Prvé programovateľné stroje

V roku 1801 vymyslel francúzsky vynálezca Joseph Marie Jacquard tkáčsky stroj, v ktorom sa tkaný vzor vytváral pomocou dierkovaných kartičiek. Zmena kartičky spôsobila to, čo by inak bolo možné urobiť iba prestavaním celého stroja. Ihly prechádzali systémom dier na kartónových kartách, preťahovali nite a tak tkali látku. Umiestnenie dier na kartách určovalo vzor materiálu, preto na výrobu nového návrhu stačilo tkáčom vytvoriť novú súpravu kariet. Jacquard vystavil a predal svoj tkáčsky stroj priemyselníkom na svetovom trhu v Paríži v roku 1801. V priebehu 10 rokov sa predalo vyše 100 000 kusov tohto tkáčskeho stroja i napriek silnému odporu tkáčov, ktorých tento stroj pripravil o prácu.

Technológiu Jacquardovho stroja v roku 1834 použil Charles Babbage, na vylepšenie svojho diferenčného stroja (ang. Difference Engine) na analytický stroj (ang. Analytical Engine). Stroj navrhol tak, že mal obsahovať

•centrálnu výpočtovú aritmeticko logickú jednotku
•centrálnu riadiacu jednotku
•jednotku pre vstup dát
•jednotku pre výstup dát

Podnetom pre navrhnutie stroja boli časté chyby, ktoré sa nachádzali v logaritmických tabuľkách. Pôvodný diferenčný stroj mal teda na princípe newtonových diferenciálnych rovníc tabelovať logaritmy a trigonometrické funkcie aproximovaním polynomických funkcií. Analytický stroj však už mal byť programovateľný. Mal byť poháňaný parným motorom a rozmery 30x10 metrov. Vstupom pre zadávanie programov mali byť dierne štítky a výstupom tlačiareň, ploter kriviek a zvonček. Stroj mal tiež výsledok raziť na dierne štítky aby mohli byť neskôr znovu načítané. Stroj počítal v desiatkovej sústave s číslmi s pevnou rádovou čiarkou a mal dokonca i pamäť pre 1 000 čísel, z ktorých každé mohlo mať 50 platných cifier. Stavba stroja bola ale dosť nákladná preto Babbage požiadal o pomoc vládu. Potom čo projekt vládu stál 17 000 libier a stále nebol hotový, prestala sa oň zaujímať. Väčšina ľudí neprikladala novému stroju žiaden význam. Jednou výnimkou však bola komtesa Ada Augusta Lovelace legitímna dcéra Lorda Byrona, ktorá s Babbageom úzko spolupracovala. Navrhla niekoľko programov pre tento stroj, a preto je považovaná za prvého programátora na svete. Analytický stroj však nikdy nebol dokončený, pretože mechanické zariadenia požadovali presnosť a technológie, ktoré neboli v 19. storočí dostupné.

Po prečítaní Babbageových článkov začali otec a syn Georg a Edvard Scheutzovci konštruovať vlastný diferenčný stroj, ktorý sa im podarilo dokončiť v roku 1843. Bol to prvý stroj, ktorý tlačil mechanicky počítané tabuľky.

Prvý skonštruovaný stroj, ktorý používal pre vstup dierne štítky zostrojil Herman Hollerit v roku 1890. Tento stroj slúžil ako tabelátor, ktorý sa použil v spojení s triediacou skrinkou pri spracúvaní výsledkov sčítania ľudu v USA. Tento stroj však už bol založený na elektomechanickom princípe. Ručne dierované štítky sa vkladali do matrice a ich dierky určovali prechod elektrického prúdu. Spoločnosť založená Hermanom Holleritom sa neskôr stala jadrom firmy IBM.

Analógové stroje

V roku 1886 James Thomson brat Lorda Kelvina, vynašiel analizátor, ktorý na princípe analógie meranej veličiny a mechanického posunu umožnil zobrazenie hodnoty meranej veličiny. Na základe tejto úvahy Vannevar Bush zostrojil v roku 1930 prvý univerzálny dovtedy najpresnejší počítací stroj s názvom diferenciálny analyzátor (ang. Differential analyser). Stroj dokázal riešiť diferenciálne rovnice s osemnástimi nezávislými premennými.
Rozšírenie elektrického prúdu umožnilo zostrojenie analytických strojov, ktoré pracovali na princípe analógie meraných veličín a veľkosti prúdu a napätia (čím väčšie číslo tým väčší prúd a naopak).

Počítače 0. generácie

Za počítače nultej generácie sa považujú elektromechanické počítače, ktorých základom sa stala súčiastka nazývaná elektromagnetické relé. Tieto počítače pracovali väčšinou s taktovacou frekvenciou okolo 100 Hz (100 operácií za sekundu).

Za prvý zostrojený programovateľný počítač sa považuje počítač (predchodca Z1), ktorý zostrojil Konrad Zuse vo svojej spálni v roku 1936. Stroj sa stal takým veľkým ako mu dovolili múry jeho spálne. Počítač pracoval už v dvojkovej sústave a dokázal pracovať s číslami s pohyblivou rádovou čiarkou. Program sa do počítača zavádzal pomocou diernej pásky, ktorou bol kinofilm. Počítač bol ešte elektromechanický s kolíkovou pamäťou na 16 čísel a bol nespoľahlivý a nevhodný pre praktické použitie. Zuse tiež nepoznal práce Babbaga, preto do počítača nezakomponoval podmienené skoky. Jeho projekt bol veľmi nákladný no podarilo sa mu ho dokončiť za pomocoi príspevkou jeho priateľov. Po dokončení predviedol počítač vláde, ktorá uvolnila prostriedky na stavbu ďalších troch vylepšených modelov, Z2, Z3 a Z4.

