Rechenmaschinen: Vom Abakus zum Smartphone

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Computer sind für uns heute selbstverständlich und allgegenwärtig. Diese Einheit gibt Dir einen Einblick in die Entwicklung des Computers, wie wir ihn heute kennen.

Schon früher nutzten die Menschen Hilfsmittel, die ihnen halfen Zahlen zu addieren oder subtrahieren. Diese wurden immer weiterentwickelt und brachten uns so den Computer und das Smartphone wie wir sie heute kennen. In dieser Einheit wirst du einen Einblick in diese Entwicklung bekommen. Des weiteren gibt es einen kurzen Abschnitt über die Entwicklung der Speichermedien, da mit der steigenden Rechenleistung auch diese stetig weiterentwickelt wurden.

Teste dein Vorwissen

Im diesem Quiz kannst du testen, was du bereits über die Entwicklung des Computers weißt. Am Ende der Einheit kannst du das Quiz nochmal machen und schauen, was du dazugelernt hast.

1

In welchem Land wurde der Abakus erstmals erwähnt?

Arabien
Römisches Reich
China

2

Wann wurde die erste Rechenmaschine konstruiert?

14. Jahrhundert
17. Jahrhundert
18.Jahrhundert

3

Welches ist das älteste Speichermedium?

Diskette
Lochkarte
CD

4

Was gilt als erster "richtiger" Computer

Apple 1
ENIAC
Zuse Z3

5

Wann wurde der erste Mikroprozessor vorgestellt?

1970
1980
1990

6

Wie heißt der aktuell leistungsstärkste Rechner der Welt(Stand Juni 2013)

JUQUEEN (Deutschland)
Tianhe-2 (China)
Deep Blue (USA)


Übersicht

Die Vorgänger des Computers

Vor dem Computer wie wir ihn heute kennen gab es verschiedene Hilfsmittel und Maschinen die den Menschen beim Rechnen halfen. Diese gehen bis in das zweite Jahrtausend vor Christus zurück. Im nächsten Abschnitt erfährst du alles über die wichtigsten Entwicklungen auf dem Weg zu den ersten "richtigen" Computern.

Der Abakus: Erstes Hilfsmittel beim Rechnen

Chinesischer Abakus

Als eine der ersten Hilfen beim Rechnen bildet der Abakus eine der Grundlagen der Entwicklung zum heutigen Computer. Schon vor über 3000 Jahren wurde er erstmals in China erwähnt. Mit dem Abakus lassen sich die vier Grundrechenarten nutzen. Seinen Namen hat er von dem lateinischen Wort abax, das Übersetzt Tafel heißt. In Europa wurde der Abakus, der bei uns auch Rechenbrett genannt wird bis ins Mittelalter verwendet. In anderen Teilen der Erde wird er auch heute noch benutzt. Gut geübte können mit dem Abakus sogar schneller rechnen als mit modernen Rechenmaschinen. Neben dem Abakus ist auch die Einführung arabischer Zahlen, wie wir sie heute kennen ein Grundstein in der Entwicklung des Computers. Zwar rechnen Computer mit einem anderen Zahlensystem, für ihre Vorgänger, die Rechenmaschinen, die im nächstem Abschnitt erklärt werden waren diese jedoch wichtig.

Wenn du mehr über den Abakus wissen willst, vor allem wie er funktioniert schau dir dieses Video an. Es wurde vom Deutschen Museum im Rahmen des Jahres der Mathematik aufgenommen.

Rechenmaschinen: Auf dem Weg zum ersten Computer

Leibniz Rechenmaschine

Auch wenn er nicht so bekannt ist hat Wilhelm Schickardt einen wichtigen Teil auf dem Weg zum Computer beigetragen. Seine Rechenmaschine war die erste, die automatisch bei der Addition einen Zehnerübertrag schaffte. Mit dieser Maschine konnte man auch schon Multiplizieren und Dividieren, allerdings nicht automatisch. Blaise Pascal entwickelte bis 1642 eine bessere Rechenmaschine, die bis zu achtstellige Zahlen addieren und Subtrahieren konnte. Diese wurde von Gottfried Wilhelm Leibniz weiterentwickelt. Ein weiterer wichtiger Beitrag von Leibniz in der Entwicklung des Computers war das duale Zahlensystem( mehr über Zahlensysteme erfährst du hier).

