Konrad zuse und der computer
PROFESSOR DOKTOR KONRAD ERNST OTTO ZUSE
Konrad Ernst Otto Zuse erblickte am 22 Juni 1910 in Berlin das Licht der Welt.
1935 beendet er dann sein Studium im Fach: ,,konstruktiver Ingenieurbau" an der damaligen Polytechnischen Hochschule Charlottenburg. Danach nimmt er eine Stelle bei den Henschel Flugzeugwerken an, verlässt diese Stelle aber 1936, um im Wohnzimmer seiner Eltern eine Erfinderwerkstatt aufzubauen. Diese fanden das zwar wenig sinnvoll, unterstützten ihren Sohn aber so gut, wie sie konnten.
Dort beginnt er mit dem Bau der Erfindung die ihn unsterblich und berühmt machte: Er konstruierte unumstritten den ersten programmgesteuerten, frei programmierbaren vollautomatischen Rechner der Welt, die Z1. Die mechanischen Einzelteile (und derer waren es nicht wenige) des Rechners fertigte er selbst mit der Laubsäge an.
Er finanzierte das komplette Projekt aus eigenen Mitteln und beendete diese weltweit neue Konstruktion zwei Jahre später, im Jahre 1938.
Bevor Konrad Zuse sich jedoch daran machen konnte einen Rechner zu bauen, musste er sich eine Frage stellen: Welche mathematischen Probleme soll ein Rechner lösen?
Seine Antwort war, dass ein Rechner aus gegebenen Angaben nach einer Vorschrift neue Angaben bilden können sollte.
Somit war das Rechnen definiert und damit der Grundstein für seine späteren Entwicklungen und Überlegungen gelegt.
Die Z1 besaß eine Rechengeschwindigkeit von einem Hertz (was soviel bedeutet, dass er eine Rechenoperation pro Sekunde durchführen konnte) und ein Gleitkommarechenwerk (das Gleitkommarechenwerk kann eine Zahl mit einer anderen potenzierten Zahl multiplizieren, beispielsweise ist 94330,56 = 9,43056·103 = 0,943056·104 = 943056·10-2) mit begrenztem Höchstzahlwert (es können also nur Zahlen mit einem Wert unter einer bestimmten Zahl eingegeben und berechnet werden). Eingabe erfolgte über eine Dezimaltastatur (man hatte also eine Tastatur mit den Zahlen 0 - 9 und das Multiplikationsverfahren um den Rechner mit Aufgaben zu beauftragen) die für den Rechner in den Binärcode umsetzte und Ausgabe über eine Dezimalzifferausgabe welche den Binärcode wider zurück ins leicht verständliche umwandelte. Die maximale Wortlänge (also die Maximale Zeichenangabe des Terms) war eine 25 Ziffern mit einem 8-Stelligen Exponenten und einem Vorzeichen.
Die Z1 brauchte durchschnittlich etwa 5 Sekunden um eine Multiplikationsaufgabe vollständig zu lösen. Der Speicher des Rechners betrug 64 Zahlen zu je 22 Dualstellen und war, wie der Rest der ganzen Maschine mechanisch aufgebaut. Die vollendete, gesamte Konstruktion bestand aus etwa 20.000 Einzelteilen und wog etwa 500 kg.
Die Z1 war ein Versuchsmodell und war wegen seiner mechanischen Bauteile sehr ungenau und daher in der Praxis leider nicht zu gebrauchen. Im Zweiten Weltkrieg wurden dann sowohl das Modell Z1, wie auch sämtlich Aufzeichnungen darüber komplett durch einen Bombenangriff vernichtet.
1986 entschloss sich Konrad Zuse dann die Z1 für das Deutsche Technik Museum in Berlin-Kreuzberg neu zu bauen. Das Projekt wurde von einem Firmenkonsortium unter der Federführung der Siemens AG finanziert. 1989 schloss er seine Neukonstruktion ab und kann heute im genannten Museum besichtigt werden.
Konrad Zuses zweites Modell eines frei programmierbaren Rechners war die Z2 welche er 1940 fertig konstruierte. Er baute dieses Gerät elektromechanisch mit 800 Relais um zu testen, ob das die Genauigkeit des Rechenapparats verbessern würde. Sein Versuch erfüllte seine Erwartungen in so fern, dass er seinen nächsten geplanten Rechner komplett mit Relais ausstatten wollte.
