Konrad Zuses Rechenmaschinen 60 Jahre Computergeschichte

Präsentation zum Thema: "Konrad Zuses Rechenmaschinen 60 Jahre Computergeschichte"—  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. 1936 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 Aufsicht Z1

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 Z1 und Z3 haben den selben logischen Aufbau, die Z3 wurde 1941 am Patentamt angemeldet. Wer hat den ersten Computer entwickelt?

14 Historisches VII Originale beider Maschinen im II.WK verloren gegangen
Später Nachbau durch Zuse: 1966 Z3 Z1 Alle Unterlagen wurden im 2. Weltkrieg zerstört, da musste Zuse weit aus dem Gedächtnis die Maschinen nachbauen. Sie befinden sich Heute in deutschen Museen und funktionieren zum Teil.

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: RW:
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 Binäre Zahlen kann man wie Dezimalzahlen :mit Ziffern vor und nach dem Komma schreiben. Die Stellen davor stellen die Potenzen 20,21,22 usw. dar. Die Stellen nach den Komma 2-1,2-2 usw. Beispiel: ½ Binär als 0,1=2-1, ¼ ist 0,01=2-2. Normalisierung: 8731 = 8,371*103 im Dezimalsystem. Die 2 Extra Bit sind zur Erhöhung der Genauigkeit durch korrekte Rundung. ± 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 Beispiel: an der Tastatur: für 4,356 die Mantisse 4356 eingeben und den Exponent –3 über eine Kommaeingabevorrichtung einstellen

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 Tiefere Strukturen II ± Mantisse Z Komma K Eingabe Lu Pr z Rechenwerk
Af Bf Register 1 Ab Bb Register 2 Speicher … Ld + Ls1 – Ls2 x Lm : Li  Lw Ps z Komma K Mantisse R Ausgabe

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 Ls1 und Ls2 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: Zyklus 1 Zyklus 2 I II III IV V I II III IV V I II Dekodieren Ausführen Operanden vorbereiten Resultat zurückschreiben

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 Numerische Algorithmen II
Multiplikation (17 Zyklen) 1101 + shift Bf Ba Bb Be 1001 1110 0111 1001 1011 0101 1001 0100 1001 0000 1001 0100 0010

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 (1938-1942)

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 Mark I  dezimal ENIAC

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

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

47 Vergleich mit ABC, Mark I, ENIAC
Rechner Programme Z3 Software ABC  Mark I ENIAC Hardware

48 Vergleich mit ABC, Mark I, ENIAC
Rechner Programme Technologie Z3 Software elektromechanisch ABC  elektronisch Mark I ENIAC Hardware

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: