Úvod

1. Úvod Čemu se tento cyklus přednášek věnuje? Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Pro projekt „Cesta k vědě“ (veda.gymjs.net) vytvořil V. Pospíšil (gdermog@seznam.cz). Modifikace a šíření dokumentu podléhá licenci CC-BY-SA.

2. Úvod Přednášky kurzuInformatika a výpočetní technika ve vědecké praxi • Úvod – historie výpočetní techniky • Architektura a elektronika současných počítačů, dvojková soustava a digitalizace • Hardware a software – sestavte si vlastní počítač • Operační systémy a překladače, základy práce pod operačním systémem Linux • Práce pod operačním systémem Linux podrobněji • Základy programování – algoritmy a struktury údajů • Základy programování – jazyk C++ • Objektově orientované programování v C++ • Programy pro vědecké výpočty, práce v programu Mathematica • Počítačové systémy pro řízení experimentů a sběr dat, programy pro zpracování dat, • práce v systému ROOT • Počítačové simulace • Sítě : architektura, internet, distribuované výpočty, GRIDy • Typografický systém LaTeX • Prezentační software a publikování na webu Přednášky budou dle možností GJS a FJFI doplněny praktickými cvičeními.

3. Prehistorie První prostředky pro zaznamenávání informací o počtu zboží vznikaly v době, kdy nebyl znám numerický zápis čísel. Přirozený a nejjednodušší prostředek je lidská ruka – počet prstů. Díky její stavbě jsme překvapivě dobře uzpůsobeni k počítání do pěti. Udělejme malý pokus. Říkejte rychle počty objektů, které se objeví na obrazovce…

4. Prehistorie Pět prstů je málo, máte-li ve stádu šest a více ovcí. Když odložíte pastýřskou hůl, zaznamenáte i deset ovcí, ale ne víc (počítání na prstech ve dvojkové soustavě nebylo v pravěku a starověku příliš používané  ). Záhy se objevuje záznam počtu objektů rytím do kamenů či kostí. Tato metoda vydržela tisíce let. Kost z Išangu Pohled z obou stran na kostěnou násadu nástro-je, který nalezl Jean de Heinzelin v Išangu blízko Edwardova jezera v Af-rice. Pravý konec byl pů-vodně osazen větším ná-strojem z křemene. Po-chází z období 9000 př.n.l.

5. Prehistorie Tabulka z ostrova Salamis – Nejstarší známý abakus byl nalezen na ostrově Salamis r. 1846. Předpokládá se, že byl používán v Babyloně kolem 300 př.n.l. Počet prstů a záznamy rytím samozřejmě pro obchod nestačily a proto se počty ve starověku začaly zapisovat do jakýchsi tabulek, ve které šlo s údaji pracovat. Takové tabulce se říká abakus. Abakus je a Latinské slovo jež pochází z řeckého abax nebo abakon, což znamená „tabulka“. Je možné, že jeho prapůvod leží i v Semitském abq (písek). Na obrázku vlevo je tabulka, nalezená r. 1846 na ostrově Salamis. Původně byla považována za deskovou hru, později se zjistilo, že sloužila k číselným záznamům. Deska je mramorová o rozměrech 149 x 75x 4.5 cm. Čísla se do ní „zapisovala“ pokládáním oblázků. Podobné tabulky sloužili opravdu jen k uchovávání čísel a mezivýsledků – počítat musel každý sám. Fotografie z archivu http://www.ee.ryerson.ca/~elf/abacus

6. Prehistorie Počítadla jak je známe dnes se poprvé objevily v Číně kolem roku 1200 n.l. . Hodnota 5 Hodnota 1 Jednotky Tisíce atd… Desítky Řád 1012 Stovky Kolem r. 1600 bylo zavedeno počítadlo pouze s jedním vrchním kamenem. Fotografie z archivu http://www.ee.ryerson.ca/~elf/abacus

7. Prehistorie Čínský úředník, Peking 1997 Fotografie z archivu http://www.ee.ryerson.ca/~elf/abacus

8. John Napier 1550 - 1617 Novověk – Napierovy kostky John Napier - skotský matematik, fyzik a astronom. Do historie se zapsal zejména zavedením logaritmů a vynálezem Napierových kostek (Napier’s Bones), pokročilého počítadla umožňujícímu snadné násobení, dělení a odmocňování velkých čísel.