Weitere Änderungen bezüglich der Z1 waren eine erhöhte Geschwindigkeit von 3 Hertz und ein Festkommarechensystem welches Zwei Ziffern direkt miteinander multiplizieren konnte. Auch die Z2 benötigte durchschnittlich 5 Sekunden für die Lösung eines Multiplikationsterms.
Der Speicher betrug jetzt 64 Speicherzellen à 16 Bit. Die Z2 war der erste funktionsfähige programmgesteuerte Rechner mit Festkomma-Arithmetik der Welt. Auch sie wurde während des Krieges zerstört.
1941 entwickelte Zuse dann die Z3, den ersten voll funktionsfähigen programmgesteuerten Rechner der Welt den er am 12.
Mai 1941 erfolgreich einer Gruppe von Professoren vorführte.
Bei diesem Gerät konnte man die Zahlen, wie schon bei seinen Vorgängermodellen, im Dezimalsystem eingeben die dann für den Rechner in eine binäre Gleitkommazahl umgewandelt wurde. Ebenso wurde bei der Ausgabe wieder diese binäre Gleitkommazahl in eine Dezimalzahl umgewandelt. Zusätzlich besaß die Ein-/Ausgabeeinheit des Rechners noch einen Lochstreifenleser welcher so genannte Lochkarten lesen konnte.
Der Rechner bestand jetzt aus etwa 2600 Relais, einem Gleitkommarechenwerk wie bei der Z1 und besaß eine noch weiter erhöhte Geschwindigkeit von 5.3 Hertz.
Die Z3 konnte damals auch schon folgende mathematische Operationen durchführen: + | - | ∙ | ÷ | √ | ∙0,1 | ∙10 | :0,1 | :10 | ∙2 | :2 | ∙(-1). Er benötigte für Multiplikations- und Divisionsaufgaben 3 Sekunden um die Lösung zu finden, für Additionsaufgaben nur 0.7 Sekunden.
Der Speicher der Z3 war genauso aufgebaut wie der der Z1. Ausgabe erfolgte mit einer Lampenanzeige.
Finanziert wurde die Z3 diesmal zum Großteil von der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt, da das spätere Einsatzgebiet der Z3 bei der Berechnung von Flugzeugflügeln (Flatterproblem) lag.
Auch dieses Gerät wurde währen des Krieges zerstört. 1960 wurde für die Interdata ein Nachbau von der Zuse KG konstruiert. Der Nachbau wurde für die Interdata in München im Jahr 1964 fertig gestellt. Im Jahr 1967 wurde die Z3 auf der Weltausstellung in Montreal im Deutschen Pavillon gezeigt und fand dort große Beachtung. Danach erhielt das Deutsche Museum in München die Z3 wo er bis heute zu besichtigen ist.
1945 beendete Zuse dann seine Erfindung der ersten Computersprache der Welt, des Plankalküls.
Während dieser Zeit erweiterte er 1943 auch die Definition zum Rechnen: ,,Rechnen ist die Ableitung von Resultatangaben aus irgendwelchen Angaben nach einer Vorschrift. Diese können sehr verschiedene Bedeutungen haben, z.B. Zahlen, Aussagen, Namen, Kennziffern, Dienstgrade, Daten, Befehle, Nachrichten, Schlussfolgerungen, usw."
Nach dieser erweiterten Definition und der Vorlage der Z3 konstruierte Konrad Zuse dann seine verbesserte Z4. 1944 stellte er sie fertig und 1945 während der Nachkriegszeit floh er von Berlin nach Hinterstein bei München.
1947 konnte dort in einem Pferdestall die Z4 erstmals wieder aufgebaut werden. Die Z4 arbeitete später vom 11.7.1950 fünf Jahre lang im Institut für angewandte Mathematik an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich (ETH) und war 1951 die einzige betriebsfähige Rechenanlage in Europa. 1954 kam die Z4 in das Institut Franco-Allemand des Recherches de St. Louis nach Frankreich.
Dort arbeitete die Anlage bis 1959. Heute steht sie als Original im Deutschen Museum in München.
