Technische Informatik
Historisches
Thorsten Thormählen
17. Oktober 2023
Teil 1, Kapitel 2
Technische Informatik
Abakus
Bildquelle: Abakus, Flickr user: zakulaan, Creative Commons License
- Ein Abakus ist ein mechanisches Gerät, welches das Zählen vereinfacht und bei einfachen Berechnungen als Gedächtnisstütze dient
- Er besteht aus einem Rahmen und mehreren Stäben auf denen Steine oder Kugeln beweglich aufgereiht sind
- Er wird seit Jahrtausenden, u.a. beim Handeln auf den Märkten eingesetzt
- Jeder Stab repräsentiert eine Ziffer von 0 bis 9
- Die Kugeln unterhalb des Trennbalken zählen 1-fach und die Kugel oberhalb 5-fach
- Kugeln werden gezählt, wenn sie gegen den Trennbalken geschoben sind
Bildquelle: Abacus, Flickr user: Whity, Creative Commons License, modifiziert
- Beispiel: 1823 + 2333 = ???
- Schritt 1: Eingabe von 1823 (siehe Bild)
- Schritt 2: Addition von 2333
- Vorgegangen wird von links nach rechts, nacheinander für jede Ziffer
- Addition durch einfaches Hinzufügen von Kugeln
- Sind keine passenden Kugeln vorhanden, kann das 5-er oder 10-er Komplement verwendet werden, beispielsweise:
- 5er-Komplement von 3 ist (5-3)=2, d.h. anstatt 3 Kugeln hinzuzufügen, eine Kugel vom Himmel hinzufügen und zwei von der Erde wegnehmen
- 10er-Komplement von 3 ist (10-3)=7, eine Kugel von der nächst höheren Ziffer hinzufügen und insgesamt sieben Zähler von Erde und Himmel wegnehmen
John Napier (1550 - 1617)
- Im Jahre 1617 beschrieb der schottischer Mathematiker John Napier eine Rechenhilfe, mit der eine Multiplikation (bzw. Division) in eine Addition (bzw. Subtraktion) überführt werden kann
- Dazu wird das Einmaleins auf Stäbchen notiert
- Die Stäbchen werden auf einem Brett platziert, so dass in der obersten Zeile die zu multiplizierende Zahl steht.
- In den darunter liegenden Zeilen kann die Multiplikation der gelegten Zahl mit den Faktoren 2 bis 9 abgelesen werden
- Das Ablesen erfolgt von rechts nach links durch Summation der Zahlen innerhalb der entstehenden Parallelogramme
- Bei der Summation ist ein eventueller Übertrag zu berücksichtigen
Bildquelle: John Napier, , public domain
Beispiel:
Originalzeichnung der "Rechenuhr"
- Wilhelm Schickard (1592-1635), Professor in Tübingen, baute im Jahr 1623 eine erste zahnradgetriebene Rechenmaschine
- Er schreibt am 20. September 1623 an Johannes Kepler:
"Dasselbe, was Du auf rechnerischem Weg gemacht hast, habe ich kürzlich mechanisch versucht und eine aus 11 vollständigen und 6 verstümmelten Rädchen bestehende Maschine gebaut, welche gegebene Zahlen im Augenblick automatisch zusammenrechnet: addiert, subtrahiert, multipliziert und dividiert.
Du würdest hell auflachen, wenn Du da wärest und sehen könntest, wie sie, so oft es über einen Zehner oder Hunderter weggeht, die Stellen zur Linken ganz von selbst erhöht oder ihnen beim Subtrahieren etwas wegnimmt."
Bildquelle: Originalzeichnung von Wilhelm Schickard, public domain
Rechenuhr von Schickard (Replika aus dem Jahre 1957)
Bildquelle: Wilhelm Schickard machine replica, Flickr user: Daniel Sancho, Creative Commons License
Teil der Difference Engine No. 1
- "What are you dreaming about? - I am thinking that all these tables of logarithms might be calculated by machinery."
