Osobné počítače

1. Čo je počítač

Počítač je zariadenie na spracovávanie informácií. Počítače spracovávajú informácie, teda dáta, uložené v binárnej podobe, preto patria medzi digitálne technológie. Veda, ktorá sa zaoberá pracou s informáciami a počítačmi, je informatika.

Pozri si anglické video o tom, čo sú a ako vznikli počítače:

Kľúčové pojmy

1.1. Schéma počítača

Skôr ako si podrobnejšie rozoberieme na jednotlivé časti hardvéru počítača,pozrime si anglické video o tom, ako funguje počítač:

Teoretická idea počítača

Von Neumannova schéma

Podľa tejto schémy sa počítač skladá z piatich hlavných modulov:

• operačná pamäť: slúži k uchovávaní spracovávaného programu, dát a výsledkov výpočtu
• ALU – Arithmetic-logic Unit (aritmetickologická jednotka): vykonáva všetky aritmetické výpočty a logické operácie; vie sčítať, násobiť a porovnávať
  
• radič: riadiacia jednotka, ktorá ovláda činnosť všetkých častí počítača pomocou riadiacich signálov, ktoré sú zasielané jednotlivým modulom; tie zasielajú radiču späť stavové hlásenia
• vstupné zariadenia: zariadenia určené pre vstup programu a dát
• výstupné zariadenia: zariadenia určené pre výstup výsledkov, ktoré program spracoval

Vo von Neumannovej schéme je možné ešte vyznačiť ďalší dôležitý modul spojením dvoch predcházajúcich modulov:

Ako to funguje

Do operačnej pamäte sa zo vstupného zariadenia cez ALU umiestni program, ktorý vykonáva výpočet. Rovnako sa do operačnej pamäte nahrajú dáta na spracovanie. Prebehne vlastný výpočet, ktorého jednotlivé kroky vykonáva ALU. Celý proces je riadený radičom počítača. Medzivýsledky sú ukládané do operačnej pamäte. Po skončení výpočtu sa výsledky pošlú cez ALU na výstupné zariadenie.

Dnešné počítače

Základné odlišnosti dnešných počítačov od von Neumannovej schémy:

• Podľa schémy počítač pracuje vždy nad jedním programom. Toto vedie k zlému využitiu strojového času. Takže dnes počítač spracováva paralelne viac programov naraz – tzv. multitasking.
  
• Počítač môže dnes disponovať viacerými procesormi.
• Dnes existujú kombinované vstupno-výstupné zariadenia.
  
• Program se do pamäte nemusí zaviesť celý, ale je možné zaviesť iba jeho aktuálnu časť.

1.2. História počítačov

Pozri si anglické video o tom, čo sú a ako vznikli počítače:

Výpočtové pomôcky

Pomôcky na zložitejšie výpočty sa používajú už od staroveku. Rimania ich volali abacus. Dodnes sa používajú napríklad v Číne a Japonsku.

Prvý dochovaný počítací stroj vytvoril v roku 1642 francúzsky matematik a filozof Blaise Pascal (1623 – 1662). Pascalov mechanický stroj bola akási sústava ozubených kolies s automatickým prenosom do vyššieho rádu. Pomocou stroja bolo možné sčítať a odčítať šesťciferné čísla.

V roku 1673 postavil nemecký matematik a filozof Gottfried Wilhelm Leibnitz (1646 – 1716) stroj, na ktorom bolo možné sčítať, odčítať, násobiť a deliť. Okrem toho si Leibnitz ako prvý uvedomil, že pre počítacie stroje je výhodné používať binárny zápis čísel. Princíp ozubených kolies sa ďalej rozvíjal a je dodnes používaný u mechanických kalkulačiek a pokladní. Všetky tieto počítacie prístroje však boli len pasívnymi pomôckami.

Programovateľný stroj

Na nápad použiť programové riadenie k postupnému vykonávaní zložitejších výpočtov prišiel v roku 1833 Angličan Charles Babbage (1791-1871), ktorý sa snažil zostrojiť univerzálny počítací stroj. Mal sa volať Analytical Engine a mal byť pohánený parným strojom a ovládaný programom na diernych štítkoch.

Hoci na ňom Babbage pracoval takmer štyridsať rokov, nepodarilo se mu ho dokončiť, lebo realizácia prevyšovala vtedajšie technické možnosti. No sformuloval základné, dodnes platné princípy počítača riadeného programom. Analytical Engine je možné považovať za prvý samočinný počítač v histórii.

Prvé elektronické počítače

K ďalšiemu rozvoju kybernetiky a informatiky došlo počas Druhej svetovej vojny, keď bolo treba dešifrovať nemecké vojenské správy. Vznikli prvé samočinné počítače na báze elektrických relé.

V roku 1946 bol v USA skonstruovaný a 15. februára 1946 uvedený do prevádzky prvý samočinný počítač ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer). V tomto počítači boli použité elektrónky. Bolo to obrovské nevzhľadné zariadenie s 18 000 vákuovými elektrónkami, 10 000 kondenzátormi, 70 000 odpormi a 1 300 relé, ktoré bolo chladené dvomi leteckými motormi. Počítač zaberal 150 m zastavenej plochy a vážil asi 40 ton.

