Elektronische Datenverarbeitungsanlagen: Band 1 Einführung in Aufbau und Arbeitsweise [Reprint 2020 ed.] 9783112320761, 9783112309575

Table of contents :
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
1. Mechanisierung und Automatisierung der Büroarbeit
2. Geschichtliche Entwicklung
3. Grundlagen der elektronischen Rechentechnik
4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen
5. Elektronische Datenverarbeitungsanlagen in der Bundesrepublik
Literaturverzeichnis
Begriffserklärungen
Sachregister

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HORST FUTH

ELEKTRONISCHE DATENVERARBEITUNGSANLAGEN BAND I E I N F Ü H R U N G IN AUFBAU UND ARBEITSWEISE

M I T 128 A B B I L D U N G E N ZAHLREICHEN

UND

BEISPIELEN

R . O L D E N B O U R G - M Ü N C H E N - W I E N 1964

© 1964 R. Oldenbourg, München Alle Rechte vorbehalten. Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, das Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) zu vervielfältigen. Gesamtherstellung: Graphische Betriebe Dr. F. P. Datterer & Cie. - Inh. Sellier - Freising Printed in Germany

Inhaltsverzeichnis Vorwort 1. 1.1 1.2 1.21 1.22 1.221 1.222

9 11 11 12 12 12 12

1.3

Mechanisierung und Automatisierung der Büroarbeit Die drei Stufen der Büroarbeit Arten der Datenverarbeitung Manuelle Datenverarbeitung Maschinelle Datenverarbeitung Mechanisierung mit konventionellen Lochkartenmaschinen . . Automatisierung mit elektronischen Datenverarbeitungsanlagen Möglichkeiten, Ziele und Grenzen der Büroautomation . . .

2. 2.1 2.2 2.3

Geschichtliche Entwicklung Erste Periode: Mechanische Rechenmaschinen Zweite Periode: Konventionelle Lochkartenmaschinen . . . . Dritte Periode: Elektronische Datenverarbeitungsanlagen . .

16 16 18 20

3. 3.1 3.2 3.3 3.31 3.32 3.33 3.34

Grundlagen der elektronischen Rechentechnik Kybernetik — Die Lehre von der Regelung und Steuerung Elektronische Bauelemente Das binäre Zahlensystem Dezimal- und Binärsystem Das reine Dualsystem (Leibniz-System) Binär verschlüsselte Dezimalsysteme Darstellung nichtnumerischer Zeichen

25 25 25 30 30 30 32 34

4.

Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen Ein- und Ausgabegeräte Aufgaben Typen der Ein- und Ausgabegeräte Geräte für die Ein- und Ausgabe von Einzelinformationen . . Geräte für die automatische Ein- und Ausgabe Lochkartenlesegeräte Lochkartenstanzgeräte Lochstreifenlesegeräte Lochstreifenstanzgeräte Lesegeräte für maschinell lesbare Schriften Magnetbandgeräte

36 38 38 39 39 41 41 45 47 49 50 54

4.1 4.11 4.12 4.121 4.122 4.1221 4.1222 4.1223 4.1224 4.1225 4.1226

13 14

6

Inhaltsverzeichnis

4.1227 Zeilendrucker 4.1228 Geräte für die Direktübertragung von Informationen . . . . 4.13 Maßnahmen zur Steigerung der Ein- und Ausgabegeschwindigkeit 4.131 Neue und schnellere Ein- und Ausgabegeräte 4.132 Änderung des maschinellen Ablaufs 4.1321 Ungepufferte und gepufferte Ein- und Ausgabe 4.1322 Ein- und Mehrkanalsysteme 4.1323 On Line- und Off Line-Verfahren 4.2 Speicher 4.21 Aufgaben 4.22 Interne Speicher (Hauptspeicher) 4.221 Magnettrommelspeicher 4.222 Magnetkernspeicher 4.223 Dünnschichtspeicher 4.23 Externe Speicher (Zusatzspeicher) 4.231 Wechselbare Speicher ohne wahlfreien Zugriff 4.2311 Lochkarte, Lochstreifen und Belege mit maschinell lesbarer Schrift 4.2312 Magnetbandspeicher 4.232 Nicht wechselbare Speicher mit wahlfreiem Zugriff 4.2321 Großraumtrommelspeicher 4.2322 Magnetplattenspeicher 4.233 Wechselbare Speicher mit wahlfreiem Zugriff 4.2331 Magnetplattenspeicher mit wechselbaren Platten 4.2332 Magnetkartenspeicher 4.2333 Magnetbandspeicher mit Direktzugriff 4.24 Maßnahmen zur Verminderung der Zugriffszeit 4.241 Neue und schnellere Speicher 4.242 Seriale und parallele Informationsübertragung 4.3 Recheneinheit 4.31 Aufgaben 4.32 Die vier Grundrechnungsarten 4.321 Addition 4.322 Subtraktion 4.323 Multiplikation 4.324 Division 4.33 Rechnen mit festem und gleitendem Komma 4.331 Anlagen ohne Gleitkommaeinrichtung 4.332 Anlagen mit Gleitkommaeinrichtung 4.34 Maßnahmen zur Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit 4.341 Neue und schnellere Schaltelemente 4.342 Änderung des maschinellen Ablaufs 4.3421 Seriale, parallele und simultane Datenverarbeitung

55 62 63 64 64 64 67 69 70 70 73 74 77 81 84 85 86 86 94 95 96 99 99 102 103 104 105 105 107 107 109 109 113 117 118 118 118 120 122 122 123 123

Inhaltsverzeichnis

4.3422 Parallelverarbeitung mehrerer Programme und automatische Vorrangsteuerung 4.4 Steuerwerk 4.41 Aufgaben 4.42 Interne Steuerungsfunktionen 4.421 Aligemeine Steuerung 4.422 Programmsteuerung 4.4221 Instruktionsaufbau 4.4222 Befehlsgruppen 4.4223 Instruktions-und Ausführungszyklus 4.43 Externe Steuerungsmaßnahmen 4.44 Steuerpulteinrichtungen 5. 5.1 5.2 5.21 5.22 5.23

Elektronische Datenverarbeitungsanlagen in der Bundesrepublik Einteilung Typenübersicht Kleine Systeme Mittelgroße Anlagen Großanlagen

7

124 125 125 125 125 126 126 181 135 135 136 138 138 139 139 141 147

Anlagen Literaturverzeichnis

152

Begriffserklärungen

155

Sachregister

167

Vorwort Der Einsatz elektronischer Datenverarbeitungsanlagen in den Unternehmen der Wirtschaft und in der öffentlichen Verwaltung hat in den letzten Jahren einen bedeutenden Umfang erreicht. Nach neuesten Untersuchungen sind nahezu 2000 elektronische Systeme in der Bundesrepublik eingesetzt oder bestellt. So wird es verständlich, daß das Thema Büroautomation - vorwiegend als wirtschaftliches und soziales Problem - ein nicht geringes Interesse in der Öffentlichkeit findet. Die Schlagzeilen der Sensationspresse wie ,,Die Roboter sind, unter uns", „Das menschenleere Büro von morgen", „Der Aufstand der Maschinen" oder ,,Elektronengehirne vollbringen Wunder" tragen dazu bei, ein Gemisch aus Angst und Ehrfurcht vor der neuen Technik zu wecken. So sicher es keine Zweite Industrielle Revolution mit allen furchtbaren Folgen geben wird, so gewiß ist eine grundlegende Änderung des personellen und organisatorischen Aufbaus im Büro zu erwarten. Während das Schwergewicht der wirtschaftlichen und sozialen Folgen der Büroautomation in der Zukunft liegen wird, zählt der Mangel an qualifizierten Fachkräften bereits zu den Problemen der Gegenwart. Es mangelt nicht nur an guten Organisatoren, Programmierern und Bedienern, es fehlt auch eine breite Schicht kaufmännischer Angestellter, die eine notwendige elementare Kenntnis von der Funktionsweise und Einsatzmöglichkeit der neuen Technik besitzt. Um so mehr ist es zu bedauern, daß es in der Bundesrepublik kaum eine günstige Möglichkeit gibt, sich über diese Fragen zu informieren. Die Ausbildung des Nachwuchses wird fast ausschließlich von den Herstellerfirmen getragen, wobei naturgemäß die Programmierung des betreffenden Systems im Vordergrund steht. Der Verfasser wendet sich mit der vorliegenden Arbeit und den beiden folgenden Bänden ,,Die Organisation der elektronischen Datenverarbeitung" und „Die Programmierung elektronischer Datenverarbeitungsanlagen" in erster Linie an den Nachwuchs und den kaufmännisch Vorgebildeten, der sich ernsthaft mit dem Einsatz elektronischer Datenverarbeitungsanlagen und den damit zusammenhängenden Problemen befassen will. E r hofft, daß es ihm gelungen ist, die wertvollen Erfahrungen, die er als Leiter und Dozent der Seminare über elektronische Datenverarbeitung an der Volkshochschule Köln, an der Technischen Akademie Wuppertal, und bei der Gesellschaft für technisch-wissenschaftliche Fortbildung e.V., Köln, sammeln konnte, für die Aufbereitung und Darstellung des Stoffes zu verwerten.

10

Vorwort

Herrn Direktor H E I N Z STRAGHOLZ, dem Leiter der Volkshochschule Köln, bin ich für seine Hilfe bei der Einrichtung und Durchführung der Seminare an der Volkshochschule besonders verpflichtet. Seiner Aufgeschlossenheit ist es zu danken, daß allen Interessenten ständig Gelegenheit geboten wird, sich die Grundkenntnisse der elektronischen Datenverarbeitung in Abendkursen anzueignen. Damit hat Herr STRAGHOLZ auch letztlich zum Gelingen dieser Schriften beigetragen. Herrn Dipl.-Kfm. KARL SCHAFFER, Köln, danke ich für die Durchsicht des Manuskripts. Die Unternehmen B U L L Deutschland Lochkartenmaschinen GmbH, Köln, FACIT GmbH Büromaschinenwerk, Düsseldorf, IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH, Sindelfingen, I . C . T . International Computers and Tabulators GmbH, Düsseldorf, NCR National Registrier Kassen GmbH, Frankfurt/Main, The Rank Organisation, Rank Data Systems Division, London, Remington Rand Univac, Abteilung der Remington Rand GmbH, Frankfurt/Main, Siemens & Halske Aktiengesellschaft, München, und Zuse KG, Bad Hersfeld, haben mich in großzügiger Weise mit Unterlagen und Bildmaterial für diese Arbeit unterstützt. Köln, im Januar 1964

Horst Futh

1.

Mechanisierung und Automatisierung der Büroarbeit

1.1

Die drei Stufen der Büroarbeit

Die Büro- und Verwaltungsarbeit besteht im wesentlichen darin, die für die Verarbeitung und Auswertung notwendigen Informationen (wir nennen sie in der Fachsprache ,,Daten") zu sammeln, sie zu verarbeiten und die Ergebnisse der Verarbeitung auszuwerten. Bei den Informationen, die in einer e r s t e n S t u f e der Büroarbeit erfaßt werden, handelt es sich um externe Geschäftsvorfälle (Kundenaufträge, Zahlungseingänge, Lieferantenrechnungen usw.) und um interne Daten (z.B. Lohn- und Materialscheine, Fabrikaufträge, Produktionsergebnisse, Rechnungen). Sollen diese Daten anschließend durch Maschinen verarbeitet werden, so sind sie noch in maschinell lesbare Belege (auch Datenträger genannt), beispielsweise Lochkarte oder Lochstreifen, zu übertragen. Abgesehen von den begrenzten Möglichkeiten der maschinellen Datenträgergewinnung ist das Sammeln und Übertragen der Daten eine vorwiegend manuelle Tätigkeit. Die z w e i t e S t u f e der Büroarbeit befaßt sich mit der Verarbeitung der gesammelten und übertragenen Informationen. Erst in jüngster Zeit ist dafür der Begriff „ D A T E N V E R A R B E I T U N G " aufgekommen, unter dem wir ganz allgemein die Umformung und Verarbeitung der Daten (das sind Ziffern, Buchstaben und gewisse Sonderzeichen) verstehen. Eine solche Datenverarbeitung umfaßt eine meist große Anzahl gleichförmiger Vorgänge wie Lesen, Rechnen, Buchen, Vervielfältigen, Übertragen, Ändern und Schreiben. Diese Tätigkeiten können nun von Hand, durch Hilfsmaschinen oder maschinell mit herkömmlichen Lochkartenmaschinen bzw. elektronischen Datenverarbeitungsanlagen ausgeführt werden. Der Datenverarbeitung schließt sich in einer d r i t t e n S t u f e die Auswertung der gewonnenen Ergebnisse an. Wie beim Sammeln und Übertragen der Daten, so handelt es sich auch hier um eine Tätigkeit, die als Disposition und Entscheidung dem Menschen vorbehalten ist. Keine Maschine kann letztlich entscheiden, ob und wieviel in einem Unternehmen investiert werden soll. Das wird immer Aufgabe des Menschen bleiben. Sie kann ihn aber in kürzester Zeit mit den erforderlichen Unterlagen für eine solche Entscheidung versorgen.

12

1. Mechanisierung und Automatisierung der Büroarbeit

1.2

Arten der Datenverarbeitung

1.21

MANUELLE DATENVERARBEITUNG

Bei der manuellen Datenverarbeitung sammelt der Sachbearbeiter nicht nur die notwendigen Informationen, er verarbeitet sie auch und wertet die Ergebnisse anschließend aus. Der Mensch führt jede Arbeitsstufe selbst durch. Er verfolgt den Arbeitsablauf und kontrolliert, ob jeder Schritt in der vorgeschriebenen Weise erfolgt ist. Der Einsatz arbeitssparender Büromaschinen wie Schreib- und Rechenmaschinen, Vervielfältigungsapparate, maschinelle Brieföffner und Frankiermaschinen, Buchungsmaschinen u. a. ändert nichts daran, daß die Durchführung der Aufgaben innerhalb eines Arbeitsablaufes vorwiegend dem Menschen obliegt. Die genannten Maschinen sind nur organisatorische und technische Hilfsmittel, die einzelne Arbeitsoperationen - Schreiben, Rechnen, Vervielfältigen, Buchen usw. - übernehmen. Alle Maschinen müssen während des Arbeitsprozesses vom Menschen bedient und gesteuert werden. 1.22

MASCHINELLE DATENVERARBEITUNG

Wenn mindestens die Ausführung der Arbeit eines Aufgabengebietes von Maschinen übernommen wird, so bezeichnet man dieses Verfahren als maschinelle Datenverarbeitung. Die maschinelle Datenverarbeitung umspannt den weiten Bereich von der Mechanisierung einzelner Arbeiten mit Hilfe von Lochkartenmaschinen bis zur integrierten Automation ganzer Arbeitsbereiche durch elektronische Großanlagen. 1.221

M e c h a n i s i e r u n g mit k o n v e n t i o n e l l e n maschinen

Lochkarten-

Der Einsatz konventioneller (oder herkömmlicher) Lochkartenmaschinen macht es möglich, einzelne Arbeitsgebiete weitgehend zu mechanisieren. Diese Maschinen sind in der Lage, Arbeiten wie Sortieren, Mischen, Duplizieren, Rechnen und Schreiben nach erfolgter Einstellung selbständig durchzuführen. Gleichförmige Arbeiten werden - gemessen am manuellen Prozeß mit hoher Geschwindigkeit erledigt. Dem Vorteil der schnelleren und sicheren Verarbeitung steht der Nachteil gegenüber, daß Lochkartenmaschinen die Daten nicht gleichzeitig nach verschiedenen Merkmalen auswerten können. Eine beträchtliche Zahl zusätzlicher Maschinendurchläufe reduziert so den erhaltenen Nutzen. Der Anschluß elektronisch arbeitender Rechengeräte erhöht zwar die Geschwindigkeit schwieriger Rechenvorgänge noch weiter, um eine Automatisierung handelt es sich jedoch nicht, da es nicht möglich ist, geschlossene Aufgabengebiete selbsttätig und kontrolliert ablaufen zu lassen. Der Mensch steuert und überwacht nach wie vor den Gesamtprozeß.

