2015 reader - geschiedenis F. Vonk versie 1 21-11-2015
inhoudsopgave 1. inleiding... - 2-2. de eerste rekenmachines... - 2-3. de eerste computers... - 4-4. moderne computers... - 6-5. intern geheugen... - 11-6. opslagmedia... - 11-7. invoerapparatuur... - 13-8. beeldschermen... - 15 - Dit werk is gelicenseerd onder een Creative Commons Naamsvermelding NietCommercieel GelijkDelen 3.0 Unported licentie De afbeelding op het voorblad is verkregen via INFOwrs. Copyright 2010 INFOwrs Serviços em informatica. - 1 -
1. inleiding "Wie zijn geschiedenis kent, is klaar voor de toekomst." Er zijn veel varianten van deze uitspraak en de reden dat we bij informatica ook naar een stukje geschiedenis kijken. Dus welkom bij de reader geschiedenis. We nemen je in vogelvlucht mee door de tijd vanaf het punt dat we als oorsprong van de computer zien. Let op, links in dit document hebben een rode kleur. 2. de eerste rekenmachines Computers zijn in essentie rekenmachines die we als mens kunnen programmeren. De eerste rekenmachine, de Pascaline, stamt uit 1642 en werd ontwikkeld door Blaise Pascal. Het was een mechanische rekenmachine die in het begin alleen kon optellen maar later ook getallen van elkaar kon aftrekken. Figuur 1: een Pascaline 1 In 1821 ontwierp Charles Babbage een mechanische geautomatiseerde rekenmachine om wiskundige tabellen te genereren. Hij noemde de machine de "Difference Engine". Het idee was om machines wiskundige tabellen te laten genereren in plaats van mensen omdat dit minder foutgevoelig is. Vanwege de complexiteit van de machine en geldgebrek is deze echter nooit echt gebouwd. 1 commons.wikimedia.org/wiki/file:arts_et_metiers_pascaline_dsc03869.jpg - 2 -
Figuur 2: deel van een Difference Engine 2 In 1834 begon Charles Babbage met een nieuw project om een mechanische programmeerbare rekenmachine te maken. Deze machine heette de "Analytical Engine". Deze machine wordt gezien als de voorloper van onze moderne computers. De Analytical Engine kon beslissingen nemen, berekeningen maken en uitkomsten onthouden. Helaas is de Analytical Engine ook nooit gebouwd, om dezelfde redenen als de Difference Engine. Het apparaat kon invoer krijgen via ponskaarten, zie Hoofdstuk 6. In 1841 ontwierp Charles Babbage de Difference Engine 2. Dit was de opvolger van de Analytical Engine en hij was veel kleiner. Nochtans heeft Charles Babbage ook deze machine nooit gebouwd zien worden. Pas in 1991 werd de eerste versie van de Difference Engine 2 verwezenlijkt. Figuur 3: Difference Engine 2 uit 1991 3 2 commons.wikimedia.org/wiki/file:babbagedifferenceengine.jpg - 3 -
Charles Babbage werkte in zijn tijd veel samen met Ada Byron King (ook wel Ada Lovelace genoemd). Zij schreef het eerste computer programma voor de Analytical Engine 4. Omdat de machine in haar tijd nooit is voltooid heeft ze haar programma nooit zien werken. De programmeertaal Ada is naar haar vernoemd. In 1884 ontwikkelde Herman Hollerith een elektronische telmachine die ook daadwerkelijk gebouwd werd. Deze werkte met ponskaarten als medium voor gegevensinvoer. Deze machine werd onder andere gebruikt voor volkstellingen in de Verenigde Staten, maar is verkocht over de hele wereld. Uit het bedrijf van Hollerith en fusies met andere bedrijven is uiteindelijk IBM ontstaan. 3. de eerste computers De rekenmachines uit het vorige hoofdstuk waren allen mechanisch 5. Het nadeel van mechanische apparaten is dat er veel bewegende delen inzitten en ze daarom relatief snel slijten en storingen geven. Aan het begin van de 20 e eeuw werd de elektronenbuis uitgevonden. Deze maakte het mogelijk om complexe elektronische apparatuur te maken. Figuur 4: een elektronenbuis 6 In 1941 was de bouw van eerste werkende en programmeerbare computer gereed, de Zuse Z3. Deze computer was elektromechanisch van aard en werd ontwikkeld door de Duitser Konrad Zuse. 3 commons.wikimedia.org/wiki/file:050114_2529_difference.jpg 4 Omdat vrouwen in deze tijd geen onderwijs mochten volgen was dit een opmerkelijke situatie. 5 De oplettende lezer herinnert zich misschien nog dat de machine van Herman Hollerith elektrisch was. Echter dat was een telmachine en geen rekenmachine. 6 commons.wikimedia.org/wiki/file:vacuumtube1.jpg - 4 -
