Vorlesung 2 Computer Geschichte

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1 D - CA - II - CG - 1 HUMBOLDT-UNIVERSITÄT ZU BERLIN INSTITUT FÜR INFORMATIK Vorlesung 2 Computer Geschichte Sommersemester 2003 Leitung: Prof. Dr. Miroslaw Malek

2 Geschichte des Rechnens und der Rechnerarchitektur D - CA - II - CG - 2 Die Anfänge vor unserer Zeit Bevölkerung von Sumer Tontafeln mit Handelsaufzeichnungen Ursprung unbekannt (benutzt in Babylon, später in der arabischen Welt, Europa, China und Japan) Abakus , John Napier ( , Schottland) Logarithm Bones 1617, Robert Bissaker Wood Strip Logs 1620, Edmund Gunter, ( , England) Slide Rule

3 D - CA - II - CG - 3 Mechanisches Zeitalter ( ) 1623 Wilhelm Schickhard ( , Dtl.) Addierer 1642 Blaise Pascal ( , Frankreich) Addierer (+,-) Neuerung: Sperrad für Überträge 1671 Gottfried Leibniz ( , Dtl.) baute den Vorgänger des 4-Funktions- Rechners Rechner (+,-,x,/,)

4 D - CA - II - CG - 4 Mechanisches Zeitalter ( ) Fortsetzung Im 18.Jh. war die Entwicklung auf die Verbesserung der 4-Funktions-Rechner konzentriert G. F. Prony berechnete in einem Projekt für die Regierung Frankreichs die Logarithmen von 1 bis Autometer (+,-,x,/) 1820 Thomas de Colmar (Frankreich) baute einen 4-Funktions-Rechner Arithmometer 1823 Charles Babbage ( ) entwarf die Differential(Difference) Maschine Differenziale Maschine

5 D - CA - II - CG - 5 Die Differential Maschine von Charles Babbage Die Maschine kann Polynome 6. Grades mit 20 Stellen Genauigkeit lösen. n x i i i i + 1 f ( x ) = a i = 0 i y j + 1 = y j + y j Babbage bekam , um die Maschine zu bauen, aber das Projekt wurde 1842 abgebrochen.

6 D - CA - II - CG - 6 Die Differential Maschine von Babbage und andere 1834,Charles Babbage Ein Zeitgenosse, L. G. Menebrea, entwickelte das hypothetische Programm zum Löse von linearen Gleichungen Analytische Maschine DIE ANALYTISCHE MASCHINE Mühle DATEN Speicher Ausgabe Kartenstanzer INSTRUKTIONEN Operationskarten Variable Karten Bestandteile: PROGRAMM 1. Speicher 2. Mühle ist die arithmetische Einheit 3. Programm (Jaquard Loom-Lochkarten) a. Operationskarten (Programmschritte) b. Variable Karten (Speicherauswahl-Karten) Die Analytische Maschine enthielt alle wesentlichen Bestandteile eines allgemein verwendbaren, automatischen Rechners.

7 PROGRAMM ZUM LÖSEN LINEARER GLEICHUNGEN D - CA - II - CG - 7 a 11 x 1 + a 12 x 2 = b 1 a 21 x 1 + a 22 x 2 = b 2 x 1 = a 22 b 1 a 12 b 2 a 11 a 22 a 12 a 21 DATEN a 11 b 2 a 21 b 1 x 2 = a 11 a 22 a 12 a 21 PROGRAMM Op.- Variable Karte Rechnung Var Inhalt karte Quelle Ziel w 0 = a 11 x w 2, w 4 w 8 w 8 a 22 b 1 w 1 = a 12 x w 1, w 5 w 9 w 9 a 12 b 2 w 2 = b 1 x w 0, w 4 w 10 w 10 a 11 a 22 w 3 = a 21 x w 1, w 3 w 11 w 11 a 12 a 21 w 8, w 9 w 12 w 12 a 22 b 1 a 12 b 2 w 4 = a 22 w 10, w 11 w 13 w 13 a 11 a 22 a 12 a 21 w 5 = b 2 w 12, w 13 w 14 w 14 w 12 w 13 Die Daten werden in den Speicher geladen und die Rechnung gemäß der Tabelle vollzogen. Die größte Neuerung war das Konzept eines programmierbaren Rechners.

