VÝVOJ A KLASIFIKÁCIA POČÍTAČOV PDF

VÝVOJ A KLASIFIKÁCIA POČÍTAČOV; POČÍTAČOVÝ SYSTÉM Hardvér, softvér, počítač  Počítač je „stroj“, ktorý samostatne spracúva údaje na základe vopred pripravených inštrukcií  Počítačový systém pozostáva z dvoch rovnocenných zložiek: 1) technické vybavenie počítača 2) programové vybavenie poč...

VÝVOJ A KLASIFIKÁCIA POČÍTAČOV; POČÍTAČOVÝ SYSTÉM Hardvér, softvér, počítač  Počítač je „stroj“, ktorý samostatne spracúva údaje na základe vopred pripravených inštrukcií  Počítačový systém pozostáva z dvoch rovnocenných zložiek: 1) technické vybavenie počítača 2) programové vybavenie počítača  Technické vybavenie počítača – hardvér – je súhrnné označenie pre technické zariadenia počítača slúžiace na spracovanie údajov  Hardvér sú fyzické súčasti nachádzajúce sa jednak vnútri počítača, ako aj pripojiteľné k počítaču  K hardvéru zaraďujeme základnú jednotku počítača a periférne zariadenia  Programové vybavenie počítača – softvér – predstavuje súhrn programov a dokumentácie umožňujúci prevádzku počítača  Najdôležitejšou súčasťou softvéru sú programy, ktoré riadia činnosť počítača, teda tzv. základné programové vybavenie. Okrem základného programového vybavenie softvér je tvorený aj prostriedkami pre osobnú informatiku, aplikačným programovým vybavením  Hranica medzi hardvérom a softvérom nie je jednoznačná, napr. existuje tzv. „firmware“ – teda program napevno zabudovaný v hardvéri 25. 9. 2024 2 Počítače – vývoj, klasifikácia  Prvý návrh počítača vypracoval profesor matematiky z univerzity v Cambridge, Charles Babbage  V roku 1822 začal pracovať na návrhu tzv. diferenčného stroja (Difference Engine), ktorý mal slúžiť na výpočet hodnôt polynomických funkcií  Neskôr vypracoval návrh analytického stroja (Analytical Engine), ktorý mal 2 časti: „sklad“ (pamäť) a „mlynček“ (procesor). Tento stroj mal byť programovateľný pomocou diernych štítkov  Návrhy Babbage-ho však neboli dokončené a realizované, napriek tomu je považovaný za jedného z vynálezcov počítača  Američan Herman Hollerith navrhol dierne štítky ako nosič dát a zostrojil elektromechanický počítací stroj. Patent získal v roku 1889 a o rok neskôr bol s veľkým úspechom použitý pri sčítaní ľudu v USA  Jeho spoločnosť sa stala základom firmy IBM, založenej v roku 1911 pod názvom Computing Tabulating Recording Corporation (C-T-R) a na International Business Machines Corporation (IBM) sa premenovala v roku 1924  Britský matematik Alan Mathison Turing navrhol v roku 1936 teoretický model počítača, známy ako Turingov stroj  Novodobá história počítačov sa začína rokom 1938, keď Nemec Konrad Zuse zostavil najskôr dva experimentálne typy počítačov Zuse 1 (Z1) a Zuse 2 (Z2) – oba počítače pracovali v dvojkovej sústave 25. 9. 2024 3 Počítače – vývoj, klasifikácia  V roku 1941 na základe získaných skúseností zostavil funkčne dokonalý reléový počítač Z3  Z3 bol prvý programom riadený počítač s elektrickými obvodmi, ktorý pracoval úplne samočinne a obsahoval vyše 2000 elektromagnetických relé  Reléová technika sa nazýva nultou generáciou počítačov  Počítač Z3 vykonával 15 – 20 aritmetických operácií za sekundu; v roku 1943 ho odovzdali ministerstvu letectva do praktického používania. V Nemecku však nedocenili význam tohto vynálezu a vývoj sa na dlhšiu dobu presunul do Ameriky  V roku 1937 v USA Howard Hathaway Aiken navrhol automatickú sekvenčne riadenú kalkulačku, z ktorej v roku 1944 v spolupráci s firmou IBM vyvinul počítač nazvaný Mark I (pracujúci v desiatkovej sústave s pevnou rádovou čiarkou s