Figuur 5: replica van de Zuse Z3 7 Tijdens de tweede wereld oorlog ontwikkelde de Engelsman Tommy Flowers de eerste programmeerbare elektronische computer, genaamd de Colossus. De bouw ervan werd afgerond in 1943. Deze computer werd gebruikt om gecodeerde berichten van de Duitsers te ontcijferen. De Colossus bevatte ongeveer 1500 elektronenbuizen. Figuur 6: reconstructie van de Colossus (1994-2006) 8 7 en.wikipedia.org/wiki/file:z3_deutsches_museum.jpg 8 en.wikipedia.org/wiki/file:colossusrebuild_11.jpg - 5 -
De opvolger van de Colossus was de Colossus Mark II die zo'n 2400 elektronenbuizen bevatte en ongeveer 5 keer zo snel was als zijn voorganger. Lange tijd werd gedacht dat de, in 1946 voltooide, ENIAC de eerste computer was. De reden hiervoor is tweeledig. Ten eerste, de computer van Konrad Zuse werd vernietigd, tezamen met alle documentatie, tijdens de tweede wereld oorlog. Ten tweede, de Engelsen hielden hun Colossus Mark I lange tijd geheim. De ENIAC is echter wel de eerste general-purpose computer. De Zuse Z3 en de Colossus werden namelijk gebouwd om specifiek problemen aan te pakken. Figuur 7: de ENIAC 9 De ENIAC was zo groot dat je enkele klaslokalen nodig had om hem in te zetten. Hij besloeg een oppervlakte van zo'n 167 m 2. De machine kostte bijna 500.000 dollar. Hij bestond uit ongeveer 17.500 elektronenbuizen en woog meer dan 27 ton. 4. moderne computers Met de komst van de transistor, halverwege de 20 e eeuw 10, werd het mogelijk computers te maken die veel kleiner waren dan de apparaten die gebruik maakten van elektronenbuizen. Een transistor is een halfgeleider die elektrische signalen kan versterken en kan schakelen op basis van zulke signalen. 9 en.wikipedia.org/wiki/file:eniac.jpg 10 De eerste transistor werd al in de vroege 20 er jaren van de 20 e eeuw gemaakt. Dit was echter een prototype en pas vele jaren later was de transistor rijp voor gebruik op grote schaal. - 6 -
Figuur 8: transistors 11 Computers op basis van elektronenbuizen noemen we eerste generatie computers. Computers op basis van transistors (zie School TV: De transistor) noemen we tweede generatie computers. Een heleboel transistors (schakelaars) bij elkaar noemen we een schakeling. Als we schakelingen bij elkaar in een behuizing stoppen noemen we dat een geïntegreerde schakeling, in het Engels een IC (integrated circuit) of chip genaamd. Computers op basis van geïntegreerde schakelingen noemen we derde generatie computers. Figuur 9: geïntegreerde schakelingen, ofwel chips 12 Weer later werd het mogelijk transistors zo klein te maken dat een hele microprocessor in één chip paste. Hiermee brak de tijd van de vierde generatie computers aan. Figuur 10: de eerste microprocessor, de Intel 4004 13 11 commons.wikimedia.org/wiki/file:transistorer_%28croped%29.jpg 12 en.wikipedia.org/wiki/file:microchips.jpg - 7 -
Figuur 11: een moderne microprocessor 14 De eerste general-purpose microprocessor, de Intel 4004, bevat ongeveer 2.300 transistors. Een moderne Intel i7 processor bevat er zo'n 731 miljoen. De snelste processoren van dit moment bevatten ruim meer dan 2 miljard transistors. Op de link Wikipedia: aantal transistors vind je een overzicht van processoren en het aantal transistors waaruit ze zijn opgebouwd. interessante links: www.howstuffworks.com/microprocessor6.htm www.webopedia.com/didyouknow/hardware_software/2002/fivegenerations.asp Rond 1970 was het nog helemaal niet duidelijk dat het gebruik van computers zo belangrijk zou worden. De eerste computers waren namelijk dusdanig groot dat alleen wat overheden en grote bedrijven ze bezaten. IBM beweerde dat er wereldwijd niet meer dan een stuk of 7 computers nodig zouden zijn. Het tijdschrift "Popular Mechanics" voorspelde dat er ooit een computer zou komen