PV109: Historie a vývojové trendy ve VT Analogové a hybridní počítače, číslicové počítače 0. generace Luděk Matýska a Eva Hladká Fakulta informatiky Masarykovy univerzity podzim 2013 Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 1 / 36 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 • Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 2/36 • Zpracovávají logické a číselné hodnoty • Operace jsou prováděny v aritmetické jednotce za sebou • Základní části: • aritmetická jednotka • pamětí • řadič • periferní zařízení Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 3/36 • Analogový počítač je založen na podobnosti různých systémů, tj. jejich analogii, která spočívá ve shodném matematickém vyjádření těchto systémů. • Založeny na zpracování analogových (spojitých) signálů. • Použití: • matematické stroje • simulátory - např. pro testovaní drahých strojů, u nichž lze chování popsat pomocí dif. rovnic • trenažéry - pro výcvik operátorů různých zařízení • řídicí systémy - analogový počítač řídí nějaký technologický proces, dle odběru řídí rychlost a intenzitu výrobního procesu Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 4/36 • Mechanická analogie a Veličiny zkoumané soustavy jsou vyjádřeny mechanickými veličinami (např. posunutí, pootočení, otáčky). • Mechanické počítací členy: vytvořeny pomocí hřídelí, ozubených kol, vaček, třecích mechanismů apod. • Přesnost závisela na přesnosti použitých částí a na měřítku zobrazení -pro vyšší přesnosti bylo nutné zvětšit měřítko (problematické). • Složité a nákladné na údržbu a provoz. • Elektrická analogie • Zkoumané veličiny byly vyjádřeny el. napětím nebo proudem. • Stejnosměrné - okamžitá velikost napětí je úměrná velikosti původní hodnoty. Sčítání je řešeno operačním zesilovačem nebo pasivní odporovou sítí. Násobení mechanické veličiny a el. napětí bylo realizováno např. potenciometry. • Střídavé - pro odečtení hodnoty se používala modulace signálu, o Integrovania derivování: integrační/derivační operační zesilovač u stejnosměrného. U střídavého napětí je nutné pracovat s původním signálem. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 5/36 Nemodulované střídavé napětí Modulované střídavé napětí Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 6/36 • Potenciometr • Elektromechanický prvek • Převod mechanického pohybu na změnu el. odporu • Použití: násobení konstantou, nastavení koeficientů, převod fyzikálních veličin na elektrické • Lineární operační jednotky • Invertor, sumátor, integrátor, derivátor • Základem je stejnosměrný operační zesilovač, který umí obracet fázi vstupního signálu o 2tt (záporná zpětná vazba). • Nelineární operační jednotky • Diodové omezovače napětí a proudu, funkční měniče, násobičky atd. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 7/36 • Invertor • Do vstupu operačního zesilovače zapojíme pouze jeden odpor Rl a do zpětné vazby rovněž jeden odpor RO. Invertor násobí konstantou a obrací znaménko vstupního napětí. • Sumátor • Do vstupu zapojíme n odporů a do zpětné vazby rovněž odpor RO. Sumátor násobí vstupy konstantami, provede jejich sečtení a obrátí znaménko. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 8/36 • Integrátor • Vstupní impedance je tvořena odporem Rl a zpětnovazební impedance kondenzátorem CO. Integrátor násobí vstup konstantou a tuto veličinu integruje, přičemž obrací znaménko. • Jestliže v čase t=0 bylo na zpětnovazebním kondenzátoru nenulové napětí, pak to znamená počáteční podmínku. Ve schématu se značí pouze je-li nenulová. • Derivator • Lineární operační jednotka s jedním vstupem, kde vstupní impedance je tvořena kondenzátorem Cl a zpětnovazební impedance je tvořena odporem RO. • Derivator násobí vstupní napětí konstantou, derivuje a obrací znaménko. Schematická značka integrátoru -o Zapojení integrátoru LJ,(t> |t-^ U:(L] Schematická značka derivátoru R„ -o Zapojení derivátoru Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 9/36 • Vhodné schéma = rozdělení úlohy na základní operace • Využívají se dva