ä? - Konrad Zuse Archiv

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Haselhecke 72
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VHS
z . Hd " Herrn Dr " Wilhel-m
Gallasirriring -10
64Cl(} Fulda
Mons
Sehr geehrter: Herr Dr. Mcns,
wie he*te telefr:nj.sch besprochen, sende ich thnen hj-ermit einiqe
"Blätter" aus meiner Examensar]:eit ül:er die Z 22. Ich hof f e lirnen
clirrnit gehoifen zu haben. Leider jst mei-ne Examensarbeit noch nicht
in der klejnen Auf laEe qledruckt wr:rclen, weil ich noch keine Zeit
fi.ir eine übe:r'arheitunq hatt*. Sobald dies der F:rl1 isL, sencle ich
fhlien clas versprochene Exerni:lar.
Ich wrins:che Ihnen al1es Gute :und uürde mich frerien, <+irimal wieder
von lhnen zu hören.
Itit fr:eundli.chen
,rA,w
G;:üßen
8.
ROTRENRECHIER:
8.1. Der Eaustein Röhre
oi. erstu r,tetrtronenröhre wurde 1906 von Robert von Lieben ent?ickeIt. sie
war irn Jahre 1913 einsatzfähig weiterentwickelt untl konnte als Gleichrichter
oder Verstärker in Radioschaltungen eingesetzt verden.
t{it 18.000 Röhren. 1500 Relais hatte diese für die Berechnung ballistischer Kurven gelaute l{aschine einen Bedarf an elektr. Leistung von 1?4kI{.
Eniac konnte 2000nal schneller f"echnen a1s der Relaisrechner l,tark I.
Ebenso wie dieser arbeitete der ENIAC noch in Dezinalsystenr. Er hatte eine
aufwentlige und prinitive Progrannsteuerung nittels Scbaltern und einer
riesigen schalttafel (Stecktafel), auf tler Lei.tungen gesteckt werden nu$ten
(Marx, S.475)
.
I'erner dienten elektrische Schrittschaltwerke der Steuerung festverdrahteter
8-1.1. Funktionsprinzip iler Röhre in Schaltbetriebeinsatz
In einen Vakuumglaskolben befindet sich eine stronbeheizte Glühkathode, die
Elektronen emitiiert. Diese werden zu der positiv geladenen, kalten Anode
hingezogen. Da zwischen xathode und Anode eine spannungsquelle geschaltet
istl siia dieser Elektronenstron aufrechterhalten. An ai.nem lliderstand Ra in
iliesen sog. Anodenstronkreis läpt sich eine spannung abnehrnen. I'lun instal-
liert
man
ein !'!etallgitter
2rrischen
Kathoda und Anode. Legt nan auf
ilieses Gitter nun eine gegenüber der
Kathode negati.ve Spannung, so können
die von der Kathoile ausgesanilten
ELektronen bei genügend großer rrega-
tiver spannung dieses i'e1d nicht
nrehr überwinden. Daher sinkt der
Anodenstron rapide und die spannung
am Widerstand Ra }lann den vert 0
erreichen. Da sich so clrrrch kleirre
Spannungsänderungen am Gitter die-.
spannung am lrideistantl Ra in gropef
Dr€;slchrod.nröhre
Ij
,
HaPstab verändern
1äpt, kann diesür
Röhrentyp, der Triode genannt wird,
als ein elektronisch gesteuertes
Abb.7: RöhrenschaltbiTd, Verstärker- Schaltrelais eingesetzt werden'
(gemäP Kuhn, s.252ff)AA
schaltung (Kuhn, S.253).
8.1.2. Vorteile unil Iachteile iler Röhre gegenüber antleren Bauelenenten
Vorteile: Der ElektronenfluF in Vakuünr ist sehr schnell, so dap die Schaltzeit der Röhre äußerst gering ist, keine mechanischen Kontakte,
Nachteile: hoher Energieverbrauch und daher große llär:neabgabe, relaliv kurze
Lebensdauer.
