Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Konrad Zuses Rechenmaschinen 60 Jahre Computergeschichte Vortrag von Marco Pomalo & Thomas Döhring.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Konrad Zuses Rechenmaschinen 60 Jahre Computergeschichte Vortrag von Marco Pomalo & Thomas Döhring."—  Präsentation transkript:

1 Konrad Zuses Rechenmaschinen 60 Jahre Computergeschichte Vortrag von Marco Pomalo & Thomas Döhring

2 Übersicht Geschichte/Entstehung Grundstrukturen Tiefergehende Behandlung Vergleich mit ABC, Mark I & ENIAC Erfolg hat viele Väter

3 Historisches I Zuses Antrieb nicht Theorie sondern Praxis (Möglichkeit suchen, lange Ketten langweiliger Rechenschritte vollständig zu automatisieren) Dank Ausbildung als Bauing. & Fähigkeit aus einfachsten Teilen komplexe Systeme herzustellen, sehr früh Idee eines programmierbaren Automaten

4 Historisches II Zuse war kein Mathematiker – Mit Berechenbarkeitsbegriff in mathematischer Fassung hatte er sich nie auseinandergesetzt erdachte Zuse alles bereits im Ansatz 1936 mechanischer Speicher fertig Trennung von Speicher und Prozessor

5 Der junge Zuse an der Arbeit

6 Historisches III 1936 Alan H. Turing: Turingmaschine – Erst viel später lernte Zuse Alan H. Turings Arbeiten kennen Konzept des Computers im heutigen Sinne bereits 1936 entstanden

7 Aufbau der Z1 zu Hause

8 Historisches IV 1.Versuch: Z1 – Praktisch vollständig mechanisches Gerät – 4 arithm. Operationen und Quadratwurzel in bel. Reihenfolge mit gespeicherten Zahlen – Fertigstellung 1938 Aber: mech. Bauteile (bewegl. Bleche) sind nicht zuverlässig genug

9 Aufsicht Z1

10

11 Historisches V Umstieg auf Relaistechnik Zuerst Experimente mit hybrider Maschine (Z2) Bau der Z3 Fertigstellung 1941 Vom logischen Standpunkt äquivalent zur Z1 in 5 Jahren seine Vision von 1936 realisiert

12 Z3

13 Historisches VI Erster vollautomatischer, programmgesteuerter Rechner der Welt Umstritten, wo/wann erster Computer Struktur der Z1&Z3 sehr modern im heutigen Sinne (viele Konzepte & Strukturen, die heute selbstverständlich sind) Patentanmeldung von 1941

14 Historisches VII Originale beider Maschinen im II.WK verloren gegangen Später Nachbau durch Zuse: – 1966 Z3 – Z1

15 Nachbau der Z1

16 Grundstrukturen I Grundsatzentscheidung: Binärsystem – Jedes Bauteil, dass zwei unterschiedliche Zustände annehmen kann, ist geeignet, eine Binärziffer darzustellen Z1 Bleche Z2 Hybrid Z3 elektromagnetische Relais – Wahl des Binärsystems nicht selbstverständlich Mark I und ENIAC mit Dezimaldarstellung (elektronisch mit Kette von 10 Vakuumröhren)

17 Grundstrukturen II Binärdarstellung für mechanische und elektronische Maschinen viel einfacher. – In der Maschine sind die Zahlen „unter sich“ – Der Mensch braucht den Berechnungsschritten nicht zu folgen – Wichtig ist, ob das Ergebnis korrekt ist

18 Grundstrukturen III Aufbau: – Speicher: 64 Zahlen zu je 22 Bit regelmäßige Struktur  einfach zu realisieren – RW: 4 arithmetische Operationen und Quadratwurzel Durch Zuse (um Bauteile zu sparen) in vieler Hinsicht optimiert  sehr komplex – Steuerung durch Acht-Kanal-Lochstreifen

19 Abtaster und Lochstreifen Z1

20 Grundstrukturen IV Gleitkommadarstellung (floating point notation) – Darstellung als Produkt einer Zahl mäßiger Größe (der Mantisse) und einer Potenz – Zahlen sehr unterschiedlicher Größenordnung werden dadurch erst der Maschine zugänglich – Normalisierung der Zahlendarstellung, so dass Mantisse stets zw. 1 und 2 (Binärsystem) – Genauigkeit: Speicher 14 Bit, RW 14+2 Bit ± Exponent Mantisse

21 Grundstrukturen V Gleitkommadarstellung (floating point notation) – Man kann die Eingabedaten als Dezimalzahlen mit bis zu vier Mantissenziffern eingeben – RW wandelt automatisch in Binär um und wieder zurück. Am Ende wird das Ergebnis über ein Lampenfeld angezeigt Dieselbe Technik wird noch heute angewandt

22 Grundstrukturen VI Die wichtigsten Bauteile: – Speicher (1400 Relais) – RW (600 Relais) – Kontrolleinheit (für die einzelnen Befehle) (LW) – Zahleneingabe & Zahlenausgabe

23 Eingabe & Ausgabe

24 Grundstrukturen VII Steuerung – Durch Lochstreifen aus 35mm-Kinofilm – Abtastung jeweils acht versetzt nebeneinander liegender Stellen des Streifens (wo Loch ist, wird Kontakt geschlossen) – Decodiereinheit löst dann die zum so empfangenen Befehl gehörige Aktion aus – Nach deren Beendigung Lochstreifen einen Schritt vor – Nächste Abtastung

25 Abtaster Z3

26 Tiefere Strukturen I Programmierung – Der Programmierer verfügt über 9 Befehle: 2 für Ein- und Ausgabe 2 für das Laden und Lesen des Speichers 5 für die arithmetischen Operationen

27 Rechenwerk Tiefere Strukturen II ±Mantisse ZKomma KEingabe Pr z + Ls1 – Ls2 x Lm : Li  Lw ±Komma KMantisse RAusgabe Lu Ps z Ld Speicher …… …… ±AbBb Register 2 ±AfBf Register 1

28 Tiefere Strukturen III Programmierung – Arithmetische Befehle verknüpfen die Inhalte der Register 1 und 2 – Erster Ladebefehl lädt Register 1; jeder weitere Ladebefehl überschreibt Register 2, bis Register 1 gelöscht wird – Nach jeder Speicheroperation sind beide Register gelöscht

29 Tiefere Strukturen IV Register – Zuse gab den zwei Gleitkomma-Registern die Kennzeichen „f“ und „b“ – Im RW ist noch ein Register gekennzeichnet mit „a“, das als temporäres Register verwendet wird

30 Tiefere Strukturen V LW – Seine Aufgabe ist es, im RW die richtigen Aktionen auszulösen – Für mehrstufige Befehle rotierender Schrittschalter, der im richtigen Moment Relais im RW ein/ausschaltet – Schrittschalter entspricht dem Mikroprogramm heutiger Prozessoren

31 Schrittschalter

32 Tiefere Strukturen VI Zyklen oder Takte – Die Befehle besteht aus einem oder mehreren Maschinenzyklen Pr ist in einem Zyklus ausführbar Ls 1 und Ls 2 benötigen 3 bis 5 Zyklen Lm, Li, Lw brauchen bis zu 20 Zyklen – Bei Befehlen, die mehrere Takte benötigen, werden im zweiten Zyklus der Lochstreifenleser und die Dekodiereinheit bis Ende zum der Operation angehalten – Bei der Z1 ist eine Umdrehung einer großen Hand- oder motorgetriebenen Kurbel ein Zyklus

33 Handkurbel Z1

34 Tiefere Strukturen VII Schritte – Jeder Zyklus ist wiederum in 5 Schritte unterteilt – Grundmuster zur Befehlsverarbeitung: IIIIIIIVVIIIIIIIVV Zyklus 1Zyklus 2 Dekodieren Operanden vorbereiten Ausführen Resultat zurückschreiben III

