KEE/POE Počítače v elektroenergetice Ing. Milan Bělík, Ph.D. Katedra elektroenergetiky a ekologie EK305, tel: 4315 belik4@kee.zcu.cz

Program semestru počítače v energetice technika počítačů, historie počítačů architektura počítačů hardware, periferie, I/O software E-vlivy modelování procesů, simulace numerické metody výpočtů analýza a zpracování signálů měřicí systémy software LabView

1. přednáška: Technika a historie počítačů Předchůdci počítačů 5000 př.n.l. - Abakus antické Řecko, Řím dřevěná, nebo hliněná destička kamínky „calculli“ na tyčkách nebo ve žlábcích v modifikacích do současnosti - sčot 1614 - logaritmické tabulky John Napier napierovy kostky – rychlé násobení jednociferným číslem 1623 - první mechanický počítací stroj Wilhelm Schickard ozubené kolo sčítání a odčítání šesticiferných čísel plovoucí desetinná čárka použit Johannem Keplerem při astronomických výpočtech 2 prototypy - nedochované 1642 – Pascaline Blaire Pascal pouze operace sčítání a odčítání osm číselníků, ovládání jehlou pro otce – výběrčího daní dochováno cca 50 ks 1694 – krokový kalkulátor Gottfried Leibnitz sčítání a odčítání, násobení, dělení, 2. mocnina ozubený válec s kovovými kolíčky (flašinet) objev dvojkové soustavy

1820 - Thomasův Arithmometr Charles Xavier Thomas první sériově vyráběný kalkulátor sčítání, odčítání, násobení, dělení 40. léta 20. stol - použit v projektu Manhattan (6.8.1945 – Hiroshima) mechanické počítací stroje až do 70. let 20. století 1801 – děrný štítek Joseph Marie Jacquard návrhy prvních programovatelných strojů v 19. stol využívány pro vyšívání vzorů tkacími stroji 1899 – 1. masové použití – datové médium - sčítání lidí v USA zpracování ze 7 let na 6 týdnů - Hollerith Herman (zakladatel IBM) děrné štítky až do 80. let 20. století (do současnosti) 80 nebo 90 sloupců pro záznam dat 1833 - difference engine Charles Babbage projekt stroje na výpočet diferenciálních rovnic mechanické převody, čepy, ozubené válce, hřídele (velikost lokomotivy) desítková soustava 1848 - analytical engine projekt prvního počítače pohon parním strojem, použití ozubených kol namísto abaku více než padesáti tisíc součástek „sklad“ (paměť), „mlýnice“ (procesor) => rozhodování, opakování (IF, LOOP) 50-ti místná čísla s pevnou desetinnou čárkou problémy s výrobou ozubených kol, nedostatečné financování Augusta Ada (dcera lorda Gordona Byrona) - sestavení seznamu instrukcí 80. léta 20. stol - programovací jazyk ADA 70. léta 19. stol. – logaritmické pravítko výsledek na 3-4 platné číslice (max. 5-6) použito v projektu Apollo (20.7.1969 – Apollo 11)

Nultá generace počítačů 1936 – Z1 Konrád Zuse dvojková soustava aritmetika v plovoucí čárce, nezahrnuty podmíněné skoky program na děrné pásce (nosič - kinofilm) elektromechanický s kolíčkovou pamětí na 16 čísel velmi poruchový, pro praktické použití nevhodný Z2 200 relé, mechanická paměť (převzatá ze Z1) Z3 - první prakticky použitelný počítač Konrád Zuse, Helmutem Schreyr 2600 elektromagnetických relé, paměť na 64 čísel po 22b aritmetika v plovoucí čárce rychlost až 50 aritmetických operací za minutu údaje se ručně zadávaly pomocí klávesnice v roce 1944 zničen při leteckém náletu 1943 – Mark I - Automatic Sequence Contolled Calculator (ASSC) Howard Hathaway Aiken projekt financovaný IBM (vznik z Holleritovy Tabulating Machine Company) 15 m dlouhý, pohon - elektromotor 3,7 kW - dlouhá hřídel program na děrné pásce (24 stop, 3 skupiny po osmi: 2 adresy + kód operace) desítková soustava s pevnou čárkou statická paměť – nastavení před výpočtem desetipolohovými přepínači (60 23-místných čísel) dynamická (operační) paměť - elektromechanicky ovládaná kolečka (záznam a čtení 72 čísel) rychlost: součet 0,3 s, násobení 6 s, sinus 1 min

