09.02.2006

Kein Titel
1/5
Grundlagen der Informations- und
Kommunikationstechnologie
(15. Vorlesung, letzte Änderung: 8.02.2006)
Aufbau und Arbeitsweise eines Rechners
Der Computer ist die logische Weiterentwicklung des Menschen: Intelligenz ohne Moral.
John Osborne
Eine Maschine kann die Arbeit von fünfzig gewöhnlichen Menschen leisten, aber sie kann nicht einen
einzigen außergewöhnlichen ersetzen.
Elbert Hubbard
Einige Bemerkungen zur Geschichte der Rechentechnik
Der Tübinger Professor der Astronomie und biblischer Sprachen, Wilhelm SCHICKARD
(1592-1635), ein Freund KEPLERS, entwickelte 1623 die erste
Vierspeziesrechenmaschine(+,-,*,/). Es existiert keine von ihm gebaute Maschine mehr, falls
überhaupt eine von ihm gebaut wurde. Die Konstruktionsbeschreibung der Maschine ist in
einem Brief an KEPLER enthalten. Ein funktionierender Nachbau ist im Deutschen Museum in
München zu besichtigen. Auf einer deutschen Briefmarke aus dem Jahre 1973 ist sie abgebildet.
Der französische Mathematiker und Theologe Blaise PASCAL (1623-1662) baute mit 19 Jahren
eine Addiermaschine für 6-stellige Zahlen. Eine von PASCAL bebaute Maschine finden wir im
Mathematisch-physikalischen Salon im Dresdener Zwinger.
v15.htm
09.02.2006 / 00:41
Kein Titel
2/5
Der deutsche Philosoph und Mathematiker Gottfried Wilhelm LEIBNIZ (1646-1716), ein
universelles Genie seiner Zeit, baute ebenfalls Rechenmaschinen, die die 4 Grundrechenarten
beherrschten. Er führte dabei das Prinzip der Staffelwalze ein. Trotz imensen Einsatzes von Zeit
und Geld ist ihm ein Durchbruch auf dem Gebiet der Rechentechnik allerdings nicht gelungen.
1702 beschäftigte er sich als erster intensiv mit dem binären Zahlensystem, es zählt noch heute
zu den Grundlagen der modernen Datenverarbeitung. Rund 400 Jahre nach LULLUS hat
LEIBNIZ die "Lullus´sche Kunst" in seinem Entwurf zu einer "Allumfassenden Wissenschaft"
aufgegriffen, neu formuliert und vertieft. Er hatte die Vorstellung, daß sich Manipulationen und
Beurteilungen von Argumenten in gleicher Weise einem logischen Vorgang unterwerfen ließen
wie etwa das Multiplizieren mehrstelliger Zahlen:
"Sind sich zwei Parteien uneinig, sollte man ohne Umschweife sagen können: rechnen wir, um
zu sehen wer recht hat."
Zur serienmäßigen Herstellung von mechanischen Vierspeziesrechenmaschinen kam es erst
Ende des 18. Jahrhunderts. Ein Hersteller war der deutsche Pfarrer HAHN (1735-1790).
Ein neues Zeichen in der Entwicklung der Rechentechnik und Datenverarbeitung setzte Charles
BABBAGE (1792-1871) mit der Konzeption der programmgesteuerten Rechenmaschine. Der
zwanzigjährige BABBAGE hatte 1812 mit seinem Freund HERSCHEL - Astronom und Sohn
eines Astronomen - Rechnungen zu prüfen, die für die Astronomical Society gemacht worden
waren. Immer wieder wurden von ihnen Fehler entdeckt. "Ich wollte es ginge mit Dampf!" soll
BABBAGE gestöhnt haben. HERSCHEL soll geantwortet haben: "Das ist gut möglich!". Diese
so selbstverständlich gegebene Antwort ließ BABBAGE nicht mehr zur Ruhe kommen. So kam
er auf die Idee, zwei zu diesem Zeitpunkt bekannte Einrichtungen zusammenzuführen. Dies
waren die Vierspeziesrechenmaschine und der Steuermechanismus automatischer Webstühle
mit Hilfe von Lochkarten, der von Joseph-Marie JACQUARD (1752-1834) im Jahre 1808
entwickelt wurde.
