Počítače 1. generace

1. GENERACE POČÍTAČŮ (1944 - 1956)

• První generace počítačů přichází s objevem elektronky, jejímž vynálezcem byl Lee De Forest. Vakuová elektronka dovolovala odstranění pomalých a nespolehlivých mechanických cívkových relé
• Tyto počítače byly konstruovány podle von Neumannova schématu a je pro ně charakteristický tzv. diskrétní režim práce, to znamená, že při tomto zpracování je do paměti počítače zaveden jen jeden program a data, se kterými tento program pracuje. Poté je spuštěn výpočet a již není možné s počítačem v průběhu tohoto výpočtu komunikovat. Po skončení výpočtu musí operátor do počítače zavést další program a data a vše se opět opakuje. Diskrétní režim práce se v budoucnu ukazuje jako nevhodný z důvodu plýtvání strojového času. Mezi další důvody také patří pomalý operátor, který zavádí programy a data. V tomto okamžiku počítač nepracuje a čeká na operátora.
• K rozvoji počítačů první generace došlo především za druhé světové války a to nejen ve Spojených státech a Velké Británii, ale i v nacistickém Německu.
• Jelikož v této době neexistují vyšší programovací jazyky, neexistují ani operační systémy v důsledku složitosti a náročnosti vytváření těchto programů, případně operačních systémů.
  
  

Konfigurace: desítky skříní
Operační rychlost: stovky až tisíce (100 – 10 000) operací za sekundu
Programové vybavení: strojový kód, autokód, assembler, podprogramy, strojové jazyky
Oblast použití: vědecko-technické výpočty (VTV), zpracování hromadných dat (ZHD)
Součástky: elektronky, relé se nahradilo bistabilním spínacím prvkem (klopný obvod) složeným z elektronek
Technické vybavení: děrné pásky, děrné štítky, magnetické bubny, tiskárny
Vnitřní paměť: 1 - 2 KB

ENIAC (1944)

• Roku 1944 byl na univerzitě v Pensylvánii spuštěn první elektronkový počítač zvaný ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). U zrodu ENIACu stáli v USA John W. Mauchly (1907 - 1980) a John Presper Eckert (1919 - 1995).

• Jednalo se o obrovský počítač o hmotnosti 30 až 40 tun, který zaujímal plochu 150 až 167 m2 (30 m délka, 3 m výška a 1 m šířka). Byl tvořen převážně kombinací elektronek a relé. Musel se chladit proudem vzduchu ze dvou leteckých motorů Rolse Royce.

• Byl velmi pomalý. Vědci předpovídali, že vydrží sotva pár minut, neboť při tak obrovském počtu součástek, které obsahoval, hrozilo, že každou chvíli se něco přepálí. Ve skutečnosti vydržel v provozu až několik hodin, pak se musel opravit a mohlo se opět "počítat".

• Měl původně sloužit pro výpočet balistických drah raket středního doletu. I když ho armáda USA nakonec skutečně používala, do druhé světové války již nijak nezasáhl. Byl totiž dokončen příliš pozdě.

• V konečném stádiu se skládal z 18 000 elektronek, 10 000 kondenzátorů, 7 000 rezistorů a 1 300 relé.

• Tento počítač se považoval ještě v roce 1988 za první elektronkový počítač na světě, protože armáda spojených států zamlčovala všechny ostatní vojenské počítače angažované ve druhé světové válce.

                   počítač Eniac

MANIAC (1945)

• Během krátkého klidu po druhé světové válce se v amerických armádních laboratořích (USA) v roce 1945 podařilo postavit týmu, pod vedením Johna von Neumanna (1903 - 1957), počítač MANIAC (Mathematical Analyser Numerical Integrator And Computer). Byl určen pro atomovou laboratoř v Los Alamos a výrazně přispěl k vyvinutí vodíkové bomby.

Von Neumannovo schéma:

• Toto schéma navrhl roku 1945 americký matematik maďarského původu John von Neumann. Jedná se o model samočinného počítače, který v podstatě zůstal zachován dodnes.

• Podle tohoto schématu se počítač skládá z těchto částí:

- Operační paměť - Slouží k uchování zpracovávaného programu, dat a výsledků.
- ALU (Arithmetic- Logic Unit = aritmetickologická jednotka) - Samotné jádro počítače, které provádí veškeré aritmetické výpočty i logické operace.
- Řadič - Řídící jednotka, která řídí činnost všech ostatních částí počítače. Řízení je prováděno pomocí řídících signálů. Stav jednotlivých modulů a jejich reakce jsou zasílány zpět pomocí tzv. stavových signálů.
- Vstupní zařízení - Zařízení určená pro vstup programu a dat.
- Výstupní zařízení - Zařízení určená pro výstup programu a dat.
- Sběrnice - Slouží ke komunikaci mezi jednotlivými moduly. Rozlišujeme sběrnici datovou, adresovou a řídící.

