{"id":21089,"date":"2025-01-13T11:00:07","date_gmt":"2025-01-13T10:00:07","guid":{"rendered":"https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/?p=21089"},"modified":"2025-01-21T09:01:38","modified_gmt":"2025-01-21T08:01:38","slug":"die-anfaenge-der-computertechnik-teil-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/2025\/01\/13\/die-anfaenge-der-computertechnik-teil-2\/","title":{"rendered":"Die Anf\u00e4nge der Computertechnik &#8211; Teil 2"},"content":{"rendered":"<div class=\"twoclick_social_bookmarks_post_21089 social_share_privacy clearfix 1.6.4 locale-de_DE sprite-de_DE\"><\/div><div class=\"twoclick-js\"><script type=\"text\/javascript\">\/* <![CDATA[ *\/\njQuery(document).ready(function($){if($('.twoclick_social_bookmarks_post_21089')){$('.twoclick_social_bookmarks_post_21089').socialSharePrivacy({\"txt_help\":\"Wenn Sie diese Felder durch einen Klick aktivieren, werden Informationen an Facebook, Twitter, Flattr, Xing, t3n, LinkedIn, Pinterest oder Google eventuell ins Ausland \\u00fcbertragen und unter Umst\\u00e4nden auch dort gespeichert. 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Nun wollen wir uns die einzelnen Komponenten der Z3, die als erster voll programmierbarer Computer der Welt gilt, genauer ansehen und herausfinden, welche ihrer Konzepte in der modernen Computertechnik immer noch benutzt werden. Insbesondere geht es in diesem Beitrag um die Architektur der Z3.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p><!--more--><\/p>\n<h3><span style=\"color: #00549f;\">Steuer-\/Rechenwerk<\/span><\/h3>\n<p>Die Z3 von Konrad Zuse bestand aus zwei zentralen Komponenten: dem Steuerwerk und dem Rechenwerk. Beide Bauteile erf\u00fcllten essenzielle Funktionen, die in modernen Computern typischerweise in der CPU kombiniert sind.<br \/>\nDas Steuerwerk war verantwortlich f\u00fcr die Interpretation der Befehle, die Koordination der verschiedenen Teile der Maschine sowie das Management des Datenflusses zwischen Speicher und Rechenwerk. Auch interpretierte es die Eingaben der mechanischen Tastatur und des Lochstreifenlesers.<\/p>\n<div id=\"attachment_21095\" style=\"width: 310px\" class=\"wp-caption alignright\"><a href=\"https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/files\/2025\/01\/zuse_archive_z3_recon_processor_front.jpg\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" aria-describedby=\"caption-attachment-21095\" class=\"size-medium wp-image-21095\" src=\"https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/files\/2025\/01\/zuse_archive_z3_recon_processor_front-300x170.jpg\" alt=\"Bild des nachgebauten Rechenwerks der Z3\" width=\"300\" height=\"170\" srcset=\"https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/files\/2025\/01\/zuse_archive_z3_recon_processor_front-300x170.jpg 300w, https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/files\/2025\/01\/zuse_archive_z3_recon_processor_front-1024x581.jpg 1024w, https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/files\/2025\/01\/zuse_archive_z3_recon_processor_front-768x436.jpg 768w, https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/files\/2025\/01\/zuse_archive_z3_recon_processor_front.jpg 1320w\" sizes=\"auto, (max-width: 300px) 100vw, 300px\" \/><\/a><p id=\"caption-attachment-21095\" class=\"wp-caption-text\">Quelle: <a href=\"http:\/\/zuse.zib.de\/collection\/J04cSsYDG6YXhBnW\/item\/wIfqK23mk8ucO5Tr\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">Konrad