TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČR.
Kapitoly z dějin informatiky 2
Vývoj hardware ve 20. století
Michal Musílek
Centrum talentů MFI, Pedagogická fakulta UHK, Hradec Králové 2010
2
Obsah Předmluva .......................................................................................................................................................... 3
4 První elektromechanické a elektronické počítače........................................................................................ 4
4.1 Konrad Zuse a jeho elektromechanický počítač Z3 ............................................................................... 4
4.2 Atanasoff-Berry Computer (ABC) – první elektronický počítač ........................................................... 5
4.3 Colossus Mark 1 a 2 - britské kryptoanalytické počítače v tajné válce .................................................. 5
4.4 USA a Velká Británie v čele vývoje – počítače nulté a první generace ................................................. 8
4.5 Monstrum zvané ENIAC a jeho následovník EDVAC .......................................................................... 9
4.6 Generace počítačů ................................................................................................................................ 10
5 Analogové počítače, záznamová a sdělovací technika ................................................................................ 11
5.1 Mechanické a elektromechanické analogové počítače ......................................................................... 11
5.2 Operační zesilovač – základní konstrukční prvek analogových počítačů ............................................ 12
5.3 Analogové počítače a jejich použití, přednosti a slabiny ..................................................................... 13
5.4 Záznam zvuku a postupné splývání výpočetní a záznamové techniky ................................................. 15
5.5 Historie telegrafie a její vliv na počítačovou techniku ......................................................................... 16
5.6 Telegrafie a šifrování, šifra PlayFair .................................................................................................... 19
6 Historie počítačových periferií a pamětí ..................................................................................................... 21
6.1 Konzole – od elektrického psacího stroje k znakovému terminálu ...................................................... 21
6.2 Počítačové monitory CRT, vývoj grafických adapterů PC .................................................................. 23
6.3 Počítačové tiskárny, různé principů tisku, souřadnicové zapisovače ................................................... 24
6.4 Vývoj operační paměti počítačů ........................................................................................................... 25
3
Předmluva
Toto vyprávění o nejzajímavějších momentech historického vývoje informatiky vzniklo jako
studijní text pro nadané zájemce o informatiku (případně výpočetní techniku či matematiku) z řad
středoškolských studentů v rámci projektu Centrum talentů MFI Pedagogické fakulty Univerzity
Hradec Králové. Stejně dobře může posloužit i jejich učitelům pro zpestření výuky informatiky.
Historie informatiky nebo, chcete-li, výpočetní techniky začíná už v době starověkých civilizací
výpočetními pomůckami (abakus, čínské počítací hůlky) a pokračuje v novověku od dob renesance
dokonalejšími mechanickými kalkulátory buď digitálními (konstrukce Shickardova, Pascalova,
Leibnizova, Colmarova, Odhnerova), nebo analogovými (logaritmické pravítko), aby v 19. století
mechanická etapa vývoje vyvrcholila velkolepými projekty jednoúčelových počítačů – diferenčních
strojů, jež dokázaly automaticky počítat a tisknout tabulky matematických funkcí, a Hollerithových
děrnoštítkových systémů, jež dokázaly zpracovávat rozsáhlé relační databáze.
Masový rozvoj informačních technologií ovšem přichází až ve 20. století s elektronickými počítači
a rychlým zvyšováním jejich výkonu při současném zmenšování rozměrů. Proto je druhý díl kapitol
z dějin informatiky zcela zasvěcen elektronickým počítačům, jak číslicovým, tak analogovým,
včetně vstupních a výstupních (periferních) zařízení, jak se vyvíjely v minulém století. Zmíníme se
také o vzájemném ovlivňování výpočetní, záznamové a sdělovací techniky, které nakonec vedlo
k jejich současnému propojení. Protože ve 20. století se toho v dějinách informatiky událo opravdu
hodně, bude vývoji programovacích jazyků, operačních systémů, uživatelských rozhraní počítačů
a aplikačního software věnován samostatný 3. díl publikace.
Přeji vám, milí čtenáři, aby vás čtení kapitol z historie informatiky bavilo alespoň tak, jako mne
těšilo je pro vás psát.
V Hradci Králové v březnu 2010
Michal Musílek
4
4 První elektromechanické a elektronické počítače
4.1 Konrad Zuse a jeho elektromechanický počítač Z3
Tvůrcem prvního univerzálního (Turing kompletního) elektromechanického počítače byl německý inženýr
Konrad Zuse (1910 – 1995). Plně funkční a Luftwaffe prakticky používaný počítač Z3 dokončil roku 1941.
Svůj první počítač Z1 navrhl už v roce 1936 a jeho stavbu dokončil roku 1938. První nedokonalý model měl
kolíčkovou paměť na pouhých 16 čísel a byl poměrně poruchový. Na druhou stranu už tento první pokus
vykazoval pokrokovou koncepci, k níž patřilo uložení čísel ve dvojkové soustavě, aritmetika s plovoucí
desetinou čárkou, záznam programu na děrné pásce (jako médium byl použit 36 mm kinofilm). Tyto prvky
neměly některé pozdější stroje jiných konstruktérů. Druhý počítač Z2 už byl navíc o mnoho spolehlivější.
V pravou chvíli se k Zusemu připojil Helmut Shreyer a společným úsilím vyrobili
první Turing kompletní (univerzální) elektromechanický počítač Z3. Počítač byl
ihned využíván německým válečným letectvem, např. pro výpočty drah
balistických raket V2 či pro statistickou analýzu vibrací křídel letadel.
Relé bylo vynalezeno už 1835
J. Henrym. Jakmile cívkou
elektromagnetu 1 začne téct
elektrický proud, přítáhne
zmagnetované jádro 2 kotvu 3
a pákovým převodem sepne
pružné kontakty 4.
Obr. 47 Autoportrét Kondrada Zuse Obr. 48 Relé – schéma činnosti součástky
Hlavním konstrukčním prvkem elektromechanických počítačů bylo relé, spínací součástka, jejíž kontakt je
ovládán magnetickým polem cívky. Počítače, jejichž výpočetní a paměťové obvody obsahovaly relé, byly
nazvány elektromechanické. Stroje bez relé byly nazvány elektronické, jejich výpočetní obvody obsahují
pouze elektronické součástky (nejprve elektronky, později tranzistory a ještě později integrované obvody).
Zuse neznal Babbageovy práce, takže začínal
od nuly. Přesto byl jeho Z3 velmi dokonalý.
Jedinou koncepční chybou Z3 byla absence
podmíněného skoku. Místo výběru z variant
bylo nutné pomocí smyček vypočítat všechny
varianty a následně zahodit všechny nepotřebné
možnosti. Zuseho přínos k vývoji počítačů byl
celosvětově uznán až s určitým zpožděním.
Bezprostředně po skončení 2. světové války
mělo poražené Německo oslabenou pozici také
při prosazování v oblasti vědy a techniky.
Obr. 49 Funkční replika Z3, kterou sestavil K.
Zuse roku 1960, v Něměckém Muzeu v Berlíně
5
4.2 Atanasoff-Berry Computer (ABC) – první elektronický počítač
Zcela nezávisle na Zuseho výzkumech vznikl jen o rok později v USA první elektronický počítač.
Nebyl sice univerzální, nýbrž jednoúčelový, ale zato měl velmi elegantní konstrukci bez použití relé
a jeho rozměry byly dány velikostí běžného psacího stolu. Program byl dán napevno zapojením
hardware, tedy ABC nebyl vůbec programovatelný. Jeho úkolem bylo řešit soustavy n (n ≤ 29)
lineárních rovnic o n neznámých. Tvůrci počítače John Atanosoff (1903 – 1995) a jeho student
Clifford Berry (1918 – 1963) použili v roce 1942 mnoho originálních konstrukčních řešení. Např.
dynamickou kondenzátorovou paměť na otočném bubnu, či vypalování štítků elektrickou jiskrou
místo jejich děrování.
V roce 1997 byla na Iowa State University, tedy
na stejném místě, kde v roce 1942 vznikl originál,
po několika letech práce týmu nadšenců spuštěna
funkční replika ABC.
Již v roce 1973 byl rozsouzen patentový spor mezi
firmami Remington Rand a IBM, ve kterém se cítila
být na koni firma Remington Rand, které koupila
patentová práva na počítač od Johna Mauchlyho,
tvůrce prvního univerzálního amerického počítače
ENIAC.
Obr. 50 Funkční replika ABC
Závěr soudu v patentovém sporu byl jednoznačný. Prvním americkým elektronickým počítačem
nebyl ENIAC, ale ABC. Tvůrci ENIAC se inspirovali některými konstrukčními myšlenkami tvůrců
ABC. USA patent na elektronický počítač získal syn bulharského přistěhovalce John Atanasoff.
4.3 Colossus Mark 1 a 2 - britské kryptoanalytické počítače v tajné válce
Zatímco Německo používalo počítač Z3 při vývoji zbraní svého válečného letectva, snažila se
Velká Británie vyvinout tajnou zbraň, která by jí pomohla rozlomit šifry nepřítele a dovolila
získávat sledováním jeho radiové komunikace zpravodajské informace, nebo mu podsunout
dezinformace. Šlo především o dva šifrovací systémy. Známější rotorový šifrovací stroj Enigma,
který měl několik variant (jinou používaly pozemní síly, jinou letectvo a jinou námořnictvo),
a méně známý, ale dokonalejší šifrovací dálnopis Lorenz SZ40 / SZ42.