mechanickou pamäťou) a v roku 1947 počítač Mark II, ktorý bol na reléovej platforme  Druhá svetová vojna ovplyvnila výrazne vývoj počítačov – napr. s cieľom rozlúštiť nemecké kódované správy pomocou šifrovacieho elektromechanického stroja Enigma dali vo Veľkej Británii v roku 1944 do prevádzky počítač Colossus – bol to prvý počítač na báze elektrónok  Ďalším počítačom na báze elektrónok bol počítač nazvaný ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) – dokončený bol v roku 1946 a pracoval ešte v desiatkovej sústave a na jeho vývoji spolupracovali Eckert, Mauchly, von Neumann pôsobiaci na Pensylvánskej univerzite 25. 9. 2024 4 Počítače – vývoj, klasifikácia  V roku 1951 bol uvedený do prevádzky počítač EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer), jeho tvorcami boli Eckert, Mauchly, von Neumann pôsobiaci na Pensylvánskej univerzite. Tento počítač pracoval už v dvojkovej sústave  Počítače ENIAC a EDVAC používala americká armáda na výpočet dráhy balistických striel  Američan maďarského pôvodu John von Neumann, vlastným menom János Lajos Margittai Neuman, publikoval článok: First Draft of a Report on the EDVAC v roku 1945 a znamenal prelom vo vývoji počítačov  V článku bola prvýkrát zverejnená nová koncepcia počítača, známa ako „von Neumannova architektúra“  Princípy tejto koncepcie sa môže zhrnúť do troch bodov:  Spochybnenie dovtedy zastávaného názoru, že program a dáta sú odlišné objekty, ktoré nemožno uchovávať spoločne  naopak program i dáta sú vo svojej podstate to isté, teda postupnosť bitov a preto môžu spoločne využívať tzv. operačnú pamäť  Počítač by sa nemal prispôsobovať požiadavkám konkrétnej aplikácie svojou vnútornou štruktúrou, ale iba programom a vnútorná štruktúra počítača by mala byť maximálne univerzálna  Program by mal byť celý uložený v pamäti, ku ktorej sa dá pristupovať nie sekvenčne, ale tzv. priamym prístupom (v angličtine sa používa pojem „Random Access“, ale v slovenčine sa vžil pojem „priamy prístup“) 25. 9. 2024 5 Počítače – vývoj, klasifikácia  Von Neumann bol v čase vývoja počítača členom Institute for Advanced Study (IAS) v Princetone a pre počítače s touto architektúrou sa zaviedol pojem IAS-počítače  Na začiatku päťdesiatych rokov minulého storočia začali rapídne pribúdať počítače „von Neumannovho typu“ a každá významnejšia univerzita resp. výskumný inštitút sa snažili postaviť vlastný IAS-počítač, čo sa považovalo za vec prestíže  V bývalom Československu vyvíjali od roku 1950 prvý počítač pod vedením Antonína Svobodu vo Výskumnom ústave matematických strojov ČSAV v Prahe a do prevádzky ho uviedli v roku 1957 s označením SAPO (samočinný počítač)  Odpoveď na otázku kto bol skutočným vynálezcom elektronického počítača však priniesol až súdny spor o prvenstvo, ktorý sa začal v USA v rokoch 1971 – 1973  Súdnym výrokom bolo rozhodnuté priznať vynález elektronického počítača Atanasoffovi a zrušiť platnosť patentu ENIAC – teda patentu prvého funkčného elektronického počítača  John Vincent Atanasoff bol fyzik bulharského pôvodu a pracoval na Iowa State College, kde skonštruoval v rokoch 1940 - 1941 prototyp elektronického číslicového počítača. Jeho počítač bol schopný riešiť až 29 simulačných rovníc, alebo bolo ho možné používať len pri riešení špecifických úloh  Počítal však nebol nikdy uvedený do riadnej prevádzky a preto odborná verejnosť v ňom vynálezcu elektronického počítača nevidí 25. 9. 