ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ & ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΟΝΟΜΙΑΣ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΗΣΗΣ Ιστορία της γραφής και της τεχνολογίας των πληροφοριών ΑΘΗΝΑ, 2009 1
ΜΑΘΗΜΑ 6 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ E ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 2
Εισαγωγή Δεκαδικό και δυαδικό αριθμητικό σύστημα
Δεκαδικό σύστημα: δυνάμεις του 10, δέκα ψηφία, τα 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 π.χ. 1835 = 1x10 3 + 8x10 2 + 3x10 1 + 5x10 0 = 1x1000+8x100+ 3x10 + 5x1 = 1000 + 800 + 30 + 5 Δυαδικό σύστημα: δυνάμεις του δύο, δύο ψηφία, το 0 και το 1 π.χ. 101 = 1x2 2 + 0x2 1 + 1x2 0 = 1x4 + 0x2 + 1x2 0 = 4 + 0 + 1 = 5 4
Δυαδικό σύστημα 1 χ 2 6 1 χ 2 5 1 χ 2 4 1 χ 2 3 1 χ 2 2 1 χ 2 1 1 χ 2 0 1 χ 1 χ 1 χ 1 χ 1 χ 1 χ 1 χ 5
Δυαδικός αριθμός Δεκαδικός αριθμός 0 0x2 0 = 0 1 1x2 0 = 1x1 = 1 10 1x2 1 + 0x2 0 = 2 + 0 =2 11 1x2 1 + 1x2 0 = 2 + 1 =3 100 1x2 2 + 0x2 1 + 0x2 0 = 1x4 + 0x2 + 0x2 0 = 4 + 0 + 0 = 4 101 1x2 2 + 0x2 1 + 1x2 0 = 1x4 + 0x2 + 1x2 0 = 4 + 0 + 1 = 5 110 1x2 2 + 1x2 1 + 0x2 0 = 1x4 + 1x2 + 0x2 0 = 4 + 2 + 0 = 6 111 1x2 2 + 1x2 1 + 1x2 0 = 1x4 + 1x2 + 1x2 0 = 4 + 2 + 1 = 7 1000 1x2 3 + 0x2 2 + 0x2 1 + 0x2 0 = 1x8 + 0x4 + 0x2 + 0x2 0 = 8 + 0 + 0 + 0 = 8 1001 1x2 3 + 0x2 2 + 0x2 1 + 1x2 0 = 1x8 + 0x4 + 0x2 + 1x2 0 = 8 + 0 + 0 + 1 = 9 1001 1x2 3 + 0x2 2 + 1x2 1 + 1x2 0 = 1x8 + 0x4 + 1x2 + 1x2 0 = 8 + 0 + 1 + 1 = 10 1010101 1x2 6 + 0x2 5 + 1x2 4 + 0x2 3 + 1x2 2 + 0x2 1 + 1x2 0 = 1x64 + 0x32 +1x16 +0x8 + 1x4 + 0x2 + 1x2 0 = 64 + 0 +16 + 0 + 4 + 0 + 1 6= 85
Ψηφιοποίηση: Μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Ψηφιοαναλογικοί μετατροπείς (analog to digital converters ADC, A/D) Δειγματοληψία: Αναλογική τεχνολογία: συνεχής Ψηφιακή τεχνολογία: περιοδική ρυθμός δειγματοληψίας (sampling rate) Τιμή μετρούμενου μεγέθους: Αναλογική τεχνολογία: συνεχής Ψηφιακή τεχνολογία: διακριτές τιμές ανάλυση, κβαντοποίηση, πλήθος δυνατών τιμών (resolution, quantization, bit depth) 7
είσοδος Ρυθμός δειγματοληψίας έξοδος 8
είσοδος έξοδος Κβαντοποίηση 9
1 2 3 10 sec
Μονάδες χωρητικότητας Bit: ψηφίο στο δυαδικό σύστημα, μπορεί να πάρει τις τιμές 0 και 1 1 Byte αποτελείται από 8 bit 1KB = 2 10 B = 1.024B 1MB = 2 10 KB = 2 20 B = 1.048.576B 1GB = 2 10 MB = 2 30 KB = 2 30 B = 1.073.741.824B 1TB = 2 10 GB = 2 20 MB = 2 30 KB = 2 40 B = =1.099.511.627.776B 11
Πρώιμες υπολογιστικές μηχανές
Ράβδος απαρίθμησης: 35.000 π.χ. (εγκοπές) Άβακας (αριθμητήριο): Σουμέριοι 2700 2300 π.χ. Έλληνες, 500 π.χ. Ο Μηχανισμός των Αντικυθήρων Κατασκευάστηκε στην Ελλάδα περί το 100 π.χ. Περίπλοκος μηχανισμός που προσομοιώνει τη συνδυασμένη κίνηση του ηλίου και της σελήνης, Μηχανικός αναλογικός υπολογιστής με οδοντωτούς τροχούς (προτείνονται 37)
Κόκκαλο του Ishango 18.000 π.χ. Βελγικό Κονγκό