- Beginnend im Jahre 1822 arbeitete der englische Mathematikprofessor C. Babbage an einer mechanischen Rechenmaschine zur Berechnung von Polynomen mit Newtons Differenzmethode
- Die Maschine wurde leider nie von ihm fertig gestellt (trotz großer finanzieller Förderung durch die Britische Regierung bis ins Jahr 1842)
- Die Motivation war, dass die damals verwendeten Tabellenwerke häufig fehlerhaft waren, da sie manuell in eintöniger Rechenarbeit erstellt wurden
- Um Kopierfehler beim Übertragen der Ergebnisse zu vermeiden, hatte Babbage in einer zweiten Version "Difference Engine No. 2" sogar einen Drucker vorgesehen
Quelle: Harper's new monthly magazine. / Volume 30, Issue 175, p.34, public domain
- Für die "Difference Engine No. 2" wurde im Jahr 1849 von Charles Babbage nur eine Konstruktionszeichnung angefertigt
- Erst 1991 wurde sie am Science Museum in London gebaut (etwa fünf Tonnen schwer)
Bildquelle: Let the computing begin!, Flickr user: Jitze Couperus, Creative Commons License
Charles Babbage
- Neben seinen Arbeiten an der Difference Engine hat Charles Babbage 1842 ebenfalls eine universell einsetzbare mechanische "Analytic Engine" beschrieben
- Diese besaß bereits viele Komponenten eines heutigen Universalrechners (inkl. Trennung von Speicher und Rechenwerk, Schleifen, bedingte Sprünge, etc.)
- Er war damit seine Zeit weit voraus
- Aufgrund der unvorhersehbaren Kosten wollte die Britische Regierung den Bau jedoch nicht finanzieren
Bildquelle: The Late Mr. Babbage, The Illustrated London News, 4 November 1871, public domain
- Durch den Einsatz elektromechanischer Relais können Rechner viel leichter konstruiert werden, als mit reiner Mechanik
- Der deutsche Computer-Pionier Konrad Zuse baute 1941 aus 2200 Relais einen voll funktionsfähigen Rechner
- Ein Relais ist ein elektrisch gesteuerter Ein-/Aus-Schalter
- Kein Strom durch Spule = Anker nicht angezogen = Arbeitskontakt offen
- Strom durch Spule = Anker wird durch Magnetfeld angezogen = Arbeitskontakt geschlossen
- Es gibt nur zwei Zustände für jeden Schalter: Ein/Aus (bzw. 1/0)
- Bis heute verwenden Computer das Binärsystem
Bildquelle: Schematische Darstellung eines Relais, public domain
Die Z1 im Wohnzimmer der Eltern
Zuse mit Z3-Nachbau
- Basierend auf seinen Erfahrungen mit der mechanisch arbeitenden Z1 (1935 bis 1938), baut Konrad Zuse 1939 ein Versuchsmodell eines Relais-basierten Computers: die Z2
- In 1941 baute er die Z3, der erste Relais-basierte funktionstüchtige Rechner mit einer Taktrate von 5,3 Hertz
- Die Relaistechnik wurde zu diesem Zeitpunkt schon länger in der Telekommunikation eingesetzt
- Die Z3 besaß einen Speicher (1600 Relais) sowie Steuer- und Rechenwerk (600 Relais)
- Es gab 9 Befehle: Eingabe, Ausgabe, Speicher lesen, Speicher schreiben, Multiplizieren, Dividieren, Wurzelziehen, Addieren, Subtrahieren. Die Befehle konnten direkt über ein Bedienfeld mit Tastatur und numerischer Anzeige oder programmatisch mittels Lochstreifen übergeben werden
- Vorführung der Z3 im Deutschen Museum
Bildquelle: Deutsches Museum, Frei zur Veröffentlichung nur mit diesem Vermerk
Bildquelle: Harvard Mark I, public domain
