Den första svenska datorn BESK

Den första svenska datorn BESK Av: Daniel Watson Dwn04001@student.mdh.se Zerdesht Ahmed zad07001@student.mdh.se Vetenskapsmetodik CDT212 Institutionen för datavetenskap Mälardalens Högskola Västerås Mars 2010 1

Sammanfattning Tillverkningen av datorer i Sverige började med matematikmaskinnämndens start 26 november 1948, då den svenska staten kände behovet av en räknemaskin som skulle användas främst av marinen. Som i de flesta andra världsdelar på den tiden var syftet att utföra olika beräkningar av komplicerade skjuttabeller. Detta var en följd av andra världskriget då krigsindustrin behövde sådana räknemaskiner som kunde erbjuda noggrannhet och effektivitet inom detta område. Under år 1948 skickade matematikmaskinnämnden Sigurd Lagerman för att föröka köpa in en REAC maskin åt robotavdelningen inom det svenska försvaret, men detta inköp gick i stöpet på grund av exportrestriktioner. Då bestämde styrelsen av matematik maskinnämnden(mmn) att bygga en egen siffermaskin och det blev BARK, som var en mekanisk räknemaskin uppbyggd av reläer. Detta var bra till att börja med men staten ville satsa på en mer avancerad och snabbare maskin som kunde erbjuda en bättre prestanda, då byggdes BESK som var baserad på elektronrör som kunde erbjuda betydligt snabbare beräkningar. BESK blev grunden till en rad andra maskiner som byggdes i olika delar av landet, till och med i grannlandet Danmark. Exempel på dessa är efterföljarna SMIL, TRASK, facit EDB, SARA samt den danske kopian DASK. Denna utveckling ledde till att det skapades olika variationer av BESK som anpassades för olika ändamål. 2

Innehållsförteckning: Contents Sammanfattning... 2 Innehållsförteckning:... 3 Inledning... 3 Den första maskinen BARK (Binär Aritmetisk Relä-Kalkylat)... 4 BESK (Binär Elektronisk Sekvens Kalkylator)... 5 Elektronröret... 6 Williamsminnet... 6 Ferritkärnminnet... 7 Trumminnet... 8 Remsläsaren... 8 Elektrisk skrivmaskin... 9 Användningsområden... 9 Några av BESKs efterföljare... 10 Slutsats... 11 Referenser... 11 Inledning I denna rapport berättar vi stegvis om början på datorindustrin i Sverige och dess utveckling, vi gör detta genom att forska de första maskinerna BARK och BESK som räknas som grund och början på datorer i Sverige, men vi lägger mest fokus på BESK som är den första elektroniska datorn i den svenska datorindustrin. Vi börjar med att berätta om den första maskinen (BARK) som var en reläbaserad mekanisk med en lagom bra prestanda (hyfsad bra för att vara den första maskinen)som skulle utvecklas senare till en elektronisk maskin (BESK)som kunde erbjuda betydligt bättre prestanda. Vi går genom utvecklingen på BESK som skedde genom att bygga nya maskiner som hade BESK som grund. Detta ledde till en utveckling i datorindustrin i Sverige då nya maskiner med nya tekniker och funktioner kunde erbjuda en variation i storlek, kostnad, prestanda osv. Vi beskriver uppbyggnaden av dessa maskiner genom att ta upp deras huvudkomponenter och fokus på komponenterna i sig, deras konstruktion och hur de egentligen fungerar. 3

Den första maskinen BARK (Binär Aritmetisk Relä-Kalkylat) BARK är den första svensktillverkade maskinen. Den byggdes av matematikmaskinnämnden under ledning av Conny Palm som var en svensk ingenjör och forskare inom teleteknik och var en datorpionjär. Conny Palm ledde ett team som bestod av några andra ingenjörer och forskare inom detta område, dessa var: Harry Freese, Gösta Neovius, Olle Karlqvist, Carl- Erik Fröberg, G. Kellberg, Björn Lind, Arne Lindberger, P. Petersson och M. Wallmark. Skapandet av BARK började i 1948 med en budget på 400 000 som den svenska staten stod för, den var färdig i februari 1950. BARK var en 32-bitars elektromekanisk maskin uppbyggd av reläer. Ett relä är en reglerteknisk elektrisk apparat där till/frånslag av en låg styrspänning kan styra slutande och öppnande av en annan elektrisk krets, denna teknik har använts mest inom telekommunikation (se figur 1, 2, och 3). BARK bestod av 8000 standard telefonreläer, 80 km kopparkabel och 175 000 lödpunkter. figur 1 (ett elektromagnetiskt relä) figur 2 (olika typer av relä) figur 3 (ett elektromagnetiskt relä) I maskinen överfördes siffrorna längs tre bussar som vardera innehöll 32 sladdar eller sifferkanaler. Spänning på en sifferkanal representerade en siffra eller ett plustecken, ingen spänning representerade siffran noll eller ett minus-tecken. A och B bussarna transporterar tal från lagring till aritmetiska kretsar, och C-bussen transporterar siffror i motsatt riktning (se figur 5). BARK kunde utföra 10 operationer per sekund och hade ett minne på 50 register och 100 konstanter, i en senare uppgradering så fördubblades minnet. BARK kunde utföra en addition på 150 ms och en multiplikation på 250 ms. Den programmerades genom manuell uppkoppling av sladdar på en kopplingspanel (ett arbete som kunde ta flera dagar eller flera veckor!). Figur 5 (En skiss över BARK) 4

BESK (Binär Elektronisk Sekvens Kalkylator) Den 1 april 1954 invigdes BESK, den fyllde ett helt rum i Kungliga Tekniska Högskolans lokaler på Drottninggatan 95 A i Stockholm. Bakom dess konstruktion stod följande män: Arbetsledare: Conny Palm och sedan Stig Comét. Hårdvarukonstruktion: Erik Stemme och Gösta Novenius. Arkitektur och instruktionsuppsättning: Germund Dahlqvist,Olle Karlqvist,Göran Källberg och Arne Lindeberger. BESK var en 40-bitars maskin som bestod av 2400 elektronrör och 400 germaniumdioder, den hade ett internminne som var av Williamstyp och bestod av 40 stycken katodstrålerör, lite senare så uppgraderades internminnet till ferritkärnminne, externminnet var ett elektromagnetiskt trumminne. Eftersom BESK var uppbyggd av elektronrör så ökade prestandan markant jämfört med BARK, en addition utfördes nu på 56 mikrosekunder och en multiplikation på 350 mikrosekunder. Att BESK var en 40-bitars maskin beror på att man hade IAS maskinen som förebild. IAS maskinen skapades på universitetet Princeton i USA mellan 1942-1951, IAS står för Institute for Advanced Study och mannen som ledde utvecklingen av denna maskin hette John Von Neumann [16]. BESK och IAS är av Von Neumann arkitektur vilket betyder att instruktioner och data delar samma minne, till skillnad från Harvard Arkitekturen där instruktioner och data har separata minnen som är helt skilda från varandra (se figur 6 och 7). BESK hade en ordlängd på 40 bitar och i varje instruktion bestod av 20 bitar, så för varje ord rymdes det två instruktioner. Ett ord är i denna mening ett begrepp över hur många bitar ett system kan hantera. Figur 6 (Förenklat blockdiagram för BESK) 5

Figur 7 (En skiss av BESK) Elektronröret Fördelen med att använda elektronrör istället för reläer är att de är mycket snabbare och går inte sönder lika lätt. Elektronröret består av en lufttom behållare där man har placerat ett antal elektroder. Elektroner slungas via termisk emission från en upphettad katod till en anod (se figur 8), om denna är positivt i förhållande till katoden. Med ett styrgaller mellan anod och katod så bildas en triod, detta gör att man kan styra den ström som flyter mellan anod till katod och trioden kan då fungerar som en strömbrytare enligt samma princip som reläet. En stor nackdel med elektronröret är att det drar massvis med ström och kräver mycket kylning, detta gjorde även att de har en begränsad livslängd och behöver bytas ofta. Figur 8 (Elektronrörets uppbyggnad) Williamsminnet Williamsminnet var ett katodstrålerör som användes för att lagra binär data. Katodstråleröret består precis som elektronröret av en lufttom behållare där en uppvärmd katod avger strömmar av elektroner som i detta fall kallas för katodstrålar, elektronerna accelereras med hjälp av ett elektriskt fält och styrs (avlänkas) med hjälp av elektromagnetiskt fält, så att man kan bestämma vart på skärmen som strålen ska träffa. När det gäller Williamsminnet så förlitar sig detta på ett fenomen som kallas för sekundär elektronemission. Det hela går ut på att när man väljer att rita en punkt på en viss position på skärmen, så blir detta område positivt laddat om det närliggande området kring punkten 6

