Serwis Edukacyjny
w I-LO w Tarnowie
obrazek

Materiały dla uczniów liceum

  Wyjście       Spis treści       Wstecz       Dalej  

Autor: prof. Horst Zuse
Tłumaczył: mgr Jerzy Wałaszek

©2021 mgr Jerzy Wałaszek
I LO w Tarnowie

Rozdział 3

Szczegółowe spojrzenie na architekturę komputera Z1

SPIS TREŚCI

Rozdział 3

W roku 1936 ojciec zakończył opracowywanie logicznego projektu swojego pierwszego komputera - V1 (później zmienił jego nazwę na Z1, aby uniknąć powiązania z rakietą V1). Przestudiował dokładnie wszystkie dostępne w owym czasie mechaniczne maszyny liczące, z których wszystkie oparte były na dziesiętnym systemie liczenia. Jednakże nigdy nie planował zbudowania zmodyfikowanej lub ulepszonej maszyny dziesiętnej, ponieważ chciał stworzyć nowy typ komputera do uniwersalnych zastosowań naukowych.

Od 1936 do 1938 ojciec mój zajęty był budową Z1, który działał według zasad omówionych w Rozdziale 2. Maszyna Z1 była godna uwagi z wielu powodów. Oprócz pamięci z 64 słów (każde z nich zawierało po 22 bity) maszyna ta posiadała wszystkie składniki, które poprzednio wymieniono w Części 2. Dlatego Z1 był pierwszym na świecie, swobodnie programowalnym komputerem dwójkowym!

obrazek
Fot.7. Komputer Z1
w pokoju gościnnym
rodziców Konrada Zuse w 1936
Z1 nie korzystał z przekaźników, lecz zamiast nich składał się z cienkich, metalowych arkuszy, które wraz z przyjaciółmi pracowicie wyciął z blachy piłką do metalu. Jedynym elementem elektrycznym był silnik używany do napędu generatora zegarowego o częstotliwości 1 Hz.
obrazek
Fot.8. Elementami składowymi Z
 były cienkie, metalowe arkusze

Z1 był programowany przy pomocy taśmy perforowanej i jej czytnika. Poszczególne elementy składowe (czytnik taśmy perforowanej, jednostka sterująca całą maszyną i wykonywaniem instrukcji, jednostka arytmetyczna z rejestrami R1 i R2, pamięć oraz urządzenia wejścia wyjścia) były od siebie dobrze odseparowane.

W 1986 Konrad Zuse zdecydował się odbudować komputer Z1 (Fot. 13), ponieważ jego architektura była prawie identyczna z architekturą komputera Z3 (omawianego poniżej) niestety zniszczonego w czasie Drugiej Wojny Światowej. Stąd powiedzenie, iż "Wojna jest matką wszystkiego" nie jest prawdziwe w przypadku wynalazku komputera.

obrazek
Fot.9. Odbudowany komputer Z1
w widoku z lotu ptaka
(Źródło: Deutsches Technik Museum w Berlinie)

Zwróć uwagę, jak przypomina on kształtem widok nowoczesnego układu scalonego.

obrazek
Fot.10. Schemat blokowy komputera Z1
Zwróć uwagę, jak schemat ten pasuje do fizycznej budowy Z1 pokazanej na Fot. 9 (powyżej).

Funkcje większości składników są oczywiste. Pamięć, która składała się z 64 słów, każde po 22 bity, została uformowana w trzy bloki. Pierwszy blok zawierał 64 słowa dla wykładników i znaków (8 bitów na każde słowo). Pozostałe dwa bloki zawierały 32 słowa dla mantysy (14 bitów w każdym słowie). Jednostka adresowa interpretowała adresy pamięci przekazywane przez jednostkę sterującą. Jednostka arytmetyczna była sumatorem, a wszystkie operacje sprowadzano do dodawań lub odejmowań (dodawanie i odejmowanie są bardzo podobnymi do siebie operacjami).

Rejestry R1 i R2 były dwoma słowami, każde po 22 bity. Dwa koła po lewej stronie (na bloku generatora zegarowego) symbolizują kołowroty do ręcznego wprowadzenia cyklu zegarowego, gdzie górna korba odnosi się do pamięci a dolna przeznaczona jest dla jednostki sterującej i arytmetycznej.

Konrad Zuse odbudował Z1 w swojej pracowni w Hünfeld pomiędzy rokiem 1987 a 1989. Oryginalny Z1 był finansowany prywatnie przez Konrada Zuse, jego rodziców, siostrę Lieselotte (1908-1953) oraz przyjaciół. Rekonstrukcja Z1 stała się trudnym zadaniem dla mojego ojca, ponieważ miał już 77 lat. Odtworzenie wszystkich elementów maszyny było bardzo kosztowne. Całkowity koszt odbudowy komputera Z1 wyniósł około 800.000 DM. Przedsiębiorstwo Siemens AG koordynowało konsorcjum pięciu kompanii i pokryło większą część tych kosztów.