Mark II 13 000 relé (čistě reléové) aritmetika v plovoucí čárce desítkové číslice, které byly dvojkově kódovány pomocí čtyř relé operační paměť na 100 čísel s deseti platnými číslicemi rychlost: sčítání 0,125 s, násobení 0,25 s 1943 – Colossus Anglie prolomení německých šifer 1957 – SAPO (samočinný počítač) – 1. počítač v Československu prof. Svoboda - Výzkumný ústav matematických strojů 7000 relé, 400 elektronek magnetická bubnová paměť na 1024 dvaatřicetibitových slov dvojková soustava pohyblivá řádová čárka pětiadresový (5 adres: 2 operandy, výsledek a adresy skoků) vlastně šlo o tři shodné počítače, které pracovaly paralelně výsledek každé operace z jednotlivých počítačů se mezi sebou porovnal a o výsledku se rozhodovalo hlasováním pokud byl výsledek shodný alespoň ve dvou případech, byl považován za správný pokud se výsledekve všech třech případech lišil, operace se opakovala instalován v budově ústavu na Loretánském náměstí. 1960 - SAPO shořel (jiskření kontaktů zapálilo olej)

První generace počítačů 1944 – Eniac (Electronic Numerical Integrator And Computer) 17 468 elektronek, 10 000 kondenzátorů, 70 000 odporů, 1300 relé desítková soustava , diskrétní režim chlazení dvěma leteckými motory 150 m², 40 tun vlastní samostatná elektrárna 160kW výdrž mezi pochuchami – několik hodin rychlost: 5000 operací za sekundu, 100Hz programování pomocí přepínačů výpočty palebných tabulek pro dělostřelectvo US Army využit k vývoji vodíkové bomby 1945 – MANIAC (Mathematical Analyser Numerical Integrator And Computer) Johnem von Neumanem

Druhá generace počítačů 1947 – tranzistor Bell Laboratories: John Bardeen, W. Brattain, W. Shockley (1956 Nobelova cenu za fyziku) zmenšení rozměrů celého počítače zvýšení rychlosti a spolehlivosti snížení energetických nároků počítače 1951 – UNIVAC (Universal Automatic Computer) - prvním sériově vyráběný počítač firma Remington dodán americkému statistickému úřadu pro výpočet při sčítání lidí dávkový režim paměť na 1000 slov o 12 znacích 13 tun, 35 m2 rychlost:1905 operací za sekundu, 2,25MHz 159 000 USD - 1 250 000 USD 46 instalací začínají vznikat operační systémy první programovací jazyky: 1949: Short code (John Mauchly) 1957: Fortan 1958: Algol, Cobol 1964: Basic

Třetí generace počítačů 1958 – integrovaný obvod Jack Kilbyho - Texas Instruments v jednom čipu více tranzistorů (první integrovaný obvod - čtyři tranzistory) SSI - Small Scale Integration MSI - Middle Scale Integration LSI - Large Scale Integration VLSI - Very Large Scale Integration (někdy také XLSI - Xtra Large Scale Integration) 1967 - Anita Mark 8 – první PC (personal computer) Norman Kitz 140 000 USD

TTL (Transistor Transistor Logic): rychlá, ale drahá technologie. Jejím základním stavebním prvkem je bipolární tranzistor. Její nevýhodou je velká spotřeba elektrické energie a z toho vyplývající velké zahřívání se takovýchto obvodů. PMOS (Positive Metal Oxid Semiconductor): technologie používající unipolární tranzistor MOS s pozitivním vodivostním kanálem. Díky tomu, že MOS tranzistory jsou řízeny elektrickým polem a nikoliv elektrickým proudem jako u technologie TTL, redukuje nároky na spotřebu elektrické energie. Jedná se však o pomalou a dnes nepoužívanou technologii. NMOS (Negative Metal Oxid Semiconductor): technologie, která využívá jako základní stavební prvek unipolární tranzistor MOS s negativním vodivostním kanálem. Tato technologie se používala zhruba do začátku 80. let. Jedná se o levnější a efektivnější technologii než TTL a rychlejší než PMOS. CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor): technologie spojující v jednom návrhu prvky tranzistorů PMOS i NMOS. Tyto obvody mají malou spotřebu a tato technologie je používána pro výrobu velké čáti dnešních moderních integrovaných obvodů. BiCMOS (Bipolar Complementary Metal Oxid Semiconductor): nová technologie spojující na jednom čipu prvky bipolární technologie i technologie CMOS. Používána zejména firmou Intel k výrobě mikroprocesorů.

Čtvrtá generace počítačů 1969 – mikroprocesor Texas Instruments CPU – Central Processing Unit 1976 - Apple 1 Apple Computer 666,66 USD (cena v přepočtu na dnešní dolar 2056 USD.) 1977- Commodore PET 2001 procesor MOS 6502, 4KB RAM zabudovaný kazetový magnetofon pro nahrávání dat 9" monitor 595 USD (dnešní přepočet 1723 USD) 1978 - Intel 8086 1981 – IBM PC mikroprocesor Intel 8088 první PC s operačním systémem MS-DOS (Microsoft) 1981 - OSBORNE 1 - první přenosný počítač Osborne Computer procesor Zilog Z-80, 64KB RAM, dvě 5,25" FDD o kapacitě 91 KB pětipalcová černobílá obrazovka 10,4 kg 1795 USD (cena v dnešní hodnotě je 3466 USD) 1985 - IBM PC - Windows 1.0 1986 – Internet National Science Foundation schvaluje investici do páteřní sítě Internetu Pátá generace zatím hudba budoucnosti stroje s umělou inteligencí