In einem Gedicht über BABBAGE zitiert Hans Magnus ENZENSBERGER einen Ausspruch
von Augusta ADA BYRON, Lady Lovelace, einer Mitarbeiterin von BABBAGE:
"Er webt auf seiner Maschine algebraische Muster,
so wie der Stuhl von Jacquard Blüten und Blätter webt."
BABBAGE hat seine Maschine nicht zu Ende bauen können. Die Zeit war noch nicht reif dafür,
die reine Mechanik wurde zu teuer. Der fertiggestellte Teil seiner imposanten Maschine kann
heute im British Museum of Science in Kensington (Stadtteil von London) besichtigt werden.
Als BABBAGE 1871 als verkanntes Genie starb, hinterließ er uns neben seiner
"Unvollendeten" die im Groben noch heute gültige Grundidee vom Aufbau eines modernen
Rechners, der besteht aus:
einem Speicher (store, für 1000 Zahlen mit 50 Stellen)
einem Rechenwerk (mill)
einem Steuerwerk (control)
einer Eingabe- und Ausgabeeinheit (input/output)
v15.htm
09.02.2006 / 00:41
Kein Titel
3/5
In unserem Jahrhundert hat der deutsche Bauingenieur Konrad ZUSE im Jahre 1935 die Ideen
von BABBAGE aufgegriffen. Die Zeit dazwischen war gekennzeichnet durch die
Vervollkommnung der Lochkartentechnik. U.a. stehen dafür die Namen Hermann
HOLLERITH (1860-1929) und Frederik BULL. HOLLERITH benutzte die Lochkartentechnik
zur Auswertung der 11. amerikanischen Volkszählung 1890 und die Firma BULL stellte 1920
die ersten hochwertigen Büro-Lochkartenmaschinen her.
Ab 1940 kam es dann zu einer rasanten Entwicklung der Rechentechnik, die durch die
Entwicklung neuer Schaltelemente, die 2 Zustände annehmen konnten, gekennzeichnet war:
Ralais
Elektronenröhre
Transistor
Integrierte Schaltkreise auf einem Chip
und diese Entwicklung hält bis heute an.
1965 sagte Gordon Moore, ein Mitbegründer der Chipfirma Intel, in einem wissenschaftlichen
Artikel eine Entwicklung voraus, die man heute nach ihm Mooresches Gesetz nennt:
Die Anzahl der Transistoren auf einem Chip wird sich jährlich verdoppeln.
Später musste er sie etwas auf eine Verdopplung innerhalb von 18-24 Monaten korrigieren.
Die Abbildung zeigt die Integration der Transitoren bei den Intel-Chips seit 1971
(von intel.com kopiert)
Die Fläche für die Transistoren ist übrigens in der Zwischenzeit nicht erheblich größer
geworden.
v15.htm
09.02.2006 / 00:41
Kein Titel
4/5
Schematischer Aufbau eines Rechners, Vergleich mit einer menschlichen Datenverarbeitung
v15.htm
09.02.2006 / 00:41
Kein Titel
5/5
Speicher und Speicherzugriffshierarchie
Im Rechner finden wir verschiedene Speicher:
Register im Prozessor (in der CPU)
CPU Cachespeicher (noch in L1- und L2-Cache geteilt)
Arbeitsspeicher (RAM - random access memory)
Cachespeicher bei Festplatten oder CD-ROM-Laufwerken
Festplatten-, Disketten-, USB-, CD-ROM-Speicher (externe Speicher)
Bewertungskriterien für Speicher
Zugriffszeit
Lesegeschwindigkeit
Schreibgeschwindigkeit
Kosten
Haltbarkeit der gespeicherten Daten
Ergonomie
v15.htm
09.02.2006 / 00:41