- Die Harvard Mark I war ein Relais-basierter Rechner, der vom Harvard Professor Howard H. Aiken entworfen wurde
- Aiken begann 1939 mit der Arbeit an dem "Automatic Sequence Controlled Calculator", der 1944 mit Unterstützung von IBM fertiggestellt wurde und den Namen "Harvard Mark I" erhielt
- Die Befehle konnten programmatisch mittels Lochstreifen übergeben werden
- Der Rechner hatte eine Länge von 15,5 Metern und war fast 5 Tonnen schwer
- IBM hatte aufgrund ihrer Buchungs- und Tabelliermaschinen bereits viel Erfahrungen mit der Relaistechnik und Lochkartengeräten
- Aiken entwarf seinen Rechner zeitgleich mit Zuse und kannte dessen Arbeiten aufgrund des fehlenden Informatiksaustausches während des zweiten Weltkrieges nicht
- Im Gegensatz zu Zuse verwendete Aiken Dezimalarithmetik
Bildquelle: Harvard Mark I Computer by Rocky Acosta, Creative Commons License
- Elektronenröhren können ebenfalls als Schalter verwendet werden (Triode). Sie erreichen ca. 1000 bis 2000-mal schnellere Schaltzeiten als die besten Relais.
- Im Vakuum treten aus der geheizten Kathode Elektronen aus und werden von der starken positiven Ladung der Anode angezogen
- Keine Spannung an Streugitter = Strom fließt
- Negative Spannung an Streugitter = kein Strom fließt
- Damit gibt es (genau wie beim Relais) wieder zwei Zustände: Ein/Aus (bzw. 1/0)
"Electronic Numerical Integrator and Computer" (ENIAC)
Bildquelle: Eniac, U.S. Army Photo, public domain
- ENIAC wurde ab 1942 von John W. Mauchly und Persper Eckert an der Moore School of Electrical Engineering, University of Pennsylvania, entwickelt, und 1946 öffentlich vorgestellt.
- Sie benötigte einen ganzen Raum, wog ca. 30 Tonnen und bestand aus 17.468 Elektonenröhren, 7.200 Dioden, 1.500 Relais, 70.000 Widerständen und 10.000 Kondensatoren
-
Durch die Elektronenröhren war die ENIAC schneller (ca. 1000 Hz) als Relais-basierte Computer, hatte jedoch
folgende Nachteile:
- sehr hoher Stromverbrauchs (174.000 Watt)
- die Röhren gingen schnell kaputt (Lebensdauer ca. 2 Jahre; d.h. im Durchschnitt war jede Stunde eine Röhre defekt). Durch Modulbauweise war es möglich, schnell ganze Module auszutauschen.
- Die Programmierung erfolgte durch neue Verkabelung, daher war die ENIAC nicht sehr flexibel. Hauptaufgabe war die Berechnung ballistischer Tabellen für die U.S. Army
Bildquelle: Eniac, U.S. Army Photos, public domain
- Eckert und Mauchly gründeten die "Eckert-Mauchly Computer Corporation", um ihre Erfindung zu kommerzialisieren
- Nachfolge-Modell des ENIAC, war der UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer)
- Der UNIVAC war Speicher-programmierbar und konnte Daten auf einem Magnetband speichern (12.800 Zeichen pro Sekunde)
- Nach Übernahme durch "Remington Rand" wurden 46 Systeme verkauft
Rechenanlage UNIVAC I im Deutschen Museum, München
Bildquelle: Univac 1, by Jordi Marsol, Creative Commons License
John von Neumann
- Am Institute for Advanced Study (IAS) in Princeton entwicklete John von Neumann einen auf Elektronikröhren basierten Rechner, der im Gegensatz zur ENIAC im Binärsystem arbeitete
- Von Neumanns hatte bereits 1944 gemeinsam mit Eckert and Mauchly (zunächst theoretisch) ein Konzept für einen Universal-Rechner beschrieben.