9. John Napier 1550 - 1617 Novověk – Napierovy kostky Příklad násobení : 46785399 x 7 – velké číslo poskládáme z kostek tak, jak je na schématu. Výsledek pak odečítáme na vodorovné lince vedle sedmičky a to tak, že sčítáme číslice na diagonálách. Pokud dostaneme více než devět, převedeme jedničku do vedlejší diagonály. Metodu lze snadno zobecnit na násobení většími čísly.

10. Henry Briggs 1561 -1630 Novověk – logaritmické tabulky Henry Briggs – anglický matematik, který zavedl notaci logaritmů tak, jak ji známe dnes. V roce 1617 vydal první logaritmické tabulky. Spolu se známým principem logaritmického převádění násobků a mocnin na sčítání a násobení tak poskytl světu mocný nástroj k algebraickým výpočtům. Současné logaritmické tabulky

11. Henry Briggs 1561 -1630 Novověk – logaritmické pravítko Používáno od 17. století až do 70. let století dvacátého. Na smetiště dějin je odsunuly až elektronické kalkulačky.

12. Wilhelm Schickard 1592 - 1635 0 0 1 9 9 1 2 8 8 2 7 3 3 7 6 4 4 6 5 5 První mechanické kalkulátory První mechanický kalku-látor sestrojil roku 1623 W. Schickard, německý teo-log, orientalista a astro-nom. Jeho kalkulátor chtěl používat ke svým astrome-chanickým výpočtům např. Johannes Kepler. Přístroj uměl sčítat a odčítat až šestimístná čísla. Pro slo-žitější výpočty byl opatřen sadou Napierových kostek. Napierovy kostky „Hodinová“ kolečka 0 1 9 2 8 Stovky Jednotky Desítky 7 3 6 4 5

13. Blaise Pascal 1623 - 1662 První mechanické kalkulátory Druhý, mnohem známější mechanický kalkulátor je Pascalina, kterou roku 1645 pro svého otce – výběrčího daní sestrojil francouzský matematik, fyzik a filozof Blaise Pascal. Práce na ní trvala Pascalovi tři roky a když s ní začínal, bylo mu pouhých 19. Systém strojku je obdobný jako u Schickardova zařízení. Kolečka se otáčejí plynule a mají mezi sebou převody 1:10.

14. Gottfried Wilhelm Leibnitz 1646 - 1716 První mechanické kalkulátory Přístroj „Krokové počítadlo“ (Stepped Reckoner) od němec-kého vědce G. Leib-nitze z roku 1671 se příliš neujal, protože vyžadoval na tehdejší dobu příliš jemnou mechaniku. Počítačka byla navržena tak, aby kromě sčítání a odčítání uměla i náso-bit, dělit a odmocňo-vat.

15. Charles Xavier Thomas de Colmar 1785-1870 Průmyslové mechanické kalkulátory První komerčně úspěšný a ve větším měřítku vyráběný kalkulátor sestrojil a patentoval roku 1820 francouzský vynálezce C. X. Thomas. Přístroj sčítal, odčítal a násobil. S dělením měl ovšem trochu problém. Základní konstrukce vycházela z Leibnitzova návrhu.

16. Průmyslové mechanické kalkulátory Mechanické kalkulátory se používaly až do 70. let dvacátého století.

17. Joseph Marie Jacquard 1752 - 1834 Jacques de Vaucanson 1709 - 1782 Předchůdci programovatelných počítačů Roku 1745 J. Vaucanson sestrojil první automatický stav a zahájil tak éru průmyslových robotů. J. M. Jacquard pak k tomuto stavu v roce 1804 přidal možnost programování jeho činnosti pomocí děrných štítků. Jeho vynález lze považovat za prapředka dnešních počítačů.

18. Charles Babbage 1791 - 1871 Předchůdci programovatelných počítačů První počítač navrhl a začal stavět anglický vědec a inženýr Ch. Babbage. Jeho původní návrh tzv. Diferenčního stroje (Difference engine) vycházel z potřeby sestavování logaritmických a jiných tabulek. Diferenční stroj měl umět počítat hodnoty polynomů pomocí metody Newtonových diferencí a tedy i hodnoty dalších funkcí s rozumnou přesností (viz rozvoj funkcí do Taylorových řad). Sestavena byla pouze část stroje, Britská vláda pak přerušila financování. V roce 1991 Muzeum vědy v Londýně vyrobilo repliku Babbageova zařízení podle původních plánů. Replika je plně funkční – dá se tedy předpokládat, že kdyby byl původní Diferenční stroj dokončen, fungoval by také.

