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Konrad Zuses Rechenmaschinen 60 Jahre Computergeschichte

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Konrad Zuses Rechenmaschinen 60 Jahre Computergeschichte. Vortrag von Marco Pomalo & Thomas Döhring. Übersicht. Geschichte/Entstehung Grundstrukturen Tiefergehende Behandlung Vergleich mit ABC, Mark I & ENIAC Erfolg hat viele Väter. Historisches I.

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Presentation Transcript
konrad zuses rechenmaschinen 60 jahre computergeschichte

Konrad Zuses Rechenmaschinen60 Jahre Computergeschichte

Vortrag von Marco Pomalo & Thomas Döhring

bersicht
Übersicht
  • Geschichte/Entstehung
  • Grundstrukturen
  • Tiefergehende Behandlung
  • Vergleich mit ABC, Mark I & ENIAC
  • Erfolg hat viele Väter
historisches i
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
historisches ii
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
historisches iii
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

historisches iv
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
historisches v
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

historisches vi
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
historisches vii
Historisches VII
  • Originale beider Maschinen im II.WK verloren gegangen
  • Später Nachbau durch Zuse:
    • 1966 Z3
    • 1987-1989 Z1
grundstrukturen i
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)
grundstrukturen ii
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
grundstrukturen iii
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
grundstrukturen iv

0

0000100

0001110100110

± Exponent Mantisse

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
grundstrukturen v
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
grundstrukturen vi
Grundstrukturen VI
  • Die wichtigsten Bauteile:
    • Speicher (1400 Relais)
    • RW (600 Relais)
    • Kontrolleinheit (für die einzelnen Befehle) (LW)
    • Zahleneingabe & Zahlenausgabe
grundstrukturen vii
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
tiefere strukturen i
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
tiefere strukturen ii

Eingabe

Lu

Pr z

±

Mantisse Z

Komma K

Register 1

Register 2

±

±

Af

Ab

Bf

Bb

+

Ls1

Ls2

x

Lm

:

Li

Lw

Speicher

Rechenwerk

Ps z

Ld

±

Mantisse R

Komma K

Ausgabe

Tiefere Strukturen II
tiefere strukturen iii
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
tiefere strukturen iv
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
tiefere strukturen v
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
tiefere strukturen vi
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
tiefere strukturen vii
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

tiefere strukturen ix
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
tiefere strukturen x

1101

Bf

1001

1001

1001

1001

1001

0111

0100

0000

0101

0010

Ba

Bb

+

1001

0100

1011

0000

1110

shift

Be

Tiefere Strukturen X
  • Numerische Algorithmen II
    • Multiplikation (17 Zyklen)
tiefere strukturen xi
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
tiefere strukturen xii
Tiefere Strukturen XII
  • Vor/Nachteile der Gleitkommadarstellung
    • Addition komplizierter (Komma unter Komma)
    • Multiplikation einfacher
    • Ergebnis möglicherweise nicht mehr normalisiert
vergleich mit abc mark i eniac
Vergleich mit ABC, Mark I, ENIAC
  • Andere zur selben Zeit entstandene Rechner:
    • ABC (Atanasoff-Berry Computer)
    • Mark I
    • ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Computer)
vergleich mit abc mark i eniac49
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
erfolg hat viele v ter i
Erfolg hat viele Väter I
  • Der Entwicklungsprozess bis zum heutigen Universalcomputer war lang
  • Vorläufer: Charles Babbage (1791-1871)
    • Analytische Maschine
  • Geniale Arbeit von Turing 1936
erfolg hat viele v ter ii
Erfolg hat viele Väter II
  • Konrad Zuse (1910-1995)
    • Z1, Z2, Z3
  • John Atanasoff (1903-1995)
    • ABC
  • John von Neumann (1903-1957)
    • Grundlagen der Rechnerarchitektur
zusammenfassung
Zusammenfassung
  • Konzepte heutiger Computer schon 1936 erfunden
    • Trennung Prozessor – Speicher
    • Gleitkommadarstellung
    • Binäre Darstellung
  • Java-Simulator der Z3:

www.zib.de/zuse