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Von Günter Klemt, Kreuznach (Mit 13 Abbildungen)

Anmerkung der Schriftleitung : Der folgende Beitrag ist in enger Zusammenarbeit mit der Firma ZUSE K.-G., Bad Hersfeld, verfaßt worden. Wir danken der Firma Zuse auch an dieser Stelle sehr für ihre Unterstützung.
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Zur Bewältigung der umfangreichen Rechenarbeiten im mathematischen Büro unseres Werkes wird seit nunmehr 1 1/2 Jahren ein elektronisch arbeitendes Rechenhilfsmittel mit großem Erfolg eingesetzt. Die programmgesteuerte Rechenanlage ZUSE Z 22 wurde von der Firma Zuse K.G., Bad Hersfeld, entwickelt und hergestellt.

Die eigentliche Entwicklung der programmgesteuerten Rechengeräte im heutigen Sinne begann etwa im Jahre 1935. In Europa war Dr.-Ing. Kurt. Zuse Wegweiser auf diesem Gebiet. Über eine Reihe von Versuchsgeräten führte die Entwicklung im Jahre 1941 zum ersten programmgesteuerten Rechengerät, dem Gerät ZUSE Z3.

Etwa zur selben Zeit führten ähnliche Entwicklungen in den USA zum gleichen Ziel. Nachdem diese Arbeiten infolge ihrer militärischen Verwendung nur einem kleinen Kreis bekanntgeworden waren, setzten nach Kriegsende in den USA eine Reihe von Veröffentlichungen ein, die das Problem weiten Kreisen zugängig machte.

Dies hat zur Folge, daß eine Reihe von Begriffen aus der englischen Sprache entnommen sind und heute auch in deutschen Beschreibungen gebraucht werden.

Während in den USA bereits von Anfang an im Wesentlichen mit Elektronenröhren gearbeitet wurde, waren die ersten deutschen Maschinen Relais-Geräte. Sie verwendeten also Bauteile der hochentwickelten Fernmeldewähltechnik. Aus dieser Zeit stammen die Typen ZUSE Z4, ZUSE Z5 und ZUSE Z11. Die ZUSE Z 11 wird heute noch für Rechnungen im Vermessungswesen hergestellt und bei vielen Landeskatasterämtern verwendet.

Auch für die Durchrechnung optischer Aufgaben ist eine Serie ZUSE Z11 hergestellt worden und in verschiedenen optischen Werken eingesetzt.
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Die Rechengeschwindigkeit der Relaismaschine ist durch ihre Bauelemente begrenzt. So entstand aus dem Drang und den Bedürfnissen nach schnelleren Maschinen die programmgesteuerte elektronische Rechenanlage ZUSE Z 22.

Die in unserem Werk verwendete ZUSE Z 22 ist als Drei-Schrankmaschine aufgebaut und zusammen mit dem Bedienungstisch und Teilen der Klimaanlage in einem Raum von ca. 18 m2 Grundfläche aufgestellt. Ein Programmierungstisch und die restlichen Teile der Klimaanlage stehen im Nachbarraum.

Zur Erläuterung der Anlage sollen folgende Gruppen und Funktionen beschrieben werden:

• 1. Stromversorgung
• 2. Bedienungsgerät
• 3. Leitwerk
• 4. Rechenwerk
• 5. Speicher
• 6. Ein- und Ausgabe
• 7. Darstellung von Zahlen, Befehlen und Klartext
• 8. Arbeitsvorgänge in der Maschine
• 9. Klimaanlage.

Abb. 41 Fernschreiber (links) und Bedienungspult (rechts)
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Zur Stromversorgung dienen 3 x 380 Volt Wechselspannung mit einer Gesamtleistung von ca. 3,5 kW. Sie werden in einem besonderen Schrank, den jeweiligen Erfordernissen an den einzelnen elektronischen oder mechanischen Bauteilen entsprechend, transformiert, gleichgerichtet und stabilisiert. Die Stromversorgungsanlage enthält ferner die Meßinstrumente für die einzelnen Versorgungsspannungen und eine Betriebsstundenanzeige.

