnoho dalších
John von Neumann mimo jiné po sobě zanechal odkaz z roku 1949 v podobě matematických pravidel pro konstrukci robotů, jejichž schopností je sebezdokonalování a reprodukování. Tato myšlenka byla určitě na svou dobu velice troufalá a předčasná, ale, jak se ukazuje, v současnosti využívají vědci tato pravidla k sestrojení tzv. "Neumannových" robotů, kteří by měli zkoumat naši galaxii. John Von Neumann byl členem řady akademií ve světě, jako například Americká akademie umění a věd, Americká filozofická společnost a Národní akademie věd ve Spojených státech, Instituto Lombardo di Scienze e Lettere v Miláně v Itálii, Academia Nacional de Ciencias Exactas v Limě v Peru, Academia Nazionale dei Lincei v Římě v Itálii či Holandská královská akademie věd a literatury v Amsterdamu. Byl také členem Americké matematické společnosti, v níž byl v letech 1951 až 1953 prezidentem.
-5-
Maturitní otázka z POS - č. 1 Dále byl členem: • • • • • •
od 1940: The Scientific Advisory Committee (Vědecký poradní výbor) The Ballistic Research Laboratories (Balistické výzkumné laboratoře) v Aberdeen Proving Ground v Marylandu 1941-1955: Námořní úřad pro kartografii 1943-1955: The Los Alamos Scientific Laboratory - konzultant 1950-1955: The Armed Forces Special Weapons Project (Projektu zvláštních zbraní ozbrojených sil) ve Washingtonu, D.C 1955: The Atomic Energy Commission (Komise pro atomovou energii) - jmenován prezidentem Eisenhowerem
Získal také nespočet ocenění, například v roce 1937 získal Bocherovu cenu, v roce 1947 obdržel od prezidenta USA Medaili za zásluhy a v roce 1956 Medaili za svobodu. V tomtéž roce obdržel Pamětní cenu Alberta Einsteina a Cenu Enrica Fermiho.
Zajímavosti: • • • • • • •
zformalizoval kvantovou mechaniku zformalizoval teorii o struktuře atomů a molekul vysvětlil, jak mohou koexistovat konkurující teorie o "vlnění" a o "částicích" zavedl bit jako jednotku velikosti paměti počítače zajímal se o to, jak předpovídat a řídit počasí dobový vtip: "Matematikové dokazují, co se jim dokázat podaří; von Neumann dokazuje, co chce." "Nepamatoval si, co měl ten den k obědu, ale věděl zcela přesně, na které stránce a v které knize něco četl před patnácti lety." (Klára von Neumannová)
John von Neumann je jediným vědcem, o němž se tvrdí, že byl chytřejší než Einstein.
-6-