die slechts 1.500 kilogram zou wegen. Maar zelfs tot aan het begin van de tachtiger jaren deden grote namen in de computerwereld uitspraken waaruit blijkt dat men zelfs toen nog de opmars van de computer enorm onderschatte. Zo zei Ken Olsen (oprichter van DEC; Digital Equipment Corporation) in 1976: "There is no reason for any individual to have a computer in his home." Ook Bill Gates (oprichter van Microsoft) schijnt in 1981 te hebben gezegd: "640K RAM ought to be enough for anybody." Computers van voor 1970 hadden nog niet de beschikking over een beeldscherm. De uitvoer ging naar een ponsband of ponskaart, zie Hoofdstuk 6, en later naar een printer. Pas toen er een uitvoermogelijkheid kwam naar een beeldscherm werden de computers echt interactief. De eerste beeldschermen waren monochroom (één kleur). Zwarte achtergrond met groene of amberkleurige letters. Ook gebruikte men vaak een TV. 13 en.wikipedia.org/wiki/file:intel_4004.jpg 14 www.howstuffworks.com/microprocessor6.htm - 8 -
Figuur 12: de Sinclair ZX-81 15 In 1971 lanceerde Intel de eerste general-purpose microprocessor, de Intel 4004. Deze CPU had een kloksnelheid van 740 kilohertz en bestond, zoals al eerder vermeld, uit zo'n 2300 transistors. Vanaf dat moment werden computers in een rap tempo steeds kleiner en goedkoper met als gevolg dat in ongeveer 1975 computers dusdanig klein en goedkoop waren dat ook consumenten ze konden aanschaffen. Van enige standaardisatie was toen nog helemaal geen sprake. Er werd gebruik gemaakt van verschillende typen microprocessoren die je op verschillende manier moest programmeren en gebruiken. Dus software gemaakt voor het ene computermerk werkte niet op een ander merk. Enkele namen van destijds bekende merken en typen: de Apple I, de Apple II, de TRS-80, de Commodore PET (Personal Electronic Transactor), VIC-20, de Commodore 64, de Sinclair ZX-80 en ZX-81, de BBC Micro en de Acorn-Atom en de MSX. Bij IBM werden tot dan toe vooral grote centrale computersystemen gemaakt waarbij de gebruikers door middel van zogenaamde terminals verbonden waren met die centrale computer. Kennelijk zag IBM toch wel heil in het idee van iedereen zijn eigen computer en zo werd rond 1980 de PC (Personal Computer) ontwikkeld. Om het allemaal zo goedkoop mogelijk te maken deden ze zo min mogelijk zelf maar kochten ze de componenten bij andere bedrijven. Zo kreeg Microsoft, een toen nog onbekend bedrijfje, de opdracht een besturingssysteem te leveren. Op hun beurt kocht Microsoft zelf eerst QDOS (Quick and Dirty Operating System) van weer een ander bedrijf en verkocht alleen de rechten op het gebruik daarvan aan IBM, dat het onder de naam PC-DOS (Personal Computer Disk Operating System) met hun computers mee leverde. Omdat de specificaties van de PC voor $49 bij IBM verkrijgbaar waren en Microsoft het besturingssysteem ook aan andere bedrijven mocht verkopen (onder de naam MS-DOS) was het aantrekkelijk voor andere bedrijven om ook personal computers te gaan bouwen. Het enige dat IBM niet vrijgaf was het BIOS (Basic Input and Output System), waar je in de module over hardware meer over leert. Maar enkele 15 upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/31/sinclair_zx81.jpg - 9 -
bedrijven ontwikkelden zelf een BIOS en boden dat te koop aan waardoor het voor veel bedrijven mogelijk werd een echte IBM-compatible PC te bouwen. Belangrijk was daarbij natuurlijk wel dat ze dat ook goedkoper konden doen dan IBM. Deze ontwikkelingen zorgden onder andere voor de doorbraak van de PC. De eerste PC modellen hadden een karakter georiënteerd (character based) beeldscherm. Dat hield in dat er een vast en beperkt aantal tekens op kon worden afgebeeld. Maar toen de PC steeds sneller werd, werd het daarmee ook mogelijk het besturingssysteem uit te breiden met een grafische gebruikersinterface (GUI; Graphical User Interface). Dit zorgde voor de grootschalige doorbraak van de PC. Microsoft speelde hierop in door het programma Microsoft Windows te ontwikkelen. Eerst