1.222 A u t o m a t i s i e r u n g m i t elektronischen D a t e n v e r a r b e i t u n g s a n l a g e n

1.222

Automatisierung tungsanlagen

mit

elektronischen

13

Datenverarbei-

Nach MROSS*) ist eine „Automatisierung erst dann erreicht, wenn es sich um eine Kette selbsttätig ablaufender, sich selbst regelnder Arbeitsvorgänge handelt, die frei von Unterbrechungen ist und keine Einschnitte hat, die von manuellen oder technischen Hilfsmitteln überbrückt oder ausgefüllt werden müssen. Zur Selbsttätigkeit des Arbeitsprozesses muß noch die Fähigkeit treten, ohne menschliche Intervention und ohne menschliche Sinnesleistungen auf Grund eingegebener Instruktionen logische Entscheidungen zu treffen, Entscheidungen, die zwar keine schöpferischen Denkleistungen darstellen, aber ein selbsttätiger Vorgang sind, der weder menschliche Aufmerksamkeit noch geistige Anstrengung erfordert. Arbeitsvorgänge, die nur an verschiedenen Stellen oder abschnittweise automatisch ablaufen, tragen noch nicht das Merkmal der Automatisierung." Der Begriff „ A u t o m a t i o n " stammt aus dem Bereich der industriellen Produktion und wird dem Vizepräsidenten der Ford Motor Company, D. S. H Ä R D E R , zugeschrieben. Nach anderen Angaben fand J O H N DIEBOLD, Verfasser des Buches ,,Die automatische Fabrik", das englische Wort automatization schlecht buchstabierbar und hat es deshalb auf automation verkürzt. In der deutschen Sprache wird versucht, dafür das Wort Automatisierung zu setzen, doch scheint sich die Wortprägung Automation stärker einzuführen. Bei der Automation (oder Automatisierung) wird nicht nur die Ausführung der Arbeit vollständig von Maschinen übernommen, Maschinen steuern auch die einzelnen Arbeitsgänge und kontrollieren und überwachen den gesamten Arbeitsablauf. Es ist der Zweck der Automation, den Menschen als Steuerungs- und Kontrollelement auszuschalten, weil seine Arbeitsleistung nicht gleichbleibend gut, nicht schnell genug und zu teuer ist. Unter dem Ausdruck Elektronische Datenverarbeitung (EDV) - englisch: Electronic Data Processing (EDP) - wird der Einsatz Elektronischer Datenverarbeitungsanlagen (EDVA) - Electronic Data Processing Machines (EDPM) - im Bereich der Wirtschaft und der öffentlichen Verwaltung verstanden. Erst diese Anlagen sind fähig, die automatische und integrierte Datenverarbeitung eines vollständigen Aufgabengebietes durchzuführen und damit die Automatisierung der Büro- und Verwaltungsarbeit zu verwirklichen. Hierbei muß allerdings eine deutliche Einschränkung gemacht werden. Nicht alle elektronischen Datenverarbeitungsanlagen sind in der Lage, die Büro- und Verwaltungstätigkeit zu automatisieren und zu integrieren. Kleinere elektronische Systeme (auch manchmal als Konventionelle Elektronik bezeichnet) können zwar - verglichen mit herkömmlichen Lochkartenmaschinen - die Anzahl der Maschinendurchläufe wesentlich verringern und die Arbeiten automatisch steuern und kontrollieren, die Auto*) MROSS, Max, A u t o m a t i o n der Büro- u n d V e r w a l t u n g s a r b e i t , Albis Verlag G m b H , 1956, Seite 11.

14

1. Mechanisierung und Automatisierung der Büroarbeit

matisierung mehrerer Aufgabengebiete ist aber nicht möglich. Nach wie vor sind bei diesen - vorwiegend auf Lochkartenbasis arbeitenden - Systemen manuelle Tätigkeiten (Ziehen von Stammkarteien) und lochkartenmaschinelle Vor- und Nacharbeiten (Sortieren, Mischen, Duplizieren, Beschriften u.a.) erforderlich. Eine automatisierte und integrierte (das heißt: organisatorisch zusammengefaßte) Datenverarbeitung eines oder mehrerer geschlossener Aufgabengebiete läßt sich erst in die Tat umsetzen, wenn eine größere elektronische Datenverarbeitungsanlage mit der entsprechenden Ausrüstung (Magnetband- und andere Großraumspeicher, mehrere Ein- und Ausgabegeräte mit Mehrkanalübertragung, simultane Arbeitsweise, Vorrangsteuerung usw.) eingesetzt ist. Alle Stammdaten (Kunden- und Lieferantenkarteien, Lagerbestände, Konten, Tabellen u.a.) werden ständig in Großraumspeichern aufbewahrt, während man der Anlage nur die sich laufend ändernden Informationen (Aufträge und Bestellungen, Produktionsergebnisse, Materialzu- oder -abgänge, Lohndaten, Zahlungsein- oder -ausgänge usw.) zuführt. Elektronische Datenverarbeitungsanlagen dieser Größenordnung können bereits zu Beginn des betrieblichen Datenflusses eingesetzt werden und den gesamten Verwaltungsablauf in einem Unternehmen steuern, kontrollieren und überwachen. Bei dieser Form der elektronischen Datenverarbeitung, die man Integrierte Datenverarbeitung (IDV) - Integrated Data Processing (IDP) - nennt, bleibt die menschliche Arbeitsleistung auf die Erfassung der Daten und ihre Übertragung in maschinell lesbare Belege sowie auf die Verwertung der Ergebnisse der Datenverarbeitung beschränkt. Die Datenverarbeitung selbst wird einschließlich der Steuerung und Kontrolle des Ablaufs von der elektronischen Anlage übernommen; der Mensch übt nur noch die Funktion des Bedieners aus. Dabei darf allerdings nicht übersehen werden, daß es umfangreicher und aufwendiger menschlicher Vorleistungen auf dem Gebiet der Organisation und Programmierung bedarf, um eine solche integrierte, automatische Datenverarbeitung verwirklichen zu können. 1.3

Möglichkeiten, Ziele und Grenzen der Büroautomation

Seit Beginn dieses Jahrhunderts ist der Anteil des Büropersonals an der Gesamtzahl der Beschäftigten stetig gestiegen. Während um die Jahrhundertwende nur knapp 10% aller Beschäftigten im Büro tätig waren, sind es heute nahezu 30%. Die Ursache hierfür liegt in einer starken Zunahme der Büro- und Verwaltungsaufgaben. Neue statistische Methoden sowie das Gebiet der Marktforschung und Planung gewannen an Bedeutung, das Rechnungswesen wurde verfeinert und ausgebaut. Der Staat hat den Unternehmen zusätzliche Aufgaben auferlegt, wobei die schwer zu handhabenden Steuer-, Wirtschafts- und Sozialgesetze dazu beitragen, die Flut der Büroarbeit beträchtlich zu erhöhen.

1.3 Möglichkeiten, Ziele und Grenzen der Büroautomation

15

Eine wirtschaftliche Automatisierung der Büro- und Verwaltungsarbeit setzt einen massenweisen Anfall gleichartiger Daten voraus. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, übernehmen elektronische Anlagen alle Büroarbeiten, die sich regelmäßig wiederholen oder fallweise vorkommen. Darüber hinaus lösen sie Aufgaben auf dem Gebiet der Zukunftsplanung und der Unternehmensforschung (Operations Research), die ohne den Einsatz solcher Maschinen nicht oder nur unter erheblichem Zeit- und Kostenaufwand verwirklicht werden können. Wir dürfen wohl ohne Übertreibung behaupten, daß das Wachstum mancher Unternehmen in den letzten Jahren ohne den Einsatz elektronischer Anlagen in der Verwaltung nicht bzw. nicht in dem Umfang möglich gewesen wäre. Elektronische Datenverarbeitungsanlagen können den Menschen von eintönigen Massen- und Routinearbeiten im Büro befreien. Mit der Automatisierung gehen diese Arbeiten auf das Rechenzentrum über, während den kaufmännischen Angestellten das Sammeln der Daten sowie die dispositive Auswertung der verarbeiteten Informationen verbleibt. Der richtige Einsatz dieser Anlagen wird dazu führen, die Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Büroarbeit spürbar zu verbessern und ein wirksames Instrument für unternehmerische Entscheidungen zu schaffen. Auf der anderen Seite darf nicht übersehen werden, daß ein erheblicher Teil der Informationen im gesamten Wirtschafts- und Verwaltungsbereich nicht das Merkmal der Gleichförmigkeit trägt. Fachleute schätzen, daß überhaupt nur 30 bis 40% aller Verwaltungsaufgaben unter den genannten Voraussetzungen automatisierbar sind.

2.

Geschichtliche Entwicklung

Die geschichtliche Entwicklung, die zum Bau der gegenwärtigen elektronischen Datenverarbeitungsanlagen führte, kann in drei Zeitabschnitte eingeteilt werden. In die erste Periode (1640-1850) fällt die Erfindung handgetriebener mechanischer Rechenmaschinen und die Darstellung des Dualsystems. Es sind außerdem erste Gedanken und Pläne für eine Programmsteuerung und Datenspeicherung zu erkennen. Die zweite Periode umfaßt den Zeitraum von etwa 1880-1930. In dieser Zeit entstehen die bekannten herkömmlichen Lochkartenmaschinen auf mechanischer und elektrischer Grundlage. Darüber hinaus werden die mechanischen Rechenmaschinen verbessert, ihre Bedienung vereinfacht und ihre Geschwindigkeit durch elektrischen Antrieb erhöht. Die Entwicklung vom elektromechanischen Relaisrechner bis zur modernen elektronischen Datenverarbeitungsanlage behandelt die dritte Periode, die etwa 1930 beginnt und noch andauert. Dieser Fortschritt verläuft parallel in den europäischen Ländern und in den Vereinigten Staaten.

2.1

Erste Periode: Mechanische Rechenmaschinen

Dem achtzehnjährigen Franzosen BLAISE PASCAL wurde bislang der Bau der ersten, wirklich arbeitenden Rechenmaschine, die allerdings nur addieren konnte, im Jahre 1641 zugeschrieben. Durch neuere Forschungen ist bekannt geworden, daß der Deutsche WILHELM SCHICKARD ( 1 5 9 2 - 1 6 3 5 ) schon 16'23,

im Geburtsjahre Pascals, in Tübingen eine Rechenmaschine gebaut hat, die Additionen und Subtraktionen durchführte und eine einwandfreie Zehnerübertragung über sechs Stellen gewährleistete. Es war sogar möglich, mit Hilfe einer verstellbaren Einmaleinstafel zu multiplizieren und zu dividieren. Anhand von Briefen und Skizzen gelang es, 1960 ein Modell zu bauen, das die Angaben bestätigt. Eines dieser Modelle steht heute im Tübinger Rathaus. Von dem deutschen Philosophen und Mathematiker G.W. LEIBNIZ stammt die Staffelwalze (1671), die zur Grundlage für die Entwicklung der ersten Rechenmaschine, die ohne Hilfsmittel in der Lage war zu addieren, subtrahieren, multiplizieren und dividieren, durch den Deutschen PH. M. HAHN (1770) wurde. Die Rechenmaschine von Leibniz enthielt für jede Dezimalstelle ein Zählrad. Dieses Zählrad wurde bei der Addition von Ziffern um die entsprechende Anzahl von Einheiten gedreht. Ging das Ergebnis der

2.1 Erste Periode: Mechanische Rechenmaschinen

17

Addition über 9 hinaus, so erfolgte eine Zehnerübertragung auf das nächst höhere Zählrad. Zählräder blieben seitdem die Grundelemente der mechanischen Rechenmaschinen.

Addition:

1

5

+

Abb. i . Addition mit Hilfe eines Zählrades (Werkbild IBM)

LEIBNIZ wies zur gleichen Zeit nach, daß es außer dem gebräuchlichen Dezimalsystem auch noch andere Zahlensysteme gibt. Das technisch einfachste ist das binäre Zahlensystem, das statt auf den Ziffern 0 bis 9 nur auf den beiden Zahlen 0 und 1 beruht. Da dieses Zahlensystem eine wichtige Grundlage der elektronischen Rechentechnik bildet, ist es erforderlich, in einem getrennten Abschnitt auf die Darstellung und Anwendung des Binärsystems einzugehen. Die Erfindung der Programmsteuerung von Rechenmaschinen wird dem Engländer

CHARLES

BABBAGE

zugeschrieben.

Bereits

1804

steuerte

der

Franzose JACQUARD seine Webstühle mit Hilfe aneinandergereihter Lochkarten. BABBAGE griff diese Idee auf, verbesserte 1 8 4 8 seine im Jahre 1 8 2 1 gebaute Rechenmaschine und beschäftigte sich mit dem Plan, eine Maschine zu bauen, die nicht nur nach einem vorgegebenen Programm arbeitet, sondern auch bereits eintausend Ziffern aufbewahren kann. Aber sowohl die Programmsteuerung wie auch die Möglichkeit, eine größere Anzahl von Daten zu speichern, lassen sich bei mechanischen Rechenmaschinen nur schwer verwirklichen. Die Aneinanderreihung von Programmschritten und die Speicherung von Informationen wurden deshalb erst bei Verwendung elektrischer und elektronischer Elemente möglich. Die Idee, Rechenoperationen, Programmsteuerung und Datenspeicherung in einer Maschine zu kombinieren, muß aber auf BABBAGE zurückgeführt werden.

18

2. Geschichtliche Entwicklung

2.2

Zweite Periode: Konventionelle Lochkartenmaschinen

Die erste praktisch verwendbare Lochkartenmaschine stammt von HERMANN HOLLERITH, einem Deutsch-Amerikaner. Sie wurde zum erstenmal bei der 11. amerikanischen Volkszählung im Jahre 1890 mit Erfolg eingesetzt.

A b b . 2. E r s t e Lochmaschinc, 1886 (Werkbild I B M )

POWERS, ein Arbeitskollege von HOLLERITH, vervollkommnete das Verfah-

ren und baute neue Maschinen. Die verwendeten Lochkarten wurden aber nur zur Aufnahme von Daten benutzt, sie dienen nicht der Steuerung des Programmablaufs. Die Lochkartenmaschinen wurden in der Folgezeit weiterentwickelt, neue kamen hinzu; Elektronenröhren lösten bei einigen Maschinen mechanische und elektrische Steuerungselemente ab. Die ersten elektronischen Rechenanlagen waren ausschließlich für wissenschaftliche und militärische Zwecke entwickelt und eingesetzt. Später bot sich die Möglichkeit an, den Anlagen die Erledigung von Büroarbeiten in den Unternehmen der Wirtschaft und der öffentlichen Verwaltung anzuvertrauen. PERSONEN STATISTIK Z*hlort

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Abb. 3. E r s t e deutsche Volkszählungskartc, 1910 (Werkbild I B M )

2.2 Zweite Periode : Konventionelle Lochkartenmaschinen

19

Wollte man sie aber sinnvoll und wirtschaftlich einsetzen, so mußte es möglich sein, eine große Datenmenge schnell und sicher ein- und auszugeben. Dazu waren aber damals nur die genannten Geräte der Lochkartentechnik

Abb. 4. Alte vertikale Sortierv o r r i c h t u n g (Werkbikl IBM)

Abb. 5. Konventionelle Lochkartenmaschinen, B U L L K-Anlage (Werkbild B U L L )

20

2. Geschichtliche E n t w i c k l u n g

in der Lage. So rüstete man die ersten elektronischen Rechenanlagen für den Einsatz in der Verwaltung mit Lochkartenlese- und -stanzgeräten sowie mit Tabelliermaschinen aus. Aus diesen Ein- und Ausgabegeräten entstanden später Schnelleser, Schnellstanzer und Schnelldrucker mit wesentlich höheren Geschwindigkeiten und automatischer Ein- und Ausgabekontrolle.

