Die Rechenmaschinen von Konrad Zuse

229 Pages·1998·9.775 MB·German

by  Prof. Dr. Raúl Rojas (auth.), Prof. Dr. Raúl Rojas (eds.)

Die Rechenmaschinen
von Konrad Zuse
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Budapest
Ho ngko ng
London
Mailand
Paris
Santa Clara
Singapur
Tokio
Raul Rojas (Hrsg.)
Die Rechenmaschinen
von Konrad Zuse
Mit Beiträgen von
F.L. Bauer, H. Dorsch, H. Petzold, R. Rojas,
G.-A. Thurm und G. Widiger sowie
zwei Patentschriften von Konrad Zuse
Springer
Herausgeber
Prof. Dr. Rau! Rojas
Institut für Informatik
Fachbereich Informatik
Freie Universität Berlin
Takustr. 9, D-14195 Berlin
Mit 75 Abbildungen und 3 Tabellen
Die Abbildungen der Zl wurden vom Deutschen
Technikmuseum Berlin zur Verfügung gestellt.
ISBN -13: 978-3-642-71945-5
Die Deutsche Bibliothek - Einheitsaufnahme
Die Rechenmaschinen von Konrad Zuse/Hrsg.: Raul Rojas. Mit Beitr. von F.L. Bauer. .. Berlin;
Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London; Mailand; Paris; Santa Clara;
Singapur; Tokio: Springer, 1998
ISBN -13 :978-3-642-71945-5 e-ISBN -13 :978-3-642-71944-8
DOI: 10.1007/978-3-642-71944-8
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1998
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1998
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SPIN 10640488 45/3142-5 43210 - Gedruckt auf säurefreiem Papier
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ..................................................... 1
Konrad Zuse - Fakten und Legenden
Friedrich L. Bauer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1. Konrad Zuse zu würdigen, ist nicht einfach. . . . . . . . . . . .. . . .. . . . .. 5
2. Die Errungenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3. Zuses Niederlage im Patentstreit . . .. . . .. . . .. .... . . .. . . .. .. . . . . . 9
4. Legendenbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
4.1 Die Legende vom Schöpfer des elektronischen Computers.. . . .. 14
4.2 Die Legende vom Schöpfer des universellen Rechners. . . . . . . .. 15
4.3 Subtile Wahrheiten und Mißverständnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18
5. Zuse - der vielseitige Genius. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20
Die Rekonstruktion der Zl
hp Deutschen Technikmuseum Berlin
Hadwig Dorsch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23
Die Architektur der Rechenmaschinen Zl und Z3
Raul Rojas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27
1. Frühe Rechenmaschinen ...................................... 27
2. Überblick über die Architektur von Zl und Z3 . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30
2.1 Struktureller Aufbau. . . . . . .. . . . . . . . . .. . . .. . . .. .. . . .. . . . .. 30
2.2 Darstellung von Gleitkommazahlen ........................ 31
2.3 Befehlssatz.............................................. 32
2.4 Anzahl der Zyklen ....................................... 33
2.5 Programmiermodell . . .. . . . .. .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. .. . . . .. 34
3. Blockdiagramm der Z3 ....................................... 35
3.1 Die arithmetische Einheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35
3.2 Die Steuereinheit ........................................ 38
3.3 Mikroprogrammsteuerung der Z3 .......................... 39
4. Arithmetische Algorithmen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40
4.1 Übertrag bei der Addition ................................ 41
4.2 Ausnahmebedingungen bei Gleitkommazahlen . . . . . . . . . . . . . .. 42
4.3 Addition und Subtraktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43
VI Inhaltsverzeichnis
4.4 Multiplikation........................................... 45
4.5 Division ................................................ 46
4.6 Quadratwurzelberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48
5. Ein- und Ausgabebefehle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
5.1 Eingabe von Dezimalzahlen. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . .. . .. 50
5.2 Ausgabe von Dezimalzahlen. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53
6. Die vollständige Architektur der Z3 ............................ 55
7. Die Erfindung des Computers ................................. 57
8. Anhang: Bedingte Sprünge in der Z3 ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59
8.1 Simulation des IF-Befehls . . .. . . .. . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . .. 59
8.2 Bedingte Sprünge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60
8.3 Universalität ........... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
8.4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
Die Mühlen des Patentamts
Hartmut Petzold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63
1. Einleitung .................................................. 63
2. Die Anmeldungen von 1936 ................................... 67
2.1 Die Anmeldung Z23139 .. .. .... ................ ........... 67
2.2 Die Anmeldung Z23624 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 70
2.3 Die amerikanische Anmeldung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
3. Der Entwurf von 1940 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72
4. Das Verfahren Z26476 bis 1944 ................................ 73
5. Neuaufnahme des Verfahrens (1951-1956) .. . . . . . . . ... . . . . .. . . . .. 81
6. Fortsetzung des Verfahrens bis Ende 1957. . .. . . .. . . .. . . .. . . . . . .. 88
7. Fortsetzung des Verfahrens bis Mitte 1959.. . . . . . . . . . . .. ... . .. . .. 92
8. Die Versagung der Anmeldung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 94
9. Die Zurückweisung durch das Bundespatentgericht . . . . . . . . . . . . . .. 99
10. Fazit ....................................................... 106
Die Patentanllleldung Z391 von Konrad Zuse
Raul Rojas und Georg-Alexander Thurm ........................... 109
Patentanllleldung Z391 (1941)
Konrad Zuse ................................................... 111
1. Rechenvorrichtung .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
1.1 Beispiel eines Rechenplans ................................ 113
1.2 Das binäre Zahlensystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 115
1.3 Die halblogarithmische Notation ........................... 115
2. Konstruktiver Aufbau ........................................ 116
2.1 Relaissteuerung und Takt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
2.2 Gesamtübersicht der Rechenmaschine ....................... 118
2.3 Das Rechenwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
2.4 Übertragung von Ergebnissen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 120
Inhaltsverzeichnis VII
2.5 Ausrichtung des Kommas im Resultat .................... " 121
3. Arithmetische Operationen .................................... 121
3.1 Multiplikation ........................................... 122
3.2 Division ................................................ 123
3.3 Quadratwurzelziehen ..................................... 124
3.4 Addition und Subtraktion ................................. 124
3.5 Übersetzung vom Dezimal- ins Sekundalsystem .............. 128
3.6 Übersetzung vom Sekundal- ins Dezimalsystem .............. 131
3.7 Vorzeichenbehandlung .................................... 134
4. Speicher- und Planwerk ....................................... 135
4.1 Planwerk ............................................... 136
4.2 Rechenplan ............................................. 137
4.3 Numerische Sonderfälle ................................... 139
5. Abbildungen ................................................ 143
Eine Simulation der Z3 für das Internet
Georg-Alexander Thurm ......................................... 195
1. Einführung .................................................. 195
2. Simulation der Z3 ............................................ 196
2.1 Java .................................................... 198
3. Anwendung ................................................. 200
3.1 Simulationsmodi ......................................... 200
3.2 Funktionselemente ....................................... 201
3.3 Normalbetrieb ........................................... 204
4. Ausblick .................................................... 205
Mechanisches Schaltglied
Konrad Zuse ................................................... 207
Die Autoren
Friedrich L. Bauer
Fakultät für Informatik
Technische Universität München
D-80290 München
Hadwig Dorsch
Deutsches Technikmuseum Berlin
Trebbiner Str. 9
D-I0936 Berlin
Hartmut Petzold
Deutsches Museum
Museumsinseil
D-80538 München
Raul Rojas
FB Mathematik und Informatik
Freie Universität Berlin
Takustr. 9
D-14195 Berlin
Georg-Alexander Thurm
FB Mathematik und Informatik
Martin-Luther-Universität
Halle-Wittenberg
D-06120 Halle
Götz Widiger
FB Mathematik und Informatik
Freie Universität Berlin
Takustr.9
D-14195 Berlin
Vorwort
Mit diesem Buch können interessierte Leser im deutschsprachigen Raum zum
ersten Mal einen detaillierten Einblick in die innere Struktur der Rechenma
schinen Zl und Z3 gewinnen. Beide wurden von Konrad Zuse zwischen 1936
und 1941 gebaut; über sie ist viel geschrieben und diskutiert worden. Die
Maschinen wurden sogar unter der Leitung des deutschen Erfinders wieder
rekonstruiert - die Zl für das Deutsche Technikmuseum in Berlin und die
Z3 für das Deutsche Museum in München. Um so mehr überrascht es, daß
es bis vor kurzem kaum Arbeiten gab, die die Architektur dieser Maschinen
ausführlich erläutern. Es war gerade diese Lücke in der Literatur, die mich
zur intensiveren Beschäftigung mit dem Thema veranlaßte. Bereits vor meh
reren Jahren hatte ich aus dem Studium der Quellen den Schluß gezogen, daß
die Frage nach den" wahren" Erfinder des Computers keine einfache Antwort
zuläßt. Die Rechenmaschinen in den USA, Deutschland und England sind
beinahe gleichzeitig entwickelt worden, und jede davon hat auf ihre Weise
zur Entstehung des Computerzeitalters beigetragen. Es schien mir deshalb
wichtig, die genauere Struktur der Zl und Z3 zu verstehen und zu dokumen
tieren.