35 Tiefere Strukturen IX Numerische Algorithmen I – Addition und Subtraktion Nur diese Operationen werden direkt durch Relaisschaltungen realisiert Vor der Rechnung vergleicht eine Schaltung die Vorzeichen der Operanden –Bei gleichen Vorzeichen: angeforderte Operation ausführen –Bei unterschiedlichen Vorzeichen: die umgekehrte Operation

36 Tiefere Strukturen X shift Bf BaBb Be Numerische Algorithmen II – Multiplikation (17 Zyklen)

37 Tiefere Strukturen XI Numerische Algorithmen III – Division Ähnlich wie Multiplikation In jedem Schritt muss eine Subtraktion von Mantissen und eine Verschiebung stattfinden Der Quotient wird iterativ, Bit für Bit aufgebaut – Quadratwurzel Ebenfalls iterativer Aufbau, und zwar so, dass „x/q = q“ gilt

38 Tiefere Strukturen XII Vor/Nachteile der Gleitkommadarstellung – Addition komplizierter (Komma unter Komma) – Multiplikation einfacher – Ergebnis möglicherweise nicht mehr normalisiert

39 Vergleich mit ABC, Mark I, ENIAC Andere zur selben Zeit entstandene Rechner: – ABC (Atanasoff-Berry Computer) – Mark I – ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Computer)

40 Atanasoff-Berry-Computer ( )

41 Mark I ( )

42 ENIAC ( )

43 Vergleich mit ABC, Mark I, ENIAC Rechner Trennung Speicher/ Prozessor? Z3 ABC Mark I  ENIAC 

44 Vergleich mit ABC, Mark I, ENIAC Rechner Trennung Speicher/ Prozessor? Codierung Z3 binär ABC binär Mark I  dezimal ENIAC  dezimal

45 Vergleich mit ABC, Mark I, ENIAC Rechner Trennung Speicher/ Prozessor? Codierung Gleit- komma? Z3 binär ABC binär  Mark I  dezimal  ENIAC  dezimal 

46 Vergleich mit ABC, Mark I, ENIAC Rechner Trennung Speicher/ Prozessor? Codierung Gleit- komma? Sprünge Z3 binär  ABC binär  Mark I  dezimal  ENIAC  dezimal  zum Teil

47 Vergleich mit ABC, Mark I, ENIAC Rechner Programme Z3Software ABC  Mark ISoftware ENIACHardware

48 Vergleich mit ABC, Mark I, ENIAC Rechner Programme Technologie Z3Softwareelektromechanisch ABC  elektronisch Mark ISoftwareelektromechanisch ENIACHardwareelektronisch

49 Vergleich mit ABC, Mark I, ENIAC Zuse (Z3) und Atanasoff (ABC) konstruierten ihre Maschinen fast im Alleingang Mark I und ENIAC werden von mittelgroßen Gruppen von Ingenieuren gebaut Z3 & ABC – Die Architektur wird optimiert – Nicht mehr Hardware als unbedingt nötig verwenden

50 Erfolg hat viele Väter I Der Entwicklungsprozess bis zum heutigen Universalcomputer war lang Vorläufer: Charles Babbage ( ) – Analytische Maschine Geniale Arbeit von Turing 1936

51 Erfolg hat viele Väter II Konrad Zuse ( ) – Z1, Z2, Z3 John Atanasoff ( ) – ABC John von Neumann ( ) – Grundlagen der Rechnerarchitektur

52 Zusammenfassung Konzepte heutiger Computer schon 1936 erfunden – Trennung Prozessor – Speicher – Gleitkommadarstellung – Binäre Darstellung Java-Simulator der Z3:


Herunterladen ppt "Konrad Zuses Rechenmaschinen 60 Jahre Computergeschichte Vortrag von Marco Pomalo & Thomas Döhring."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen