Počítače s kuriózním hardwarem

Martin Damek, 2007

Vývojové větve přináší zvláštnosti

Vývoj je nedílnou součástí našeho světa - přírody, společnosti i techniky. Jako takový je obecně velmi komplikovaný a závisí na obrovském množství okolních faktorů. Jeho schématickým znázorněním není v žádném případě pouhá přímá linie na sebe navazujících stále více zdokonalených prvků, ale dal by se lépe přirovnat k rozvětvenému stromu, který obsahuje mnoho větví. Přitom některé větve zasahují až do současnosti, zatímco jiné jsou ukončeny jako slepé. Právě slepé vývojové větve a starší etapy vývoje, které jsou již odlišné od současnosti, mohou někomu připadat jako poněkud zvláštní či kuriózní. V oblasti počítačového hardwaru tomu není jinak. Vyjma starších výpočetních pomůcek a nadčasového Babbageho mechanického počítače se počátky dají datovat do první poloviny dvacátého století. Přestože se jedná o relativně krátkou dobu, tak vývoj probíhal neuvěřitelnou rychlostí a umožnil vznik velkému množství nejrůznějších hardwarových řešení, právě i těch kurióznějších.

Počítače pracující v jiné než dvojkové soustavě

Desítková soustava vždy byla a je pro člověka velmi přirozená, protože vychází z počtu prstů na jeho rukách. Naprostá většina početních operací byla vždy prováděna v desítkové soustavě. Není proto zvlášť překvapivé, že některé první počítače si zachovaly provádění výpočtů v této soustavě, přestože z dnešního pohledu je pro výpočetní techniku mnohem příznačnější soustava binární, která je založena na konstrukci klopného obvodu a jeho dvou základních stavech - sepnuto, vypnuto. V dekadické soustavě byl navržen nejenom analytický počítač Charlese Babbage, ale i pozdější počítače jako Harward Mark I nebo ENIAC. Základní popis činnosti lze ukázat na zmiňovaném ENIACu. Počítání v desítkové soustavě zde bylo zvoleno, navzdory výhodám implementace ve dvojkové soustavě, právě z důvodu zvyklosti. Paměť obsahovala 20 střádačů, přičemž každý měl kapacitu deseti dekadických číslic. Každá číslice se ukládala do kruhu tvořeného 10 elektronkami. Z tohoto vyplývá, že se dalo maximálně uložit 20 desetimístných čísel. Střádač kombinoval vlastnosti sčítacího zařízení a ukládání čísel. ENIAC dokázal u těchto čísel rozlišovat jejich znaménko, porovnávat jejich velikost, sčítat, odčítat, násobit, dělit a spočítat druhé odmocniny. Neexistovala žádná centrální paměť a jednotlivé střádače byly rozmístěny v různých částech počítače, které bylo možné propojit.

Další, snad ještě zajímavější, je soustava trojková (ternární). Nejčastější implementací je symetrická trojková soustava, která se skládá ze 3 hodnot (-1, 0, +1). Záporná hodnota čísla je získána záměnou každé hodnoty -1 za +1 a naopak. To umožňuje snadné odčítání, kde stačí invertovat odečítané číslo a následně použít pouze operaci sčítání. Záporná i kladná čísla se dají zobrazit bez nutnosti využití znaménka. Kvůli těmto výhodám jsou některé operace výhodnější než ve dvojkové soustavě. Ternární soustava byla u výpočetních zařízení prakticky použita jen ojediněle. V roce 1840 vytvořil Thomas Fowler počítací stroj, který byl koncipován v této soustavě. Zajímavostí je také fakt, že byl celý vytvořen ze dřeva. Modernějším zařízením byl počítač Setuň, který byl sestaven roku 1958 v tehdejším Sovětském svazu na Moskevské státní univerzitě. Vývoj byl zahájen o dva roky dříve S. L. Sobolevem. Úkolem bylo vytvořit malý a levný počítač pro akademické prostředí. Kvůli nízké spolehlivosti elektronek byly na výrobu zvoleny polovodičové diody a feritové paměti, které byly speciálně implementovány pro ternární soustavu. Vykazovaly větší rychlost a spolehlivost za nižší spotřeby energie než obdobné binární řešení. Sovětským svazem byla však výroba těchto počítačů vnímána negativně a považována za pouhou výstřednost. Plánovaná výroba v Československu byla rovněž neúspěšná a žádný počítač nebyl exportován do zahraničí. V roce 1965 byla výroba ukončena a nahrazena výrobou klasických binárních počítačů. Do té doby bylo vyrobeno dohromady 50 počítačů a většina z nich byla využívána na univerzitách a ve výzkumných laboratořích.