Bildquelle: John von Neumann, public domain
Das von Neumannsche Rechnerkonzept besagt u.a.:
- Die Struktur des Rechners ist unabhängig vom zu bearbeitenden Problem
- Es gibt 5 Funktionseinheiten: Steuerwerk, Rechenwerk, Speicher, Eingabewerk und Ausgabewerk.
- Elektronenröhren waren unzuverlässig und wurden seit Anfang der Fünfzigerjahre durch ein neues elektrisches Bauteil ersetzt: der Transistor
- Der hier gezeigte Feldeffekttransistor besteht aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial. Es gibt drei Kontakte aus Metall: Source, Drain und Gate.
- Der Strom zwischen Source und Drain wird über die Spannung zwischen Gate und Source gesteuert
- 0 Volt am Gate = die Elektronen können das p-dotierte Gebiet nicht überwinden = kein Strom fließt
- 5 Volt am Gate = Elektronen reichern sich unterhalb des Gate an (n-Kanal) = Elektronen fließen durch Kanal = Strom fließt
- Damit gibt es wieder zwei Zustände: Ein/Aus (bzw. 1/0)
- IBM 1401 war ein Großrechner, der für die Verarbeitung von Massendaten (Volkszählung, Buchhaltung, Kundendaten, etc.) in großen Firmen oder staatlichen Einrichtungen gedacht war
- Insgesamt wurde mehr als 10.000 Stück gebaut
- Die Logikschaltungen wurde aus einzelnen Platinen mit bedrahteten Bauteilen (Transistoren, Kondensatoren und Dioden) aufgebaut
- Die Basisausstattung hatte einen Lockkartenleser (Bild links) und einen Drucker (rechts). Es konnten mehrere Magnetbandeinheiten angeschlossen werden (Übertragungsgeschwindigkeit 41.000 Zeichen pro Sekunde)
- Die IBM 1401 konnte u.a. mit der höheren Programmiersprache FORTRAN programmiert werden
Bildquelle: Basic IBM 1401 system, public domain, IBM Standard Modular System card, by Marcin Wichary, Creative Commons License
- Anstatt einzelne Transistoren als diskretes Bauelement herzustellen, werden viele Transistoren auf einem Stück Halbleitermaterial integriert (engl. Integrated Circuit, IC)
- Bereits 1958 gelang es Jack Kibly von Texas Instruments einen ersten IC zu erzeugen
- Einige Jahre später waren die ICs marktreif. Das erste Computersystem, in dem sie kommerziell zum Einsatz kamen, waren die IBM /360 Rechner
- Einführung eines Familienkonzepts: Alle Rechner einer Familie sind kompatibel
- Idee: Alle Maschinen haben den selben Maschinenbefehlssatz. Die Implementierung auf unterschiedlichen physikalischen Bausteinen erfolgt durch Mikroprogrammierung
- Ein Mikroprogramm gibt an, wie bei der Ausführung eines bestimmen Maschinenbefehls (z.B. Addition) die einzelnen Logikbausteine angesteuert werden müssen
- IBM /360 Modell 85 verwendete als erstes kommerzielles System einen "Cache" (schneller lokaler Speicher, der eine Kopie der Daten vorhält)
Bildquelle: IBM System 360/20 computer, Deutsches Museum, by Ben Franske, Creative Commons License
- Intel (Integrated Electronics Corporation) wurde im Jahr 1968 von Gordon Moore und Robert Noyce gegründet
- Im November 1971 kam Intel's erster Mikroprozessor, der 4004, auf den Markt
- Der IC wurde mit einer Strukturbreite von 10 Mikrometern gefertigt. Er hatte 2250 Transistoren und arbeitete zunächst mit einer Taktrate von 108 KHz.
