Von der Differenzenmaschine zum programmierbaren Rechner: Die Automatisierung des Rechnens

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1 Von der Differenzenmaschine zum programmierbaren Rechner: Die Automatisierung des Rechnens (Henner Schneider, Fb Informatik, FH Darmstadt) Schon Johann Helfrich Müller hatte im Anhang der Beschreibung zu seiner mechanischen Rechenmaschine, die 1786 von Varrentrapp in Frankfurt herausgebracht wurde, die Erfindung einer Differenzenmaschine beschrieben, die selbständig Tabellen drucken sollte. Doch realisierte er diese Maschine nicht. Die Möglichkeit zur Aufzeichnung von Daten bzw. Programmen zur Steuerung von Maschinen entstand etwa um die gleiche Zeit und bildete eine wesentliche Voraussetzung zur Entwicklung automatischer und schließlich programmgesteuerter Rechenmaschinen. Lochkartengesteuerter Webstuhl: In der Seidenstadt Lyon hatten erfindungsreiche Techniker damit begonnen, den Vorgang des Webens von Mustern zu automatisieren. Schon 1728 konstruierte Jean Baptiste Falcon ( 1765), ein französischer Mechaniker eine Apparatur, die mit an den Längsseiten verbundenen Lochkarten arbeitete. Die Lochkarte war der erste maschinell lesbare Informationsträger. Diese Speicher bestanden aus Holzplättchen, in denen der Code für ein bestimmtes Webmuster in einer vorgegebenen Lochkombination angebracht war. Diese Karten wurden als Lochkartenkette über einen mechanischen Ablesemechanismus des Webstuhls geführt und stellten die senkrechten Schnüre oder Litzen ein. An den Enden der Litzen befanden sich Ösen, durch die die Kettfäden je nach der Lochkombination gehoben oder gesenkt wurden. Bei jeder Lochkombination wurde somit der Schußfaden durch die parallel liegenden Kettfäden getrieben und erzeugte das gewünschte Muster. Durch Auswechseln der Lochkarten konnten verschiedene Webmuster erzielt werden. Diese Idee wurde aber erst 1805 von Joseph-Marie Jacquard in Lyon zu einer ausgereiften Technik entwickelt. Solche Lochkartenketten bzw. Lochstreifen wurden später auch zum Antrieb von Spielorgeln und automatische Klavieren verwendet. Verbesserung des lochkartengesteuerten Webstuhls: 80 Jahre später, 1808, baute ein Landsmann von Falcon, Joseph-Marie Jacquard ( ), eine so entscheidende Verbesserung des automatischen Webstuhls, daß innerhalb eines Jahrzehnts mehr als dieser Jacquard-Maschinen in Betrieb waren. Zu den Stoffmustern lochte Jacquard die entsprechenden Lochmuster. Durch die Lochkartenlöcher fielen Drahthaken, die nun die Fäden griffen und den Arbeitsvorgängen zuleiteten. Lochkarten und zugeordnete Maschinen taten, was bislang von Menschenhand gewebt wurde. Entwicklung des 1. programmgesteuerten mechanischen Universalrechners: Charles Babbage ( in Teignmouth (Devonshire) in London), englischer Mathematiker und Professor in Cambridge arbeitete an der Entwicklung von Rechenmaschinen 1

2 zur automatischen Erstellung von Funktionstabellen und entwarf eine programmgesteuerte Rechenmaschine. Der zwanzigjährige Mathematiker Charles Babbage hatte 1812 mit seinem Freund, dem Astronomen John Herschel Berechnungen zu prüfen, die für die Astronomical Society gemacht wurden. Immer wieder entdeckten sie Fehler in den Berechnungen. "Ich wollte, es ginge mit Dampf!" stöhnte Babbage. Herschel antwortete lakonisch: "Das ist gut möglich". Diese unerwartete Antwort ließ Babbage nicht zur Ruhe kommen. Ihn verfolgte der Gedanke, wie man umfangreiche Berechnungen maschinell ausführen lassen könnte. Sein besonderes Augenmerk richtete Babbage auf die maschinelle Herstellung mathematischer Tafeln. Dabei machte er sich das Verfahren zunutze, das Prony bei einer solchen Aufgabe angewendet hatte. Er ließ die zu berechnenden Gleichungen von Mathematikern und geübten Rechnern derart zerlegen, daß hauptsächlich nur noch Additions- und Subtraktionsaufgaben übrig blieben, die dann von "Rechenknechten" gelöst wurden. Mit diesem Verfahren