Der Speicher bestand ebenfalls aus Röhren, die zvanzig 10-bit l{orte
speichern konnten.
Rechengeschwindigkeit: 0,2 nsec für Addition und 2,8 msec f,ilr tlultiplikat ion
.
Die genannten Daten lassen schon die riesigen Ausnape dieses
erahnen, der auf einer Fläche von 12m * 5n stand.
Rechners
8.2.2. Ileitere Conputer in Röhrentechnologie
In Jahre 1947 lief der IBü SsEConputer erstnals. Er hatte neben 21000 Relais
berei!s 12500 Röhren. 36 Lochstreifenleser steuerten das Progrann.
In Jahre 1949 wurde an Mathenatical Laboratory der University of Carnbridge
(EngIand) ein sehr fortschrittlicher Conputer gebaut. der EDSAC (Electronic
Celay Storage Autonatic Conputer). tlessen Erbauer H.V. lliLkes unil t{.Renwick
die L945 von John von Neumann geäußerte Idee des intern gespeicherten
Programrns und vilkes ldee der intern gespeicherten Funktion (des llikroprogranns) niteinander vereinten. Der EDSAC hatte 4500 Röhren und einen
Speicher für 512 llorte zu je 34 bits, der aus Quecksilber-Verzögerungsleitungen bestand.
]n .Iahre 1952 karn der Computer IBM 701 auf den Markt. Es war filr wissenschaftliche Zllecke gebaut und benötigte für eine llultiplikation nur 0,00045
sec. Ein Jahr später wurde ilerselbe Rechner nit grö$eren Datenspeicherplatz
als äer IBü 702 für komnnerziele zwecke angeboten.
Der erste "l,lagnettronnelrechner", ein Conputer mit einer Hagnettronnel als
Daten- und Progrannspeicher, wurde 1954 als System IBil 650 vorgestellt. Von
i.hrr nurden etwa 1000 Stäck gebaut.
1955 kan der IBll 505 nit einem I'tagnetplattenspeicher
Cornputer in Röhrentechnologie auf den Markt.
als letzter
IBU
8.3. Der
Zuse Rechner Z 22 als ein Beisoiel für eine deutsche
orooranncesteuerte elektronische Rechenanlaqe in Röhrentechnoloqie.
I g.f.l. Die ldee von schreyerrdie Röhre als Rechnerbaustein zu verwenden
Als zuses Freund H. schreyer ilie Relais-Rechner sah. karn ihn aiie Idee, statt
Relais Röhren zu verwenden. Schreyer entwickelte dazu ein sog. Röhrenrelais,
welches erlaubte, die von Zuse konzipierten Schaltungen einfach in clie
Röhrentechnologie zu übertragen. In seiner Dissertation zeigt er auf, r'rie
Speicherelenente durch Röhren und Glinrnlampen realisiert 'rerden können
(siehe: Schreyer).
ll. Schreyers Spezialröhrenent{urf, durch die firma Telefunken realisiert,
führte zu einer I'todellschaltung nit etwa 100 Röhren für 10-stelliga duale
Rechnung. Er ferti.gte einen Entwurf für einen Rechner rnit 1500 Röhren und
1ns Rechenzeit je Arbeitstakt, der aber nie realisiert wurde. Schreyer
wanderte vährend des Krieges nach Brasilien aus.
8.2. Die Röbrenrecbnerentricklunq in tien U-SA
.
operationsabläufe.
8.2.1. Der erste Röbrenconputer iter lle1t, iler Eniac
Bereits 1946 bauten der Physik-Professor John. lI. Mauchly und J. Presper
Eckert an der I'toore School of Electronic Engineering der Pennsylvania
Universität den ersten röhrenbestückten Rechner, der EryIAc (Electronic
(
Nunerical Integrator And Conputer) .
50
8.3.1. Von wen und wann {urde d{e Z 22 gebaut?
Die Z 22 wurile un 1955/57 von Konratl Zuse in ZuEannenarbeit nit den l{athenatiker Tbeodor Fronne entworfen.