Das Bedienungsgerät der ZUSE Z 22 ist in einem Fernschreibpult untergebracht. Es enthält einen Fernschreiber, einen Lochstreifenabtaster (Modell Lorenz) und das eigentliche Bedienungspult (vgl. Abb. 41). Während Fernschreiber und Abtaster handelsübliche Geräte sind, stellt das Bedienungspult einen speziellen Bauteil der Rechenmaschine dar. Es enthält 5 Reihen mit je 10 Drucktasten und Lampen. Hiervon sind 38 Drucktasten und Lampen für die manuelle Eintastung oder Lampenanzeige der 38 Dualstellen - dem Gesamtstellenbereich der Maschine entsprechend - vorgesehen (vgl. Abb. 42).

Die übrigen 12 Tasten dienen zur Steuerung von Vorgängen oder Anzeigen während des Arbeltens mit der Maschine. Hierzu gehören „Start" und „Stop", um durch äußeren Eingriff die Maschine zum Arbeiten oder Halten zu bringen. Die Taste „Bedingter Stop" läßt die Maschine, bedingt vom Programm her, halten. Die „Nachttaste" läßt nach Beendigung der Rechnung die Maschine halten und schaltet darüber hinaus alle Versorgungsspannungen ab. Sie ermöglicht bei umfangreichen Rechnungen eine automatische Abschaltung der Maschine ohne Eingreifen von menschlicher Hand nach Beendigung des Programmes.

Die Taste „Alarm" hält die Maschine an, wenn eine Fehlablesung des Wortes erfolgt. Die Tasten „Befehlsübernahme" und „Weiter" dienen der schrittweisen Verfolgung des Programms bei Handbedienung.

Abb. 42. Erläuterung, zur 2 22
Abb. 43. Innenansicht der 2 22 von der Abgleichseite aus: links oben: Rechenwerk, links unten: Kern-Speicher, mitte oben: Leitwerkf links unten: Magnettrommelspeicher, rechts (geschlossener Schrank): Stromversorgung
Abb. 44. Blockschema der 2 22
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Das Leitwerk gibt der Maschine an, was sie zu tun hat. Es besteht im wesentlichen aus 38 Flip-Flops - dem Befehlsregister -, welches der Aufnahme der Befehle dient; einem ebenfalls aus Flip-Flops bestehenden Steuerregister, in welchem der im Befehlsregister stehende Befehl übernommen wird, um anschließend über zahlreiche Dioden entschlüsselt zu werden; einem +1 - Addierwerk, welches die Adressen des im Befehlsregister stehenden Befehls um +1 erhöht. Zur Aufnahme dieses Befehls mit um +1 erhöhter Adresse dient das Befehlszählregister c, ein aus Ferritkernen bestehender Schnellspeicher. Ferner vermittelt das Leitwerk einige Zusatzfunktionen, z. B. den Start-Stop, das Komplementwerk, die Abtaststeuerung usw. (vgl. Abb. 43).
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Das Addierwerk hat 2 Eingänge. Die vom Akkumulator kommende Zahl geht über Verzögerungsglieder, die diese Zahl links verschoben, rechts verschoben, ungeändert oder gar nicht an das Addierwerk übergeben. In den zweiten Eingang des Addierwerkes läuft die durch die Adresse von der Trommel oder dem Schnellspeicher gerufene Zahl (vgl. Abb. 44).

Das Addierwerk kann Additionen und Subtraktionen (durch Komplementbildung) ausführen. Das Resultat einer Rechenoperation geht in den Akkumulator. Der Akkumulator ist die Zelle 4 des Kernspeichers. Die Schnellspeicherzelle 3 kann mit dem Akkumulator so verkoppelt werden, daß deren Inhalt, eine Zahl doppelter Länge darstellend, gemeinsam verschoben werden kann. Bei Linksverschiebung gelangt dann die höchste Stelle von 3 in den Akkumulator und bei Rechtsverschiebung die unterste Stelle des Akkumulators in die höchste Stelle von 3. Der Schnellspeicher 3 kann also hinten an den Akkumulator angefügt werden (vgl. Abb. 45).
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Der Trommelspeicher der ZUSE Z 22 besteht aus einem rotierenden Metallzylinder, der eine magnetisierbare Oberfläche besitzt. Ähnlich wie beim Magnettonband wird die Trommel von Schreibköpfen mit elektrischen Impulsen beschrieben. Diese Impulse können wiederum von Leseköpfen abgelesen werden.

