Informatika

teorie informace, informatika – dvě vědy zkoumající informace

Teorie informace

Vznik – konec 2. SV (potřeby leteckého provozu) – Claude Elwood Shannon

Matematická věda, patří do kybernetických věd

Zkoumá informaci jako základní jev, který umožňuje existenci složitých systémů, především organismů a společenství, a snaží se najít matematické vyjádření množství informace

Zabývá se přenosem, kódováním a měřením informace

Využívá: teorie pravděpodobnosti, matematická statistika, teorie her, lineární algebra, teorie grafů,…

Odvětví: teorie přenosu informace (jak kódovat zprávu, aby na místo určení došla co nejméně porušená), problematika záznamu, vyhodnocení a třídění informace Informatika

Věda o systematickém zpracování informací, hlavně o automatickém zpracování pomocí číslicových počítačů (struktura, zpracování a využití zejména vědeckých informací – zobrazení, shromažďování, analytické a syntetické zpracování, ukládání, vyhledávání a rozšiřování)

Od roku 1960 samostatná vědní disciplína

Matematická disciplína, vyšla z algebry

„pomocné vědy“ – logika, matematika, elektrotechnika Informatické vědy

(Teoretická, praktická, technická, aplikovaná)

· Formální logika – návrh integrovaných obvodů

· Teorie kódů – tvorba kódů

· Teorie automatů, teorie překladu, teorie formálních jazyků a gramatik, sémantika – tvorba operačních systémů a překladačů vyšších programovacích ja­zyků

· Teorie složitosti – časové a paměťové nároky programu (problému)

· Teorie vyčíslitelnosti – zda je daný problém vůbec v principu řešitelný

· Robotika (odvětví technické kybernetiky) – výzkum a vývoj robotů (náhrada člověka)

· Umělá inteligence – skupina disciplín, modelování intelektuální činnosti člověka počítačem při řešení složitých úloh, jejichž řešení vyžaduje vyšší stupeň inteligence než řešení rutinních výpočtů (samočinné rozpoznávání tvarů nebo předmětů, vytváření analogií mezi logickými úsudky, ověřování hypotéz a matematických důkazů, hraní her,…)

· Počítačová simulace – napodobení funkce zkoumaných objektů počítačovým modelem

· Počítačová grafika – matematické vyjádření křivek, definice tvaru písmen,…

· Softwarové inženýrství – jak psát a ladit programy, jak organizovat programátorský tým, jak mají programy vypadat (barevné řešení programu, způsob ovládání programu)

Historie VT

řeč, písmo, číselné soustavy, knihtisk,… Předchůdci

mechanické, nepracovaly automaticky podle programu abakus

počítadlo, kuličky se posunují ve žlábcích (kolem 5000–3000 před n.l.), Řecko, Řím, 4 základní operace logaritmické pravítko

2 stupnice, posouvání (17. století) mechanické počítací stroje ozubená kolečka

Wilhelm Schickard – 1574 – pouze myšlenka, nerealizováno (až později podle nákresů), všechny operace

Blaise Pascal – 1642 – sčítání a odčítání šestimístných čísel

Gottfried Wilhelm Leibnitz – 1673 – včetně násobení a dělení, myšlenka výhod dvojkové soustavy, princip ozubených kol, od roku 1818 sériová výroba podle Leibnitze

Joseph Marie Jacquard

1805 – tkalcovský stav – otvory v papírových štítcích (děrné štítky), první stroj řízený programem

děrné štítky – dříve dřevěné – Falcon (1728)

Charles Babbage

1833 stavba matematického stroje – Analytical Engine (myšlenkově blízké dnešním)

Programově řízený stroj!

Číselná paměť, programová paměť, ALU, řídící jednotka, výstupní zařízení

nedokončeno a zapomenuto – technika nebyla na úrovni

přesnost osmi číslic, paměť – jeden tisíc čísel

přítelkyně Ada Augusta de Lovelac – myšlenka podmíněného větvení programu podle výsledku předchozího kroku

Hermann Hollerith

1886 – děrnoštítkový stroj – čtení i zápis dat

první použití – sčítání obyvatelstva USA 1890 (dosud ručně několik let, s použitím strojů 1 měsíc)

rozšíření v bankách, pojišťovnách a velkých firmách, 1924 – první výrobní náplň IBM

Konrad Zuse

Projektování programově řízeného počítacího stroje, dvojková soustava, semilogaritmická reprezentace čísel