- Der 4004 hat einen Datenbus von 4 Bit, d.h. pro Bustakt können nur 4 Ein/Aus Zustände (= 4 Bit) gelesen werden
- Ein Befehl war jedoch als eine Folge von 8 Einsen und Nullen kodiert, z.B. 01101000. Daher arbeitete der Datenbus doppelt so schnell, um einen Befehl pro Prozessortakt lesen zu können
Altair 8800 mit Intel 8080 CPU
- Im April 1974 stellt Intel den 8080 vor, der von vielen als der erste wirklich verwendbare Mikroprozessor bezeichnet wird.
- Der Intel 8080 und sein Vorgänger 8008 (1972) waren 8-Bit Computer, d.h dass 8 Bit (=1 Byte) innerhalb eines Taktes verarbeitet werden können
- Der 8080 hat einen 8-Bit Datenbus und 16-Bit Adressbus. Damit war es möglich, (2 hoch 16) = 65536 Bytes im externen Speicher zu adressieren.
- Der IC wurde mit einer Strukturbreite von 6 Mikrometern gefertigt. Er hatte 4500 Transistoren und arbeitete mit eine Taktrate von 2 MHz
- Basierend auf dem 8080 konnten sich Bastler ab 1975 den kostengünstigen Bausatz-Computer Altair 8800 bestellen
- Damit hielt der Computer Einzug in den Privatbesitz von Technikbegeisterten:
Der PC (Personal Computer) war geboren
Bildquelle: MITS Altair 8800b, public domain
- Ab 1976 gelang es Intel, einen 8-Bit Micro-Controller, d.h einen vollständigen Rechner (Prozessor, Speicher und Ein-/Ausgabeeinheiten), auf einen IC zu integrieren
- Damit startete Intel die Micro-Controller-Familie MCS-48 (Bild zeigt Intel 8749)
Bildquelle: EPROM-Microcontroller Intel 8749H, by Yellow Bird, Creative Commons License
- Der Apple II war vergleichsweise günstig und war als erster Personal Computer weit verbreitet. Der erste große kommerzieller Erfolg für die Gründer von Apple: Steve Wozniak und Steve Jobs
- Interessant ist, dass die Baupläne des Apple II veröffentlicht wurden, d.h. andere Hersteller konnten ihn erweitern - aber auch nachbauen.
- Neben Text konnte der Apple II bereits Farbgrafiken darstellen: Entweder 15 Farben mit niedriger Auflösung (40×48 Pixel) oder 6 Farben mit hoher Auflösung (280×192 Pixel)
- Selbst ausprobieren: Apple II Emulator
Bildquelle: Apple II, by Marcin Wichary, Creative Commons License
IBM 5150 mit Intel 8086 CPU
- Der 8086 ist ein 16-Bit Prozessor von Intel
- Der Intel 8086 wurde mit einer Strukturbreite von 3 Mikrometern gefertigt, hatte 29000 Transistoren und arbeitete mit einer Taktrate von 5 MHz bis 10 MHz
- Die nach dem 8086 benannte x86-Mikroprozessor-Architektur wird später zum Industrie-Standard, vor allem, weil IBM eine spätere Variante des Prozessors, den Intel 8088, ab 1981 in ihren PCs verbaute
- Der IBM-PC wurde sehr erfolgreich. Auch gab es viele Nachahmer, die kompatible PCs mit den gleichen Komponenten bauten
- Somit wurde die x86-Mikroprozessor-Architektur sehr verbreitet
Bildquelle: IBM PC, by Marcin Wichary, Creative Commons License
Quelle: Transistor count, Wikipedia
- Commodore 64 (C64) war ein 8-Bit Computer von "Commodore International", der ca. 17 Millionen Mal verkauft wurde
- Er war sehr leicht zu bedienen und stand in den 80er-Jahren u.a. als "Spiel-Computer" in vielen Kinderzimmern
- Neben Assembler-Programmierung konnte der C64 mit einem BASIC-Interpreter programmiert werden, der beim Start aus dem ROM (Read-Only-Memory) gelesen wurde
- Selbst ausprobieren:
C64 Online Emulator
C64 JavaScript Emulator
Bildquelle: Commodore 64, public domain
- 1984 präsentierte Apple den Macintosh mit Maus und graphischer Benutzeroberfläche
Bildquelle: Macintosh, by Marcin Wichary, Creative Commons License
- Mehrere Aufgaben werden mit mehreren Ressourcen simultan verarbeitet
- In der MIPS Architektur z.B. dedizierte Hardware für: Instruction Fetch (IF), Instruction Decode (ID), Execute (EX), MEMORY ACCESS (MA) und Write Back (WB)
- Durch Pipelining kann so z.B. eine bis zu 5-fache Beschleunigung gegenüber einer hintereinander Ausführung erreicht werden
Bildquelle: Amiga 500, by Dave Jones, Creative Commons License
- Spätestens seit dem iMac wird bei Apple viel Wert auf das Design gelegt.