Zuse Internet Archive<\/a><\/p><\/div>\n<p>Das Rechenwerk hingegen war f\u00fcr die Durchf\u00fchrung grundlegender arithmetischer Operationen verantwortlich. Es f\u00fchrte Addition und Subtraktion direkt aus, w\u00e4hrend Multiplikation und Division durch wiederholte Addition beziehungsweise Subtraktion realisiert wurden. Zudem erm\u00f6glichte das Rechenwerk auch das Ziehen von Quadratwurzeln mithilfe des Heron-Verfahrens, einem iterativen Verfahren, welches sich schrittweise der Quadratwurzel einer gegebenen Zahl ann\u00e4hert und somit eine effiziente Berechnung erm\u00f6glicht.<\/p>\n<p>Die Zahlen wurden in der wissenschaftlichen Schreibweise des Dezimalsystems eingegeben und dann vom Rechenwerk automatisch umgewandelt. W\u00e4hrend viele der fr\u00fchen Computer intern mit einem Festkommasystem arbeiteten, zeichnete sich die Z3 durch die Verwendung einer normalisierten Gleitkommadarstellung im Bin\u00e4rsystem aus. Diese Darstellung \u00e4hnelt der heute genutzten wissenschaftlichen Schreibweise, jedoch in bin\u00e4rer Form und erm\u00f6glichte sowohl einen erweiterten Zahlenbereich als auch eine pr\u00e4zisere Wertedarstellung. Die kleinste speicherbare Zahl betrug 1,08 \u00d7 10^-19, w\u00e4hrend die gr\u00f6\u00dfte 9,2 \u00d7 10^18 war; kleinere oder gr\u00f6\u00dfere Zahlen f\u00fchrten zu -\u221e beziehungsweise +\u221e.<\/p>\n<p>\u00c4hnlich wie moderne CPUs verf\u00fcgte die Z3 bereits \u00fcber sogenannte Register \u2013 kleine Speicher innerhalb des Rechenwerks beziehungsweise der CPU. In diesen werden Zwischenergebnisse w\u00e4hrend der Berechnungen gespeichert. Durch die k\u00fcrzere Zugriffszeit auf diese Register k\u00f6nnen Rechnungen erheblich beschleunigt werden, da h\u00e4ufig benutzte Werte nicht aus dem deutlich langsameren Massenspeicher oder Arbeitsspeicher geladen werden m\u00fcssen.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h3><span style=\"color: #00549f;\">Massenspeicher<\/span><\/h3>\n<div id=\"attachment_21096\" style=\"width: 222px\" class=\"wp-caption alignright\"><a href=\"https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/files\/2025\/01\/zuse_archive_z3_recon_memory_front.jpg\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" aria-describedby=\"caption-attachment-21096\" class=\"size-medium wp-image-21096\" src=\"https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/files\/2025\/01\/zuse_archive_z3_recon_memory_front-212x300.jpg\" alt=\"Bild des nachgebauten Speichers der Z3\" width=\"212\" height=\"300\" srcset=\"https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/files\/2025\/01\/zuse_archive_z3_recon_memory_front-212x300.jpg 212w, https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/files\/2025\/01\/zuse_archive_z3_recon_memory_front-724x1024.jpg 724w, https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/files\/2025\/01\/zuse_archive_z3_recon_memory_front-768x1086.jpg 768w, https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/files\/2025\/01\/zuse_archive_z3_recon_memory_front.jpg 1026w\" sizes=\"auto, (max-width: 212px) 100vw, 212px\" \/><\/a><p id=\"caption-attachment-21096\" class=\"wp-caption-text\">Quelle: <a href=\"http:\/\/zuse.zib.de\/collection\/J04cSsYDG6YXhBnW\/item\/1csb2aGqBN7XSF8\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">Konrad Zuse Internet Archive<\/a><\/p><\/div>\n<p>Auch wenn die Z3 