Axel Bruns - Die Geschichte des Computers

die Recheneinheit (arithmetisch-logische Einheit (ALU)),

die Steuereinheit,

die Buseinheit,

den Speicher sowie

die Eingabe- und Ausgabeeinheit(en).

In den heutigen Computern sind die ALU und die Steuereinheit meistens zu einem Baustein verschmolzen, der so genannten CPU (Central Processing Unit, zentraler Prozessor).Der Speicher ist eine Anzahl von durchnummerierten „Zellen“; jede von ihnen kann ein kleines Stück Information aufnehmen. Diese Information wird als Binärzahl, also eine Abfolge von ja/nein-Informationen im Sinne von Einsen und Nullen, in der Speicherzelle abgelegt. Ein Charakteristikum der Von-Neumann-Architektur ist, dass diese Binärzahl (bspw.: 01000001, was der Dezimalzahl 65 entspricht) entweder ein Teil der Daten (also z. B. die Zahl 65 oder der Buchstabe A) oder ein Befehl für die CPU (oben erwähnter „bedingter Sprung“) sein kann.Wesentlich in der Von-Neumann-Architektur ist, dass sich Programm und Daten einen Speicherbereich teilen (dabei belegen die Daten in aller Regel den unteren und die Programme den oberen Speicherbereich).Demgegenüber stehen in der sog. Harvard-Architektur Daten und Programmen eigene (physikalisch getrennte) Speicherbereiche zur Verfügung, dadurch können Daten-Schreiboperationen keine Programme überschreiben.In der Von-Neumann-Architektur ist die Steuereinheit dafür zuständig, zu wissen, was sich an welcher Stelle im Speicher befindet. Man kann sich das so vorstellen, dass die Steuereinheit einen „Zeiger“ auf eine bestimmte Speicherzelle hat, in der der nächste Befehl steht, den sie auszuführen hat. Sie liest diesen aus dem Speicher aus, erkennt zum Beispiel „65“, erkennt dies als „bedingter Sprung“. Dann geht sie zur nächsten Speicherzelle, weil sie wissen muss, wohin sie springen soll. Sie liest auch diesen Wert aus und interpretiert die Zahl als Nummer (so genannte Adresse) einer Speicherzelle. Dann setzt sie den Zeiger auf ebendiese Speicherzelle, um dort wiederum ihren nächsten Befehl auszulesen; der Sprung ist vollzogen. Wenn der Befehl zum Beispiel statt „bedingter Sprung“ lauten würde „Lies Wert“, dann würde sie nicht den Programmzeiger verändern, sondern aus der in der Folge angegebenen Adresse einfach den Inhalt auslesen, um ihn dann beispielsweise an die ALU weiterzuleiten.

Die ALU hat die Aufgabe, Werte aus Speicherzellen zu kombinieren. Sie bekommt die Werte von der Steuereinheit geliefert, verrechnet sie (addiert beispielsweise zwei Zahlen, welche die Steuereinheit aus zwei Speicherzellen ausgelesen hat) und gibt den Wert an die Steuereinheit zurück, die den Wert dann für einen Vergleich verwenden oder wieder in eine dritte Speicherzelle zurückschreiben kann.Die Ein-/Ausgabeeinheiten schließlich sind dafür zuständig, die initialen Programme in die Speicherzellen einzugeben und dem Benutzer die Ergebnisse der Berechnung anzuzeigen.

Die Von-Neumann-Architektur ist gewissermaßen die unterste Ebene des Funktionsprinzips eines Computers oberhalb der elektrophysikalischen Vorgänge in den Leiterbahnen. Die ersten Computer wurden auch tatsächlich so programmiert, dass man die Nummern von Befehlen und von bestimmten Speicherzellen so, wie es das Programm erforderte, nacheinander in die einzelnen Speicherzellen schrieb. Um diesen Aufwand zu reduzieren, wurden Programmiersprachen entwickelt. Diese generieren die Zahlen innerhalb der Speicherzellen, die der Computer letztlich als Programm abarbeitet, aus Textbefehlen heraus automatisch, die auch für den Programmierer einen semantisch verständlichen Inhalt darstellen (z. B. GOTO für den „unbedingten Sprung“).Später wurden bestimmte sich wiederholende Prozeduren in so genannten Bibliotheken zusammengefasst, um nicht jedes Mal das Rad neu erfinden zu müssen, z. B.: das Interpretieren einer gedrückten Tastaturtaste als Buchstabe „A“ und damit als Zahl „65“ (im ASCII-Code). Die Bibliotheken wurden in übergeordneten Bibliotheken gebündelt, welche Unterfunktionen zu komplexen Operationen verknüpfen (Beispiel: die Anzeige eines Buchstabens „A“, bestehend aus 20 einzelnen schwarzen und 50 einzelnen weißen Punkten auf dem Bildschirm, nachdem der Benutzer die Taste „A“ gedrückt hat).In einem modernen Computer arbeiten sehr viele dieser Programmebenen über- bzw. untereinander. Komplexere Aufgaben werden in Unteraufgaben zerlegt, die von anderen Programmierern bereits bearbeitet wurden, die wiederum auf die Vorarbeit weiterer Programmierer aufbauen, deren Bibliotheken sie verwenden. Auf der untersten Ebene findet sich aber immer der so genannte Maschinencode – jene Abfolge von Zahlen, mit der der Computer auch tatsächlich gesteuert wird.

