History of Computer Systems [HOC]

Transkript

1 Distributed Embedded Systems Group CCS History of Computer Systems [HOC] Johannes Blobel & Falko Dressler Die ersten Computer Zuse Z1 & Z3 Colossus Harvard Mark I ABC ENIAC 1

2 Wann ist ein Computer ein Computer? Was unterscheidet einen Computer von einer Rechenmaschine? Rechnen Speichern Programmierbarkeit Universell Turingvollständigkeit Binär Geschwindigkeit 2

3 Erste Computer Name Land Jahr Zuse Z1 Deutschland 1938 Zuse Z3 Deutschland 1941 Colossus England 1943/44 Harvard Mark I USA 1944 ABC USA 1941 ENIAC USA

4 Konrad Zuse ( ) Deutscher Ingenieur, Erfinder und Unternehmer 1938 Bau der Z1 (mechanischer, binärer Rechner) 1941 Bau der Z3 Frei programmierbar Elektromechanisch (Relais) Binäre Gleitkommaarithmetik 1945/46 Entwicklung der Programmiersprache Plankalkül 1949 Gründung der Zuse KG Ich war zu faul zum Rechnen 4

5 Zuse Z1 ( ) Rein mechanischer Rechner Binäre Gleitkommaarithmetik Getrenntes Speicher- und Rechenwerk Programm auf Lochstreifen Technik: dünne Bleche, ausgesägt mit Laubsäge (ca Einzelteile) Taktfrequenz: 1Hz 5

6 Z1 6

7 Z1 Mechanisches Speicherwerk der Z1 7

8 Nachbau der Z1 8

9 Binäre Arithmetik: Zahlendarstellung Dezimal Binär Dezimal Vorz./Binär Dezimal 2er Komplement

10 Boolsche Algebra x NOT(X) X Y OR(X,Y) X Y AND(X,Y) X Y XOR(X,Y)

11 Addition Dezimal Binär =5 = a i + b i = XOR a i, b i carry i = AND a i, b i a i + b i = XOR(XOR a i, b i, carry i 1 ) Halbaddierer 11

12 Carry Ripple Addierer a 3 b 3 c 3 a 2 b 2 c 2 a 1 b 1 c 1 a 0 b 0 s 3 = a 3 + b 3 + c 3 s 2 = a 2 + b 2 + c 2 s 1 = a 1 + b 1 + c 1 s 0 = a 0 + b 0 12

13 Gleitkommazahlen: Exponent und Mantisse Vorzeichen Exponent (7bit, 2er-Komp., ) Mantisse (16bit) +/- e 6 e 1 e 0 m 15 m 1 26,34 = ,015 = = Beispiel hier zur Basis 10, bei Zuse-rechnern Basis 2 (binär)! Addition: Exponenten anpassen Mantissen addieren Multiplikation: Exponenten addieren Mantissen multiplizieren 13

14 Architektur der Z1 Rojas, R., Röder, J. & Nguyen, H.: Informatik Spektrum (2014), Die Prozessorarchitektur der Rechenmaschine Z1 14

15 Mechanische Arithmetik der Z1 Negation, UND, XOR rein mechanisch realisiert Mechanischer Schalter: data bit (Eingabe), actor plate (Taktsignal), actuated plate (Ergebnis) 15

16 Zuse Z3 (1941) Elektromechanischer Computer Architektur wie Z1, aber Relais statt mechanischer Schalter 600 Relais Rechenwerk, 1600 Speicherwerk Taktfrequenz 5-10 Hz Hatte keinen Sprungbefehl Rein theoretisch Turing-Vollständig Wurde für Flügelberechnung (Flatterproblem) benutzt 16

17 Zuse Z3 Nachbau der Zuse Z3 im Deutschen Museum in München 17

18 Instruktionssatz der Z3 Typ Instruktion Beschreibung Opcode Input/Output Lu Von Tastatur lesen Ld Ergebnis anzeigen Speicher Pr z Von Adresse z laden 11 z 6 z 5 z 4 z 3 z 2 z 1 z 0 Ps z An Adresse z speichern 10 z 6 z 5 z 4 z 3 z 2 z 1 z 0 Arithmetik Lm Multiplikation Li Division Lw Quadratwurzel Ls1 Addition Ls2 Subtraktion bit für Adresse 64 Wörter 18

19 Instruktionssatz der Z3 Zwei Register R1 und R2 Erster Ladebefehl (Pr z) lädt Wert in erstes Register R1 Jeder weitere Ladebefehl lädt Wert in R2 Wert der Arithmetischen Operationen in R1, R2 auf Null gesetzt Nach Speichern oder Anzeigen-Operation R1 wieder auf Null Beispiel: (a 1 a 2 ) + a 3 19 Befehl Pr 1 Pr 2 Lm Pr 3 Ls1 Ld Beschreibung Lade Wert a 1 in R1 Lade Wert a 2 in R2 Multipliziere R1:= R1 x R2 Lade Wert a 3 in R2 Addiere R1 := R1 + R2 Zeige Ergebnis an

