PV109: Historie a vývojové trendy ve VT Výpočetní pomůcky a stroje Eva Hladká a Luděk Matýska Fakulta informatiky Masarykovy univerzity podzim 2013 Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 1/1 CZ.1.07/2.2.00/28.0041 Centrum interaktivních a multimediálních studijních opor pro inovaci výuky a efektivní učení 'XPřf evropský SOCiální ■ ministerstvo školství, Op fond v cr evropská unie mládeže a tělovýchovy INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNI • Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 2/1 Před vznikem počítadel lidé zpravidla používali to, co měli k dispozici - svoje vlastní prsty. Počítadla sloužila pro usnadnění práce počtářům a kupcům. I dnes se s nimi setkáme (např. základní školy). Původně čáry v písku a kamínky mezi nimi (5. tis. p. n. I.). Později kuličky (kotoučky) na drátě. Různé varianty počítadel dle místa jejich vzniku • východní - soroban, suan pan • západní - sčot 4«m» tu -ZVU :• —W/M -mí Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 3 /1 • Skotský matematik, fyzik, astronom a astrolog. • 1614: v knize Mirifici Logarithmorum Canonis Descriptio přestavil přirozený logaritmus. • Byl také propagátor využití desetinné čárky. • Univerzita v Edinburghu nese jeho jméno. Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 4 /1 Představeny v roce 1617, umožňovaly efektivní násobení. Každé číslo od 1 do 9 má svou vlastní kostku, lépe řečeno hranol, na kterém je vyznačen dvou-, tří- až devítinásobek. Příklad: Spočítejte 7385x568. • Položíme vedle sebe kostky - sedmičkovou, trojkovou, osmičkovou a pětkovou a vyhledáme čísla páté, šesté a osmé řady. Tato čísla sečteme od pravé strany a získáme výsledný součin. Z každého součtu zapíšeme do výsledku jen jednotky, vyšší řády přičteme jako přenos k dalšímu součtu. 2 =24 Výsledek = 4 194 680 Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 5 /1 • Mechanická pomůcka pro násobení a dělení čísel, používaná až do 2. pol. 20. stol. • Na myšlence náhrady násobení sčítáním logaritmů je založeno i logaritmické pravítko. Sčítají se na něm úsečky reprezentující čísla na úsecích logaritmické stupnice. • Moderní logaritmické pravítko obsahuje i řadu dalších stupnic -kvadratickou, kubickou, reciprokou, exponenciální, stupnice pro trigonometrické funkce apod. 5t ^'J: ,■: f,1 .-.y:'. '.■J1.1.1,; í 1 ■.J'.i j v. '■ \ ■:, n ■, ■, u:1 ŕ.; i1; ■r.'.1 L—^f '"^.....l^"1 y,í^^pffi*Tn^ntíMvIuí^vv:T'|viMjÄ H 1 °r "jíuTí^l^irtiAJ^Jii^iřiviw ™ j.....M'"i|»i'l''' WWp i: ■ i -^"ťi i*. ■■^■■i i ;Eri*^i ň*fii^ ^-i-1 í^íi^'ŕ i t-;j ivPi ivii^rii i iLiii^ .-rJ.r.J.riř-i^ ^ "r ? b'-'F* | ^ i i ^ r i > nx |ľ ^1.1 |:,v, ! j,^ | j ! i 1 |[ri VíV-^l - i '-"V-'V.......^ ^ il. w ŕ ■ ■' i'.'- ■ 1. V1 ^'!111 i! íf! i: í r| !! ■ 'I',1,',1!1'11' ™ fílJ|^l/i'|l|W^■! " 2 Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 6 /1 o Wilhelm Schickard (1592 - 1635), univerzitní profesor, konstruktér prvního mechanického kalkulátoru • 1623: Schickardův kalkulátor - umožňoval operace +, -, *, / • Sestrojil asi tři stroje, žádný z nich se nezachoval. • Konstrukční podrobnosti jsou zaznamenané v dopisu J. Keplerovi • Dle dostupných informací byl stroj vybavený šesti polohovým sčítacím strojkem s přenosem desítek a násobícím strojkem. Mimo nich byly použité také Napierovy počítací válečky. • Replika byla zkonstruována v roce 1960 a je umístěna v muzeu v Mnichově. Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 7 /1 Originální nákres z dopisu J. Keplerovi Zdroj: http://en.wikipedia.org Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 8 /1 • Francouzský matematik, spisovatel, filosof, teolog a fyzik. • Pocházel ze zámožné a vzdělané rodiny. • Otec byl správce královských daní. • Dostalo se mu dobrého vzdělání. • Vedl nákladný život na francouzském dvoře. • Významně přispěl k rozvoji kombinatoriky (Pascalův trojúhelník) a položil základy teorie pravděpodobnosti (byl vášnivý hráč). • Po nehodě kočáru roku 1654, při které málem zahynul, se obrátil k Bohu a dále se věnoval jen filosofii a náboženství. Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 9 /1 • 8místný mechanický kalkulátor schopný sčítat a odčítat • Pascal jej vyrobil v 19 letech (1642) pro svého otce. • Bylo vyrobeno na 50 různě zdokonalených modelů. • Zařízení bylo na svou dobu revoluční, např. mechanismus přenosu do vyššího řádu byl využíván ještě dalších 100 let. Dvě místa byla určená na tehdejší drobné peníze, zbývajících šest míst bylo určeno na plnohodnotné zlaté peníze, začínající zprava jednotkami a končící vlevo statisíci. Každé jednotlivé ozubené kolečko stroje se pootočilo podle příslušné řádové hodnoty čísla, které se má přičíst, o tolik zubů kolečka, kolik udává číslice na příslušném místě. Kolečka otáčejí číslicovým válcem, který je uvnitř stroje. Výsledek bylo možné odečíst v okénku._ Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 10/1 • Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716), filosof, vědec a matematik • 1694: zdokonalil Pascaline - rozšířil ji o operace násobení, dělení a výpočet druhé mocniny Základem byly stupňovité válce, které tvořily přenosný prvek. Každý válec byl spojený s jedním ozubeným kolečkem osmipolohového nastavovacího zařízení. Při nastavení určité číslice se ozubené kolečko posunulo po hřídeli až na místo, kde měl válec příslušný počet zubů. Výsledky byly odečítány na šesti polohovém počítadle. Ruční klika umožňovala otáčet ozubenými kolečky nastavovacího zařízení. 7d tiie handle Zd roj: http://history-computer.com Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 n/i • Na Pascala a Leibnize navázala svými kalkulačkami řada následovníků. o Zajímavá byla Morlandova kalkulačka z roku 1666, která počítala ve starých britských měnových jednotkách. • Libra se dělila na 20 šilinků po 12 pencích a pence dále na 4 farthingy. Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 12/1 • Charles Xavier Thomas de Colmar (1785 -1870), francouzský vynálezce, působil v pojišťovnictví • 1820: Patentoval Arithmometer - první sériově vyráběny mechanický kalkulátor. • Využíval stupňovitých válců, známých již z Leibnizova kalkulátoru. o Čtyři základní matematické operace - sčítání, odčítání, násobení a dělení. • Vyráběl se v několika variantách a až do roku 1887 neměl konkurenta. Zdroj: http://en.wikipedia.org Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 13 / 1 • Willgodt Theophil Odhner (1845 -1905), švédský vynálezce působící v Rusku. • Od roku 1890 začal vyrábět počítací stroje s Odhnerovým kolem s výsuvnými zuby. • Různé klony byly vyráběny až do 80. let 20. stol (u nás např. Nisa Proseč). • Odhner zdokonalil princip ozubeného kola s proměnným počtem zubů od Leibnize. Odhnerova stroje z patentové přihlášky Zdroj: http://goo.gl/pk8fo Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 14/1 Odhnerovo kolo II. V těle kola je 9 radiálních drážek, v nichž se mohou pohybovat posuvné „zuby" (Sprossen). Ty mají na sobě výstupky, které zapadají do drážky ve stavěcím prstenci (Stellring). Pohybem prstence vůči kolu se zuby vysouvají a zasouvají, čímž se nastavuje číslice. Při otáčce celého kola zaberou vysunuté zuby do čítače (vpravo dole) a číslici tak přičtou. Kromě 9 zubů jsou v kole ještě dva odpružené zuby, které může vysunout páčka (Zehnervorbereitungshebel) sousedního kola, pokud je třeba udělat přenos do vyššího řádu. Jeden z těchto zubů funguje při sečítání, druhý při odečítání, podstatné aleje, že přenosová jednička se přičte až po přičtení sousední číslice, takže se mechanismus nemůže zaseknout. Zehner-Ě Zehnervorbereitungshebel Ä/ PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 15/1 • Vznikly z potřeb a požadavků účetních, výběrčích daní, finančníků či astronomů. • Byly využívány téměř 4 století, prakticky do doby příchodu digitálních kalkulátorů. • Nevýhoda: nutnost přepisu výsledů =>■ zdržování, možnost vzniku chyb při přepisu. • Další vývoj tak vedl k vývoji kombinovaných zařízení založených na psacích strojích rozšířených o sčítací komponenty. • Konec 19. stol. - firma Burroughs představila první účtovací stroj, který umožňoval sčítat pouze ve sloupcích. • VI. pol. 20. stol firma Remington (mj. výrobce zbraní) uvedla účtovací stroje, které byly schopny sčítat i v řádcích. • Fakturační stroje - kombinace psacího stroje a počítačky Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 16/1 • Počítač - v 17. století pojem pro osobu, která počítá (podobně, jako prodavač) • Poprvé využito pro výpočet návratu Halleyovy komety v roce 1759 • Princip rozděl a panuj - vedoucí rozdělil úkol na jednodušší podúkoly, které byly zadány skupině počtářů. • Tento princip byl využíván až do 1. pol. 20. stol Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 17/1 Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 18 / 1 • Basile Bouchon (1725) ve Francii pro řízení tkalcovských stavů použil děrované role papíru • Tento krok je považován za první využití poloautomatických strojů v průmyslné výrobě • Joseph Marie Jacquard (1752 - 1834), francouzský tkadlec a obchodník • Vylepšil Bouchonův přístup • Je považován za vynálezce děrných štítků • Ty použil ve svém mechanickém stavu pro zjednodušení výroby složitých vzorů výšivky (brokát, damašek, matelassé) Děrné štítky použité v Jacquardově stavu. Zdroj: http://en.wikipedia.org Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 19 / 1 • Britský matematik, filosofa vynálezce, absolvent univerzity v Cambridge. • Je autorem konceptu programovatelných počítaču —> Otec počítaču • Založil nebo spoluzaložil několik společností-např. Astronomickou společnost, Analytickou společnost a působil i ve Statistické společnosti. • Proslavil se v kryptografii, kdy prolomil údajně „neprolomitelnou" Vigeněrovu šifru. • Další Babbageovy vynálezy: ,,cow-catcher" -železná radlice na čelní straně parních lokomotiv, oftalmoskop. Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 20 /1 • Počátkem 18. století bylo publikováno mnoho druhů matematických tabulek, které byly využívány v navigaci či vědě. • Koeficienty byly počítány ručně, to bylo zdlouhavé a mnoho z nich bylo chybných. • Již v roce 1786 J. H. Müller, inženýr hessenské armády (Německo), publikoval návrh diferenčního stroje. K jeho sestavení však nedošlo. • 1822: Babbage sestrojil model, který byl schopen počítat jakoukoli polynomickou funkci s konstantní druhou derivací do hodnoty 999 999 metodou rozdílů funkčních hodnot. • Jedná se o způsob, jak interpolovat funkce pomocí malé množiny polynomiálních koeficientů. • Difernční stroje mohly být slibný způsob k urychlení a zpřesnění tvorby tabulek funkcí. Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 21 /1 • Britská vláda začla financovat projekt stavby Babbageova stroje. • Celkem do něj investovala 17000 liber, dalších 20000 investoval sám Babbage. I přesto stroj nebyl nikdy dokončen. • Důvody byly dva: • Konstrukční složitost součástek, které pomocí tehdejších technologií bylo velmi obtížné (a tím pádem i nákladné) vyrobit. • Babbage se zaměřil na návrh a výrobu Analytical Engine. o Otec a syn Scheutzovi ze Švédska, na základě původních plánů, sestavili diferenční stroj. • 1843: diference 3. řádu; 1853: diference 4. řádu Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 22 /1 • Návrh obecně použitelného mechanického počítače. • Hlavní části: o aritmetická jednotka (mill) • řadič (control barrel) • integrovaná paměť o kapacitě 1000 40místných čísel (store) • Program byl čten z děrných štítků a ihned prováděn. • Několik snímačů dovolovalo vytvářet programy s cykly a větvením. Výstup byl na číslicovou tiskárnu. Aritmetická jednotka s tiskárnou Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 23 /1 o Ač se Babbage snažil získat finanční prostředky, ani jeden ze svých strojů nedokončil. • Ke 200. výročí Babbageova narození byl, dle dochovaných nákresů, sestrojen Differential Machine, který je umístněn v londýnském Muzeu vědy. Byl dokončen v roce 1991. • Analytical Engine byl první obecně použitý turing-kompletní počítačový návrh. • Projekt Pian 28 - výroba repliky analytického stroje (viz http://plan28.org/). Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 24 /1 • Celým jménem Augusta Ada King, Countess of Lovelace, dcera spisovatele Lorda George Byrona. • V roce 1834 se seznámila s Babbagem a pomáhala mu vytvářet programy pro jeho Analytical Engine. • V jednom ze svých spisů (asi 1843) popsala algoritmus pro výpočet Bernoulli ho čísel. • Lze ji tak označit za první programátorku. • Programovací jazyk Ada je pojmenován na její počest. Zdroj: http://en.wikipedia.org Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 25 /1 Herman Hollerith (1860 - 1929) -americký statistik, autor mnoha vynálezů Tabulating machine (vpravo) -zařízení vyvinuté pro zpracování údajů ze sčítání lidu v USA v roce 1890 Hollerith využil děrných štítků pro značení údajů o věku, státu trvalého pobytu, pohlaví, atd. Nasazení děrných štítků významně urychlilo následné zpracování výsledků, tím pádem snížení nákladů. -1. Zdroj: http://en.wikipedia.org Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 26 /1 • V 1. pol. 20. stol. děrné štítky používány ve strojně-početních stanicích s řadou specializovaných strojů: • děrovače • přezkoušeče • třídiče • tabelátory (sčítačka + tiskárna) • násobičky «... • Zhruba od 50. letech se děrné štítky stávají hlavním vstupním médiem pro počítače. Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 27 /1 • Od původně jednoduchých početních pomůcek se s rozvojem vědy a techniky začaly vytvářet složitější mechanické přístroje. • Velký rozmach mechanických počítacích strojů přišel s průmyslovou revolucí. • Mnoho principů bylo natolik převratných, že byly využívány ještě mnoho následujících desetiletí. • Není překvapivé, že prakticky všechny pomůcky sloužily k usnadnění a urychlení opakovaně prováděných činností. Eva Hladká a Luděk Matýska (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 28 /1