Elektro-mehanski računalnik

Iz MaFiRaWiki

Vsebina

Elektromehanski računalniki

Razvoj elektrotehnike je odprl nove možnosti pri realizaciji strojev za računanje. Ena od prvih možnosti je bila uvedba elektromotorjev za pogon mehanskih kalkulatorjev (Pascalov stroj, Leibnizev stroj), ki so se v začetku dvajsetega stoletja zelo razširili. Drugo pomembno področje uporabe predstavljajo naprave na osnovi luknjanih kartic, s katerimi je bilo mogoče sortirati in tabelirati velike količine podatkov. Odsotnost oz. prisotnost luknjic se je sedaj ugotavljala električno in ne mehansko.

Hollerithov sortirni stroj, 1890

Preprostost in zanesljivost sta bila glavna razloga za komercialno uspešnost naprav na osnovi luknjanih kartic. Herman Hollerith (1860-1929) jih je prvič uspešno uporabil leta 1887 pri statistični obdelavi podatkov o smrtnosti v Baltimoru. Njegov največji uspeh je bila odločitev, da se njegove naprave (Hollerithov sortirni stroj) uporabijo pri obdelavi rezultatov ljudskega štetja v ZDA leta 1890. Obdelava, ki je zahtevala luknjanje kakih 56 milijonov kartic, je uspela in naprave te vrste so se hitro razširile po ZDA in svetu. Podjetje Tabulating Machine Company, ki ga je 1896 ustanovil Hollerith, se je leta 1911 združilo z dvema drugima v novo podjetje, ki se je leta 1924 preimenovalo v IBM (International Business Machines Corporation).

Kljub komercialni uspešnosti predstavljajo te naprave, gledano s stališča razvoja računalnikov, pravzaprav korak vstran. Edina aritmetična operacija, ki so jo obvladale, je bilo štetje. Šele okrog leta 1900 je bilo dodano seštevanje (po vzoru Leibnizevega kalkulatorja), ostale operacije pa dosti kasneje. Uporabljale so se predvsem za statistične in računovodske obdelave, kjer je seštevanje praviloma zadoščalo. Čeprav bi težko rekli, da predstavljajo poskus v smeri razvoja računalnika za splošne namene, so bila z njimi razvita pomembna orodja, ki so prišla zelo prav pri kasnejšem razvoju računalnikov.

Slika:Herman_H.jpg

Turingov stroj, 1936

Alan Turing (1912–1954) je bil leta 1931 sprejet na kraljevo univerzo v Cambridgeu. Tu se je seznanil s von Neumannovim delom. Med drugo svetovno vojno je delal na Oddelku za komunikacije. Skupina, v kateri je bil Turing, je na nemško Enigmo odgovorila s Colossusom. Colossus je bil prvi korak k današnjim digitalnim računalnikom.

Želel je izumiti napravo, ki bi bila zmožna rešiti vse rešljive probleme. Ta naprava se danes imenuje Turingov stroj. To je abstraktni računalnik, ki je osnova za teoretično računalništvo. Svoj matematični model, t.i. Turingov stroj, je objavil leta 1936. Glavni ideji Turingovega razmišljanja sta:

  • Matematična funkcija je izračunljiva, če jo je mogoče v končnem številu korakov izračunati na enem od Turingovih strojev.
  • Funkcij je več kot Turingovih strojev, oziroma obstajajo tudi neizračunljive funkcije.


Model Turingovega stroja

Vsak Turingov stroj je mogoče na preprost način opisati z uporabo mehaničnih delov kot so trak, bralno-pisalna glava in mehanizem za pomik traku. Vedeti pa moramo, da mehanična osnova stroja ni bistvena in je samo sredstvo za lažje razumevanje Turingove ideje, ki je v bistvu postopek za matematično dokazovanje. Rečemo lahko, da je Turingov stroj matematični pojem.

Vsak Turingov stroj vsebuje naslednje dele:

  • Neskončni trak, ki je enodimenzionalen in razdeljen v zaporedje enakih kvadratkov. Vsak kvadrat je sposoben vsebovati samo en simbol iz končne množice ali pa je prazen. Trak se uporablja samo za branje in pisanje podatkov.
  • Program je zaporedno končno število navodil oziroma ukazov. Program ukaže glavi, kaj naj piše in kam naj se premakne glede na podatek na traku ter trenutno stanje programa.
  • Bralno-pisalna glava je sklop, ki v vsakem trenutku bere določen kvadratek na traku in opravlja ukaze programa v določenem koraku.

Da se Turingov stroj ni uveljavil kot model računalnika, izvira iz njegove počasnosti.

Konrad Zuse, Z-3, 1941

Prvi delujoči stroj Babbagejeve vrste je naredil Nemec Konrad Zuse (1910-1996). S problemom gradnje stroja za računanje se je pričel ukvarjati še kot študent gradbeništva. Zuse ni vedel za Babbagevo delo in je do načrtov za svoje stroje prišel samostojno. Odločil se je za dvojiško in ne desetiško aritmetiko. Poleg tega je uporabil predstavitev števil v plavajoči vejici v podobni obliki kot jo poznamo še danes.