8 D - CA - II - CG - 8 Geschichte (fortgesetzt) , George Scheutz ( ), baute eine Version von Babbages Differential Maschine, die Polynome 3. Grades auf 15 Stellen lösen konnte Differential Maschine 1854, George Boole, ( , England) Binäre Logische Operationen AND, OR, NOR 1872, E. D. Borbour Printing Calculator (Tinte mußte umständlich von Hand eingefüllt werden) , Lord Kelvin ( , England) Analoge Maschine 1875, Frank Baldwin ( , USA) Printing Calculator , W. F. Odhner (Schweden) Desk Calculator 1885, D. E. Felt ( , USA), Printing Calculator mit eindrückbaren Tasten Comptometer

9 D - CA - II - CG - 9 International Business Machines Corp. (IBM) 1890, Herman Hollerith ( , USA) (1890 Census), Lochkarten, Tabelliermaschine Elektrisches Tabulier System Tabulating Machine Co. (1896) Computation-Tabulating Recording Co. (1911) International Business Machines Corp. (IBM) (1924)

10 D - CA - II - CG - 10 WANN WER WAS 1892 William S. Burroughs Printing (verkaufte 1 Mio. bis 1926) Calculator 1904 John A. Fleming patentiert Vakuum Dioden Röhre die Vakuum Dioden Röhre 1908 Campbell Swinton Elektrische Scan- Methode für die (England) Kathodenstrahlröhre Monroe, Baldwin, Frieden, 4 Funktions Rechner Marchant, etc motorbetriebene Rechner 1936 Alan Turing Arbeit über ( , England) Berechenbarkeit

11 D - CA - II - CG Zuse schlägt vor, eine elektromechanische Rechenmaschine zu bauen 1936 Zuse patentiert eine Anwendung für die automatische Rechenausführung mit einem binären Kombinationsspeicher Zuses Z-Serie von Computern 1938 Z1 mechanischer Computer KONRAD ZUSE ( ) 1940 Z2 nutzt Telefonrelais anstelle von mechanischen logischen Schaltungen 1941 Z3 erster funktionsfähiger programmgesteuerter, elektromechanischer Rechner 1945 Z4 Z4 übersteht den Zweiten Weltkrieg, was die Nachkriegsentwicklung von wissenschaftlichen Computern in Deutschland unterstützt

12 D - CA - II - CG - 12 WANN WER & WAS 1937 Howard Aiken (USA) reicht einen Vorschlag für eine digitale Rechenmaschine für die 4 Grundrechenarten u.a. an IBM 1943 Engländer bauen einen Vakuum-Röhren-Computer zum Code-Knacken (Colossus) 2. Amerikaner bauen einen elektronischen, allgemein verwendbaren Rechner, Welt- zuvor baut John Atanasoff einen elektro-mechanischen digitalen Computer krieg mit Vakuumröhren Howard Aiken von der Harvard Universität und IBM bauen eine elektromechanische Maschine namens Harvard Mark I 2,4 m ATLAS wird an der Manchester Universität entwickelt 15 m

13 Nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelte sich starke Aktivität im Bereich der Rechentechnik und das Zeitalter der modernen Computer begann. D - CA - II - CG - 13 WANN WER & WAS ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) von J. Mauchly und J. Presper Eckert, erster frei verwendbarer elektronischer Computer Ein Programm wurde von Hand durch Schalter und Kabelstecken eingegeben. Er benutzte Röhren, wog 30 Tonnen und hatte eine Performance von 5,000 ops/sec. ENIAC konnte Lochkarten lesen und schreiben und war an einen Drucker angeschlossen John von Neumann führt das Konzept eines gespeicherten Programms ein.

14 WANN WER & WAS 1947 erster Transistor, entwickelt von John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley für Bell Labs (Nobelpreis 1956) Magnetischer Trommel-Speicher wird eingeführt 1948 Claude Shannon veröffentlicht A Mathematical Theory of Communication 1948 Richard Hamming entwickelt den Hamming Code für Fehlerkorrektur in Datenblöcken 1949 EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) wurde an der Cambridge Universität in England von Maurice Wilkis entwickelt D - CA - II - CG - 14

15 D - CA - II - CG - 15 WANN WER & WAS 1949 Whirlwind Computer von Jay Forrester (MIT) mit 5000 Vakuumröhren 1950 EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) basierte auf Ideen, die am Institute for Advanced Studies of Princeton University entwickelt wurden UNIVAC I (Universal Automatic Computer) wurde von Eckert und Mauchly gebaut, er benutzte Vakuumröhren (vor allem Trioden und Pentoden), Speicherzugriffszeit 0,5 ms.

