Post on 06-Apr-2015
transcript
Konrad Zuses RechenmaschinenKonrad Zuses Rechenmaschinen60 Jahre Computergeschichte60 Jahre Computergeschichte
Vortrag von Marco Pomalo & Thomas Döhring
ÜbersichtÜbersicht
Geschichte/Entstehung Grundstrukturen Tiefergehende Behandlung Vergleich mit ABC, Mark I & ENIAC Erfolg hat viele Väter
Historisches IHistorisches 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 IIHistorisches 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
Der junge Zuse an der ArbeitDer junge Zuse an der Arbeit
Historisches IIIHistorisches 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
Aufbau der Z1 zu HauseAufbau der Z1 zu Hause
Historisches IVHistorisches 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
Aufsicht Z1Aufsicht Z1
Aufsicht Z1Aufsicht Z1
Historisches VHistorisches 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
Z3Z3
Historisches VIHistorisches 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 VIIHistorisches VII
Originale beider Maschinen im II.WK verloren gegangen
Später Nachbau durch Zuse:– 1966 Z3– 1987-1989 Z1
Nachbau der Z1Nachbau der Z1
Grundstrukturen IGrundstrukturen 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 IIGrundstrukturen 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 IIIGrundstrukturen 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
Abtaster und Lochstreifen Z1Abtaster und Lochstreifen Z1
Grundstrukturen IVGrundstrukturen 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 Bit000001000001110100110± Exponent Mantisse
Grundstrukturen VGrundstrukturen 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 VIGrundstrukturen VI
Die wichtigsten Bauteile:– Speicher (1400 Relais)– RW (600 Relais)– Kontrolleinheit (für die einzelnen Befehle) (LW)– Zahleneingabe & Zahlenausgabe
Eingabe & AusgabeEingabe & Ausgabe
Grundstrukturen VIIGrundstrukturen 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
Abtaster Z3Abtaster Z3
Tiefere Strukturen ITiefere 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
Rechenwerk
Tiefere Strukturen IITiefere Strukturen II
±Mantisse Z Komma K Eingabe
Pr z
+
Ls1
–
Ls2
x
Lm
:
Li
Lw
± Komma KMantisse R Ausgabe
Lu
Ps z
Ld
Speicher
… ………
± Ab BbRegister 2
± Af BfRegister 1
Tiefere Strukturen IIITiefere 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 IVTiefere 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 VTiefere 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
SchrittschalterSchrittschalter
Tiefere Strukturen VITiefere 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
Handkurbel Z1Handkurbel Z1
Tiefere Strukturen VIITiefere Strukturen VII
Schritte– Jeder Zyklus ist wiederum in 5 Schritte unterteilt– Grundmuster zur Befehlsverarbeitung:
I II III IV V I II III IV V
Zyklus 1 Zyklus 2
Dekodieren
Operanden vorbereiten
Ausführen
Resultat zurückschreiben
I II
Tiefere Strukturen IXTiefere 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 XTiefere Strukturen X
1101
+
shift
Bf
Ba Bb
Be
1001
0000
0000
1001
1001
0100
1001
0100
0010
1001
1011
0101
1001
1110
0111
Numerische Algorithmen II– Multiplikation (17 Zyklen)
Tiefere Strukturen XITiefere 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 XIITiefere Strukturen XII
Vor/Nachteile der Gleitkommadarstellung– Addition komplizierter (Komma unter Komma)– Multiplikation einfacher– Ergebnis möglicherweise nicht mehr normalisiert
Vergleich mit ABC, Mark I, ENIACVergleich mit ABC, Mark I, ENIAC
Andere zur selben Zeit entstandene Rechner:– ABC (Atanasoff-Berry Computer)– Mark I– ENIAC (Electronical Numerical Integrator and
Computer)
Atanasoff-Berry-Computer Atanasoff-Berry-Computer (1938-1942)(1938-1942)
Mark I Mark I (1939-1944)(1939-1944)
ENIAC ENIAC (1943-1945)(1943-1945)
Vergleich mit ABC, Mark I, ENIACVergleich mit ABC, Mark I, ENIAC
RechnerTrennung Speicher/
Prozessor?
Z3
ABC
Mark I
ENIAC
Vergleich mit ABC, Mark I, ENIACVergleich mit ABC, Mark I, ENIAC
RechnerTrennung Speicher/
Prozessor?Codierung
Z3 binär
ABC binär
Mark I dezimal
ENIAC dezimal
Vergleich mit ABC, Mark I, ENIACVergleich mit ABC, Mark I, ENIAC
RechnerTrennung Speicher/
Prozessor?Codierung
Gleit-komma?
Z3 binär
ABC binär
Mark I dezimal
ENIAC dezimal
Vergleich mit ABC, Mark I, ENIACVergleich mit ABC, Mark I, ENIAC
RechnerTrennung Speicher/
Prozessor?Codierung
Gleit-komma?
Sprünge
Z3 binär
ABC binär
Mark I dezimal
ENIAC dezimal zum Teil
Vergleich mit ABC, Mark I, ENIACVergleich mit ABC, Mark I, ENIAC
Rechner Programme
Z3 Software
ABC
Mark I Software
ENIAC Hardware
Vergleich mit ABC, Mark I, ENIACVergleich mit ABC, Mark I, ENIAC
Rechner Programme
Technologie
Z3 Software elektromechanisch
ABC elektronisch
Mark I Software elektromechanisch
ENIAC Hardware elektronisch
Vergleich mit ABC, Mark I, ENIACVergleich 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 Väter IErfolg 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 Väter IIErfolg hat viele Väter II
Konrad Zuse (1910-1995)– Z1, Z2, Z3
John Atanasoff (1903-1995)– ABC
John von Neumann (1903-1957)– Grundlagen der Rechnerarchitektur
ZusammenfassungZusammenfassung
Konzepte heutiger Computer schon 1936 erfunden– Trennung Prozessor – Speicher– Gleitkommadarstellung– Binäre Darstellung
Java-Simulator der Z3:
www.zib.de/zuse