Vorlesungsskript Computergeschichte

HUMBOLDT-UNIVERSITÄT ZU BERLIN INSTITUT FÜR INFORMATIK

Vorlesung 2

COMPUTER GESCHICHTE Sommersemester 2001 Leitung: Prof. Dr. Miroslaw Malek

D - CA - II - CG - 1

GESCHICHTE DES RECHNENS UND DER RECHNERARCHITEKTUR DIE ANFÄNGE WANN

WER

WAS

40001200 BC

Bevölkerung von Sumer

Tontafeln mit Handelsaufzeichnungen

Ursprung unbekannt Abakus (benutzt in Babylon, später in der arabischen Welt, Europa, China und Japan)

1570-80

John Napier (1550-1617, Scotland)

Logarithm Bones

1617

Robert Bissaker

Wood Strip Logs

1620

Edmund Gunter (1581-1626, England)

Slide Rule

D - CA - II - CG - 2

MECHANISCHES ZEITALTER (1623-1945) WANN

WER

WAS

1623

Wilhelm Schickhard (1592-1633, Dtl.)

Addierer

1642

Blaise Pascal Addierer (+,-) (1623-1662, Frankreich) Neuerung: Sperrad für Überträge

1671

Gottfried Leibniz (1646-1716, Dtl.) baute den Vorgänger des 4-FunktionsRechners

D - CA - II - CG - 3

Rechner (+,-,x,/,)

Im 18.Jh. war die Entwicklung auf die Verbesserung der 4-Funktions-Rechner konzentriert. WANN

WER

WAS

1794

G. F. Prony

Autometer (+,-,x,/)

berechnete in einem Projekt für die Regierung Frankreichs die Logarithmen von 1 bis 200.000

1820

Thomas de Colmar (Frankreich)

Arithmometer

baute einen 4-Funktions-Rechner

1823

Charles Babbage (1792-1871) entwarf die Differential (Difference) Maschine

D - CA - II - CG - 4

Differential Maschine

Die Differential Maschine von Charles Babbage Die Maschine kann Polynome 6. Grades mit 20 Stellen Genauigkeit lösen.

n f ( x) = ∑ ai xi i=0

∆i y j +1 = ∆i y j + ∆i +1 y j

Babbage bekam £ 17.000, um die Maschine zu bauen, aber das Projekt wurde 1842 abgebrochen. D - CA - II - CG - 5

WANN

WER

WAS

1834

Charles Babbage

Analytische

Ein Zeitgenosse, L. G. Maschine Menebrea, entwickelte das hypothetische Programm zum Lösen von Linearen Gleichungen

DIE ANALYTISCHE MASCHINE Mühle

DATEN

Speicher

Ausgabe Kartenstanzer

INSTRUKTIONEN Operationskarten

Variable Karten

PROGRAMM Bestandteile: 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. D - CA - II - CG - 6

PROGRAMM ZUM LÖSEN LINEARER GLEICHUNGEN x1 =

a11 x1 + a12 x2 = b1 a21 x1 + a22x2 = b2

x2 =

DATEN

Var

Inhalt

a22 b1 – a12 b2 a11 a22 – a12 a21 a11 b2 – a21 b1 a11 a22 – a12 a21

PROGRAMM Op.-

Variable Karte

karte

Quelle

Ziel

Rechnung

w0 = a11

x

w2, w4

w8

w8

Å

a22 b1

w1 = a12

x

w1, w5

w9

w9

Å

a12 b2

w2 = b1

x

w0, w4

w10

w10

Å

a11 a22

w3 = a21

x

w1, w3

w11

w11

Å

a12 a21

–

w8, w9

w12

w12

Å

a22 b1 – a12 b2

w4 = a22

–

w10, w11

w13

w13

Å

a11a22 – a12a21

w5 = b2

÷

w12, w13

w14

w14

Å

w12 ÷ w13

Die Daten werden in den Speicher geladen und die Rechnung gemäß der Tabelle vollzogen. Die größte Neuerung war das Konzept eines programmierbaren Rechners. D - CA - II - CG - 7

WANN

WER

WAS

1837-53

George Scheuty (1785-1873)