Μηχανικά συστήματα που εκτελούσαν αστρονομικούς υπολογισμούς, όπως ο αστρολάβος του Abū Ishāq Ibrāhīm al-zarqālī (1015) Το «ρολόι κάστρο», ένα αστρονομικό ρολόι που εφευρέθηκε από τον Al-Jazari το 1206, θεωρείται ο παλαιότερος προγραμματιζόμενο αναλογικός υπολογιστής. Παρουσίαζε το ζωδιακό κύκλο, την κίνηση του ήλιου και του φεγγαριού. Περί το 1600, ο William Oughtred και άλλοι δημιούργησαν τον λογαριθμικό κανόνα στηριζόμενοι στην εργασία του John Napier. Βασικό εργαλείο υπολογισμών (πολλαπλασιασμός, διαίρεση, ρίζες, λογάριθμοι και τριγωνομετρία) για τους επιστήμονες και μηχανικούς, έμεινε σε χρήση μέχρι το 1960.
1623: Ο Wilhelm Schickard κατασκευάζει υπολογιστική μηχανή για προσθαφαιρέσεις μέχρι 6ψηφίων αριθμών (χρησιμοποιήθηκε από τον Johannes Kepler) 1642: Αριθμομηχανή από τον Blaise Pascal (Pascaline) με γρανάζια για προσθέσεις 8ψήφιων αριθμών 1672: Ο Gottfried Wilhelm von Leibniz κατασκευάζει υπολογιστική μηχανή (Stepped Reckoner, Staffelwalze) με δυνατότητα εκτέλεσης και των τεσσάρων πράξεων 1725: Ο Basile Bouchon χρησιμοποιεί διάτρητο χαρτί σε βρόγχο για την δημιουργία σχεδίων με αργαλειό
Αντίγραφο του Stepped Reckoner του Leibniz που εκτίθεται στο Deutsches Museum
1801: Ο Joseph-Marie Jacquard κατασκευάζει αργαλειό του οποίου η λειτουργία προγραμματίζεται με διάτρητες κάρτες 1812: Ο Charles Babbage σχεδιάζει τη διαφορική μηχανή (Difference engine), για υπολογισμό της τιμής πολυωνυμικών συναρτήσεων, αλλά δεν την ολοκληρώνει ποτέ 1820: Ο Charles Xavier Thomas παρουσίασε την πρώτη επιτυχή και μαζικής παραγωγής αριθμομηχανή (Thomas Arithmometer) πού μπορούσε να εκτελέσει και τις 4 πράξεις
Difference engine (σύγχρονη κατασκευή)
1846-1871: Ο Charles Babbage σχεδιάζει την αναλυτική μηχανή. Προγραμματιζόμενη με διάτρητες κάρτες και δυνατότητες διακλάδωσης, βρόγχων και ελέγχου ακολουθίας (σύγχρονα στοιχεία υπολογιστή!). Προγραμματισμός από την Ada Lovelace (κόρη του λόρδου Byron). Απαραίτητη κατασκευαστική τεχνολογία που δεν υπήρχε την εποχή αυτή. 50000 εξαρτήματα.
1889: Ο Herman Hollerith παρουσιάζει την διδακτορική του διατριβή (An Electric Tabulating System) και κατασκευάζει σύστημα που λειτουργεί με διάτρητες κάρτες για την αποθήκευση των δεδομένων της απογραφής του 1890 1903: Ο Ryoichi Yazu παίρνει δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και κατασκευάζει μηχανική αριθμομηχανή (Yazu Arithmometer) 1948: Ξεκινά η διάθεση της Curta, μιας μηχανικής φορητής υπολογιστικής μηχανής τσέπης
Ηλεκτρονικοί υπολογιστές
1 η Γενιά (1940-1956) Κυκλώματα με λυχνίες και μαγνητικά τύμπανα για μνήμη Τεράστιο όγκο και έκταση Ακριβοί, ηλεκτροβόροι και παρήγαγαν μεγάλες ποσότητες θερμότητας Χρησιμοποιούσαν γλώσσα μηχανής και μπορούσαν να λύσουν μόνο ένα πρόβλημα τη φορά Είσοδος με διάτρητες κάρτες και χάρτινη ταινία, έξοδος με εκτυπώσεις
1939: ABC (Atanasoff Berry Computer), δεν λειτούργησε ποτέ πλήρως. Ψηφιακός αλλά μη προγραμματιζόμενος. 1943, 1944: Colossus Mark 1 και Colossus Mark 2. Χρησιμοποιήθηκαν κατά τον 2 ο παγκόσμιο πόλεμο από τους Άγγλους ως συσκευές αποκρυπτογράφησης. Ηλεκτρομηχανικά συστήματα.