2024 6 Generácie počítačov  Členenie počítačov na generácie vzniklo až neskôr, keď s odstupom času ich odborníci začali spätne hodnotiť podľa technickej úrovne resp. podľa najdôležitejšej súčiastky použitej pri ich skonštruovaní  0. generácia – patria sem počítače, v ktorých bolo použité elektromagnetické relé (historicky prvým z tejto generácie je Zuseho počítač Z1).  1. generácia – patria sem počítače, v ktorých namiesto relé sú použité elektrónky. Táto generácia začala skonštruovaním počítačov Colossus, ENIAC, EDVAC  2. generácia – nastáva nahradením elektrónok tranzistorom. Oproti predchádzajúcim generáciám to bol výrazný pokrok – znamenalo to miniaturizáciu a obrovskú úsporu energie (napr. ENIAC bol umiestnený v budove, ktorá susedila s druhou budovou, v ktorej sa nachádzala elektráreň vyrábajúca elektrinu výlučne pre ENIAC). S touto generáciou počítačov vznikli prvé operačné systémy a programovacie jazyky (ALGOL, COBOL, FORTRAN, LISP)  3. generácia – pre tieto počítače bola typická aplikácia integrovaných obvodov  4. generácia – súvisí s aplikáciou mikroprocesorov. V roku 1971 firma Intel vyrobila prvý komerčný mikroprocesor s označením I 4004. Odvtedy sa v podstatnej miere zvýšil počet elektronických prvkov, ktoré mikroprocesorový čip obsahuje a mnohonásobne sa zvýšila jeho výkonnosť, ale zatiaľ stále nedošlo k prelomovému bodu v uplatňovaných technológiách, ktoré by znamenali postup súčasných počítačov do ďalšej generácie 25. 9. 2024 7 Počítače – štruktúra počítačového systému „von Neumannovej koncepcie“  Podľa von Neumannovej koncepcie sa počítač skladá z piatich základných častí: 1) Vstupné zariadenie 2) Aritmetická a logická jednotka 3) Operačná pamäť 4) Riadiaca jednotka 5) Výstupné zariadenia  Vstupné zariadenie umožňuje vložiť do počítača program a vstupné údaje, ktoré program spracúva. Program je postupnosť inštrukcií (predpis) pre výpočet, zapísaná v kóde, ktorý počítač počas výpočtu interpretuje  Aritmetická a logická jednotka je zariadenie, v ktorom sa vykonávajú aritmetické, logické, posuvové operácie s vloženým údajmi podľa inštrukcií programu  Operačná pamäť umožňuje v počítači uchovávať programové inštrukcie a ostatné údaje, aby sa mohli bezprostredne spracovať  Riadiaca jednotka je zariadenie, ktoré riadi výber programových inštrukcií a údajov z operačnej pamäte, vykonávanie týchto inštrukcií v aritmetickej a logickej jednotke na údajoch z operačnej pamäte, ukladanie výsledkov spracovania do operačnej pamäte, ako aj činnosť ostatných častí počítača  Výstupné zariadenie umožňuje výstup spracovaných údajov z počítača  Schéma je dostupná na : https://encyklopediapoznania.sk/clanok/182/architektura-pocitacov-pocitac-von- neumannovskeho-typu-zbernica-multitasking 25. 9. 2024 8 Klasifikácia počítačov  Počítače, ako zariadenia, ktoré môžu automaticky spracúvať údaje podľa zadaného programu môžeme klasifikovať, rozdeliť podľa rôznych kritérií  Podľa spôsobu zobrazenia spracúvaných údajov ich delíme na:  Analógové počítače  Číslicové počítače  Hybridné počítače  Podľa spôsobu použitia na:  Univerzálne počítače  Špecializované počítače  Podľa režimu spracovania údajov na:  Počítače pracujúce v dávkovom režime  Počítače pracujúce v interaktívnom režime  Podľa ceny a/alebo podľa výkonnosti na:  Osobné počítače  Strediskové počítače  Superpočítače 25. 9. 