Auch wenn es nicht so scheinen mag ist auch ein Webstuhl Teil der stetig fortschreitenden Entwicklung. Joseph Marie Jacquard entwickelte Holzbretter mit Löchern, mit deren Hilfe ein automatischer Webstuhl komplizierte Muster weben konnte. Diese Bretter kann man als eine Art Speichermedium vorstellen, ähnlich der Lochkarten, die später noch behandelt werden. Schon viel früher als man es sich es vorstellen kann wurden die ersten theoretischen Grundlagen für die späteren digitalen Computer gelegt. Wenn die von Charles Babbage entwickelte Maschine gebaut worden wäre so hätte sie einen schon ein bisschen an einen heutigen Computer erinnern können. Man konnte Daten eingeben, die dann verarbeitet und von einem Drucker ausgegeben wurden. Zur Dateneingabe wären die am Ende des 19. Jahrhundert entwickelten Lochkarten eingesetzt worden

Die ersten Computer

Nachbau des Zuse Z1

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden die ersten Maschinen gebaut, die ähnlich wie unsere heutigen Computer arbeiten. Sie verwenden das duale Zahlensystem und hatten Möglichkeiten der Ein- und Ausgabe. Im Gegensatz zu den mechanischen Rechenmaschinen konnten sie Daten speichern und automatisch eingegebene Daten mit Hilfe eines Programms verarbeiten. Die Arbeitsweise dieser Rechner unterscheidet sich jedoch von der heutiger Computer. Die ersten dieser Rechner hatten noch mechanische Rechenwerke. Konrad Zuse entwickelte mit dem Z1 seinen ersten Rechner, der allerdings auch noch mechanisch arbeitete. Dieser rechnete im dualen Zahlensystem, man konnte aber die Daten in dem für uns gewohnteren Zehnersystem ein- und ausgeben lassen. Der ebenfalls von Zuse 1940 entwickelte Z3 wird als erster wirklicher Computer angesehen. Er arbeitete mit Relais, die man heute zum Beispiel noch von Lichtschaltern oder den Blinkern in einem Auto kennt. Er besaß die Möglichkeit die Daten per Tastatur einzugeben. Die Ausgabe erfolgte über ein Lampenfeld. Sein Speicher konnte 64 Zahlen im dualen System speichern. Der nächste Fortschritt in der Entwicklung war die Einführung von Röhren in der Computertechnik. Der Erste Rechner der mit Röhren arbeitete war ENIAC. Das System nach dem ENIAC funktioniert ist auch heute noch Grundlage aller Computer. Ein Computer soll aus Rechen-, Speicher-, Steuer-, Ein- und Ausgabeeinheit bestehen. Dieses Konzept ist auch unter dem Namen Von-Neumann-Architektur nach seinem Entwickler benannt. Röhrenrechner hatten jedoch auch Nachteile: zum einen hatten sie einen hohen Stromverbrauch(ENIAC verbrauchte so viel Strom wie etwa 200 Familien). Zum anderen waren die Röhren auch noch sehr Fehleranfällig. Ein Beispiel für die Fehleranfälligkeit der damaligen Systeme ist auch im heutigen Sprachgebrauch noch zu finden. das Wort Bug für einen Programmfehler rührt von Insekten(engl: Bug = Käfer) her, die in die Rechner flogen und dort durch Kurzschlüsse zu Fehlern führten.


Übung
Fülle die Lücken aus. Das in diesem Abschnitt Gelernte wird dir dabei helfen!


Das Zahlensystem, das wir im Alltag benutzen nennt man

Zahlensystem.
Ein wichtiger Beitrag Leibniz´war die Entwicklung des

Zahlenystems.
Grundbaustein für Zuses Z3 waren

.
Einen Programmfehler nennt man auch heute noch

.