20 Register und Datenpfad 20

21 Microsequenzen und Prozessorpipeline Oben: Ausführungspipeline der Z3 Rechts: Implementierung von Microsequenzen mit einem drehbaren Rad mit elektrischen Kontakten 21

22 Max Newman ( ) Britischer Mathematiker Lehrte in Cambridge u.a. über Gödels Theorem und Allan Turings Arbeiten zum Entscheidungsproblem Ab 1942 Arbeit in Bletchley Park Thomas Flowers ( ) Britischer Ingenieur Arbeit an elektronischer Telefonvermittlung Entwurf von Colossus nach Newmanns Ideen 23

23 Lorenz SZ42 Verschlüsselungsmaschine Automatischer Fernschreiber mit integrierter Verschlüsselung Genutzt von der deutschen Militärführung Eingabe über 5-spuriges Lochband 24

24 Vernam Chiffre XOR von Klartext und (Pseudo-) Zufallszahlen (Schlüssel) Schlüssel wird durch drehbare Walzen in SZ42 erzeugt Entschlüsselung durch XOR von Geheimtext mit Schlüssel Text lag binär vor (5-bit Baudot-Code) 1941 auf Funkstrecke Wien-Athen Nachricht zweimal gesendet (bei gleicher Ausgangsstellung der Walzen, eigentlich streng verboten) Bei 2. Übertragung Abkürzungen (SPRUCHNUMMER SPRUCHNR) Dadurch unterschiedliche Geheimtexte, mit gleichem Schlüssel erzeugt Nachrichten durch Briten abgefangen, durch Fehler entschlüsselt Funktionsweise der SZ42 konnte durch John Tiltmann und William Tutte rekonstruiert werden 25

25 Automatisierte Entschlüsselung Entschlüsselung der abgefangenen Nachrichten sollte automatisiert werden Richtige Walzenstellung musste gefunden werden Statistische Methode: Double Delta Analyse Schlüssel war sehr zufällig 0 und 1 gleich oft Klartext nicht zufällig (manche Buchstaben häufiger als andere) Im Klartext mehr 0 als 1 Abweichung kann automatisch detektiert werden (Autokorrelation) Um Abweichung fest zu stellen, müssen nur 2 Walzenstellungen richtig sein Colossus musste nur rund 1000 Stellungen ausprobieren ΔZ 1 ΔZ 2 Δχ 1 Δχ 2 =

26 Colossus (1944) Eingabe: Lochstreifen zu Schleife gebunden Abgefangener Geheimtext in 5-Bit Baudot Code Rund 2500 Elektronenröhren Takt durch Lochstreifen vorgegeben: 5000Hz Pro Iteration, neue Walzenstellung Programmierung der Boolschen Operationen durch Steckbrett Zähler um Anzahl der 0/1 zu zählen Konnte korrekten Schlüssel innerhalb weniger Stunden finden Erste bekannte Verwendung von Schieberegistern 27

27 Colossus Blockdiagramm 28

28 Colossus 29

29 Colossus 30

30 Nachbau durch Tony Sale (1996) 31

31 Howard Hathaway Aiken ( ) US-amerikanischer Elektroingenieur Promotion erforderte langwierige, manuelle Berechnungen mit elektromechanischen Rechnern Umgebaute Hollerith-Maschinen zum Rechnen Bis 1937 Entwicklung eines Konzepts zur Automatisierung und Mechanisierung dieser Berechnungen Konzept war unabhängig von konkreter Implementierung Implementierung und Bau von IBM mit Relais 32

32 Harvard MARK I (IBM ASCC) 1944 Erste Idee: 1937, gebaut Erster Rechner dieser Größenordnung Gebaut und maßgeblich Entworfen von IBM Zunächst Automatic Sequence Controlled Calculator genannt Funktionierte sehr zuverlässig und wurde für viele Einsatzzwecke benutzt (u.a. für Berechnungen zur Atombombe in Los Alamos) 16m lang, 15t Gewicht Dezimalsystem 3300 Relais, 2200 elektromechanische Zählräder Synchronisation und Antrieb durch 15m lange Kurbelwelle Lief 14 Jahre lang in Harvard (bis 1959) 1998 Turingmächtigkeit bewiesen 33

33 IBM ASCC 34

34 Mark I Lochstreifenleser 35

35 Mark I Funktionsdiagramm 36

36 Harvard Mark I: Architektur 60 Register für Konstanten (Drehschalter) 72 Register (Akkumulatoren) für Arithmetik Multiplikations-/Divisionseinheit Funktionszähler (trigonometrische Funktionen) Interpolatoren Eingabe/Ausgabe: Lochstreifen, Schreibmaschine 37

37 Konstantenregister 38

38 Mark I Speicher/Rechenwerk 39

39 Akkumulatoren Zählräder als dezimale Speicher Pro Wort 24 Stellen (Zählräder): 23 Zahlen, 1 Vorzeichen Antrieb über mechanische Kurbelwelle Steuerung über elektrische Kontakte Elektromagnetische Kupplung verband Zähler mit Kurbelwelle Transfer zwischen Registern über 24-stelligen Bus 11-stellige Eingänge (10 Zahlen, 1 Übertrag) 40

40 Mark I Akkumulator A: ständig drehendes Rad, D: elektromechanische Kupplung, H: Draht-Eingabe/Ausgabe-Pins 41

41 Mark I Akkumulator Rechts oben: Zählrad; 3 verschiedene Relay-Typen 42

42 Programmierung der Mark I 24-spuriger Lochstreifen 8 Bit Quell-Register 8 Bit Ziel-Register 8 Bit Operation Rechenregister waren Akkumulatoren Schreiben in Register bedeutet hinzuaddieren Nach jedem Schritt hielt Mark I an, wenn nicht anders spezifiziert Schritt-für-Schritt Testen war leicht möglich Programme, die getestet waren wurden in Codebook gesammelt und wiederverwendet Z.B. Routinen zur Cosinus-Berechnung, Multiplikation 43

43 Programm auf Lochstreifen 44

44 Mark I Geschwindigkeit Funktion Zyklen Sekunden Addition/Subtraktion Multiplikation Division Logarithmus Exponentialfkt Sinus Pro Takt, 16 Segmente ( Punkte ): 9 Punkte zum weiter schalten der Zählräder 2 Punkte um Übertrag auszuwerten 5 Einlesen der nächsten Operation und Relays einstellen 45

45 Grace Hopper ( ) US-amerikanische Mathematikerin und Informatikerin Arbeitete von bei der US-Marine Führte Berechnungen am Mark I durch War an Entwicklung von Mark II und UNIVAC beteiligt Entwicklung des ersten Compilers (A-0) und der Programmiersprache FLOW-MATIC Erfinderin der Programmiersprache COBOL It is often easier to ask for forgiveness than to ask for permission. 46

46 Grace Hopper Howard Aiken, Grace Hopper, Robert Campbell vor Mark I (August 1944) 47

47 Grace Hopper 48

48 Bug Begriff wurde schon lange zuvor von Ingenieuren verwendet, um ein schwer zu findenden Fehler zu bezeichnen Comic von Grace Hopper, der unterschiedliche Arten von Bugs zeigt 49

49 Erster Bug der Computergeschichte 50

50 John Atanasoff ( ) US-amerikanischer Mathematiker und Physiker 1936 Analogrechner für geometrische Analysen : zusammen mit seinem Doktorand Clifford Berry Bau eines digitalen Rechners zum Lösen von linearen Gleichungen Atanasoff-Berry-Computer: ABC Austausch und Besuche mit John Mauchly 51

51 Atanasoff-Berry-Computer (ABC) Rein elektronischer, binärer Rechner zum Lösen von linearen Gleichungssystemen Hohe Parallelität: 30 Parallele Additions/Subtraktionseinheiten Eine Operation sequenziell (Bit für Bit) 50 Bit Wortbreite 2 Trommelspeicher mit insgesamt 3000 Bits Kondensatoren speichern Ladung, DRAM Lochkartenleser und papierbasierter Zwischenspeicher Umwandlung in Binärsystem über Walze Programm muss manuell vom Benutzer ausgeführt werden Keine Gleitkommaarithmetik 52

52 Skizze des ABC 53

53 ABC Aufbau 54

54 ABC

55 ABC Replica 1997 Youtube: The Atanasoff-Berry Computer In Operation 56

56 ABC Papierspeicher Schreiben: 30 Tungsten-Elektroden erzeugen Funken (5000 Volt) um Loch in Papier zu brennen Lesen: Löcher im Papier schließen Stromkreis 1 wird erkannt Unzuverlässig, daher ABC nur für relativ kleine Probleme anwendbar zu schreibende Daten Elektroden Funken Papier 57

57 John Mauchly ( ) Amerikanischer Physiker Assistenzprofessor an der Moore School of Electrical Engineering (Pennsylvania) Mehrere Besuche bei Atanasoff (1941) Entwicklung des Konzepts von ENIAC John Presper Eckert ( ) Amerikanischer Elektroingenieur Lernte Mauchly an der Moor School kennen Leitete die technische Entwicklung der ENIAC Später Gründung der Eckert-Mauchly-Computer Corporation 58

58 Electronic Numerical Integrator and Computer ENIAC An der Moore School existierte analoger, mechanischer Bush differential analyzer, der für ballistische Berechnungen genutzt wurde (Balistic Research Laboratory) ENIAC Projekt sollte Berechnungen beschleunigen Einflüsse von ABC, IBMs Lochkartenmaschinen, Röhrentechnik Addition/Subtraktion von 10-stelligen Zahlen mit 5000Hz Programmierbar durch Verkabelung, Schleifen, Verzweigungen 59

59 ENIAC 60

60 ENIAC 61

61 Architektur Arithmetische Einheiten Akkumulatoren Muliplizierer Divisions/Wurzel-Einheit Kontroll-Einheiten Master Programmer Initiating- & Cycling-Unit Eingabe/Ausgabe Kartenleser/-stanzer Constant Transmitter 3 portable Funktionstabellen Busse 62

62 ENIAC Lageplan 63

63 ENIAC Architektur 64

64 Datenübertragung durch Pulse Hauptfunktionalität: Übertragen von Zahlen zwischen den Einheiten bei gleichzeitiger Addition/Subtraktion Cycling Unit stellt für jeden Additionszyklus unterschiedliche Pulse für alle Einheiten zur Verfügung: 10P & 9P: Datenübertragung 1P-4P: Konstantengeber 1 P: Bildung des Zehnerkomplements CPP: Programmablauf synchronisieren CCG, RP: Carry-Overs und Reset Digit Trays: Übertragung der Daten zwischen den Einheiten (insbesondere zwischen Akkumulatoren) Programm Trays: Übertragung von Impulsen zum Auslösen von Programmen 65

65 Globale Pulse der Cycling Unit 66

66 Akkumulator Gemeinsamer Speicher und arithmetische Einheit 10 Ziffern, je Ziffer ein 10-stelliger Ringzähler Anzeige über Spalten von Neon-Glimmlampen Grundlegende Operationen: Empfangen (und hinzuaddieren/akkumulieren) einer Zahl Senden des gespeicherten Wertes Mehrere Programme einstellbar: Sende/Empfangsport Wiederholungen Triggern eines Programms durch Puls auf Programmport Nach Operation, Puls auf Ausgangs-Programmport um nächstes Programm zu starten 67

67 Akkumulator Front Panel 68

68 Akkumulator Front Panel 69

69 Akkumulator 70

70 Senden/Empfangen von Daten 11 Signale von Sender zu Empfänger (10 Stellen pro Zahl + Vorzeichen) Senden: 10P Pulse erhöhen jede Stelle 10 mal (Ringzähler am Ende wieder gleiche Zahl) Ab dem Überlauf: 10P Signal wird als Aout gesendet (Anzahl der Aout Pulse entspricht dem Wert der Stelle) Empfänger: Aout Pulse erhöhen den Wert jeder Stelle Am Ende wird Überlauf (Carry-over) ausgewertet Subtraktion: 10er Komplement Jede Stelle von 9 subtrahieren Ergebnis um 1 erhöhen 71

71 Senden/Empfangen von Daten 72

72 Beispielrechnung: Was wird hier berechnet? 3 Akkumulatoren (ACC4-6) enthalten schon Werte a,b,c 73

73 Beispielrechnung 3 Akkumulatoren (ACC4-6) enthalten schon Werte a,b,c 1. Schritt ACC4: a-b ACC5: b ACC6: c+2b 2. Schritt: ACC4: a-b ACC5: b+359 ACC6: c+2b

74 Beispielrechnung: 1. Schritt a-b b c+2b 75

75 Beispielrechnung: 2. Schritt a-b b+359 c+2b

76 Patentstreit ENIAC Patent von Eckert / Mauchly 1947 angemeldet, erst 1964 erteilt (17 Jahre später) Patent 1951 an Remmington Rand (später Sperry Rand) verkauft Honeywell Inc 1967 Klage um Patent anzuzweifeln : Patentstreit mit Sperry Rand Laut Gerichtsurteil ABC erster Computer Eckert und Mauchly haben nicht selbst als erste den automatischen elektronischen digitalen Rechner erfunden, sondern diesen Gegenstand von einem des Dr. John Vincent Atanasoff abgeleitet Richter Earl R. Larson 77

77 Mögliche erste Computer Computer Fertigstellung Elektronisch Programmierbar Binär Turingmächtig Zuse Z Nein Ja Ja Vielleicht Zuse Z3 Mai 1941 Nein Ja Ja Ja (Theoretisch) Colossus 1943/44 Ja Ja (Verkabeln) Ja Nein Mark I 1944 Nein Ja Nein Ja ABC Sommer 1941 Ja Nein Ja Nein ENIAC 1946 Ja Ja (Verkabeln) Nein Ja 78