OctopusLAB 72
Digitální technika – ohlédnutí do historie
Když v dnešní době chceme zjistit nějakou informaci, co automaticky uděláme? Otevřeme internetový prohlížeč a do vyhledávače zkoušíme zadat různé varianty hledaného. Zkoukneme pár odkazů (různě relevantních) a můžeme dohledávat i obrázky nebo videa. Máme možnost položit dotaz i na velkém počtu sociálních sítí a v nepřeberném množství rozmanitých diskusních skupin v nich. Značná část obecných technických informací je opravdu rychle a poměrně dobře dostupná.
Dovolím si připomenout, že ne vždy tomu tak bylo. V dobách „nedávných“ (kolem roku 1990) byl internet na našem území na úplném začátku. A k tomu byly stále patrny dozvuky studené války a s ním spojeného embarga na moderní technologie, kam výpočetní technika patřila především. Studiu historických počítačů se věnuji déle než deset let a některé detailnější dokumenty jsou dostupné (snadněji dohledatelné) až posledních pár let. Mám na mysli některé fotografie či krátká videa veškerých počítačů první až třetí generace (z období po druhé světové válce).
První opravdový počítač jsem viděl u táty v práci v již zmíněných osmdesátých letech. Byl to sálový počítač, měli i nějaké IBM System/360, pak zřejmě sovětský EC-1027/EC-1033 nebo EC-1021 vyráběný v ČSSR. Možná tam byly i nějaké terminálové stanice pro IBM-3090. To už nevím.
Internet byl výsadou západních univerzit, velkých korporací a armádních složek. Představa „mít počítač doma“ byla pro většinu lidí nejen velmi odvážná, ale reálně jsme se smířili s tím, že to asi ještě mnoho let nebude vůbec možné. A přitom na západ od nás už první modely hobby počítačů pomalu ale jistě vznikaly.
Historia magistra vitae
Posuňme se však na chvíli v čase ještě více do minulosti. Nemusíte se obávat, dlouho se nezdržíme. Rád bych vás především motivoval k vlastnímu hledání a samostatnému bádání. Pokud vás něco zaujme více, určitě zkuste zapátrat po již zmíněném internetu nebo ve vlastní knihovně.
(Můžete to zkusit hned s vyhledáním překladu a významu nadpisu, pokud ho zatím neznáte.)
Už od nepaměti si lidé snaží usnadnit si práci. „Již staří Římané…“ – i tak by se dalo začít. Protože snaha zjednodušit a urychlit si počítání se u člověka zřejmě objevila krátce po tom, co něco začal počítat. Počet kusů ve stádu lovené zvěře, počet nepřátel, počet nádob s vodou, počet kamenů na stavbu, počet zajatců… První písemné záznamy to dokládají, protože se velmi často jedná podobné evidence a přehledy. Zde také záhy narazíme na desítkovou soustavu, jejíž vznik je přisuzován tomu, že lidé mají deset prstů na rukou a první počty se prováděly jednoduše na prstech. U prvních záznamů byl občas důraz i na číslo pět (samostatný symbol pro pětku a podobně) protože to je počet prstů na jedné ruce. Z pokročilejších „prehistorických“ soustav zmiňme ještě šedesátkovou, jelikož 60 se dá lépe (celočíselně beze zbytku) rozdělit na polovinu, třetinu, čtvrtinu. Tato soustava se udržela pro počítání času (vteřiny, minuty…) a také v archaický slovech: kopa (60) je pět tuctů (12).
Abakus – první početní pomůcka
Řecké slovo abax označovalo destičku pokrytou pískem (nebo prachem) do něhož se kreslily výpočty. V další verzi to byl systém rovnoběžných rýh, v nichž se posunovaly kamínky nebo korálky na osičce. Zde opět zajímavost – tyto kamínky / oblázky (řecky calculli) daly základ slovu calculator, ze kterého vychází i naše kalkulačka.
Abakus je pravděpodobně babylonského původu (odhadem před 5000 lety) a historicky se oddělily dvě základní verze. Východní abakus (neboli čínský) se používá v Číně (suan pan), v Indonésii a v Japonsku soroban. Západní abakus se užívá v Rusku od 16. století dodnes. Nazývá se sčot. Setkáváme se i s dalšími modifikacemi kuličkových počitadel.
Pokud chceme sečíst dvě čísla (a nestačí nám k tomu počet prstů), můžeme „naházet“ tyto určené dva počty kamínků do jedné misky a pak je spočítat. Pro „pravěkého“ člověka to byla téměř jediná možnost, neměl k dispozici ani symboly (pro počet objektů), ani nástroje pro práci s nimi.