Rotorové šifrovací stroje různých konstrukcí používaly jak armády osy Berlín – Řím – Tokio, tak
spojenci. Konstrukcí na první pohled připomínaly spíš mechanické kalkulátory, o kterých jsme
hovořily v první kapitole. Uvnitř rotorů však byly spojovací vodiče, které důmyslně propojovaly
kontakty po jejich obvodu, a také vně rotorů byl systém vnějších vodivých spojení, který zajišťoval
skládání permutací daných rotory. Permutace, kterou vytvářel každý z rotorů se měnila při každém
jeho pootočení. Otáčení rotorů zajišťovala mechanická část stroje, vlastní zašifrování jednotlivého
písmene elektrická část. Šlo tedy o jednoúčelové elektromechanické zařízení.
6
Obr. 51 Rotorový šifrovací stroj Enigma (vlevo schéma zapojení z patentového spisu, uprostřed
celkový pohled na variantu pozemních sil Wehrmachtu s třemi rotory, vpravo schéma vnitřního
zapojení dvou rotorů vedle sebe, z něhož je patrný princip skládání permutací)
Enigmu vynalezl a dal si ji patentovat roku 1918 německý inženýr Athur Scherbius jako šifrovací
stroj pro civilní použití (k ochraně obchodního tajemství). Původní robustní konstrukci postupně
zjednodušoval. V roce 1925 si Wermacht objednal tajnou armádní verzi s jiným vnitřním zapojením
rotorů a přidaným propojovacím panelem, který radikálně zvýšil počet možných nastavení stroje
a ztížil případně luštění tajných zpráv. Již roku 1926 používá Wermacht Enigmu při manévrech pro
šifrování radiového spojení (radiotelegrafie užitím Morseovy abecedy), které odposlouchávají
a pečlivě zapisují polští radisté. Roku 1931 získala francouzská špionážní služba manuál k obsluze
Enigmy, přísně tajný dokument určený obsluze vojenského šifrovacího stroje. Kopii manuálu předá
svému spojenci – Polsku, aniž by si byla vědoma, jak obrovskou cenu pro něj může mít. Šifrovací
stroj Enigma byl v té době a ještě dalšího čtvrt století pokládán za nerozluštitelný, na čemž manuál
k obsluze (nikoliv přesná technická dokumentace s vnitřním zapojením rotorů) zdánlivě nemohl nic
změnit.
V polském Biuru Szyfrów od roku 1930 pracoval nadaný matematik, čerstvý absolvent Poznaňské
univerzity, Marian Rejewski (1905 – 1980), kterému se uplatněním kombinace matematických
a psychologických metod podařilo rozluštit vnitřní zapojení rotorů Enigmy. Následně se dvěma
kolegy ze studií rozpracovali metodiku umožňující pravidelné luštění německých šifrových zpráv.
V roce 1938 zkonstruoval stroj na automatické odhalování počátečního nastavení Enigmy pro
konkrétní zachycený šifrogram, který nazval bomba kryptologyczna. V roce 1939 ještě před
vypuknutím války předali dostupné informace pracovníkům britské a francouzské vojenské
rozvědky. Ve chvíli, kdy bylo Polsko napadeno uprchl spolu s dalšími kryptology do Francie, kde
7
luštili německé šifry a později do Velké Británie, kde se stal příslušníkem Polské zahraniční
armády. Fotografii z tohoto období vidíme na obr. 52.
Mezitím už v srpnu 1939 Velká Británie
začala budovat své tajné kryptoanalytické
centrum v Bletchey Park6. Členem týmu
a později šéfem oddělení pro luštění šifer
německého námořnictva byl Alan Turing.
Tento vynikající matematiky je znám nejen
díky praktickým úspěchům kryptoanalýzy,
ale také teoretickou koncepcí univerzálního
počítače (Turingův stroj) a návrhem testu,
kterým lze posoudit, zda se stroj chová
inteligentně (Turingův test).
Obr. 52 Marian Rejewski Obr. 53 Alan Turing
Alan Turing (1912 – 1954) sestrojil s využitím Rejewského zkušeností jednoúčelové počítače,
které dokázali velmi rychle (do dvou hodin) odhalit aktuální klíč pro daný zachycený kryptogram.
Podle Rejewského bomby kryptologyczne se jim říkalo Turingovy bomby. Protože zprávy
zachycené v jednom dni používaly stejné výchozí nastavení, znamenalo to prakticky plnou kontrolu
německé radiotelegrafické komunikace.
Zatímco Enigmu se dařilo zvládat s využitím
Turingových bomb relativně snadno, šifrovací
dálnopis Lorenz SZ40 / SZ42 byl tvrdším
oříškem. Radiodálnopis užívaly k šifrování
vyšší štáby německé armády, takže právě
rozluštění těchto zpráv mělo obrovský
strategický význam. Proti Lorenzům chtěli
odborníci z Bletchey Parku nasadit výkonný
programovatelný počítač. Zkonstruoval jej pro
ně inženýr Tommy Flowers (1905 – 1998)
z výzkumného ústavu britského ministerstva
pošt v roce 1943 (Colossus Mark 1) a 1944
(Colossus Mark 2).
Obr. 54 Turingova bomba
6 http://www.bletchleypark.org.uk/
8
Počítače Colossus Mark 1,2 byly elektronické
a své jméno si vysloužily i díky na svou dobu
„kolosálnímu“ počtu použitých elektronek –
1800 (v CM1), resp. 2400 (v CM2). Počítačů
CM2 bylo vyrobeno celkem 10 kusů a první
z nich byl nasazen do akcí Bletchey Parku už
od června 1944. Vojenští specialisté
odhadují, že práce kryptoanalytiků z Bletchey
Parku usnadnila otevření západní fronty
vyloděním v Normandii a zkrátila trvání
2. světové války v Evropě asi o 18 měsíců.
Obr. 55 Colossus Mark 2 a jeho operátorky
Všech 10 exemplářů CM2 bylo ihned po skončení války zničeno, aby se zachovalo vojenské
tajemství. Velká Británie pečlivě chránila už jen samotné tajemství leštitelnosti kódů Enigmy. Řada
států totiž po válce používala trofejní Enigmy pro šifrování vlastní komunikace, a tak britské tajné
služby získaly významnou výhodu. Také přínos jednotlivých osobností byl pečlivě tajen až do roku
1970. Rodina Tommyho Flowers věděla pouze, že za války pracoval na něčem tajném a důležitém.
Marian Rejewski vystoupil z ilegality až v roce 1973, kdy se začalo v západní Evrope hovořit
o přínosu Poláků k rozlomení Enigmy. Mnohem hůř však dopadl Alan Turing, který byl po válce
pronásledován kvůli homosexualitě, jež v té době ještě byla ve Velké Británii trestná. Příkoří velmi
špatně snášel a roku 1954 spáchal sebevraždu (snědl otrávené jablko).
Architektura počítačů CM2 odpovídala jejich určení. Programovaly se pomocí propojovacích
kabelů a přepínačů na ovládacím panelu. V roce 2007 byla dokončena spuštěna funkční replika
počítače Colossus Mark 2 v londýnském Národním muzeu výpočetní techniky.
4.4 USA a Velká Británie v čele vývoje – počítače nulté a první generace
Po ojedinělé průkopnické práci Konrada Zuseho převzaly iniciativu USA a Velká Británie, které
zkonstruovaly během 40. let a v první polovině 50. let dvacátého století většinu počítačů.
1941 Z3 (K. Zuse a H. Shreyer) univerzální elektromechanický binární Německo
1942 ABC (J. Atanasoff a C. Berry) jednoúčelový elektronický binární USA
1943 Colossus Mark 1 programovatelný elektronický binární Velká Británie
1944 Colossus Mark 2 programovatelný elektronický binární Velká Británie
1944 Harward Mark I univerzální elektromechanický BCD7 USA
1946 ENIAC (Mauchly a Eckert) univerzální elektronický BCD USA
1947 Harward Mark II univerzální elektromechanický BCD USA
1948 Manchester „Baby“ univerzální elektronický binární Velká Británie
1949 EDSAC univerzální elektronický binární Velká Británie
1949 Manchester Mark 1 univerzální elektronický binární Velká Británie
1949 CSIRAC univerzální elektronický binární Austrálie
7 BCD … binárně kódovaná desítková soustava.
9
První počítače používaly pro uložení čísel a výpočty s nimi buď binární číselnou soustavu, nebo
desítkovou soustavu, ovšem binárně kódovanou (BCD … binary coded decimal). Arichtektura
počítačů byla buď von Neumannova, nebo Harwardská. Tyto dvě architektury se liší uložením
programu a dat, které jsou ve von Neumanově uloženy ve společné operační paměti, zatímco
v Harwardské architektuře jsou separovány, tj. uloženy naprosto odděleně. První počítače také
neměly program uložený v operační paměti, ale programovaly buď se propojovacími kabely
a přepínači na ovládacím panelu (Colossus Mark 1 a 2, ENIAC), nebo četly instrukce programu
z děrné pásky a vykonávaly je krok za krokem (Z3 a Harward Mark I). Další již měly operační
paměť, do které ukládaly program. Operační paměti prvních počítačů byly založeny na velmi
rozdílných technických principech. Budeme se jimi zabývat v kapitole 6.