16 D - CA - II - CG - 16 GESCHICHTE DES 20. JAHRHUNDERTS WANN WAS 1951 Maurice Wilkes führt Mikroprogrammierung ein 1951 Jay Forresters Matrix Core Speicher Grace Murray Hooper entwickelt A-0 (1. Compiler) 1952 John Neumanns IAS bitparallele Maschine 1953 IBM erster massenproduzierter Computer 1953 Kenneth Olsen nutzt Jay Forresters Core-Speicher, um den Memory Test Computer zu bauen 1954 Texas Instruments stellt den Silizium-Transistor vor

17 D - CA - II - CG - 17 WANN WAS 1956 Fuji Photo Film Co. (Japan) entwickelt einen 1700 Vakuumröhren-Computer für Linsen-Design Berechnungen 1956 Univac mit Transistoren 1957 John Backus entwickelt mit Mitarbeitern bei IBM den ersten FORTRAN Compiler 1957 NTT (Nippon Telegraph and Telephone Co., Japan) entwickelt Musasino-1 (erster Parametroncomputer) 1958 Jack Kilby (Texas Instruments) und Robert Noyce (Fairchild) entwickeln jeweils für sich erste Halbleiter-Schaltkreise 1959 Das Committee on Data Systems Languages wird gegründet und entwirft COBOL (Common Business Oriented Language) 1962 Die Stanford und die Purdue Universität richten die ersten Abteilungen für Informatik ein

18 D - CA - II - CG - 18 WANN WAS 1964 IBM kündigt das System/360 an. Computer der 3. Generation 1964 IBMs 7-Jahre Projekt Sabre für weltweite Flugreservierungen ist voll implementiert 1964 Doug Engelbart erfindet die Maus Funktions-Handrechner (Texas Instruments) 1968 Edsger Dijkstra schreibt über GOTO Programmierung vs. strukturierte Programmierung 1968 Cray CDC7600 Supercomputer erreicht 40 MFLOPS 1970 E. F. Codd beschreibt das relationale Model

19 WANN WAS 1973 Alan Kay entwickelt den Vorgänger des PCs, sein Office Computer hatte Icons, Grafik und eine Maus 1975 IBM führt den Laserdrucker ein 1976 Steve Jobs und Steve Wozniak bauen den Apple I 1977 Bill Gates und Paul Allen gründen Microsoft 1984 Sony und Philips führen die CD-ROM ein 1984 NEC baut den 256-Kbit RAM und IBM führt einen 1-Mbit RAM ein 1984 IBM nutzt Intels für den neuen PC AT 1985 Cray 2 und Thinking Machines' Parallel-Prozessor Connection Machine erreichen 1 Mrd. Op./Sek Berners-Lee beschreibt den WWW Prototyp (URLs, HTML, HTTP) 1993 erster grafischer Web-Browser NCSA Mosaic wird an der Illinois Universität programmiert D - CA - II - CG - 19

20 Geschichte des Erfolgreichsten Minicomputers Pdp-11 D - CA - II - CG - 20 Jahr MODELL WORD LÄNGE SPEICHER ZYKLUSZEIT SPEICHER KAPAZITÄT KOSTEN 1957 D.E.C. WURDE VON K. OLSEN GEGRÜNDET 1959 PDP-1 18-BIT 5µs 4K-64K $ (PERIPHERIE) 1963 PDP-5 12-BIT 6µs 1K-4K $ (PC & DMA) $ PDP-8 12-BIT 3µs 1K-4K (SOFTWARE PAKETE) 1969 PDP BIT 300 ns 980 ns 128K $ $ (UNIBUS KONZEPT) Viele Modelle, z.b. PDP-11/40, PDP-11/45, VAX LSI BIT 300 ns 980 ns 32K

21 D - CA - II - CG - 21 Überblick Computer Generationen GENERATION PERIODE TECHNOLOGIE ERSTE Vakuumröhren ZWEITE Transistoren DRITTE Integrierte Schaltkreise (SSI, MSI) VIERTE 1975-? Integrierte Schaltkreise (LSI, VLSI) FÜNFTE? Künstl. Intelligenz, Neuronale Netze, Digital-Analoge Hybriden

22 Computer der Ersten Generation ( ) Zentrale Recheneinheit Arithmetisch-logische Einheit AC MQ Arithm.-logische Schaltung DR Ein/Ausgabe Geräte IBR IR Steuersignale Steuerschaltung Programm Kontrolleinheit Charakteristika Schreib-Lese Speicher RAM AC - Akkumulator 4096 (2 1/2) Worte MQ -Multiplexer-Quotient 40 Bit Worte DR - Datenregister (40 Bit) 1 Adresse (Operanden-Adresse) AR -Adressregister (12 Bit) Parallele Binärschaltungen Hochgeschwindigkeitsregister PC AR Hauptspeicher D - CA - II - CG - 22 Adressen Instruktionen und Daten Struktur des IAS Computers IBR - Instruktions-Puffer-Register PC -Instruktions Adresse (Programmzähler, -zeiger)