Některé počítače založené na jiné než binární soustavě:

Počítač Rok výroby Stát Číselná soustava
Harward Mark I 1943 USA dekadická
ENIAC 1944 USA dekadická
IBM 650 1953 USA dekadická
IBM 7070/7072/7074 1960/1962 USA dekadická
IBM 360/370 1964/1970 USA binární i dekadická
Setuň 1958 Sovětský svaz ternární
EPOS 1 1963 Československo dekadická
EPOS 2 (ZPA 600) 1969 Československo dekadická
MSP 1965 Československo dekadická

Hydraulický počítač

Analogové počítače nemusejí pracovat jen s elektrickými nebo mechanickými jevy, ale dokážou pracovat i na hydraulickém principu. Jedním takovým případem je počítač MONIAC (Monetary National Income Automatic Computer), který je také někdy označován jako Financephalograph. Počítač vytvořil Novozélanďan Bill Phillips v roce 1949. Byl navržen za účelem dynamického modelování britské ekonomiky za pomocí hydraulického systému, kde voda představuje finanční toky. Samotný počítač byl zhruba 2 metry vysoký, 1,2 metru široký a na jeho výrobu byla využita široká škála materiálu, včetně součástek ze zastaralých bombardérů Lancaster. Skládal se ze soustavy průhledných plastových nádržek různých velikostí, které byly navzájem propojeny trubičkami. Každá nádržka symbolizovala jednotlivý prvek ekonomiky a obarvená voda sloužila jako peníze, které protékají napříč ekonomickým systémem. Voda byla pumpována ze spodní části do velké vrchní nádržky (státní pokladny) a v tomto okamžiku se stala příjmy. Potom mohla v určitém množství, které záleželo na nastavení, přetékat do nádržek umístěných níže, stejně jako vláda vynakládá peníze do potřebných resortů. Následné přelévání do spodnějších nádržek představovalo další vzájemné působení v ekonomice. Rovněž se dalo vodu pumpovat zpět nahoru a peníze se stávaly příjmy státu v podobě daní. Velikost daňového zatížení byla zajištěna různou rychlosti pumpování. Kromě pump byla rychlost proudění nastavována sérii záklopek a protizávaží. Výhodou Phillipsova stroje byla možnost ovlivňovat jednotlivé parametry přímo za běhu, čímž bylo docíleno chování jako v reálné ekonomice, kde změna dynamicky ovlivňuje celkový průběh.

Pneumatické obvody

Během padesátých až šedesátých let dvacátého století vyvstal požadavek, aby počítače dokázaly pracovat i v náročných podmínkách. Reakcí byl návrh zařízení s pneumatickými obvody. Jejich výhodou byla velká výpočetní kapacita na malém objemu, odolnost vůči vysokým teplotám i radiaci, ale na druhou stranu byly relativně pomalé. Pro některá průmyslová zařízení však byla rychlost dostačující. Základním prvkem byl pneumatický klopný obvod, který mohl být nastaven na jeden ze dvou stabilních stavů. Proud vzduchu se dostával dovnitř jedním vstupem a ven vycházel jen jedním ze dvou možných výstupů - buď 1 nebo 0. Směr proudění do daného výstupu se nastavoval za pomocí malého bočního vzduchového řídícího impulsu. Proud vzduchu dokonce setrvával ve vybraném výstupu, i když byl řídící impuls ukončen. Odlišný způsob řešení spočíval v umístění malé kuličky mezi výstupy. Kulička zapadla do jednoho výstupního otvoru a umožnila tím proudění vzduchu pouze druhým neblokovaným výstupem. Vývoj pneumatických obvodů pokračoval do poloviny šedesátých let, ale postupem času ztratil na významu, především kvůli rozvoji integrovaných obvodů.

