Az első elektronikus számítógépek 100 évre volt szükség Babbage gépének megvalósításához, mert az ő korában még a gyakorlatban nem állt rendelkezésre olyan eszköz, amivel ezt a gépet megbízhatóan és nem túl drágán el tudták volna készíteni. A mechanikus kapcsolókkal ezt a bonyolult feladatot gyorsan nem lehetett megvalósítani. A bütykös tengely, vezérlődob, lyukkártya után tehát újabb kapcsolóelemre volt szükség: az elektronikus kapcsolóelemre. Ez kezdetben a jelfogó volt, ahol a kapcsolásokat már az elektromosság végezte. Ilyen jelfogóval készítette el 1939 1941 között Howard Aiken, a Harward Egyetem professzora az első, Babbage elvén működő számítógépet. Neve Mark I. 1. ábra Mark típusú számítógép. Gyártó: IBM A következő, Mark II típusú gép fejlesztése közben a számítógép egyik reléje elromlott, és a kutatók egy agyonütött molylepkét találtak az érintkezői között. Azt tartják, hogy ez az eredete az angol bug (bogár, programozásban a jelentése apró programhiba) és a debugging (hibakeresés) szakkifejezéseknek. A gép 760 ezer elemet és 800 km-nél több vezetéket tartalmazott. Fixpontos ábrázolású számokkal (10 jegy a tizedespont előtt, 13 jegy a tizedespont után) dolgozott. Az adatbevitel lyukkártyákkal történt. Az összeadás 1/3 s, a szorzáshoz 6 s időre volt szükség. A számítógép végül 1944-ben készült el. Lassan, de megbízhatóan működött. Továbbfejlesztett változatai: a Mark II 1948-ban készült el (lebegőpontos számábrázolással kiegészítve), a Mark III pedig 1950-ben elektroncsövek felhasználásával készült. Konrad Zuse 1938-ban (otthon, szülei lakásának nappali szobájában) építette Z1 néven az első szabadon programozható számítógépet, amely kettes számrendszerben, lebegőpontos ábrázolású számokkal működött. Az adatbevitelre billentyűzet szolgált, az adatkivitel pedig ugyancsak kettes számrendszerben, egy világító tábla (fénymátrix) segítségével valósult meg. A számolómű és a tároló telefonrelékből állt. A következő modell, a Z2 már lyukfilmes adatbeviteli egységet tartalmazott. Zuse 1941-ben fejezte be az első teljesen működőképes, szabadon programozható, programvezérlésű számítógépet (Z3). A teljesítményét jellemző adatok a következők: lebegőpontos számábrázolás, 22 bit szóhosszúság, 64 lebegőpontos szám tárolása; 1600 mechanikus relé a tárolóban, 400 relé a számolóműben, automatikus szorzás, osztás és gyökvonás. Készítette: SZÁMALK Zrt, Szakképzési Igazgatóság 1
Zuse 1945 elején mutatta be Z4 nevű számítógépét (32 bit szóhosszúság, 64 fixpontos adat tárolása, 5500 relé), amelyet kísérletképpen a repülőgép-tervezésben használtak fel. (1950-től a Z4 a Zürichi Műszaki Egyetemen működött, mint Európa egyetlen számítógépe. 1960 óta Münchenben a Deutsches Múzeumban található.) De hogyan lehetne gyorsabb gépeket készíteni? A megoldás: gyorsabb kapcsolóelemeket kell készíteni. Az újabb kapcsolóelem neve elektroncső. Az elektroncső egy olyan üvegbúra, amelyben légritkított tér van. Ennek a térnek két pontja között képesek a töltések vándorolni, és ezt a töltésvándorlást képes egy, a csőben elhelyezett rács akadályozni, illetve teljesen elzárni, a rácsra kapcsolt feszültség segítségével. Így a rács segítségével lehet kapcsolni az elektroncsőre adott jelet. 2. ábra Elektroncső Harminc éven át a kötelező katonai titoktartás miatt nem tudhatta a világ, hogy a legelső, 1500 elektroncsövet tartalmazó, Colossus nevű számítógépet Max H. A. Newman professzor építette 1943-ban, hogy megfejtse vele a németek gyártotta Enigma rejtjelező gép elvét. A nagyon gyors bináris rendszerben dolgozó automata számítógép építését Alan Turning kezdeményezte. 1500 elektroncsövet tartalmazott, kvarcvezérléssel, 5 khz-es órajellel dolgozott. 3. ábra A Colossus A gép 1946 júniusától 1955 októberéig volt üzemben. Továbbfejlesztett változata az első, kereskedelmi forgalomban is kapható számítógép, az UNIVAC (UNIVersal Automatic Calculator) volt. Készítette: SZÁMALK Zrt, Szakképzési Igazgatóság 2