Die Z4 verfügte über ein so genanntes Planfertigungsgerät. Konrad Zuse bezeichnete ein Programm als Plan. Es war ein Gerät um auf einfache Weise Programme über symbolische Speicheradressen und Symbole für mathematische Operationen anfertigen zu können. Mit Hilfe dieses Gerätes war es möglich, die Programmierung der Z4 in weniger als 3 Stunden zu erlernen.
Auch war es von da an möglich, Programme zu korrigieren bzw. zu kopieren was die Bearbeitung von Programmen noch einmal um vieles vereinfachte. Die Z4 besaß 2200 Relais und eine Geschwindigkeit von 30 Hertz womit sie jetzt schon durchschnittlich 11 Multiplikationen pro Sekunde durchführen konnte. Insgesamt bestand die sie aus etwa 10.000 Einzelteilen. Der Speicher wurde auf 64 Speicherzellen zu je 32 Bit erweitert.
Die Z4 konnte auch eine Anzahl neuer logischer Aufgaben ausführen von denen einige auch schon bei der Z3 vorkamen:
Der Ablesebefehl A n bewirkt das Lesen des Dateninhalts der Speicherstelle n in das Register (der Register ist der Vorgänger des heutigen RAM- oder Arbeitsspeicher) R1 oder R2 (falls Register R1 besetzt ist). Z.B.: Durch A12 wird die Speicherstelle 12 gelesen. Die Speicherstelle entspricht der modernen Festplatte.
Speicherbefehl S n bewirkt das Speichern des Inhaltes des Registers R1 in die Speicherzelle n.
Z.B.: S 18 speichert den Inhalt von R1 in die Speicherzelle 18
Als Argumente für mathematische Operanden für die Rechenbefehle werden die Register R1 und R2 verwendet. Für einstellige Operationen wird das Register R1 verwendet. Das Resultat steht immer im Register R1, der Inhalt von Register R2 wird gelöscht.
Rechenoperationen mit zwei Operanden sind: +; -; x; /; MAJ (Maximum); Min (Minimum).
Rechenoperationen mit einem Operanden sind: x^2; SQR(x); 1/x; |x|; SGN(x); x*½; x*2; x *(-1); x*10; x*3; x*1/3; x*1/5; x*1/7; x*p; x*1/p.
Die Vergleichsbefehle (x=0, x>=0, |x| = unendlich) testen die Zahl im Register R1 und setzen R1 auf +1, falls die Bedingung erfüllt ist, wenn nicht auf -1.
Der Befehl (SPR) wurde auf speziellen Wunsch der ETH eingebaut. Er kann nach einem Vergleichsbefehl angewendet werden und bewirkt das Überspringen des folgenden Befehls (bis zum nächsten Befehl ST) auf dem Lochstreifen, falls im Register R1 der Wert +1 steht; steht in R1 -1, hat er keine Wirkung.
Der Umschaltbefehl (UP) schaltet vom Hauptplan (Lochstreifen im Abtaster A0) auf den Unterplan (in At1) um. Mit FIN wird wieder zurückgeschaltet.
Lochstreifen können zu Schleifen zusammengeklebt werden, welche so mehrmals ausgeführt werden.
Ausgabebefehle (->; D; L usw.) dienen zur Umwandlung von Binärzahlen ins Dezimalsystem und zur Ausgabe der Zahlen auf dem Lampenfeld, der Schreibmaschine oder dem Lochstreifen.
Mit Eingabebefehlen (wie <-; At1; usw.) können Zahlen im Abtaster At1 eingelesen werden (Letzteres ergibt - zusammen mit der Möglichkeit, Zahlen auf Lochstreifen auszugeben - eine externe Speichermöglichkeit, welche der späteren Diskette entspricht).
Auch die Z4 verfügte über eine arithmetische Ausnahmebehandlung, wie die Z3.
Treten Zahlen auf, die die angegebene Größenordnung (10^-20 < |x| < 10^20) überschreiten, so gibt die Maschine den Bereich an, in dem das Ergebnis liegt. Z.B.:
Sehr groß + sehr groß = sehr groß.
Sehr groß - sehr groß = unbestimmt.
0/0 = unbestimmt.
Wird mit einem unbestimmten oder ,,sehr großen" Ergebnis dann eine weitere Operation durchgeführt, so ist das Ergebnis daraus unbestimmt. So wird vermieden, dass ein fehlerhaftes Ergebnis errechnet wird.