hatte Prony die zeitraubende Arbeit des "mechanischen" Rechnens von der eigentlichen Aufgabe herausgelöst. Auf diesem Prinzip konstruierte Babbage in 10 Jahren seine "Difference Engine", die für 2 Differenzen und 8 Dezimalstellen geplant war (1822). Zwei Arbeitsabläufe sollte diese Maschine automatisieren: 1. Das Berechnen und 2. das Drucken mathematischer Tabellen. Als Babbage die Konstruktion seiner Difference Engine veröffentlichte, zeichnete ihn die Astronomische Gesellschaft mit einer Goldmedaille aus. Durch den Erfolg dieser Maschine angespornt wollte Babbage eine größere, mit 7 Differenzen und 20 Dezimalstellen bauen. Er scheiterte jedoch an der damals nicht realisierbaren und notwendigen Genauigkeit der Mechanik. Diese Maschine wurde deshalb nie vollendet. (Ein funktionsfähiges Modell dieser Maschine wurde vom Science Museum in London 1992 zum 200. Geburtstag von Charles Babbage fertiggestellt.) Trotz diesen Rückschlags wollte Babbage eine leistungsfähigere Maschine bauen, die das menschliche Rechnen nachahmen sollte. Die "Analytical Engine" wies bereits den funktionellen Aufbau unserer heutigen Rechner auf: Speicherwerk, Steuerwerk und Ein-/Ausgabewerk. Es war das erste Konzept eines Universalrechners. Zur Verwirklichung der Analytical Engine richtete er, selbst vermögend, ein Konstruktionsbüro mit Werkstatt ein. Er bekam auch beträchtliche Förderung der ihm zunächst wohlgesonnen Regierung. Er arbeitete 20 Jahre, ohne überzeugende Ergebnisse vorweisen zu können. Die Regierung stellte die Förderung ein und seine Freunde zogen sich von ihm zurück. Obwohl er 1862 auf einer Ausstellung ein Modell seine Maschine vorführen konnte, war der Strom der Geldmittel verebbt. Babbage hat in die Geschichte der Rechenmaschinen die Programmsteuerung eingeführt. Die Lochkarten unterteilte er in 4 Gruppen: Daten Zahlenkarten Variablenkarten Befehle Übertragungskarten Operationskarten Der Grund für sein scheitern war, daß Babbage Perfektionist war. Er nahm sich zuviel auf einmal vor. Für die mechanische Ausführung verlangte er von den Handwerkern eine zu jener Zeit nicht erreichbare Präzision. Nicht zuletzt fehlte es seiner Umwelt an Verständnis für seine der Zeit so weit vorausgedachten Pläne. Die Maschine hatte ein Ausmaß von 6 x 6 x 3m. Er plante 1000 Speicherstellen für 50zig-stellige Zahlen als Speicherkapazität. Dafür wären Zif- 2

3 fernräder auf 1000 Achsen notwendig gewesen. Obwohl er die besten Mechaniker beschäftigte, konnte er zu Lebzeiten diese Maschine nicht vollenden. Sein Sohn vollendete 1910 eine vereinfachte Version, die heute in London im Science-Museum stehen. Die Programmierung dieser Maschine wurde von einer Mitarbeiterin, der Mathematikerin Lady Augusta Ada Countess of Lovelace, dietochter des bekannten Schriftstellers Lord Byron beschrieben. (Nach ihr wurde die Programmiersprache Ada benannt.) Weitere Differenzenmaschinen: Als Babbage sich schon mit seiner viel allgemeineren Analytical Engine beschäftigte, bauten Pehr Georg Scheutz ( ) und sein Sohn Edvard Raphael Scheutz ( ) nach einer in der Edinburgh Review publizierten Beschreibung der Differenzmaschine von Babbage. Scheutz war weder Mathematiker noch Techniker, sondern Drucker in Stockholm. Seine Maschine konnte 8stellig Zahlen unter Zuhilfenahme von 4 Differenzreihen verarbeiten und als Ausgabe Formen für den Schriftguß bilden zeigte Scheutz seine Maschine in London vor. Babbage schlug ihn damals, obwohl sich die beiden nicht kannten, für eine Medaille der Royal Society vor, die er aber nicht bekam bekam Scheutz eine Medaille auf der Pariser Weltausstellung. Ein Jahr später erwarb das Dudley- Observatorium (Albany, NY) für astronomische Berechnungen die Maschine für $5000. Sie steht jetzt in einer Privatsammlung in Chicago. Die britische Regierung ließ 1863 für die Herstellung von Sterbetafeln eine Kopie dieser Maschien anfertigen. Einführung der heutigen Lochkarte: Bei Falcon und Jacquard dient die Lochkarte der Steuerung eines Prozesses. Die Lochkarte als Träger von Daten, zunächst vor allem numerischen Daten, eingeführt zu haben, ist das Verdienst von Herman Hollerith ( ). Noch heute besitzen unsere Lochkarten das von ihm eingeführte Format, das des Ein-Dollar-Scheins. Jahrzehntelang waren sie als Hollerith-Karten bekannt. Hermann Hollerith, Sohn pfälzischer Eltern, die 1848 nach Amerika auswanderten, wurde 1860 in Buffalo geboren. Nach Absolvierung der Schule studierte er an der Bergakademie der Universität Columbia, wo er mit 19 Jahren seine Diplomprüfung ablegte war er bei der amerikanischen Volkszählung tätig. Im wesentlichen beschäftigte er sich jedoch mit Industriestatistik. Er war Lehrer für technische Mechanik am Institut für Technologie in Massachusetts, Konstrukteur von elektromagnetischen Bremsen im Eisenbahnwesen und arbeitete am Patentamt in Washington. Neben diesen Tätigkeiten baute er seine Rechenmaschine. Er verwendete zum Lesen der Lochkarten metallische Fühlstifte. Immer wenn ein Loch in der Karte ertastet wurde, wurde ein elektrischer Schalter geschlossen. Diese erste Hollerith-Maschine war so gut, daß das Statistische Bundesamt der USA die 11. Volkszählung im Jahre 1890 damit auswertete. Mit Hilfe dieser Maschine konnten die Daten in 1/6 der seither gebrauchten Zeit ausgewertet werden. Für die nordamerikanische Volkszählung im Jahre 1910 verbesserte James Powers die Lochkarteneinrichtungen wesentlich. Seit 1915 arbeitete Frederik Bull an der Verbesserung von elektromechanischen Lochkartenmaschinen. Realisierung des ersten programmierbaren Rechners: 1932 begann Konrad Zuse die Entwicklung eines programmgesteuerten, mechanischen Rechners als Sohn eines Beamten in Berlin geboren, immatrikulierte er sich nach seinem Gymnasium-Abschluß 1928 an der TH Berlin für das Fach Maschinenbau. Später wechselte er zum Bauingenieur. Die umständlichen 3

4 und oft geisttötenden Rechenverfahren veranlaßten ihn, eine Rechenmaschine zu konstruieren. 99 Jahre nachdem Charles Babbage seine Pläne für die Analytical Engine ausgearbeitet hatte, begann im Alter von 22 Jahren Konrad Zuse im Jahre 1932 mit der Entwicklung eines programmgesteuerten Rechners. Zwei seiner grundlegenden Prinzipien sind für die moderne Rechentechnik verbindlich geblieben: 1. Die Programmsteuerung und 2. das Dual-Prinzip. In der elterlichen Wohnung, von Freunden unterstützt, baut er die Z 1. Wie die Analytical Engine von Babbage funktionierte sie rein mechanisch. Da die rein mechanische Übertragung von Signalen zu langsam war, verwendete Zuse im Z 2 Relais als Schaltglieder. Weitere programmgesteuerte Rechner: Die Deutsche Hollerith-Gesellschaft brachte eine programmgesteuerte Tabelliermaschien auf den Markt: Eine Tabelliermaschine, die über eine Stecktafel kurze Rechenprogramme zu steuern vermag. In Frankreich beschrieb Louis Couffignal im Jahre 1936 eine ähnliche Rechenmaschine, wie Zuse sie mit seiner Z gebaut hat. Louis Couffignal arbeitete wie Zuse an einer programmgesteuerten Maschine mit dualer Zahlendarstellung. In Amerika entwickelte John Vincent Atanasoff (*1903) in den Jahren einen ersten elektronischen Computer, von dem erste Prototypen gebaut wurden. Allerdings wurde die Entwicklung dann nicht konsequent weitergeführt. Erster einwandfrei funktionierender Digitalrechner mit Relais: Im Auftrag der deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt baute Zuse 1941 seine Z 3, die in allen Teilen einwandfrei arbeitete und die erste im technischen Einsatz funktionierende programmgesteuerte Rechner der Welt ist. Er basiert auf der Dualdarstellung der Zahlen und arbeitet mit 2600 Relais. Um 1937 begann G. Stibitz in den Laboratorien von Bell Telephone mit der Entwicklung von Relais-Rechnern wurde der erste Programmrechner von Bell Telephone fertig, der Relais Interpolator mit 500 Relais. Der "Ballistic Computer" verfügte ein Jahr später schon über 1300 Relais. Das größte Rechner-Modell dieser Entwicklungsreihe war das Bell-Modell V mit 9000 Relais. 