Úvod do výpočetní techniky

28 Jan 2023

Výpočetní technika - význam a uplatnění
- Historie výpočetní techniky
- Moderní historie počítačů
  - Trendy ve vývoji počítačů
    - Budoucnost výpočetní techniky
Výpočetní technika - Jednotky informací

Výpočetní technika - význam a uplatnění

široké využití napříč všemi vědami a povoláními (biologie - medicína, matematika, fyzika, astronomie, ekonomie - účetnictví)
automatizace a digitalizace > různé dokumenty, programy (Word, Excel atd.)
pomocí počítačů a programovacích jazyků jsou dnes už všechny matematické, fyzikální a astronomické výpočty jednodušší

Historie výpočetní techniky

Prvopočátky počítačů lze hledat již cca 5000 let př.n.l., kdy se objevují první pomuůcky pro usnadnění počítání s čísly
ABAKUS = pochází ze Starověké Číny > počítadlo, deska, do které se vkládaly kamínky + další kuličkové počítadla
počátek 17. století - logaritmické pravítko - používané dodnes
- Mechanické kalkulátory:
  - počítací hodiny - mechanický stroj schopný násobit a dělit
  - pascaline - mechanická kalkulačka na sčítání dlouhých sloupců čísel
  - arithmometr - první hromadně prodávaný počítací přístroj
  - byly používány až do druhé poloviny 20. st.
  - možnosti byly velice omezené, bylo nutné najít jiný princip
Děrné štítky = od 19. století, první médium pro zápis programů, zautomatizovaly tklacovské stavy na výrobu vzorovaných tkanin
- analytical engine
- elektromechanické sčítací stroje (velké firmy a banky)

Moderní historie počítačů

(rozdělujeme do generací):

Nultá generace

30.-40. léta 20. st.
využívaly relé = elektromagnetické přepínače
zástupci počítačů: Z1 (velmi poruchový, nepoužitelný) Z2 (obsahoval asi 200 relé), Z3 (2600 relé)
- pracoval ve dvojkové soustavě
- asi 50 aritmetických operací za minutu
MARK1 - rychlejší relé, 3 součty za sekundu
- 15 m dlouhý, 5 tun
- poháněný elektromotorem o výkonu 3,7 kW
- používal děrnou pásku, pracoval v desítkové soustavě
- během stovek hodin vypočítal konfigurace uranové nálože první atomové bomby
Turingova bomba
- Britové ho použili k prolomení kódu německého šifrovacího přístroje Enigma
MARK II
- rychlejší

První generace 1946-1956

počítače byly velmi drahé, neefektivní, poruchové
nízká výpočetní rychlost, používaly děrné štítky a pásky
obsahovaly již pevné disky
používají elektronky (zesilují elektrické signály)
zástupci:
ENIAC
- první univerzálně programovatelný stroj na zprácování informací
- zabíral celou halu, chlazen leteckými motory
- pouze na matematické výpočty, nepoužíval dvojkovou soustavu (nebyl univerzálně použitelný)
MANIAC (použit k sestavení atomové bomby)

Von Neumannova koncepce počítače

matematik, kolem roku 1950 položil základy konstrukce současných počítačů
- počítač se skládá z:
  - řídící jednotky (řadič) - koordinuje činnost ostatních jednotek a určuje, co mají v kterém okamžiku dělat
  - aritmeticko-logická jednotka (ALU) - provádí numerické výpočty, vyhodnocuje podmínky,…
  - operační paměť - uchovává data a program
  - vstupní zařízení - zařízení, odkud se do počítače dostávají data ke zpracování
  - výstupní zařízení - do tohoto zařízení zapisuje počítač výsledky své činnosti
- pro reprezentaci dat se používá dvojková soustava -> počítač je univerzálně použitelný
- sestaven EDVAC

Druhá generace 1957-1965

použití tranzistorů - je základem všech dnešních integrovaných obvodů
velké zmenšení rozměrů a snížení energetické náročnosti
vyšší rychlost a spolehlivost
počátky operačních systémů a programovacích jazyků
zástupci: UNIVAC, EPOS, EPOS2

Třetí generace 1966-1980

použití integrovaných obvodů
opět zmenšení
zástupci: Cray, IBM 360
1969 vznik mikroprocesoru - integrovaný obvod s velkou hustotou integrace
objevuje se multiprogramování (může provádět více operací najednou)
vznikají nové programovací jazyky (Pascal, Python atd)

Čtvrtá generace 1981 až do teď

použití mikroprocesorů (vysoká koncentrace integrovaných obvodů)
vyšší spolehlivost, menší rozměry, větší rychlost, větší kapacita paměti
vývoj osobních počítačů
ALTAIR 8800
- 1. osobní počítač
- programování pomocí přepínačů
- bez obrazovky, klavesnice
APPLE I, APPLE II
- vznik textových a tabulkových editorů -> zefektivnění kancelářské práce, počítače už nejsou hračka pro vědce
operační systém Microsoft, BIOS

Trendy ve vývoji počítačů

zvýšení kapacity rychlosti, kapacity paměti
snížení energetické náročnosti
dotykové obrazovky
rychlejší připojení k internetu

Budoucnost výpočetní techniky

kvantové počítače

Výpočetní technika - Jednotky informací

informaci v informatice tvoří kódovaná data, která můžeme podle potřeby vysílat, příjmat, uchovávat a zpracovávat
informaci přenášíme pomocí signálu analogového nebo signálu digitálního (v dnešní době častěji využívaný digitální)

Bit

nejmenší jednotka, se kterou dokáže počítač pracovat je 1 bit
bit = binary digit (dvojková číslice)
může nabývat pouze hodnot 0 a 1
- můžeme považovat za informaci typu ano/ne, platí/neplatí
značíme malým b