Differential Maschine

baute eine Version von Babbages Differential Maschine, die Polynome 3. Grades auf 15 Stellen lösen konnte 1854

George Boole (1814-1864, England)

1872

E. D. Borbour

Binäre Logische Operationen: AND, OR, NOR Printing Calculator

Tinte mußte umständlich von Hand eingefüllt werden 1874-78

Lord Kelvin (1824-1907, England)

Analoge Maschine

1875

Frank Baldwin (1838-1925, USA)

Printing Calculator

1874-77

W. F. Odhner (Schweden)

Desk Calculator

1885

D. E. Felt (1862-1930, USA)

Comptometer

Printing Calculator mit eindrückbaren Tasten D - CA - II - CG - 8

WANN

WER

WAS

1890

Herman Hollerith (18601926, USA) (1890 Census)

Lochkarten, Tabelliermaschine

Elektrisches Tabulier System

Tabulating Machine Co. (1896)

Computation-Tabulating Recording Co. (1911)

International Business Machines Corp. (IBM) (1924)

D - CA - II - CG - 9

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 (England)

1912-30

Monroe, Baldwin, Frieden, 4 Funktions Rechner Marchant, etc.

1930-50

1936

Elektrische ScanMethode für die Kathodenstrahlröhre

motorbetriebene Rechner Alan Turing (1912-1954, England)

D - CA - II - CG - 10

Arbeit über Computable Numbers

KONRAD ZUSE (1910-1995) 1934

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

1940

Z2

nutzt Telefonrelays anstelle von mechanischen logischen Schaltungen

1941

Z3

erster funktionsfähiger Programm-gesteuerter elektro-mechanischer Rechner

1945

Z4

Z4 übersteht den Zweiten Weltkrieg, was die Nachkriegsentwicklung von wissenschaftlichen Computern in Deutschland unterstützt

D - CA - II - CG - 11

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)

WW II

Amerikaner bauen einen elektronischen, allgemein verwendbaren Rechner, zuvor baut John Atanasoff einen elektro-mechanischen digitalen Computer mit Vakuumröhren Howard Aiken von der Harvard Universität und IBM bauen eine elektro-mechanische Maschine namens Harvard Mark I

2,4 m

15 m

ATLAS wird an der Manchester Universität entwickelt

D - CA - II - CG - 12

Nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelte sich starke Aktivität im Bereich der Rechentechnik und das Zeitalter der modernen Computer begann. WANN

WER & WAS

1943-46

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 18.000 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. 1945

John von Neumann führt das Konzept eines gespeicherten Programms ein.

D - CA - II - CG - 13

WANN

WER & WAS

1947

erster Transistor, entwickelt von John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley für Bell Labs (Nobelpreis 1956)

1947-48

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

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.

1951

UNIVAC I (Universal Automatic Computer) wurde von Eckert und Mauchly gebaut, er benutzte Vakuumröhren (vor allem Trioden und Pentoden), Speicherzugriffszeit 0,5 ms.

D - CA - II - CG - 15

GESCHICHTE DES 20. JAHRHUNDERTS WANN

WAS

1951

Maurice Wilkes führt Mikroprogrammierung ein

1951

Jay Forresters Matrix Core Speicher

1951-52

Grace Murray Hooper entwickelt A-0 (1. Compiler)

1952

John Neumanns IAS Bit-parallele Maschine

1953

IBM 650 - erster massenproduzierter Computer

1953

Kenneth Olsen nutzt Jay Forresters Core-Speicher, um den Memory Test Computer zu bauen

1954

Texas Instruments stellt den Silikon-Transistor vor D - CA - II - CG - 16

WANN

WAS

1956

Fuji Photo Film Co. (Japan) entwickelt einen 1700 Vakuumröhren-Computer für Linsen-Design Berechnungen

1956

Univac mit Transistors

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 Semiconductor ICs

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 Computer Science ein D - CA - II - CG - 17

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

1967

4 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 D - CA - II - CG - 18

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 Phillips führen die CD-ROM ein