Zuse je imel velike težave s financiranjem svojih projektov. Njegovi stroji so zato po velikosti in zmogljivosti bistveno skromnejši od v približno istem času nastajajočih ameriških. Leta 1938 je dokončal Z-1, ki je bil povsem mehanski in pri delovanju nezanesljiv. Pri Z-2 je bila aritmetična enota zgrajena iz telefonskih relejev, pomnilnik pa je bil mehanski, tako kot pri Z-1.

Pri naslednjih poskusih je Zuse uporabil elektromehanske releje. Leta 1941 je bil dokončan elektromehanski stroj Z-3, ki je bil prvi delujoči programsko vodeni računalnik za splošne namene. Zgrajen je bil iz 2600 telefonskih relejev in je imel relejski pomnilnik velikosti 64 22-bitnih besed. Vsi ukazi so bili 8-bitni in so bili shranjeni na luknjanem traku. Njegovo zgradbo kaže spodnja slika.

Slika:ZgradbaZ3.jpg

Za vnos podatkov je služila tipkovnica, rezultat pa je bil prikazan v numerični obliki s pomočjo žarnic na posebnem zaslonu. V ukazih so bili pomnilniški naslovi podani v numerični obliki na način, ki je podoben današnjemu. Z-3 ni imel ukazov za pogojne skoke in v tem pogledu ni dosegel analitičnega stroja. Podatki o problemih, ki so jih reševali z njim, so skopi, ker je bil leta 1944 stroj uničen v letalskem napadu. Po vojni je bila zgrajena njegova kopija, ki je na ogled v Deutches Museum v Munchnu.

Slika:KopijaZ3.jpg

Konec vojne je dočakala izpopolnjena različica Z-4, narejena leta 1945. Računalnik Z-4 je deloval tudi na Inštitutu za matematiko fiziko in mehaniko na Lepem potu v Ljubljani. Zdaj pa so njegovi deli shranjeni v Tehniškem muzeju v Bistri.

Howard Aiken, Mark I, 1944

Duhovni oče računalnika Mark I je Howard Aiken (1900-1973), fizik s Harvardske univerze. V nasprotju z Zusejem je Aiken poznal Babbagevo delo, čeprav analitičnega stroja ne dovolj podrobno. Gradnjo elektromehaničnega programsko vodenega računalnika za splošne namene je predlagal leta 1937, delo pa se je pričelo leta 1939. Delo na Automatic Sequence Controlled Calculatorju, kot se je stroj tudi imenoval, je v celoti prevzela firma IBM, ki je rešila tudi večino razvojnih problemov. Gradnja je potekala brez denarnih težav, lahko bi rekli celo razkošno. Delo so končali leta 1943, na Harward pa so stroj pripeljali in pripravili za delo maja 1944.

Mark I je bil ogromen stroj, ki je bil dolg preko 15 metrov in visok ter širok več kot 2 metra. Podobno kot Babbagevi stroji je tudi Mark I za pomnilnik uporabljal desetiška števna kolesa, le da so bila zdaj elektromehanska. Ukaze je dobival preko luknjanega traku, pomnilnik je obsegal 72 23-mestnih desetiških števil. Za vnos podatkov je služil še čitalnik luknjanih kartic, rezultati pa so se izpisovali na tiskalnik ali na luknjalnik kartic. Seštevanje in odštevanje je trajalo 0,3 sekunde, množenje 6 in deljenje 12 sekund. Kljub temu, da je Aiken vedel za analitični stroj, ga ni poznal dovolj dobro, da bi med ukaze vključil tudi pogojne skoke. To je bilo narejeno šele kasneje ob razširitvi stroja.

Z-3 in Mark I sta si bila v marsičem podobna, čeprav sta se razvijala popolnoma neodvisno, saj Zuse ni vedel za delo, ki je v tem času potekalo v Ameriki kot tudi Američani niso vedeli za Zuseja. Oba sta kot medij za shranjevanje ukazov uporabljala luknjani trak in pri obeh je bilo pred začetkom reševanja problema potrebno ročno nastaviti vrsto stikal. Razlikovala pa sta se v tem, da je bil Z-3 binaren z aritmetiko s plavajočo vejico, Mark I pa desetiški z aritmetiko s fiksno vejico. Mark I je bil veliko večji in zmogljivejši ter je ostal v redni uporabi na Harvardu do leta 1959. Američani so bili dolgo prepričani, da je bil njihov Harward Mark I. prvi delujoči programsko vodeni računalnik za splošne namene.

Ljudje so torej potrebovali skoraj sto let, da so uresničili Babbageove ideje. Ker so ideje ostale iste, lahko rečemo, da je bil v tem času razvoj pravzaprav samo tehnološki in ne tudi arhitekturni.

Slika:Mark_I.jpg

Glej tudi

VIR


www.robptuj.si SERŠ Maribor, Strokovna gimnazija

Osebna orodja