Spojení řadiče a ALU se někdy nazývá procesor. Procesor spolu s operační pamětí je pak tzv. CPU - Central Processor Unit.

Princip činnosti:

- Do operační paměti se pomocí vstupních zařízení přes ALU umístí program, který bude provádět výpočet.
- Stejným způsobem se do operační paměti umístí data, která bude program zpracovávat.
- 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.
- 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 nad jedním programem. Toto vede k velmi špatnému využití strojového času. Je tedy obvyklé, že počítač zpracovává paralelně více programů zároveň - tzv. multitasking
- Počítač může disponovat i více než jedním procesorem
- Počítač podle von Neumannova schématu pracoval pouze v tzv. diskrétním režimu.
- Existují vstupní / výstupní zařízení I/O devices, která umožňují jak vstup, tak výstup dat (programu)
- Program se do paměti nemusí zavést celý, ale je možné zavést pouze jeho část a ostatní části zavádět až v případě potřeby

• Většina univerzálních mikroprocesorů respektuje koncepci von Neumanna a většina mikrokontrolerů je navrhována podle Harvardské koncepce - jedná se o mikrokontrolery obsažené např. v televizích, tiskárnách, klávesnicích počítačů, ale i např. v tachometrech na jízdní kola atd.

Harvardská architektura:

• Tato architektura byla navržena Howardem Aikenem v třicátých letech minulého století na Harvardské univerzitě ve Spojených státech při vývoji reléového počítače HARVARD MARK I. Dále byla využita na Pensylvánské univerzitě pro elektronkový počítač ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator). Již tehdy byla moderní koncepcí, ale technické prostředky v té době neumožnily její realizaci, a proto byla zavržena a byla převzata koncepce von Neumannova. Později asi po čtyřiceti letech dosáhla technologie výroby integrovaných obvodů takového stupně, že mohla být tato koncepce realizována.

Základní principy harvardské architektury jsou:

- Paměť je rozdělena na paměť programu a dvě paměti dat tak, aby současně mohly do ALU vstupovat dva operandy.
- Součin dvou operandů v jednom instrukčním cyklu provede hardwarová násobička a výsledek součinu je přičten k akumulátoru (operace typu MAC - Multiply And Accumulate).
- Pro zvýšení výpočetní výkonnosti se používá pipelining (zřetězené zpracování instrukcí).
- Je zvýšen počet samostatných datových a adresových sběrnic a přímý přístup do paměti je prováděn vícenásobným kanálem DMA (Direct Memory Access - způsob rychlého přenosu dat mezi systémovou pamětí RAM a přídavnými deskami).
- Řízení jádra procesoru je odděleno od řízení vstupních a výstupních jednotek a architektura typu 1X a 2X znamená, že jedna instrukce je provedena v jednom nebo ve dvou hodinových cyklech (taktech).

SSEC (1948)

• V lednu 1948 byl u firmy IBM konečně dokončen první univerzální počítač. Na jeho vývoji se podílel Wallace Eckert s týmem pracovníků v USA.

• Jednalo se o počítač SSEC (Selective Sequence Electronic Calculator), založený na jedinečné technologii. Měl 5 registrů, které byly vytvořeny pomocí elektronek. Dalších 150 registrů bylo vytvořeno pomocí elektromagnetických relé. Ovládací program měl uložen z části v paměti a z části musel být zadán z programovací desky (dalo by se říci z klávesnice, tzv. plugboardu). Počítač se skládal z 12 000 elektronek a 21 000 elektromagnetických relé. I když IBM plánovala sériovou výrobu, byl nakonec vyroben pouze v jednom exempláři.

Manchester Mark (1948)

• S počítačem Manchester Mark přišlo používání tzv. paměťových obrazovek. Tento záznamový prostředek byl vynalezen pracovníkem obsluhy tohoto počítače F.C.Williamsem.

• Podstata paměťové obrazovky je v tom, že na stínítku obrazovky se po osvícení určitého bodu po určitou dobu udrží zbytkový náboj. Ten je možno následně zase přečíst tak, že se tímto bodem nechá projít další elektronový paprsek, a jeho intenzita se vyhodnotí speciální elektrodou za stínítkem. Je to poněkud nespolehlivé, ale zato rychlé, relativně laciné a velmi kompaktní (na jedné obrazovce bylo možné uchovávat až 2048 bitů). Tehdy to byl velký pokrok.

• Počítač Manchester Mark používal šest takovýchto obrazovek a tudíž mohl uchovávat celkem až 12 Kb informací. Program byl tomuto počítači zadáván v binárním tvaru z klávesnice a ukládal se do paměti. Výstupy byly čteny opět v binárním tvaru z některé obrazovky. Později se k autorskému týmu připojil i Alan Turing a vymyslel pro tento počítač jednoduchou formu jazyka adres - programovací jazyk Assembler.