1949 gründete Konrad Zuse seinen ersten Betrieb, die Zuse KG, in Neukirchen bei Hünfeld bei der Anfangs nur 5 Mitarbeiter beschäftigt wurden und automatische Rechner gebaut wurden. Bis 1964 waren bei der Zuse KG schon 1200 Mitarbeiter beschäftigt, 250 Rechner produziert und 35 Millionen Deutsche Mark Umsatz gemacht wurden. Sein erster Betrieb in Bad Hersfeld, Wehneberger Str. wurde 1957 gegründet.
1951 bekam die Zuse KG einen Großauftrag von der Leitz AG in Wetzlar. Konrad Zuse sollte eine weiter verbesserte Version der Z4 bauen: die Z5. In den Möglichkeiten für mathematische Berechnungen glich die Z5 der Z4, Jedoch arbeitete sie 5-Mal schneller als ihr Vorgängermodell. 1952 wurde die Z5 an die Leitz AG geliefert. Sie kostete 300.000 DM und wurde zu Berechnung von optischen Linsensystemen angewandt.
Z5 war bis dahin der erste verkaufte Rechner in West-Deutschland. Das Original ist bis heute nicht mehr vorhanden.
Einen weiteren Aufschwung bekam die Zuse KG durch die Entwicklung der Z11. Sie war der erste Rechner in Serienanfertigung. Ihre Rechengeschwindigkeit betrug 20 Hertz und konnte damit durchschnittlich 2 Multiplikationen pro Sekunde durchführen. Eingesetzt wurde die Z11 bei Landvermessungen, statischen Berechnungen und optischen Berechnungen.
Insgesamt wurden 43 Rechner verkauft zum Preis zu je 100.000 DM. Originale stehen heute im Deutschen Technikmuseum in Berlin und im Nixdorf MuseumsForum Paderborn.
Einen weiteren Schub bekam die Zuse KG mit der Entwicklung der Z22. Z22 gilt als der erste Röhrenrechner der Zuse KG. Sie Rechnete mit einer Geschwindigkeit von 140 kHz (Kilohertz, 1 kHz = 1000 Hz) und konnte damit fast 1700 Additionen pro Sekunde errechnen.
Multiplikationen berechnete Z22 in 10 Millisekunden (1000 ms = 1s), Divisionen in 60 Millisekunden und Wurzeln in 0,2 Sekunden. Der Speicher bestand aus einer Magnettrommel mit 6000 Umdrehungen pro Minute und 8192 Speicherplätzen und damit 8 Kilobit (1 Kilobit = 1024 Bit, dieses Speichersystem war ein Vorläufer der heutigen Festplatten).
Eingesetzt wurde die Z22 in der Betriebswirtschaft, der Bautechnik, dem Maschinenbau, der Elektrotechnik, beim Kernreaktorbau, in der Ballistik, der Vermessungstechnik, der Aerodynamik, der Optik und im Bergbau. Die Befehle wurden auf weinige grundlegende Befehle reduziert.
Insgesamt wurden 50 Geräte im Innland und 5 im Ausland zu einem Preis von je 180.000 DM verkauft.
Damit war er preiswerter, als die bis dahin schon längst entstandene Konkurrenz Ein Original steht heute im Heimatmuseum Hünfeld.
Das Nachfolgegerät der Z22 war die Z23. Z23 war ein Transistorrechner und besaß eine Speichertrommel die doppelt so viele Daten (16Kilobit) aufnehmen konnte wie dasselbe Bauelement ihres Vorgängers. Die Rechengeschwindigkeit wurde auf 150 Kilohertz erhöht und sparte gegenüber der Z22 auch einiges an Platz.
Angewandt wurde die Z23 in den Bereichen Bautechnik, Maschinenbau, Schiffbau, Elektrotechnik, Elektronik, Hydro- und Gasdynamik, Reaktorphysik, Ballistik, Vermessungstechnik, Optik, Energieversorgung, Verkehrstechnik, Bergbau, Behörden, Hoch- und Fachhochschulen, Chemische Produktion, Kesselbau.
Insgesamt wurden 80 Modelle der Z23 im Inland und 18 Im Ausland zu einem Preis von je 200.