Byte

jednotka informace složená z 8 bitů
obvykle má hodnotu jednoho čísla či písmene
stále je to velice malá jednotka, a proto se používají její násobky (1kB = 1024B, 1MB = 1024kB, 1GB = 1024MB, 1TB = 1024GB)
značíme velkým B
1B = 8b

Číselné soustavy

Dvojková (binární) soustava

pouze 0 a 1
používá se ve všech moderních počítačích, protože symboly 1 a 0 symbolizují dva stavy elektrického obvodu
- 1 - zapnuto, 0 - vypnuto
číslo zapsané v binární soustavě se nazývá binární číslo

Osmičková soustava

0-7
dnes se už moc nevyužívá
pozůstatky např. přístupová práva v Unixu nebo kódy Unicode; využití kvůli lehkému převodu s dvojkovou a menšímu počtu znaků než u 16-kové

Desítková (dekadická) soustava

0-9
nejstarší a nejpoužívanější číselnou soustavou
používá se v běžném životě, ve vědě, v technice

Šestnáctková (hexadecimální) soustava

0-9; A-F
čísla jsou kratší než ve dvojkové tzn. lépe zapamatovatelná a použitelná, menší pravděpodobnost chyby
např. kódy barev, binární reprezentace souborů, programování (první “programovací jazyk” byly šestnáctkové kódy instrukcí)

Kódování dat

Před zpracováním dat v počítači, je nutné převést znaky do tvaru, kterému počítač rozumí, to znamená přiřadit datům určité kombinace bitů. Tento proces se nazývá kódování.

Kód je v podstatě přepis pro jednoznačné přiřazení určité kombinace bitů příslušnému znaku. Kombinací bitů se říká kódové slovo. Data lze zpátky dekódovat.

Kódování znaků

Založeno na principu znakové sady tj. množiny, která každému znaku přiřazuje binární reprezentaci (mimo počítače sem lze zařadit např. Morseovu abecedu). Nejstarší IBM EBCDIC - používal se déle než měl, problémy s kolizemi s ASCII.

ASCII (American Standard Code for Information Interchange)

historicky nezrozšířenější znaková sada; i dnešní znakové sady s ní zůstávají částečně kompatibilní
obsahuje anglickou abecedu, speciální znaky (, $, % nebo znaky pro vytvoření tabulek - rovná čára, roh, kříž), interpunkční znaménka, matem. symboly a řídící sekvence
původně sedmibitová; nestandardní, brzy rozšířena na 8-bit
tím vzniklo místo, do kterého si každý národ přidal vlastní znaky $\rightarrow$ nekompatibilita

Unicode

reakce na nekompatibilní ASCII kódy
obsahuje prakticky všechna písma používaná na zemi (včetně znakových), fonetické znaky, emoji, číslicové fonty, historická písma…
zpětně kompatibilní s ISO Latin 2 (důležité pro starší weby)
definuje tabulku znaků a příslušné kódy, ale neřeší jejich uložení v binární formě = několik dalších standardů
nejpoužívanější UTF-8, výhodou flexibilní délka znaku, tj. původní ASCII znaky mají pouze 8-bitů, u dalších znaků se rozšiřuje až do 32; pro jednoznačné určení se používají přdpony
nebo UTF-32 přímé kódování - velmi nehospodárné k místu, ale jednoduché na čtení
dnes jediný prakticky používaný
poslední verze 2021

Komprese

dělíme na ztrátovou (odstranění přebytečných dat) a bezztrátovou (dochází k odstranění redudantních dat, která lze rekonstruovat)
ztrátová se používá např. u videa, zvuku (mp3), nebo u obrázků (JPG, PNG) - běžný člověk drobné snížení kvality nepozná a zmenšuje se tím velikost souboru
bezztrátová - obrázky (PNG), zvuk (Flac), komprese souborů
často je zaměňována s archivací, protože se často vyskytují společně
archivací myslíme spojení většího množství souborů do jednoho
většina programů tento archiv pak bezztrátově komprimuje (ZIP, RAR, 7ZIP)
základním parametrem je kompresní poměr - nekomprimovaná:komprimovaným datům
používá se k zmenšení velikosti - posílání dat sítí, zálohování, archivace (tar - tape archiver, původně pro magnetické pásky)…
rychlost dnešních CPU umožňuje kompresi i kritických částí OS - např. komprese celého Linux kernelu

Šifrování

nazýváme tak změnu znaků tak, aby původní text nebyl čitelný a ideálně ani odvoditelný, ale aby při znalosti kódu bylo možné původni informaci rekontruovat
při výběru šifry je důležitý faktor čas, hrubou silou jde prolomit každou šifru; šifra by se měla volit dle poměru hodnota informace:potřebný čas na dešifrování
potřeba dešifrovat hesla byla jedna z prvních počítačových úloh - 2. světová válka, A. Turring, bomba
obecně nejslabším článkem všech šifer je uživatel
nejjednodušší šifrovací metody je naprosté nahrazení, podle nějaké tabulky či pravidel (př. Caesarova šifra)
v počítačové kryptografii se šifry dělí na
- symetrické - šifruje i dešifruje pomocí jediného klíče/hesla
- asymetrické - používá dvojici klíčů - veřejný pro šifrování a soukromý pro dešifrování (každý může zašifrovat zprávu a můžu ji přečíst jen já)

Kódování souborů - grafika, zvuk, video

Zvuk

tzv. digitální zvuk; původní analogový uchovával celou zvukovou vlnu (gramofony), kterou bylo možné dělit na nekonečně malé úseky;