2.3

Dritte Periode: Elektronische Datenverarbeitungsanlagen

In Frankreich beschäftigte sich von 1 9 3 0 bis 1 9 3 6 COUFFIGNAL mit den theoretischen Grundlagen elektronischer Rechenmaschinen nach den Ideen von CHARLES BABBAGE. Seine Pläne wurden aber erst nach dem Zweiten Weltkrieg durch das französische Unternehmen BULL, eine bekannte Herstellerfirma von Lochkartenmaschinen, verwirklicht. BULL gehört seither zu den führenden Firmen bei der Entwicklung und beim Bau von elektronischen Anlagen für wissenschaftliche und kaufmännische Zwecke auf dem Kontinent. In Deutschland setzte die Entwicklung 1 9 3 5 ein, als KONRAD Z U S E - ein Pionier auf diesem Gebiet - die erste programmgesteuerte Rechenmaschine entwickelte. Der vorwiegend mechanisch arbeitenden ZUSE Z 1 folgte bald die verbesserte Z 2. Die Z 3, die 1939 entstand, war mit mehreren Tausend elektromagnetischen Relais ausgerüstet und arbeitete bereits auf der Grundlage des Dualsystems. Der kurz vor Kriegsende fertiggestellte Relaisrechner Z 4 konnte gerettet werden und wurde nach dem Kriege von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich übernommen. Die erste nach

Abb. 6. Mechanischer Speicher der Z U S E Z 1 (Werkbild Z U S E )

2.3 Dritte Periode: Elektronische Datenverarbeitungsanlagen

21

Abb. 7. Rekonstruktion der Z U S E Z 3 (Werkbild ZUSE)

dem Kriege gebaute Rechenmaschine Z 5 ist gleichzeitig die letzte Maschine, die mit Relais bestückt ist. Alle folgenden Anlagen arbeiten mit Elektronenröhren, Transistoren oder anderen elektronischen Elementen. Abgesehen von einigen technischen Hochschulen befaßten sich nach dem Kriege in Deutschland im wesentlichen die Olvmpia Werke AG, die Siemens & Halske AG, die Standard Elektrik Lorenz AG, die Tele/unken GmbH und die VEB Carl Zeiss in Jena mit der Entwicklung und dem Bau von elektronischen Rechen- und Datenverarbeitungsanlagen. Neben Universitäten sind in England zahlreiche Unternehmen bekannt, die elektronische Rechen- und Datenverarbeitungsanlagen konstruieren und fertigen. Zu nennen sind Ferranti, die British Tabulating Machine Co. (heute ICT), Powers Samas Co. (heute ebenfalls ICT) und National Elliott. In letzter Zeit ist in Deutschland das englische Unternehmen ICT (International Computers and Tabulators GmbH), ein Zusammenschluß mehrerer englischer Firmen, besonders hervorgetreten. Aus den Niederlanden kam 1958 das leistungsfähige Datenverarbeitungssystem der Firma Electrologica, X 1, von dem mehrere in der Bundesrepublik eingesetzt sind. Etwa zur gleichen Zeit wie in Europa beginnt in den U,S\4 die Entwicklung von programmgesteuerten Rechenanlagen. 1 9 4 4 baut HOWARD AIKEN in Zusammenarbeit mit einigen IBM-Ingenieuren den Relaisrechner MARK I. Es wurden erhebliche Mittel zur Verfügung gestellt, um den Bau der Maschine zu beschleunigen und sie für militärische Zwecke einsetzen zu können. Zwei Jahre später gelingt es einer zweiten Gruppe unter ECKERT, MAUCHLY

22

2. Geschichtliche E n t w i c k l u n g

und GOLDSTINE, die mit 18000 Elektronenröhren ausgerüstete programmgesteuerte Rechenanlage ENI A C (Electronic Numerical Integrator and Automatic Computer) zu bauen. ENI AC ist zugleich die erste elektronische Rechenanlage der Welt. Von dieser Zeit an werden die dem Gesetz der Masseträgheit unterworfenen elektromagnetischen Relais durch elektronische Elemente ersetzt. Dem ENIAC folgen 1948 MARK II, 1950 MARK III, 1952 MARK IV und EDV AC. 1951 ist der Beginn der berühmten UNIVACSerie der Remington Rand; die UNIVAC I ist die erste serienmäßige Großrechenanlage für kommerzielle Zwecke.

A b b . 8. E X I A C - Die erste digitale R e c h e n a n l a g e (Werkbild R e m i n g t o n Hand Univac)

Während sowohl in Europa wie in den Vereinigten Staaten die ersten Elektronenrechner ausschließlich wissenschaftlichen oder militärischen Zwecken dienten, sah man bald die Möglichkeit, diese Anlagen für die Lösung kommerzieller Aufgaben einzusetzen. Seit diesem Zeitpunkt, vor etwa 10 Jahren, ist die Entwicklung elektronischer Datenverarbeitungsanlagen geradezu stürmisch verlaufen. Besonders hervorzuheben sind die Konstruktion neuer Speicher für die Daten- und Programmaufnahme sowie die Erhöhung der Geschwindigkeit und die Verbesserung der Zuverlässigkeit der Ein- und Ausgabegeräte. Dieser Fortschritt macht es überhaupt erst möglich, die Anlagen zur Automatisierung der Büroarbeit wirtschaftlich einzusetzen. An dieser Stelle muß darauf hingewiesen werden, daß elektronische Datenverarbeitungsanlagen (für vorwiegend kaufmännische Zwecke) zu unterscheiden sind von elektronischen Rechenanlagen, die ausschließlich der Lösung wissenschaftlich-mathematischer Aufgaben dienen.

2.3 D r i t t e Periode: Elektronische D a t e n v e r a r b e i t u n g s a n l a g e n

28

Abb. 9. U N I V A C I (Werkbild R e m i n g t o n R a n d Univac)

Bei wissenschaftlich-mathematischen A u f g a b e n werden meist n u r v e r h ä l t n i s m ä ß i g wenige D a t e n in die Anlage eingegeben, d a n n aber einer großen A n zahl schwieriger R e c h e n o p e r a t i o n e n u n t e r w o r f e n u n d schließlich n u r wenige D a t e n wieder ausgegeben. Elektronische R e c h e n a n l a g e n f ü r wissenschaftliche A n w e n d u n g müssen in der Lage sein, eine große Anzahl von Befehlen, Tabellenwerten u n d Zwischenergebnissen a u f z u n e h m e n u n d schnell a b z u g e b e n ;

Analog

Digital

Elektro-

Niederl.

240

Ausfuhr

Italien

127

171

der

USA

50

082

BR. D

Iran

24

753

nach:

Saud.-Ar

10

978

Maßstab: I 4 40 Millionen

759

C o d e : Dezimal D M Niedrigstwert. Stelle: 1 0 0 0 D M

(Maßstab:

001,578

1 Teilstrich Spannungsmesser

A 0,1 V o l t

007,543

Endausschi. 10 V o l t )

Einfache Rechenmaschinen

Rechenschieber

Abb. 10. Beispiele f ü r analoge u n d digitale Darstellungen

009,002

24

2. Geschichtliche Entwicklung

sie benötigen einen großen Arbeitsspeicher mit schnellem Zugriff. Umfangreiche wissenschaftliche Programme machen darüber hinaus eine hohe interne Verarbeitungsgeschwindigkeit erforderlich. Dagegen ist es nicht notwendig, für die Ein- und Ausgabe extrem schnelle Ein- und Ausgabegeräte anzuschließen. Im Gegensatz dazu bestehen kommerzielle Programme aus relativ wenigen Befehlen, mit denen große Informationsmengen auf die gleiche Art und Weise verarbeitet werden. Großraum- oder Zusatzspeicher, die für den Nachschub der Daten sorgen, ergänzen die Arbeitsspeicher mit geringerer Kapazität. Einer niedrigeren Rechengeschwindigkeit stehen die hohen Leistungen der Ein- und Ausgabegeräte bei elektronischen Datenverarbeitungsanlagen gegenüber. Die genannten elektronischen Rechen- und Datenverarbeitungsanlagen werden auch als digitale Systeme bezeichnet, weil sie „digital" (lateinisch „mit den Fingern") zählen und rechnen. Stattdessen arbeiten Analogrechner, deren bekanntes (nichtelektronisches) Beispiel der Rechenschieber ist, mit physikalischen Analogien, z.B. Längen, Temperaturen, Drücken, elektrischen Werten usw.

3.

Grundlagen der elektronischen Rechentechnik

Die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen für die Entwicklung elektronischer Datenverarbeitungsanlagen sind im wesentlichen die Erfindung elektronischer Bauelemente, die Darstellung des Binärsystems und die Kybernetik, die Lehre von der Regelung und Steuerung automatischer Abläufe. Durch diese drei Bestandteile wurde es überhaupt erst möglich, die Ideen von CHARLES BABBAGE in hohem Maße zu verwirklichen.

3.1

Kybernetik — Die Lehre von der Regelung und Steuerung

Die Kybernetik - von dem Amerikaner NORBERT W I E N E R entwickelt und ausgebaut - befaßt sich mit den Gesetzmäßigkeiten der Kegel- und Steuerungsvorgänge, und zwar sowohl im biologischen als auch im technischen Bereich. Sie verfolgt das Ziel, ,,natürliche Organismen als künstliche Mechanismen"*) nachzubilden und ist die theoretische Grundlage für die Regelung, Steuerung und Kontrolle automatischer Abläufe. Von ihr wurde die Entwicklung elektronischer Rechen- und Datenverarbeitungsanlagen entscheidend beeinflußt. Mit dieser Technik soll sichergestellt werden, daß sich der automatische Prozeß in jeder Phase selbst regelt, steuert und kontrolliert und sich sofort ausschaltet, wenn ein Fehler im Ablauf auftritt, der nicht selbsttätig korrigiert werden kann. Die Kybernetik bildet auch die theoretische Grundlage für eine „Denkmaschine", eine den Steuerungs- und Kontrollmechanismen des menschlichen Gehirns nachgebildete elektronische Anlage. Für die Konstruktion einer solchen Maschine fehlen aber bislang die technischen Voraussetzungen. 3.2

Elektronische Bauelemente

Ohne die bedeutenden Erfindungen und Entwicklungen auf dem Gebiet der elektronischen Bauelemente wären die großen Fortschritte beim Bau elektronischer Rechen- und Datenverarbeitungsanlagen nicht möglich gewesen. Die ersten Rechenmaschinen in den Entwicklungsjahren bis kurz nach dem Zweiten Weltkrieg waren ausschließlich mit elektromagnetischen Relais aus*) SCHACHTSCHABEL, HANS G., Automation in Wirtschaft und Gesellschaft, rowohlts deutsche enzyklopädie, Seite 20.

"26

3. Grundlagen der elektronischen Rechentechnik

V^WXm

- S i v r - i ': *

3 Abb. 11. Relais (Werkbild Siemens)

gerüstet. Relais haben aber den großen Nachteil, daß ihr mechanischer Teil dem Trägheitsgesetz unterliegt. Das bedeutet, daß die Geschwindigkeit, mit der ein solches Element arbeitet, über eine bestimmte Grenze hinaus nicht gesteigert werden kann. Schwierigkeiten bereiten auch die Abnutzung und Verschmutzung ihrer Kontakte. Elektronische Röhren dagegen, wie wir sie aus der Radiotechnik her kennen, arbeiten trägheitslos; sie erreichen eine nahezu unbegrenzt hohe Geschwindigkeit. Elektronenröhren verstärken nicht nur Stromimpulse, sie lassen sich auch wie ein Relais benutzen. Die Röhre kann so gesteuert werden, daß entweder Strom oder kein Strom durch sie hindurchfließt. Die Vorzüge gegen-

Abb. 12. E l e k t r o n e n r ö h r e (Werkbild Telefunken)

3.2 Elektronische Bauelemente

27

A b b . 13. E l e k t r o n i s c h e E l e m e n t e (Werkbild Remington Rand Univac)

Magnetverstärker mit je 4 Ferractoren

Ferractor

A

Transistor

Elektronenröhre

A b b . 14. Vergleich zwischen r ö h r e n b e s t ü c k t e m Chassis u n d einer g e d r u c k t e n S c h a l t u n g ( W e r k b i l d R e m i n g t o n R a n d Univac)

28

3. Grundlagen der elektronischen Rechentechnik

über dem Relais sind offensichtlich. Jedoch auch Elektronenröhren sind nicht frei von Nachteilen. Ihr Raumbedarf, ihre große Anfälligkeit sowie die hohe Energieaufnahme und dementsprechende Wärmeabgabe, die durch aufwendige Klimaanlagen geregelt werden muß, haben die Technik vor neue Probleme gestellt. Auf der Suche nach neuen elektronischen Elementen mit besseren Eigenschaften wurde durch die Entwicklung der Halbleiter- und Transistortechnik ein bedeutender Schritt getan. Kristalldioden, Transistoren, Ferraktoren und andere, ähnliche Elemente weisen bei hohen Schaltgeschwindigkeiten und fast unbegrenzter Haltbarkeit die Vorzüge eines geringen Platzbedarfs, einer sehr kleinen Energieaufnahme und Wärmeabgabe auf, die nur einer geringen oder gar keiner Klimatisierung bedarf. Diese Elemente sind heute auf Kunststoffplatten, auf denen die Verbindungen durch eingeätzte Metallschichten (sogenannte ,,gedruckte Schaltungen") hergestellt werden, zu Bauteilen zusammengefaßt. Die leicht auswechselbaren Einschubplatten bilden eine wichtige Voraussetzung für geringe Ersatzteilhaltung, vereinfachte W a r t u n g und hohe Betriebssicherheit elektronischer Datenverarbeitungsanlagen .

Abb. 15. G e d r u c k t e r Schaltkreis (Werkbild Siemens)

3.2 Elektronische Bauelemente

29

Abb. Iß. Gedruckte Schaltkreise in der zentralen Recheneinheit der U N I V A C UCT I (Werkbild R e m i n g t o n R a n d Univac)

Abb. 17. Technische P r ü f u n g a n der IBM 1401 (Werkbild IBM)

30

3. Grundlagen der elektronischen Rechentechnik

3.3

Das binäre Zahlensystem

3.31

DEZIMAL- UND B I N Ä R S Y S T E M

Mechanische Rechenmaschinen arbeiten nach dem Dezimalsystem. Für jede Dezimalstelle ist ein Zählrad vorhanden, das den zehn Ziffern 0 bis 9 entspricht. Wir bezeichnen das mechanische Zählrad auch als zehnwertiges Element. Bei der Addition wird das Zählrad um die entsprechende Anzahl von Einheiten vorbewegt. Ein auftretender Übertrag dreht das Zählrad der nächst höheren Stelle um eine Einheit. Elektronische und magnetische Elemente sind dagegen immer zweiwertig. Sie sind mit einem Lichtschalter vergleichbar, der nur die beiden Stellungen E I N (Strom) und AUS (kein Strom) besitzt. Die Kontakte eines Relais sind entweder in Ruhe- oder in Arbeitsstellung, durch eine elektronische Röhre fließt Strom oder kein Strom, ein Magnetkern hat einen rechts- oder linksgerichteten Magnetfluß. Eine dritte Möglichkeit gibt es nicht. Zweiwertige Bauelemente schließen die Verwendung des uns vertrauten Dezimalsystems aus. Anstelle der Dezimalziffern treten die Dualzahlen. Wie die elektronischen Elemente, so kennt das Dual- oder Binärsystem nur zwei Zustände: die beiden Dualzahlen 0 und 1. Jede Dezimalzahl läßt sich mit Hilfe binärer Zahlen darstellen. Bevor die Zahlen in der elektronischen Anlage verarbeitet werden, sind sie vom Dezimal- in das Dualsystem umzuwandeln. Umgekehrt müssen die Ergebnisse wieder vom maschineninternen Dualsystem in das Dezimalsystem zurückgeschlüsselt werden. Streng genommen ist zwischen dem binären und dualen Zahlensystem zu unterscheiden. Während sich binär auf Zahlensysteme bezieht, die eine Dezimalziffer durch nur zwei Zustände darstellen, beschränkt sich das Dualsystem auf die reine Zweierdarstellung (Zweierpotenzen). Da ein solcher Unterschied in Literatur und Praxis aber kaum gemacht wird, haben wir ihn ebenfalls weitgehend vermieden. 3.32

D A S REINE D U A L S Y S T E M

(LEIBNIZ-SYSTEM)

Das Dualsystem oder Leibniz-System (wie wir es, da diese Erkenntnis von Leibniz stammt, auch nennen wollen) baut nicht - wie das Dezimalsystem auf die Grundzahl 10 auf, sondern wird _ Dualsystem auf der Basis 2 gebildet. Während 1 x 128 (27) = 128 + 1 X 64 (26) = 64 + 1 X 32 (25) = 32 + 0 x 16 (24) = 0 Dezimalsystem + 0 x 8 (23) = 0 2 x 100 (102) = 200 + 1 X 4 (22), = 4 + 2 x 1 0 (101) = 20 + 0 x 2 (21) = 0 + 9 x 1 (10°) = 9 + 1 X 1 (2°) = 1 11100101 =~229 229 = 229

3.32 Das reine Dualsystem (Leibniz-System)

31

Dezimalstellen immer um den Faktor 10 voneinander abweichen, wird die nächst höhere Stelle einer Dualzahl durch Verdopplung ihres Wertes erzeugt. Den Unterschied zeigt die dezimale und duale Darstellung der Zahl 229. Die Ergebnisse wurden unter Fortlassung der Zehner- bzw. der Zweierpotenzen gebildet. Während die Dezimalzahl dreistellig ist, umfaßt die duale Darstellung acht Stellen. Im Durchschnitt ist die Anzahl der Dualstellen bei der rein dualen Darstellungsweise 3,3 mal größer als die der Dezimalziffern eines gleichen Dezimalwertes. Wie die nächste Darstellung zeigt, sind für die duale Schreibweise der Dezimalzahlen 0 bis 9 höchstens vier Dualstellen erforderlich.

