Zuse Z3

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Die Z3 – 1941 von Konrad Zuse gebaut – war die erste frei programmierbare, auf dem binären Zahlensystem basierende Rechenmaschine der Welt. Sie gilt daher als erster funktionsfähiger programmierbarer Rechner. 1944 wurde die Z3 durch einen Bombenangriff zerstört.

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Bedeutung 3 Aufbau 4 Betrieb 5 Rechenwerk 6 Vergleich der Z3 mit ENIAC 7 Literatur 8 Weblinks

[Bearbeiten] Geschichte

Der Entwicklung der Z3 ging zunächst die Entwicklung der vollmechanischen Z1 und des Übergangsmodells Z2 voraus. 1941 wurde die Z3 schließlich einer Gruppe von Wissenschaftlern vorgestellt. Nachdem das Original im Krieg bei einem Bombenangriff zerstört wurde, befindet sich ein funktionsfähiger Nachbau im Deutschen Museum in München, der 1962 von der Zuse KG zu Ausstellungszwecken angefertigt wurde. An dem ehemaligen Standort, der Methfesselstrasse im Berliner Stadtteil Kreuzberg, erinnert eine Gedenktafel an Zuses Wirkungsstätte.

Die Z3 wird im Allgemeinen als Rechner und nicht als Computer bezeichnet, da zum einen der Begriff Computer erst später entstand und zum anderen die Programme nicht im Hauptspeicher abgelegt sind.

[Bearbeiten] Bedeutung

• Erster voll funktionsfähiger programmierbarer Rechner
• Erstmals Verwendung des Dualsystems
• Zum größten Teil nicht-mechanisch
• Enthält sehr viele Merkmale moderner Rechner:
  • Gleitkommazahlenberechnung
  • Ein- und Ausgabegeräte
  • Möglichkeit der Benutzerinteraktion während des Rechenvorgangs
  • Mikroprogramme
  • Pipelining von Instruktionsfolgen
  • Numerische Sonderwerte
  • Parallele Ausführung von Operationen soweit wie möglich

Auch die Z1 verfügte über fast alle der oben angeführten Merkmale, erlangte allerdings nicht so viel Aufsehen, da ihr Rechenwerk aufgrund des mechanischen Aufbaus nicht sehr zuverlässig arbeitete. Allgemein ähneln der Aufbau von Z1 und Z3 einander sehr, was insbesondere für das Rechenwerk gilt.

[Bearbeiten] Aufbau

Die Z3 besteht aus

• einer Relais-Gleitkommaarithmetikeinheit für Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, Quadratwurzel, Dezimal-Dual- und Dual-Dezimal-Umwandlung. Das Rechenwerk verfügt über zwei Register R1 und R2.
• einem Relais-Speicher aus 64 Wörtern, je 22 bit (1 Bit Vorzeichen, 7 Bit Exponent, 14 Bit Mantisse)
• einem Lochstreifenleser für Filmstreifen, um Programme einzulesen (keine Daten!)
• eine Tastatur mit Lampenfeld für Ein- und Ausgabe von Zahlen und der manuellen Steuerung von Berechnungen

[Bearbeiten] Betrieb

Die Z3 ist eine getaktete Maschine. Die Taktung wird von einem Elektromotor übernommen, der eine so genannte Taktwalze antreibt. Diese ist eine Trommel, welche sich ca. 5.3 mal pro Sekunde dreht, und während einer Drehung die Steuerung der einzelnen Relaisgruppen übernimmt. Die Z3 verfügt über folgende Maschinenbefehle:

• Pr z - Speicherzelle z in Register R1/R2 laden | 1 Zyklus
• Ps z - R1 in Speicherzelle z schreiben | 0 - 1 Zyklus
• Ls1 - Addition R1 := R1 + R2 | 3 Zyklen
• Ls2 - Subtraktion R1 := R1 - R2 | 4 - 5 Zyklen
• Lm - Multiplikation R1 := R1 * R2 | 16 Zyklen
• Li - Division R1 := R1 / R2 | 18 Zyklen
• Lw - Quadratwurzel R1 := SQRT(R1) | 20 Zyklen
• Lu - Dezimalzahl einlesen in R1 / R2 | 9 - 41 Zyklen
• Ld - R1 als Binärzahl ausgeben | 9 - 41 Zyklen

Die Eingabe numerischer Daten muss über die Tastatur erfolgen, d. h. Zahlen können nicht auf dem Lochstreifen kodiert werden. Über die Tastatur können alle Operationen außer den Speicherzugriffen (Pr und Ps) direkt ausgeführt werden. Der Lochstreifen kann nur Befehle enthalten. Jeder Befehl auf dem Lochstreifen wird mit 8 Bit kodiert. Die Z3 kennt keine Sprungbefehle, ist jedoch (mit Hilfe geschickter Ausnutzung der endlichen Rechengenauigkeit) turingmächtig, wie Raúl Rojas 1998 zeigte.