negativt laddat, denna laddning kvarstår på ytan av skärmen i bråkdelen av en sekund och tillåter röret att fungera som ett datorminne. En metallplåt placeras framför skärmen och när en punkts laddning ändras så detekteras detta i form av en spänningspuls som tas upp av metallplåten (se figur 9). Med hjälp av avlänkning av elektronstrålen så kan man bygga upp en matris bestående av punkter och streck på skärmen, där varje position har ett specifikt X och Y värde. En punkt får då representera 0 och ett streck värdet 1, detta ger då olika utslag i detekteringsplåten. Eftersom varje position tappar sin laddning efter ett tag, så måste värdet som är lagrat där återskrivas med jämna mellanrum. Williamsminnet i BESK bestod av 40 stycken rör och där varje rör kunde lagra 512 bitar. Åtkomsttiderna för Williamsminnet ansågs senare vara en flaskhals och det gjorde att man år 1956 bytte ut det mot ett snabbare ferritkärnminne. Figur 9 (Ett Williamsminne med detekteringsplåten utfälld) Ferritkärnminnet Ett ferritkärnminne består grund och botten av ett stort antal ferrit ringar som med hjälp av elektriskt ledande trådar binds ihop till en matris (se figur 10). Varje ring kan lagra en bit. Trådarna som löper igenom ringarna skapar magnetiska fält som polariserar ferrit kärnan, beroende på polariteten av ringen så representerar den antingen 0 eller 1. För att läsa av värdet på en ring så polariserar man ringen till det värde som anses vara 0, skulle ringen redan ha det värdet så händer ingenting men skulle ringen vara 1 så induceras en ström i en speciell tråd som används för att läsa av ringen. För att detta ska fungerar så måste varje läsning efterföljas an en skrivning för att återställa värdet på ringen. Ferritkärnminnet i BESK bestod av totalt 40 matriser som var en konstruktion av Carl Ivar Bergman, varje ring var endast 2mm stor och det gick åt hundratusentals och för att lösa konstruktionen rent praktiskt så anlitade man en grupp sykunninga hemmafruar som sydde matriserna. En fördel med ferritkärnminnet som är värt att ta upp är att det är ett icke-flyktigt minne (nonvolatile) och behåller därför sin information även om strömmen skulle slås av. Begreppet core dump är ett arv från den tid då datorerna använde denna form av minne. Figur 10 (En förstorad bild av ett ferritkärnminne) 7

Trumminnet Sekundärminne är en form av minne där data lagras permanent. Ett trumminne är ett sekundärminne som består av en stor cylinder som är belagt med ferromagnetiskt material vilket gör att man kan lagra data genom att ändra den magnetiska polariteten på en given position. När det gäller BESK så bestod sekundärminnet av två stycken trummor på 120mm i diameter och det ferromagnetiska materialet var röd järnoxid (se figur 11). Data lagrades i spår (kanaler) med hjälp av fasta läs/skriv-huvuden som satt fast monterade runt om trumman. Varje trumma i BESK hade 256 spår och kunde lagra 163840 bitar, vilket ger en total lagringkapacitet på 8912 ord. Remsläsaren Figur 11 (Bild på ett trumminne) Data och instruktioner ligger lagrade på en pappersremsa i form av stansade hål. Data på remsan lästes in med hjälp av en dielektrisk remsläsare. Denna remsläsare består av sex stycken avkänningselektroder vilket motsvarar antalet parallella spår på remsan (se figur 12 och 13). Mellan elektroderna finns ett luftgap som remsan löper igenom, på ovansidan finns en gemensam elektrod. Den faktiska avläsningen sker igenom att varje elektrod skickar ut en spänningspuls då papper befinner sig i luftgapen och avsaknaden av en spänningspuls, betyder att man har detekterat ett stansat hål. Denna läsare kunde som mest läsa av 400 rader per sekund. 8

Figur 12 (Förenklat schema över remsläsare) Figur 13 (Närbild på remsläsare) Elektrisk skrivmaskin Resultaten av beräkningarna skrevs ut med hjälp av en elektrisk skrivmaskin, hastigheten på denna var 12 tecken per sekund. Ville man ha ut sitt reslutat snabbare så fanns det en snabbstans, som kunde skriva ut data på hålremsor med hastighet av 145 tecken per sekund, denna remsa var man sedan tvungen att köra i en separat utskriftsmaskin som var helt skild från BESK. Användningsområden BESK användes bland annat till att lösa följande problem. Flygtekniska problem: Hållfasthetsberäkningar och fladderberäkningar Väderleksberäkningar: Analys av väderobservationer och prognosberäkningar. Reglertekniska problem. Ballistiska problem. Försäkringsmatematiska tabeller. Telefontrafiksproblem. Primtalsundersökningar: Hans Riesel hittade år 1957 Mersenneprimtal nummer 18. Värt att nämna är att man även gjorde hemliga körningar på BESK där FRA dekrypterade inspelad radiotrafik. Vissa beräkningar som tillhörde det svenska atombomsprogrammet kördes även på BESK. 9

Några av BESKs efterföljare BESK ledde till skapandet av en rad andra maskiner som räknas som fortsättningen på BESK dvs. skaparna utgick från BESK för att bygga nya varianter av den, Men dess huvuduppdrag var att göra beräkningar men i olika sammanhang och för olika syften. Detta skedde oftast genom att skriva en överenskommelse med MMN för att få ritningar på konstruktionen av BESK för att tillverka en egen. Exempel på sådana maskiner är följande: SifferMaskinen I Lund (SMIL). Den byggdes av Carl-Erik Fröberg som var professor i numerisk analys vid institutionen för numerisk analys vid Lunds universitet 1955-1956 och togs i bruk i augusti 1956. SMIL var i bruk på universitetet fram till början 1970. Att bygga den kostade runt 120 000 kronor. Delar av SMIL finns utställda på Malmös tekniska museum. SARA vid SAAB i Linköping: den 9 december 1956 blev det en överenskommelse mellan SAAB och MMN om att bygga en ny maskin som grundar sig på BESK. På den tiden hade SAAB fått en ny avdelning som kallades för Datasaab som senare blev en avknoppning av SAAB för att tillverka datorer som skulle användas i företagets produktion inom flygplansbranschen. Börje Langerfors som var chef för företagets beräkningsavdelning valdes ut som projektledare, och till slut blev det en BESK liknande dator som döptes senare till SARA. Företaget använde maskinen för att utföra sina olika beräkningar framför allt hållfasthetsberäkningar för Saab 37 Viggen som var en av SAABs produkter på den tiden. Facit EDB: byggdes av Facit Electronics i Solna-Stockholm under åren 1956-1963 som en uppgradering av BESK. Denna var en transistoriserad kopia på BESK som programmerades genom att stansa en hålremsa som skulle senare skulle läsas in av maskinen, men nackdelen med denna teknik var att man var tvungen att stansa en helt ny hålremsa så fort man hade gjort något fel i programmet! Dansk Algoritmisk Sekvens Kalkulator(DASK): var den första datorn i Danmark, som byggdes av regnecentralen under åren 1955-1957 i Köpenhamn. Den invigdes i september 1957, och hölls vid en vetenskaplig institution i Köpenhamn. DASK hade BESK som ursprung och bestod huvudsakligen av 2500 elektronrör, 1500 halvledare, och en trefas strömförsörjning på 15 kw, och kunde hantera 18000 beräkningar per sekund. TRASK: Var också en transistoriserad kopia av BESK, som planerades av matematikmaskinnämndens arbetsgrupp sedan byggdes av Datakonsult AB Fördelen med denna maskin var att den kunde läsa gamla BESK programmen. 10