8

1 1

4 2

1

1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

dual dezimal 0 1 = 2° •2 21 4 = 22 5 6 7 8 = 2» 9

Führt man diese Aufstellung fort, so werden von 8 bis 15 vier Stellen, ab 16 eine fünfte, ab 32 eine sechste Stelle und so fort benötigt. Mit einer entsprechenden Anzahl dualer Stellen kann jeder beliebige Dezimal wert in der beschriebenen Weise dargestellt werden. Aus der Tabelle ist ferner ersichtlich, daß es bei der Umschlüsselung vom Dezimal- zum Dualsystem nicht allein auf die richtige Dualziffer 0 oder 1 ankommt, sondern auch auf den richtigen Stellenwert, d.h. auf die richtige Reihenfolge der Dualstellen. Greifen wir auf die duale Verschlüsselung der Dezimalzahl 229 zurück, so führen - immer von rechts nach links gesehen die erste, die dritte, die sechste, die siebente und die achte Röhre Strom, keinen Strom dagegen die Röhren zwei, vier und fünf. Wir können auch sagen, daß die Zahl 229 verschlüsselt aus Einerbits mit den Stellenwerten 2°, 22, 25, 26 und 27 und aus Nullerbits mit den Stellenwerten 21, 23 und 24 besteht. Das Wort „Bit" ist eine Abkürzung des englischen Binary Digit für Dualoder Binärstelle. Folgen wir dieser gebräuchlichen Kurzform, so stellt eine Elektronenröhre, die Strom führt, ein Einerbit (duale 1), eine Elektronenröhre, die nicht stromführend ist, ein Nullerbit (duale 0) dar.

32

3. Grundlagen der elektronischen Rechentechnik

3.33

BINÄR VERSCHLÜSSELTE DEZIMALSYSTEME

Elektronische Rechenanlagen für die wissenschaftlich-technische Anwendung rechnen meist im reinen Dualsystem. Da nur relativ wenige Daten ein- und ausgegeben werden, fallen die umständlichen und zeitraubenden Umwandlungen vom Dezimal- ins Dualsystem und zurück nicht so stark ins Gewicht, wie das bei den großen Mengen an Informationen bei der kommerziellen Datenverarbeitung der Fall ist. Elektronische Datenverarbeitungsanlagen benutzen aus diesem Grunde eine halbduale Zahlendarstellung, bei dem das dezimale und das binäre Zahlensystem kombiniert werden. Im Gegensatz zum reinen Dualsystem verschlüsselt man bei den binär verschlüsselten Dezimalsystemen jede Ziffer einer Dezimalzahl gesondert, wobei der dezimale Stellenwert erhalten bleibt. Die Verschlüsselung bereitet keinerlei Schwierigkeit mehr, da die Dezimalziffern den dualen Kombinationen nur zugeordnet werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß jede Dezimalziffer durch die gleiche Anzahl (vier) Dualstellen dargestellt wird; ein Viererblock bildet eine sogenannte Tetrade (tetra griechisch = vier). Mit geringer Übung vermag man jede beliebig große Dezimalzahl sofort zu ver- oder zu entschüsseln. Das bekannteste der binär verschlüsselten Dezimalsysteme ist der 8421-Code (sprich: Acht, vier, zwo, eins-Code). Der 8421-Code gleicht dem reinen Dualsystem insofern, als er wie dieses auf der Grundzahl 2 aufbaut. Aber im Unterschied dazu wird eine Dezimalzahl nicht als Ganzes, sondern jede Ziffer für sich umgewandelt. Beispiele für den 8421-Code dezimal 0 3 6 14 95 229 35621

8421-Code

0011

0101

0010 0110

0001 1001 0010 0010

0000 0011 0110 0100 0101 1001 0001

Die Verschlüsselung der Dezimalzahl 9999 im reinen Dualsystem und im 8421-Code zeigt deutlich die Übersichtlichkeit und einfachere Behandlung bei der Darstellung im 8241-Code. Rein dual: 10011100001111 8421-Code: 1001 1001 1001 1001 Bei der Verwendung von vier Dualstellen lassen sich insgesamt 16 Bitkombinationen bilden, von denen - beim 8421-Code - die ersten zehn erwünschte Tetraden, die restlichen sechs unerwünschte (sogenannte Pseudotetraden)

3.33 Binär verschlüsselte Dezimalsysteme

38

Tetraden sind. Die Pseudotetraden entstehen beim Rechnen und müssen danach auf erwünschte Tetraden zurückgeführt werden. Die Tetraden des 8421-Codes zeigt die nachstehende Tabelle: 23 (8) 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

22 21 2° (4) (2) (1) 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

dual ^ ^ ^ ^ dezimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Erwünschte Tetraden

Pseudotetraden

Die Schwierigkeit bei der Verwendung des 8421-Codes liegt in der Behandlung des Übertrages bei der Addition. Während der Übertrag auf die nächst höhere Stelle im Dezimalsystem bei einem Ergebnis, das größer als 9 ist, erfolgt, ist dies im 8421-Code nicht der Fall. Ein Übertrag findet erst statt, wenn das Ergebnis - entsprechend der Kombinationsmöglichkeit - größer als 15 ist. Diese Verschiedenheit muß über gesonderte Schaltkreise ausgeglichen werden. Andere elektronische Datenverarbeitungsanlagen benutzen nicht die binärdezimale Darstellung auf der Grundzahl 2 (8421-Code), sondern ein davon abweichendes System. Allen Systemen ist jedoch gemeinsam, daß jede Dezimalziffer einer Zahl getrennt binär verschlüsselt wird. Bekannte Systeme sind der Biquinär-Code, der 2421-Code (Aiken-Code), der 5421-Code und der 7421-Code. Der 3-Excess-Code (Stibitz-Code) beruht wie der 8421-Code auf dem ZweierSystem, verschiebt sich aber diesem gegenüber um drei (3-Excess) Tetraden, wie die auf S. 34 oben stehende Übersicht zeigt. Die Verwendung des 3-Excess-Code hat den Vorteil, daß der Übertrag bei einer Addition sowohl dezimal als auch dual erfolgt, wenn das Ergebnis größer als 9 ist.

34

3. Grundlagen der elektronischen Rechentechnik

3-Excess-Code 0000 0001 0010

Pseudotetraden Erwünschte Tetraden

Pseudotetraden

3.34

8421-Code

0 1 2 3 4 5 6

0011 0100 0101 0110 Olli 1000 1001

7 8 9

1010 1011 1100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Erwünschte Tetraden

Pseudotetraden

1101 1110 1111

D A R S T E L L U N G NICHTNUMERISCHER ZEICHEN

Elektronische Datenverarbeitungsanlagen führen nicht nur Rechenaufgaben durch. Sie müssen auch in der Lage sein, nichtnumerische Daten (das sind Buchstaben und bestimmte Sonderzeichen) für die Text- und Adressenschreibung darstellen und speichern zu können. Ziffern, Buchstaben und Sonderzeichen werden unter der Bezeichnung alphanumerische Zeichen zusammengefaßt. E s lag nahe, für die zusätzliche Darstellung der nichtnumerischen Zeichen eine Methode zu verwenden, die sich von dem binär verschlüsselten Dezimalsystem ableitet. Beispielsweise kann man die vier Bits einer Dezimalstelle u m zwei Stellen erweitern. Sechs Binärstellen ergeben zusammen 64 Kombinationsmöglichkeiten, wobei neben den 10 Ziffern und 26 Buchstaben (Umlaute kommen nicht vor) 28 Verbindungen für Sonderzeichen übrig bleiben, die aber meist nicht alle erforderlich sind. Buchstaben und Sonderzeichen werden bei dieser Form durch die Verknüpfung einer oder beider Zusatzstellen mit einem oder mehreren numerischen Bits dargestellt, wie es die folgenden Beispiele (S. 35 oben) zeigen. Diese Darstellungsform, bei der zwei zusätzliche Binärstellen - ähnlich den Überlochzonen in der Lochkarte - verwendet werden, ist sehr häufig in elektronischen Anlagen anzutreffen. Bei den Rechenoperationen ignoriert die Maschine die beiden Zusatzstellen, bei allen anderen Arbeitsgängen werden sie beachtet. Andere Datenverarbeitungssysteme benutzen pro Dezimalstelle nur vier Bits. Um nichtnumerische Zeichen darzustellen, bedient man sich bei diesen Maschinen zweier, voneinander abweichender Methoden.

3.34 Darstellung nichtnumerischer Zeichen

8 4 2 1 0 0 0 1 1 0 0 0

0 0 0 1 0 1 1 1

0 0 1 0 0 0 0 1

0 0 0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 1 1 0 0

35

Zeichen |

0 1 1 1 1 1 1 0

0 1 9 A L T

Ziffern

/

Sonderzeichen

Buchstaben

%

Das erste Verfahren verwendet zwei Dezimalstellen (8 Bits) für die Bezeichnung eines Buchstabens oder Sonderzeichens. Das hat den Vorteil der besseren Speichernutzung bei vorwiegend numerischer Datenverarbeitung. Wenn aber ein großer Teil der Informationen nichtnumerisch ist, bleiben für jedes Alphabet- oder Sonderzeichen zwei Binärstellen ungenutzt. Bei einer weiteren Vier-Bit-Methode benötigt man für die Darstellung von zwei nichtnumerischen Zeichen nicht vier Dezimalstellen wie bei dem zuletzt gezeigten Verfahren, sondern nur drei (3 x 4 = 12 Bits). Dieses System versucht, die Nachteile der beiden anderen Verfahren, die bei der Verarbeitung überwiegend numerischer oder nichtnumerischer Daten entstehen, auszuschalten. Da das Verhältnis der numerischen zu den nichtnumerischen Informationen bei der kommerziellen Datenverarbeitung sehr unterschiedlich ist, kann nicht generell dem einen oder anderen Verfahren der Vorzug gegeben werden. Dem Vorteil der besseren Speichernutzung steht in jedem Falle ein erhöhter Aufwand an technischer Steuerung und Programmierungsarbeit gegenüber, um die numerischen von den nichtnumerischen Daten zu trennen. Eine Gegenüberstellung der Verfahren (im 8421-Code) bringt die folgende Übersicht. Sechs-Bit

Code

(1: 1-Technik)

Vier-Bit-Code

Vier-Bit-Code

(2: 1-Technik)

(3: 2-Technik)

000001 001001 110001

1 9 A

0001 1001 1100 0001

1 9 A

0001 1001 1100 0110 0011

100011 010001

L

1000 0011 0100 0001

L

A L 0100 0101 1100

011100

/ %

0100 1100

/ %

/

%

4.

Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen

Eine maschinelle Verarbeitung kaufmännischer Daten setzt voraus, daß die elektronische Anlage die erforderlichen Informationen und Anweisungen erhält. Nach der Verarbeitung müssen die Ergebnisse dem Benutzer in einer verständlichen Sprache mitgeteilt werden. Die hohe Geschwindigkeit sowie die Fähigkeit solcher Anlagen, eine ganze Kette von Arbeitsoperationen selbsttätig ausführen zu können, machen es notwendig, eine große Anzahl von Informationen und Daten vorübergehend aufzubewahren. Hinzu kommt die Steuerung des Arbeitsablaufs mit Hilfe eines in der Maschine gespeicherten Programms. Diesen Aufgaben entsprechend besteht eine elektronische Datenverarbeitungsanlage aus den fünf Bestandteilen Eingabegeräte Speicher Recheneinheit Steuerwerk Ausgabegeräte. Während die Ein- und Ausgabegeräte die Anlage mit dem Benutzer verbinden, dienen Speicher, Recheneinheit und Steuerwerk dazu, die aufgenommenen Informationen festzuhalten, sie zu verarbeiten sowie den Ablauf der Anlage zu steuern. Speicher, Recheneinheit und Steuerwerk

4 . 1 1 Aufgaben

37

Verarbeitung Steuerung-Speicherung

Abb. 19. F u n k t i o n e n eines elektronischen Datenverarbeitungssystems, dargestellt am Beispiel der I . C . T . 1500 (Werkbild I . C . T . )

werden wegen ihrer funktionsmäßigen Verknüpfung und räumlichen Zusammenfassung als Zentraleinheit bezeichnet.

4.1

Ein- und Ausgabegeräte

4.11

AUFGABEN

Will man Zahlen mit Hilfe einer mechanischen Tischrechenmaschine addieren, so läuft diese Arbeit folgendermaßen ab: Über die Zehnertastatur wird die erste Zahl Stelle für Stelle in die Maschine eingetastet. Nach dem Druck auf die Funktionstaste A D D I T I O N steht die Zahl im Rechenwerk. Der gleiche

38

4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen

Vorgang wiederholt sich für die weiteren Zahlen. Am Schluß der Rechenarbeit kann das Ergebnis hinter einem Fensterchen oder - bei einer schreibenden Rechenmaschine - von einem Kontrollstreifen abgelesen werden. Im Prinzip läuft der gleiche Prozeß bei einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage ab, nur mit dem Unterschied, daß diese Maschinen wesentlich schneller arbeiten und in der Lage sind, eine große Anzahl von Operationen nach einem vorgegebenen Programm selbsttätig und kontrolliert durchzuführen. Bevor die Verarbeitung beginnen kann, muß die Anlage die Daten, die zu verarbeiten sind, und das Programm, das heißt alle Befehle, die sie für eine Aufgabe ausführen soll, kennen. Die hohe Geschwindigkeit bedingt, daß die Informationen (in der Regel) automatisch zugeführt werden. Eingabegeräte lesen oder fühlen die verschlüsselten Informationen von den Eingabemitteln (Lochkarte, Lochstreifen, Magnetband usw.) ab, wandeln sie in die Maschinensprache um und stellen sie der Recheneinheit im Speicher zur Verfügung. Es ist üblich, das gesamte Programm für eine Aufgabe vor Arbeitsbeginn in die Anlage einzugeben und dort zu speichern (das Programm wird ,,geladen"), während die Informationseinheiten (beispielsweise der Inhalt einer Lochkarte) normalerweise nacheinander eingelesen und nach Maßgabe des vorher gespeicherten Programms - einzeln verarbeitet werden. Die Ausgabegeräte, die wie die Eingabegeräte direkt mit der Zentraleinheit verbunden sind, entschlüsseln die Ergebnisse der Datenverarbeitung und übertragen sie in Lochkarten, Lochstreifen oder auf Magnetband (für die spätere Weiterverarbeitung) bzw. in Druckschrift auf Papier. Eingabe

Abb. 20. Übersicht über die verschiedenen Ein- und Ausgabegeräte

Ausgabe

4.121 Geräte für die Ein- und Ausgabe von Einzelinformationen 4.12

39

T Y P E N DER E I N - UND A U S G A B E G E R Ä T E

Anzahl und Arten der Ein- und Ausgabeeinrichtungen hängen von der Größe und der Ausrüstungsmöglichkeit des elektronischen Systems ab und richten sich nach ihrem Einsatzgebiet. Einen Überblick über die verschiedenen Ein- und Ausgabegeräte, die an eine elektronische Datenverarbeitungsanlage angeschlossen werden können, vermittelt Abbildung 20. Selten wird man eine Anlage mit allen angebotenen Ein- und Ausgabeeinheiten ausrüsten, häufig sind dagegen mehrere Geräte der gleichen Art (zum Beispiel mehrere Magnetbandeinheiten) an einer Zentraleinheit angeschlossen. Die Vielfalt der Einrichtungen soll den Benutzern die Möglichkeit bieten, die Anlage ihren unterschiedlichen Aufgaben und Bedürfnissen anzupassen. Grundsätzlich sind zwei Gruppen von Ein- und Ausgabegeräten zu unterscheiden: Einrichtungen für die Ein- und Ausgabe von Einzelinformationen und solche für die automatische, programmgesteuerte Ein- und Ausgabe. 4.121