000 DM pro Gerät verkauft.
Ein dagegen relativ günstiger Rechner war 1961 die kurz darauf entwickelte Z25. Sie besaß eine Rechengeschwindigkeit von 194 Kilohertz und konnte damit 500 Rechenoperationen pro Sekunde durchführen. Mit der Z25 war es durch die Kopplung von mehreren Z25 möglich umfangreichere Datenverarbeitungssysteme aufzubauen. Die Rechenergebnisse konnten auch direkt zu einem Z64-Graphomaten übertragen werden.
Gegenüber sämtlichen Z-Vorgängermodellen war die Z25 verhältnismäßig leicht.
Wohingegen ihre Vorläufer durchschnittlich eine Tonne Wogen, betrug das Gewicht der Z25 lediglich 200 kg. Die Vielzahl von Speicherteilen, Eingabe- und Ausgabegeräten bei den verkauften Z25-Apparaten streckten sich bis dahin über den ganzen Markt.
Eingesetzt wurde die Z25 in fast allen Gebieten der Wissenschaft, Technik, Prozesssteuerung, Verwaltung und Datenverarbeitung.
Insgesamt wurden 110 Modelle im Inland und 18 im Ausland zu einem Preis von verhältnismäßig günstigen 80.000 DM pro Apparat verkauft.
Ein Original der Z25 steht heute im Heimatmuseum Hünfeld.
Da die Anfrage nach automatischer Datenverarbeitung zunahm konstruierte Konrad Zuse von 1955 bis 1961 den Graphomat Z64. Dieser Apparat war ein Lochkartengesteuerter Zeichentisch in Transistortechnik ohne eigenes Rechenwerk. Der Z64 stellte eine Art des heutigen Druckers da. Er Zeichnete in 15 Geschwindigkeitsstufen (maximal 22,5 Millimeter pro Sekunde). Er Zeichnete auf +/- 0,05 Millimeter genau und bekam seine Informationen durch Lochkarten oder Online direkt durch die Z25 oder die Z43.
Eingesetzt wurde der Z64 in der Landvermessung, der Meteorologie, dem Straßenbau, dem Schiffsbau und der Textilindustrie.
Verkauft wurden 110 Exemplare im Inland und 18 im Ausland. Der Preis für diesen Apparat lag bei 98.000 DM pro Gerät.
Doch auch für die Zuse KG gab es auch Pleiten. Die erste Pleite war 1963 mit der Entwicklung der Z31. Mit der Konstruktion der Z31 ging die Rechnertechnik einen Schritt zurück.
Zwar wurde der Speicher erweitert aber die Geschwindigkeit auf 53 Hertz zurückgesetzt und auch andere technische Verbesserungen der bis dahin entwickelten Rechner wurden verschlechtert.
Die Z31 fand nur 7 Abnehmer, dominierend Banken. Verkaut wurde die Z31 zu einem Preis von je 230.000 DM pro Gerät. Die Zuse KG machte Verluste in Millionenhöhe.
Die Zuse KG entwickelte bis 1967 weitere Rechner, bis sie von der Siemens AG übernommen wurde.
Nach der Zuse KG wurde Konrad Zuse weltweit geehrt und gewürdigt. Er entwickelte weiter viele Ideen zur Informatik und der Rechnertechnik, beschäftigte sich aber größtenteils mit der Kunst. Bis zu seinem Tod galt er als Bauingenieur, Erfinder, Wissenschaftler, Unternehmer, Autor, Kunstmaler und außerdem noch Ehrenbürger von Hünfeld wo er seit 1978 wohnte und sich immer wider aufregte, dass er zu seinen Lebzeiten nie als Haupterfinder des Computers galt. Auf die häufig gestellte Frage, warum er sich mit der Entwicklung von automatischen Rechenmaschinen beschäftigt hatte antwortete er für gewöhnlich: ,, Ich war zu faul zum Rechnen, da habe ich mir eben diese Geräte entwickelt."
Zu skeptischen Fragen über die moderne Wissenschaft und Technik antwortet Konrad Zuse: ,,Keiner weiß, wie sich das entwickelt, es hängt von den Menschen ab."
Am 18.
Dezember 1995 verstarb der bis dahin Weltweit berühmte Erfinder Konrad Zuse in seinem Heimatort Hünfeld.