In Jahre 1957 siedelte die Firma von Neukirchen nach Bad Hersfeld un, ila sie
sich zunehnend vergrößerte, 1958 wurile die erste Z 22 ausgeliefert.
8.3.2. Ilo wurile die Z 22 eingesetzt?
Der Rechner vurde ftir folgerrde Einsatzgebiete angepri.esen:
Bautechnik, llaschinenbau. Elektrotechnik,
"Betriebswirtschaft,
Aerodynanik, Optik,
Kernreaktorbau, Vernessungstechnik. Ballistik,
Bergbau" (Prospekt Zuse Kc, o.S.).
Das irn Hünfelder Stadt- und lleinatnuseum stehende Model1 diente iler
Berechnung des ersten l(ernreaktors, der in Karlsruhe konzipiert trurale.
(
5t
8.3.3. Der technische Aufbau der Z 22
Dle Z 22 läFt sich in foLgende Baugruppen eintei.len: Leitwerk, Speicherwerk,
Rechenqerk und ilie Ein- und Ausgabeeinheit. Diese Teile werden in Kap.
8.3.3.2. näher beschrieben.
Ihre Konpaktheit und doch sehr grope Leistungsfähigkeit beruht aut der
Konzeptj.on der Zuse Rechner, die Beauclair folgenclermapen beschreibt:
guten
hier (bei Zuse) äuFerst ausgefeilte Logik und sparsamster Aufbau,
erznungen durch beengendsten I'tangel an llitteln und Unterstützung; dort (USA)
unbekümnerter Zusammenbau von hausgropen Anlagen ohne Rücksicht auf Kosten
und tlirtschaftLichkeit. gefördert durch fast unbegrenzten Zuflu0 von
staatlj.chen Geldern, aber nur langsanes Erarbej.ten der gedanklichen
Grundlagen für zweckmäßigen Schaltungsaufbau" (Beauclair o.J. S. 17).
8.3.3.1. Der technische Steckbrief d,er Z 22
f,lektronikbauelenente:400 Röhren und 2400 Dioden,
Speicher: ferritkernspeicher rnit 532 bis 950 bit
und einem llagnettrommelspej"cher mit 311 kbj.t.
1{ort1änge: 38 bit
Rechengeschwindigkeit: In Intern-Code: 0,6 ms für Additj-on, 10 nrs für
l,lultiplikation, im Freiburger Code: 32,5 - 52,5 ms für Addition, 30
ms für Multiplikation.
lleitere Angaben vergleiche die Gegenüberstellung z 22 zur z 23 in
Kap.9.3.3.1.
8.3.3.2. Beschreibung der einzelnen Baugruppen d.er Z 22
8.3.3.2.1. Das Leitnerk:
Das Leitwerk steuert den Transport und <lie Unfornungen der l,lorte. Dazu sind
in Steuerregister 32 Flip-F]ops, die über das Befehlsregister rnit einen
Befehl geladen werden. Je nach ihrer Information (Flip oder Flop) öffnen
oder schliepen sie bestirnnte Stronfiege innerhalb des Gerätes.
8.3.3.2.2.&Der Speicher
lua" erstetal uurtle in d.er 7 22 ein lladnetkernspeicher (Ferritkernspeicher,
Ferritringspeicher, Schnellspeicher) eingebaut. Er bekam in der Z 22
Literatur seinen Nanen über seine Funktion und nicht über sei.n Material, so
daF er a1s Schnellspeicher bezeichnet wurde, denn er "steht ohne Zugriffszeit stets zur Verfügung" (Zuse KG, 1960 Programnieranleitung, Kap. 7.3,
o.S.)
Er hatte höchstens (rnit f,rweiterung) 25 Speicherzellen, rnj.t einer
lortlänge von i.a. 38 bit, vobei allerdings der gröpte Teil seiner Kapazität
bereits durch Sonderfunktionen belegt war, So waren z.B: die Zellen 0 und 1
nicht beschreibbar, denn sie lieferten nur eine 0 in jeder Stelle, bzw. eine
I in der obersten Ste11e (die Befehlskennzei.chen-, bzw. Vorzeichenstelle).