Pokud jde o hranici mezi 0. a 1. generací počítačů, je nezřetelná. Můžeme se dohodnout, že počítače
první generace musí splňovat následující podmínky:
1. být elektronické, nikoliv elektromechanické,
2. být programovatelné, nikoliv jednoúčelové,
3. být univerzální, tedy Turing kompletní.
Pak můžeme zhruba říct, že nultá generace odpovídá první polovině čtyřicátých let, zatímco první
generace druhé polovině čtyřicátých a první polovině padesátých let.
4.5 Monstrum zvané ENIAC a jeho následovník EDVAC
První počítač splňující všechny tři podmínky první generace byl ENIAC, tedy Electronic Numerical
Integrator And Computer. Tento počítač obsahoval ve svých obvodech 17 468 elektronek, 7 200
krystalových diod, 70 000 rezistorů, 10 000 kondenzátorů a 5 000 000 ručně pájených spojů. Jeho
celková hmotnost byla 27 000 kg a elektrický příkon 150 000 W. Podlahová plocha, na které stály
skříně s obvody byla 63 m2 a cena počítače 500 000 amerických dolarů.
Velká součástková a z ní plynoucí energetická náročnost byly do značné míry dány použitím
binárně kódované desítkové soustavy, což se projevilo v uspořádání operační paměti i aritmetické
jednotky počítače. Zkusíme-li porovnat ENIAC a EDVAC, na
kterém pracovala stejná dvojice šéfů konstrukčního týmu – John
Mauchly (1907 – 1980) a Presper Eckert (1919 – 1995),
zjistíme, že binární aritmetika a paměť potřebovali při
srovnatelném výpočetním výkonu pouze 6 000 elektronek a
1200 krystalových diod. Hmotnost počítače EDVAC byla 7 850
kg a podlahová plocha skříní 46 m2. Cena počítač měla být
původně také výrazně nižší, ale nakonec byla stejná – 500 000 $.
Obr. 56 P. Eckert a J. Mauchly
Operační paměť tohoto sálového počítače byla 5,5 kB, přesněji řečeno 1024 slov o délce 44 bitů,
zatímco tento text píšu na notebooku s operační pamětí 4 GB. Násobení dvou čísel trvalo 2900 μs.
10
Poradcem vývojového týmu byl John von Neuman (1903 – 1957), který
v „Prvním náčrtu zprávy o EDVAC“ popsal roku 1946 architekturu počítače,
která díky tomu dodnes nese jeho jméno. Zabýval se také teorií neuronových
sítí. Kromě informatiky byl úspěšný také v matematice jako spoluzakladatel
teorie her a ve fyzice v oblasti kvantové a jaderné fyziky.
Obr. 57 John von Neumann
Obr. 58 Von Neumannovo schéma arichtektury počítače
Typické je použití společné paměti pro program a data,
které je z mnoha důvodů výhodnější než jejich separace.
Stejnou architekturu mají i současné osobní počítače.
4.6 Generace počítačů
Vývoj sálových počítačů probíhal velmi rychle. Souběžně s rozvojem součástkové základny šel
vývoj softwarového vybavení. Nebudeme se podrobně zabývat vývojem technických parametrů,
protože bychom se ztratili v záplavě údajů. Jen si připomeneme, jak se zpravidla definují generace
počítačů.
Podle součástkové základny
1. generace … elektronky
2. generace … tranzistory
3. generace … integrované obvody
4. generace … obvody s vysokým stupněm integrace; mikroprocesory
Podle pokroku v softwarovém vybavení
1. generace … strojový kód počítače
2. generace … jazyky symbolických adres, assemblery
3. generace … vyšší programovací jazyky, operační systémy
4. generace … aplikační software dostupné na úrovni uživatele
11
5 Analogové počítače, záznamová a sdělovací technika
5.1 Mechanické a elektromechanické analogové počítače
V době vynálezů prvních mechanických kalkulátorů, tedy v první polovině 17. století, vznikla
současně mnohem jednodušší výpočetní pomůcka – logaritmické pravítko. Už tehdy by se dala
výpočetní technika s trochou nadsázky rozdělit na digitální (s ostře oddělenými stavy počítacího
mechanismu) a analogovou (se spojitou logaritmickou stupnicí). Při počítání na logaritmickém
pravítku máme dvě platné číslice vyznačené na stupnici čárkami, ale třetí už zpravidla pouze
odhadujeme a zaokrouhlujeme výsledek posunutí stupnic vůči sobě, či jezdce. Výpočty tedy nejsou
ideálně přesné, ale pro rychle inženýrské propočty zůstalo logaritmické pravítko vynikající
pomůckou až do sedmdesátých let 20. století.
Analogové výpočetní systémy založené na mechanickém principu se
objevovaly v 19. století. Jeden z nich navrhl roku 1836 francouzský
přírodovědec Gaspard-Gustave de Coriolis (1792 – 1843), přístroj
dokázal řešit jednoduché diferenciální rovnice I. řádu. Princip
diferenciálního analyzátoru vyvinul roku 1876 fyzik James Thomson
(1822 – 1892), bratr slavného Williama Thomsona, lorda Kelvina.
Princip pak byl používán ve vojenství, konkrétně v systémech řízení
dělostřelecké palby, ale plnohodnotný univerzální analogový počítač
byl sestaven až Vannevarem Bushem. Mechanické části byly
ovládány a poháněny elektromotory, takže i zde jde o krok od čistě
mechanického stroje k elektromechanickému počítači.
Obr. 59 James Thomson
Tak se v první polovině 20. století objevují vedle digitálních
(číslicových) počítačů také počítače analogové. Inspirován
principy Jamese Thomsona se zabýval Vannevar Bush
(1890 – 1974), konstrukcí elektromechanického diferenc.
analyzátoru od roku 1927. Výsledkem jeho práce byl první
prakticky použitelný analogový počítač, který dokázal řešit
diferenciální rovnice až s 18 nezávislými proměnnými
veličinami. Zprávu o počítači publikoval Bush v roce 1931.
Obr. 60 Vannevar Bush
V období 2. světové války měl Vannevar Bush velký vliv na prezidenta Franklina D. Roosevelta
a koordinoval vědecko-výzkumné práce pro americký vojenský výzkum. Mimo jiné rozběhl projekt
vývoje atomové bomby. Koncem války navrhl stavbu elektronického analogového počítače, ale sám
se již této problematice nevěnoval. Mezitím již spatřil světlo světa základní stavební kámen všech
elektronických analogových počítačů.
12
5.2 Operační zesilovač – základní konstrukční prvek analogových počítačů
V roce 1941 byl v USA patentován první operační zesilovač Karlem D. Swartzelem z Belových
laboratoří. Tento zesilovač ještě neměl všechny později obvyklé vstupy. Název operační zesilovač
dal až v roce 1947 speciálnímu elektronickému obvodu prof. John R. Ragazzini z Kolumbijské
univerzity, který také definoval požadavky na obvod vhodný k výpočtům. Jeho student Loebe Julie
ve stejné době navrhl univerzálnější zapojení, které je v podstatě používáno dodnes.
Jaké tedy jsou požadované vlastnosti ideálního operačního zesilovače:
1. nekonečně velké napěťové zesílení,
2. nekonečně velký vstupní odpor,
3. nulový výstupní odpor,
4. nulové výstupní napětí, pokud jsou napětí na obou vstupech stejná,
5. nulové zpoždění signálu procházejícího zesilovačem,
6. nekonečně velká šířka pásma (nezávislost na frekvenci změn vstupního napětí),
7. nulový šum a nezávislost parametrů na teplotě.
Z uvedeného výčtu je jasné, že skutečný operační zesilovač se může
idealizovaným požadavkům pouze blížit. Pro běžné potřeby výpočtů
a modelování pomocí analogových počítačů však splňují vyráběné operační
zesilovače od začátku jejich výroby požadavky velmi dobře. Vyhovují tedy
účelu, pro který byly navrženy.
Součástková základna operačních zesilovačů se vyvíjela podobně jako
u číslicových počítačů. První byly elektronkové, další tranzistorové
a nakonec integrované obvody. Integrovaný operační zesilovač obsahuje
řádově 20 tranzistorů a další elektronické prvky zapouzdřené buď v malém
kovovém válcovém pouzdru, nebo v plastovém pouzdru tvaru kvádru.
Obr. 61 Operační zesilovač v „hrníčkovém“ pouzdru
Operační zesilovač má vždy dva vstupy (invertující – a neinvertující +) a jeden výstup. Další tři
kontakty (nožičky) slouží k připojení symetrického napájecího napětí a společné nuly (uzemnění).
Operační zesilovač pak podle zapojení vnějších součástek může plnit různé funkce a realizovat
různé matematické operace.
Obr. 62 Operační zesilovač v plastovém pouzdře
Velikost pouzdra u nejmodernějších typů operačních zesilovačů
je ještě menší než u hrníčkového provedení. Integrované obvody
zalité v černém plastů s dvěma rovnoběžnými řadami kontaktů
(nožiček) bývají slangově nazývány šváby.
13
Příklady zapojení s operačními zesilovači v analogových počítačích:
Invertující zesilovač Neinvertující zesilovač Komparátor
Derivující zesilovač Integrující zesilovač Sčítací zesilovač
Obr. 63 Příklady zapojení s operačními zesilovači
Všimněme si na obr. 63, že v zjednodušených schématech zapojení s operačními zesilovači se zcela
vynechávají vodiče, které přivádějí napájecí napětí. Ve skutečném zapojení je pochopitelně
vynechat nesmíme. Z ukázek zapojení je vidět, že analogové počítače obsahovaly nejen moduly,
které umí sčítat, odčítat, násobit konstantou, invertovat (otáčet polaritu napětí, tedy znaménko), ale
také derivovat a integrovat. Místo rezistorů s pevně daným odporem se mohly používat proměnné
odpory (potenciometry) a tak měnit kvantitativní nastavení zapojeného výpočetního obvodu.
5.3 Analogové počítače a jejich použití, přednosti a slabiny
Analogové počítače byly poměrně široce používány vedle číslicových počítačů v 50., 60. a 70.
letech dvacátého století. V Československu se od počátku 60. let vyráběly počítače MEDA (malé
elektronické diferenciální analyzátory), a to v pražském podniku ZPA Vysočany. Umožňovaly řešit
nelineární diferenciální rovnice až 12. řádu (typ MEDA 81T až 24. řádu).
Obr. 64 Analogový počítač MEDA
Analogové počítače se nejčastěji programovaly propojováním
jednotlivých funkčních bloků vodiči. Pro lepší orientaci byly
zdířky na ovládacím a propojovacím panelu barevně rozlišeny.
Výpočetní moduly jednotlivých typů (viz obr. 63) bylo možné
vyměňovat zasouváním do připravených slotů. Výstup výpočtu
se většinou graficky zobrazoval pomaloběžným osciloskopem
nebo zakresloval pomocí analogového plotteru (souřadnicového
zapisovače). Počítače MEDA byly vyráběny v elektronkové
a později i v tranzistorové verzi (u níž bylo písmeno T součástí
typového označení).
14
Analogové počítače byly používány k matematickým výpočtům (řešení diferenciálních rovnic),
simulacím fyzikálních dějů pomocí analogií, řízení trenažérů a reálných technologických procesů
(regulace a automatizace). K posledně jmenovanému účelu, tj. v regulační a automatizační technice,
se využívají zapojení s operačními zesilovači i v současnosti. I z tohoto posledního ostrůvku je však
vytlačuje číslicová technika.
Jak je možné, že analogové počítače se slibně rozvíjely až do 70. let minulého století, ale pak rychle
ustoupily číslicové konkurenci? Bylo to pravděpodobně s nástupem relativně levných osmibitových
domácích počítačů, které šlo jednoduše ovládat – programovat ve vyšším programovacím jazyce
(nejčastěji BASIC). Tím analogové počítače ztratily hlavní dvě výhody proti číslicovým – nízkou
cenu a jednoduché programování.
Jaké bylo srovnání číslicových a analogových počítačů ve vysokoškolských skriptech8 z roku 1976:
Číslicové počítače Analogové počítače
Kód Pracují s diskrétními čísly Pracují s fyzikálními veličinami,
které se mění spojitě
Použitelnost Jsou univerzální, hodí se pro řešení
téměř všech úloh
Většinou jsou specializované, hodí se
pro řešení určitých úloh
Programování Složité – je třeba školených
programátorů
Jednoduché – jsou pomůckou
inženýrů a výzkumíků
Přesnost Neomezená – záleží na počtu
použitých míst
Menší (řádově 1%), vystačí ale
pro inženýrské výpočty
Cena Dražší – záleží na složitosti Levnější – stoupá neúměrně
se zvyšováním přesnosti
Údržba Složitá a drahá Jednoduchá a levná
Rychlost Až na malé výjimky neřeší úlohy
v reálném čase
Řeší úlohy v reálném čase, rychleji
i pomaleji
Tabulka 1 Srovnání vlastností číslicových a analogových počítačů v 70. letech 20. století
Kód zde představuje typ uložení dat a způsob práce s nimi. Nezměnil se, stejně jako použitelnost
a přesnost. Ve všech ostatních ohledech však číslicové počítače udělaly od 70. let obrovský pokrok.
Programování číslicových počítačů je na začátku 21. století o něco jednodušší a uživatelské využití
mnohonásobně jednodušší než tomu bylo u analogových počítačů. Cena ve velkých sériích
vyráběných osobních počítačů je učinila dostupné jednotlivcům, údržba je relativně jednoduchá
a levná a rychlost se zvýšila natolik, že běžně umožňuje řešit úlohy v reálném čase, nebo využívat
číslicovou techniku k regulaci a automatizaci a k řízení reálných technologických procesů.
8 Josef Haška. Počítače a programování – II. Analogové počítače. 1. vyd. Brno: VUT, 1976
15
5.4 Záznam zvuku a postupné splývání výpočetní a záznamové techniky
Historie záznamu zvuku je zajímavou ukázkou vývoje od mechanického přes elektromechanický až
k elektronickým principům, ukázkou přechodu od analogových k digitálním formátům a ukázkou
postupné miniaturizace a zvyšování hustoty záznamu. Na konci uvedené cesty se na stejné nosiče
(média) zapisuje jak zvuk, tak počítačová data v principiálně stejných zařízeních a tak se v podstatě
záznamová technika stává jedním z typů strojů na zpracování informací, „postaru“ řečeno počítačů.
Prví přístroj pro mechanický záznam zvuku na válečky pokryté vrstvou vosku roku 1877 vynalezl
Thomas Alva Edison (1847 – 1931) a o rok později si jej nechal patentovat pod názvem fonograf.
Doba záznamu byla zhruba 2 min a každý záznam byl originálem, nebyla vyřešena výroba kopií.
Mechanický gramofon nezávisle na něm roku 1888 zkonstruoval jiný americký vynálezce, který se
však narodil v Berlíně, Emile Berliner. Původní gramofon byl čistě mechanické zařízení, jehož
pohon obstarával ručně natahovaný hodinový mechanismus (na pero) a zvuk byl přenášen z drážky
na desce na membránu reproduktoru. Délka záznamu byla 4 min a desky bylo možné mechanicky
kopírovat – vyrábět ve velkých sériích. Zdokonalení přinesl později elektrický pohon a elektronické
zesilování zvuku. První přístroje měly rychlost otáčení 78 ot./min. Pozdější „singly“ (SP desky
s jednou písničkou na každé straně, průměr disku 17 cm) rychlost 45 ot./min a „elpíčka“ (LP, tj.
long play desky, které měly kapacitu cca 45 min záznamu a průměr disku 30 cm) rychlost 33,3
ot./min. Stereofonní záznam hudby byl vyřešen se zpětnou kompatibilitou, takže stereo desky bylo
možné přehrávat (byť jen monofonně) i na starších typech přehrávačů.
Vedle mechanického záznamu zvuku se souběžně vyvíjel záznam magnetický. První magnetofon
sestrojil v roce 1899 dánský inženýr Valdemar Poulsen (1869 – 1942). Zvuk se zaznamenával
na ocelový drát, magnetofonová páska přišla až později. První přístroj také neobsahoval zesilovač
(první zesilovací elektronka – trioda – byla sestrojena až roku 1906), přesto bylo možné záznam
zřetelně poslouchat pomocí sluchátek. Rozvoj magnetického záznamu umožnil vynález magnetické
pásky Fritzem Pfleumerem (1881 – 1945) roku 1926 a prstencové záznamové a čtecí hlavy
Eduardem Schüllerem (1904 – 1976) roku 1933. Pro ukládání počítačových dat byla magnetická
páska použita poprvé v roce 1951 u počítače UNIVAC I. K tomuto počítači bylo možné připojit až
10 magnetopáskových jednotek UNISERVO, použitá hustota záznamu dat byla 128 bitů na palec
a přenosová rychlost byla 7200 znaků za sekundu (znak byl zaznamenán paralelně v osmi stopách).
Pro záznam dat byl v roce 1951 poprvé použit stejný princip jako pro záznam zvuku, ale detaily
technického řešení byly jiné. U magnetopáskových datových jednotek se používaly širší pásky,
zaznamenávající současně 8 rovnoběžných stop a protože pohyb pásky přes hlavu při záznamu
i čtení nebyl plynulý, ale trhaný, byly mezi hlavou a oběma cívkami udržovány smyčky pásky
pomocí podtlaku vzduchu udržovaného vývěvou. Minimální a maximální délka smyček byly
kontrolovány pomocí dvou světelných závor. Na dobových filmech, které obsahují záběry
z výpočetního střediska, bývají magnetopáskové jednotky vděčnými objekty, protože je na nich
vidět technologická vyspělost a nezávislost pohybů pásky, odvíjející se a navíjející se cívky působí
zajímavě.