Eine Konstruktion von Konrad Zuse nach 1966 ist zum Beispiel sein Helix-Turm. Dieser ist ein Turm, welcher seine ursprüngliche Bauhöhe variieren kann.
DER BINÄRCODE UND DIE DADURCH ERMÖGLICHTEN SPEICHER- UND RECHENMÖGLICHKEITEN
Der Binärcode (oder auch das Dualsystem) ist die Zeichensprache eines jeden Rechners. Im Binärcode wird einzig mit den Zahlen 0 und 1 gearbeitet. 0 bedeutet ,,Aus" und 1 bedeutet ,,Ein".
Die Dezimalzahl 1 ist im Binärcode 1, 2 ist 10. 3 ist 11, 4 ist 100, 5 ist 101, .
Die 0 Nullen und Einsen geben folgendes an: . + Anzahl 32 + Anzahl 16 + Anzahl 8 + Anzahl 4 + Anzahl 2 + Anzahl 1. Z.B.:
58 = (1 ∙ 2^6) + (1 ∙ 2^5) + (1 ∙ 2^4) + (0 ∙ 2^3) + (1 ∙ 2^1) + (0 ∙ 2^0)
58 = (1 ∙ 32) + (1 ∙ 16) + (1 ∙ 8) + (0 ∙ 4) + (1 ∙ 2) + (0 ∙ 1) => 58 ist im Binärcode 111010.
Jede Zahl kann also im Binärsystem durch die verschiedenen Potenzen von 2 Dargestellt werden.
Rechenoperationen sind im Binärsystem sehr einfach. Die Grundoperationen sind:
1 + 1 = 10 1 × 1 = 1 1 × 0 = 0 1 + 0 = 1
Die Rechenoperationen werden ansonsten wie im Dezimalsystem durchgeführt:
111010 58 111010 ∙ 101 58 ∙ 5
+ 000101 + 5 111010 290
111111 68 000000
111010___
100100010
Das Dualsystem ist deswegen so günstig für die Computerrechnung, da jede Zahl einzig durch die Stellung einiger Schalter dargestellt werden kann.
Auf Magnetspulen oder Disketten stehen Beispielsweise ein magnetisierter Bereich für 1 und ein nicht magnetisierter bereich für 0.
Auch konnten Informationen über den Binärcode gespeichert werden. In den Anfängen der Rechnerentwicklung wurde zunächst mit Relaistechnik gespeichert. Ein Relais ist eine Art Elektromagnet.
Fließt Strom zieht ein Relais einen Metallstift an, welcher dadurch einen Stromkreis öffnen oder schließen kann. Dadurch können mit Zuhilfenahme des Binärsystems Informationen für den Rechner gespeichert werden. Auch konnten durch die Relaistechnik zu der Zeit von Konrad Zuse auch die ersten automatisieren und präzisen Rechenoperationen Durchgeführt werden.
Prinzipiell ähnlich verfährt das Speichersystem der Lochkarten oder Lochstreifen. In eine Lochkarte werden in einer bestimmten Reihenfolge Löcher gestanzt, welche - wie bei der Relaistechnik - einen Informationscode ergeben können. Auch hier wird das Binärsystem angewandt.
Ein Loch bedeutet ,,Auf", ein geschlossener Bereich ,,Zu". Damit sind auch bei dieser Technik alle Vorraussetzungen für die Anwendung des Binärsystems erfüllt und ist somit auch eine funktionierende Speichermöglichkeit.
CHARLES BABBAGE UND ANDERE RECHNERENTWICKLUNGEN
Konrad Zuse war nicht der erste Mensch gewesen, welcher sich mit der automatisierten Rechnung befasste, sondern lediglich der erste, der eine gute Lösung dafür gefunden hatte.
Charles Babbage wurde 1792 geboren und entwickelte 1823 zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit automatische Rechenmaschinen: seine ,,Difference Engine" und 1834 die ,,Analytical Engine". Diese wurden aber nie fertig gestellt. Zum einen lag das an der mangelnden Präzision der Feinmechanik zu dieser Zeit, zum anderen aber auch an der viel zu komplizierten Mechanik.
Babbage entwickelte auch die ersten Ideen zur freien Programmierung.
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