KEE/POEKEE/POEPoPočítače v elektroenergeticečítače v elektroenergetice

Ing. Milan Bělík, Ph.D.Ing. Milan Bělík, Ph.D.

Katedra elektroenergetiky a ekologieKatedra elektroenergetiky a ekologie

EK305, tel: 4315EK305, tel: 4315

belikbelik4@kee.zcu.cz4@kee.zcu.cz

Program semestruProgram semestru

- počítače v energetice

-technika počítačů, historie počítačů

-architektura počítačů

-hardware, periferie, I/O

-software E-vlivy

-modelování procesů, simulace

-numerické metody výpočtů

-analýza a zpracování signálů

-měřicí systémy

-software LabView

1. přednáška: Technika a historie počítačů1. přednáška: Technika a historie počítačůPředchůdci počítačůPředchůdci počítačů5000 p5000 př.n.l. - Abakus ř.n.l. - Abakus

antické Řecko, Římantické Řecko, Římdřevěná, nebo hliněná destičkadřevěná, nebo hliněná destičkakamínky „calculli“ na tyčkách nebo ve žlábcíchkamínky „calculli“ na tyčkách nebo ve žlábcíchv modifikacích do současnosti - sčotv modifikacích do současnosti - sčot

1614 - logaritmické tabulky1614 - logaritmické tabulkyJohn NapierJohn Napiernapierovy kostky – rychlé násobení jednociferným číslemnapierovy kostky – rychlé násobení jednociferným číslem

1623 - první mechanický počítací stroj1623 - první mechanický počítací strojWilhelm Schickard Wilhelm Schickard ozubené koloozubené kolosčítání a odčítání šesticiferných číselsčítání a odčítání šesticiferných číselplovoucí desetinná čárkaplovoucí desetinná čárkapoužit Johannem Keplerem při astronomických výpočtechpoužit Johannem Keplerem při astronomických výpočtech2 prototypy - nedochované2 prototypy - nedochované

1642 – Pascaline1642 – PascalineBlaire Pascal Blaire Pascal pouze operace sčítání a odčítání pouze operace sčítání a odčítání osm číselníků, ovládání jehlouosm číselníků, ovládání jehloupro otce – výběrčího danípro otce – výběrčího danídochováno cca 50 ksdochováno cca 50 ks

1694 – krokový kalkulátor1694 – krokový kalkulátorGottfried Leibnitz Gottfried Leibnitz sčítání a odčítání, násobení, dělení, 2. mocninasčítání a odčítání, násobení, dělení, 2. mocninaozubený válec s kovovými kolíčky (flašinet)ozubený válec s kovovými kolíčky (flašinet)objev dvojkové soustavyobjev dvojkové soustavy

1820 - Thomasův Arithmometr1820 - Thomasův ArithmometrCharles Xavier Thomas Charles Xavier Thomas první sériově vyráběný kalkulátorprvní sériově vyráběný kalkulátorsčítání, odčítání, násobení, dělenísčítání, odčítání, násobení, dělení40. léta 20. stol - použit v projektu Manhattan (6.8.1945 – Hiroshima)40. léta 20. stol - použit v projektu Manhattan (6.8.1945 – Hiroshima)mechanické počítací stroje až do 70. let 20. stoletímechanické počítací stroje až do 70. let 20. století

1801 – děrný štítek1801 – děrný štítekJoseph Marie JacquardJoseph Marie Jacquardnávrhy prvních programovatelných strojů návrhy prvních programovatelných strojů v 19. stol využívány pro vyšívání vzorů tkacími strojiv 19. stol využívány pro vyšívání vzorů tkacími stroji1899 – 1. masové použití – datové médium - sčítání lidí v USA1899 – 1. masové použití – datové médium - sčítání lidí v USA

zpracování ze 7 let na 6 týdnů - Hollerith Herman (zakladatel IBM)zpracování ze 7 let na 6 týdnů - Hollerith Herman (zakladatel IBM)40. léta 20. stol - použit v projektu Manhattan (6.8.1945 – Hiroshima)40. léta 20. stol - použit v projektu Manhattan (6.8.1945 – Hiroshima)děrné štítky až do 80. let 20. století (do současnosti)děrné štítky až do 80. let 20. století (do současnosti)80 nebo 90 sloupců pro záznam dat 80 nebo 90 sloupců pro záznam dat