16
Pro snadné přenášení malých objemů dat nebyla magnetická páska, navinutá na masivních cívkách,
příliš vhodná. Proto byly vyvinuty ploché pružné plastové disky s nanesenou magnetickou vrstvou,
na které se zaznamenávala data na stopy v podobě systému soustředných kružnic. Anglický název
floppy disc (pružný disk) vychází právě z pružnosti disku i obálky, ve které byl uložen. První
diskety firmy IBM z roku 1967 měly průměr 14 palců (356 mm). Další z roku 1971 měly průměr 8
palců (203 mm) a kapacitu nejprve 160 kB, později až 1 MB. U osobních počítačů typu IBM PC
byly používány diskety s průměrem 5¼ palce (133 mm) od roku 1976 a 3½ palce (89 mm) od roku
1984 s kapacitami od 360 kB (první 5¼) do 2,88 MB (maximum u 3½). Ve druhé polovině 90. let
byly po krátkou dobu populární velkokapacitní diskety, z nichž nejznámější byl asi Iomega ZIP,
uvedený na trh v roce 1994 s kapacitou 100 MB při rozměru disku 3½ palce. Od přelomu tisíciletí
se postupně diskety přestávaly používat a byly zcela nahrazeny levnějšími a spolehlivějšími
optickými disky.
Další vývoj principu gramofonu šel cestou miniaturizace a digitalizace. Místo vyrývání ostrým
hrotem jehly je záznam vypalován do citlivé vrstvy paprskem laseru, záznamová spirála se neodvíjí
od okraje ke středu, ale naopak od středu k okraji. Standard umožňuje jak výrobu lisovaných disků,
tak individuální vypalování na k tomu určená média. Dohodu o společném standardu uzavřely firmy
Philips a Sony v roce 1980 a již roku 1982 byl vydáno v Hannoveru první lisované CD s nahrávkou
Alpské symfonie Richarda Strausse (1864 – 1949). Vzhledem k tomu, že hudba je před vypálením
na CD digitalizována, byla stejná média vzápětí používána také pro záznam dat jako tzv. CD-ROM
(Compact Disc Read Only Memory). Délka spirály na CD je zhruba 6 km, protože odstup stop je
pouhých 1,6 μm. Ještě jemnější drážku a vyšší hustotu záznamu používají novější disky založené
na principiálně podobném optickém záznamu – DVD a Blue Ray. Rychlost otáčení optických disků
není konstantní, ale mění se podle okamžitého poloměru záznamové stopy tak, aby rychlost posunu
stopy vzhledem k laserovému paprsku byla konstantní, přičemž pro záznam a čtení dat se používají
násobky původní rychlosti pro zvukový záznam.
5.5 Historie telegrafie a její vliv na počítačovou techniku
Systémy pro rychlé sdělování existují už v prvobytně pospolné společnosti. Vzpomeňme si na ohně
a kouřové signály indiánů nebo bubny afrických domorodců – tamtamy. Ve starověkém Římě byly
používány k signalizaci hořící pochodně. Z této doby se také dochoval jeden z prvních kódovacích
systémů, nazývaný Polybiův čtverec podle starověkého řeckého politika a historika Polybia (asi
203 př.n.l. – asi 120 př.n.l.), který jej popsal ve svých Dějinách. Signalizující voják vyjádřil počtem
pochodní v levé ruce číslo řádku a počtem pochodní v pravé ruce číslo sloupce ve čtvercové
kódovací tabulce a tím vyjádřil vždy jedno písmeno zprávy.
Každé písmeno je vyjádřeno dvojicí číslic (od 1 do 5). Polybiův čtverec lze použít jak ke kódování,
jestliže do tabulky zapíšeme 25 písmen mezinárodní (anglické) abecedy v běžném abecedním
pořadí (jedno z 26 písmen musíme vynechat, pro české texty vynecháváme nejčastěji Q), tak také
k šifrování, jestliže do prvního, nebo prvních dvou řádků zapíšeme nejprve dohodnuté heslo a pak
teprve zbývající písmena v abecedním pořadí.
17
1 2 3 4 5 Každé písmeno je zakódováno dvojicí
písmen. Např. slovo KOSTEL kódujeme
jako 31 35 43 44 15 32.
Pokud budeme šifrovat pomocí hesla
„Hradec Králové“ dostaneme šifrový text
22 24 44 45 15 23 (22244 44515 23000).
1 2 3 4 5
1 A B C D E 1 H R A D E
2 F G H I J 2 C K L O V
3 K L M N O 3 B F G I J
4 P R S T U 4 M N P S T
5 V W X Y Z 5 U V W Y Z
Tabulka 2 Polybiův čtverec (kódovací a šifrovací tabulka)
První optický telegraf spolehlivě a rychle fungující za denního světla navrhl
francouz Claude Chappe (1763 – 1805) a první ukázkovou stanici (věž)
vybudoval se svými čtyřmi bratry a veřejně předvedl poslancům Národního
konventu roku 1792.
Na radu přítele o rok později pojmenoval své
zařízení telegraf a v roce 1794 byla dobudována
první telegrafní linka Paříž – Lille s 15 stanicemi
ve vzdálenostech od 12 do 25 km od sebe.
Obsluha každé stanice předávala zprávu s malým
zdržením, přesto se zpráva šířila rychlostí větší
než 100 km/h. Chappeův optický telegraf byl
ve Francii používán až do roku 1852.
Obr. 65 Chappeův optický telegraf Obr. 66 Chappe předvádí telegraf konventu
Jiný systém optického telegrafu navrhl ve stejné v době angličan lord George Murray. Šest velkých
kruhových otvorů (terčů) ve dvou řadách po třech mohlo být buď zakryto, nebo odkryto. Tento
systém tedy používal binární kódování předávaných znaků. Už na konci 18. století tedy používala
telegrafie dvojkové kódování znaků, které později nacházíme u číslicových počítačů. Některé
ze signálů (znaků) Murrayova systému si můžeme přiblížit pomocí světelných signálů pro tramvaje.
Obr. 67 Světelné signály pro tramvaje
18
Všech signálů pro tramvaje je ovšem jen 7, zatímco 2 řady po 3 terčích umožňují celkem 26 = 64
kombinací. Zajímavé je, že matici šesti bodů ve dvou řadách po třech používá také Braillovo písmo.
Po éře optických telegrafů nastupují telegrafy s přenosem elektrických signálů kovovými vodiči.
Zobrazení znaků přijímačem je založeno nejčastěji na elektromagnetickém principu. Mezi jinými
systémy vynikl jednoduchostí a spolehlivostí systém navržený amerických malířem a vynálezcem
Samuelem Morse (1791 – 1872), který se začal myšlenkami na telegraf zabývat roku 1832 a patent
na základě fungujícího prototypu získal roku 1837. První telegrafní linka Washington – Boltimore
byla postavena 1844 a pak už se nový vynález rychle šířil a úspěšně prakticky využíval. Namátkou
uveďme některé zřizované linky: 1846 Vídeň – Brno; 1847 Vídeň – Praha; 1851 Callais – Dover;
1866 Evropa – Amerika. Značky se nejprve psaly na papírovou pásku, později byl zápis nahrazen
zachycováním značek sluchem (tzv. klapáky), což vedlo ke zrychlení provozu. V devadesátých
letech 19. století byla Morseova abeceda využita v radiotelegrafii, což umožnilo především spojení
s loděmi na vzdálenost desítek až stovek kilometrů. Radiotelegrafie je sice v principu binární, ale
nemá standardizovanou rychlost vysílání ani synchronizační signály nutné k automatickému příjmu,
proto se do světa číslicových počítačů nehodila.
Krokem k výpočetní technice byla tzv. postupná telegrafie
francouzského vynálezce Émile Baudota (1845 – 1903),
patentovaná roku 1874. Šlo o multiplexní systém se sdílením
času, kdy se na jedné lince střídalo pět kanálů pro přenos
zpráv. Operátoři museli pracovat v pravidelném rytmu, který
byl dán systémem. Vysílaný znak zakódovali stiskem pěti
kláves (z nichž dvě ovládali prsty levé ruky a tři prsty pravé
ruky). Klávesy zůstaly stisknuté po dobu, než se vystřídaly
další telegrafní přístroje v multiplexu, a pak se automaticky
uvolnily a tím daly signál, že je možné zakódovat další znak.
Obr. 68 Princip Baudotovy telegrafie
Synchronizaci rozdělovačů zajišťovaly synchronizační impulsy, vysílané na začátku a na konci
každého pětibitového znaku. Počet znaků 25 = 32 pokryje celou mezinárodní abecedu (26 písmen),
ale nikoliv také číslice, byly zavedeny 2 speciální znaky pro změnu na číslice a změnu na písmena.
Další rozvoj Baudotovy telegrafie znamenalo zavedení pětistopé děrné pásky roku 1897. Telegrafní
zprávy se pak vyděrovaly předem v off-line režimu a odesílání zprávy probíhalo zcela automaticky.
Revolucí v telegrafii pak byla symbióza Baudotova telegrafu a elektrického psacího stroje, díky níž
vznikl dálnopis (angl. teletipe … TTY). První komerční dálnopisná linka byla zřízena mezi New
Yorkem a Bostonem v roce 1910. Dálnopis se pak velmi rychle rozšířil, takže po první světové
válce byly dálnopisy ve všech redakcích novin, velkých závodech, obchodech a úřadech.
Není divu, že dálnopis a elektrický psací stroj se zařadily mezi první periferní zařízení počítačů.
Baudotův telegrafní kód se stal základem budoucích počítačových kódů ASCII a EBCDIC a dosud
používané sériové rozhraní RS-232 je možné ze základního osmibitového režimu přepnout do TTY
režimu s přenosem znaků v Baudotově kódu.
19
5.6 Telegrafie a šifrování, šifra PlayFair
Od 40. let devatenáctého století s rozvojem veřejných telegrafních stanic vyvstala naléhavá potřeba
ochrany obsahu soukromých telegrafních zpráv. Té bylo možné dosáhnout jedině šifrováním zpráv.
O šifrování náhle projevila zájem řada obchodníků a podnikatelů, kteří potřebovali udržet v tajnosti
obchodní informace před konkurencí a současně využít telegrafickou rychlost předávání zpráv. Této
potřebě vyhověl Francis Ormand Jonathan Smith (1806 – 1876), propagátor Morseova telegrafu
a spoluinvestor první telegrafní linky, který roku 1845 vydal komerční telegrafní kód pod názvem
The Secret Corresponding Vocabulary; Adapted to Morse’s Electro-Magnetic Telegraph (Slovník
tajného dopisování upravený pro použití ve spojení s Morseovým elektromagnetickým telegrafem).
Po tomto průkopnickém činu následovalo vydání desítek obdobných slovníků, které kódy označily
celá často používaná slova a dokonce i často užívané věty. Důvodem byla zejména snaha ušetřit
na telegrafních poplatcích. Telegrafní poplatky byly zpravidla účtovány podle počtu slov ve zprávě.
V kódovaném či šifrovaném textu však není možné počet slov objektivně posoudit. Proto ve stejné
době vznikl úzus psát zašifrované zprávy do skupin o pěti znacích.
Jen o pár let později vznikaly také důmyslné šifrovací systémy, vhodné pro šifrování telegrafních
zpráv. Jedním z nejznámějších je šifra PlayFair, kterou navrhl v roce 1854 všestranný britský vědec
Charles Wheatstone (1802 – 1875). Jméno však dostala podle jeho přítele a velkého propagátora
této šifry, přírodovědce, poslance britského parlamentu Lyon Playfaira (1818 – 1898), skotského
barona. Bez jeho politického vlivu by se použití šifry nepodařilo prosadit. Osobně přesvědčoval
o jejích kvalitách kolegy poslance a významné britské státní představitele, i když ne vždy se mu to
dařilo. Je známo, že ministr zahraničních věcí odmítl šifru jako příliš složitou s odůvodněním, že
britští diplomaté se něco tak komplikovaného nikdy nenaučí. My se ji ale naučíme!
Před šifrováním celý text přepíšeme pomocí bigramů (tj. dvojic písmen). Budeme-li šifrovat větu:
„Komu není shůry dáno, v apatyce nekoupí“, přepíšeme ji pomocí bigramů takto:
KO MU NE NI SH UR YD AN OV AP AT YC EN EK OU PI.
Pokud by vznikl bigram složený ze dvou stejných písmen, musíme jej nahradit dvojicí bigramů tak,
že za první písmeno napíšeme W a za druhé X (volíme písmena, která se v českých textech téměř
nevyskytují). Pokud by byl počet písmen zprávy lichý, doplníme na konec zprávy písmeno X. Tedy
šifrujeme-li větu „Přátelé Evy Poddané mají rádi brazilskou kávu“, získáme bigramy:
PR AT EL EW EX VY PO DW DX AN EM AJ IR AD IB RA ZI LS KO UK AV UX.
Dále si musíme připravit šifrovací tabulku, kterou zkonstruujeme podobně jako Polybiův čtverec,
ovšem s tím rozdílem, že nepotřebujeme záhlaví s číslicemi 1 až 5. Nejprve do tabulky zapíšeme
písmena dohodnutého hesla, s tím, že žádné písmeno se nesmí v tabulce opakovat. Zbývající volná
pole vyplníme ostatními písmeny mezinárodní abecedy, kromě písmene Q (pokud by se vyskytlo
v šifrovaném textu, nahradili bychom ho písmenem K). Pro naše dva příklady použijeme heslo
„Hradec Králové“, to znamená, že do tabulky postupně zapíšeme písmena H, R, A, D, E, C, K, L,
O, V, B, F, G, I, J, M, N, P, S, T, U, V, W, X, Y, Z.
20
H R A D E H R A D E H R A D E H R A D E
C K L O V C K L O V C K L O V C K L O V
B F G I J B F G I J B F G I J B F G I J
M N P S T M N P S T M N P S T M N P S T
U W X Y Z U W X Y Z U W X Y Z U W X Y Z
Tabulka 3 Šifra PlayFair – konstrukce šifrovací tabulky z hesla a příklady šifrování bigramů
Máme-li připravené bigramy i tabulku, můžeme začít šifrovat. Při šifrování mohou nastat tři situace.
Obě písmena bigramu jsou buď ve stejném řádku, ve stejném sloupci, nebo je každé z nich v jiném
řádku i jiném sloupci. Podle toho, který z případů nastane, volíme konkrétní pravidlo:
1) Pokud leží obě písmena ve stejném řádku, je každé písmeno bigramu nahrazeno písmenem
ležícím v tabulce vpravo od něj. Poslední písmeno v řádku se nahradí prvním písmenem
téhož řádku.
2) Pokud leží obě písmena ve stejném sloupci, je každé písmeno bigramu nahrazeno písmenem
pod ním. Je-li písmeno v posledním řádku je nahrazeno prvním písmenem téhož sloupce.
3) Pokud je každé z písmen v jiném řádku a sloupci, je každé písmeno bigramu nahrazeno
písmenem nacházejícím se v průsečíku jeho vlastního řádku a sloupce obsahujícího druhé
písmeno bigramu.
V tabulce 3 vidíme nejprve konstrukci šifrovací tabulky z daného hesla „Hradec Králové“ a za ní
hned ukázku šifrování prvních tří bigramů. Písmena bigramu KO (zelená pole) leží ve stejném
řádku, proto je nahradíme písmeny vpravo od nich, tedy LV (žlutá pole). Další dvojice písmen leží
v jednom sloupci, nahrazují se směrem dolů. Písmeno U je poslední v daném sloupci, takže se
nahradí prvním písmenem ve stejném sloupci, tedy H. Třetí dvojice nemá společný ani řádek ani
sloupec. Představíme si v duchu obdélník s dvěma protějšími vrcholy v šifrovaných písmenech NE,
pak hledaná písmena leží ve zbývajících vrcholech obdélníka, vždy ve stejném řádku, ve kterém je
nahrazované písmeno.Třetí bigram tedy zašifrujeme jako TR. Celá první zpráva pak bude zapsána
do bigramů:
LV UH TR SF MD WH DO RP VC LX PE UO RT RV CY SG.
A po přepsání do pětimístných skupin:
LVUHT RSFMD WHDOR PVCLX PEUOR TRVCY SG.
Stejnou metodou zašifrujeme také druhou zprávu – větu „Přátelé Evy Poddané mají rádi brazilskou
kávu“. Výsledný šifrový text je:
NAEPA VRZAZ OZSLR YAYRP HTEGF DDEJF ADYJO PLVWC ELWY.
Dešifrování probíhá podobným způsobem. V pravidle 1) zaměníme slova „vpravo od něj“ za „vlevo
od něj“, v pravidle 2) slova „pod ním“ za „nad ním“ a pravidlo 3) zůstane beze změny. Zkuste sami
dešifrovat následující zprávu, abyste si ověřili, že je vám systém PlayFair zcela jasný:
FAEPX CZBFO YMTAT PHTYH DTJGD KLESF.
21
6 Historie počítačových periferií a pamětí
6.1 Konzole – od elektrického psacího stroje k znakovému terminálu
První počítače používaly jako konzole (vstupně-výstupní zařízení pro komunikaci člověk – stroj)
dálnopis nebo elektrický psací stroj. Počítače EDSAC, CSIRAC a Manchester Mark 1 v roce 1949
používaly dálnopis včetně možností vstupu z pětistopé děrné pásky i výstupu na děrovač pásky.
Počítač UNIVAC I používal psací stroj Remington. I když od té doby uteklo dost času, stále ještě
máme v kódové sadě ASCII9 znaky CR (carriage return … návrat vozíku) a LF (line feed … posun
o řádek).
První elektrické psací stroje vyráběla roku 1902 firma Blickensderfer Manufacturing Company
ve Stamfordu. Spojením s Baudotovým telegrafem vznikl dálnopis (angl. teletipe … TTY). První
komerční dálnopisná linka byla zřízena mezi New Yorkem a Bostonem v roce 1910. V Evropě byla
zřizována veřejná dálnopisná síť Telex od roku 1935 (účastníci se spojovali volbou čísla podobně
jako v telefonní síti) a fungovala po celé dvacáté století. Klávesnice dálnopisu se podobá klávesnici
psacího stroje, ale je jednodušší. Obsahuje jen klávesy s písmeny mezinárodní abecedy, mezerník
a klávesy změny na číslice a změny na písmena.
Čtečky a děrovače děrné pásky, které byly součástí dálnopisů používaly pětistopou děrnou pásku
a brzy začaly být pro počítače pomalé. Proto se jako konzole počítačů začaly používat elektrické
psací stroje a čtečky a děrovačky pásky se osamostatnily a začaly používat širší osmistopou děrnou
pásku. Nevýhodou psacích strojů zůstávala omezená sada znaků a značná hlučnost. Částečné tento
problém řešily moderní konstrukce, např. slavný psací stroj IBM s kulovou hlavou. Tiskl jednotlivé
znaky natáčením a nakláněním hlavy, takže výměnou hlavy bylo možné měnit použitou znakovou
sadu (např. azbuku místo latinky) i tvar a velikost tištěných písmen (font). Elegantnějším řešením
však byly teprve terminály, které místo tisku zobrazovaly znaky na obrazovce podobné televizní.
První terminály byly řádkové, takže kopírovaly funkčnost
dálnopisů a elektrických psacích strojů. Výstup mohl rolovat,
tj. po zaplnění obrazovky se všechny řádky posunuly nahoru
a další výstup šel na poslední řádek. Ujíždějící řádky pak
připomínaly filmové titulky. Druhým režimem řádkových
terminálů bylo stránkování, tj. po zaplnění stránky se výstup
pozastavil, počkal na potvrzení obsluhy, že stránku přečetla,
a po potvrzení celou obrazovku smazal a začal znovu psát
od levého horního rohu obrazovky.
Obr. 69 Textový terminál
Modernější terminály s monochromatickými displeji umožňovaly zobrazit kdykoliv libovolný znak
na libovolné pozici. Kromě písmen, číslic, speciálních znaků a interpunkčních znamének umožnily
9 American Standard Code for Information Interchange („americký standardní kód pro výměnu informací“).
22
zobrazování tzv. pseudografických znaků, z nichž šly sestavit např. jednoduché a dvojité rámečky
kolem částí textu. Monochromatické monitory používaly různé barvy luminoforů, nejčastější byly
zelená a oranžová. Působily příjemněji než ostře bílá barva, a tak méně unavovaly zrak. Dnešní
monitory už v textovém režimu většinou nepracují, používá se převážně grafické rozhraní. Zato
klávesnice dodnes obsahuje památku na doby, kdy byla součástí textového terminálu a pomocí
klávesy ScrollLock (ScrLck) se přepínal režim rolování a stránkování výstupu. V dnešní době tato
klávesa již nemá žádný význam, ale na klávesnici zůstává.
Dalším historickým a dnes už zpravidla trvale zapnutým
přepínačem je NumLock, který u starších typů klávesnic
(na obr. 70 vidíme klávesnici počítače IBM PC AT),
přepínal u jedné skupiny kláves režim kláves pro pohyb
kurzoru a kláves pro psaní číslic. Funkční klávesy F1 až
F10 (opravdu jich bylo jen 10, nikoliv 12) byly vlevo
od alfanumerické části, odvozené z klávesnice psacího
stroje. Dnes jsou klávesy pro pohyb kurzoru samostatně
mezi alfanumerickou a numerickou částí klávesnice
a funkční kláves F1 až F12 jsou nahoře nad alfanumer.
částí. Klávesa NumLock se prakticky nepoužívá, režim
psaní číslic zůstává trvale zapnutý (jeho kontrolka svítí).
Obr. 70 Počítač IBM PC AT
I tak samozřejmá periferie, jakou je počítačová klávesnice, se vyvíjí. Ze tří přepínačů zůstal funkční
už jen CapsLock. Připojení klávesnice k počítači začalo pětikolíkovou zástrčkou DIN, pokračovalo
PS/2 a dnes jsou běžné klávesnice připojované přes USB. Samostatnou kapitolou jsou klávesnice
notebooků, které musí šetřit místem. Naopak moderní multimediální klávesnice mají mimo
standardních kláves řadu speciálních tlačítek pro ovládání hlasitosti reproduktorů, ovládání
Windows Media Playeru a spouštění vybraných programů.
Dalším dnes už samozřejmým vstupním zařízením je počítačová myš. První byla dřevěná krabička
s kolečky snímajícími pohyb a malým kulatým tlačítkem. Sestrojil ji Douglas Engelbart (* 1925)
v roce 1963 a US patent získal v roce 1970. I tak to bylo příliš brzy, protože patentová ochrana
vypršela dřív než se myš široce rozšířila u osobních počítačů, takže vizionář Engelbart na vynálezu
myši nikdy nezbohatl. Kuličkovou myš vymyslel, shodou okolností také v roce 1970, Bill English
z firmy Xerox. Komerčně ji ale prosadila až firma Apple computer, která u svých počítačů použila
myš s jedním tlačítkem. Proti tomu osobní počítače IBM PC používaly nejprve dvoutlačítkovou
a později třítlačítkovou, přičemž na prostřední tlačítko bylo později umístěno rolovací kolečko.
V roce 1980 byly vyvinuty první optické myši, ale vyžadovaly speciální podložky s rastrem, který
umožňuje dobře snímat pohyb. Optické myši pracující na libovolném povrchu byly vyráběny až
v devadesátých letech minulého století. Podobně jako u klávesnice se měnilo připojení k počítači
i u myši. Nejprve se připojovaly k sériovému rozhraní RS-232, později pomocí PS/2 a nakonec
pomocí USB. Počítač Apple používaly vlastní rozhraní Apple Desktop Bus.
23
6.2 Počítačové monitory CRT, vývoj grafických adapterů PC
Prvními počítačovými monitory byly osciloskopy. Opět můžeme zmínit počítač UNIVAC I (1951),
ke kterému byl standardně připojován osciloskop značky Tektronix. Také britský počítač EDSAC
(1949) používal jako výstupní zařízení osciloskop a stojí za zmínku, že videovýstup na osciloskop
byl využit v rámci programu tic-tac-toe (minipiškvorky ve čtvercové síti 3x3 pole), který vytvořil
profesor Alexander S. Douglas v roce 1952 jako pravděpodobně první počítačovou hru v historii.
K analogovým počítačům byly připojovány speciální, paměťové pomaloběžné osciloskopy, které
byly vynikající alternativou k analogovým souřadnicovým zapisovačům.
Katodovou trubici opatřenou luminoforem světélkujícím v místě dopadu elektronového paprsku
vynalezl v roce 1897 německý fyzik Karl Ferdinand Braun (1850 – 1918), nositel Nobelovy ceny
za fyziku (1909). Zobrazení televizního signálu pomocí CRT experimentálně předvedl v roce 1907
ruský vynálezce Boris Lvovič Rosing (obraz měl k dnešní televizi velmi daleko, byl nekvalitní,
monochromatický a přenášel se po metalickém vedení, nikoliv pomocí radiových vln). Snímací
televizní elektronku (ikonoskop) vynalezl Vladimír Kozmič Zvorykin (1889 – 1982) v roce 1923.
Pravidelné televizní vysílání zahájila BBC v listopadu 1936.
Modernější CRT monitory (zkratka CRT pochází z angl. Cathode Ray Tube … katodová trubice) již
neměly elektrostatické vychylování elektronového paprsku jako osciloskopy, ale elektromagnetické
vychylování, podobně jako televizní obrazovky. Nejprve se používaly monochromatické obrazovky
s různými typy a barvami luminoforu, později barevný RGB systém. Vývoj od řádkového, přes
znakové k plně grafickému zobrazení už nebyl dán vývojem vlastního monitoru, ale grafické karty
(grafického adapteru). Ten prodělal nejbouřlivější vývoj od vzniku prvních osobních počítačů IBM
PC na začátku 80. let až do začátku 90. let 20. století. Podívejme se na něj podrobněji.
V roce 1981 přichází IBM s prvním grafickým standardem, kartou CGA (Color Graphic Adapter),
která umožňuje textový (znakový) režim s 25 řádky po 40, nebo 80 znacích. Každý znak bylo
možné zobrazit v jedné z 16 daných barev. Grafický režim je pouze jeden, využívá pouze 4 barvy
a umožňuje práci v rozlišení 320 x 200 px10
.
V roce 1984 vylepšuje IBM standard na EGA (Enhanced Graphic Adapter), který má oba textové
režimy shodné s CGA, ale v grafickém režimu využívá všech 16 barev a rozlišení je 640 x 350 px.
O tři roky později (1987) je uvedeno VGA (Video Graphic Adapter). Pokrok je opět v grafickém
režimu, a to hlavně ve zvýšení počtu barev na 256. Rozlišení se zlepšuje pouze ve svislém směru,
poměr šířky k výšce je 3 : 4, tedy rozlišení 640 x 480 px.
Posledním standardem IBM je roku 1990 grafický adapter XGA (Extended Graphic Array), který je
orientovaný jednoznačně na grafický režim monitorů CRT. Využívá podle velikosti grafické paměti
buď high colors (paleta 65536 barev), nebo true colors (16,7 milionů barev). Rozlišení, které se
dodnes běžně používá např. u dataprojektorů, je 1024 x 768 px.
10 px (z angl. pixel = picture element) … obrazový bod
24
6.3 Počítačové tiskárny, různé principů tisku, souřadnicové zapisovače
Druhů počítačových tiskáren a principů tisku je tolik, že nebudeme sledovat přesný časový sled.