A II. Világháború ballisztikai feladatainak megoldására vonatkozó igények sürgették az ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) megépítését. (Ez az eszköz 18 000 elektroncsövet, 10 000 kondenzátort, 70 000 ellenállást és 6000 kapcsolót tartalmazott, 30 m hosszú, 3 m széles, 1 m magas volt, 220 m 2 alapterületet foglalt el, súlya 30000 kg és 800 kw-ot fogyasztott óránként.) Szédületes sebességével 5000 összeadást tudott elvégezni másodpercenként. 500-szor volt gyorsabb a Mark I-nél. Tervezői: John Mauchly és John Eckert. 4. ábra Az ENIAC Három nagyságrenddel gyorsabb volt, mint a relés számítógépek (az összeadást 0,2 ms, a szorzást 3 ms idő alatt végezte). Villamos csatlakozások útján feltételesen programozható volt. Nagy büszkeséggel közölték alkotói, hogy volt már olyan 12 órás műszak is, amelyben több órán keresztül hiba nélkül működött a gép. Programozása persze nagyon nehézkes volt, a régebbi telefonközpontokhoz hasonlóan huzalozásokkal, dugaszolásokkal kellett kialakítani a programot. Azt mesélik, hogy mikor bekapcsolták a számítógépet, a körzetben halványabban égtek a lámpák. Egy véletlen találkozás új irány adott a számítógépek fejlődésének. Neumann János 1944-ben találkozott Goldstine-nal, aki az újabb gép, az ENIAC építési munkáit irányította, és aki elkezdett mesélni neki az új számítógépről. Neumann rövidesen megtekintette az építési munkát. Rájött arra, hogy a számítások algoritmusát, az ún. programot ugyanúgy lehet tárolni a gépben, mint magukat az adatokat. A gép megtanítható arra, hogy ezeket megkülönböztesse egymástól. Neumann, Goldstine és Burks 1946-ban publikálták az elektronikus berendezések logikai szerkezetéről szóló elképzeléseiket (Neumann-elvek). Ezen elképzelések alapján a számítógépek mind a mai napig kettes számrendszerbeli számjegyekkel, ún. binárisan dolgoznak. Ezek a számjegyek a 0 és az 1. Ez a számítógépben, ha van jel egy vezetékben, akkor az például 1-et, ha nincs 0- t jelent. Egy ilyen 0-1 vagy jeljelhiány számjegynek a neve bit. 8 számjegy vagy bit értéke a tízes számrendszerben 256 (11111111 = 256). Ez a 256 féle variáció már lehetőséget ad, hogy minden írásjel kapjon egy saját kódot. Ezt a nyolc bitet, amivel lekódolhatunk minden írásjelet, byte-nak nevezik. Készítette: SZÁMALK Zrt, Szakképzési Igazgatóság 3
Azért, hogy minden számítógép egységesen értelmezze a bitkombinációkat (ugyanaz a szám ugyanazt a betűt karaktert jelentse minden gépen), kidolgozták a kódtáblázatokat. A legelterjedtebb az ASCII kódtáblázat volt. E szerint a táblázat szerint egy egység úgy küld egy A betűt a hozzá tartozó 8 darab vezetéken egy másik egységnek, hogy az első és a hatodik vezetékében küld jelet a többiben nem (00100001 = 65, ez a szám minden számítógép számára az "A" betűt jelenti). A számítógépben levő jelszállító vezetékköteg neve (adat-) busz. Az előbb ismertetett elgondolások alapján, a Pennsylvania Egyetemen 1949-re elkészítették az EDVAC-ot (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). 5. ábra Neumann János és az EDVAC Hermann Heine Goldstein javaslatára az EDVAC logikai felépítése a következő volt: az aritmetikai egység (számolómű) végezte a számításokat, logikai műveleteket; a gép logikai vezérléséről a központi vezérlőegység gondoskodott; a programokat és az adatokat a gép memóriája (tár) tárolta; az adatok beolvasását az input (beviteli) egységek; kijelzését az output (kiviteli) egységek bonyolították le. 1949-ben a Cambridge Egyetemen üzembe helyezték az EDSAC-ot (Electronic Delay Storage Automatic Calculator). Ez a gép egy másodperc alatt 14000 összeadást tudott elvégezni. 6. ábra Az EDSAC A számítógépek tárolókapacitását azonban növelni kellett. Az ekkor már ismert mágneses információtárolást (magnetofont) kézenfekvőnek tűnt felhasználni adatok, illetve programok tárolására. Kezdetben mágnesdobot használtak adatok rögzítésére, majd 1951-től mágnesszalagos egységet kapcsoltak a gépekhez. Készítette: SZÁMALK Zrt, Szakképzési Igazgatóság 4
Ezek a számítógépek voltak az ún. első generációs számítógépek. Legfontosabb áramköri elemeik az elektroncsövek voltak. E gépek terjedelmesek, megbízhatatlanok, lassúak voltak, sok áramot fogyasztottak. Az adatokat lyukszalagról vagy lyukkártyáról kapták. Az első generációs gépek általános jellemzői az alábbiak voltak: műveletvégzéshez elektroncsöveket használnak programozás nehezen megtanulható, gépi nyelven történik néhány tízezer művelet/s lehetséges nagy energia felhasználás jellemző gyakori hibák miatt költséges megjelent a külső programvezérlés, az első ilyen az EDVAC volt az első sorozatban gyártott számítógép az UNIVAC volt Készítette: SZÁMALK Zrt, Szakképzési Igazgatóság 5