1937 – Z1 (mechanické)

1941 – Z3 – elektromechanické, první fungující programově řízený počítač (děrná páska s programem, 2000 relé, kapacita paměti 64 slov po 22 bitů, čas násobení 3 sekundy) čtyřicátá léta

MARK I (EDSAC) – 1944 (laboratoře IBM + Hardvardská univerzita – Howard H. Aiken), relé, princip Analytical Egine, první fungující počítač, částečné programové řízení

ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) – 1946 – elektronky, první čistě elektronková konstrukce s možností univerzálního programového řízení (1800 elektronek, 10000 kondenzátorů, 70000odporů, 1300 relé, chlazení 2 letecké motory, 150 m2, 40 tun, dekadická soustava., násobení 3 ms)

EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer) – realizace von Neumanna John von Neumann

1946 – koncepce počítače

1 CPU, program a data v 1 paměti (univerzalita, výhody i nevýhody)

· 5 funkčních jednotek – řídící jednotka, aritmeticko-logická jednotka, paměť, vstupní zařízení, výstupní zařízení

· struktura je nezávislá od zpracovávaných problémů, na řešení problému se musí zvenčí zavést návod na zpracování, program a musí se uložit do paměti, bez tohoto programu není stroj schopen práce

· programy, data, mezivýsledky a konečné výsledky se ukládají do téže paměti

· paměť je rozdělená na stejně velké buňky, které jsou průběžně očíslované, přes číslo buňky (adresu) se dá přečíst nebo změnit obsah buňky

· po sobě jdoucí instrukce programu se uloží do paměťových buněk jdoucích po sobě, přístup k následující instrukci se uskuteční z řídící jednotky zvýšením instrukční adresy o 1

· instrukcemi skoku se dá odklonit od zpracování instrukcí v uloženém pořadí

· existují alespoň – aritmetické instrukce (sčítání, násobení, ukládání konstant,…), logické instrukce (porovnání, not, and, or,…), instrukce přenosu (z paměti do řídící jednotky a na vstup/výstup), podmíněné skoky, ostatní (posunutí, přerušení, čekání,…)

· všechna data (instrukce, adresy,…) jsou binárně kódované, správné dekódování zabezpečují vhodné logické obvody v řídící jednotce Padesátá léta

Průmyslový vývoj a produkce počítačů

Generace počítačů

• roky jsou orientační, generace se překrývají
• týkají se velkých počítačů (sálové), dnes konvergují s osobními
• v současné době ztratilo dělení význam

Generace	Výkon	Součástky	Vstup/výstup, vnější paměť	Rok vzniku
	(operace/s)
0	Asi 500	relé, elektronky	děrné štítky a	do 1949
			pásky/dálnopis
			magnetické bubny
1.	asi 1000	elektronky	děrné štítky a
			pásky/řádkové tiskárny
			magnetické pásky	do 1956
2.	tisíce	Tranzistory	terminály/rychlo­tiskárny	do 1964
			magnetické disky
3.	nad 10 000	integrované obvody	klávesnice/monitor	do 1972
3,5.	několik set tisíc	integr. obvody	klávesnice/monitor	od 1972 dodnes
		LSI	diskety
4.	milióny	integrované obvody	klávesnice/monitor	CD-ROM
		VLSI	diskety

od 1981 dodnes Nultá generace

různé pokusy na různé součástkové základně

nízký výkon, velké rozměry

ENIAC (1946) – 150 m2 (malá tělocvična), 40 tun, 2 letecké motory na chlazení; využití ke konstrukci atomové bomby; považován za první počítač

SAPO – 1954–1958 – první počítač u nás

Z-1 – první počítač, Německo, 1934, Konrad Zuse, nikdy nebyl zcela provozuschopný (mechanické základy činnosti)

Z-3 – první prakticky použitelný počítač, 1941, relé (2.600 elektro­magnetických relé, binární soustava, vnější paměť – děrovaný filmový pás), rychlost 1 operace za sekundu, paměť – 64 čísel

MARK I – 1944 – USA – podobný počítač, Howard Aiken, desítková soustava, použit při výpočtu velikosti nálože první atomové pumy

Československo – 1957 – SAPO (SAmočinný POčítač) (Za tři roky po jeho dokončení (1960) SAPO bohužel shořel, protože z jiskřících reléových kontaktů se vzňala loužička oleje, kterým bylo nutno relé přimazávat.) První generace

elektronky (nahrazení relé bistabilním spínacím prvkem (klopný obvod) složeným z elektronek)

