EDSAC-Tietokone Esa Kallioniemi

Johdanto Tultaessa 1930-luvulle mekaaniset laskennan apuvälineet yleistyivät Ensimmäinen reletekniikalla parannettu reikäkorttilaskin : Harwardin Mark 1 (1944) Ensimmäinen tyhjiöputkia käyttävä tietokone : ENIAC (1946)

Von Neumannin raportti Julkaistiin 1945 John von Neumannin nimellä Todellisuudessa taustalla Presper Eckertin, John Mauchlyn ja John von Neumannin tutkimustyö Pennsylvanian yliopistossa Raportti määritti nk. von Neumann –arkkitehtuurin Tärkein idea : tietokone toimii käyttäen muistiinsa tallennettua toimintaohjesarjaa, eli tietokoneohjelmaa

EDSAC ( Electronic Delay Storage Automatic Calculator) Ensimmäinen von Neumann –arkkitehtuurin toteuttanut tietokone maailmassa Rakennettin Cambridgen yliopistossa Mathematical Laboratoryn ja sen johtajan Maurice V. Wilkesin projekti

EDSAC Pähkinänkuoressa Käynnistettiin virallisesti Logiikka toteutettu 3000:lla tyhjiöputkella Muistin koko noin 2 KB Suorituskyky keskimäärin 650 käskyä sekunnissa Syöttö ja tulostus käyttäen reikänauhaa Sisälsi primitiivisen ”käyttöjärjestelmän” Sähkönkulutus 12 kW Toimi seitsemän vuotta, vuodesta 1953 myös opetuskäytössä

EDSAC:in kehitys 1 Cambridgen yliopiston tietojenkäsittelytieteen laitos alkoi toimia nimellä ”Mathematical Laboratory” 1946 Fyysikko Maurice V. Wilkes laitoksen johtoon Wilkes oli kiinnostunut mekaanisten laskimien digitalisoinnista Raportti digitalisoinnin mahdollisuuksista helmikuussa 1946

EDSAC:in kehitys 2 Wilkes sai luettavakseen von Neumannin raportin toukokuussa 1946 Syksyllä 1946 Wilkes vieraili Moore School of Electrical Engineering:ssä Pennsylvanian yliopistossa Uuden tietokoneen suunnittelu alkoi jo paluumatkalla USA:sta syyskuussa 1946

EDSAC:in kehitys 3 Elohopeaviivemuistin ensimmäinen prototyyppi tammikuussa 1947 Muistin määräksi päätettiin 32 elohopeatankkia Melkein kaikki rakentamiseen tarvittavat tyhjiöputket varusteluministeriön ylijäämävarastosta Huomattava 3000 punnan lahjoitus J. Lyons & Co:lta

EDSAC:in kehitys 4 Syksyllä 1948 muistiyksiköt olivat valmiit Helmikuussa 1949 syöte ja tulostus toimivat käyttäen reikänauhaa Maaliskuun 6. päivä 1949 EDSAC suoritti ensimmäisen ohjelmansa Virallinen käynnistys konferenssin yhteydessä

Järjestelmän arkkitehtuuri Von Neumann –arkkitehtuurin sarjallinen toteutus Rekisteriarkkitehtuuri toteuttu käyttäen akkumulaattoripohjaista lähestymistapaa Laskenta käyttäen binäärilukuja Konservatiivinen 500 KHz:n kellotaajuus

Järjestelmän arkkitehtuuri Laskennassa käytössä kolme rekisteriä : Akkumulaattori, leveys 72 bittiä. Kertoja (engl. multiplier ), leveys 36 bittiä Kerrottava (engl. multiplicant ), leveys 36 bittiä Kaikissa laskuoperaatioissa toinen operaattori akkumulaattorissa, toinen ladataan muistista.

Järjestelmän arkkitehtuuri Käytetyt sanan pituudet Pitkä: 36 bittiä, josta 1 bitti etumerkille ja yksi täytteeksi Lyhyt: 18 bittiä, josta 1 bitti etumerkille ja yksi täytteeksi Laskenta mahdollista kummallakin sanapituudella Lukujärjestelmänä laskennassa sekä muistissa että rekistereissä puoliavoin väli

Viivelinjamuisti Ideana on hidastaa sähköpulssien kulkua hetkellisesti Haluttu viive saavutetaan muuntamalla sähköpulssit ääniaalloiksi Ääniaallot johdetaan läpi sopivan väliaineen Mahdollisia väliaineita : lasi, metalli, erilaiset nesteet Yksi sopivimmista väliaineista on elohopea Ääniaaltojen liikkumisnopeus läpi elohopean 1400 m/s Ongelmana elohopean tiheyden muuttuminen lämpötilan muuttuessa Tiheyden muuttuessa äänen nopeus elohopeassa muuttuu

Viivelinjamuisti käyttäen elohopeaa 1 Sähköiset pulssit muutetaan ultraääniaalloiksi käyttäen kvartsikidettä. Ääniaallot johdetaan läpi elohopealla täytetyn lieriön Lieriön sisään saadaan joukko peräkkäisiä aaltoja tasaisella etäisyydellä toisistaan

Viivelinjamuisti käyttäen elohopeaa 2 Sovitaan aallon olemassaolon tietyllä ajanhetkellä tarkoittavan bittiä 1 ja poissaolon bittiä 0 Vastaanotetaan aallot lieriön toisessa päässä kvartsikiteellä ja vahvistetaan signaali Lähetetään sama signaali uudestaan -> saadaan seisova aaltokuvio joka tallentaa joukon bittejä Aaltojono vastaa siis suoraan jonoa bittejä muistissa