Die Magnettrommel besitzt 256 Spuren, die in je 32 Sektoren aufgeteilt sind (vgl. Abb. 46). Jeder Sektor stellt eine Speicherzelle dar, die 38 Dualstellen (= Wortlänge) besitzt. Auf der Trommel können also 256 • 32 = 8192 Worte gespeichert werden. In einer Zelle können nach Belieben eine Zahl, ein Befehl oder 7 Fernschreibzeichen (Klartext für Überschriften) gespeichert werden (vgl. Abb. 42).

Die Speicherzellen sind nach einem besonderen Schema numeriert. Die „Hausnummern" der Zellen werden Adressen genannt.

Jedes in einer Speicherzelle eingeschriebene Wort bleibt dort, auch bei Abschaltung der Maschine, solange erhalten, bis ein anderes Wort in die gleiche Zelle eingeschrieben wird. Bis zu diesem neuen Einschreiben kann es also beliebig oft gelesen werden. Die Spuren mit solchen Programmen, die über längere Zeiträume unbedingt erhalten bleiben sollen, können durch Umlegen von Blockierungsschaltern vor dem versehentlichen Überschreiben geschützt werden. Dies gilt vor allem für die 32 Spuren (= 1024 Zellen), die das Grundprogramm (arithmetische-, Lese- und Schreibprogramm) enthalten.

Die Magnettrommel benötigt für einen Umlauf 10 msec, so daß eine Wortzeit (d. h. die Zeit, bis ein Sektor an den Schreib- bzw. Leseköpfen vorbeigelaufen ist) in der ZUSE Z 22 etwa 0,3 msec beträgt. Die mittlere Zugriffszeit, d. h. das Warten auf eine beliebige Speicherzelle, liegt bei 5 msec. Die Zugriffszeiten lassen sich jedoch weitgehend vermeiden.
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Abb. 45. Innenansicht der 2 22 von der Röhrenseite aus: links oben: Befehlsregister, links unten: Magnettrommel mit Anwahl rechts (am Rand) oben: Rechenwerk, rechts (am Rand) unten: Impulsgeber

Der Magnetkernspeicher (Schnellspeicher) besteht aus vielen kleinen Ferritringen. Diese sogenannten „Magnetkerne" besitzen eine fast rechteckige Hysteresisschleife. Die beiden Zahlen 0 und 1 des Dualsystems werden durch die beiden Magnetisierungszustände der Ferritkerne dargestellt. Für jede Dualstelle benötigt man also einen Magnetkern (vgl. Abb. 47).

Der Magnetkernspeicher mit 12 Zellen steht ohne Zugriffszeit zur Verfügung (deshalb Schnellspeicher). Davon dient eine Zelle mit der Adresse 4 als Akkumulator, d. h. als Register für alle Rechenresultate, und liefert normalerweise stets einen der Operanden für die arithmetischen Operationen.

Abb. 46. Magnettrommel (schematisch)

Die Schnellspeicher haben die Adressen 2 bis 15. Der "Schnellspeicher 0" liefert die Zahl 0 und der „Schnellspeicher 1" eine 1 in der 1. Dualstelle.

Schnellspeicher der Rechenanlage ZUSE Z 22:

• 0 liefert 0
• 1 liefert Vorzeichenstelle
• 2 Testspeicher (P, Q)
• 3 Testspeicher (Y), Verlängerung des Akkus (LV, RV)
• 4 Akku, Test (PP, QQ, PPQQ) Verschiebungen (LL, L, R)
• 5 Rückkehradressenspeicher (F) 6-15 ohne Besonderheit
• 17 Bedingungsschalter ein: liefert 1' aus: liefert 0

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Alle Informationen (Befehle, Zahlen und Klartext) müssen mittels einer normalen Fernschreibmaschine in einen Fernschreiblochstreifen gestanzt werden. Dieser Lochstreifen kann dann an der ZUSE Z 22 von einem mechanischen oder optischen Abtaster in die Maschine eingelesen werden. Zur Ausgabe dient eine Fernschreibmaschine mit angebautem Lochstreifenstanzer (10 Fernschreibzeichen/sec) oder ein Lochstreifenschnellstanzer (25 Fernschreibzeichen/sec).