1944-1948: MARK Ι (Automatic Sequence Controlled Calculator ASCC), ηλεκτρομηχανολογικός υπολογιστής, κατασκευάστηκε από την ΙΒΜ υπό την επίβλεψη του καθηγητή του Harvard μαθηματικού Howard Aiken. Προγραμματιζόμενος με διάτρητες κάρτες. Χρησιμοποιήθηκαν 765.000 εξαρτήματα, 800 km καλώδια και είχε μέγεθος 16 m x 2,4 m x 61 cm και βάρος 4500 kg. Μπορούσε να αποθηκεύσει 72 αριθμούς έως και 23 ψηφίων. Έκανε 3 προσθέσεις ή αφαιρέσεις το δευτερόλεπτο, ένας πολλαπλασιασμός διαρκούσε 6 δευτ. μια διαίρεση 15 δευτ. και ο υπολογισμός ενός λογαρίθμου ή μιας τριγωνομετρικής συνάρτησης πάνω από ένα λεπτό.
MARK Ι
MARK Ι
MARK Ι
Μαγνητικό τύμπανο (magnetic drum) Χρησιμοποιήθηκε ως αποθηκευτικό μέσο (μνήμη) στους πρώτους υπολογιστές
1943 (έως το 1955): ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer, Ηλεκτρονικός αριθμητικός ολοκληρωτής και υπολογιστής), ο πρώτος μεγάλης κλίμακας επαναπρογραμματιζόμενος ηλεκτρονικός ψηφιακός υπολογιστής. Σχερδιάστηεκε από τους John Mauchly και John Presper Eckert του Πανεπιστήμιο της Πενσιλβάνια. Ο ENIAC είχε περισσότερες από 18.000 λυχνίες κενού και 1500 ρελέ. Ζύγιζε 30 τόνους και κατελάμβανε 63 τετραγωνικά μέτρα χώρο. Μπορούσε να εκτελέσει 5000 απλές προσθέσεις, 385 πολλαπλασιασμούς, 40 διαιρέσεις και 3 υπολογισμούς τετραγωνικής ρίζας το δευτερόλεπτο. Μπορούσε να προγραμματιστεί με σειρές διακοπτών και επανακαλωδίωση ώστε να εκτελέσει περίπλοκες υπολογιστικές ακολουθίες που περιελάμβαναν βρόγχους, διακλαδώσεις και υπορουτίνες
2 η Γενιά (1956-1963) Αντικατάσταση της λυχνίας με τρανζίστορ Μικρότερο μέγεθος, ταχύτεροι, οικονομικότεροι, πιο αξιόπιστοι και με μικρότερη κατανάλωση ενέργειας Είσοδος με διάτρητες κάρτες, έξοδος με εκτυπώσεις Εξέλιξη του προγραμματισμού από τη γλώσσα μηχανής στην συμβολική γλώσσα (assembly) και εμφάνιση των πρώτων γλωσσών προγραμματισμού υψηλού επιπέδου (Cobol, Fortran) Φόρτωση και των προγραμμάτων στη μνήμη Μνήμη μαγνητικού πυρήνα Πρώτες εφαρμογές για την βιομηχανία ατομικής ενέργειας
Μνήμη μαγνητικού πυρήνα (Magnetic core)
IBM 1401: Περίπου το 1/3 της παγκόσμιας αγοράς. 100.000 πωλήσεις μεταξύ 1960-1964. Olivetti ELEA: Ιταλική εταιρεία, 110 μονάδες στο ίδιο διάστημα Ο πρώτος σκληρός δίσκος IBM 350 RAMAC (1956) Περίπου 100.000 πράξεις το δευτερόλεπτο
3 η Γενιά (1964-1971) Ολοκληρωμένα κυκλώματα (integrated circuit, IC, εφεύρεση των Jack St. Clair Kilby και Robert Noyce) Ρολόι συστήματος από χαλαζία (quartz) Ελαχιστοποίηση του μεγέθους Είσοδος από πληκτρολόγια, έξοδος σε οθόνες Λειτουργικά συστήματα (1964: IBM System/360, ο πρώτος υπολογιστής με λειτουργικό σύστημα) Ευρύτερη αποδοχή Νέες γλώσσες προγραμματισμού (Basic, Algol) Mini υπολογιστές