Generácie počítačov

1.3. Platforma PC

Osobný počítač je samotný počítač s jeho vstupnými a výstupnými jednotkami.

IBM PC

Veľký zlom v rozvoji osobních počítačov nastal v roku 1981, keď na trh mikropočítačov vstúpila firma IBM s mikropočítačom IBM PC (Personal Computer – osobný počítač). IBM PC byl orientovaný na profesionálnych používateľov a používal operačný systém MS DOS od firmy Microsoft. V roku 1983 sa objavil zdokonalený IBM PC/XT, ktorý mal už zabudovaný pevný disk typu winchester a hodinovú frekvenciu 4,77 MHz. Dáta bolo možné ukladať na 5¼-palcové diskety s kapacitou 360 kB.

Lepšie mikroprocesory

Firma Intel navrhla v roku 1981 nový mikroprocesor i80286, ktorý podporoval virtuálnu pamäť a multiprogramové viacpoužívateľské prostredie. Na tomto procesore postavila firma IBM rad počítačov IBM PC/AT.

Firma Intel uviedla na trh v roku 1985 32-bitový mikroprocesor i80386, ktorý začínal s hodinovou frekvenciou 16 MHz. Postupne pribudli rýchlejšie verzie. Na tento rad mikroprocesorov v roku 1994 nadviazal procesor Intel P 5, označovaný ako Pentium. V roku 2012 potom prestavil Intel poslednú generáciu procesorov Intel i3, i5 a i7.

2. Hardvér a softvér

Hardvér je technické vybavenie počítača, zatiaľčo softvér je programové vybavenie počítača. Softvér je uložený v binárnej podobe v pamäti počítača alebo na pamäťovom disku. Jednotlivé programy sú zápisom algoritmov. Slovo algoritmus označuje postup riešenia úlohy rozdelený do jednotlivých krokov v určenom poradí.

Pozri anglické video, ktoré vysvetluje, čo je hardvér a softvér na počítači a ako to funguje:

2.1. Hardvér

Hardvér označuje súhrn technického vybavenia počítača. Ako sme už videli, počítač môžeme zjednodušene rozdeliť na štyri časti:

• vstupné zariadenie
• pamäť, kde máme uložené dáta
  
• základnú dosku s CPU, kde prebieha spracovanie dát
• výstupné zariadenie

Základná doska

Základná doska (mainboard či motherboard) je doska plošného spoja s mnohými elktronickými prvkami, ktorá viacmenej určuje základné vlastnosti počítača. Okrem iného obsahuje:

• procesor
• čipová sada
  
• operačná pamäť
  
• zbernice na pevné disky a rozširujúce karty
• porty (konektory) na pripojenie periférií
• hodiny

K základnej doske sú pripojené periferné zariadenia, ako napríklad vstupné a výstupné zariadenia.

Pamäte

Pamäte slúžia k ukladaní programov a dát, s ktorými počítač pracuje. Môžeme je rozdeliť do dvoch základných skupín:

• vnútorná (operačná) pamäť na základnej doske, kde je uložený prebiehajúci program a spracovávané dáta,
• vonkajšie (periferné) pamäte realizované pomocou výmenných médií, kam sa zápis zväčše vykonáva na magnetickej či optickej báze, a slúžia k dlohodobému uchovávaniu dát; sem patrí harddisk.
  

Iné delenie pamätí do dvoch skupín podľa toho, či do nich môžeme zapisovať:

• ROM (Read-Only Memory): pamäť, ktorá je určená len na čítanie; obsahuje ovládače (BIOS) k systému a rozširujúcim doskám,
  
• RAM (Random Access Memory): operačná pamäť pre čítanie a zápis, s ktorou pracuje procesor a určuje výpočtovú kapacitu počítača; po vypnutí sa obsah RAM vymaže.
  

2.2. Softvér

Softvér, programové vybavenie počítača, delíme na dve základné skupiny:

• systémový – to je operačný systém, pomocné programy (utility) a prekladače programovacích jazykov
  
• aplikačný – programy umožňujúce riešení špecifických úloh pre používateľov
  

Operačný systém

Aplikácie

3. Reprezentácia dát

Všetky dáta v počítači sú reprezentované pomocou 0 a 1 uložených v bitoch. Nech už sa jedná o software, text, obrázky, videá, zvuk, alebo čokoľvek iné. Pozrieme sa bližšie na dvojkovú sústavu a niektoré typy dát.

Kľúčové pojmy

3.1. Dvojková sústava

3.2. Text

Textovú informáciu si počítač ukladá v binárnej podobe. Znaky kódujeme pomocou tabuľky ASCII kódu, ktorá priraďuje každému znaku z klávesnice číselnú hodnotu. Klávesnica PC má 128 kláves, takže ASCII používa 7 bitov na každý znak.