Pracując w swojej pracowni Konrad odtworzył tysiące rysunków technicznych każdego elementu maszyny, ponieważ oryginalne plany uległy zniszczeniu w czasie wojny. Pod koniec 1987 prace rekonstruktorskie nad Z1 uległy przerwaniu, gdyż mój ojciec dostał ataku serca. Jednakże po sześciu miesiącach rekonwalescencji budowa maszyny była kontynuowana.

obrazek
Fot.11. Na brązowej desce kreślarskiej
Konrad Zuse po raz drugi zaprojektował Z1
obrazek
Fot.12. Inny widok na pracowni
 Konrada Zuse (1986)

W przybliżeniu 30.000 komponentów wchodzących w skład tej maszyny - narysowane przez Konrada Zuse - wykonano następnie w przedsiębiorstwie Siemens AG w miejscowości Bad Hersfeld przy użyciu nowoczesnych obrabiarek numerycznych. Komponenty te zostały następnie złożone w całość przez Konrada Zuse, pracownika Siemens AG i dwóch studentów Schweiera i Saupe [SCHW89] z Kolonii.

obrazek
Fot.13. Odbudowa Z1 w pracowni Konrada Zuse
(Zdjęcie to wykonał Horst Zuse 25 grudnia 1988)

Odbudowany komputer Z1, ukończony w 1989, przeniesiono z Hünfeld do Berlina. Odbudowa Z1 była wspaniałym osiągnięciem pozwalającym mojemu ojcu pokazać światu pierwszy swobodnie programowalny komputer oparty na liczbach zmiennoprzecinkowych i dwójkowym systemie liczenia.

Powiedzieliśmy już wcześniej, iż Z1 posiadał pamięć 64 słów po 22 bity. Każde słowo było bezpośrednio adresowalne przez taśmę perforowaną wraz z jej czytnikiem i jednostką sterującą, a dane można było odczytywać i zapisywać do każdego z tych słów. Warto zauważyć, iż ta pamięć mechaniczna wcale nie pracowała  wolniej od pamięci zbudowanej przy użyciu przekaźników, nie licząc tego, iż pamięć mechaniczna zajmowała o wiele mniej miejsca.

obrazek
Fot.14. Jeden bit mechanicznej pamięci Konrada Zuse

Bez wątpienia był to unikalny rodzaj pamięci, a w roku 1936 Konrad Zuse uzyskał na niego patent [ZUSE36]. Metalowe paski ukazane na Fot. 14 przechowują jeden bit. Na tej ilustracji w pamięci umieszczona jest dwójkowa wartość 1 (pozycja lewa) (pozycja prawa odpowiada dwójkowej wartości 0). Paski metalowe a  oraz b  są ruchome i sterowane przez jednostkę sterującą przy zapamiętywaniu bitu (przy danej częstotliwości zegara generowanej za pomocą silnika elektrycznego).

Poniżej pokazano prosty przełącznik mechaniczny. Kliknij na drugi od góry pasek (jest to pasek sterujący), a następnie kliknij na trzeci pasek od góry (to jest pasek testowy). W zależności od pozycji środkowego bolca górny pasek (pasek wskaźnikowy) poruszy się lub nie. Urządzenie to jest bardzo proste, ale odpowiednio duża liczba takich elementów może wykonywać obliczenia!

obrazek
Pomysł oryginalny (C) Alexander Thurm
Opracowanie JavaScript (C) Jerzy Wałaszek

Pisaliśmy już wcześniej, iż programy dla Z1 (Rechenpläne) były zapisywane na taśmach perforowanych w 8-bitowym kodzie. To właśnie dzięki umieszczeniu ich na taśmie zamiast na stałe wbudowanie do mechanizmu sprawiło, iż Z1 był swobodnie programowalną maszyną. Zestaw instrukcji komputera Z1 był następujący:

Pr z  Odczyt zawartości komórki pamięci z  do rejestru R1  lub R2.
Ps z  Zapis zawartości rejestru R1  do komórki pamięci z.
Ls1  Dodanie liczb zmiennoprzecinkowych w rejestrach R1 i R2.
Ls2  Odjęcie liczb zmiennoprzecinkowych w rejestrach R1 i R2.
Lm  Pomnożenie liczb zmiennoprzecinkowych w rejestrach R1 i R2.
Li  Podzielenie liczb zmiennoprzecinkowych w rejestrach R1 i R2.
Lu  Odczyt liczb dziesiętnych z urządzenia wejściowego.
Ld  Zapis liczb dziesiętnych na urządzenie wyjściowe.
obrazek
Fot.15. Taśma perforowana
(ze standardowego filmu kinowego 35mm)
oraz czytnik taśmy w Z1
obrazek
Fot.16. Z1 w całej okazałości.
Na pierwszym planie widoczna
korba ręczna do napędu generatora taktu