Ale jak rychle sečíst 262+123? K tomu právě skvěle poslouží číselná soustava. V případě desítkové pak sčítáme stovky (deset desítek), desítky a jednotky zvlášť. Abakus to ještě zjednodušil „pětkou“ pro více než 4. Na obrázku třetího abaku si povšimněme takzvaného přenosu, kdy 3+2=5 a máme jen 4 kamínky, takže čtveřici posuneme dolů a kamínek 5 nahoru (5 = 4+1). Podobně máme přenos vymyšlen v dnes užívané desítkové soustavě, kdy 9 + 1 = 10 (jedna desítka plus nula jednotek).
Takže pro zvídavé: zjistěte si více o strastiplné cestě symbolu NULA, její velkou důležitost a proč staří Římané se svými římskými číslicemi (I, V, X, L, D, M) v matematice trochu zaostávali. A jak je to možné, že nakonec používáme číslice arabské (1,2,3,4,5,6,7,8,9) – souvisí to i se slovy algebra, algoritmus (jež jsou arabského původu).
OctopusLAB 73
Digitální technika – předchůdci počítačů
Dříve než se dostaneme k elektronickým počítačům, měli bychom se ještě zdržet u jejich mechanických předchůdců. Jelikož to byly právě „pohyblivé strojky“, které byly po tisíce let jedinou možností, o které soudobí „badatelé“ věděli. A v práci s ozubenými koly dosahovali v jistých obdobích neuvěřitelného mistrovství.
Vznikaly hodinové strojky (první mechanické hodiny udajně sestavil kolem roku 850 kněz z italské Verony Pacificus), vytvářely se měřící pomůcky, hrací skříňky (s pohyblivými figurami), celá řada přístrojů pro využití v astronomii (či astrologii).
Na obrázku můžete vidět zatím nejdokonalejší známý stroj starověku, takzvaný mechanismus z Antikythéry (dokonce se o něm mluví i jako o počítači z Antikythéry). Objevili ho potápěči už v roce 1902 ve vraku římské lodi, ale až v posledním desetiletí se jeho záhadu podařilo z velké části vyluštit. Vyrobili ho Řekové někdy mezi lety 150 a 100 před naším letopočtem.
„Zařízení velikosti krabice od bot sestávalo z navzájem propojených 82 komponentů – 37 ozubených koleček a 45 pohyblivých destiček zasazených do částečně dřevěné a částečně bronzové bedýnky, která měla z jedné strany jeden a z druhé strany dva ciferníky. Součástky byly ručně vyrobeny z tenkých (dvoumilimetrových) bronzových desek. Následné průzkumy pomocí rentgenu a vysokoenergetického záření gama odhalily celou jeho původní vnitřní strukturu. Zařízení otáčením kliky ukazovalo na jedné straně pohyby Slunce a Měsíce v průběhu roku, umělo předpovídat jejich zatmění.“ (Wikipedia)
Konstruktér Andrew Carol sestavil z Lega funkční repliku, která stejně jako předloha sleduje polohu Slunce a Měsíce a předpovídá zatmění těchto kosmických těles. Vyhledejte si krátké video na Youtube.
Hodinové strojky, ale především pak složité pohybující se hračky, probouzely fantazie o možnosti budoucnosti s počítacími, učícími se nebo dokonce myslícími stroji. A lidé v této oblasti několik tisíc let neznali (alespoň se o tom nedochovala žádná svědectví) nic jiného. Proto je dobré si připomínat, jak důležitých a zajímavých je posledních sto let, kdy se prolnulo století páry a benzínu se stoletím elektroniky.
Vždyť samotné slovo ROBOT známe teprve až od roku 1920, kdy bylo uvedeno divadelní vědeckofantastické drama Karla Čapka R.U.R. – Rossumovi univerzální roboti. Čapek byl ovlivněn zájmem o techniku, ale také obavami o budoucnost lidstva (destrukce za první světové války). A slovo ROBOT (robota je archaický obrat pro práce) se začalo používat po celém světě.
První mechanické „kalkulátory“
Stručně na časové ose:
1614 – John Napier popsal logaritmy, s jejichž využitím lze realizovat násobení a dělení pomocí sčítání a odčítání. Následně byly sestaveny první logaritmické tabulky a vzniklo i logaritmické pravítko, které se běžně používalo ještě před pár desetiletími. Z počátečních snah početní úkony alespoň částečně automatizovat se i tento princip aplikoval v některých prvních kalkulátorech.