1833 - difference engine1833 - difference engineCharles BabbageCharles Babbageprojekt stroje na výpočet diferenciálních rovnicprojekt stroje na výpočet diferenciálních rovnicmechanické převody, čepy, ozubené válce, hřídele (velikost lokomotivy)mechanické převody, čepy, ozubené válce, hřídele (velikost lokomotivy)desítková soustavadesítková soustava

1848 - analytical engine1848 - analytical engineCharles BabbageCharles Babbageprojekt prvního počítačeprojekt prvního počítačepohon parním strojem, použití ozubených kol namísto abakupohon parním strojem, použití ozubených kol namísto abakuvíce než padesáti tisíc součástek více než padesáti tisíc součástek „„sklad“ (paměť), „mlýnice“ (procesor)sklad“ (paměť), „mlýnice“ (procesor) => ro => rozhodování, opakování (IF, LOOP)zhodování, opakování (IF, LOOP)50-ti místná čísla s pevnou desetinnou čárkou 50-ti místná čísla s pevnou desetinnou čárkou problémy s výrobou ozubených kol, nedostatečné financováníproblémy s výrobou ozubených kol, nedostatečné financováníAugusta Ada (dcera lorda Gordona Byrona) - sestavení seznamu instrukcíAugusta Ada (dcera lorda Gordona Byrona) - sestavení seznamu instrukcí80. léta 20. stol - programovací jazyk ADA80. léta 20. stol - programovací jazyk ADA

70. léta 19. stol. – logaritmické pravítko70. léta 19. stol. – logaritmické pravítkovýsledek na 3-4 platné číslice (max. 5-6)výsledek na 3-4 platné číslice (max. 5-6)použito v projektu Apollo (20.7.1969 – Apollo 11)použito v projektu Apollo (20.7.1969 – Apollo 11)

Nultá generace počítačůNultá generace počítačů1936 – Z11936 – Z1

Konrád Zuse Konrád Zuse dvojková soustavadvojková soustavaaritmetika v plovoucí čárce, nezahrnuty podmíněné skokyaritmetika v plovoucí čárce, nezahrnuty podmíněné skokyprogram na děrné pásce (nosič - kinofilm)program na děrné pásce (nosič - kinofilm)elektromechanický s kolíčkovou pamětí na 16 čísel elektromechanický s kolíčkovou pamětí na 16 čísel velmi poruchový, pro praktické použití nevhodnývelmi poruchový, pro praktické použití nevhodný

Z2Z2Konrád Zuse Konrád Zuse 200 relé, mechanická paměť (převzatá ze Z1)200 relé, mechanická paměť (převzatá ze Z1)

Z3 - první prakticky použitelný počítačZ3 - první prakticky použitelný počítačKonrád Zuse, Helmutem SchreyrKonrád Zuse, Helmutem Schreyr2600 elektromagnetických relé, paměť na 64 čísel po 22b2600 elektromagnetických relé, paměť na 64 čísel po 22bdvojková soustavadvojková soustavaaritmetika v plovoucí čárcearitmetika v plovoucí čárcerychlost až 50 aritmetických operací za minuturychlost až 50 aritmetických operací za minutuúdaje se ručně zadávaly pomocí klávesniceúdaje se ručně zadávaly pomocí klávesnicev roce 1944 zničen při leteckém náletuv roce 1944 zničen při leteckém náletu