V roku 1936 Alan M. Turing publikoval článok, v ktorom vysvetľuje svoju myšlienku o univerzálnej elektronickej kalkulačke s názvom Turingov stroj. Stroj mal byť schopný vyriešiť ľubovoľnú výpočtovú a logickú operáciu. Napriek tomu, že stroj nebol nikdy zostrojený jeho myšlienka sa použila na zostrojenie neskorších počítačov.
V roku 1937 Howard Aiken navrhol elektromechanické zariadenie nazvané automaticko-sekvenčná kalkulačka (ang. Automatic Sequence Controlled Calculator). Prínosom jeho návrhu bol presun informácii elektrickou cestou miesto mechanickej, čím sa mal podstatne skrátiť čas a zvýšiť presnosť výpočtu. Svoj návrh neskôr predložil predsedovi firmy IBM, ktorá financovala zostrojenie počítača, ktorý bol neskôr nazvaný MARK 1.

V roku 1937 Claude Shannon demonštroval, že boolova algebra sa dá riešiť použitím elektromagnetického relé.

V roku 1938 Konrad Zuse dokončil prvý experimentálny model počítača V1, ktorý bol neskôr premenovaný na Z1. Počítač pracoval s číslami v dvojkovej sústave s pohyblivou rádovou čiarkou (16 bitov mantisa a 7 bitov exponent a jeden znamienkový bit). Dáta mohli byť vložené pomocou diernych pások alebo numerickou klávesnicou. Výsledok bol zobrazovaný pomocou elektrických lámp.

V roku 1941 Konrad Zuse skombinoval svoju mechanickú pamäť s novou aritmetickou jednotkou na báze elektromagnetického relé. Na jej konštrukciu bolo použitých 200 kusov. Tento experimentálny projekt bol nazvaný Z2. Ešte v ten istý rok však zostrojil ďalší model svojho počítač Z3, ktorý bol prvým plne funkčným digitálnym počítačom. Tvorilo ho až 2 600 elektromagnetických relé. Jedna polovica týchto relé tvorila výpočtovú jednotku a druhá polovica slúžila ako pamäť. Počítač dokázal vykonať až 50 aritmetických operací za minútu.

V roku 1942 Konrad Zuse zostrojil posledný model svojho počítača Z4, ktorý bol použitý na výpočet aerodynamických charakteristík smerového krídla lietadiel. Tento model bol iba malým vylepšením oproti Z3, pretože Zuse kvôli druhej svetovej vojne už nemal dostatok finančných prostriedkov.

V roku 1943 Howard Aiken a Grace Hopper dokončili počítač MARK 1. Počítač mal dĺžku 10,6 metra a výšku 2,6 metra, vážil 5 ton, bol zhotovéný z 800 000 súčiastok a obsahoval 497 míľ drôtu. Mark 1 pri svojich výpočtoch používa 23 pozícii, mal 72 aritmetických pamäťových registrov (operačnú pamäť) na sčítanie a ukladanie čísel a 60 ručných kľúčov (statická pamäť) na vkladanie konštánt. Vstup sa uskutočňoval nastavovaním ručných kľúčov alebo zo štandardných diernych štítkov, výstup pomocou elektrického písacieho stroja alebo dierovaním do štítkov. Počítač pracoval v desiatkovej sústave s pevnou rádovou čiarkou. Mark 1 dokázal sčítať dve čísla za 0,3 s, vynásobiť ich za 6 s a vypočítat hodnotu sinusu daného uhla do jednej minúty. Stroj pracoval plných 15 rokov na Harvardskej univerzite a mal mnohostranný význam. Bol teda prvým operačným počítačom.

V roku 1947 Howard Aiken zostrojil ďalší počítač Mark 2, ktorý bol už čisto releový (13 000 relé). Počítač pracoval v dvojkovej sústave s číslami s pohyblivou desatinnou čiarkou. Mal operačnú pamäť na 100 čísel s desiatimi platnými číslicami. Sčítanie trvalo už iba 0,125 s a násobenie priemerne 0,25 s.

Nevýhodou releových počítačov boli veľké rozmery, veľká hlučnosť. Nevýhodou bolo tiež to, že sa mechanické časti elektromagnetického relé opotrebovávali trením. Na chladenie bolo potrebných niekoľko ton ľadu denne. Príkladom nevýhod releových počítačov je i prvý počítačom vyrobený v Československu profesorom Svobodom z Výskumného ústavu matematických strojov. SAPO (SAmočinný POčítač), ktorý bol uvedený do prevádzky v roku 1957. Tento počítač 3 roky po jeho zhotovení, v roku 1960 zhorel kvôli iskre z releového kontaktu, ktorá zapálila kaluž mazacieho oleja, s ktorým sa relé mastilo. Kvôli spomínaným nevýhodám sa vo väčšej miere začali konštruovať počítače na báze elektroniek.

Počítač SAPO obsahoval 7000 relé a 400 elektroniek. Mal magnetickú bubnovú pamäť s kapacitou 1024 32 bitových slov (to zodpovedá dnešným 4096 Bajtom) a pracoval v dvojkovej sústave s pohyblivou desatinnou čiarkou. Tento počítač mal dve zvláštnosti. Prvou bolo to, že každá inštrukcia mala päť adries (2 operandy, výsledok a adresy skokov pre kladný a záporný výsledok). Druhá zvláštnosť bola tá, že sa vlastne jednalo o tri rovnaké počítače, ktoré pracovali naraz. Výsledok každej operácie sa medzi sebou porovnal a v prípade že bol zhodný aspoň na dvoch počítačoch tak sa považoval za správny. Ak sa ale všetky tri výsledky odlišovali, operácia sa opakovala.