EDSAC:in muistijärjestelmä 1 Tavoitteena 32 * 18 bittiä = 576 bittiä/tankki Tarvitaan siis 576 aaltoa Systeemin kellopulssin aikaväli on joten aaltojen etäisyys on

EDSAC:in muistijärjestelmä 2 Elohopeatankkiin perustuvan viivemuistin ongelmana ovat lämpötilaherkkyys ja latenssi Muistitankit verrattain kookkaita, noin 150 * 10 cm Latenssi yhdellä sananhaulle EDSAC:in yhdestä tankista on 16 * 38 * = 1.1 ms Keskusmuistin lisäksi myös kaikki rekisterit toteutettiin elohopeatankeilla

Käskykanta 1 Käskyt vakiomittaisia, yhden lyhyen sanan = 18 bittiä Käskyjä kaikkiaan 18 kappaletta Keskimääräinen suoritusaika 1.5 ms, kertolasku 4.5 ms, jakolasku 200 ms (ohjelmiston avulla)

Käskykanta 2 Käskyn osoitteena joko lyhyt sana ”F” tai pitkä sana ”D” Huomioitavaa : Ei hyppykäskyä Ei ehdollista yhtäsuuruusvertailua Ei vakioita Kaikki datan lukeminen ja kirjoittaminen yksi merkki kerrallaan

Käskyt 1 A n F/D Lisää luku muistipaikasta n akkumulaattoriin. S n F/D Vähennä luku muistipaikasta n akkumulaattorista. H n F/D Kopioi luku muistipaikasta n kertoja rekisteriin. V n F/D Kerro luku muistipaikassa n kertoja rekisterin sisällöllä ja lisää tulos akkumulaattoriin. N n F/D Kerro luku muistipaikassa n kertoja rekisterin sisällöllä ja vähennä tulos akkumulaattorista.

Käskyt 2 T n F/D Siirrä akkumulaattorin sisältö muistipaikkaan n ja tyhjennä akkumulaattori. U nF/D Siirrä akkumulaattorin sisältö muistipaikkaan C n F/D Suorita looginen AND kertoja rekisterin ja muistipaikan n välillä. Tallenna tulos akkumulaattoriin. R p F Siirrä bittejä akkumulaattorissa p paikkaa oikealla.

Käskyt 3 L p F Siirrä bittejä akkumulaattorissa p paikkaa vasemmalle. E n F Jos akkumulaattori 0 suorita seuraava käsky muistipaikasta n. Muuten jatka normaalisti. G n F Jos akkumulaattori < 0 suorita seuraava käsky muistipaikasta n. Muuten jatka normaalisti I n Lue seuraavat 5 bittiä (reikää) reikänauhalta ja siirrä ne muistipaikan n viideksi vähiten merkitseväksi bitiksi.

Käskyt 4 O n Tulosta 5 merkitsevintä bittiä muistipaikasta n. F n Lue kaukokirjoittimen viimeksi tulostama luku muistipaikkaan n. X Ei toimintoa, suorita seuraava käsky. Y Pyöristä luku akkumulaattorissa 34 bittiin. Z Pysäytä kone ja soita kelloa.

Syöttö ja tulostus Ohjelman ja laskettavan datan syöttä reikänauhalla Reikänauhassa 5 reikää rivissä, yksi reikä = yksi bitti Syöttönopeus n. 6 merkkiä sekunnissa Tulostus joko samanlaiselle reikänauhalle kuin syöttö tai kaukokirjoittimelle (engl. teleprinter )

Käyttöjärjestelmä 1 EDSAC sisälsi minimaalisen ”käyttöjärjestelmän” Kiinteästi koneen sisälle mekaanisiin kytkimeen tallennettu ohjelmakoodi, josta kolme versiota : Esikäskyt (engl. initial orders ) ohjelman lataus, osoitteen laskenta Koordinoivat käskyt (engl. coordinating orders), suhteellinen muistiosoitus käyttäen erillistä ohjelmanpätkää Esikäskyt versio 2 (engl. initial orders second form), toteuttivat esikäskyt ja koordinoivat käskyt samalla koodilla

Käyttöjärjestelmä 2 Esikäskyt versio 2 merkittävät tietojenkäsittelyn historiassa monella tapaa: Tuki makroille Mahdollisuus käyttää aliohjelmia Modulaarista ohjelmointia tukeva aliohjelmakirjasto Ensimmäinen tuki karkealle symboliselle ohjelmoinnille

Esimerkki ohjelmasta ja sen reikänauhasta

EDSAC:in käyttö tutkimuksessa Paljon sovelluksia tietojenkäsittelyn ulkopuolelta Matematiikka : alkulukualgoritmeja, algebraa Fysiikka: epälineaarisia differentiaaliyhtälöitä, ilmakehän fysiikkaa Taloustieteitä, molekyylibiologiaa,radioastronomiaa

EDSAC 2 EDSAC:in tehokas seuraaja Akkuarkkitehtuuri Rinnakkaiset laskentayksiköt Modulaarinen laitteistoarkkitehtuuri Perustui vallankumoukselliseen mikrokoodin käyttöön

EDSAC 2 EDSAC oli rakenteilla Käyttö jatkui vuoteen 1965 Noin sataa kertaa EDSAC 1:n tehoinen Sisälsi ensimmäisenä tietokoneena modernin BIOS- piirin kaltaisen muistin