2024 9 Klasifikácia počítačov  Spôsob zobrazenia spracúvaných údajov môže byť spojitý  pomocou spojito sa meniacich fyzikálnych veličín, alebo nespojitý  pomocou číslic  Analógové počítače pracujú so spojito sa meniacimi fyzikálnymi veličinami, napr. intenzita a napätie elektrického prúdu, teplota, tlak. Založené sú na analógii a modelovaní fyzikálnych veličín a používajú sa väčšinou na vedecko-technické výpočty, ako riadiace počítače na sledovanie a riadenie spojitých výrobných procesov (napr. kontinuálnej chemickej výroby) a na niektoré matematické výpočty. Sú špecializované na plnenie vymedzeného okruhu úloh, pre ktoré pracujú dostatočne rýchlo a presne, napr. analyzátor rozvodných sietí  Číslicové (digitálne) počítače pracujú s nespojito zobrazenými veličinami, ktorých hodnoty sú vyjadrené číslicovo. Používajú sa pomerne univerzálne na vedecko-technické, matematické, matematicko-ekonomické výpočty, pri spracovaní dát z oblasti riadenia a správy, spracovaní údajov v reálnom čase, ako riadiace počítače na riadenie výrobných a technologických procesov, strojov, zariadení a pod. Majú vysoké pracovné rýchlosti, pracujú s veľkými rozsahmi údajov, dosahujú vysokú presnosť a schopnosť voliť si podľa vloženého programu a výsledkov predchádzajúcich operácií ďalší postup práce. Vo svete prevažujú aplikácie číslicových počítačov  Hybridné počítače účelne spájajú funkcie analógového a číslicového počítača. Niektoré ich časti spracúvajú analógové hodnoty, iné zasa číselné hodnoty. Používajú sa tam, kde číslicové počítače musia sledovať, riadiť eventuálne modelovať spojité procesy 25. 9. 2024 10 Klasifikácia počítačov  Spôsob použitia počítača je daný tým, či bol vyrobený na riešenie špeciálneho okruhu úloh  špecializované počítače alebo pre široký okruh najrozličnejších úloh univerzálne počítače  Režim spracovania údajov charakterizuje technologické postupy spracovania údajov najmä z hľadiska možnosti zásahu používateľa doň.  Starší režim dávkového spracovania údajov bol charakteristický spracovaním vstupných údajov nahromadením do dávok údajov, ktoré sa spracovávali v pravidelných časových intervaloch s vylúčením zásahu používateľa do priebehu spracovania  Novší režim interaktívneho spracovania údajov charakterizuje spôsob sparovania, ktorý umožňuje komunikáciu používateľa s výpočtovým procesom a zásah do jeho priebehu  Kritérium ceny a/alebo výkonnosti počítača sa uplatňuje čoraz viac, pretože tradičné kritériá hodnotenia veľkosti počítača, ktorými boli najmä kapacita operačnej pamäte, počet a parametre periférnych zariadení, úroveň programového vybavenia a pod., už neumožňujú počítače jednoznačne klasifikovať 25. 9. 2024 11 Parametre výkonnosti počítačov  Úroveň počítačov možno charakterizovať ich technickými parametrami a funkčným možnosťami  Medzi najdôležitejšie parametre počítačov, ktoré ovplyvňujú ich výkonnosť patria:  Výkonnosť, teda operačná rýchlosť počítača (computer performance)  Priepustnosť počítača (throughput time)  Súbor inštrukcií procesora (processor instruction set)  Pamäťová kapacita (memory capacity, storage capacity, memory size)  Vybavovací čas pamäte (access time)  Čas cyklu (cycle time)  Šírka toku údajov  Frekvencia časovača (timer frequency)  Spoľahlivosť (reliability)  Kompatibilita (compatibility)  Stavebnicovosť – modulovosť (modularity)  Časová dostupnosť (availability)  Nároky na obsluhu  Ekonomická náročnosť 25. 9. 