Komputer Z1 jest pokazany w całości na Fot.16. Oprócz korby (na pierwszym planie) do ręcznego generowania cykli w maszynie, występował również silnik elektryczny, który wytwarzał częstotliwość zegarową wynoszącą jeden hertz (jeden cykl na sekundę). Z tyłu na tym samym zdjęciu widoczne są trzy bloki pamięci, natomiast jednostka arytmetyki zmiennoprzecinkowej jest po stronie prawej.

obrazek
Fot.17. Jednostka arytmetyki zmiennoprzecinkowej
komputera Z1.
Do jej zbudowania potrzebne było
tysiące cienkich, metalowych płytek
obrazek
Fot.18. Interfejs pomiędzy
 jednostką arytmetyczną (po lewej)
a pamięcią (po prawej).
Dzisiaj powiedzielibyśmy,
że między nimi była magistrala równoległa

Jeśli zapiszesz sobie na kawałku papieru dwie liczby zmiennoprzecinkowe przy użyciu systemu dwójkowego i spróbujesz opracować algorytmy wykonywania nad nimi podstawowych działań arytmetycznych, to zrozumiesz, ile wysiłku należało włożyć w zbudowanie jednostki arytmetycznej komputera Z1. Projekt zmiennoprzecinkowej, dwójkowej jednostki arytmetycznej wykonany przez mojego ojca był bardzo pomysłowy. Jednakże techniczne wykonanie przy użyciu cienkich arkuszy metalowych okazało się zbyt złożone. Jednostka arytmetyczna oryginalnego Z1 nie działała pewnie (podobne problemy występowały w zrekonstruowanym Z1).

obrazek
Fot.19. Urządzenie wejściowe (na dole po prawej)
i wyjściowe (na środku zdjęcia) w komputerze Z1
obrazek
Fot.20. Konrad Zuse wprowadza
liczbę dziesiętną
do urządzenia wejściowego
(ponad tymi klawiszami można było ustawić
wykładnik od +8 do -8

Z1 posiadał dziesiętne urządzenia wejściowe i wyjściowe. Liczby wprowadzano do maszyny w postaci dziesiętnej z wykładnikiem. Komputer Z1 następnie dokonywał zamiany tych liczb na ich znormalizowany, zmiennoprzecinkowy odpowiednik binarny. W podobny sposób urządzenie wyjścia zamieniało binarną liczbę zmiennoprzecinkową z rejestru R1 na odpowiadającą jej liczbę dziesiętną z wykładnikiem.

obrazek
Fot.21. Urządzenie wyjścia miało postać wskaźnika.
Wykładnik zaznaczony jest u dołu na kolor czerwony
obrazek
Fot.22. Regulacja metalowych płytek i bolców

Więc już w latach 1936 -1938 komputer Z1 demonstrował prawie wszystkie własności tak zwanej maszyny von Neumanna [NEUM45], [BURK46]. W rzeczywistości jedynymi nie zaimplementowanymi własnościami był odczyt i przechowywanie programu w pamięci wewnętrznej Z1. Stało się tak dlatego, iż w owym czasie budowanie dużych pamięci stanowiło zadanie bardzo kosztowne. Obliczenie zwykłego wyznacznika (trzeciego stopnia) wymaga około 50 instrukcji i 15 słów pamięci na zmienne i wyniki pośrednie. Ten prosty przykład pokazuje, iż umieszczenie programu w pamięci wewnętrznej uniemożliwiłoby swobodne programowanie komputera Z1.

obrazek
Fot.23. Konrad Zuse z odbudowanym komputerem Z1
w Muzeum Niemieckiej Techniki w Berlinie we wrześniu 1989
Na początek:  podrozdziału   strony 

Życie i Praca Konrada Zuse

Autor Horst Zuse

Schaperstraße 21
10719 Berlin, Germany
Tel./fax: +49-30-881-59-88
E-mail: horst.zuse@t-online.de

Tekst, fotografie oraz inne obrazki pojawiające się w artykule "Życie i Praca Konrada Zuse" są prywatną własnością Horsta Zuse i ich nieupoważniona reprodukcja lub imitacja w całości lub w części jest jawnie zabroniona. Historia życia i twórczości Konrada Zuse została umieszczona w Serwisie Edukacyjnym Nauczycieli I-LO w Tarnowie za pisemną zgodą syna wynalazcy, prof. dr inż. Horsta Zuse


Zespół Przedmiotowy
Chemii-Fizyki-Informatyki

w I Liceum Ogólnokształcącym
im. Kazimierza Brodzińskiego
w Tarnowie
ul. Piłsudskiego 4
©2021 mgr Jerzy Wałaszek

Materiały tylko do użytku dydaktycznego. Ich kopiowanie i powielanie jest dozwolone
pod warunkiem podania źródła oraz niepobierania za to pieniędzy.

Pytania proszę przesyłać na adres email: i-lo@eduinf.waw.pl

Serwis wykorzystuje pliki cookies. Jeśli nie chcesz ich otrzymywać, zablokuj je w swojej przeglądarce.
Informacje dodatkowe.