1943 – Mark I - Automatic Sequence Contolled Calculator (ASSC)1943 – Mark I - Automatic Sequence Contolled Calculator (ASSC)Howard Hathaway AikenHoward Hathaway Aikenprojekt financovaný IBM (vznik z Holleritovy Tabulating Machine Company)projekt financovaný IBM (vznik z Holleritovy Tabulating Machine Company)15 m dlouhý, pohon - elektromotor 3,7 kW 15 m dlouhý, pohon - elektromotor 3,7 kW - - dlouhá hřídeldlouhá hřídelprogram na děrné pásce (24 stop, 3 skupiny po osmi: 2 adresy + kód operace)program na děrné pásce (24 stop, 3 skupiny po osmi: 2 adresy + kód operace)desítková soustava s pevnou čárkoudesítková soustava s pevnou čárkoustatická paměť – nastavení před výpočtem desetipolohovými přepínači (60 23-místných čísel) statická paměť – nastavení před výpočtem desetipolohovými přepínači (60 23-místných čísel) dynamická (operační) paměť - elektromechanicky ovládaná kolečka (záznam a čtení 72 čísel)dynamická (operační) paměť - elektromechanicky ovládaná kolečka (záznam a čtení 72 čísel)rychlost: součet 0,3 s, násobení 6 s, sinus 1 min rychlost: součet 0,3 s, násobení 6 s, sinus 1 min

Mark IIMark II13 000 relé (čistě reléové)13 000 relé (čistě reléové)aritmetika v plovoucí čárcearitmetika v plovoucí čárcedesítkové číslice, které byly dvojkově kódovány pomocí čtyř relédesítkové číslice, které byly dvojkově kódovány pomocí čtyř reléoperační paměť na 100 čísel s deseti platnými číslicemioperační paměť na 100 čísel s deseti platnými číslicemirychlost: sčítání 0,125 s, násobení 0,25 srychlost: sčítání 0,125 s, násobení 0,25 s

1943 – Colossus1943 – ColossusAnglieAnglieprolomení německých šiferprolomení německých šifer

1957 – SAPO (samočinný počítač) – 1. počítač v Československu1957 – SAPO (samočinný počítač) – 1. počítač v Československuprof. Svoboda - Výzkumný ústav matematických strojůprof. Svoboda - Výzkumný ústav matematických strojů

7000 relé, 400 elektronek7000 relé, 400 elektronekmagnetická bubnová paměť na 1024 dvaatřicetibitových slovmagnetická bubnová paměť na 1024 dvaatřicetibitových slovdvojková soustavadvojková soustavapohyblivá řádová čárkapohyblivá řádová čárkapětiadresový (5 adres: 2 operandy, výsledek a adresy skoků) pětiadresový (5 adres: 2 operandy, výsledek a adresy skoků) vlastně šlo o tři shodné počítače, které pracovaly paralelněvlastně šlo o tři shodné počítače, které pracovaly paralelněvýsledek každé operace z jednotlivých počítačů se mezi sebou porovnal a o výsledku se výsledek každé operace z jednotlivých počítačů se mezi sebou porovnal a o výsledku se rozhodovalo hlasovánímrozhodovalo hlasovánímpokud byl výsledek shodný alespoň ve dvou případech, byl považován za správnýpokud byl výsledek shodný alespoň ve dvou případech, byl považován za správnýpokud se výsledekve všech třech případech lišil, operace se opakovalapokud se výsledekve všech třech případech lišil, operace se opakovalainstalován v budově ústavu na Loretánském náměstí. instalován v budově ústavu na Loretánském náměstí. 1960 - SAPO shořel (jiskření kontaktů zapálilo olej)1960 - SAPO shořel (jiskření kontaktů zapálilo olej)

První generace počítačůPrvní generace počítačů

1944 – Eniac (Electronic Numerical Integrator And Computer)1944 – Eniac (Electronic Numerical Integrator And Computer)

17 468 elektronek, 10 000 kondenzátorů, 70 000 odporů, 1300 relé 17 468 elektronek, 10 000 kondenzátorů, 70 000 odporů, 1300 relé

desítková soustava , diskrétní režimdesítková soustava , diskrétní režim

chlazení dvěma leteckými motorychlazení dvěma leteckými motory

150 m², 40 tun150 m², 40 tun

vlastní samostatná elektrárna 160kWvlastní samostatná elektrárna 160kW

výdrž mezi pochuchami – několik hodinvýdrž mezi pochuchami – několik hodin

rychlost: 5000 operací za sekundu, 100Hz rychlost: 5000 operací za sekundu, 100Hz

programování pomocí přepínačůprogramování pomocí přepínačů

výpočty palebných tabulek pro dělostřelectvo US Armyvýpočty palebných tabulek pro dělostřelectvo US Army

využit k vývoji vodíkové bombyvyužit k vývoji vodíkové bomby

1945 – MANIAC (Mathematical Analyser Numerical Integrator And Computer)1945 – MANIAC (Mathematical Analyser Numerical Integrator And Computer)