Na kódovanie diakritických symbolov, iných abecied a ďalších znakov sa používa Unicode, ktorý na každý znak používa až 32 bitov. To umožňuje kódovanie vyše milióna rôznych znakov.

Podrobnejšie kódovanie textu vysvetľuje toto video:

3.3. Obraz

Rastrová grafika

Tak ako iné dáta, sú obrázky v počítači uložené v binárnej podobe. K zobrazovaniu grafiky používame sieť pixelov (štvorcových bodov), ktorú tiež označujeme ako raster. Jej rozmery určujú kvalitu, teda rozlíšenie obrázku.

V monochromatickom čiernobielom obrázku stačí na každý pixel 1 bit, takže kódovanie je jednoduché (1 – rozsvietený (biely) bod, 0 – nerozsvietený (čierny) bod), napr.:

	100111001
	011010110
	101101101
	110111011
	111010111
	111101111

To je 54 bitov. Po osemnásobnom zväčšení obrázok vyzerá takto:

Vektorová grafika

Obraz je možné reprezentovať tiež pomocou matematicky definovaných objektov: bodov, úsečiek, kriviek a polygónov. Geometricky reprezentovanú grafiku voláme vektorová a od rastrovej sa líši v niekoľkých kľúčových vlastnostiach:

• vektorovú grafiku možno ľubovolne zväčšovať a zmenšovať bez straty detailu, hladkosti čiar a podobne,

• vektorová grafika sa nehodí pre reprezentácii fotografií — prevod z rastrového snímača do kriviek je veľmi náročný,

• pamäťová a výpočtová náročnosť zobrazenia obrázku závisí od jeho komplexity, nie jeho rozlíšenia,

• vektorová reprezentácia je vhodná pre uchovávanie grafiky, ktorá sa bude opakovane používať v rôznom rozlíšení (loga, písma, atď.), najmä na webových stránkach.
  

Farebné modely

Na reprezentáciu farieb používame farebné modely, najmä RGB a CMYK. Model RGB (red, green, blue) je aditívny model miešania farieb, ktorý napodobňuje miešanie farebného svetla. Používa sa pri zobrazovaní na displejoch.

 

Model CMYK (cyan, magenta, yellow, black) je subtraktívny model, ktorý napodobňuje napr. miešanie vodových farieb. Používa sa predovšetkým pri tlači.

Dôležitým parametrom je hĺbka farebného modelu, tj. koľko bitov používa na reprezentáciu jedného pixelu. Každý farebný pixel potrebuje najmenej 3 bity, čo dovoľuje zobraziť iba 8 farieb. Ak je hĺbka 24 b, na každú farbu RGB modelu je 8 bitov, to je \(2^8 = 256 \) možných odtieňov, čiže celkový počet farieb vychádza:

\( 256^3 = 16,7 \times 10^6 \) farieb.

24b škálu farieb nazývame True Color. V praxi zaberie priveľa miesta v pamäti, a pritom obrázok nemáva viac ako 256 farieb, preto sa používajú farebné palety, ktorými sa zníži počet bitov na každý pixel.

Vyskúšajte si miešanie farieb v modelu RGB.

Vrstvy

Formáty obrázkov, ktoré umožňujú prácu s vrstvami, obsahujú viac obrázkov uložených vo vrstvách nad sebou ako sendvič. Poradie vrstiev a ich viditeľnosť môžeme meniť. Vrstvy umožňujú využiť priesvitnosti.

Ak chceme výsledný obrázok uložiť vo formáte, ktorý vrstvy nepodporuje, zlúči sa výsledok do jednej vrstvy tak, ako je obrázok zobrazený v editore.

Alfakanál

Niektoré formáty obrázkov umožňujú mať priesvitné pozadie. U takých obrázkov je tzv. alfakanál, ktorý sa ukazuje tam, kde nie sú žiadne farebné pixely. Alfakanál sa väčšinou ukazuje ako šachovnica. Obrázky bez priesvitnosti majú každý pixel ofarbený a pri vymazaní farby proste vyplnia pixel farbou pozadia.

3.4. Zvuk

Fyzikálne vzaté je zvuk vlnenie vzduchu. Môžeme si ho predstaviť ako kmitanie membrány, napr. v svojom uchu. Analógový zvuk môžeme zobraziť graficky ako spojitú krivku. Jeho digitalizácia spočíva v prevedení tejto krivky na postupnosť čísel, odmeraných v určitých intervaloch. Časová vzdialenosť jednotlivých bodov odpovedá frekvencii vzorkovania (sampling rate). Ďalším parametrom digitálneho zvuku je rozlíšenie, tj. množstvo bitov, ktoré zaberá každý bod. Napr. hudba na CD má vzorkovaciu frekvenciu 44,1 kHz (44100 vzoriek za sekundu) a rozlíšenie 16 bitov. Na obrázku dole je príklad vzorkovania zvuku v 4b rozlíšení (pripomeňme si, že 4 bity kódujú \( 2^4 = 16 \) hodnôt).

3.5. Kompresia

4. Zdroje

Literatúra

Obrázky