nog als apart programma op MS-DOS, maar later werd Windows met het uitkomen van Windows 95 in het besturingssysteem geïntegreerd en is het dat nu nog steeds. Naast de PCs met het Microsoft besturingssysteem is vooral Apple erin geslaagd met een eigen besturingssysteem overeind te blijven. Dat lukte Apple vooral door al in een vroeg stadium een besturingssysteem met GUI te ontwikkelen en zich te concentreren op de markt van de desktop publishing (DTP). Nog steeds vind je Apple computers vaak bij drukkers, ontwerpers, reclamebureaus enzovoorts. Nieuw rond 1980 was de opkomst van de muis. Met de komst van de GUI, kwam er behoefte aan een zogenaamd pointing device, zoals de muis of het touchpad, om die GUI handig te bedienen. Er is nu nog nauwelijks een systeem denkbaar dat geen pointing device heeft, maar voor 1980 deed men alles met het toetsenbord. De eerste computer met een muis was de Xerox Star. Maar de muis is vooral bekend geworden bij de Apple computer. Figuur 13: één van de eerste Apple muizen 16 Nog steeds zijn er veel ontwikkelingen gaande. Computers worden met name kleiner en geavanceerder. Veel mensen hebben tegenwoordig een laptop of netbook en een smartphone. Dit zijn allemaal resultaten van de ontwikkelingen op het gebied van de computer. 16 techspce.com/home/wp-content/uploads/2012/04/old_apple_mouse_01.jpg - 10 -
5. intern geheugen De eerste computers beschikten over geen of weinig intern geheugen. De meesten gebruikten ponskaarten niet alleen als opslag medium voor instructies en data maar ook om tijdelijke gegevens op te slaan. Het gebrek aan echt intern geheugen maakte de oude computers traag. Het werd zelfs de belangrijkste bottleneck toen de rekensnelheid van de computers sterk begon toe te nemen. Daarom begon eind jaren veertig van de 20 e eeuw de ontwikkeling van het intern geheugen. Via Delay Line Memory en Magnetic Core Memory werd in 1966 uiteindelijk het DRAM (Dynamic Random Access Memory) uitgevonden door Robert Dennard. Figuur 14: a DRAM IC 17 De uitvinding van het DRAM was een enorme doorbraak in de ontwikkeling van de computer omdat de opslagcapaciteit duizenden malen groter was dan bij zijn voorgangers. Ook de toegangstijden voor dit geheugen waren nog eens veel kleiner. Het DRAM van toen vormt feitelijk nog steeds de basis voor het RAM dat we tegenwoordig in computers aantreffen. Sinds de uitvinding van het eerste DRAM heeft de ontwikkeling niet stilgestaan. Zo hebben we (SDR-) SDRAM, DDR-SDRAM, GDDR-SDRAM. Over deze soorten RAM leren we meer als we naar de hardware van computers gaan kijken. 6. opslagmedia Zoals we gezien hebben was één van de eerst opslagmedia voor instructies en data de ponskaart. Later werd deze vervangen door de ponsband. Deze laatste werkt feitelijk hetzelfde als een ponskaart maar is handiger omdat je niet steeds kaarten hoeft te wisselen. 17 en.wikipedia.org/wiki/file:mt4c1024-hd.jpg - 11 -
Figuur 15: een ponskaart 18 Figuur 16: ponsbanden 19 Ook ponsbanden werden doorgaans als onhandig beschouwd, omdat ze fragiel waren, en werden na verloop van tijd vervangen door magnetische banden (tapes). Omdat tapes slijtage gevoelig en traag zijn en je ze altijd mee moet nemen ging men op zoek naar snellere en interne opslag. Als gevolg daarvan introduceerde IBM in 1956 de harde schijf (hard disk). Figuur 17: een harde schijf van binnen gezien 20 Echter, het feit dat tapes draagbaar zijn en harde schijven niet betekende dat men voor het transport van data nog steeds aangewezen was op tapes. Begin jaren zeventig deden de floppy disks hun intrede als vervanging van tapes. 18 en.wikipedia.org/wiki/file:blue-punch-card-front-horiz.png 19 commons.wikimedia.org/wiki/file:papertapes-5and8hole.jpg 20 en.wikipedia.org/wiki/file:hard_disk_dismantled.jpg - 12 -