19. Augusta Ada King Hraběnka z Lovelace 1815 -1852 Charles Babbage 1791 - 1871 Předchůdci programovatelných počítačů Babbage navrhl i pokročilejší verzi - Analytický stroj (Ana-lytical Engine). Tato verze měla být programovatelná pomocí děrných štítků po vzoru Jacquardova stavu. Zařízení mělo ob-sahovat aritmetickou jednotku (Mill), paměť (Storage), řadič (Control barell) a výstup na tiskárnu. Analytický stroj tedy již silně připomínal naše počítače . Pro koncepci Babbageova stroje se nadchla Lady Ada z Love-lace, dcera básníka Byrona. Napsala dokumentaci jeho kon-strukce a navrhla postup, kterým by stroj počítal Bernoulliho čísla. Vytvořila tak první počítačový program v historii. Na její počest byl pojmenován programovací jazyk Ada. http://www.fourmilab.ch/babbage/contents.html

20. Konrad Zuse 1910 - 1995 Počítače 0. generace Za první funkční programovatelný počítač je považován Z1, který roku 1938 postavil v bytě svých rodičů německý inženýr Konrad Zuse. Stroj byl čistě mechanický s elektrickým pohonem. Vstupní údaje dostával na děrné pásce. Během druhé světové války byl zničen při náletu i s výrobními plány. Zuse se v roce 1986 rozhodl postavit Z1 znovu. Dnes je tato „druhá verze“ vystavena v Německém Technickém Muzeu v Berlíně (na snímku z roku 1989 i s konstruktérem). Zuse neznal práci Babbageho a v jistém smyslu byl jeho stroj méně pokročilý, než Analytical Engine – jeho programování například neumožňo-valo větvení.

21. Konrad Zuse 1910 - 1995 Počítače 0. generace Zuse pokračoval ve stavbě dalších modelů. Počítač Z2 měl obdobnou mechanickou paměť jako Z1, obsahoval ale aritmetickou jednotku tvořenou elektrickými relé. Další varianta, Z3, byl pak kompletně postavený z elektrických obvodů (relé). Pro srovnání : Z3 pracoval s frekvencí 5.33 Hz a měl paměť o velikosti 64 byte. Rovněž zničen při náletu. Vstupní terminál Z3

22. Konrad Zuse 1910 - 1995 Počítače 0. generace Další model, Z4, byl před náletem přemístěn do jiné budovy a přežil. Pracoval až do roku 1959 a bylo na něm zpracováno přes 100 různých matematických problémů. Zuse pracoval na dalším vývoji a modely Z11, Z22 a další vyrobené jeho společností se běžně používaly. Z11 Z22

23. John V. Atanasoff 1903-1995 Clifford Berry 1918-1965 Počítače 0. generace Počítač Atanasoff-Berry (ABC) byl první digitální počítač – tj. využíval Booleovskou algebru a dvojkové soustavu. Stroj, sestavený v roce 1939 na Iowské státní univerzitě, byl schopen nalézt řešení soustavy lineárních rovnic až o 29 neznámých. Poprvé v něm byly použity kapacitní paměti, jejichž princip je používaný dodnes. Kapacitní paměť ABC – kondenzátory byly umístěny na rotujícím bubnu.

24. Počítače 0. generace Během války se rozvoj počítačů řídil potřebami rozvědky – známá je historie rozluštění kódu ENIGMA. Viz Simon Singh : Kniha kódů a šifer http://en.wikipedia.org/wiki/Enigma_machine

25. Počítače 0. generace Během války se rozvoj počítačů řídil potřebami rozvědky – známá je historie rozluštění kódu ENIGMA. Viz Simon Singh : Kniha kódů a šifer http://en.wikipedia.org/wiki/Enigma_machine Bletchley Park „Bomba“ Colossus

26. Howard Hathaway Aiken 1990 - 1973 Počítače 0. generace Počítač ASCC (Automatic Se-quence Controlled Calculator), poz-ději znám pod názvem Mark I, byl dokončen v roce 1943 ve výpočetní laboratoři Hardvardské univerzity v Cambridge. Počítač byl elektrome-chanický, program nesla děrná pás-ka. Mark I dovedl sečíst dvě čísla za 0.3s, vynásobit je za 6s a vypočítat např. hodnotu sinus dané-ho úhlu během jedné minuty. H. Aiken pracoval na vývoji počítačů i nadále, známé jsou modely Mark II – Mark IV.