Obrazovková paměť

Pokud je nějaké zařízení používáno k naprosto jinému účelu než je obvyklé, tak se dá lehce zařadit mezi kuriózní. Mezi taková zařízení určitě patří paměťová obrazovka a málokdo by dnes věřil, že dříve skutečně sloužila k ukládání dat. Základem pro obrazovkové paměti byl vynález Williamsovy trubice, která byla sestrojena během let 1946 a 1947 Fredericem Williamsem a Tomem Kilburnem na principu katodové trubice (CRT - Cathode Ray Tube). Bitová informace byla ukládána v podobě malé tečky elektrického náboje na CRT obrazovce. Jednotlivé tečky byly navzájem izolovány a dohromady tvořily pole, kde každý prvek podle typu náboje představoval jedničku nebo nulu. Čtení se provádělo kovovým snímačem na vnější straně obrazovky. Jelikož se náboj z obrazovky rychle vytrácel, tak bylo nutné uloženou informaci obnovovat průběžným čtením jednotlivých bodů a následným zaváděním náboje podle přečtených hodnot. Samotná CRT paměť musela být uložena v kovovém krytu, aby se zabránilo vnějšímu elektrickému rušení. V roce 1947 bylo dosaženo kapacity 2048 bitů. Obrazovkové paměti byly použity u různých počítačových modelů, např. IBM 701 a 702. Nakonec byly u novějších počítačů nahrazeny levnějšími feritovými paměťmi.

Hardwarově řešené multiprogramování

V dřívějších dobách byl výpočetní čas velmi drahý a periferní zařízení pomalá. Pokud prováděný program potřeboval přístup k vnějšímu zařízení, tak byl průběh programu pozastaven a aritmetická jednotka musela čekat, až periferie zpracuje svá data. Takovýto postup byl samozřejmě krajně neefektivní. První návrhy multiprogramování se objevily kolem roku 1960. Více různých programů bylo nahráno do paměti, přičemž první z nich se začal vykonávat. Pokud narazil na instrukci, která přistupovala k perifernímu zařízení, tak byl stav programu zaznamenán a další program, který byl uložený v paměti přistoupil ke zpracování. Takto se pokračovalo, dokud nebyly dokončeny všechny programy. Někdy se mohlo stát, že běžící program nemusel přistoupit k periferii ani po několik hodin. V každém případě multiprogramování bylo velkým přínosem. Počítač využívající multiprogramování byl v bývalém Československu například Epos 1, který byl vyvinut ve Výzkumném ústavu matematických strojů.

Diskety nejen k ukládání dat

Ještě nedávno bylo poměrně běžné používat k opakovanému ukládání dat diskety. Zajímavostí je skutečnost, že diskety nebyly původně pro takovou funkci vůbec určeny. Počítač IBM 370 byl prvním počítačem, který používal polovodičovou paměť pro zápis a čtení svého mikrokódu. Předchozí verze IBM 360 používala energeticky nezávislou paměť pouze pro čtení, ale u novějšího IBM 370 se obsah paměti ztrácel po vypnutí počítače. Z tohoto důvodu bylo potřeba mikrokód při každém zapnutí počítače opětovně nahrát do paměti. Obvykle se tohle řešilo za použití magnetické pásky. Jelikož byly pásky příliš velké a pomalé, tak IBM potřebovala nové rychlejší a menší přenosné paměťové zařízení, které by bylo zároveň levné. Proto v roce 1967 zadala IBM požadavek do svého vývojového střediska v San Jose v Kalifornii, aby jim takový prostředek pro nahrávání mikrokódu vytvořila. Za nedlouho byl vynalezen 8-palcový pružný disk s kapacitou 80 kilobytů. Původně disk nebyl nějak chráněn a brzy byl zašpiněn a poškrábán. Z tohoto důvodu byl uložen do plastového pouzdra. V roce 1971 se stal běžnou výbavou počítače IBM 370. O rok později byla vytvořena disketa i s možností zápisu a to už byl jen krůček od toho, aby se stala široce rozšířeným médiem pro ukládání a přenos malých datových objemů.


Použité zdroje

ENIAC Computer
Ternary Computer
Setun Computer
MONIAC Computer
Pneumatic Logic Elements
Williams Tube
Floppy disk