1623 – Wilhelm Schickard sestavil jednoduchý počítací stroj z ozubených koleček z hodinových strojků. Tyto počítací hodiny uměly sčítat a odčítat šesticiferná čísla. Ale k opravdovému počítači vedla ještě dlouhá cesta, jelikož mnoho principů (v oblasti matematiky, fyziky i chemie) ještě stále čekalo na své objevení.
1642 – Blaise Pascal představil svůj osmimístný počítací stroj Pascalínu, který uměl sčítat a odčítat. Přestože knihtisk v Evropě byl znám už od druhé poloviny patnáctého století, tisklo se velmi málo knih (především Bible) a ostatní tisky se šířily velmi pomalu. Nebyl internet ani počítače ;-), takže mohlo trvat 10-20 let než se Pascal o Shickardově stroji vůbec dozvěděl.
První počítací byly vytvořeny na principu ozubených koleček. Na obrázku Pascalina (kolem roku 1642). Dnes už existují i počítačové emulátory, například https://www.edumedia-sciences.com/en/media/333-pascaline (přednostně pro školy, je nutná registrace)
1671 – Gottfried Wilhelm Leibniz – vznikla další propracovanější verze, která se využívala a rozvíjela dále.
1820 – Charles Xavier Thomas – první úspěšný sériově vyráběný kalkulátor Arithmometr. Uměl sčítat, odčítat, násobit a dělit a byl převážně založen na Leibnizově přístroji, ale celá cesta od prvních výraznějších předchůdců trvala zhruba 200 let!
OctopusLAB 74
Od tkaných vzorů k pevným diskům
Při studiu historie techniky mě velmi překvapilo, že to byl právě textilní průmysl, jehož rozvoj za posledních více než 200 let zásadně přispěl k některým technologiím pro periférie prvních počítacích strojů.
Tkalcovské stroje – první programovatelné automaty
Jen ve stručnosti si připomeňme pár zásadních vynálezů v kontextu let, ve kterých byly objeveny:
1725 – Basile Bouchon – jeho otec vyráběl varhany a tak měl k jistým mechanickým principům asi blízko. Zřejmě jako první použil děrované destičky (nejdříve dřevěné, později i papírové) pro řízení tkalcovského stavu. Částečně tak automatizoval zdlouhavý proces nastavování stavu pro vytváření vzorů.
1726 – Jean-Baptiste Falcon – jako asistent výše zmíněného Bouchona vylepšil funkci spojením jednotlivých papírových karet za sebe, čímž zrychlil načítání složitějších vstupů a zjednodušil změny programu vzorů.
1801 – Joseph Marie Jacquard – zdokonalil a přizpůsobil některé důležité části tak, že se ústrojí dalo použít na téměř každém tkalcovském stavu. Použil děrné štítky, které bylo možné vyměnit beze změny v mechanice samotného stavu. Tento okamžik je považován za milník v programovatelnosti strojů.
Označení Jaquard (nebo žakár) se používá i v 21. století pro všechna zařízení, kterými se dá programovat a řídit pohyb jednotlivých osnovních nití na tkacích a pletacích strojích a také pro textilie vyrobené na těchto strojích.
1835 – Charles Babbage – vylepšil děrný štítek tak, že obsahoval znaky ve formě kombinace dírek a umožňoval obsah opakovaně použít.
Údajně jako první přišel s nápadem sestrojit programovatelný stroj – počítač.
V roce 1991 byl podle Babbageových originálních plánů a prostředků dostupných v 19. století sestaven plně funkční diferenční stroj. Tím se ukázalo, že by skutečně fungoval už tehdy. O devět let později dokončili ve vědeckém muzeu i tiskárnu, kterou Babbage pro svůj počítací stroj navrhl. (Wikipedia)
1890 – Herman Hollerith – vyhrál s metodou použití děrných štítků konkurz na sčítání lidu v USA.
To předchozí totiž trvalo plných 7 let a takhle se to velmi znatelně zkrátilo.
Jeho firma se později stala základem počítačové společnosti IBM. Pro analýzu a další zpracování dat na děrných štítcích byly vyvíjeny specializované stroje: děrovače, tabelátory a třídiče, které se využívaly i v prvních dobách počítačů. Ale to už se konečně dostáváme k éře opravdových počítačů.
Původní děrované destičky (18. století) byly čteny čistě mechanicky. Pomocí kolíčkových stavítek byl detekován otvor a mechanicky se provedlo dílčí nastavení ve stroji. S přechodem na elektronická zařízení se začal využívat elektromechanický princip, kdy napružené kontakty při přechodu přes dírku spínaly elektrický obvod. Pro zvýšení spolehlivosti, rychlosti a životnosti se pak ve století dvacátém využívalo optického prvku. Fotočidlo (miniaturní fotodioda nebo fototranzistor) detekovalo při přechodu otvoru světelný záblesk, který přicházel od zdroje světla na druhé straně pásky.