Transistoren, IC´s und der PC

IBM1401 System

Transistoren sind die Nachfolger der Röhren und Relais. Ebenso wie diese haben sie zwei Zustände zwischen denen gewechselt werden kann. Dies zeigt auch, warum das Dualsystem eine zentrale Rolle in der Entwicklung des Computers spielt. In den 1950er Jahren wurden die ersten Rechner mit Transistoren vorgestellt. Sie hatten einen wesentlich geringeren Stromverbrauch als ihre Vorgänger. Allerdings waren sie immer noch sehr teuer und somit noch nicht für den Einsatz zu Hause gedacht(der Z31 von 1963 kostete umgerechnet 115000€). Außerdem waren die damaligen Rechner noch sehr groß, sie wogen meist über eine Tonne und brauchten auch sehr viel Platz. Neben der gestiegenen Rechenleistung(der Z31 konnte ungefähr 100 Rechenoperationen pro Sekunde ausführen) wurde in dieser Zeit auch der Speicher weiterentwickelt. Als Beispiel für ein Computersystem der damaligen Zeit sei der IBM 1401 genannt. Er konnte durch Lochkarteneinheiten, einen Drucker und auch durch Magnetbänder und -platten, welche als Speicher dienten, erweitert werden.

IC´s als Grundlage des PC

Zunächst ein paar Informationen zu den Kennzahlen von Prozessoren:
1. Die Taktrate: Die Taktrate oder auch Frequenz gibt an wie oft der Prozessor seinen Zustand ändern kann. Sie kann als Maßstab dafür genutzt werden, wie viele Operationen ein Prozessor pro Sekunde durchführen kann
2. Die Architektur: Die Architektur wird in bit angegeben. Sie beschreibt wie viele Binärzahlen der Prozessor pro Takt verarbeiten kann. Außerdem bestimmt sie auch, wie viel Arbeitsspeicher ein Prozessor maximal benutzen kann.

Ein großer Schritt war die Entwicklung integrierter Schaltkreise(engl. integrated circuit Abk. IC). Während in den ersten Transistorrechnern noch einzelne Transistoren verbaut waren, so wurden nun mehrere von ihnen in einem Siliziumchip vereint. Intel entwickelte den 4004 bei dem 2300 Transistoren auf einem Chip verbaut waren. Er Taktete mit 108 Kilohertz und hatte eine 4-bit Architektur. Ab 1972 wurden 8-bit Prozessoren entwickelt von denen es 1975 schon etwa 40 verschiedene gab. IC´s sind die Grundlage dafür, dass Computer kleiner und günstiger werden konnten und somit ein Grundstein für die Einführung des Personal Computer (PC).

Die Entwicklung des PC

Der erste PC: Apple I

Als erster Computer für den Heimbedarf wurde 1976 der Apple I vorgestellt. Er wurde von Steve Jobs und Steve Wozniak in einer Garage zusammengebaut. Allerdings konnte sich der Apple I nicht durchsetzen. Erst der Nachfolger, der Apple II konnte sich durchsetzen und wurde zu einem Welterfolg. Die Prozessoren wurden weiterentwickelt, sodass die neuen, die eine 16-bit Architektur hatten auch mehr Speicher nutzen konnten. Immer weitere Unternehmen stellten eigene Computer vor. Jedoch erst 1981 wurde der erste Computer vorgestellt der auch PC hieß. Er wurde von IBM entwickelt und hatte einen Intel Prozessor und das erste von Microsoft entwickelte Betriebssystem, MS-DOS. Auch wenn immer mehr Hersteller Prozessoren und auch Computer entwickelten, zeichnete sich ab den 1990er Jahren immer mehr das Duell zwischen AMD und Intel um die Vorherrschaft auf dem Prozessormarkt ab. Um zu sehen wie rasant sich der Markt für Prozessoren entwickelte kann man das Mooresche Gesetz betrachten, dass die Entwicklung der Leistung von Prozessoren im Laufe der Zeit zeigt.