Figuur 18: 8", 5¼" en 3½" floppy disks 21 Omdat floppy disks nog steeds kwetsbaar zijn en gevoelig voor externe magnetische invloeden werd niet veel later de CD (Compact Disc 22 ) geïntegreerd met de computer. Hiermee nam ook de hoeveelheid data die op één schijfje paste drastisch toe. Het gebruik van DVD (Digital Versatile Disc) was een logische opvolger van de CD Omdat ook CD en DVD nog kwetsbare media zijn werd begin jaren negentig van de 20 e eeuw het flash geheugen uitgevonden. We zien dit geheugen terug in CompactFlash (CF) en Secure Digital (SD) kaarten maar ook als USB memory stick. Ook Blu-ray Discs hebben intussen hun intrede gedaan in de computerwereld. interessante links: cs-exhibitions.uni-klu.ac.at/index.php?id=187 7. invoerapparatuur Waar de eerste computers bediend werden met knoppen en schakelaars op de computer zelf hebben we tegenwoordig toetsenborden, muizen, joysticks, trackballs enzovoorts. Het toetsenbord stamt uit ongeveer de eind zestiger jaren van de 19 e het gebruikt werd in teleprinterachtige apparatuur. eeuw toen 21 en.wikipedia.org/wiki/file:floppy_disk_2009_g1.jpg 22 Het is opmerkelijk dat we hard disk met een k op het einde schrijven en compact disc met een c. Dit verschil was aanvankelijk toe te schrijven aan het verschil tussen US en UK English. Echter, tegenwoord wordt de spelling met een k gebruikt voor magnetische opslagmedia en die met een c voor optische opslagmedia (en.wikipedia.org/wiki/spelling_ of_disc). - 13 -
Figuur 19: de Hughes Telegraph 23 Zo'n honderd jaar later deed het toetsenbord zoals we het nu kennen zijn intrede. Ondanks dat sinds die tijd de ontwikkelingen op computergebied in een stroomversnelling zijn geraakt is de vorm van het toetsenbord sindsdien niet heel veel veranderd. Met de komst van touchscreens zien we eigenlijk pas een waardige opvolger van het oude toetsenbord, al worden bij touchscreens ook vaak software toetsenborden gebruikt. Het eerste prototype van een muis stamt uit 1963 en werd gepatenteerd in 1970. De muis is uitgevonden door Douglas Engelbart. Figuur 20: de eerste computer muis 24 Verrassend genoeg is de muis later uitgevonden dan de trackball die al in 1952 werd gemaakt. Deze trackball was echter niet bijzonder praktisch aangezien hij gebruik maakte van een echte bowling bal. Figuur 21: de eerste trackball 25 23 en.wikipedia.org/wiki/file:hughes_telegraph.jpg 24 en.wikipedia.org/wiki/file:firstmouseunderside.jpg 25 en.wikipedia.org/wiki/file:datar_trackball.jpg - 14 -
8. beeldschermen Ook de manier waarop computers feedback geven aan hun gebruiker is door de jaren heen sterk veranderd. In het begin kon een gebruiker alleen uitvoer van een computer krijgen via een ponskaart of ponsband. In 1897 vond de Duitser Ferdinand Braun de CRT (Cathode Ray Tube) uit. Hiermee werd het mogelijk om computers te voorzien van beeldschermen zodat ze veel gebruiksvriendelijker werden. De vroege versies van de laptop hadden CRT schermen ingebouwd. Figuur 22: een Philips P2000C 26 Het nadeel van CRT is de beeldbuis die veel plaats in beslag neemt. Bovendien zijn open CRT schermen gevaarlijk omdat ze met hoogspanning werken. Zelfs schermen die al jaren niet meer aangesloten zijn geweest op het lichtnet kunnen nog steeds een dodelijke stroomstoot afgeven. Alhoewel vloeibare kristallen (liquid crystals) al in 1888 ontdekt werden, deed de eerst standalone LCD (Liquid Crystal Display) monitor pas zijn intrede halverwege de negentiger jaren van de 20 e eeuw. Het voordeel van LCD monitoren was dat ze veel energiezuiniger en platter waren dan CRT monitoren. De LCD technologie werd al snel verbeterd door er TFT (Thin Film Transistor) technologie aan toe te voegen. De LCD monitoren die je tegenwoordig koopt zijn dan ook vrijwel allemaal TFT-LCD schermen. De laatste trend op het gebied van LCD schermen is het vervangen van de traditionele backlighting door LED (Light- Emitting Diode) of OLED (Organic LED) backlighting. Al waren touchscreens mogelijk met CRT monitoren, de uitvinding van LCD monitoren heeft de weg geopend naar een grote hoeveelheid toepassing om invoer en uitvoer samen te voegen. interessante links: www.z80.eu/philipsp2000c.html 26 www.z80.eu/philipsp2000c.html - 15 -