Johnem von NeumanemJohnem von Neumanem

využit k vývoji vodíkové bombyvyužit k vývoji vodíkové bomby

Druhá generace počítačůDruhá generace počítačů1947 – tranzistor1947 – tranzistor

Bell Laboratories: John Bardeen, W. Brattain, W. Shockley (1956 Nobelova cenu za fyziku)Bell Laboratories: John Bardeen, W. Brattain, W. Shockley (1956 Nobelova cenu za fyziku)zmenšení rozměrů celého počítačezmenšení rozměrů celého počítačezvýšení rychlosti a spolehlivostizvýšení rychlosti a spolehlivostisnížení energetických nároků počítačesnížení energetických nároků počítače

1951 – UNIVAC (Universal Automatic Computer) - prvním sériově vyráběný počítač1951 – UNIVAC (Universal Automatic Computer) - prvním sériově vyráběný počítačfirma Remingtonfirma Remingtondodán americkému statistickému úřadu pro výpočet při sčítání lidídodán americkému statistickému úřadu pro výpočet při sčítání lidídávkový režim dávkový režim paměť na 1000 slov o 12 znacíchpaměť na 1000 slov o 12 znacích13 tun, 35 m213 tun, 35 m2rychlost:1905 operací za sekundu, 2,25MHzrychlost:1905 operací za sekundu, 2,25MHz159 000 USD - 1 250 000 USD159 000 USD - 1 250 000 USD46 instalací46 instalacízačínají vznikat operační systémyzačínají vznikat operační systémyprvní programovací jazyky:první programovací jazyky: 1949: Short code (John Mauchly)1949: Short code (John Mauchly)

1957: Fortan 1957: Fortan 1958: Algol, Cobol 1958: Algol, Cobol 1964: Basic1964: Basic

Třetí generace počítačůTřetí generace počítačů1958 – integrovaný obvod1958 – integrovaný obvod

Jack Kilbyho - Texas Instruments Jack Kilbyho - Texas Instruments

v jednom čipu více tranzistorů (první integrovaný obvod - čtyři tranzistory)v jednom čipu více tranzistorů (první integrovaný obvod - čtyři tranzistory)

SSI - Small Scale Integration SSI - Small Scale Integration

MSI - Middle Scale Integration MSI - Middle Scale Integration

LSI - Large Scale Integration LSI - Large Scale Integration

VLSI - Very Large Scale Integration (někdy také XLSI - Xtra Large Scale Integration) VLSI - Very Large Scale Integration (někdy také XLSI - Xtra Large Scale Integration)

1967 - Anita Mark 8 – první PC (personal computer)1967 - Anita Mark 8 – první PC (personal computer)

Norman KitzNorman Kitz

140 000 USD140 000 USD

TTL (TTL (TTransistor ransistor TTransistor ransistor LLogic):ogic):

rychlá, ale drahá technologie. Jejím základním stavebním prvkem je bipolární tranzistor. Její rychlá, ale drahá technologie. Jejím základním stavebním prvkem je bipolární tranzistor. Její nevýhodou je velká spotřeba elektrické energie a z toho vyplývající velké zahřívání se takovýchto nevýhodou je velká spotřeba elektrické energie a z toho vyplývající velké zahřívání se takovýchto obvodů. obvodů.

PMOS (PMOS (PPositive ositive MMetal etal OOxid xid SSemiconductor):emiconductor):

technologie používající unipolární tranzistor MOS s pozitivním vodivostním kanálem. Díky tomu, technologie používající unipolární tranzistor MOS s pozitivním vodivostním kanálem. Díky tomu, že MOS tranzistory jsou řízeny elektrickým polem a nikoliv elektrickým proudem jako u že MOS tranzistory jsou řízeny elektrickým polem a nikoliv elektrickým proudem jako u technologie TTL, redukuje nároky na spotřebu elektrické energie. Jedná se však o pomalou a technologie TTL, redukuje nároky na spotřebu elektrické energie. Jedná se však o pomalou a dnes nepoužívanou technologii. dnes nepoužívanou technologii.