1937, als Stibitz mit seiner Arbeit für Bell begann, wandte sich Howard Aiken, Professor in Harvard, an die Firma IBM. Er schlug vor, mit den Mitteln der Lochkartengeräte einen programmierbaren Rechner zu bauen. Aus dieser Zusammenarbeit entstand der Rechner Mark I, auch "Automatic Sequence Controlled Calculator" genannt. Der Mark I ist wesentlich umfangreicher als der Z 3 von Zuse und die Modelle von Bell. Er enthält mehr Relais, und einen mechanischen Speicher, in dem jede Stelle einer Zahl durch ein Zählrad mit 10 Positionen realisiert wurde kam das Nachfolgemodell von Mark I, der Mark II, auf den Markt. Dieser Rechner besaß bereits Relais und einen Magnettrommelspeicher. Speicherprogrammierung: Mit dem Umbruch von Relais- auf Röhrenrechner schaltete sich der bekannte Mathematiker John von Neumann in die Computer-Entwicklung ein. Von Neumanns Gedanke war: Wenn man mit Befehlen, wie mit Daten umgehen kann, kann ein Programm während seines Laufs sich selbst modifizieren. Aufgrund von bedingten Sprungbefehlen 4

5 wählt der Rechner verschiedene Programmteile, die durchlaufen werden. Mit diesem Schritt begann eine neue Periode der Rechnergeschichte. Mit der internen Speicherung der Programme konnte die Rechnergeschwindigkeit weiter erhöht werden. Rechner ENIAC mit Elektronenröhren: Obwohl sich die Anlagen von Zuse, Couffignal, Stibitz und Aiken in der Ausführung wesentlich unterschieden, hatte sie alle eines gemeinsam: Jeder Rechner besaß Rechenwerk, Dateneingabe, Datenspeicher, Porgrammeingabe, Steuerwerk und Datenausgabe. Alle Rechner waren Relais-Rechner. Einen wesentlichen Fortschritt in der Verarbeitungsgeschwindigkeit brachte der Einsatz von Röhren, anstelle von Relais. Dadurch wurde, bei generell gleicher Struktur der Rechner, die Geschwindigkeit um das fache gesteigert. Eckert, Mauchly und Goldstine, von der Moor School of Electrical Engineering der Pennsylvania University, bauten mit ENIAC den ersten Elektronenrechner. In den Jahren 1943 bis 1946 fertiggestellt war ENIAC mit Röhren bestückt. Erster Transistorrechner: Der 1948 erfundene Transistor konnte 1958 als neues Schaltelement zur seriellen Herstellung von transistorisierten Rechenanlagen, beispielsweise im Typ Siemens 2002, verwendet werden. Erster Rechner mit Mikroschaltkreisen: 1965 werden die intigrierte Schaltungen (IC Intigreated Circuit) eingeführt. Die integrierten Schaltungen bringen die miniaturisierte Herstellung und Zusammenfassung mehrerer Transistoren in einem gemeinsamen Gehäuse. Sie werden beim Aufbau großer und schneller Rechner verwendet. Speichermedien für den Arbeitsspeicher blieben überwiegend die Magnetkernspeicher. Rechnerinterne Schnellspeicher werden zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Zentraleinheiten eingeführt. Weiterführende Literatur: 1. Müller, J. H.: Beschreibung seiner neu erfundenen Rechenmaschine, nach ihrer Gestalt, ihrem Gebrauch und Nutzen. Frankfurt: Varrentrapp, Lindgren, Michael: Glory and Failure. The Difference Engines of Johann Müller, Charles Babbage and Georg and Edvard Scheutz. Linköping: Linköping Universitity, Department of Technology and Social Change - Tema T, ISBN Morrison, Philip; Morrison, Emily (ed.): Charles Babbage. On the Principles and Development of the Calculator, and Other Seminal Writings by Charles Babbage and Others. New York: Dover Publication, ISBN Hyman, Anthony: Charles Babbage: ; Philosoph, Mathematiker, Computerpionier (Aus d. Engl. übers. von Ulrich Enderwitz). Stuttgart: Klett-Cotta,

6 ISBN Donelly, James: A Modern Difference Engine. Software Simulator for Charles Babbage's Difference Engine No. 2. Corvallis, OR: Armstrong Pubkishing, ISBN Mollenhoff, Clark R.: Atanasoff: forgotten father of the computer. Ames, Iowa: Iowa State University Press, ISBN