27. kontraadmirál Grace Murray Hopper 1906 - 1992 Počítače 0. generace S počítačem Harward Mark II se váže historka o vzniku počítačového termínu „bug“ a „debugging“, tj chyba v programu a odstraňování chyb v programu. Termín prý rozšířila G. M. Hopperová, když spolu s dalšími operátory našla příčinu neustálých chyb zařízení – mrtvou můru přilepenou na kontaktech.

28. Počítače 1. generace ENIAC, (Electronic Numerical Integrator and Computer), je považován za prvního zástupce počítačů první generace. Byl plně programovatelný v tom smyslu, jaký chápeme dnes. Mohl řešit široké spektrum problémů, nejvíce však byl využíván americkou armádou, která financovala jeho stavbu. První matematický problém, který počítač zpracoval, byl spojen s konstrukcí termonukleární vodíkové bomby. Počítače první generace používaly jako hlavní prvek své konstrukce elektronky. Oproti mechanickým či elektromechanickým zařízením měly řádově vyšší rychlost.

29. John Presper Eckert 1919-1995 John William Mauchly 1907-1980 Počítače 1. generace ENIAC zabíral plochu několika fotbalových hřišť Sestával z 17468 elektronek, 7200 diod, 1500 relé, 70000 odporů, 10000 kondenzátorů a to vše propojovalo kolem 5 milionů ročně pájených spojů. Vážil 27 tun a měl příkon 150 kW. Jako vstup i výstup sloužily přístroje pro práci s děrnými štítky vyrobené IBM. Pro srovnání s dnešními počítači - jeho základní frekvence byla 5 kHz.

30. Počítače 1. generace Dne jsou části ENIACu roztroušeny po několika univerzitních a technic-kých muzeích v USA, nejvíce částí je možno shlédnout na výstavě Pensylvánské univerzity.

31. Počítače 1. generace Elektronkových počítačů se do konce padesátých let postavilo relativně hodně, i ve východním bloku. Vpravo nahoře počítač MESM (1950) dole počítač Strela (1953). Vývoj počítačů u nás v té době je svázán se jménem Ing. Antonína Svobody a Výzkumným ústavem matematických strojů. Historii jeho práce je možné najít např. v časopise Vesmír : 11/1999. Počítače SAPO a EPOS tehdy byly na světové špičce. Komunistický režim ale další vývoj znemožnil.

32. Počítače 1. generace Jedním z prvních komerčně vyrábě-ných a prodávaných počítačů byl IBM 701, stroj o frekvenci 16 kHz a paměti 4 kB. Pro tento stroj začal být vyvíjen první vyšší programovací jazyk Fortran. Používán začal být až od modelu IBM 704.

33. Walter H. Brattain 1902 - 1987 William B. Shockley 1910 - 1989 John Bardeen 1908 - 1991 Počítače 2. generace Ve vývoji počítačů byl přelomový rok 1947, kdy Shockley, Bardeen a Brattain v Bellových labora-tořích vyvinuli první polovodičový tranzistor - zařízení, které funkčně nahrazuje elektronku, ale je mnohonásobně menší a má menší spotřebu. Za tento čin dostali vynálezci r. 1956 Nobelovu cenu za fyziku.

34. Počítače 2. generace Dnešní tranzistory

35. Počítače 2. generace 1958 - UNIVAC Solid State 20 elektronek, 700 tranzistorů

36. Počítače 2. generace IBM 7090 od roku 1959 frekvence 460 kHz, paměť 32 kB cena 2 900 000$ nebo měsíční nájem 63 500 $