Interessant ist noch di.e Ze11e 4, sie diente als Akkuinulator (siehe Blockschena, Kap.8.3.4.2.), also al.s Register für Rechenresultate und als
Register für einen der beiden Werte bei einer z',reivertigen Operation (+). Im
Block-Schena ist auperdern noch die Speicherzelle 5 erwähnt. Es handelt sich
hierbei um den "Rückkehradressenspeicher, der bei F (Intern-Code Befehl-,
siehe Kap.8.4.) nit den Inhalt des BefehlszähLregisters c belegt wird" (Zuse
KG, 1960 Prograrnnieranleitung, Kap. ?.3, o,S.).
Die Pufferspeicher zurn l/esen und Schreiben des Fernschreibcodes hatten die
Adressen 19 und 20.
zurn speichern iles
Programms und
der llikroprograrnnierung (Freiburger-code)
war noch ein zusätzlicher Speigher notwenrlig. denn der kleine !.erritringspeicher hätte hierzu nicht audgereicht. Dieser Speicher lag vor in Forrn des
Tronrnelspeichers. Ein solcher Speicher funktioniert im prinzip wie ein
Tonband, bej. dem ja ein Tonkopf eine Information auf das an ihn vorbeilaufende Band schreiben oder von ihrn lesen kann. Damit nan nicht durch
zej-taufwendiges Vorwärts- und Rückr'ärtsspulen eine bestinnte S"e11e erst
suchen rnup, kann nan ein Bandstück arn Anfang und Enile zusamrnenkleben und
diesen Bandring auf den Aupennantel eines sich drehenclen zylinders kleben.
Nach einer Unrdrehung des Zylinders komrnt dasselbe Bandstück wieder am
Tonkopf vorbei. $ilr nan auf einern solchen systen inehr Daten unterbringen,
braucht nan nur eine zweite Tonbanclwicklung rnit einer{ zweiten ron[opi I
clarunter zu instalrieren. Der Trornnelspeicher besteht aus einem Zylinder
(einer Tronmel) , der rundherum mit einer magnetisi.erbaren schicht bedeckt
ist.
"Die Tromnel serbst besteht aus nichtnagnetischen Material, das rnit
einer dünnen Maqnetschicht tiberzogen ist,,, (Zuse K6. Januar 1963, S"20).
Die Trornnel dreht sich nun, angetrieben durch einen Motor, in 10 nrs einnal
un sich seLbst herurn. In 8 Säulen sind 256 Tonköpfe angeordnet, ilie die
Zylindernrantetfläche (ohne Boden und Deckel) beschreiben und lesen können.
Auf der Magnettronmer sind also 256 (imaginäre) spuren angeorilnet. Jede ist
in 32 sektoren geteiltrirovon jeder sektor ein 38-bit-rirort aufnehnen kann. I
Dieser Tronrnelspeicher konnte arso 8192 l,iorte, bzw. 3rr 296 bit speichern. '
Zur besseren organisation der speicherung wurilan beirn Tronnelspeicher
jeweils I spuren, also 8 * 32 (sektoren) = 256 (Speicherzellen) = 9?zg (bit)
zu einem (Block) zusammengefapt, dessen Speicherzellennunerierung (Aalressen)
genannt werclen. Der Trorunelspeicher hat al.so 32 Bröcke ä g spuren nrit je 32
Sektoren. m
Die aus derr Trornmelspeicher geschriebene rnfornation bleibt dort, auch wenn I
der Rechner-abgeschaltet wird, erhalten, bis sie überschrieben wir<i. Durch
das unlegen von schaltern war es nögli.ch. einzelne spuren vor den llberschreiben zu sichern (schreibschutz) . Dies war insbesondere deswegen von
vortei"1, da ja in einern Block das coarpilerprogranm, der <Freiburger coile)
abgespeichert war (Zuse KG, 1950 progranrnieranleitung, S.1f).