ENIAC (angl. Electronic Numerical Integrator And Computer) – Mauchlym, Eckertem (univerzita v Pensylvánii), 30 tun, chlazen proudem vzduchu ze dvou leteckých motorů, 167 metrů čtverečních, desítková soustava, kombinace elektronek a relé, 5 000 operací za sekundu (dnes je shodný výkon představován čipem o ploše necelého 1 cm čtverečního) x tisícinásobné zrychlení proti jeho předchůdcům (MARK-I a Z-3), programování propojováním celkem 130 kabelů a mnohdy trvalo celé týdny

John von Neumann – američan maďarského původu, von Neumannovo schéma Druhá generace

tranzistory – zmeněení rozměrů, pokles spotřeby energie

1968 – ZPA 600 – první československý tranzistorový počítač

1947 – vynálezu tranzistoru – menší rozměry, vyšší spolehlivost, minimální spotřeba energie

od poloviny 50. Let (IBM-1401, National Elliot 803, u nás MINSK z SSSR)

nekompatibilita a nejednotnost výrobců – slabé rozšíření Třetí generace

od 1961

integrované obvody (několik tranzistorů na jedné destičce – chipu) – výrazné zmenšení, urychlení montáže

první integrované obvody – 10–100 tranzistorů

IBMSystem/360 – první počítač třetí generace

EC 1021, EC 1025, … – naše počítače třetí generace od roku 1971, součást JJSEP (Jednotný Systém Elektronických Počítačů – socialistické země)

snaha o standardizaci technického vybavení, typové řady počítačů Tříapůltá generace

LSI – integraované obvody s vysokou hustotou integrace (několik tisíc tranzistorů)

modulární konstrukce technického vybavení

jejich víceúlohové operační systémy – ovládání pomocí koncových stanic – terminálů

interaktivním komunikace

IBM 370

JSEP 2 (odvozeno od IBM) – EC 1027

vznik minipočítačů (do té doby pouze střediskové resp. sálové) – DEC-Digital Equipment Company, Hewlett-Packard, u nás systémy SMEP

1969 – vynález mikroprocesoru – domácí a osobní počítače

počátek 80. let – IBM PC, Macintosh (Apple)

polovina 80. let – sítě LAN

konec 80. let – WAN Čtvrtá generace

VLSI – integrované obvody s velmi vysokou hustotou (miliony gtranistorů na několika centimetrech)

pokusy o multiprocesorové systémy

víceprocesorové systémy

IBM řada Sierra (IBM 3090), Siemens, Burroughs nebo Bull, IBM, DEC (Digital Equipment Company), Wang, Olivetti, Hewlett-Packard, Craye (Cray-1 a Cray-2 – svého času nejvýkonnějšími počítači světa, Cray-3 – 16-ti procesorů – hlavní představitel tzv. superpočítačů)

Silicon Graphics – špičkové grafické stanice a datové servery (několik stovek procesorů společně) Pátá generace

budoucnost

umělá inteligence – myšlenkové postupy člověka, konverzace s člověkem, automatická oprava programu, samostatné rozhodování

paralelní zpracování, multiprocesing, podobnost s biologickými neuronovými sítěmi

nová součástková základna (balistické tranzistory, supravodivé Josephsonovy obvody?)

počítače „non von“ – opuštění von Neumannovy koncepce – paralelní počítače (paralelním zpracováním procesů) Osobní počítače

osobní počítač – vejde se na pracovní stůl

První osobní počítače – 1977 – PET (Commodore Business Machines), Apple 1 (Apple Computer Company), osmibitové, kazetový magnetofon, textový režim monitoru

další osmibitové počítače – Sinclair, Commodore, Atari, Robotron; u nás IQ 151, PMD 85, Consul, Didaktik

televizní obrazovka místo monitoru

rozvoj disket (spočátku 8“)

hlavně hry, začátky kancelářských programů

IBM PC

16 bitový mikroprocesor Intel 8088

5,25“ FD

výrazné zvýšení výkonu

prudký vývoj, souvisí s vývojem procesorů

IBM PC XT – hard disk

IBM PC AT – Intel 80286

Současné osobní počítače – výkon blízký čtvrté generaci sálových, sálové se velikostně zmenšují, v budoucnosti splynou Vývoj programového vybavení