G e r ä t e f ü r die E i n - u n d A u s g a b e Einzelinformationen

von

Die Aufgabe dieser Einrichtungen besteht darin, der Zentraleinheit einzelne variable Daten (z.B. das Tagesdatum, die Startadresse, ein Programmkennzeichen oder einzelne Anweisungen bei der Programmprüfung) von Hand mitzuteilen oder aber umgekehrt dem Bediener bestimmte Vorgänge anzuzeigen und ihn zum Eingreifen zu veranlassen (z.B. Anzeige ,Magnetbandwechsel"). Ferner dienen diese Geräte dazu, den Inhalt eines Speicherplatzes oder Registers abzufragen oder - beim Programmtest - Einzelschritte einzuleiten. Die genannten Einrichtungen sind entweder unmittelbar über Kabel an der zentralen Anlage angeschlossen oder - häufig sehr weit - von ihr getrennt. Im letzteren Fall handelt es sich um sogenannte Abfragestationen, die über Telefon- oder Fernschreibleitung mit der Datenverarbeitungsanlage verbunden sind. Wird eine Auskunft gewünscht, so tastet der Bediener ein bestimmtes Kennwort ein. Nach kurzer Zeit erscheinen dann direkt von der Zentraleinheit des Computers (englischer Ausdruck für elektronische Datenverarbeitungsanlage) die gewünschten Informationen über Anzeigelämpchen oder - mit Hilfe einer angeschlossenen Schreibmaschine - in gedruckter Form. Nahezu alle großen Luftfahrtgesellschaften bedienen sich heute des dezentralen Buchungssystems (vgl. Abb. 21). Eine angeschlossene Steuerpult- oder Abfrageschreibmaschine unterscheidet sich äußerlich kaum von der bekannten elektrischen Schreibmaschine, nur ist sie hier fest eingebaut und über Kabel mit der Zentraleinheit verbunden. Außerdem ist eine solche Schreibmaschine mit zusätzlichen Einrichtungen für die automatische Informationsausgabe (zur Mitteilung an den Bediener) und für die Codeumwandlung versehen. Ein eingebauter Zwischenspeicher (sogenannter ,,Pufferspeicher") hat die Aufgabe, die unterschiedlichen

40

4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen

Abb. 21. Abfrageeinrichtungen für die dezentrale Platzbuchung (Werkbild Lufthansa)

Arbeitsgeschwindigkeiten von Schreibmaschine und Zentraleinheit bei der Datenübertragung auszugleichen. Der Vorteil der Schreibmaschine liegt darin, daß die Ein- und Ausgabe direkt durch Anschlag (ohne Zwischenträger) erfolgt und die Informationen gleich lesbar vorliegen. Demgegenüber wirkt sich die geringe Geschwindigkeit, die bei der Eingabe von der Fertigkeit der Schreibkraft abhängt, nachteilig aus. Daraus folgt, daß die elektrische Schreibmaschine ausschließlich für die Ein- und Ausgabe einzelner Informationen sinnvoll eingesetzt werden kann. Dem gleichen Zweck dienen Zifferntastatur oder Schaltersystem am Steuerpult der Anlage. Sie ersetzen bei kleinen und mittelgroßen Anlagen häufig

Abb. 22. Elektrische Steuerpul tschrcibmaschine, System I B M 1401 (Werkbild I B M )

4.1221 Lochkartenlesegeräte

41

die elektrische Schreibmaschine und ermöglichen in Kombination mit optischen Anzeigen ebenfalls die Ein- und Ausgabe einzelner Informationen bei der Verarbeitung oder Programmprüfung. Die optischen Anzeigevorrichtungen bestehen aus kleinen Lämpchen, die dem Bediener beispielsweise den Inhalt eines Speicherplatzes oder Registers (das ist ein spezieller Speicher) sichtbar machen.

Abb. 23. E i n g a b e t a s t a t u r und Anzeigelämpchen a m Steuerpult der U N I V A C (Werkbild Remington R a n d Univac)

4.122

UCT

G e r ä t e f ü r die a u t o m a t i s c h e E i n - und A u s g a b e

Den Geräten für die automatische Ein- und Ausgabe kommt die Hauptbedeutung bei der elektronischen Datenverarbeitung zu. Erst durch diese Einrichtungen gelingt es, große Informationsmengen, die bei der kommerziellen Datenverarbeitung die Regel sind, schnell und wirtschaftlich ein- und auszugeben. Die hohe Geschwindigkeit elektronischer Rechner bliebe unwirksam, wenn es nicht möglich wäre, der Maschine die Eingabedaten genauso oder annähernd so schnell zuzuführen und die Ergebnisse mit der gleichen Geschwindigkeit abzugeben. 4.1221

Lochkartenlesegeräte

Solange es kein sicheres, uneingeschränkt anwendbares und wirtschaftliches Verfahren gibt, Informationen in Druckschrift vom Urbeleg direkt in die elektronische Datenverarbeitungsanlage einzugeben, wird die Lochkarte der gebräuchlichste Informationsträger bleiben. Lochkarten werden in genormter Größe aus hochwertigem Karton hergestellt. Ein - meist links oben befindlicher - Eckenabschnitt dient dazu, die innerhalb eines Stapels falsch liegenden Karten sofort herauszufinden. J e nach System sind die Lochkarten in 80 oder 90 senkrechte Lochspalten unterteilt;

42

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4. A u f b a u u n d Arbeitsweise elektronischer D a t e n v e r a r b e i t u n g s a n l a g e n

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Karten mit einer anderen Spaltenzahl kommen heute seltener vor. Jede Spalte kann ein alphanumerisches Zeichen aufnehmen, das in Abhängigkeit vom verwendeten Lochkartenschlüssel durch ein oder mehrere Löcher dargestellt wird. Bei einer 80stelligen Karte, die die Firmen IBM, I. C.T., BULL und Remington Rand (außer der 90stelligen) verwenden, bedeutet ein Loch in der Stelle 0 eine 0, ein Loch in der Stelle 1 eine 1 und so fort. Buchstaben und Sonderzeichen werden durch eine Kombination mehrerer Löcher in einer Lochspalte ausgedrückt (vgl. Abb. 24). Die 90 stellige Remington Rand-Lochkarte dagegen ist in eine obere (mit den Spalten 1 bis 45) und eine untere (mit den Spalten 46 bis 90) Kartenhälfte unterteilt. Die Null und alle ungeraden Ziffern werden durch ein Loch, gerade Ziffern, Buchstaben und Sonderzeichen durch Kombinationsiochungen verschlüsselt. Gegenüber allen 80stelligen Karten ist die Lochform bei der Remington Rand-Lochkarte rund. Alle elektronischen Datenverarbeitungsanlagen von Remington Rand sind heute wahlweise für die Verarbeitung 80- oder 90 stelliger Lochkarten eingerichtet. Die Lochkarte ist ein billiger Informationsträger (1000 Karten kosten etwa 6,- bis 7,- DM). Sie wird manuell (über Locher und Prüfer) oder maschinell (mit Hilfe des Zeichenlochverfahrens, als Nebenprodukt bei maschinellen Schreib-, Rechen- oder Buchungsarbeiten und durch Stanzen oder Doppeln) gewonnen und ist für den Menschen leicht lesbar. Nach maschineller Beschriftung kann man sie gut als Karteikarte verwenden. Schnelle Sortiermaschinen bringen die Lochkarten für die verschiedenen Auswertungen in eine beliebige Reihenfolge. Kartenmischer vereinigen zwei Lochkartenstapel oder sondern bestimmte Karten aus einem Paket aus. Diesen Vorzügen stehen - insbesondere im Hinblick auf die moderne elektronische Datenverarbeitung - wesentliche Nachteile gegenüber. Die gerin-

4.1221 Lochkartenlesegeräte

43

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Plattenunterseite

Platte 00 „

7-stellige unzerstörbare

Plattenoberseite

Adresse

Abb. 92. P l a t t e n s p e i c h e r u n g I B M 1405 (Werkbild IBM)

Magnetplattenspeicher (wie auch Großraumtrommeln) werden vor allem dort sinnvoll eingesetzt, wo der Arbeitsablauf eine laufende Eingabe der anfallenden Daten in wahlloser Reihenfolge und deren sofortige Verarbei-

Schreib/Leseköpfe

T Zugriffsarm

4.2331 Magnetplattenspeicher mit wechselbaren Platten

99

tung und Auswertung nach verschiedenen Gesichtspunkten erfordert. Ein Beispiel für diese permanente und simultane Datenverarbeitung mit Hilfe von Großraumspeichern im Random Access ist die maschinelle Lagerbestandsführung und Disposition der Verkaufsprodukte. 4.233

Wechselbare Speicher mit wahlfreiem Zugriff

Die Nachteile des Großraumtrommel- und Magnetplattenspeichers - hohe Kosten und begrenzte Speicherkapazität - haben in jüngster Zeit zur Entwicklung einer dritten Gruppe externer Speichereinrichtungen geführt. Das Merkmal dieser Großraumspeicher mit wahlfreiem Zugriff besteht darin, daß sie nicht fest mit der Speichereinheit verbunden sind, sondern ausgewechselt werden können. Dadurch hängt die Kapazität nicht mehr von den maximalen Anschlußmöglichkeiten der Speichereinheiten ab. Da nur jede Speichereinheit - nicht jedes Speichermittel - mit einer Schreib-/Lese- und Steuereinrichtung ausgerüstet ist, bedeutet das eine erhebliche Reduzierung der Speicherkosten. Diese wechselbaren Speicher bieten ebenfalls die Möglichkeit des wahlfreien Zugriffs. Der wahlfreie Zugriff beschränkt sich natürlich auf die jeweils im Einsatz befindlichen Speicher. Die Zugriffszeit hängt bei einigen dieser Speicher allerdings in noch stärkerem Maße als beim Magnettrommel- und Magnetplattenspeicher von den Wegzeiten der Schreib-/Leseeinrichtungen zu den Adressen ab. 4.2331 Magnetplattenspeicher

mit wechselbaren

Platten

Der Wechsel-Plattenspeicher RCA 301, der in der Bundesrepublik von B U L L und I.C.T. angeboten wird, sieht einem Musikautomaten ähnlich. Ein Greifer nimmt die - von insgesamt 128 Platten - ausgewählte Magnetplatte aus dem (beweglichen) Plattenkorb und legt sie auf den drehbaren Plattenteller, wo sie von einem Lese-/Schreibarm mit einer Geschwindigkeit von 2500 Zeichen pro Sekunde gelesen oder beschrieben wird. Durch den hohen Zeitaufwand für den mechanischen Suchprozeß bedingt liegen die Zugriffszeiten zwischen 2,00 und 4,25 Sekunden. Jede Platte ist einzeln auswechselbar. Sie hat einen Durchmesser von etwa 17 cm und kann 36000 Zeichen speichern. Die einzelne Plattenseite hat zwei zum Mittelpunkt verlaufende spiralförmige Bahnen; eine Bahn kann 10 Blöcke zu je 900 Zeichen aufnehmen. Der Anschluß von höchstens 5 Speichereinheiten gestattet den wahlfreien Zugriff zu etwa 23 Millionen alphanumerischer Zeichen. Der nur beschränkt wahlfreie Zugriff rechtfertigt den Einsatz dieses Speichertyps nur als Programmzwischenspeicher oder zur Speicherung großer Mengen gleichbleibender, vorsortierter Daten (z.B. Lieferantenverzeichnisse, Anschriften usw.). Ein anderer Weg wird bei der Magnetplattenspeichereinheit IBM 1311 beschritten. Hauptbestandteil dieses Gerätes ist der auswechselbare Platten-

100

4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen

Abb. 94. Wechsel-Plattenspeicher (Werkbild B U L L )

Abb. 95. Plattenteller des Weehselplattenspeichers (Werkbild B U L L )

Speicher IBM 1312 mit 6 Platten bei 10 Plattenflächen (die oberste und unterste Fläche des Plattenstocks können nicht genutzt werden). Auf einer Plattenfläche sind jeweils 100 Spuren mit 20 Sätzen zu je 100 Zeichen untergebracht. Der Anschluß von maximal 5 Magnetplattenspeichern an einer Datenverarbeitungsanlage bietet eine gleichzeitige Gesamtkapazität von 10 Millionen Zeichen. Einzelne Platten können bei diesem Speicher nicht getrennt ausgewechselt werden. Nachdem der Plattenspeicher auf der senkrechten Achse aufgesetzt und festgeschraubt ist, wird der Schutzdeckel entfernt. Ein hydraulisch betätigter, kammartiger Zugriffsarm mit 5 doppelten (für Ober- und Unterfläche) Schreib-/Leseköpfen schiebt sich gleichzeitig in alle Plattenzwischenräume

Lese-Schreib-Arm Lese-

Platte

}- Führungsnadel

SchreibKopf

Plattenteller

Abb. 90. S c h e m a der Plattenspeicherung (Werkbild B U L L )

Führungsrille

-4.2331 M a g n e t p l a t t e n s p e i c h e r m i t w e c h s e l b a r e n P l a t t e n

A b b . 97. M a g n e t p l a t t e n s p e i c h e r e i n h e i t I B M p l a t t e n s p e i c h e r I B M 1312 ( W e r k b i l d IBM)

1311

mit

auswechselbarem

101

Magnet-

A b b . OS. Miner d e r S c h r e i b Leseköpfe der Magnetplattens p e i c h e r e i n h e i t I B M 1311 (Werkbild IBM)

HHHHHHRHHHHHmtBliAto u n d ermöglicht den u n m i t t e l b a r e n Zugriff zu jeweils 10 übereinanderliegenden Spuren (sogenannter Zylinderzugriff). Die P l a t t e n rotieren gemeinsam mit einer Geschwindigkeit von 1 500 U m d r e h u n g e n in der Minute u n d ges t a t t e n eine Zugriffszeit zwischen 150 u n d 400 Millisekunden.

102

4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen

Abb. 99. Auswechselbarer Magnetkartenspeicher NATIONAL 353 CRAM (Werkbild Bild-Dienst der NATIONAL R E G I S T R I E R K A S S E N GmbH)

4.2332

Magnetkartenspeicher

Eine völlig andere Lösung eines billigen, auswechselbaren Großraumspeichers bei wahlfreiem Zugriff bietet National mit dem Magnetkartenspeicher NATIONAL 353 CRAM (Card Random Access Memory). Das auswechselbare Magazin mit 256 Mylar-Magnetkarten von je 35,6 cm Länge und 8,3 cm Breite (vorstellbar als gleichlange, breite Magnetbandabschnitte) vermag etwa 5,5 Millionen alphanumerische oder etwa 8,3 Millionen numerische Zeichen aufzunehmen. Durch den maximalen Anschluß von 16 Magnetkartenspeichern wird eine gleichzeitige Gesamtkapazität von etwa 89 Millionen alphanumerischer oder 133 Millionen numerischer Zeichen erreicht.

Abb. 100. Ablaufschema Magnetkartenspeicher NATIONAL 353 CRAM (Werkbild Bild-Dienst der NATIONAL R E G I S T R I E R K A S S E N GmbH)

4.2333 Magnetbandspeicher m i t Direktzugriff

103

Ein Auswahlmechanismus, von 8 Kerbstangen gesteuert, wählt die gesuchte (am oberen Rand mit 8 Ausschnitten versehene) Karte aus, preßt sie auf eine rotierende Vakuumtrommel und führt sie an der Schreib-/Lesestation vorbei. Während des Umlaufs wird eine der sieben Informationsspuren auf der Karte mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 100000 alphanumerischen oder 150000 numerischen Zeichen pro Sekunde bearbeitet. Eine Karte kann beliebig oft an den Schreib-/Leseköpfen (für jede Spur ein Kopf) vorüberlaufen. Ist der Schreib- oder Lesevorgang beendet, löst sich die Karte von der Trommel und wird von einem Luftstrom in das Magazin zurückgebracht. Die Zugriffszeit zu einer beliebigen Karte beträgt etwa 200 Millisekunden, die durchschnittliche Wiederzugriffszeit einer bereits umlaufenden Karte nur noch '23 Millisekunden. 4.2333 Magnetbandspeicher mit Direktzugriff Welche Möglichkeiten es gibt, einen preiswerten, auswechselbaren Großraumspeicher mit - allerdings eingeschränktem - wahlfreiem Zugriff zu entwickeln, dafür ist der Magnetbandspeicher mit Direktzugriff FACIT ECM G4 ein interessantes Beispiel. Abb. 101. Magnetbandspeicher mit Direktzugriff

104

4. A u f b a u u n d Arbeitsweise elektronischer D a t e n v e r a r b e i t u n g s a n l a g e n

A b b . 103. Scheibenwechsel beim Magnetbandspeicher F A C I T KCM 64 ( W e r k b i l d Facit)

Auf einer Scheibe sind (>4 Spulen, von denen jede e t w a 9 m M a g n e t b a n d enthält, a n g e b r a c h t . Sobald eine Spule f ü r den Schreib- oder Lesevorgang ausgewählt ist, legt die in beiden R i c h t u n g e n d r e h b a r e Scheibe den kürzesten W e g zur Schreib-/Lesestation zurück u n d bringt die gewünschte Spule in Arbeitsstellung. Ein Gewicht, das freigegeben wird, w e n n die Scheibe wieder in R u h e s t e l l u n g ist, lenkt d a s M a g n e t b a n d in die vorgesehene B a h n u n d zieht es an dem Schreib-/Lesekopf vorbei. W ä h r e n d des Abspulens über eine s t ä n d i g u m l a u f e n d e Spindel werden die I n f o r m a t i o n e n geschrieben oder gelesen. N a c h d e m der Schreib- oder Leseprozeß beendet ist, d r e h t ein Mechanismus d a s B a n d auf die Spule zurück. Der M a g n e t b a n d s p e i c h e r ist anschließend f ü r die n ä c h s t e Operation bereit. Sowohl die einzelnen Spulen als auch die ganze Scheibe können ausgewechselt werden. Bei Zugriffszeiten zwischen 1 u n d 3 S e k u n d e n bietet der Magnetbandspeicher mit Direktzugriff eine weitere Möglichkeit f ü r die A u f n a h m e großer D a t e n m e n g e n bei freier Adressierung. Die K a p a z i t ä t einer Spule b e t r ä g t etwa 90000 numerische oder (>5000 alphanumerische, die einer Scheibe 5,7 bzw. 4,1 Millionen Zeichen.