NMOS (NMOS (NNegative egative MMetal etal OOxid xid SSemiconductor):emiconductor):

technologie, která využívá jako základní stavební prvek unipolární tranzistor MOS s negativním technologie, která využívá jako základní stavební prvek unipolární tranzistor MOS s negativním vodivostním kanálem. Tato technologie se používala zhruba do začátku 80. let. Jedná se o vodivostním kanálem. Tato technologie se používala zhruba do začátku 80. let. Jedná se o levnější a efektivnější technologii než TTL a rychlejší než PMOS. levnější a efektivnější technologii než TTL a rychlejší než PMOS.

CMOS (CMOS (CComplementary omplementary MMetal etal OOxid xid SSemiconductor):emiconductor):

technologie spojující v jednom návrhu prvky tranzistorů PMOS i NMOS. Tyto obvody mají malou technologie spojující v jednom návrhu prvky tranzistorů PMOS i NMOS. Tyto obvody mají malou spotřebu a tato technologie je používána pro výrobu velké čáti dnešních moderních spotřebu a tato technologie je používána pro výrobu velké čáti dnešních moderních integrovaných obvodů. integrovaných obvodů.

BiCMOS (BiCMOS (BiBipolar polar CComplementary omplementary MMetal etal OOxid xid SSemiconductor):emiconductor):

nová technologie spojující na jednom čipu prvky bipolární technologie i technologie CMOS. nová technologie spojující na jednom čipu prvky bipolární technologie i technologie CMOS. Používána zejména firmou Intel k výrobě mikroprocesorů. Používána zejména firmou Intel k výrobě mikroprocesorů.

Čtvrtá generace počítačůČtvrtá generace počítačů1969 – mikroprocesor1969 – mikroprocesor

Texas InstrumentsTexas InstrumentsCPU – Central Processing UnitCPU – Central Processing Unit

1976 - Apple 11976 - Apple 1Apple ComputerApple Computer666,66 USD (cena v přepočtu na dnešní dolar 2056 USD.)666,66 USD (cena v přepočtu na dnešní dolar 2056 USD.)

1977- Commodore PET 20011977- Commodore PET 2001procesor MOS 6502, 4KB RAMprocesor MOS 6502, 4KB RAMzabudovaný kazetový magnetofon pro nahrávání datzabudovaný kazetový magnetofon pro nahrávání dat9" monitor9" monitor595 USD (dnešní přepočet 1723 USD)595 USD (dnešní přepočet 1723 USD)

1978 - Intel 8086 1978 - Intel 8086 1981 – IBM PC1981 – IBM PC

mikroprocesor Intel 8088mikroprocesor Intel 8088první PC s operačním systémem MS-DOS (Microsoft)první PC s operačním systémem MS-DOS (Microsoft)

1981 - OSBORNE 1 - první přenosný počítač1981 - OSBORNE 1 - první přenosný počítačOsborne Computer Osborne Computer procesor Zilog Z-80, 64KB RAM, dvě 5,25" FDD o kapacitě 91 KBprocesor Zilog Z-80, 64KB RAM, dvě 5,25" FDD o kapacitě 91 KBpětipalcová černobílá obrazovkapětipalcová černobílá obrazovka10,4 kg10,4 kg1795 USD (cena v dnešní hodnotě je 3466 USD)1795 USD (cena v dnešní hodnotě je 3466 USD)

1985 - IBM PC - Windows 1.0 1985 - IBM PC - Windows 1.0 1986 – Internet1986 – Internet

National Science Foundation schvaluje investici do páteřní sítě InternetuNational Science Foundation schvaluje investici do páteřní sítě Internetu

Pátá generacePátá generacezatím hudba budoucnostizatím hudba budoucnostistroje s umělou inteligencístroje s umělou inteligencí