2024 12 Parametre výkonnosti počítačov  Výkonnosť, teda tzv. operačná rýchlosť vyjadruje počet porovnateľných operácií, ktoré je určitý technický prostriedok schopný vykonať za jednotku času  Výkonnosť počítača (computer performance) vyjadruje rýchlosť základnej jednotky počítača pri vykonaní inštrukčného mixu. Inštrukčný mix je postupnosť typických inštrukcií, ktorým sú priradené váhy podľa početnosti ich použitia v programoch pre vedecko-technické výpočty alebo v programoch pre spracovanie údajov z oblasti riadenia a správy  Výkonnosť počítača sa meria:  v tisícoch operácií za sekundu  Kops  V miliónoch operácií za sekundu  Mops  V počte operácií s pohyblivou rádovou čiarkou za sekundu  Flops = floating point operations per second  Priepustnosť počítača (throughput time) vyjadruje výkonnosť počítača v širšom slova zmysle. Vplývajú na ňu všetky zložky programového systému – základná jednotka, periférne zariadenia, operačný systém, aplikačné programy. Vyjadruje sa počtom spracovaných prác (job) a časom odozvy (response time), teda reakciou počítačového systému na vloženie údajov používateľom a požiadavky na ich spracovanie v interaktívnom režime spracovania údajov 25. 9. 2024 13 Parametre výkonnosti počítačov  Súbor inštrukcií procesora (processor instruction set) predstavuje počet a druhy strojových inštrukcií, ktoré sa vykonávajú v procesore pod mikroprogramovým riadením; charakterizuje funkčné možnosti procesora  Pamäťová kapacita (memory capacity, storage capacity, memory size) je počet pamäťových jednotiek, ktoré možno zaznamenať na príslušný druh pamäte alebo na nosič údajov. Vyjadruje sa v bitoch, bytoch alebo slovách  Bit (binary digit – dvojková číslica, čítaj „bit“) je najmenšou informačnou jednotkou; umožňuje záznam binárnej jednotky alebo nuly. Skratka „b“. Kilobit je potom rovný kb = 103b  Byte (čítaj „bajt“) je zoskupenie bitov, pôvodne s premenlivou veľkosťou, avšak dnes sa ustálila na hodnote 8 bitov. Skratka „B“. Slúži na zobrazenie jedného znaku pri spracovávaní údajov. Je to pamäťová jednotka v počítačoch s bytovou štruktúrou pamäte. 8 bitov umožňuje znázorniť 256 znakov, Byte je najmenšia adresovateľná jednotka  Kilobyte je jednotka, ktorá pôvodne predstavovala 210 B, teda 1024 B. pretože počítače pracujú v dvojkovej sústave, tak bol zvolený tento násobok namiesto násobku 1000. V roku 1998 IEC (International Electrotechnical Commission) odporučila pre počítačové jednotky nový systém označovania násobkov. Tento nový systém zaviedol namiesto pôvodného 1 kilobytu = 1024 B nové označenie kibibyte (skratka KiB). Novozavedená jednotka 1 kilobyte sa rovná 1000 B (skratka kB)  Dĺžka slova (word size) udáva počet jeho bitov, Slúži ako pamäťová jednotka v počítačoch so slovnou štruktúrou pamäte. Podľa typu počítača môže zahŕňať 8, 16, 32, 64, 128 prípadne viac bitov 25. 9. 2024 14 Parametre výkonnosti počítačov  Tabuľka zápisu veľkosti pamäte v dvojkovej sústave (staršia sústava) a desiatkovej sústave (novšia sústava) 25. 9. 2024 15 Parametre výkonnosti počítačov  Tabuľka zápisu veľkosti pamäte v dvojkovej sústave (staršia sústava) a desiatkovej sústave (novšia sústava) V roku 1999 zverejnila Medzinárodná elektrotechnická komisia (IEC) druhý dodatok k „IEC 60027-2: Písmenové symboly pre použitie v elektrotechnickej technológii – časť 2: Telekomunikácie a elektronika“. Tento štandard, schválený v roku 1998, zaviedli prefixy kibi-, mebi-, gibi-, tebi-, pebi-, exbi- pre špecifikáciu binárnych násobkov množstva. Názvy pochádzajú z prvých dvoch písmen originálnych SI prefixov nasledovaných skratkou bi, ktorá znamená „binárny“. Z pohľadu IEC je tiež vyjasnené, že SI prefixy majú jedine svoj desiatkový význam a nikdy dvojkový. Dodatok bol pridaný do ďalšej verzie štandardu: „IEC 60027-2 (2000-11) Ed. 2.0“. Do roku 2005 táto konvencia nemala až také široké použitie, ale od roku 2006 jej používanie narastá. Je silne podporovaná mnohými štandardizačnými telesami vrátane IEEE and CIPM https://sk.wikipedia.org/wiki/Bin%C3%A1rny_prefix https://physics.nist.gov/cuu/Units/binary.html 25. 