Mooresches Gesetz:

Das Mooresche Gesetz













Jahr Name Transistoren
1974 Intel 8080 6000
1985 Intel i386 275000
2000 Intel Pentium 4 42000000
2010 AMD K10 1303000000



Übung
Fülle die Lücken aus. Das in diesem Abschnitt Gelernte wird dir dabei helfen!


Die deutsche Bedeutung von IC lautet:


Ein IC besteht hauptsächlich aus


Das Betriebssystem

lief auf dem ersten IBM-PC.

und

sind die größten Prozessorhersteller für PC´s.


Der heutige Stand der Technik und die Zukunft des Computers

In diesem Abschnitt sollst du etwas über die Technik von Smartphones in Erfahrung bringen und den Entsprechenden Lückentext ausfüllen. Zum Schluss kannst du dir noch einen kleinen Einblick in die zukünftige Entwicklung der Computer werfen.

Smartphones

Suche im Internet nach den gesuchten Informationen, um den Lückentext zu füllen!

Schon in den 1990er Jahren gab es die ersten Smartphones von IBM oder Nokia. Ab 2007 wurde das Smartphone für immer mehr Menschen interessant. Als Vorreiter der neuen Generation Smartphones gilt das

.
Neben dem von Apple entwickelten Betriebssystem iOS gibt es noch weiter wie zum Beispiel Windows Phone und

.
Wichtig für Smartphones und ihre Nutzer ist es vor allem immer ins Internet zu kommen. Die aktuell schnellste Möglichkeit mobil im Internet zu surfen ist LTE, das für

steht.
Ebenso wie bei den PCs durchlaufen die Smartphones eine rasante Entwicklung. Von ihrer Hardware her bauen Smarthones auf SoCs, also

auf. In diesen sind in den meisten Fällen Prozessor, Grafik-Chip und weitere wichtige Komponenten untergebracht.


Schon in den 1990er Jahren gab es die ersten Smartphones von IBM oder Nokia. Ab 2007 wurde das Smartphone für immer mehr Menschen interessant. Als Vorreiter der neuen Generation Smartphones gilt das iPhone.

Neben dem von Apple entwickelten Betriebssystem iOS gibt es noch weiter wie zum Beispiel Windows Phone und Android. Wichtig für Smartphones und ihre Nutzer ist es vor allem immer ins Internet zu kommen. Die aktuell schnellste Möglichkeit mobil im Internet zu surfen ist LTE, das für Long Term Evolution steht.

Ebenso wie bei den PCs durchlaufen die Smartphones eine rasante Entwicklung. Von ihrer Hardware her bauen Smarthones auf SoCs, also System on a Chip auf. In diesen sind in den meisten Fällen Prozessor, Grafik-Chip und weitere wichtige Komponenten untergebracht.

Die Zukunft des Computers

Da im Moment noch nicht absehbar ist, dass die rasante Entwicklung des Computers aufhören wird ist davon auszugehen, dass sich die Computer im derzeitigen Tempo weiterentwickeln werden. Dies bedeutete zum einen, dass Computer bei gleicher Größe und gleichem Preis immer leistungsfähiger werden oder aber auch die Technik bei gleicher Leistung immer kleiner (siehe Smartwatch, Smartglasses etc.). Als weitere Entwicklungsmöglichkeiten für die Zukunft des Computers sind Rechner, bei denen nicht mehr Prozessoren aus Silizium zum Einsatz kommen, sondern auch solche auf DNA Basis oder so genannte Quantencomputer. Wenn man sich über die Zukunft des Computers informiert, erscheinen viele der beschriebenen Konzepte wie Science Fiction. Allerdings hätte vor 50 Jahren auch noch keiner sich einen Computer so vorstellen können wie der, an dem du gerade sitzt.

Quiz zu verschiedenen Prozessoren

Dieses Quiz hilft dir mit bestimmten Prozessoren verschiedener Generationen die Entwicklung der Technik im Verlauf der Zeit zu erkennen.

Quellen