4.24

MASSNAHMEN ZUR VERMINDERUNG DER Z U G R I F F S Z E I T

Die Verarbeitungsgeschifindigkeit einer elektronischen D a t e n v e r a r b e i t u n g s anlage h ä n g t nicht allein von der Arbeit der Ein- u n d Ausgabegeräte ab, sondern in gleichem Maße davon, wie schnell die I n f o r m a t i o n e n zwischen den Speichern u n d der Recheneinheit t r a n s p o r t i e r t werden können. Die Zugriffszeit zu den i n t e r n e n und externen Speichern ist von entscheidender B e d e u t u n g f ü r die Gesamtgeschwindigkeit.

4.242 Seriale und parallele Informationsübertragung

105

Auch bei den Speichern gibt es zwei Wege zur Verbesserung der Zugriffsgeschwindigkeit bzw. zur Herabsetzung der Zugriffszeit. Einmal kann man die Geschwindigkeit der vorhandenen Speicher erhöhen sowie neue Einrichtungen entwickeln. Zum anderen wird durch eine Änderung der Organisation bei der Zeichenübertragung ebenfalls eine Steigerung der Zugriffsgeschwindigkeit bewirkt. Wie bei allen Neuerungen und Verbesserungen, so bestimmen auch hier die Kosten die Grenzen des technischen Fortschritts, der oft nur von teueren Großanlagen voll genutzt werden kann. 4.241

Neue und s c h n e l l e r e S p e i c h e r

Seit den Anfängen der elektronischen Technik für den Einsatz in der kommerziellen Datenverarbeitung unternehmen die Herstellerfirmen besondere Anstrengungen, um einen Speichertyp zu entwickeln, der den Vorteil hervorragender Eigenschaften mit dem der geringen Kosten verbindet. Von der Elektronenröhre, der akustischen Verzögerungsleitung und anderer früherer Speicherelemente, die teilweise ihren Inhalt bei Stromausfall verloren, bis zum neuen Dünnschichtspeicher mit extrem schnellem Zugriff führt ein weiter Weg der Bemühungen um einen ,,idealen" Speicher. Eine große Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit, niedrige Energieaufnahme und Wärmeabgabe, hohe Zugriffsgeschwindigkeit und große Kapazität bei geringem Platzbedarf zusammen mit niedrigen Herstell- und Wartungskosten sind die Forderungen, die an den idealen Speicher gestellt werden. Schon der Magnetkernspeicher vereinigte die geforderten Eigenschaften in besonders gutem Maße, die beträchtlichen Herstellkosten setzen seinem Einsatz jedoch enge Grenzen. Sollte es gelingen, die Produktionskosten des Dünnschichtspeichers erheblich zu senken, so stände ein Arbeitsspeicher zur Verfügung, der dem gewünschten Speichertyp sehr nahe kommt. Die Entwicklung der Großraum- und Nachschubspeicher dürfte dagegen - wie es die jüngsten Speicherarten beweisen - vorläufig nicht zur Ruhe kommen. Das Ziel - ein billiger Großraumspeicher mit hoher Kapazität bei verhältnismäßig schnellem Zugriff - ist bisher nicht erreicht. 4.242

S e r i a l e und p a r a l l e l e

Informationsübertragung

Die Übertragungsweise einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage wird durch die Art der Verarbeitung bestimmt. Die Recheneinheit kann nur dann mehrere Bits oder Ziffern gleichlaufend (parallel) verarbeiten, wenn sie die Daten auch zur gleichen Zeit über mehrere Ubertragungskanäle erhält. Dabei lassen sich vier Formen der Informationsübertragung unterscheiden. Bei der rein s e r i a l e n Ü b e r t r a g u n g werden die einzelnen Bits eines Zeichens nacheinander (serial) vom Speicher zur Recheneinheit und zurück zum Speicher transportiert. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die Anlage mit einem einzigen Datenkanal auskommt. Kleine und billige Systeme, bei

1 06

4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen Serial-Prinzip

Serial-Parallel-Prinzip

(1 K a n a l )

(6 Kanäle)

F ü r die Ü b e r t r a g u n g eines

F ü r die Ü b e r t r a g u n g eines

zehnstelligen Speicherwortes

zehnstelligen Speicherwortes

sind 6 0 Ü b e r t r a g u n g e n e r -

sind 1 0 Ü b e r t r a g u n g e n e r -

forderlich.

forderlich.

Parallel-Serien-Prinzip

Parallel-Prinzip

( 1 0 Kanäle)

( 6 0 Kanäle)

Abb. 104. Die vier Prinzipien der Datenübertragung F ü r die Ü b e r t r a g u n g eines

F ü r die Ü b e r t r a g u n g e i n e s

zehnstelligen Speicherwortes

zehnstelligen Speicherwortes

sind 6 Ü b e r t r a g u n g e n e r -

ist 1 Ü b e r t r a g u n g er-

forderlich.

forderlich.

denen es auf einen superschnellen Speicherzugriff nicht ankommt, bedienen sich dieses Prinzips. Der S e r i e n - P a r a l l e l - B e t r i e b einer Anlage erfordert, daß alle Bits eines Zeichens parallel, die einzelnen Zeichen selbst serial - also nacheinander übertragen werden. Mittelgroße Datenverarbeitungsanlagen befördern die Daten meist in dieser Weise. Die Umkehrung des Serien-Parallel-Betriebs ist das P a r a l l e l - S e r i e n v e r f a h r e n , bei dem alle Zeichen eines Speicherwortes parallel, die Bits jedes Zeichens dagegen serial transportiert werden. Während beim SerienParallel-Prinzip 4 (numerisch) oder 6 (alphanumerisch) Kanäle erforderlich sind, benötigt eine Anlage mit Parallel-Serien-Verfahren - bei zehnstelligen Worten - insgesamt 10 Übertragungskanäle. Eine weitere Beschleunigung wird durch einen rein parallelen Datentransport erreicht. Eine Anlage, die nach dem P a r a l l e l p r i n z i p arbeitet, braucht bei einer Wortlänge von ebenfalls 10 Stellen - sogar 60 und mehr (wenn man noch ein Prüfbit hinzurechnet) Übertragungskanäle. Entgegen dem rein serialen Prinzip, bei der jedes Bit eines einzelnen Zeichens nacheinander übertragen wird, transportiert eine Anlage mit Parallelprinzip alle Bits eines ganzen Speicherwortes gleichlaufend (parallel) zum Rechenwerk und zurück.

4.31 Aufgaben

107

Der hohe technische Aufwand der Parallelübertragung macht es verständlich, daß nur große und extrem schnelle Anlagen nach diesem Prinzip, das die Geschwindigkeit der Informationsübertragung gegenüber dem reinen Serienprinzip vervielfacht, arbeiten. Abbildung 104 zeigt die Zusammenhänge der einzelnen Verfahren noch einmal auf. 4.3

Recheneinheit

4.31

AUFGABEN

Die Recheneinheit einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage führt die arithmetischen (Rechen-) und die logischen (Vergleichs- und Verzweigungs-) Operationen durch. Elektronische Rechner können im allgemeinen nur addieren. Die Subtraktion wird auf die Addition des komplementären (ergänzenden) Subtrahenden, die Multiplikation auf die fortgesetzte Addition und die Division auf die fortlaufende Subtraktion (also fortgesetzte Addition des komplementären Subtrahenden) zurückgeführt. Die einfachste Form der Addition und Subtraktion ist die Zuordnung der beiden Operanden zu einer Additions- bzw. Subtraktionstabelle. Jedes mögliche Ergebnis einer Addition zweier Ziffern ist in der Tabelle gespeichert. Aus den beiden Ziffern, die die Maschine addieren soll, wird eine Speicheradresse gebildet, in der das Ergebnis der Addition steht. Findet die Maschine das Ergebnis in der rechten unteren Hälfte der Tabelle (vgl. Abb. 105), so ist ein Übertrag entstanden, den sie durch die zusätzliche Addition einer ,,1" in der nächst höheren Stelle der Zahl berücksichtigen muß. Der entsprechende Vorgang gilt bei der Subtraktion. Multiplikation und Division werden über ein Unterprogramm - durch fortgesetzte Addition bzw. Subtraktion mit zusätzlicher Stellenverschiebung - durchgeführt. Die meisten Recheneinheiten besitzen jedoch statt der Tabellen ein sogenanntes Rechenwerk, das im wesentlichen aus einer großen Anzahl logischer Schaltelemente besteht, die die Rechenoperationen durch Öffnen und Schließen bestimmter Stromkreise steuern. Abbildung 106 zeigt die logischen Grundschaltungen eines Rechenwerks.

n

Abb. 105. Additionstabelle

Ohne

Mit

Übertrag

Übertrag

108

4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen Und-Schaltung

E

Oder-Schaltung E

Abb. 106. Grundschaltungen eines Rechenwerks

offen

offen

offen

A

A

offen •A

Umkehr-Schaltung

E

offen

Erhält Eingang E einen Strom, so kommt bei einer Und-Schaltung im Ausgang A nur dann ein Impuls an, wenn die Schalter 1 und 2 geschlossen sind. Im Falle der Oder-Schaltung müssen die Stromkreise 1 oder 2 geschlossen sein, wenn A einen Impuls erhalten soll. Bei einer Umkehr Schaltung erhält A nur dann einen Stromimpuls, wenn der Stromkreis 1 nicht geschlossen ist. Die extrem hohen Rechengeschwindigkeiten elektronischer Anlagen werden nur dann erreicht, wenn anstelle mechanischer Zählräder oder Relais elektronische Elemente Verwendung finden. Ein solches Rechenwerk arbeitet rein dual oder in einem verschlüsselten Dezimal-Code. Die Möglichkeit, alle vier Grundrechnungsarten auf die Addition zurückzuführen, gestattet zwar, ausschließlich Addierwerke zu verwenden, erfordert aber einen erheblichen Aufwand an Schaltelementen und Steuereinrichtungen. Die Multiplikation und Division werden entweder (wie beim Rechnen mit Tabellen) in Form von Unterprogrammen durchgeführt, oder sie sind in der Anlage durch Zusatzschaltungen fest eingebaut. In diesem Zusammenhang ist auf die unterschiedliche Handhabung der Rechenoperationen bei Ein- und Mehradreßmaschinen (vgl. Kapitel Instruktionsaufbau) hinzuweisen. Einadreßmaschinen sind mit sogenannten Rechenregistern ausgerüstet, in denen ein Operand vor Ausführung der Rechenoperation kurzfristig gespeichert wird. Rechenregister nehmen dann auch das Ergebnis der Operation auf. Die Verwendung von Rechenregistern ist erforderlich, weil bei einer Einadreßmaschine in einer Instruktion nur jeweils der Speicherplatz eines Operanden angegeben werden kann. Der zweite Operand muß vor der Operation bereits im Rechenregister stehen. Mehradreßmaschinen benötigen keine Rechenregister, da jede Instruktion zwei oder drei Operandenadressen hat. Eine Prüfung auf richtige Ausführung der Rechenoperation ist bei modernen elektronischen Rechenanlagen nicht erforderlich, da eine ständige automatische Funktionskontrolle der Rechenschaltkreise stattfindet. Ältere Anlagen hatten meist zwei Rechenwerke, in denen jede Operation parallel ablief. Anschließend wurden die beiden Ergebnisse auf Übereinstimmung verglichen. Die zusätzlichen logischen Schaltkreise einer Recheneinheit dienen dem Vergleich zweier Informationen, um auf Grund des Vergleichsergebnisses A

4.321

Addition

109

gleich B (A = B), A ungleich B (A 4= B), A größer B (.4 > B) und A kleiner B (A < B) im Programm zu verzweigen. Die Fähigkeit, mit Hilfe logischer Vergleichsoperationen selbständig Entscheidungen treffen und das Programm steuern und variieren zu können, gehört zu den wesentlichsten Merkmalen elektronischer Datenverarbeitungsanlagen. 4.32

D I E VIER

GRUNDRECHNUNGSARTEN

Dieser Abschnitt erläutert, auf welche Weise eine elektronische Anlage rechnet. Dabei wird ausgeführt, wie sie Zahlen im reinen Binärsystem und im Binär-Dezimal-Code (HA'l\-Code) addiert und subtrahiert, wie sie Überträge behandelt und Komplementwerte bildet. Auf eine gesonderte Darstellung der Multiplikation und Division brauchen wir nicht einzugehen, da sie im Prinzip der Addition bzw. Subtraktion entsprechen und mehr eine Angelegenheit des intern-technischen Ablaufs sind. Da es nicht Aufgabe einer Einführungsschrift für Kaufleute sein kann, die maschinelle Technik des elektronischen Rechnens zu vermitteln, haben wir auf Verdrahtungs- und Schaltbilder zugunsten von Beispielen verzichtet. Ganz allgemein gilt, daß die Maschine bei allen Rechenoperationen die Vorzeichen der Operanden berücksichtigt. Jede Anlage ist mit einer Einrichtung ausgestattet, die ein Vorzeichen erkennt und die Operanden vorzeichengerecht verarbeitet. Mit Hilfe spezieller Maschinenbefehle oder über das Programm ist es möglich, ein Ergebnis auf- oder abzurunden. Verschiebungsbefehle dienen dazu, die Zahlen für eine stellengerechte Verarbeitung in die richtige Position zu bringen. 4.321

Addition

Elektronische Systeme addieren zwei Zahlen in der gleichen Weise wie der Mensch. Mit der kleinsten Stelle beginnend wird jede Stelle einer Zahl unter Berücksichtigung eines Übertrages - einzeln hinzugefügt. Die einzige Rechenregel, die elektronische Anlagen kennen, lautet: 0 0 1 1

+ + + +

0 => 1 => 0 => 1 =>

0 1 1 10

(Null (Null (Eins (Eins einen

plus Null ergibt Null) plus Eins ergibt Eins) plus Null ergibt Eins) plus Eins ergibt Null und Übertrag).

Da es sich bei den Ziffern um binäre Werte, nicht um Dezimalzahlen handelt, muß anstelle des Gleichheitszeichens das Zeichen => verwendet werden. Die Abbildung 107 zeigt die schematische Darstellung des dualen, elektronischen Rechnens mit Hilfe von Elektronenröhren. Die unteren Zahlen auf den Röhren entsprechen ihrem dualen Stellenwert. In den folgenden Beispielen wird die Anwendung der dualen Additionsregel vorgeführt.

110

4. A u f b a u und Arbeitsweise elektronischer D a t e n v e r a r b e i t u n g s a n l a g e n

ÉÉ

+ ]2| + IJJ uT m

=3

Übertrag:

+ 6:

0

0

1

0 ÉÉ

0

1

m

3:

=9

= 9:

[T]^

¿1

è

Darstellung von Ziffern

Prinzip der Addition

durch je 4 Elektronenröhren

mit Elektronenröhren

m

¿1

A b b . 107. Elektronisches Rechnen (Werkbild IBM)

Beispiel 1: Additionen im Leibniz-System Fall 1 :

dezimal 8 + 1 =

Fall 2:

+

1000 1

=

1001

10011 10101

19

+

21

+

=

30

=

00110

+ = + = + =

1 1 100100 1 100000 1 101000

+ =

Fall 3 :

9

dual

1_ 40

50

67 = 17 + 1 = 117

110010 + 1000011 = 1110001 + 1 = 1110101

binäre Überträge binärer Übertrag binärer Übertrag 40

binärer Übertrag 117

Die richtige Darstellung der beiden Operanden und die folgerichtige Anwendung der Rechenregel führen ohne Schwierigkeit zum richtigen Ergebnis.