Die Vorläufer des modernen Computers

Die Computertechnologie entwickelte sich im Vergleich zu anderen Elektrogeräten sehr schnell. Die Geschichte der Entwicklung des Computers reicht zurück bis in die Antike und ist damit wesentlich länger als die Geschichte der modernen Computertechnologien und mechanischen bzw. elektrischen Hilfsmitteln (Rechenmaschinen oder Hardware). Sie umfasst dabei auch die Entwicklung von Rechenmethoden, die etwa für einfache Schreibgeräte auf Papier und Tafeln entwickelt wurden. Im Folgenden wird entsprechend versucht, einen Überblick über diese Entwicklungen zu geben.

Zahlen als Grundlage der Computergeschichte

Das Konzept der Zahlen lässt sich auf keine konkreten Wurzeln zurückführen und hat sich wahrscheinlich mit den ersten Notwendigkeiten der Kommunikation zwischen zwei Individuen entwickelt. Man findet in allen bekannten Sprachen mindestens für die Zahlen eins und zwei Entsprechungen. Auch in der Kommunikation von vielen Tierarten (etwa verschiedener Primaten, aber auch Vögeln wie der Amsel) lässt sich die Möglichkeit der Unterscheidung unterschiedlicher Mengen von Gegenständen feststellen.Die Weiterentwicklung dieser einfachen numerischen Systeme führte wahrscheinlich zur Entdeckung der ersten mathematischen Rechenoperation wie der Addition, der Subtraktion, der Multiplikation und der Division bzw. auch der Quadratzahlen und der Quadratwurzel. Diese Operationen wurden formalisiert (in Formeln dargestellt) und dadurch überprüfbar. Daraus entwickelten sich dann weiterführende Betrachtungen, etwa die von Euklid entwickelte Darstellung des größten gemeinsamen Teilers.Im Mittelalter erreichte das Indische Zahlensystem über den arabischen Raum (deswegen fälschlicherweise als Arabisches Zahlensystem bekannt) Europa und erlaubte eine größere Systematisierung bei der Arbeit mit Zahlen. Die Möglichkeiten erlaubten die Darstellung von Zahlen, Ausdrücke und Formeln auf Papier und die Tabellierung von mathematischen Funktionen wie etwa der Quadratwurzeln rsp. des einfachen Logarithmus sowie der Trigonometrie. Zur Zeit der Arbeiten von Isaac Newton war Papier und Velin eine bedeutende Ressource für Rechenaufgaben und ist dies bis in die heutige Zeit geblieben, in der Forscher wie Enrico Fermi seitenweise Papier mit mathematischen Berechnungen füllten und Richard Feynman jeden mathematischen Schritt mit der Hand bis zur Lösung berechnete, obwohl es zu seiner Zeit bereits programmierbare Rechner gab.

Das früheste Gerät, das in rudimentären Ansätzen mit einem heutigen Computer vergleichbar ist, ist der Abakus, eine mechanische Rechenhilfe, die vermutlich um 1100 v. Chr. im indochinesischen Kulturraum erfunden wurde. Der Abakus wurde bis ins 17. Jahrhundert benutzt und dann von den ersten Rechenmaschinen ersetzt. In einigen Regionen der Welt wird der Abakus noch immer als Rechenhilfe verwendet. Einem ähnlichen Zweck diente auch das Rechenbrett des Pythagoras.Bereits im 1. Jh. v. Chr. wurde mit dem Computer von Antikythera die erste Rechenmaschine erfunden. Das Gerät diente vermutlich für astronomische Berechnungen und funktionierte mit einem Differentialgetriebe, einer erst im 13. Jahrhundert wiederentdeckten Technik.Mit dem Untergang der Antike kam der technische Fortschritt zum Stillstand und in den Zeiten der Völkerwanderung ging viel Wissen verloren (so beispielsweise auch der Computer von Antikythera, der erst 1902 wiederentdeckt wurde). Das Mittelalter schließlich hemmte den technischen Fortschritt. Doch ab der Neuzeit begann sich der Motor des technischen Fortschritts wieder langsam zu drehen und beschleunigte fortan – und dies tut er bis heute.1614 publizierte John Napier seine Logarithmentafel und 1623 baute Wilhelm Schickard die erste Vier-Spezies-Maschine und damit den ersten mechanischen Rechner der Neuzeit, wodurch er bis heute zum „Vater der Computerära“ wurde. Seine Konstruktion basierte auf dem Zusammenspiel von Zahnrädern, die im Wesentlichen aus dem Bereich der Uhrmacherkunst stammten und dort genutzt wurden, wodurch seine Maschine den Namen „rechnende Uhr“ erhielt. Praktisch angewendet wurde die Maschine von Johannes Kepler bei seinen astronomischen Berechnungen.1642 folgte Blaise Pascal mit seiner Rechenmaschine, der Pascaline. 1668 entwickelte Samuel Morland eine Rechenmaschine, die erstmals nicht dezimal addierte, sondern auf das englische Geldsystem abgestimmt war. 1673 baute Gottfried Wilhelm Leibniz seine erste Vier-Spezies-Maschine und erfand 1703 das binäre Zahlensystem (Dualsystem), das später die Grundlage für die Digitalrechner und darauf aufbauend die digitale Revolution wurde.1805 entwickelte Joseph-Marie Jacquard Lochkarten, um Webstühle zu steuern.