Varhaisten tietokoneiden muistitekniikat

Helsingin YliopistoTietojenkäsittelytieteenlaitos

Tietojenkäsittelytieteen historia

Seminaariesitelmä 1.2.2001Jussi Iinatti

Eckert ja BINAC muistiyksikkö(Mercury delay line tank)

Varhaisten tietokoneiden muistitekniikat

Mekaaninen muisti Tarve paremmalle muistille ’Nopeita’ muistitekniikoita

Elohopeaviivelinja (Mercury delay line) Katodisädeputket (Cathod Ray Tubes) Ferriittirengasmuisti (Magnetic Core)

Mekaaninen muisti Z1 - 1938

Vuonna 1938 saksalainen Konrad Zuse sai valmiiksi prototyypin suunnittelemastaan ’tietokoneesta’, jonka alun perin suunnitteli kyllästyttyään lineaarialgebraan

Laite nimettiin myöhemmin Z1:ksi Laskemisessa käytettiin binäärimatematiikkaa ja laskut syötettiin

reikänauhalla Kone oli täysin mekaaninen Koneen muisti koostui metallilevyistä, joiden rei’issä olevat neulat

osoittivat muistipaikan arvoksi nollan tai ykkösen Levyjä oli noin tuhat ja ne tallensivat suunnilleen saman määrän

bittejä Zuse rakensi protontyypin pohjalta Z2:n Z2 käytti laskemiseen puhelinreleitä.

... Mekaaninen muisti Z3 – 1941

Vuonna 1941 Zuse sai valmiiksi – ensimmäisenä maailmassa – yleiskäyttöisen laskimen, joka toimi ohjelmallisesti

Laite sai nimekseen Z3 Koneen muisti oli toteutettu samalla tekniikalla kuin Z1:ssä Kapasiteetti oli saatu kasvatettua 64 kappaleeseen 22-bittisiä

numeroita Koneen avulla laskettiin etupäässä siipien kestävyyslaskelmia

Z4 – 1944 Zuse rakensi vielä yhden tietokoneen - Z4:n Koneen mekaaniseen muistiin pystyi tallettamaan 512 kpl 32-

bittisiä numeroita Liittoutuneiden pommitukset vaikeuttivat Zusen työtä ja tekivät

sen lopulta mahdottomaksi

Muisti sähköistyy 1942 - (ABC Atanasoff-Berry Computer)

1942 John Atanasoff ja Clifford Berry Iowan yliopistosta saivat valmiiksi tietokoneensa, joka oli ensimmäinen tyhjiöputkia laskemiseen käyttävä laite

Muistina käytettiin kahta pyörivää rumpua, joihin kiinnitettyihin kondensaattoreihin bitit tallennettiin

Yhden rummun tallennuskapasiteetti oli 30 kpl 50 bitin numeroita Kyseessä oli alkukantainen versio 40-luvun lopulla ja 50-luvun

alussa käytetystä rumpumuistista Kone jäi prototyyppiasteelle lähinnä huonosti toimivan

reikäkorttitekniikkansa takia

Vauhti kiihtyy 1945 – ENIAC

Marraskuussa 1945 J. Eckertin ja Mauchlyn johtama ryhmä sai valmiiksi ENIAC-tietokoneensa

ENIAC oli tuhansia kertoja nopeampi kuin yksikään edeltäjänsä ENIACin suorittaman ohjelman käskyt annettiin manuaalisesti Koneen muisti oli toteutukseltaan sekalainen:

Ennen laskentaa tiedossa olevat luvut, samoin kuin laskukaavat ja –funktiot, talletettiin manuaalisesti vivuin ja johtoja yhdistelemällä

Laskennan aikana syntyneet luvut talletettiin työmuistiin, joka oli toteutettu tyhjiöputkilla (accumulators)

Työmuistin kapasiteetti oli 20 10 numeroista desimaalilukua ja jos se ei laskennan aikana riittänyt, voitiin lukuja väliaikaisesti siirtää reikäkorteille

ENIACin mullistava nopeus loi tarpeen muistiin talletettavalle ohjelmalle ja nopealle datan syötölle.

Tarve talletetulle ohjelmalle Koneen suorituksen ohjaaminen käsin oli hyvin hidasta Jokaiselle laskentakerralle uusi konfiguraatio

Laskun syöttäminen ENIACiin kesti noin 2 päivää Väärin kytketyn kaapelin etsiminen vaati käsittämättömästi työtä

ENIACin kankea ohjausmenettely seurausta juuri käyttötarkoituksesta

Lentoratataulujen välillä oli vain pieniä eroja ENIACin laskennallinen suorituskyky olisi vaatinut nopeampaa

käskyjen syöttämistä ENIACin tyhjiöputkitekniikalla toteutettu laskenta oli mullistavan nopeaa

Kunnollista muistitekniikka ei ollut saatavilla Tietokonepioneerit joutuivat itse suunnittelemaan lähes kaiken

Ennen kuin ENIAC valmistui, EDVACiin suunniteltiin muistista suoritettavaa ohjelmaa