8.3.3.2.2.1. l{ie funktioniert ein Ferritkernspeicher?
Der in der z 22 zun ersten Mal in einera Zuse - Rechner eingesetzte 'l
Ferritkernspeicher soll hier in seiner Funktionswei.se näher beschrieben
werden.
Ein Ri.ng aus ferxo$agnetischem I'lateri.al, z.B. Eisen. 1ägt sich durch die
magnetische liirkung eines stromdurchflossenen Leiters in zwei Richtungen
nagnetisieren, je nachden, in welehe Richtung der Strom fliegt. Oiäse
Magnetisierung hält aufgründ der beiden stabilen Renanenzzustänile des
Ferritrnateri.ars an. Darnit ist der Ferritring (=Eerri.tkern) in der Lage, eine
rnformation zu speichern. Friept nun in den strondurchflossenen Leiter ein
Strom in entgegengesetzter Richtung, so wird ab einer aler entsprechenden
Hysteresekurve zu entnehmenden nagnetischen Feldstärke H eine
umnagnetisierung des ferritkerns die Folge sein. Erreieht iler stron nicht
die stärke, un die not{endige nragnetische Ferdstärke aufbauen zu können,
passiert überhaupt nichts.
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Abb.2: Skizzg eines Ferritrings nit
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rondurcht los senen Lei t et,
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In einen Kernspeicher sind viele ferritringe (b1au) in einem Drahtgitter
angeordnet (schwarz). l{enn nun z.B. durch den Schreibdraht der Zeile II
den der Spalte 3 ein Strorn flie9t, verden von den magnetischen Feld
fli.e$enden Strornes 11 Ferritringe betroffen.
Der schraffierte Ring ist
sogar doppelt betroffen.
Nun sind die Ströme
bemessen, daß nur
diesen Ferri!ring, in
sich die
so
in
dem
Stronwirkungen
addieren, das entstehende
I'lagnetfeld ausreicht,
und
des
den
Ferritring zu nagnet isieren. Die anderen Ringe
bleiben aufgrund cler z\
geringen magnetischen
Feldstärke unbeeinf 1ußt.
Die so geschriebene In-
formation kann nun mit
ej-nem Trick gelesen wer-
den. I'tan rnagnetisiert
dazu den zu lesenden Fer-
ritring noch einmal in
einer bestiftrnten Richtung, llenn er vorher in
der anderen Richtung
magnetisiert \{ar, entsteht in der sog. Leseleitung (rot) eine In-
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duktionsspannung. l,lar er
vorher in ilerselben Richtung nagnetisiert, ent-
steht diese Spannungf
Abb.3 : Ferritringe in verdrahteter
Gi t t eranordnung
nicht. Auf diese l{eise
kann die Leseleitung die
Inforrnation des Ferrj.trings in eine Spannung unwandeln, clie dann von der
weiteren Elektronik ausgewertet werden kann, Durnrnerweise ist aber durch den
Iresevorgang die Infornration irn Ferritring geIöscht worden. Sie irird aber
sofort neu geschrieben, indeur das Steuerwerk des Speichers einen unrgekehrten
Strom durch die Schreibleitungen (schwarz) schickt. Im falle, da$ der Lesevorgang die Infornation verändert hat. wird der Ring nun vieder nnnaqnetisiert. Im Falle, dap cler Lesevorgang die Inforrnation nicht verändert hat,
wird eine Neurnagnetisierung durch einen zur Schreibleitung in der Inhibitleitung (grün) entgegensetzt verlaufenden Strosr verhindert.
Eine Infornationseinheit in einen Ferritkernspeicher hat eine Zugriffszeit
von etlra 1 l{ikrosekunde (= 0,000 001 Sekunden).
Ein solcher Ferritkernspeicher ist z.B, in der Z 22, cler Z 23 und der Z 25
eingebaut gewesen. Da ich nur einen Speicher der Z 25 auseinandernehmen
konnte, möchte ich hier den Ferrritkernspeicher iler Z 25 näher beschreiben.