4.321 Addition

111

Beispiel 2: Additionen im 8421-Code Fall 1: Addition ohne Ubertrag im Dezimal- und Dualsystem dezimal 32 + 13

dual 0011 0010 + 0001 0011 = 0010 0001 1 + 1 = 0000 0101 + 1 = 0100 0101 = 45

Fall 2: Addition mit Übertrag im Dezimalsystem und fehlendem Übertrag im Dualsystem dezimal 23 + 39 = 52 + 1 = 62

dual 0010 + 0011 = 0001 + 1 = 0101

+

= 0101

+

= 0101

+

= 0101 + 1 = 0100 + 1 = 0110

0011 1001 1010 1 1000 1 1100 0110 1010 1 0010

dezimaler Übertrag fehlt, ,,außer Code" Korrektur mit + 6

dezimaler Übertrag 0010 0010

Beim binär-dezimalen 8421-Code ist die Behandlung des Übertrages nicht so einfach wie beim reinen Dualsystem. Während im Dezimalsystem ein Übertrag bei einem Ergebnis, das größer als 9 ist, auftritt, ist dies im 8421-Code nicht der Fall. Wegen der entstehenden Pseudotetraden (vgl. Kapitel 3.33 Verschlüsselte Dezimalsysteme) erfolgt ein Übertrag auf die nächst höhere Tetrade erst bei einem Ergebnis größer 15. Die Pseudotetraden bezeichnen wir als außer Code und korrigieren sie durch die Addition einer binären ,,6", die den notwendigen Übertrag herbeiführt und die Tetrade wieder in den Code zurückbringt.

112

4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen

Fall 3: Addition mit Übertrag im Dezimal- und Dualsystem dezimal 79

dual Olli + 0001

1001 Olli

= 86 + 1

= oiio

Tnö

+ i = 0100 + 1

i 1100 1

= 0000 +1

1000 1

= 1000 + 1

0000

= 1001

0000

+

0110

= Toöi

olio

= 96

dezimaler Übertrag, außer Code Korrektur mit + 6 96

Im Fall 3 ergibt sich ein scheinbarer Widerspruch. Obwohl die Tetrade 0000 heißt, wird sie als außer Code betrachtet. Das Ergebnis der vorangegangenen Addition ist aber nicht 0000, sondern 10000, und diese duale Kombination entspricht nicht dem gültigen 8421-Code (die übergelaufene duale 1 haben wir gleich als dezimalen Übertrag verwendet). Da jede Ziffer im 8421-Code einzeln verschlüsselt und verarbeitet wird, ist ein regulärer Übertrag von einer Tetrade zur anderen nicht möglich. Ein (dezimaler) Übertrag darf nur auftreten, wenn sich eine Tetrade außer Code befindet und korrigiert wird. Der Programmierer hat bei der Addition darauf zu achten, daß die (dezimale) Stellenzahl eines Rechenfeldes immer groß genug ist, um mögliche Überläufe (auf eine zusätzliche Stelle) aufnehmen zu können. Fehlt diese Stelle, so geht ein Überlauf verloren, und das Ergebnis ist falsch. Wie die folgenden Beispiele zeigen, erfolgt die gewünschte Rundung einer Zahl durch die Addition einer ,,5" auf die nächst niedrige Stelle. Die Stellen hinter der Rundung werden dann abgetrennt. +

27,34937 5

= 27,34437 + 1

Überlauf

= 27,35

Ergebnis mit Aufrundung und Abtrennung

+

89,59231

= 89,59731 = 89,59

Ergebnis ohne Aufrundung und mit Abtrennung

4.322 Subtraktion

4.322

113

Subtraktion

Mechanische Rechenmaschinen subtrahieren durch Rückwärtsbewegung der Zählräder um die entsprechende Anzahl von Einheiten. Elektronische Rechenanlagen kennen eine solche zweiseitige Bewegungsrichtung nicht. Sie umgehen diese Schwierigkeit durch die Addition des entsprechenden Komplementwertes. Wird 4 von 7 subtrahiert, so erhält man 3. Zu dem gleichen Ergebnis gelangen wir, wenn wir das sogenannte Zehnerkomplement von 4 ( = 6 ) zu 7 hinzuaddieren und die übergelaufene 1 abtrennen (besser: 10 wieder subtrahieren). 7— 4 = 3

oder

7 + 6 = 13 — 10 = 3

Statt der Ergänzung auf die Grundzahl 10 kann man auch das Komplement auf die Grundzahl 10 — 1 = 9 verwenden. In diesem Fall muß aber das Ergebnis nicht nur mit — 10, sondern auch noch mit + 1 korrigiert werden, da es um 1 zu klein ist (die Korrektur mit — 10 bezieht sich nur auf zweistellige Ergebniszahlen). 7— 4 = 3

oder

7 + 5 = 12 — 10 +

1 = 3

Daß man bei der elektronischen Subtraktion anstelle des Zehnerkomplements die Ergänzung auf die Zahl 9 benutzt, ist nicht rein zufällig. Diese Art der Komplementbildung bietet den Vorteil, daß alle dualen Nullen durch duale Einsen und umgekehrt ersetzt werden, um die duale Ergänzung zu erhalten. Entsprechend der Kombinationsmöglichkeit einer Tetrade wird der Komplementwert beim 8421-Code jeweils zur Pseudotetrade 15 (dual 1111) gebildet. Wie beim Dezimalwert, so muß man das Ergebnis der binären Subtraktion mit + 1 korrigieren. Beispiel

1: Subtraktionen im Leibniz-System

Fall 1:

dezimal 46 — 12

dual —

101110 001100

Minuend Subtrahend*)

= +

46 87

= +

101110 110011

Komplementwert

= 133 + 1 = 134 — 100

=

011101

=

34

+ 1 1 = 1011001

Uberlauf

+ 1 = 1010001

*) E s ist ratsam, den Subtrahenden bis zur Länge des Minuenden mit Nullen aufzufüllen, da diese Stellen beim Komplementieren leicht vergessen werden.

114

4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen

=

34

1010001 + 1 = 1000001 + 1 = 1100001 + 1 > 1 Korrektur mit + 1 und Ent= 100000 fernung des Überlaufes 1 + = 100010 = 34

=

Komplementkontrolle 001100 12 + 87 + 110011 ~= 111111 = 99 Fall 2:

dezimal 81 — 19 81 = + 80 = 161 + 1 - 162 100 — =

62

dual

=

1010001 0010011 1010001 1101100 0111101

1 10111101 >1 +1 = 111100 + 1 miiö = •

Komplementkontrolle 19 0010011 80 1101100 = 99 = 1111111 Fall 3 :

dezimal 63 — 17 = 63 + 82 = 145 + 1 = 146

Subtrahend Komplementwert

Komplementwert Überlauf Korrektur mit -j- 1 und Entfernung des Überlaufes 62

Subtrahend Komplementwert

dual 111111 — 010001 = 111111 + 101110 = 010001 + 1 111 1001101

Komplementwert Uberlauf

4.322 Subtraktion

= 146 — 100 = 46

1001101 1 • 1101101 = >1 + 1 101100 = 1 + = 101110

115

Korrektur mit + 1 und Entfernung des Überlaufes = 46

Komplementkontrolle + =

17 8-2 99

+ =

010001 101110 111111

Subtrahend Komplementwert

Beispiel 2: Subtraktionen im 8421-Code dezimal Fall 1:

dual

46 —

= + = + = — =

12

46 87 133 1 134 100 34

—

0100

0110

0001

0010

0100 = -j- 1110 1010 = 1 10010 = + i—* 1 0011

+ 0011

+ =

0011

0110 1101 Komplementwerte 1011 1 10011 Überläufe Korrektur mit + 1 und 1—> 1 Entfernung der Überläufe 0010 1 0000 1 0100 = 34

Komplementkontrolle + =

12 87 99

— = + =

81 19 81 80 161

Fall 2:

+ =

—

=

+ =

0001 1110 1111

0010 1101 1111

1000 0001 1000 1110 0110

0001 1001 0001 0110 Olli

Subtrahenden

4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen

1 162 100 =

62

= 0110 + 1 = 10110 + II 1

161

Olli Olli

—-> 1

0110

0110 1

=

0110

0100 1

=

0110

0000 1

=

0110

1000 1001

0110

10001 1—1 0000 1

+

+ +

+

0110

=

+

0110

Überlauf Korrektur mit + 1 und Entfernung des Überlaufes

Addition einer komplementären 6 *) Korrektur mit + 1 und Entfernung des Überlaufes

0010 = 6 2

Komplementkontrolle

=

99

— = +

63 17 63 82

= 145 + 1 = 146 — 100 =

46

• 1110

0001

1001 0110

=

1111

1111

—

0110 0001

0011 Olli

0110 1110

0011 1000

1000 11

1011

10100 1

1011 >1

Überlauf Korrektur mit + 1 und

0100

1010 1

Entfernung desÜberlaufes

=

0100

1000 1

=

0100

1100 1001

=

0100

=

0100

10101 1—>1 0100

=

+ =

+ =

+

1

19 80

11

Fall 3:

+

+

116

+ +

+

Subtrahenden Komplementwerte

Komplementwerte

Addition einer komplementären 6 *) Korrektur mit + 1 und Entfernung des Überlaufes

4.323 Multiplikation

= +

0100

0100 1

=

0100

0110 = 46

117

Komplementkontrolle +

17 82

+

0001 1110

Olli 1000

=

99

=

1111

1111

Subtrahenden Komplementwerte

*) Da mit dem (15er) Komplement gearbeitet wird, ist das Ergebnis stets um 6 zu groß und m u ß durch die Subtraktion einer dualen 6 (bzw. Addition des Komplementwertes) korrigiert werden. Eine scheinbare Ausnahme davon macht der Fall 1, bei dem die Korrektur nicht sichtbar ist. Durch die Addition von + 1 auf der nächst höheren Tetrade ist das Ergebnis bereits automatisch berichtigt worden. 4.323

Multiplikation

Elektronische Anlagen multiplizieren zwei Zahlen miteinander, indem sie den Multiplikanden fortgesetzt zu sich selbst addieren. Der Multiplikator gibt dabei die Anzahl der Additionen an. Bei den meisten Anlagen ist die fortgesetzte Addition mit einer gleichzeitigen Stellenverschiebung verbunden. Wie bei der Addition und Subtraktion, so wird das Vorzeichen des Ergebnisses automatisch nach den arithmetischen Regeln gebildet. Beispiel 1:

Dezimale Multiplikation ohne Stellenverschiebung Multiplikand • Multiplikator = Produkt 17 • 12 =

+ + +

17 17 17 17

+ 17 = 204 Beispiel 2:

Dezimale Multiplikation mit Stellenverschiebung 17 • 12 = 17 + 17 + 17 = 204

118

4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen

Die beiden Beispiele lassen erkennen, daß die Multiplikationszeit nicht nur vom Verfahren, sondern auch von der Größe und Länge des Multiplikators abhängt. Um eine möglichst hohe Rechengeschwindigkeit bei der Multiplikation zu erzielen, hat der Programmierer darauf zu achten, daß der kleinste Faktor als Multiplikator verwendet wird: Nicht 15 • 999, sondern 999 - 1 5 ! 4.324

Division

Die Division ist auch im Dualsystem die komplizierteste der vier Grundrechnungsarten. Bei der Division wird der Divisor so oft vom Dividenden abgezogen, bis der Restdividend kleiner als der Divisor ist. Die Anzahl der vorgenommenen Subtraktionen zeigt das Ergebnis (der Quotient) an. Beispiel:

Dividend : Divisor = Quotient 30 : 7 = 30 —

7

1. Subtraktion

= 23 — =

7

2. Subtraktion

16

—

7

=

9

—

7

3. Subtraktion 4. Subtraktion

Rest = 24 (Subtraktionen), Ergebnis: Rest 2.

4.33

RECHNEN MIT FESTEM UND GLEITENDEM KOMMA

4.331

A n l a g e n ohne

Gleitkommaeinrichtung

Elektronische Datenverarbeitungsanlagen, die ausschließlich zur Lösung kaufmännischer Aufgaben eingesetzt sind, verfügen im allgemeinen nur über ein sogenanntes festes Komma. Die Recheneinheit arbeitet so, als ob das effektive Rechenkomma immer an der gleichen Stelle stände. Um möglichst genaue Ergebnisse zu erzielen, wird das feste Komma - auch Maschinenkomma genannt = meist zwischen Vorzeichen- und höchste Dezimalstelle des Rechenregisters gesetzt: ± xxxxxxxxxx. Eine solche Anlage kann nur

•

mit Zahlen rechnen, die kleiner als 1 sind. Bei der Addition oder Subtraktion ist die Stellung des Maschinenkommas ohne Bedeutung. Es können auch Zahlen addiert oder subtrahiert werden, die - ohne Berücksichtigung des Vorzeichens - größer als 1 sind. Es ist Aufgabe des Programmierers, die Zahlen so anzuordnen, daß die Rechenkomma an die gleiche Stelle in den Rechenregistern gelangen. Ein Beispiel soll dies erläutern.

4 . 3 3 1 Anlagen ohne Gleitkommaeinrichtung

Beispiel:

119

1.596,346 + 23,27 = 1.619,616

Die Operanden stehen in den Rechenregistern 1 und 2, das Ergebnis der Addition befindet sich nach Durchführung der Operation ebenfalls im Rechenregister 1. Es werden positive Zahlen angenommen. Rechenregisterl:

+ 0001596346

Rechenregister 2:

+

Rechenregisterl:

+

A

A.

A

0000023270 A

Maschinenkomma: Rechenkomma:

A

0001619616 A

Das Rechenkomma des Ergebnisses steht bei der Addition und Subtraktion an der gleichen Stelle wie die Rechenkomma der Operanden. Bei einer Multiplikation (und Division) dagegen ist das nicht der Fall. Der Programmierer muß die richtige Stellung des Rechenkommas im Ergebnis errechnen. Die Regel für die Multiplikation lautet: Bei der Multiplikation ist die Anzahl der Zwischenstellen ( = Stellenzahl zwischen Maschinen- und Rechenkomma) des Ergebnisses gleich der S u m m e der Zwischenstellen von Multiplikand und Multiplikator. Beispiel:

12,60 • 3,25 = 40,95 (Multiplikand • Multiplikator = Produkt)

Vor der Multiplikation steht der Multiplikand im Rechenregister 1, der Multiplikator im Rechenregister 2; beide Rechenregister bilden zusammen das zwanzigsteilige Ergebnisfeld. Rechenregisterl:

+

Rechenregister 2: + Ergebnisfeld:

• ^

0000001260 A

0000000325 A

+ 0000000000 •

0000409500 A

Die Summe der Zwischenstellen bei beiden Faktoren beträgt 8 + 8 = 16. Wir erhalten das Rechenkomma des Ergebnisses durch eine gedachte Verschiebung des Maschinenkommas um 16 Stellen nach rechts.