37. Počítače 2. generace IBM 1620 od roku 1960 ~5000 tranzistorů Externí paměť CPU Čtečka děrných štítků Model vlevo (rok výroby 1964) je opravený v Historickém Počítačovém Muzeu. Originální paměť zrezla a bylo nutné ji nahradit. K tomu technici zakoupili SDRAM modul za cca 40$, počítač ji využívá z 4.25 %. Nová paměť pro počítač tak přišla asi na současné 2$. Původní paměť ovšem stála 90000$ a tato částka by dnes díky inflaci dala více než 1000000$. Z pohledu roku 1964 tak počítačová paměť zlevnila 500000 krát – a tedy vlastně nestojí vůbec nic…

38. Steve "Slug„ Russell Počítače 2. generace Pro počítač PDP-1 vytvořil S. Russel roku 1962 na MIT první počítačovou hru na světě. PDP-1 (Programmed Data Processor-1) rok 1960 Frekvence 200 kHz, paměť 9 kB, kromě výstupu na tiskárnu zvládal i jednoduchý monitor. Spacewar!

39. Počítače 2. generace PDP-8, rok 1965 Frekvence 666 kHz, 48 kB paměť. Jeden z komerčně nejúspěšnějších počítačů. Vpravo první model (osaze-ný jednotlivými tranzistory), dole poz-dější verze již s integrovanými obvody. Na tomto stroji již byly používán operační systém a jazyky symbolic-kých adres s překladači, jak je známe dnes.

40. Jack St. Clair Kilby 1923 - 2005 Počítače 3. generace Velmi složité obvody z jednotlivých součástek se špatně konstruují, mívají množství výrobních vad a jejich rozlehlost limituje rychlost celého zařízení. Řešení těchto problémů nalezl roku 1958 J. Kilby, zaměstnanec firmy Texas Instruments. Přišel na to, že lze na jednolitý blok polovodiče „nakreslit“ funkční součástky. Obvod je pak malý, kompaktní a spolehlivý. Za tento vynález, který posunul elektroniku a zejména počítače o míle kupředu, obdržel roku 2000 Nobelovu cenu.

41. Počítače 3. generace Jeden z prvních strojů využívající integrované obvody byl navigační počítač projektu Apollo. Úspěšnou premiéru prožil při obletu země v Apollu 7, o rok později přistál s expedicí Apollo 11 na měsíci. Astronauti s počítačem komunikovali zadáváním dvoučíselných kódů na klávesnici, výstupy šly na displej.

42. Počítače 3. generace Další počítač postavený na bázi integrovaných obvodů byl naváděcí systém střel s jadernými hlavicemi Minuteman.

43. Počítače 3. generace S integrovanými obvody se další vývoj rozdělil do dvou větví mainframes mikropočítače PDP-8 Integrované obvody dovolily výrobu malých, kompaktních, rychlých a hlavně levných počítačů pro osobní použití. Ovšem i výkon sálových počítačů šel ostře nahoru. IBM System/360

44. Počítače 3. generace mainframes Svůj mainframe měl až do deva-desátých let skoro každý velký podnik nebo univerzita.

45. Počítače 3. generace mainframes Výměnný pevný disk Magnetická páska

46. Počítače 3. generace mikropočítače HP 2100 Mikropočítače třetí generace nám dnes moc „mikro“ nepřipadají. Je ale fakt, že se vešly na stůl nebo alespoň do kanceláře. Data General SuperNova

47. Marcian Edward "Ted" Hoff 1937 - Federico Faggin 1941 - Počítače 4. generace Mikroprocesor Intel 4004 Mikroprocesor sdružuje CPU, vstupně-výstupní linky a primární paměť na jediném čipu. To umožňuje kompaktnost, zvýšení rychlosti a hlavně výrazné snížení nákladů. Jeden z prvních mikroprocesorů (Inter 4004) vyvinuli M. Hoff a F. Fagginve firmě Intel v roce 1970. Souběžně s ním ovšem vzniklo několik obdobných zařízení.

48. Intel 8080 Počítače 4. generace S využitím mikroprocesorů se velikost a cena počítačů začala rychle snižovat a výkon zvyšovat. Od roku 1977 byly počítače tak malé a levné, že si je mohli dovolit koupit i jednotlivci. Nastala éra domácích osobních počítačů.

49. Počítače 4. generace 1.02 MHz, 64 kB RAM Commodore C64, rok 1982 Apple II, rok 1977 Atari 800XL, rok 1979

50. Počítače 4. generace 3.5 MHz, 48 kB RAM, externí paměť na klasických magnetofonových páskách, připojení na TV Sinclair ZX Spectrum, 1982