Whirwind (1949)

• V roce 1949 získalo americké námořnictvo první počítač použitelný na letadlových lodích. Prototyp tohoto počítače postavil v USA Jay Forester se svým týmem spolupracovníků. Byl to první počítač určený pro práci v reálném čase. Dosahoval rychlosti kolem 0,5 MHz při sčítání a 0,05 MHz při násobení. Počítač původně používal paměťové obrazovky. Poté, co Jay Forest vynalezl feritovou paměť, však došlo ke změně.

EDSAC (1949)

• V červu 1949 byl dokončen počítač Maurice V. Wilkese jménem EDSAC (Elektronic Delay Storage Automatic Computer). Tento počítač byl jedním z mála, který vycházel z definice Johna von Neumanna. Jako vstupní médium byla použita děrná páska. Poprvé se objevilo startovací zavádění systémových programů, tzv. bootování, zprostředkované read-only paměti (dalo by se říci prehistorický BIOS, ovšem řešený mechanicky pomocí telefonních číselníků). Operační paměť tohoto počítače přinesla nečekanou revoluci. Data byla převáděna na formy elektromagnetických impulzů, které byly dále převedeny na zvukové nebo ultrazvukové impulzy. Tyto impulzy byly vysílány do trubky naplněné rtutí a na druhém konci snímány a opět převedeny do elektrických impulzů. V EDSACu se používalo 32 takovýchto trubek o délkách 1,5 m. Celkem šlo uložit maximálně 256 slov o šířce 35 bitů.

BIAC (1949)

• První pokus o letadlový palubní počítač uskutečnily John W. Mauchly a John Presper Eckert (oba společně stáli u zrodu ENIACu). Počítač BIAC (BInary Automatic Computer) byl na svou dobu poměrně malý a měl vysokou účinnost. Skládal se z pouhých 700 elektronek a dokázal zpracovat 512 slov o šířce 31 bitů. Navíc zabíral prostor necelého jednoho metru čtverečního. Další zvláštností bylo také to, že byl vybaven dvojicí procesorů, které pracovaly systémem vyhodnocování správnosti výsledků.

UNIVAC (1951)

• UNIVAC (UNIVersal Automated Computer) byl roku 1951 prvním sériově vyráběným elektronkovým počítačem. Počítač zhotovili v USA John W. Mauchly a John Presper Eckert. Výrobcem byla firma Remington Rand. V roce 1956 byl dovezen první počítač UNIVAC do Evropy. UNIVAC používal magnetickou pásku místo děrných štítků, čímž se výpočty zrychlily.

EDVAC (1952)

• Po 2. světové válce v Bellových laboratořích v USA byl dokončen elektronkový počítač EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer), podle projektu John von Neumanna. Na počítači pracovali vědci John W. Machly a John Presper Eckert.

EPOS I (1963)

• Po úspěšném československém (ČSSR) počítači SAPO se tým v Ústavu matematických strojů ČSAV pod vedením doc. Antonína Svobody (1907 - 1980) začal soustředit na projekt sálového počítače EPOS I. Byl určen především pro zpracování hromadných dat. V projektu se počítalo s modulární strukturou tvořenou základním počítačem a různými vstupními, výstupními a paměťovými jednotkami. Některá tato řešení byla nová a originální, např. vynález multiprogramování. Bylo možné zpracovávat až pět programů současně (svérázný multitasking po Československu).

• Epos I byl jedno adresový, sériově/paralelní počítač s maximální délkou slova 12 dekadických znaků. Počítač využíval feritovou paměť o velikosti 1024 slov pracující s celými čísly. Přídavnou pamětí byla magnetická paměť (dalo by se říci první paměť na styl HDD ve velikosti automatické pračky). Byly k němu dodávány i periferie; např.: jednotka pro práci s plovoucí čárkou, snímač děrných štítků, maticová tiskárna nebo elektrický psací stroj. Děrné štítky byly devadesáti sloupcové. Řízení počítače obstarával elektrický psací stroj. Informace o procesech počítače indikovala světla na informačním panelu.

• Podle původní koncepce A. Svobody měl mít počítač 2 000 elektronek. Po Svobodově emigraci byl však počítač sestaven z 3 400 elektronek a měl příkon 80 kW. Konečný vzor, který byl později uveden do průmyslu, měl 8000 elektronek a příkon 2OO - 300 KW. Měl být vyráběn v národní podniku ARITMA.

• Původní prototyp byl velmi dobrý, ale střední doba mezi dvěmi poruchami byla u kopií jen něco přes 80 minut. Z tohoto důvodu se nikdy tento počítač velké sériové výroby nedočkal. Nicméně přinesl světu spoustu nových technologií a nápadů k přemýšlení.

Zdroje:

jaromirmatucha.ic.cz
historie_pocitacu.sweb.cz
cs.wikipedia.org
informatika.topsid.com



--Dtousek 7. 6. 2010, 18:29 (UTC)
--Maprochazka 3. 6. 2010, 11:22 (UTC) Otázky k opakování z referátů mikroprocesorové techniky TVY
--Arni 27. 5. 2010, 13:53 (UTC)