Ensimmäinen talletettu ohjelma Tarvittavan muistitekniikan kehittäminen mahdollisti

suoritettavan ohjelman tallentamisen tietokoneen muistiin Ensimmäinen kone jossa suoritettiin muistiin tallennettu

ohjelma, oli Manchester Mark I Mark I:n muistina käytettiin katodisädeputkia Mark I oli prototyyppi, jonka toimivuus varmisti

tietokonekehitystyön jatkumisen Englannissa Manchester Mark I:n pohjalta luotiin mm. ensimmäinen

kaupallinen tietokone Ferranti Mark I Lukuisten Mark I:n seuraajien vuoksi katodisädeputket (CRT)

olivat hyvin yleisiä 50-luvun alun tietokoneissa CRT-teknologiasta oli useita eri variaatioita Putket olivat edullisia, koska niitä käytettiin mm. tutkissa ja

televisioissa

Viivelinjat (Delay lines) Akustisen viivelinjan kehittäjä ja keksijä oli William Shockley Elohopean käyttämiseen välittävänä aineena päätyi John

Eckert Mikä tahansa väliaine, joka aiheuttaa siinä etenevälle

signaalille laskettavissa olevan viiveen, on käyttökelpoinen digitaalisen tiedon tallennusväline.

Viivelinja verrattuna katodisädeputkeen Hitaampi Suurempi fyysiseltä kooltaan Kalliimpi Vaikeampi valmistaa Suurempi kapasiteetiltaan Luotettavampi ja kestävämpi

Viivelinjat ja katodisädeputket korvattiin myöhemmin ferriittirengas-muistilla (Magnetic core)

Viivelinjan toiminta Signaali kiertää linjassa Jokaisella kierroksella

Signaalin vahvistaminen tai uudelleen muodostus Signaalin tahdistaminen kellon avulla Virheiden eliminointi, ’tyhjän syöttäminen’ Signaalin poistaminen tarvittaessa

Akustinen signaali Johtimen tallennuskapasiteetti on sitä suurempi, mitä

kauemmin signaalilta kuluu sen läpi kulkemiseen Johtimen pituutta ei käytännön syistä voi jatkaa loputtomiin Äänen nopeus missä tahansa aineessa on erittäin hidasta

verrattuna sähkömagneettisen säteilyn etenemisnopeuteen. Signaali kuljetetaan johtimessa akustisena energiana

Elohopeatankit Akustiseen signaaliin perustuvissa linjoissa käytettiin elohopeaa

Kiinteillä väliaineilla jonkinlaisiin tuloksiin päästiin sulatetulla kvartsilla Sähköinen signaali sai kvartsi-kiteen värähtelemään syötesignaalin

taajuudella Värähtelyt välittyivät elohopeaan ja edelleen vastaanottavaan

kiteeseen missä päinvastainen reaktio muutti signaalin sähköiseksi Signaalin heikkeneminen tapahtui pääasiassa kvartsikiteissä Heijastuksia pystyi vähentämään tukemalla kiteet akustiseti

elohopeaa vastaavalla aineella (esim. elohopea ;) ) Johtimet olivat yleensä noin 1,5 metriä pitkiä, jolloin saavutettiin

yhden millisekunnin viive Yleensä yhden johtimen tallennuskapasiteetti oli noin 1000 bittiä

Elohopeaviivelinja yksikkö Kuvassa muisti BINAC-koneesta Kapasiteetti 512 31 bitin sanaa Johtimien ’niputtaminen’

Lisäsi rinnakkaisuutta Vähensi lämpötilaongelmia

EDSAC, EDVAC, UNIVAC, BINAC Elohopealinja aikansa

luotettavin ’toimiva’ muisti Elohopealinjan korvasi

ferriittirengas-muisti (Magnetic core)

Ferriittirengasmuisti Katodisädeputket ja viivelinjat korvattin ferriittirengas-

muistilla (Magnetic core) Whirlwind-projekti MIT 1944

Alkuperäinen tarkoitus luoda reaaliaikainen tietokone laivaston lentosimulaattoriin

Projekti tunnetaan monien tärkeiden uudistusten luojana Whirlwind-tietokoneessa käytettiin aluksi elektrostaattista

muistia Koostui 32 katodisädeputkesta (CRT) Yhteenlaskettu tallennuskapasiteetti oli 2048 16 bittistä sanaa Ongelmana rikkoontuminen

Jay Forrester, Whirlwind-projektin päätutkija, tutki magneettisen Deltamax-materiaalin toimintaa muistina

Materiaalin magneettisuutta säätelemällä pystytään tallentamaan binäääristä tietoa

Ferriittirengasmuisti Forresterin muisti koostui magneettisesta materiaalista tehdyistä

renkaista (cores), jotka oli liitetty lankamatriisiin Renkailla oli omat koordinaattinsa matriisissa, ja jokaiseen

renkaaseen pystyttiin tallentamaan tietyn suuntainen magneettikenttä

Käyttämällä tiettyä X-akselin suuntaista lankaa ja tiettyä Y-akselin suuntaista lankaa, tietokone pystyi lukemaan tai tallettamaan ko. paikassa olevan renkaan magneettikentän suunnan

Menetelmä oli yksinkertainen aikaisempiin verrattuna Muistipäivityksen myötä Whirlwindin laskentanopeus

kaksinkertaistui ja datan syöttönopeus nelinkertaistui Ferriittirengasmuisti korvasi viivelinjat ja katodisädeputket

Ei lämpötilaherkkä Varmatoiminen ja nopea

Ferriittirengasmuisti

Kehitys Ferriittirengasmuistin jälkeen muistikehitys siirtyi yhä

enemmän magneettisen tallennuksen pariin IBM kehitti magneettinauhoja ja ’kovalevyjä’