4 η Γενιά (1972-σήμερα) Μικροεπεξεργαστές (κεντρικές μονάδες επεξεργασίας των μικρουπολογιστών) Μικροεπεξεργαστής: ολοκληρωμένο κύκλωμα πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI), περιέχει όλα τα μέρη της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας Πολύ μεγάλη μείωση του μεγέθους, με αντίστοιχη τεράστια αύξηση των αποθηκευτικών χώρων και των υπολογιστικών ταχυτήτων Μικροεπεξεργαστές: Intel 4004 (1969), 8008 (1971), 8080 (1974) Σειρά Intel x86, ξεκινά το 1978 με τον 8086 (8088, 80286, 80386 ) Φιλικά λειτουργικά συστήματα (GUI: Graphic Users Interface: Mac OS, Windows)
Διάφοροι μικροϋπολογιστές: Sinclair ΖΧ-80 στην Αγγλία (1980): επεξεργαστής Z80 στα 3.25 MHz, 1 KB RAM and 4 KB ROM που περιείχε την Sinclair BASIC, έναν editor και το λειτουργικό σύστημα (τηλεόραση, απλό κασετόφωνο) ΖΧ-81 (1981), ΖΧ-Spectrum (1982) BBC (1981): επεξεργαστής 2 MHz, 16-128 KB RAM Commodore 64 στις ΗΠΑ (1982): 1 MHz επεξεργαστή, 64 KB RAM, έγχρωμα γραφικά (320 x 200, 16 χρώματα) Amstrad CPC (1984): επεξεργαστής Zilog Z80A στα 4 MHz και μνήμη 64-576 KB
IBM PC (Personal Computer, 1981): επεξεργαστής Intel 8088 (4.77 MHz), οδηγός δισκέττας (floppy disk drive), μνήμη 256 KB max. Λειτουργικό σύστημα DOS, γραμμή εντολών. IBM AT (1984): επεξεργαστής Intel 80286 στα 6 MHz, 20 ΜΒ σκληρό δίσκο Macintosh (Mac) της Apple (1984): Ο πρώτος προσωπικός υπολογιστής με ποντίκι και λειτουργικό σε ρυθμό γραφικών, φιλικό προς τον χρήστη
Amiga 1000 (1985), επεξεργαστής Motorola, έγχρωμα γραφικά από 32 έως 16,8 εκατομμύρια χρώματα και ήχο. Atari ST (1985) Intel 386, 486 Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium 4, Xeon, Celeron, Intel Core i7, επεξεργαστές AMD (έως 3,7 GHz) 64-bit x86-64 μονο, διπλο, και τετραπύρηνοι επεξεργαστές RAM (Random Access Memory), συνήθη τα 4 GB, ταχύτητες μεταφοράς έως και 12800 MB/s για τις DDR3-1600
Εξέλιξη της χωρητικότητας των σκληρών δίσκων
Λειτουργικά συστήματα OS/360 (1964) για τον IBM System/360 TOPS-10 (1967): από την εταιρεία DEC για τον PDP-10 (DECsystem-10) mainframe UNIX (1969-70): αναπτύχθηκε από τους Ken Thompson, Dennis Ritchie, Douglas McIlroy, και Joe Ossanna των Bell Labs της AT&T KRONOS και αργότερα το NOS (δεκαετία 1970) CP/M (1973-74): από τον Gary Kildall για υπολογιστές που χρησιμοποιούσαν επεξεργαστές Intel 8080 MS-DOS (1982): για τον ΙΒΜ PC (Intel 8088) Mac OS (1984): για τον Macintosh Microsoft Windows (Windows 1.0, Νοέμβριος 1985) Linux (1991): Unix, ανοικτού κώδικα και δωρεάν, στηρίχθηκε στον πυρήνα που δημιουργήθηκε από τον Linus Torvalds.
Πολυμέσα (multimedia) Συνδυασμός κειμένου (text), εικόνας (image), ήχου (audio, sound), κινούμενου σχεδίου (animation) και βίντεο (video) ή συνδυασμού τους Ολοκληρωμένο ψηφιακό περιβάλλον Διαδραστική πλοήγηση του χρήστη Ποντίκι, κάρτα ήχου και ηχεία, προηγμένη κάρτα γραφικών Προγράμματα αναπαραγωγής