- Apple's Idee: Der iMac integriert Monitor und Rechner-Hardware in einem Gehäuse während dies sonst nicht üblich ist. Dies verhindert Kabelsalat auf dem Schreibtisch, hat aber den Nachteil, dass Komponenten nicht so leicht ausgetauscht werden können.
- Das Konzept wird bis heute fortgeführt (oben iMac G3 von 1998, unten iMac von 2007)
- Der iMac G3 hatte eine 233 MHz PowerPC CPU mit 512 KB Cache, 4 GB Festplatte, 32 MB RAM, 2 MB Video RAM und wurde mit Mac OS 8.1 ausgeliefert.
iPhone 4, 2010
- Das Apple's iPhone revolutionierte den Mobiltelefonmarkt, indem es statt Tasten einen Multi-Touch Bildschirm verwendet
- Dies erlaubt ein neuartiges und vereinfachtes Bedienkonzept
- Als Mikrocontroller wurde ein Samsung 32-Bit RISC ARM-1176-Prozessor mit 667-MHz verwendet
- Das Telefon hatte 128 MB DRAM, ein 3,5-Zoll Display mit einer Auflösung von 320x480 Bildpunkten und eine 2 Megapixel Kamera
- D.h. das iPhone der ersten Generation war leistungsstärker als der iMac bei seiner Einführung 10 Jahre zuvor
- Smartphones und Tablet-PC (wie z.B. iPad, 2010) erleben seitdem einen immer größeren Zulauf
Bildquelle: iPhone, Flickr User: Yutaka Tsutano; Creative Commons License
Quelle: AMD Bulldozer block diagram (8 core CPU), by Shigeru23, Creative Commons License
Intel Core i7 CPU
(1. Generation)
(1. Generation)
- Intel's und AMD's aktuelle High-End-Desktop-Prozessoren haben beeindruckende technische Daten
(Stand: Okt. 2022) - Z.B. der AMD Ryzen 9 7950X hat:
- eine Strukturbreite von 5 Nanometern
- 13,1 Milliarden Transistoren
- 16 Kerne
- Taktfrequenz 4,5 GHz bis 5,7 GHz
- 80 MB Cache (Level 2 + 3)
- der Intel Core i9-13900K hat:
- eine Strukturbreite von 10 Nanometern
- Die Anzahl der Transistoren ist zur Zeit noch unbekannt
- 24 Kerne
- Taktfrequenz 3,0 GHz bis 5,8 GHz
- 68 MB Cache (Level 2 + 3)
Quelle: Intel Core i9-13900K , AMD Ryzen 9 7950X
Bildquelle: Intel Core i7 820QM Q1NG ES Processor Mobile CPU, by Emilian Robert Vicol, Creative Commons License
Rechenleistung von CPUs im Vergleich zu GPUs
Quelle: Basiert auf CUDA C Programming Guide Version 6.5
Jahr
Anzahl der verwendeten Laptop und Desktop Rechner [in Millionen]
Quelle: Worldwide PC market, Computer Industry Almanac Inc.,
Bildquelle: Laptop, by Aaron Patterson, Creative Commons License
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