Der Speicher d,er Z 22 ist aber mit Sicherheit ähnlich aufgebaut.
Der Speicher d,er Z 25 besteht aus 19 Schichten rnit lauter aufgefädelten
ferri tringen.
Auf einer solchen Ebene dieses Ferritkernspeichers sind 64 x 64 Ferritringe
ilünnen Kupferdrähten aufgefädelt, d.h. es gibt insgesanrt 4.096 I'löglichkeiten, ein Ja oder Nein bzw, eine L oder 0 zu speichern.
I Nun stelle man sich die Schwierigkej-t vor. auf diesen feld eine Zahls otler
ei.nen Befehl, kurz "l{ort" genannt, das dort binär abgespeichert ist,
zu
suchen - nan benötigte einen eigenen Speicher. un den Abspeicherplatz zu
auf
speichern.
sich folgendes
l.Jeder Spej.cherplatz solI so viele
binäre SteIlen enthalten , rrie die I
llortlänge beträgt. Die Z 25 hat eine
llortlänge von 18 bit. somit uhfapt
ein Speicherplatz 18 Ferritringe.
wie
Und selbst rsenn die Zah1,
z,B. ilie 5, a1s duale 101 nur drei
Ferritringe benötigte. oralnet man
ihr 18 zu. damit nan wei9. wann das
nächste l{ort anfängt.
2. Diese 18 lerritringe sitzen nicht
in einer Reihe auf einer Ebene,
sondern 18 Ebenen bil-ilen einen
Stapel, uncl die Ferritringe der x*
ten Spalte unrl der y-ten Zeile jeiler
Ebene bilden zusammen die 18-stellige Dualzahl. Ferner gibt es eine
L9. f,bene, in der zu Kontrollzwecken
die Quersunme abgespeichert ist.
Ein l{ort wiril synchron in allen
Ebenen geschrieben. Daher sinil alle
Leseleitungen in allen Ebenen miteinander verbunden und die detaillierte Ansteuerung eines Ferritrings
in einer Ebene wircl <lurch ilie Inhibitleitung errnögrlicht. Uan benötigt
sonit statt 64 x 2 x 18 = 2.304 nach
außen geführten Drähten zun SchreiAbb.4: Ferritringspeicher der Z 25.
ben nur derer 64 x 2 + 18 = L46
(Kontrollbit nicht nitberechnet).
Die 4.096 Ferritringe einer f,bene und 18 Ebenen übereinander errnöglichen nit
4.096 x 18 = 73.728 Ferritringen 4.096 "!lörter", d.h. 4.096 Zahlen oder
Daten abzuspeichern. Solch ein BLock nit 18 (bzr,r. 19) Ebenen ist in einem
der 3 grauen Kästen untetfinr Rechnerschrank der Z 25 (genäp: Wehrig S.51f /
Valvo, Ri.ngkerne / llempef, 5.22f.f..\.
Daher hat man
ausgedacht:
8.3.3.2.2.2. I{ie sich die Ferritringspeichertechnik entwickel.t hat
In Jahre 1952 erfanden Forrester und Rajchnan den Ferritkern (Veelken, S.5768 in: Graef)
Bereits 1951 naren ähnliche Bandringkerne votr der Firna Vacuurnschnelze in
Hanau (Hessen) entwickelt worden.
Die Zeit um eine Infornation zu lesen und wieder zu spei.chern, tlie sog.
Zykluszeit steigerte sich von anfänglich 50-100 Us über 2-4 lrs }titte
der 60er Jahre bis hin zu 500 Nanosekunden Anfang der 70er Jahre. Dies
konnte durch eine VerkLeinerung der Ferritringe von nehleren Iillirretern
Aupendurchoesser bis auf 0,5 mn Au$en- und 0,3 rnrn Innenclurchnesser erreicht
werden.
Die Zykluszeit von
llOS
etwa 500 Nanosekunilen.
Technologie-speichern liegt ebenfalls irr Bereich von