FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita PV109: Historie a vývojové trendy ve VT Analogové a hybridní počítače, číslicové počítače 0. generace Luděk Matýska a Eva Hladká podzim 2023 Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Číslicové počítače ■ Zpracovávají Logické a číselné hodnoty ■ Operace jsou prováděny v aritmetické jednotce za sebou ■ Základní části: ■ aritmetická jednotka ■ paměf V I • v ■ radíc ■ periferní zařízení Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 2/35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Analogové počítače ■ 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 3/35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Dělení analogových počítaču dle použité analogie m Mechanická analogie ■ 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. ■ Integrování a derivování: integrační/derivační operační zesilovač u stejnosměrného. U střídavého napětí je nutné pracovat s původním signálem. Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 4/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Časový průběh stejnosměrného a střídavého napětí Nemodulované střídavé napětí Modulované střídavé napětí Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 5/35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Stavební prvky ■ 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, derivator ■ Základem je stejnosměrný operační zesilovač, který umí obracet fázi vstupního signálu o 2n (záporná zpětná vazba). ■ Nelineární operační jednotky ■ Diodové omezovače napětí a proudu, funkční měniče, násobičky atd. Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 6/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Lineárni operační jednotky I. Invertor ■ Do vstupu operačního zesilovače zapojíme pouze jeden odpor Rl a do zpětné vazby rovněž jeden odpor RO. Invertor násobí konstantou a obrad 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. u.ítj ů- U:ÍU Schematická značka invertoru R. Zapojení invertoru "'ÍŤr>-1\ u,.fľj u,(tf-^ Schematická značka sumátoru R, R. a- uam ,_R: ů-1_I— U.ÍL) ;_R o- -O -a Zapojení sumátoru Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 7/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Lineárni operační jednotky II. 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. uft.) u.ítj O- —o Schematická značka integrátoru U,[L:) -O -o Zapojení integrátoru U.ít) u:{L] Schematická značka derivátom R., u,(t) {> -ů Zapojení derivátoru Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 8/35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Programování na analogových počítacích ■ 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 soustava zařízení, modelováním lze najít řešení s vyšší stabilitou a optimalizovat jeho vlastnosti. Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 9/35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Hybridní počítače ■ Kombinují kladné rysy analogových a číslicových počítačů. v ■ 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 10/35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Konrád Zuse (1910 - 1995) ■ 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 Plankalkůl (1946). Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 11 / 35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Zl (1936) ■ Čistě mechanický počítač. Zuse jej postavil v domě rodičů. ■ Šlo o binárni 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 12/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Replika Zl Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 13 / 35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Z2aZ3 ■ 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) ■ 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. ■ Posledním z válečné řady byl Z4, následovaný po konci 2. světové války počítačem Z5. Stroje Z4 a Z5 lze považovat za první komerčně realizované počítače na evropském kontinentu. Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 14/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Replika Z3 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Z4 ■ Poslední z řady Zuseho elektromechanických počítačů. ■ Opět pouze mechanická pamět 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: 1. Dvě následující instrukce mohly být vykonány v obráceném pořadí. 2. Dvě další operace s pamětí mohly být vykonány předem. 3. Řídící jednotka mohla uchovat číslo místo jeho uložení do paměti, pokud by bylo použito v následujících instrukcích. Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 16/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Počítač Z4 v Deutsches Museum, Mnichov Luděk Mat 17/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Vannevar Bush (1890 - 1974) 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. Zd roj:http://www.kerryr.net Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 18/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Differential Analyzer Čistě mechanický analogový počítač postavený počátkem 30. Let. SLoužiL k modeLování napájecí soustavy. Na jeho stavbě se vedLe Bushe podíLeLi napr. HaroLd Hazen,Gordon Brown či CLaude Shannon. Zdroj:http://www.computerhistory.org Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 19/35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Howard Hathaway Aiken (1900 - 1973) ■ 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 20/35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Harvard Mark I. (1944) ■ Elektromechanický počítač o rozměrech 16x2,4x0,6 metrů a váze cca 5 tun. ■ Původní název: The IBM Automatic Sequence ControUed Caícuíator (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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 21/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Harvard Mark I. Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 22/35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Mark 2 (1947) ■ 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 23/35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Harvardská architektura ■ Architektura počítačů, která fyzicky odděluje paměf programu a dat a jejich spojovací obvody. ■ Počítač Harvard Mark I. byL na této architektuře postaven. ■ Není nutné mít paměf stejných parametrů a vlastností pro data a program. ■ Paralelní přístup k oběma pamětem zvyšuje rychlost zpracování Instructions memory Zdroj: http: //en . wikipedia Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Grace Murray Hopper (1906-1992) ■ Americká matematická, počítačová vedkyne a důstojnice námořnictva Spojených států. ■ Spolupracovala na vývoji Mark La Mark II. ■ 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 25/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Antonín Svoboda (1907-1980) ■ 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 proti letadlovém zaměřovači m systému MARK 56. Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 Zdroj: http: //www.nyx. cz 26/35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Antonín Svoboda ■ V roce 1946 se vrátil do ČSR, habiLitaci ani místo na ČVUT však nedostal. r m 1950: Vzniká Oddelenímatematických stroju při Ústředním matematickém ústavu. ■ 1951: Začíná vyvíjet SAPO (SAmočinný POčítač). ■ 1955: Zakládá Výzkumný ustav matematických stroju ■ 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 27/35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita SAPO - SAmočinný POčítač ■ 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 28/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Schéma počítače SAPO Zdroj:http://www.historiepocitacu.cz Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 29 / 35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Analogové a hybridní počítače v Československu ■ V ČSSR započal vývoj analogových počítačů počátkem 50. Let 20. století. ■ První, jednoúčelový, elektronkový analogový počítač byl dokončen ve Vojenském technickém ústavu - EUZ I. ■ Výzkumem v této oblasti byly pověřeny: Výzkumný ústav r _ telekomunikací v Praze (VUT), Výzkumný ústav matematických strojů (VÚMS), Ústav teorie informace a automatizace (ÚTIA) ČSAV v Praze, Ústav pro výzkum radiotechniky (ÚVR). ■ Sériově se analogové počítače vyráběly v n. p. Tesla Vysočany, n. p. Tesla Opočíneka Závodech průmyslové automatizace ■ 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 30/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Počítače řady AP a ANALOGON Rada počítačů AP3 a AP4 byly vyráběny vTesLa 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 ČSSR. Pro školní účely byl vyroben tranzistorový analogový počítač AP Š (Š - školní), jehož cena byla 75 000 Kčs. ANALOGON - byl vyroben pouze prototyp, nepodařilo se jej prosadit do sériové výroby Zdroj: http: //historiepocitacu. cz Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 31/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Řada počítaču MEDA MEDA - MaLý Elektronkový Diferenciální Analyzátor Vyráběly se sériově od roku 1964. Vývoj probíhal ve spolupráci VÚMS 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. Počítač MEDATS byl využíván mj. pro školní výuku na vysokých školách. Jeho pořizovací cena byla 150 000 Kčs. Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 32/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita MEDA 50 Čelní a zadní panel Zdroj:http://litildivil.cz/sbirka/pocitace/MEDA50/MEDA50.htm Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 33 / 35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Hybridní počítač ADT 7000 ■ 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 • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 34/35 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita ADT4316a ADT4500 Počítače ADT, kopírující řadu ADT 4500 - Pro překonání Hewlett-Packard 2100, měly politických potíží byly počítače této programové vybavení převzaté od řady dodávány pod krycími názvy, počítačů HP. To zaručilo jejich např. „digitální seismická centrála" rozumnou kvalitu. Na obrázku ADT nebo „číslicová část ADT 7000". 4316. Luděk Matýska a Eva Hladká • PV109: Historie a vývojové trendy ve VT • podzim 2023 35 / 35