způsoby: • pomocí symbolických programovacích schémat (klasický způsob programování) • maticové (tabulkové) programování • Průběh výpočtu • Operační jednotky vytváří počítací síť, která je elektronickým modelem řešeného problému. • Podle toho, jak výpočet probíhá, rozlišujeme: • Přímý výpočet - zapojení, kdy signál prochází přes jednotky a nevrací se zpět, všechny veličiny jsou předem známé. • Nepřímý výpočet - vyznačuje se tím, že při výpočtu jedné veličiny se předpokládá, že ostatní jsou známé. Jsou zde zpětné vazby. • Implicitní výpočet - používá se pro výpočet inverzní funkcí, řešení soustav lineárních algebraických rovnic, či určování kořenů algebraických rovnic vyšších řádů. • Elektronické modelování - při projektování nových soustav a zařízení, modelováním lze najít řešení s vyšší stabilitou a optimalizovat jeho vlastnosti. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 10 / 36 • Kombinují kladné rysy analogových a číslicových počítačů. • Číslicová složka zastává funkci řídicí jednotky a provádí logické operace. • Analogová složka slouží pro výpočet diferenciálních rovnic. • Vyznačují se vysokou rychlostí (průchod signálu počítací sítí), mají však omezenou přesnost (3-4 desetinná místa). Polský hybridní počítač WAT 1001 Zdroj: http://en.wikipedia.org Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 11 / 36 • Německý stavební inženýr. • Navrhl a sestrojil několik typů počítačů (od mechanických po elektronické). • V roce 1937 předložil dva patenty předvídající von Neumannovu architekturu (nebyly přijaty). • I přes intelektuální izolaci v letech 1936 - 1945 dokázal se svým týmem sestavit počítače pro vojenské účely. • Jako první využil binární soustavu v počítačích. • Navrhl též vyšší programovací jazyk Plankalkúl (1946). Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 12 / 36 • Čistě mechanický počítač. Zuse jej postavil v domě rodičů. • Šlo o binární mechanický kalkulátor s pohyblivou řadovou čárkou a omezenými možnostmi programování. • Instrukce byly načítány z 35mm kinofilmu. • Mechanická paměť dokázala pojmout 16 22bitových binárních čísel. • Implementována jako systém volně pohyblivých jehel zasazených do otvorů v kovové desce. • Zatlačený hrot znamenal binární 0, vystouplý 1. • Vstup byl realizován 4místnou číselnou klávesnicí, výstup na 4místný displeji. • Tři hlavní části: paměť, ovládání, aritmetická jednotka. • Zl byl dokončen v roce 1938, obsahoval 30000 kovových částí a kvůli nepřesným dílům nepracoval správně. • Byl zničen během 2. světové války i s plány, v letech 1987-1989 však Zuse sestavil jeho repliku. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 13 / 36 • V roce 1939 byl Zuse povolán do vojenské služby. • První počítač, který sestavil, byl Z2 - přepracovaná verze Zl využívající telefonních relé. • V temže roce zakládá společnost Zuse Apparatebau. • 1941: Dalším vylepšením Z2 vznikl počítač Z3. • Paměť měla kapacitu 64 22bitových slov (14 mantisa, 7 exponent, 1 znaménko) 9 Byl programovatelný, obsahoval smyčky ale nevyužíval podmíněné skoky. • I přes absenci podmíněných skoků byl Z3 považován za Turing-kompletní počítač. • V roce 1945 byla při náletu spojeneckých vojsk zničena Zuseho společnost, přišel i o dokumentace k Zl, Z2 i Z3. • Počítač Z4 a další z jeho produkce již byly elektronkové (příště). Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 15 / 36 Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • Poslední z řady Zuseho elektromechanických počítačů. • Opět pouze mechanická paměť, slova měly délku 32 bitů • Poprvé se tu objevuje prvek obdobný primitivní cache paměti - čtečka načítala data vždy dva kroky před právě prováděnou instrukcí. • To umožňovalo urychlovat výpočet jedním ze 3 způsobů: O Dvě následující instrukce mohly být vykonány v obráceném pořadí. O Dvě další operace s pamětí mohly být vykonány předem. O Řídící jednotka mohla uchovat číslo místo jeho uložení do paměti, pokud by bylo použito v následujících instrukcích. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 17 / 36 • Americký inženýr, vynálezce, profesor na MIT. • 1945: V práci As We May Think de facto předpověděl koncept hypertexu, jež označoval jako memex (memory+index). • Pracoval na stavbě analogových počítačů. • Během 2. světové války vedl National Defense Research Committee a byl poradcem presidenta F. D. Roosevelta ve věcech vědy. Zdroj: http://www.kerryr.net Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 19 / 36 • Čistě mechanický analogový počítač postavený počátkem 30. let. • Sloužil k modelování napájecí soustavy. • Na jeho stavbě se vedle Bushe podíleli např. Harold Házen, Gordon Brown či Claude Shannon. Zdroj: http: //www. computerhistory. org Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 20 / 36 • Počítačový průkopník. • Hlavní inženýr stavby jednoho z prvních počítačů firmy IBM - Harvard Mark I. • Inspiroval se Babbageovým Diferenčním strojem. • Za svůj přínos oblasti IT získal několik významných ocenění: • Na jeho počest byla na odvrácené straně Měsíce pojmenována „pánev Aiken" (největší deprese povrchu na Měsíci). Zdroj: http://en.wikipedia.org Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 21 / 36 • Elektromechanický počítač o rozměrech 16x2,4x0,6 metrů a váze cca 5 tun. • Původní název: The IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC) • Operace byly synchronizovány mechanicky pomocí průchozího hřídele délky 15,5 m otáčeného elektromotorem o výkonu 4 kW. • Výpočetní výkon byl 3 op./s pro sčítání a odčítání a 6 op./s násobení • Obsahoval 72 mechanických registrů schopných uložit až 23 dekadických míst. • Bylo možné mechanicky zadat až 60 konstant (v podstatě stejný koncept jako paměti ROM - read-only memory). • Program se načítal z děrné pásky, data z několika dalších pásek nebo z čtečky děrných štítků. • Byl používán v součinnosti s radarem v systému GCD (Ground Controlled Descent) pro navádění pilotů na přistání. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 23 / 36 • Vyroben na objednávku Námořnictva Spojených států. • Oproti svému předchůdci byly použity elektromagnetické relé. • Sčítání trvalo 0,125 s (8 Hz), násobení 0,750 s (2,6X rychlejší než Mark I.) • Byl schopen práce v pohyblivé řadové čárce. • Obsahoval specializované prvky HW pro druhou a reciprokou odmocninu, logaritmické a exponenciální funkce a několik trigonometrických. Vykonání těchto operací trvalo mezi 5 a 12 sekundami. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 24 / 36 Harvardská architektura o Architektura počítačů, která fyzicky odděluje paměť programu a dat a jejich spojovací obvody. o Počítač Harvard Mark I. byl na této architektuře postaven. o Není nutné mít paměť stejných parametrů a vlastností pro data a program. o Paralelní přístup k oběma pamětem zvyšuje rychlost zpracování Zdroj: http://en.wikiped.ia. MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 • Americká matematická, počítačová vedkyne a důstojnice námořnictva Spojených států. • Spolupracovala na vývoji Mark I. a Mark II. o Vyvinula první kompilátor pro počítačový programovací jazyk pro počítač UNIVAC. • Díky svým schopnostem získala přezdívku „Amazing Grace". • 1986: Jako první žena v historii dosáhla hodnosti kontraadmirál ve výslužbě. Zdroj: http://en.wikipedia.org Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 26 / 36 • Vynálezce a počítačový vědec, vystudoval elektrotechnické a strojní inženýrství na ČVUT a fyziku na UK. • Konstruktér prvních československých samočinných počítačů - SAPO a EPOS 1. • V roce 1936 byl povolán do armády a pověřen prací na protiletadlových zaměřovačích. • Po obsazení ČSR se mu podařilo i s rodinou emigrovat do USA. • Během 2. světové války pracoval na vývoji protiletadlových zaměřovačů, spolupracoval s H. Aikenem či V. Bushem na MIT. • Dle jeho návrhu byl realizován mechanický analogový počítač používaný v protiletadlovém zaměřovacím systému MARK 56. i Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy v Zdroj: http://www.nyx.cz • V roce 1946 se vrátil do ČSR, habilitaci ani místo na ČVUT však nedostal. • 1950: Vzniká Oddělení matematických strojů při Ústředním matematickém ústavu. • 1951: Začíná vyvíjet SAPO (SAmočinný POčítač). • 1955: Zakládá Výzkumný ústav matematických strojů o 1964: Podruhé emigruje do USA, dostává místo na UCLA. • Spolupracuje s NASA na vývoji počítačů pro let na měsíc. • U nás se o Svobodovi a jeho práci nesmělo psát ani mluvit až do roku 1990. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 28 / 36 • Základem byla elektromagnetická relé (7000 ks). Pracoval v binární soustavě s pohyblivou řádovou čárkou. • Vstup byl dvojkový nebo dekadický na děrných štítcích. • Součástky nebyly příliš kvalitní (pocházely ze zemí východního bloku), • Pro zajištění spolehlivosti byla ALU ztrojena a o správném výsledku rozhodovalo „hlasování". • Stejný princip později použil i při práci v NASA. • Výpočetní rychlost byla cca 3 operace za sekundu. • 1958: Vývoj trval 7 let a v době dokončení byl již zastaralý. • V roce 1960 zachvátil požár reléové části stroje. Ačkoliv byly poškozeny pouze 2 % zařízení, již nedošlo k opravě. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 29 / 36 Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 30 / 36 • V ČSSR započal vývoj analogových počítačů počátkem 50. let 20. století. • První, jednoúčelový, elektronkový analogový počítač byl dokončen ve Vojenském technickém ústavu - EU Z I. • Výzkumem v této oblasti byly pověřeny: Výzkumný ústav telekomunikací v Praze (VUT), Výzkumný ústav matematických strojů (VUMS), Ustav teorie informace a automatizace (UTIA) ČSAV v Praze, Ustav pro výzkum radiotechniky (UVR). • Sériově se analogové počítače vyráběly v n. p. Tesla Vysočany, n. p. Tesla Opočínek a Závodech průmyslové automatizace 0 Zajímavostí je, že ve výrobě analogových počítačů se čs. průmyslu dařilo dosahovat řádově lepších výsledků, než při výrobě počítačů číslicových. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 31 / 36 Rada počítačů AP3 a AP4 byly vyráběny v Tesla Pardubice (závod Opočínek). AP4 byl malý počítač, jehož sériová výroba začala v roce 1961. Od roku 1962 se v Opočínku kompletoval i střední analogový počítač AP 3M, který byl největším analogovým počítačem v CSSR. Pro školní účely byl vyroben tranzistorový analogový počítač AP S (S - školní), jehož cena byla 75 000 Kčs. ANALOGON - vyroben jen prototyp, nepodařilo se prosadit sériovou výrobu i Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy v Zdroj: http: //historiepocitacu. cz • MEDA- Malý Elektronkový Diferenciální Analyzátor • Vyráběly se sériově od roku 1964. Vývoj probíhal ve spolupráci VUMS a n. p. Aritma Praha • Vedle elektronkových počítačů vznikla i řada MEDA T, využívající tranzistory (např. MEDA 40 T, TS, 60 T, 80 T) • V polovině 70. let překročil počet prodaných počítačů řady T 1000 ks (více než polovina šla na export). • Získali několik mezinárodních ocenění - např. zlaté medaile na veletrhu INFORGA 1965, na Mezinárodním veletrhu v Brně 1966 a Lipském veletrhu 1967. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 33 / 36 Čelní a zadní panel _Zdroj: http://litildivil.cz/sbirka/pocitace/MEDA50/MEDA50.htm Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 34 / 36 • Byl vyvinut v letech 1972-1974. • Tvořily jej číslicový počítač ADT 4000 (nebo 4316) + analogový počítač ADT 3000 • ADT 4000: kopie minipočítače Hewlett-Packard 2100 • Byl určen pro řešení širokého sortimentu úloh diferenciálního charakteru s možností časově paralelního nebo sekvenčního řazení jednotlivých operací. • Často se pořizovala pouze číslicová část. Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 35 / 36 Počítače ADT, kopírující řadu Hewlett-Packard 2100, měly programové vybavení převzaté od počítaču HP. To zaručilo jejich rozumnou kvalitu. Na obrázku ADT 4316. ADT 4500 - Pro překonání politických potíží byly počítače této řady dodávány pod krycími názvy, např. „digitální seismická centrála" nebo „číslicová část ADT 7000". Luděk Matýska a Eva Hladká (Fl MU) PV109: Historie a vývojové trendy ve VT podzim 2013 36 / 36