nur einen Speicher hatte und keinen getrennten Massenspeicher und Arbeitsspeicher wie moderne Computer, war das Prinzip doch \u00e4hnlich: Daten werden bitweise gespeichert. Dies wurde durch Relais realisiert, wie bereits in <a href=\"https:\/\/blog.rwth-aachen.de\/itc\/2024\/12\/20\/die-anfaenge-der-computertechnik\/\">Teil 1<\/a> dieser Blogreihe erl\u00e4utert. So konnten die Bits durch Ansteuerung der jeweiligen Relais relativ einfach ge\u00e4ndert und infolgedessen Daten gespeichert, gelesen und modifiziert werden.<\/p>\n<p>Anhand der Speicherkapazit\u00e4t l\u00e4sst sich der Fortschritt der Technik erkennen: Die Z3 konnte 64 Zahlen mit jeweils 22 Bit speichern, was einer maximalen Speicherkapazit\u00e4t von 176 Byte entspricht. Im Gegensatz zu modernen Systemen konnte dieser Speicher jedoch nicht dynamisch in seiner Blockgr\u00f6\u00dfe angepasst werden. Zum Vergleich: Ein g\u00e4ngiges Solid-State-Laufwerk (SSD) hat heutzutage eine Kapazit\u00e4t von mindestens 1 Terabyte \u2013 also 1 Billion Byte.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h3><span style=\"color: #00549f;\">Taktrate<\/span><\/h3>\n<p>Die Z3 war, \u00e4hnlich wie moderne CPUs, taktbasiert. Jeder ihrer Zyklen war in 5 Phasen unterteilt. In der ersten Phase wurden die Befehle von den Lochstreifen gelesen, in Phase zwei und drei fanden die Rechenoperationen statt und in den Phasen vier und f\u00fcnf wurde das Argument f\u00fcr die n\u00e4chste Operation vorbereitet oder das Ergebnis zur\u00fcckgeschrieben.<\/p>\n<p>Die m\u00f6glichen Befehle und deren Laufzeiten waren:<\/p>\n<ul>\n<li>Addition: 3 Zyklen<\/li>\n<li>Subtraktion: 4 oder 5 Zyklen, je nach Ergebnis<\/li>\n<li>Multiplikation 16 Zyklen<\/li>\n<li>Division: 18 Zyklen<\/li>\n<li>Quadratwurzel: 20 Zyklen<\/li>\n<li>Tastatureingabe lesen: 9 \u2013 41 Zyklen, je nach Exponent<\/li>\n<li>Displayausgabe: 9 \u2013 41 Zyklen, je nach Exponent<\/li>\n<li>Vom Speicher lesen: 1 Zyklus<\/li>\n<li>In Speicher schreiben: 0 oder 1 Zyklus<\/li>\n<\/ul>\n<p>Da laut Konrad Zuse eine Multiplikation drei Sekunden dauerte, k\u00f6nnen wir die Taktrate auf ca. 5,33 Hertz sch\u00e4tzen.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p>W\u00e4hrend andere fr\u00fche Computer \u00e4hnliche Komponenten aufwiesen, zeichnete sich die Z3 durch ihre klare Trennung zwischen Steuer- und Rechenwerk, sowie dem Massenspeicher aus. Zudem f\u00fchrte die Z3 eine normalisierte Gleitkommadarstellung im Bin\u00e4rsystem ein, was sie von anderen Systemen unterschied. Ihr Massenspeicher nutzte Relais zur bitweisen Speicherung von Daten und erlaubte so eine flexiblere Handhabung von Informationen.<\/p>\n<p>In unserem n\u00e4chsten Blogbeitrag werden wir uns eingehender mit der Programmierbarkeit der Z3 befassen und untersuchen, wie Eingaben verarbeitet wurden sowie welche Herausforderungen dabei entstanden.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<hr \/>\n<p>Verantwortlich f\u00fcr die Inhalte dieses Beitrags ist <a href=\"https:\/\/www.itc.rwth-aachen.de\/cms\/it-center\/it-center\/profil\/team\/~epvp\/mitarbeiter-campus-\/?gguid=PER-7VY9QG9&amp;allou=1\">Marc Weerts<\/a>.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>In unserem letzten Beitrag \u00fcber die Anf\u00e4nge der Computertechnik,\u00a0haben wir bereits einen Blick auf die ersten Rechenmaschinen von Konrad Zuse geworfen. 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