V OctopusLABu připravujeme další „přístrojové“ bloky pro naše univerzální digitální rozhraní, které pak bude hlavní součástí většího projektu Octopus_23_RUR (retro ultra replika). Tato výuková experimentální soustava bude umět emulovat celou řadu opravdu historických počítačů (máme v plánu i EDSAC, jedno z prvních PDP, až po IMSAI8080 či Altair8800). Repozitář projektu je již založen – sledujte, zkoušejte, přispějte:
https://github.com/octopuslab-cz/octopus_23_rur
Naše čtečka Octopus_RR_01 (retro_reader version 1) vznikla z nutnosti otestovat, předvést a „ověřit“ princip pohodlnějšího vkládání opakovaného programu. Základ tvoří KPX80 (sestava deseti fototranzistorů Tesla, původně určená pro čtečky děrné pásky). Využili jsme jen pětici z nich pro paralelní čtení pěti bitů. Vyzkoušeli jsem citlivost a zjednodušili tvorbu datové pásky pouhým tiskem černých plošek, které propustí světlo jinak, než bílá nepotištěná část a tak není nutno děrovat. Máme rozpracovaný i jednoduchý program v Pythonu, který nám datové pásky vytváří.
Jádro čtečky pak obsahuje kultovní ESP32 a firmware zatím vzniká v Micropythonu (rychlé, pohodlné, dostačující). Další verze (02) by mohla mít i automatický posun (realizovaný malým krokovým motorem, na obrázku nahoře).
Pokud se chystáte na tradiční předvánoční setkání radioamatérů v Národním technickém muzeu (v Praze), zastavte se na našem „stanovišti“. Můžete si pár modulů prohlédnout a vyzkoušet.
OctopusLAB 75
Digitální technika – generace počítačů
Historie počítačů je obsáhlá a velmi zajímavá. Zaměřím se však jen některé vybrané události s důrazem na zajímavosti, které si zaslouží více pozornosti.
Na časové ose jsem zobrazil jednu z variant, jak se popisují počítačové generace. Možná se zmíním o jiné verzi, která uvádí i nultou generaci, do které se řadí počítač Z1. Někdy je nazýván elektomechanický, jelikož využíval kromě relátek i mechanické prvky. Často se pak uvádí rozdílně období po roce 2000, kdy se konec čtvrté a pátá generace časuje rozdílně.
Co podstatného uvést k součástkám jednotlivých generací?
Elektronky se pro číslicovou techniku moc nehodí, ale zdůrazněme, že nebylo nic jiného. A oproti relátkům zaznamenaly na svou dobu znatelné zrychlení (z desítek Hz ke stovkám Hz). Elektronky měly velkou energetickou spotřebu a malou spolehlivost (poruchovost daná krátkou životností prvních verzí). Operační paměť byla realizována například jako zpožďovací linka, kde „obíhal“/pulsoval ultrazvuk v dlouhé tubičce se rtutí (pouze pro uchování desítek až stovek bitů).
Tranzistory – se osazovaly na stále složité komplexně propojované desky s velkými nároky na zprovoznění a případné opravy. Teoretické rychlosti už nebránila samotná součástka, ale spíše propojovací kabely a konektory, které neumožnily zrychlení nad na stovky kHz. Princip děrných štítků (jako médium pro trvalé uchování dat nebo programu) byl zlepšen využitím děrné pásky (rychlejší a spolehlivější čtení). Také se jako operační paměť prosadila v rastrové matici navlečená feritová jadérka (jednotky kB). Pro operativní vstup a výstup se využívá množství tlačítek, přepínačů a žároviček. Klávesnici a tiskárnu zastal dálnopis, už se občas využije i obrazovka (nejdříve kulatá osciloskopická, později ta televizní).
Integrované obvody – obrovský technologický skok, který vyřešil většinu problémů předchozích generací počítačů, ale až Mikroporcesory umožnily i zvýšení rychlosti nad 1MHz. Samozřejmě i polovodičové paměti, harddisky a následně flash paměti umožnily počítačům vše, co známe dnes.
asi konec?