1984

NEC baut den 256-Kbit RAM und IBM führt einen 1-Mbit RAM ein

1984

IBM nutzt Intels 80286 für den neuen PC AT

1985

Cray 2 und Thinking Machines' parallel-processor Connection Machine erreichen 1 Mrd. ops/second

1990

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

GESCHICHTE DES ERFOLGREICHSTEN MINICOMPUTERS PDP-11 JAHR

MODELL

WORD LÄNGE

SPEICHER ZYKLUSZEIT

SPEICHER KAPAZITÄT KOSTEN

D.E.C. wurde von K. OLSEN gegründet

1957 D - CA - II - CG - 20

1959

PDP-1

18-BIT

5µs

4K-64K

$120.000 (PERIPHERIE)

1963

PDP-5

12-BIT

6µs

1K-4K

$30.000 (PC & DMA)

1965

PDP-8

12-BIT

3µs

1K-4K

$18.000 (SOFTWARE PAKETE)

1969

PDP-11

16-BIT

300 ns - 980 ns -128K

VIELE MODELLE, z.B.: PDP-11/40, PDP-11/45 1975

LSI-11

16-BIT

300 ns - 980 ns

(375 ICs auf dem PCB)

32K

$15.000-$30.000 (UNIBUS KONZEPT)

ÜBERBLICK COMPUTER GENERATIONEN GENERATION

PERIODE

TECHNOLOGIE

ERSTE

1945-1954

VAKUUM RÖHREN

ZWEITE

1955-1964

TRANSISTOREN

DRITTE

1965-1974

INTEGRIERTE SCHALTKREISE (SSI, MSI)

VIERTE

1975- ?

INTEGRIERTE SCHALTKREISE (LSI, VLSI)

FÜNFTE

?

KÜNSTL. INTELLIGENZ, NEURONALE NETZE, DIGITAL-ANALOGE HYBRIDEN

D - CA - II - CG - 21

COMPUTER DER ERSTEN GENERATION (1945-1954) Zentrale Recheneinheit Arithmetisch-logische Einheit AC

MQ

Ein/Ausgabe Geräte

Arithm.-logische Schaltkreise DR

Instruktionen und Daten

IBR

IR

PC

Hauptspeicher

AR Adressen

Steuerschaltkreise

Steuersignale

STRUKTUR DES IAS COMPUTERS

Programm Kontrolleinheit

CHARAKTERISTIKA Random Access Memory 4096 (2 1/2) Word 40 Bit Word 1 Adress (OP ADDR) Parallele Binärschaltungen High-Speed Register (CPU)

AC - Akkumulator MQ - Multiplexer-Quotient DR - Daten (40 Bit) AR - Adresse (12 Bit) IBR - Instruktions-Puffer PC - Instruktions Adresse (Programmzähler) D - CA - II - CG - 22

REGISTER TRANSFER SPRACHE Instruktion

Kommentar

AC

Õ M(100)

Transferiert Inhalt der Speicherstelle 100 in den Akkumulator

AC

Õ AC + M(101)

Addiert den Inhalt der Speicherstelle 101 zum Inhalt des Akkumulators und schreibt das Ergebnis in den Akkumulator

M(102) Õ AC

0

Schreibt den Inhalt des Akkumulators an die Speicherstelle 102

39

1

DATEN WORD

Vorzeichen Bit

SYMBOLISCH LDA ADD STA

A B C

Linke Instruktion 0

Opcode

8

Rechte Instruktion 19 20

Adresse

28

Opcode

INSTRUKTIONS WORD D - CA - II - CG - 23

39

Adresse

COMPUTER DER ZWEITEN GENERATION (1955-1964) Magnettrommel Speicher

Magnetdisc Speicher

Magnetband Speicher Drucker

Zentrale Recheneinheit AC

MQ

Kartenleser

Arithm.-logische Schaltkreise

Trommel/Disc Kontrolleinheit

DR

IO Prozessor (Kanal)

IO Prozessor (Kanal)

Schnittstelle zum Benutzer Speicher Kontrolleinheit (Multiplexer)

Indexregister XR(1-7)