9. 2024 16 Parametre výkonnosti počítačov  Tabuľka Štandardný binárny prefix podľa IEC Názov Symbol Význam Hodnota násobku kibi- Ki binárne kilo 210 = 1 024 mebi- Mi binárne mega 220 = 1 048 576 gibi- Gi binárne giga 230 = 1 073 741 824 tebi- Ti binárne tera 240 = 1 099 511 627 776 pebi- Pi binárne peta 250 = 1 125 899 906 842 624 exbi- Ei binárne exa 260 = 1 152 921 504 606 846 976 25. 9. 2024 17 Parametre výkonnosti počítačov  Vybavovací čas pamäte (access time) je čas od zadania príkazu na čítanie údajov z pamäte až po okamih ich sprístupnenia pre ďalšie operácie. Pre niektoré druhy pamätí je konštantný (napr. hlavná pamäť), pri iné je premenlivý (napr. vonkajšie pamäte). Vyjadruje sa v mikrosekundách (μs = 10-6 s) resp. nanosekundách (ns = 10-9 s) pre hlavné pamäte a v sekundách alebo milisekundách (ms = 10-3 s) pri vonkajších pamätiach.  Čas cyklu (cycle time) je najkratší možný čas medzi začiatkami dvoch po sebe nasledujúcich zápisov údajov do pamäte alebo výberov údajov z pamäte. Týka sa hlavnej pamäte  Šírka toku údajov charakterizuje výkonnosť procesora. Vyjadruje počet súčasne prenášajúcich bitov po vnútorných prenosových cestách procesora, pričom môže mať 8, 16, 32, 64 alebo 128 bitov  Frekvencia časovača (timer frequency) vyjadruje rýchlosť procesora. Je to frekvencia zmien obsahu registra používaného na meranie času v počítači, teda časovača. Vyjadruje sa v megahertzoch (MHz = 106 Hz)  Spoľahlivosť (reliability) charakterizuje schopnosť počítačového systému vykonávať svoje funkcie s definovanou pravdepodobnosťou. Mierou spoľahlivosti je priemerný čas medzi výskytom poruchy – Mean Time Between Failure a udáva sa v hodinách  Kompatibilita (compatibility) je schopnosť počítačového systému spolupracovať s inými počítačovými systémami bez prispôsobenia a zmien. Technická kompatibilita charakterizuje možnosť kombinovať navzájom rôzne počítačové systémy a ich funkčné jednoty. Programová kompatibilita je možnosť použiť programy v inom operačnom prostredí bez zmien, pričom jej osobitným druhom je kompatibilita programovacích jazykov. 25. 9. 2024 18 Parametre výkonnosti počítačov  Stavebnicovosť – modulovosť (modularity) určuje možnosť rozširovať, dopĺňať a zamieňať rôzne technické prostriedky počítača alebo časti programového vybavenia bez náročných úprav  Časová dostupnosť (availability) je možnosť prístupu používateľa k technickým prostriedkom. Je možné ho vyjadriť časom, ktorý uplynie od vzniku požiadavky na využitie určitého technického prostriedku do okamihu, keď tento prostriedok začal plniť potrebnú funkciu. Ovplyvňuje ju: a) miniaturizácia prostriedkov (vedie to k znižovaniu nárokov na priestory, dopravu, energetickú náročnosť, znižovaniu cien) b) individualizácia prostriedkov (počítač je určený iba jednému používateľovi alebo úzkemu okruhu používateľov) c) sprístupnenie a súčasné využívanie strediskových počítačov a to pomocou komunikačných prostriedkov pre široký okruh používateľov  Nároky na obsluhu sú časové požiadavky na prípravu používateľa, nároky pre kvalifikáciu pre prácu s daným počítačovým systémom  Ekonomická náročnosť predstavuje náklady na obstaranie a prevádzku počítačového systému alebo jeho zložky. Nákladové položky sú tvorené nákladmi na obstaranie počítačového systému, náklady na údržbu a opravy systému, náklady na prípravu používateľa a obsluhy, ako aj ostatné prevádzkové náklady počítačového systému 25. 9. 2024 19 ĎAKUJEM ZA POZORNOSŤ 25. 9. 2024 20