23 Register Transfer Sprache (RTL) Instruktion Kommentar AC M(100) Transferiert Inhalt der Speicherstelle 100 in den Akkumulator AC AC + M(101) Addiert den Inhalt der Speicherstelle 101zum Inhalt des Akkumulators und schreibt das Ergebnis in den Akkumulator M(102) AC Schreibt den Inhalt des Akkumulators an die Speicherstelle Vorzeichen Bit Linke Instruktion DATENWORT SYMBOLISCH LDA ADD STA A B C Rechte Instruktion Opcode Adresse Befehlscode Instruktionswort Adresse D - CA - II - CG - 23

24 D - CA - II - CG - 24 Computer der Zweiten Generation ( ) Magnettrommel Speicher Magnetscheiben Speicher Magnetkernspeicher Magnetband Speicher Zentrale Recheneinheit AC MQ Arithm.-logische Schaltung Trommel/Scheiben Kontrolleinheit Drucker Kartenleser Schnittstelle zum Benutzer IBR DR Indexregister XR(1-7) IO Prozessor (Kanal) Speicheradresse IO Prozessor (Kanal) Speicher Kontrolleinheit (Multiplexer) IR AR PC Indexaddierer Steuerschaltung Steuersignale IBM 7094

25 D - CA - II - CG - 25 Daten Formate des IBM S Festkommazahl S Exponent Mantisse Fließkommazahl Opcode Instruktion Charakteristika Transistortechnologie Stapelverarbeitung Indexregister Echtzeit Fließkomma Parallelverarbeitung Unterprogramme Getrennte E/A 200 Instruktionen 32K Speicher Indirekte Adressierung Magnetkernspeicher Interrupts Speicher-Interleaving Hochsprache Magnettrommelspeicher Adresse

26 16 32-bit Universalregister Dritte Generation ( ) CPU STRUKTUR DER IBM S/ SERIE 4 64-bit Fließkommaregister Arithm.Einheit Festkomma Dezimale Arithm.Einheit Arithm.Einheit Fließkomma Interne Busse AR IR PC DR Programmstatuswort D - CA - II - CG - 26 Speicher Kontrolleinheit zum Haupt speicher

27 D - CA - II - CG - 27 niederwertigstes Byte Zone Digit Zone Digit Sign Digit Digit Digit Digit Digit Digit Sign 0 1 IBM S/ Daten Formate in Zonen geteilte Dezimalzahl gepackte Dezimalzahl niederwertigstes Byte S Festkomma-Binärzahl S Exponent Zeichen Mantisse Fließkomma-Binärzahl Zeichen Alphanumerische Daten 1 byte Zeichen

28 D - CA - II - CG - 28 Mikroprozessoren Vierte Generation ( ??) Intel 4004 (1971) 4-bit Worte 45 Instruktionen Z 80 (1973) 8-bit Worte Intel 8080 (1973) 8-Bit Worte 16 Adressleitungen (2 16 =64 K Speicher) M Bit Worte 72 Instruktionen (8-Bit Worte) Indizierte Adressierung MC68000 (1979) 16-Bit Worte M (1985) 32-Bit Worte Intel (1989) 32-Bit Worte Alpha (1993) 64-Bit Worte

29 Intel 8080 Microprozessor 8-bit interner Datenbus AC FR Multiplexer IR Arithm.-logische Schaltkreise Interne Steuerleitungen B C D E H L Stackregister Programmzähler Steuerschaltung Registerfeld DR Adreßregister 4 Stromversorgungsleitungen 12 externe Steuerleitungen FR Flag-Register (5 Bits) speichert: Sign, Carry, Overflow, Interrupt enable, Parity IR ist ein Instruktionsregister DR Datenregister z.b. ADD M AC AC + M(H,L) ADC M AC AC + M(H,L) + FR(C) wobei FR den Wert d. overflow (carry) Bits DAA Dezimalkorrektur des Akkumulators dann ADD M für binär D - CA - II - CG bidirectionale Datenleitungen 16 Adreßleitungen

30 D - CA - II - CG - 30 MIPS R4000 Microprozessor 64-bit System Bus System Steuerung S-cache Steuerung Datencache P-cache Steuerung Instruktionscache CP0 CPU FPU Ausnahme/Steuer Register Speicherverwaltungsregister Translation Lookaside Buffer CPU Register ALU Lastanpassung/Speichertreiber Integer Multiplizierer/Dividierer Addreßeinheit PC Inkrementierer FPU Register Pipeline Bypass FP Multiplizierer FP Dividierer FP Add, Konvertierung, Quadratwurzel Pipeline Steuerung - frei verwendbare Register R0 R1 R31 CPU Register 0 - Multiplizierer/Dividierer Register MultHI MultLO - Programmzähler PC 0 0

31 Intel Pentium 4 Mikroarchitektur In-Order Front End; 2. Out-of-Order Ausführungslogik; 3. Ganz- und Fließkommazahleneinheit; 4. Speicher-Subsysteme; D - CA - II - CG - 31