Turing, hacknutí ENIGMy
ENIAC 10 bit, tvoření tabulek pro trajektorie balistických střel, složité výpočty v projektu jádro / atomové bomy
EDVAC binární – von neuman – rtuťové zpoždující linky RAM
dlouhá cesta bit (1947) – a byte a pak ASCII
počítací stoje elektomechanické – relé, děrná páska (telegraf – dálnopis)
následně elektronky a pak i tranzistory
první náznak větší integrace pro počíač pro Apolo – paměti – feritová jádra
von neuman pC:
Dvojková soustava
Binární čísla jsou číselná soustava, která používá pouze dvě číslice: Používají se v počítačích a dalších elektronických zařízeních k reprezentaci a zpracování dat, protože jsou pro stroje snadno pochopitelné a snadno se s nimi manipuluje. V mnoha ohledech jsou binární čísla základem moderní výpočetní techniky.
Koncept binárních čísel lze vysledovat až do starověké Indie, kde matematik Pingala vyvinul systém pro reprezentaci čísel pomocí binárních číslic 0 a 1. Tento systém později převzali a zdokonalili staří Řekové, kteří používali binární čísla k reprezentaci písmen abecedy.
V 19. století matematik George Boole vyvinul systém logiky využívající binární čísla, který vedl k vývoji moderního počítače. Dnes se binární čísla hojně používají v digitální elektronice a informatice a jsou nezbytnou součástí moderního světa.
a počítače?
Historie počítačů je dlouhá a pestrá, první známý počítač byl vynalezen před více než 2000 lety. Prvními počítači byli lidští úředníci, kteří prováděli výpočty ručně, ale postupem času technologie pokročila do té míry, že počítače mohou rychle a efektivně provádět složité úlohy.
Prvním rozpoznatelným počítačem byl abakus, který vynalezli staří Sumerové kolem roku 2400 př. n. l.. Abakus byl dřevěný rám s korálky na drátcích a používal se k jednoduchým aritmetickým výpočtům.
Během několika následujících století bylo vynalezeno mnoho různých výpočetních zařízení, včetně astrolábu, posuvného pravidla a mechanické kalkulačky. Tato zařízení se používala k různým matematickým a vědeckým výpočtům, ale jejich možnosti byly omezené.
Teprve v 19. století byly vyvinuty první skutečné počítače. V roce 1822 navrhl Charles Babbage „Difference Engine“, což byl mechanický kalkulátor, který dokázal provádět složité matematické výpočty. Difference Engine však nebyl nikdy dokončen a první funkční počítače byly sestrojeny až ve 20. století.
První elektronické počítače byly vyvinuty během druhé světové války, aby pomohly s výpočtem tabulek dělostřelecké palby. Tyto první počítače, jako například ENIAC a UNIVAC, byly velké, drahé a měly omezené možnosti.
V následujících desetiletích se počítače zmenšovaly, zlevňovaly a stávaly se výkonnějšími. Vývoj mikroprocesoru v 70. letech 20. století vedl k vytvoření osobního počítače, který znamenal revoluci ve způsobu práce, komunikace a přístupu k informacím.
Dnes jsou počítače nedílnou součástí našeho každodenního života a stále se rychle vyvíjejí a zdokonalují. Používají se v nejrůznějších oblastech, od vědy a techniky až po obchod a zábavu.
A budoucnost počítačů?
Přesnou budoucnost počítačů je obtížné předpovědět, protože technologie se neustále vyvíjí a mění. Je však pravděpodobné, že počítače budou v nadcházejících letech stále menší, rychlejší a výkonnější.
Jedním z možných vývojových trendů je větší využití umělé inteligence (AI) v počítačích. Umělá inteligence označuje schopnost počítače provádět úkoly, které obvykle vyžadují lidskou inteligenci, jako je rozpoznávání vzorců, učení a řešení problémů. Se zdokonalováním technologie umělé inteligence je pravděpodobné, že počítače budou schopny provádět širší škálu úkolů a činit složitější rozhodnutí.
Dalším možným vývojem je větší využití kvantových počítačů. Kvantové počítače využívají k provádění výpočtů principy kvantové mechaniky, což jim umožňuje pracovat mnohem vyšší rychlostí než tradiční počítače. To by mohlo vést k významnému pokroku v oblastech, jako je medicína, finance a věda o materiálech.
Kromě toho může dojít k další integraci počítačů do předmětů denní potřeby, jako jsou automobily, spotřebiče a oblečení. To by mohlo vést k vytvoření „chytrého“ prostředí, kde by předměty mohly vzájemně komunikovat a reagovat na lidské potřeby.
Celkově lze říci, že budoucnost počítačů bude pravděpodobně vzrušující a plná nového vývoje a inovací.
https://chat.openai.com/chat
Translated with www.DeepL.com/Translator (free version)