120

4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen

Beispiel:

195,3 • 0,0025 = 0,49825

Rechenregister 1: + 0000001953 •

A

Rechenregister 2: + 0000000025 •

Ergebnisfeld:

A

+ 0000000000 0000049825 •

A

Summe der Zwischenstellen: 9 + 6 = 15 Für die Division lautet die Regel entsprechend: Die Anzahl der Zwischenstellen des Ergebnisses ist gleich der Differenz der Zwischenstellen von Dividend und Divisor. Beispiel: 2,4 : 0,008 = 300 (Dividend : Divisor = Quotient) Rechenregister 1: + 0002400000 a

A

Rechenregister 2: + 0008000000 aä Ergebnisfeld:

+ 3000000000 •

0000000000

A

Das Ergebnis der Division (mit Rest) steht ebenfalls in den beiden Rechenregistern. Differenz der Zwischenstellen: 4 — 1 = 3 . 4.332

Anlagen mit Gleitkommaeinrichtung

Elektronische Datenverarbeitungsanlagen, die - insbesondere in Industrieunternehmen - über die kommerzielle Datenverarbeitung hinaus auch für technische und wissenschaftliche Aufgaben eingesetzt werden, verfügen in der Regel über eine sogenannte Gleitkommaeinrichtung. Diese Zusatzeinrichtung, die einen verhältnismäßig hohen technischen Aufwand für das Rechenwerk und die Steuerung erfordert, gewährleistet automatisch die richtige Stellung des Rechenkommas bei den Operanden und beim Ergebnis. In einer halblogarithmischen Zahlendarstellung wird die Anzahl der Zwischenstellen durch den Exponenten (die Hochzahl) der Grundzahl 10 ausgedrückt. Beispiele:

35.950,178 = 0,35950178 • 105 0,498 = 0,498 • 10° 0,00274318 = 0,274318 • 10' 3

4.332 Anlagen mit Gleitkommaeinrichtung

121

Beim Arbeiten mit Gleitkomma ist es erforderlich, daß der Exponent bei der Programmierung genannt wird. Dazu bedient man sich unterschiedlicher Verfahren. Bei der sogenannten Ein-Wort-Darstellung werden Zahl und Exponent in einem Wort gespeichert. Das Zwei-Wort-System benutzt für den Exponenten ein zweites Maschinenwort. Die erste Form benötigt zwar nur ein Speicherwort für Zahl und Exponenten, schränkt aber die Anzahl der Dezimalstellen für den Operanden ein. Die zweite Methode vermeidet diesen Nachteil, braucht jedoch ein zusätzliches Speicherwort für den Exponenten. Im allgemeinen werden zwei Stellen für den Exponenten als ausreichend angesehen. Beispiele:

Ein-Wort-Darstellung:

35.950,178 + 3595017805 0,498 + • 4980000000

Zwei-Wort-Darstellung:

35.950,178 + 3595017800 + 0000000005 0,498 + 4980000000 + 0000000000

Diese Art der Darstellung läßt jedoch nur die Verwendung positiver Exponenten zu. Will man auch mit negativen Exponenten (z.B. 10-2) arbeiten, so muß man entweder die Stellenzahl für den Exponenten um eine weitere Stelle (für eine Vorzeichenkennzeichnung) erhöhen, oder aber den Exponenten durch eine andere Zahl ersetzen. Dies geschieht beispielsweise, indem zu dem Exponenten + 49 hinzuaddiert werden. Dadurch wird der Bereich für die Darstellung positiver und negativer Exponenten zwar halbiert, bleibt aber immer noch ausreichend. Beispiele:

Beispiel:

35.950,178 =

+ 3595017854 (49 + 5 = 54)

0,498 =

+ 4980000049 (49 + 0 = 49)

0,00274318 =

+ 2743180047 (49 — 2 = 47)

Multiplikation bei gleitendem Komma 356,49 • 0,0059 = 2,103291 356,49 = 0,35649 • 103 = + 3564900052 (49 + 3 = 52) 0,0059 = 0,59 • 10"2 = + 5900000047 (49 — 2 = 47)

122

4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen

Ergebnis:

+ 2103291050 (52 + 47 = 99 — 49 = 50) = 0,2103291 • 101 = = 2,103291

Um das Ergebnis wieder auf die Basis zurückzuführen, müssen von der Summe der Exponenten 49 abgezogen werden. Beispiel:

Multiplikation bei gleitendem Komma 3,2865 • 0,022 = 0,0723030 3.2865 = 0,32865 -10! = + 3286500050 (49 + 1 = 50)

Ergebnis:

0,022 = 0,22 • 10"1 = + 2200000048 (49 — 1 = 48) + • 0723030049 (50 + 48 = 98 — 49 = 49) + 7230300048 = 0,723030 • 10"1 = 0,0723030

Das Ergebnis muß immer dahingehend vereinheitlicht - normiert - werden, daß die erste Stelle von Null verschieden ist (vgl. letztes Beispiel). Die Normierung wirkt sich natürlich auch auf den Exponenten aus. 4.34

MASSNAHMEN ZUR ERHÖHUNG DER VERARBEITUNGSGE SCHWINDIGKEIT

Gleichzeitig mit der Verbesserung der Ein- und Ausgabegeräte und der Entwicklung schnellerer Speichereinrichtungen wandten sich Wissenschaftler und Ingenieure der Frage zu, wie eine Steigerung der internen Verarbeitungsgeschwindigkeit elektronischer Datenverarbeitungsanlagen zu erreichen ist. Dem technischen Fortschritt auf dem Gebiet der Schalt- und Steuerungstechnik schlössen sich Änderungen im maschinellen Arbeitsablauf an. Beide Maßnahmen dienen dazu, die Verarbeitungsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit elektronischer Systeme zu erhöhen. 4.341

Neue und schnellere Schaltelemente

Elektromagnetische Relais waren die ersten Elemente programmgesteuerter Rechenanlagen. Ihre verhältnismäßig niedrige Schaltgeschwindigkeit, ihr hoher Platzbedarf und die geringe Zuverlässigkeit waren der Grund dafür, daß man bald statt Relais Elektronenröhren verwendete. Die Schalt- und Rechengeschwindigkeiten vervielfachten sich seit dem Einsatz dieser elektronischen Bausteine. Aber auch die Ausrüstung der Rechenanlagen mit Elektronenröhren währte nicht lange. Die neuen elektronischen Elemente sind Transistoren, Ferraktoren, Dioden u.a. Sie gewährleisten nicht nur ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer, sondern haben die Schaltzeiten elektroni-

4.3421 Seriale, parallele und simultane Datenverarbeitung

123

scher Anlagen weiterhin beträchtlich verkürzt. Mehrere Hunderttausend oder gar Millionen Additionen in der Sekunde sind heute keine Seltenheit mehr. 4.342

Ä n d e r u n g des m a s c h i n e l l e n

Ablaufs

Nicht nur die Entwicklung neuer elektronischer Elemente führt zu einer Erhöhung der internen Verarbeitungsgeschwindigkeit. Die gleiche und zusätzliche Wirkung läßt sich erzielen, wenn man den Arbeitsablauf in der Recheneinheit ändert. Kleine und billige Anlagen verarbeiten die Daten bitweise. Eine wesentliche Erhöhung der Geschwindigkeit erlangt man, wenn alle Bits einer Speicherstelle oder eines ganzen Speicherwortes gleichlaufend verarbeitet werden. Arbeitet eine Anlage nach dem Simultanprinzip, so laufen sogar mehrere Operationen zur gleichen Zeit ab. Die höchste Stufe erreichen einige moderne Großanlagen, die in der Lage sind, mehrere voneinander unabhängige Programme parallel zu verarbeiten. Es ist leicht einzusehen, daß die parallele Arbeitsweise nicht nur entsprechende Anforderungen an die anderen Einheiten (schnelle Ein- und Ausgabe, parallele Datenübertragung) stellt, sondern auch mit erhöhtem technischen Aufwand erkauft wird. 4.3421 Seríale, parallele und simultane Datenverarbeitung Rein serial arbeitende Rechen- und Operationswerke verarbeiten jedes Bit einer Speicherstelle oder eines Speicherwortes nacheinander {serial). Ein Rechenübertrag wird bis zur Addition der nächsten Binärstelle mit Hilfe einer sogenannten Verzögerungsschaltung aufgehalten. Seríale Rechner besitzen nur ein Addierwerk. Die Rechenzeit steigt proportional zu der Anzahl der Dualstellen und ist relativ hoch. Beim rein parallelen Rechnen dagegen ist für jede Binärstelle ein eigenes Addierwerk vorhanden. Die Addition zweier zehnstelliger Speicherworte erfordert insgesamt 40 Addierwerke, die alle gleichlaufend (parallel) arbeiten. Bei der Ausrüstung mit 40 Addierwerken bleibt die Gesamtzeit einer Rechenoperation bis zu 10 Dezimalstellen konstant. Im Gegensatz zum serialen Rechnen macht die Anwendung des Parallelprinzips einen großen Aufwand an Schalt- und Steuerungselementen notwendig, weswegen nur große und teure Anlagen nach diesem Verfahren arbeiten. Der technische Aufwand paralleler und die hohen Rechenzeiten serialer Rechner haben zur Entwicklung kombinierter Systeme geführt. Beim SerienParallelprinzip werden die 4 Bits einer Dezimalstelle parallel verarbeitet, die einzelnen Dezimalstellen eines Speicherwortes dagegen nacheinander {serial). Die Parallel-Serienmethode verwendet für jede Dezimalstelle eines Speicherwortes ein eigenes Addierwerk, wobei die parallele Verarbeitung der einzelnen Dezimalstellen mit der serialen der Binärstellen gekoppelt ist.

124

4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen

Während Anlagen, die nach dem Serien-Parallelprinzip arbeiten, mit 4 Addierwerken auskommen, um ein zehnstelliges Speicherwort zu addieren, müssen sie beim Parallel-Serienprinzip mit 10 Addierwerken ausgerüstet sein. Den geringen Kosten des ersten Verfahrens steht eine verhältnismäßig niedrige Rechengeschwindigkeit zur Seite. Die höhere Geschwindigkeit beim Parallel-Serienprinzip wird durch einen höheren technischen Aufwand erkauft. Technische Ausrüstung und Verarbeitungsgeschwindigkeit verhalten sich bei den beiden Mischsystemen jedoch nicht so extrem zueinander wie bei der rein serialen und parallelen Arbeitsweise. Durch die Anwendung der simultanen Arbeitsweise wird ebenfalls eine Steigerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit erreicht. Bei diesem Verfahren laufen in der Anlage mehrere und verschiedene Operationen oder Teile desselben Programms gleichzeitig (simultan) ab. Beispielsweise können alle Ein- und Ausgabeoperationen simultan durchgeführt werden. Während die Maschine Ausgabewerte in eine Lochkarte stanzt, kann sie gleichzeitig die nächste Informationseinheit verarbeiten. Die Simultanverarbeitung, die eine entsprechende Steuerung bedingt, ist heute nicht nur bei Großanlagen, sondern auch bei einigen modernen elektronischen Kleinsystemen verwirklicht . 4.3422 Parallelverarbeitung steuerung

mehrerer Programme

und automatische

Vorrang-

Die Parallelverarbeitung mehrerer, voneinander völlig unabhängiger Programme stellt zur Zeit die höchste Stufe der elektronischen Datenverarbeitung dar. Das Verfahren ist mit einer automatischen Vorrangsteuerung gekoppelt, die eine optimale Anpassung aller Ein- und Ausgabe- sowie der Verarbeitungsoperationen gewährleistet. Das System der Parallelverarbeitung mehrerer Programme setzt voraus, daß die Anlage mit einer großen Anzahl von Ein- und Ausgabegeräten ausgestattet ist, die über getrennte Datenkanäle (Mehrkanalsystem) mit der Zentraleinheit verbunden sind. Alle Ein- und Ausgabegeräte müssen sowohl zueinander als auch zum internen Ablauf gleichzeitig und unabhängig arbeiten können. Die automatische Vorrangsteuerung stellt sicher, daß bestimmte Operationen bevorzugt ablaufen. Das laufende Programm wird unterbrochen, wenn ein solcher Vorrangfall auftritt. Nachdem die Vorrangoperation eingeleitet ist, setzt die Maschine das unterbrochene Programm fort. Die Vorrangoperation selbst wird ausgeführt, während das unterbrochene Programm schon wieder aufgenommen ist. Das geht, weil alle Ein- und Ausgabegeräte sowie die Zentraleinheit völlig parallel zueinander arbeiten. Ein derartiger Vorrangfall kann beispielsweise ein Fehler sein, der sofort korrigiert werden muß. Die Einleitung eines Ein- oder Ausgabefehls ist ein anderes Beispiel eines Vorrangs. Ein solcher Befehl muß in dem Augenblick eingeleitet werden, in dem die vorhergehende Ein- oder Ausgabe-

4 . 4 2 1 Allgemeine Steuerung

125

operation beendet ist. Dadurch wird erreicht, daß die Anschlußeinheiten mit Maximalgeschwindigkeit laufen. Sie brauchen nicht zu warten, bis die Maschine die interne Verarbeitung einer Informationseinheit abgeschlossen hat. Alle Vorrangfälle sind nach ihrer Dringlichkeit eingeteilt. Das Verfahren gestattet nicht nur eine völlige Parallelverarbeitung mehrerer Programme, sondern gewährleistet mit Hilfe der automatischen Vorrangsteuerung eine optimale Ausnutzung der Ein- und Ausgabegeräte. Die Zusammenarbeit aller Einheiten ist jetzt keiner starren Folge unterworfen; sie wird allein durch die Dringlichkeit der Operationen bestimmt. Die Zeit bei Parallelverarbeitung mehrerer Programme ist wesentlich kürzer als bei einzelner Verarbeitung der Programme nacheinander. 4.4

Steuerwerk

4.41

AUFGABEN

Das Steuerwerk ist die komplizierteste Einheit eines elektronischen Datenverarbeitungssystems. Es hat die Aufgabe, die Arbeit der Anlage auf Grund der vorgesehenen Maßnahmen zu steuern und zu kontrollieren, um einen ordnungsgemäßen Ablauf der Datenverarbeitung sicherzustellen. Elektronische Datenverarbeitungsanlagen werden auch als programmgesteuerte Maschinen bezeichnet, weil sie in der Lage sind, umfangreiche Aufgaben nach einem vorgegebenen Programm selbsttätig und selbstkontrollierend ablaufen zu lassen. Die Steuerung nach Programm wird ergänzt durch allgemeine interne Steuerungs- und Kontrollfunktionen sowie durch die wenigen externen Steuerungsmaßnahmen des Bedienungspersonals. 4.42

INTERNE STEUERUNGSFUNKTIONEN

Wenn man von den wenigen externen Steuerungsmöglichkeiten durch den Bediener absieht, so handelt es sich bei elektronischen Datenverarbeitungsanlagen um Maschinen mit rein interner, automatischer Steuerung und Kontrolle. 4.421

Allgemeine S t e u e r u n g

Diese Einrichtung ist vom Hersteller fest in die Maschine eingebaut. Sie soll ganz allgemein eine störungsfreie Arbeit der Anlage gewährleisten und den Bediener auf bestimmte Vorgänge hinweisen. Hierzu gehören die bereits besprochenen Prüfungen und Kontrollen bei den Ein- und Ausgabeoperationen, bei der Speicherung und beim Rechnen. Beispiele sind die Lochzählung, die Bitzahlprüfung, die Prüfung auf gültiges Zeichen, Kontrollen bei Schreib- und Lesevorgängen, Sicherung bei leerem oder vollem Kartenmagazin, Überlaufanzeigen beim Rechnen und viele andere Prüfungen und Kontrollen.

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4. Aufbau und Arbeitsweise elektronischer Datenverarbeitungsanlagen

Eine zweite Gruppe des generellen Steuerungs- und Kontrollsystems dient dazu, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten arbeitenden Einheiten der Anlage aufeinander abzustimmen und ihren festgelegten Arbeitsrhythmus zu sichern. Auch die automatische Vorrangsteuerung rechnet zu dieser Gruppe. 4.422

Programmsteuerung

Den internen Steuerungsfunktionen mit Hilfe eines spezifischen Programms, das vom Benutzer für jede Aufgabe getrennt ausgearbeitet werden muß, kommt die überragende Bedeutung zu. Ein Programm besteht aus einer meist großen Anzahl Maschineninstruktionen, die vom Programmierer in eine sinnvolle Reihenfolge gebracht sind. Bevor nun ein solches Programm abläuft, müssen die Instruktionen (über Lochkarte oder Magnetband) eingelesen und vorübergehend im internen Speicher der Anlage aufbewahrt werden (das Programm wird geladen). Man bezeichnet eine elektronische Anlage deshalb auch als speicherprogrammierte Maschine. 4.4221

Instruktionsaufbau

Eine Maschineninstruktion erteilt der elektronischen Anlage den Auftrag, bestimmte Informationen nach bestimmten Regeln zu verarbeiten. Grundsätzlich besteht jede Instruktion aus dem Befehls- und dem Adressenteil. Im Befehlsteil wird der Maschine angegeben, auf welche Weise sie die in den Adressen gespeicherten Daten verarbeiten soll. Es ist darauf zu achten, daß. der Adressenteil nur die Nummern der Speicherplätze bezeichnet, auf denen die zu verarbeitenden Informationen stehen. Der Befehlsschlüssel selbst wird meist ein- oder mehrstellig numerisch oder alphanumerisch gewählt. E r ist vom Hersteller der Anlage vorgeschrieben und muß vom Programmierer genau beachtet werden. Beispiele: 25 4711 4712

S 4711 4712

Addiere die Inhalte der Speicherplätze 4711 und 4712 miteinander und lege das Ergebnis in Adresse 4712 ab; zweistelliger numerischer Befehlsschlüssel. Subtrahiere den Inhalt des Speicherplatzes 4711 vom Inhalt des Speicherplatzes 4712. Das Ergebnis der Subtraktion steht auf Speicherplatz 4712. Einstelliger alphanumerischer Befehlscode.

Die Adresse einer Instruktion bezeichnet den Speicherplatz des Operanden (