Půjde nám spíš o celkový přehled a souvislost s posunem centra pozornosti od sálových k osobním
počítačům. U sálových počítačů byla rozhodující robustnost a rychlost tisku. Tisklo se prakticky
pouze v řádkovém režimu, pro grafické účely se nepoužívaly tiskárny, ale výhradně souřadnicové
zapisovače. U osobních počítačů byla od počátku rozhodující hlavně cena a jednoduchost obsluhy,
vítána byla možnost tisku grafiky.
Mechanické počítačové tiskárny
S typy (matricemi) jednotlivých tisknutelných znaků
o s tiskem úderem typu proti válci:
s typovými pákami (typovým košem),
s kulovou tiskovou hlavou,
s typovým kotoučem (kopretinou);
o s tiskem úderem kladívka zdola proti typu:
bubnové (tisk se pozná podle „tančících“ písmenek, tj. nesedí na lince),
řetězové (tisk se pozná podle nestejných mezer mezi písmeny).
Jehličkové (znaky se skládají z jednotlivých bodů v daném rastru)
o 8-jehličkové a 9-jehličkové, měly zpravidla 2 a více různých kvalit tisku – DRAFT,
HQ (high quality), byly pomalejší, ale levnější,
o 24-jehličkové byly při tisku vysokou kvalitou (jako v režimu HQ u 8-jehličkových)
třikrát rychlejší než 8-jehličkové,
o 1-jehličkové tiskárny byly raritou používanou pouze krátce u programovatelných
kalkulátorů a domácích osmibitových počítačů, byly extrémně pomalé ale stejně jako
modely s více jehličkami umožnily nejen tisk znaků, ale i grafiky.
Inkoustové počítačové tiskárny
S tiskem rychlým ohřevem inkoustu. Tisk je založen na objemové teplotní roztažnosti
kapaliny - inkoustu, který se indukčním ohřevem prudce roztáhne a vystřelí kapičku (resp.
bublinku) prudce na papír:
o bubble jet,
o voskové.
S piezoelektrickým tiskem. Piezokrystal slouží jako miniaturní pumpa, která „vystřelí“
kapičku barvy na papír. Systém je náchylnější k zasychání barvy v tiskové hlavě, ale je
o něco přesnější než „bubble jet“.
S kontinuálním tiskem. Zde také funguje miniaturní piezoelektrická pumpa, která ovšem
vytváří plynulý proud mikroskopických kapiček (okolo sto tisíc kapiček za sekundu). Tento
princip je ve skutečnosti historicky nejstarší. První inkoustovou tiskárnu tohoto typu uvedla
na trh firma Siemens v roce 1951.
25
Xerografické počítačové tiskárny
Laserové. Tisková stránka je na xerografický válec vykreslena laserovým paprskem.
LED. Tuto technologii používá firma OKI. Místo laseru se používá matice bodů vykreslená
řadou svítivých diod LED (Light-emitting diode).
Výhodou laserového tisku ve srovnání s inkoustovým je nižší cena spotřebního materiálu (toneru).
Proto se xerografický tisk stává na přelomu 20. a 21. století nejčastější formou počítačového tisku.
Samotné slovo xerografický vzniklo z řeckých slov xero (suchý) a graphein (psaní), tedy suchý tisk.
Jiný název této technologie je elektrostatická fotografie.
Princip xerografie vynalezl Chester Carlson (1906 – 1968) v roce 1938. Patentovou přihlášku
podal o rok později, ale teprve roku 1942 obdržel US patent. První komerčně prodávaná řada
kopírek firmy Xerox, která tiskla na obyčejný kancelářský papír, spatřila světlo světa v roce 1959.
Souřadnicové zapisovače
Podle ovládání pohybu pisátka:
o analogové plottery,
o digitální plottery.
Podle druhu pisátka:
o perové (tužkové),
o inkoustové (s tiskovou hlavou podobnou jako u inkoustové tiskárny),
o vyřezávací (místo pisátka je ostrý nůž, který vyřezává např. ze samolepicích fólií).
Souřadnicový zapisovač, neboli plotter byl od počátku typickým výstupním zařízením analogového
počítače. Šlo tedy o analogové perové plottery, jejichž výchylka v obou na sebe navzájem kolmých
souřadnicích je závislá na napětí přivedeném na vstupy plotteru. U číslicových plotterů se pozice
pisátka zadává jako dvojice binárních čísel s velkou přesností. Díky tomu lze plottery využívat např.
pro kreslení přesných technických výkresů. V poslední době se prosazují hybridní plottery, které
mohou pracovat jak v režimu souřadnicového zapisovače, tak v režimu barevné inkoustové tiskárny
pro velkoformátový barevný tisk. Samostatnou kapitolou jsou vyřezávací plottery, které se užívají
při vyřezávání reklamních polepů ze samolepících barevných fólií. Barevné reklamní polepy dnes
neodmyslitelně patří k firemním automobilům a autobusům.
6.4 Vývoj operační paměti počítačů
Ve čtvrté kapitole jsme se už zmínili o operační paměti založené na klopných obvodech, složených
z relé, elektronek, či tranzistorů. Sestavit z těchto prvků operační paměť s větší kapacitou však bylo
drahé a prostorově náročné. Proto konstruktéři prvních počítačů vymýšleli nová zařízení založená
na rozmanitých fyzikálních principech, umožňující krátkodobé uložení většího objemu dat. První
elektronický jednoúčelový počítač ABC měl originální bubnovou kapacitní paměť. O něco později
se začaly používat magnetické bubnové paměti. Bubnové paměti jsou příkladem operační paměti
typu SAM (Serial Access Memory), tj. paměti se sériovým přístupem. Na rozdíl od operační paměti
RAM (Random Access Memory) není možné kdykoliv číst, či zapisovat libovolnou buňku paměti,
26
ale musí se čekat až ke čtecímu, či záznamovému zařízení dorazí odpovídající místo paměťového
média (v případě bubnové paměti čekáme až se buben natočí tím správným místem. To znamená, že
průměrná doba přístupu do paměti je rovna polovině času za který se buben celý otočí.
Jiným typem SAM byla paměť se rtuťovou zpožďovací linkou, kterou vynalezl roku 1940 John
Adam Presper Eckert (1919 – 1995). Hlavní součástí paměti byly skleněné válcové trubice
naplněné tekutou rtutí, kterými se relativně pomalu (ve srovnání s rychlostí elektromagnetického
vlnění) šířily mechanické pulsy. Na začátku trubice se vyvolaly pulsy pomocí piezoelektrického
krystalu, nebo pomocí magnetostrikční cívky. I když utlumení pulsů ve rtuti nebylo velké, bylo
nutné paměť neustále obnovovat. Na konci trubice se pulsy četly, zesílily, elektronicky přenesly
a opět se vybudily na začátku trubice. Rychlost šíření zvuku ve rtuti závisí na teplotě, proto byla
nutná klimatizace počítače na přesnou provozní teplotu. Paměť se rtuťovou zpožďovací linkou byla
použita např. u počítače EDVAC a UNIVAC I.
Praktičtější a rychlejší jsou samozřejmě paměti RAM. Zajímavý
princip, známý pod různými názvy – paměťová obrazovka,
Williamsova trubice nebo Williams-Kilburnova trubice, použili
v roce 1946 angličtí fyzikové Frederic Williams (1911 – 1977)
a Tom Kilburn (1921 – 2001). Napadlo je použít katodovou
trubici nikoliv jako zobrazovací prvek (monitor), ale jako
paměťový prvek počítače. Na kruhové obrazovce, podobné
osciloskopické, se rozsvěcely či zhasínaly body v připravené
matici. Jednotlivé body obrazovky představují jednotlivé bity
paměti.
Obr. 71 Obrazovka Williams-Kilburnovy trubice počítače Ferranti Mark 1
Rozsvícené místo je zároveň elektricky nabité, což lze snímat pomocí tenkých kovových vodičů
na povrchu obrazovky. Williams-Kilburnovy trubice byly použity např. v počítačích Ferranti
Mark 1, IBM 701, IBM 702. Každá Williams-Kilburnovy trubice měla kapacitu řádově 1024 bitů
(512 až 2048 bitů).
Výše uvedené rané typy operačních pamětí byly poměrně brzy nahrazeny feritovou pamětí, angl.
core memory (paměť magnetického jádra). Feritovou paměť zkonstruovali dva Američané čínského
původu An Wang (1920 – 1990) a Way-Dong Woo v roce 1951. Vynálezci museli vyřešit problém
destruktivního čtení, tj. při čtení došlo ke smazání paměti v příslušné buňce, takže bylo okamžitě
po čtení automaticky provést obnovu. Po této úpravě byla feritová paměť na rozdíl od většiny
předchozích nevolatilní, tj. při výpadku napájení nedošlo k jejímu vymazání. Riziko naopak
představovalo přímé slunce „opřené“ do skříně počítače, které mohlo ferity ohřát nad tzv. Curieovu
mez a tím ji vymazat. Feritová paměť pak byla hlavním typem operační paměti počítačů dlouhá
desetiletí. Křemíkovými čipy – integrovanými obvody s vysokým stupněm integrace, začala být
vytlačována v průběhu 70. let dvacátého století. Zajímavé je, že v počítačových systémech
raketoplánů NASA byla feritová paměť vyměněna v rámci celkového upgrade až v roce 1990.