IBR

Corespeicher

Indexaddierer

IR

Steuerschaltkreise

AR

PC

Steuersignale

Speicheradresse

IBM 7094 D - CA - II - CG - 24

DATEN FORMATE DES IBM 7094 0 1

35

S

0 1

Festkommazahl 9

35

S Exponent

Mantisse

Fließkommazahl 21

0

Opcode

35

Adresse

Instruktion CHARAKTERISTIKA Transistortechnologie Indexregister Fließkomma Subroutine linkage 200 Instruktionen Indirekte Adressierung Interrupts Hochsprache

Batch processing Echtzeit Multiprocessing Getrennte E/A 32K Speicher Magnetischer Core-Speicher Speicher-Interleaving Magnetische Trommel

D - CA - II - CG - 25

DRITTE GENERATION (1965 - 1974) CPU STRUKTUR DER IBM S/360-370 SERIE 16 32-bit General Purpose Registers 4 64-bit Fließkommaregister

Arithm.Einheit Festkomma

Dezimale Arithm.Einheit

Arithm.Einheit Fließkomma

Interne Busse

AR

IR

PC

DR

Programm status word Speicher Kontrolleinheit D - CA - II - CG - 26

zum Haupt speicher

IBM S/360-370 DATEN FORMATE niederwertigstes Byte Zone

Digit

Zone

Digit

Sign

Digit

in Zonen geteilte Dezimalzahl niederwertigstes Byte Digit

Digit

Digit

Digit

Sign

Digit

gepackte Dezimalzahl 31 15

0 1 S Festkomma-Binärzahl

127 63 31

7 8

01 S

Mantisse

Exponent

Fließkomma-Binärzahl 1 byte Zeichen

Zeichen Alphanumerische Daten

D - CA - II - CG - 27

Zeichen

VIERTE GENERATION (1971-19??)

MICROPROZESSOREN Intel 4004

(1971) 4-BIT WORD 45 INSTRUKTIONEN

Z 80

(1973) 8-BIT WORD

INTEL 8080 (1973) 8-BIT WORD 16 ADRESS LEITUNGEN (216=64 K SPEICHER) M6800

8-BIT WORD 72 INSTRUKTIONEN (8-BIT BYTES WORDS) INDEXIERTE ADDRESSIERUNG

MC68000

(1979) 16-BIT WORD

M 68020

(1985) 32-BIT WORD

Intel 80486 (1989) 32-BIT WORD ALPHA

(1993) 64-BIT WORD

D - CA - II - CG - 28

INTEL 8080 MICROPROZESSOR 8-bit interner Datenbus

AC

Multiplexer

FR

Arithm.-logische Schaltkreise

Interne Steuerleitungen

Steuerschaltkreise

IR

C

D

E

H

L

Register feld

Stackzeiger Programmzähler

DR 4 Stromversorgungs12 externe leitungen Steuerleitungen

B

Adreßregister

8 bidirectionale 16 Datenleitungen Adreßleitungen

FR Flag-Register (5 Bits) speichert: Vorzeichen, Carry, Overflow, Interrupt enable, Parität IR ist ein Instruktionsregister DR Datenregister z.B.

ADD M ADC M DAA dann

AC Õ AC + M(H,L) AC Õ AC + M(H,L) + FR(C) wobei FR der Wert d. Akkumulator f.Dezimalkorrektur overflow (carry) Bits ADD M DAA

für binär für dezimal D - CA - II - CG - 29

MIPS R4000 MICROPROZESSOR 64-bit System Bus

System Steuerung

S-cache Steuerung

CP0

Datencache

P-cache Steuerung

CPU

Instruktionscache

FPU

Ausnahme/Steuer Register Speicherverwaltungsregister

CPU Register

FPU Register

ALU

Pipeline Bypass

Load Aligner/Store Driver

FP Multiplier

Integer Multiplier/Divider

FP Divider

Translation Lookaside Puffer

Addreßeinheit

FP Add, Konvertierung, Quadratwurzel

PC Incrementer

Pipeline Steuerung

CPU Register - frei verwendbare Register 63

32 31 R0 R1

- Multiply/Divide Register 0

63

32 31 MultHI MultLO

0

- Programmzähler 63 R31 D - CA - II - CG - 30

32 31 PC

0