Slutsats När vi har gått från BARK till BESK och sedan dess efterföljare, så ser vi att utvecklingen av systemen och dess komponenter har gått från elektromekanik till vakuumrör för att sedan övergå till magetiska minnen och till sist halvledare. För varje steg i denna utveckling så har systemen blivit snabbare och mera tillförlitliga, men den grundläggande arkitekturen av John Von Neumann har levat kvar och den står sig än idag. Det hade varit intressant att se åt vilket håll utvecklingen hade gått om man istället hade valt Harvard Arkitekturen och vilka tekniska lösningar som detta val hade tvingat fram. Vi tycker att staten fattade ett bra beslut när den valde att bygga egna datorer istället för att importera färdiga system, men det vore bra för Sverige om vi hade fortsatt satsa på datorindustrin som till exempel USA som idag är ett ledande land när det gäller utveckling och tillverkning av datorer. Referenser [01] Wikipedia.org, BARK, hämtad 2010-03-15. http://en.wikipedia.org/wiki/bark [02] Idg.se, Han byggde BESK - en svensk världsrekord dator, hämtad 2010-03-15. http://www.idg.se/2.1085/1.72494 [03] Wikipedia.org, BESK, hämtad 2010-03-15. http://en.wikipedia.org/wiki/besk [04] Jstor.org, The BARK, A Swedish General Purpose Relay Computer, hämtad 2010-03-15. http://www.jstor.org/stable/pdfplus/2002286.pdf [05] Wikipedia.org, Swedish Board for Computing Machinery, hämtad 2010-03-15. http://en.wikipedia.org/wiki/matematikmaskinn%c3%a4mnden [06] Lix.hisvux.se, Historien, hämtad 2010-03-15. http://lix.hisvux.se/datalogi/dlgihist.shtml [07] Wikipedia.org, Datasaab, hämtad 2010-03-15. http://sv.wikipedia.org/wiki/datasaab [08] People.dsvu.su.se, Datorer på sextiotalet och sjuttiotalet, hämtad 2010-03-15. http://people.dsv.su.se/~jpalme/s1/personliga-dator-minnen.html [09] Beagle-ears.com, Early Computing in Denmark, hämtad 2010-03-15. http://www.beagle-ears.com/lars/engineer/comphist/dan_hist.htm [10] Wikipedia.org, Relä, hämtad 2010-03-15. 11

http://sv.wikipedia.org/wiki/rel%c3%a4 [11] Techworld.idg.se, Datorhistorik i nytt ljus, hämtad 2010-03-15. http://techworld.idg.se/2.2524/1.130628 [12] Fof.se, Återkoppling: Trask var inget överskottsbygge, hämtad 2010-03-15. http://www.fof.se/tidning/2000/7/trask-var-inget-overskottsbygge [13] Wikipedia.org, Magnetic core memory, hämtad 2010-03-15. http://en.wikipedia.org/wiki/magnetic_core_memory [14] Tekniskamuseet.se, 1950-talet, hämtad 2010-03-15. http://www.tekniskamuseet.se/1/195.html [15] User.it.uu.se, Kodning för BESK, 2a upplagan, 1958-05-02, hämtad 2010-03-15. http://user.it.uu.se/~foy/documents/besk_programmers_manual_rev_2a_1958-05- 02_swedish.pdf [16] Wikipedia.org, IAS machine, hämtad 2010-03-15. http://en.wikipedia.org/wiki/ias_machine [17] Absoluteastronomy.com, BESK, hämtad 2010-03-15. http://www.absoluteastronomy.com/topics/besk [18] Wikipedia.org, Vacuum tube, hämtad 2010-03-15. http://en.wikipedia.org/wiki/vacuum_tube [19] Treinno.se, BESK Binär Elektroniks Sekvens Kalkylator, hämtad 2010-03-15. http://www.treinno.se/pers/okq/besk.htm [20] Wikipedia.org, Williams tube, hämtad 2010-03-15. http://en.wikipedia.org/wiki/williams_tube [21] Nyteknik.se, Nytt primtalsrekord satt idag, hämtad 2010-03-15. http://www.nyteknik.se/nyheter/it_telekom/allmant/article412307.ece [22] Wikipedia.org, Drum memory, hämtad 2010-03-15. http://en.wikipedia.org/wiki/drum_memory 12