[Bearbeiten] Rechenwerk

Jede Rechenoperation der Z3 basiert auf der Addition zweier natürlicher Zahlen. Diese Basisoperation der Addition wird durch XOR(XOR(x,y), CARRY(x,y)) berechnet, wobei CARRY(x,y) die Übertragsfunktion ist, z. B. CARRY(0011011,1010110)==0111100.

• Eine Addition zweier Gleitkommazahlen ist realisiert durch Berechnung der Differenz der Exponenten, anschließend entsprechendem Angleichen der Mantisse einer Zahl und schließlich Addition der Mantissen.
• Eine Subtraktion entspricht einer Addition, bei der das Komplement der zweiten Mantisse verwendet wird (Komplement = NOT(x)+1)
• Eine Multiplikation entspricht einer Addition der Exponenten und anschließender Multiplikation der Mantissen. Die Multiplikation der Mantissen wird dabei durch eine iterative Addition realisiert: 1011*0101 = 1011 + 10110*010 = 1011 + 101100*01 = 110111 + 1011000 * 0 = 110111
• Eine Division entspricht einer Multiplikation, jedoch werden die Exponenten subtrahiert und eine iterative Subtraktion für die Division der Mantissen verwendet.
• Der Algorithmus zum Ziehen einer Wurzel ist durch eine iterative Division realisiert (siehe Patentschrift).

Allgemein besteht das Rechenwerk aus zwei Teilen, einem Werk für die Rechnung mit Exponenten und ein Werk für die Rechnung mit Mantissen. Für Befehle, bei denen iterative Methoden zum Einsatz kommen (Lm, Li, Lw, Lu, Ld), wird ein Sequenzer benutzt, um einzelne Teile des Rechenwerks anzusteuern. Dies entspricht grob modernen Mikroprogrammen.

[Bearbeiten] Vergleich der Z3 mit ENIAC

In den USA und weiten Teilen der Welt wird ENIAC aus historischen Gründen oft noch als der erste Computer angesehen. Dieses hat mit unterschiedlichen Definitionen des Begriffes "Computer" und unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Rechner zu tun. Die 1941 gebaute Z3 ist ein digitaler binärer programmgesteuerter Rechner, der allerdings auf Relaistechnik basiert, das heißt, nicht elektronisch ist. Der 1944 gebaute ENIAC benutzt hingegen Röhren und erfüllt somit das Kriterium "elektronisch". Allerdings arbeitet er mit dem Dezimalsystem, das heißt, er ist kein Binärcomputer wie die Z3, so wie alle modernen Computer. Beide Rechner sind turingmächtig. Somit geht es hierbei um die Frage, ob die Z3 (erster programmierbarer turingmächtige Binärcomputer), oder der ENIAC (erster programmierbarer turingmächtiger elektronischer Computer) als erster Computer der Welt gelten soll. In Deutschland wird im Allgemeinen aufgrund des höheren Alters der (turingmächtigen) Z3 und ihrer binären Arbeitsweise, mit der auch heute noch alle Computer arbeiten, der Z3 dieser Titel zugesprochen, wohingegen man dem Aspekt der Hardwareausführung eine geringere Bedeutung zuweist.

Die historische Präferenz für den ENIAC mag auch darin begründet liegen, dass diesem nach dem 2. Weltkrieg in den USA eine ungleich größere Aufmerksamkeit zu Teil werden konnte als der Z3, die bei einem Bombenangriff zerstört wurde. Außerdem hatte man im zerstörten Nachkriegsdeutschland zunächst andere Sorgen.

[Bearbeiten] Literatur

• Rojas, Raúl: Konrad Zuse's Legacy: The Architecture of the Z1 and Z3, IEEE Annals of the History of Computing, 19:2, (1997), 5-16.

[Bearbeiten] Weblinks

• Interaktive Simulation des Z3-Addierers
• Das Konrad Zuse Internetarchiv Großartige Informationsquelle mit fast allen von Zuse veröffentlichten Papieren, Patentschrift, Java-Applets und Fotografien
• Zuse-Informationsseite von Horst Zuse Sehr gute Einführungen und detaillierte Besprechungen der Z-Serie.
  • Der Rechner Z3
• Rechnen am Urcomputer Multimedia-Show (Shockwave)