Die vergilbten Fotokopien, die ich aus der Hand von Konrad Zuse 1994
erhielt, werden im fünften Kapitel dieses Buches abgedruckt. Die Patentan
meldung Z26476 von 1941 (die später unter der Bezeichnung Z391 lief) liegt
jetzt vor und kann studiert werden. Ich schreibe bewußt "studieren" statt "le
sen", weil es sich um keine leichte Lektüre handelt. Man braucht eine gewisse
Neugier und Beständigkeit, um die Schaltungen der Zl und Z3 durchzuar
beiten. Wer es aber tut, wird reichlich belohnt: beide Maschinen sind Mu
sterbeispiele an Eleganz und schlankem, gleichwohl mächtigem Design. Ich
finde es faszinierend, wie Zuse bereits 1936 zu Entwurfsprinzipien kam, die
erst viel später durch die Computerarchitekten zum Lehrbuchwissen erhoben
wurden. Ein prinzipieller Unterschied zu den amerikanischen Entwicklungen
wie ENIAC oder Mark I besteht jedoch darin, daß bei diesen nicht an Hard
ware gespart wurde. Die Folge davon war, daß es einen John von Neumann
herausforderte, aus den Vorschlägen von Eckert und Mauchly die Prinzipi
en herauszudestillieren, die unter dem Namen "von-Neumann-Architektur"
Berühmtheit erlangen sollten. Die Zl und Z3 hatten allerdings, Jahre bevor
der berühmte ungarische Mathematiker sich für Rechenmaschinen interes-
R. Rojas (ed.), Die Rechenmaschinen von Konrad Zuse
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1998
2 Vorwort
sierte, Teile dieser Konzepte bereits verwirklicht. Die Verwandtschaft der Ar
chitektur des Gleitkommaprozessors der Zl und Z3 mit modernen Entwürfen
ist verblüffend. Würde man Informatikern das Diagramm des Prozessors vor
legen und sie nach dem Baujahr fragen, würde wahrscheinlich keiner ahnen,
daß die Zl mittlerweile vor mehr als sechs Jahrzehnten konzipiert wurde.
Das Buch bietet einen graduellen Einstieg in die Thematik und erleich
tert die Lektüre der Patentanmeldung Z391. Die Reihenfolge der Texte ist
nicht zufällig. Friedrich L. Bauer, selbst einer der Pioniere der Informatik in
Deutschland, analysiert in seinem Beitrag zunächst die persönliche Leistung
von Konrad Zuse; die Fakten, aber auch einige der Legenden, die unver
meidbar im Laufe der Jahre entstanden sind. Bauers Beitrag ist zugleich ein
Ausflug in die Computergeschichte, eine Bewertung des technischen Umfelds,
in dem Zuse seine Rechenmaschinen schuf. Dieses Kapitel eröffnet das Buch,
verweist auf die folgenden Beiträge und soll neugierig machen.
Der Beitrag von Hadwig Dorsch, die als Kustodin des Deutschen Tech
nikmuseums in Berlin den Nachbau der im Krieg verlorengegangenen Zl mit
erlebt hat, ist ein kurzer, jedoch lebendiger Bericht über die Anstrengungen
Konrad Zuses, trotz seines hohen Alters der Nachwelt eine Rekonstruktion
der Zl zu hinterlassen.
Bevor der Leser dann die Patentanmeldung der Z3 in Angriff zu neh
men wagt, sollte der Beitrag von Raul Rojas durchgearbeitet werden. Rojas
übersetzt die Architektur der Zl und Z3 in die heutige Terminologie und
erläutert sie anhand moderner Diagramme. Die Implementierung der arith
metischen Algorithmen bildet das Herz der Maschine. Die entsprechenden
Synchronisationsdiagramme konnten erst nach langer Beschäftigung mit der
Patentanmeldung erstellt werden. Der aufmerksame Leser kann später bei
der Lektüre der Patentanmeldung diesen Beitrag als Referenz nehmen und
beide Texte vergleichen.
Der Bericht von Hartrnut Petzold wirft ein Licht auf die sich drei Jahr
zehnte hinziehenden Bemühungen Konrad Zuses um ein umfassendes Patent,
die letzlich vergeblich waren. Der Beitrag stammt aus Dr. Petzolds akribi
schen Untersuchungen der von der GMD geordneten Zuse-Papiere, die immer
noch Überraschungen enthalten. Der Leser erfährt hier etwas von den vielfa
chen Widerständen, mit denen Zuse im Verlauf des Verfahrens zu tun hatte,
vom Kampf der Computerfirmen gegen seine Prioritätsansprüche, von den
modifizierten Varianten der Patentanmeldung und von der endgültigen Ab
lehnung durch das Bundespatentgericht. Es ist ein informativer und zugleich
spannender Beitrag, der viele Hinweise auf weitere noch unberührte Quellen
der Geschichte des Computers enthält.
Es folgt als fünftes und wichtigstes Kapitel der vollständige Text der be
reits erwähnten Patentanmeldung Z26476 (Z391) von 1941. Wir haben uns
bemüht, durch Anmerkungen die Lektüre des Dokuments zu erleichtern.
Alexander Thurm erzählt von unseren Bemühungen, eine Simulation
der Z3 für das Internet fertigzustellen. Einige Studenten der Universität