Abb. 47. Impulsverfolgung mit Kathodenstrahloszillograph bei der Wartung (rechts unten: Magnettrommel mit Anwahl)
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Die ZUSE Z 22 kann sowohl mit Dezimalzahlen, die sich die Maschine selbst in Dualzahlen umwandelt und die als Festkomma- oder Gleitkommazahlen verwendet werden, sowie mit Strichzahlen rechnen. Strichzahlen sind ganze Zahlen, die durch einen angefügten Strich kenntlich gemacht und im allgemeinen für Zählzwecke verwendet werden. Die maximale Stellenzahl bei Strichzahlen beträgt 12. Der maximale Zahlenbereich im gleitenden Komma wird durch die 29 Mantissenstellen und die 7 Exponentstellen angegeben.

Es ergibt sich somit ein maximaler Bereich von 0,4 x 10'19 bis 0,9 x 10'10.

Jeder Befehl muß einen Operationsteil (mindestens einen Buchstaben) und eine Adresse (mindestens eine Ziffer) enthalten :

Ausnahmen bilden folgende Symbole
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• + Addition
• W Quadratwurzel
• - Subtraktion
• HW Y 1 - x2
• X Multiplikation
• D Drucken (Fernschreiber)
• : Division
• HD Drucken (Schnellstanzer)
• M Multiplikation mit - 1

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Zu diesen Befehlen dürfen keine Adressen gesetzt werden, denn es wird stets vorausgesetzt, daß der 1. Operand im Schnellspeicher 6 und der 2. Operand im Akkumulator steht (W, HW, M, D. HD: Operand muß vorher im Akkumulator stehen).

Die Ausführung eines Befehls kann von Bedingungen abhängig gemacht werden; z. B. soll eine Multiplikation mit -1 (M) nur durchgeführt werden, wenn der Inhalt des Akkumulators negativ ist (= Betragsbildung). Zu diesem Zweck wird zu dem Operationszeichen noch ein Bedingungszeichen hinzugefügt. Bei den oben angeführten Ausnahmen (+, -, X, :, usw.) ist stets die Reihenfolge Bedingungszeichen - Operationszeichen
einzuhalten).

Zunächst werden nur Befehle mit einer Adresse behandelt. Dabei gilt folgendes:
Die Adressen unter 15 werden als Schnellspeicheradressen gewertet, die größeren Adressen (bis 8191) als Trommelspeicheradressen.
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Jeder Befehl der ZUSE Z 22 kann unter bestimmte Bedingungen gestellt werden, von deren Erfüllung die Ausführungen des Befehls abhängig ist.

Die Bedeutung der Bedingungszeichen ist:

• P = Führe den Befehl nur aus, wenn der Inhalt des Schnellspeichers 2 positiv ist : -< 2 >- J> 0
• Q = Führe den Befehl nur aus, wenn der Inhalt des Schnellspeichers 2 negativ ist: -< 2 y < 0
• PP = Führe den Befehl nur aus, wenn der Inhalt des Akkumulators positiv ist: -<a)-^ 0
• QQ = Führe den Befehl nur aus, wenn der Inhalt des Akkumulators negativ ist: -< a V < 0
• PPQQ = Führe den Befehl nur aus, wenn der Inhalt des Akkumulators Null ist: -< a >¦ = 0
• Y = Führe den Befehl nur aus, wenn die unterste Dualstelle im Schnellspeicher 3 = 1' ist, d. h. -< 3 >, als ganze Zahl aufgefaßt, ungerade ist.

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• Am Addiere den Inhalt der Speicherzelle m zum Akkumulatorinhalt
• Sm Subtrahiere den Inhalt der Speicherzelle m vom Akkumulatorinhalt
• Um Speichern des Akkumulatorinhalts nach Speicherzelle m
• Im Intersektion des Akkumulatorinhaltes mit dem Inhalt der Speicherzelle m
• N Nullsetzen des Akkumulators
  bei A vor Ausführung des Befehls
  bei U nach Ausführung des Befehls
• LL Linksverschieben des Akkumulatorinhaltes um 2 Dualstellen
• (Multiplikation mit 4)
• L Linksverschieben des Akkumulatorinhalts um 1 Dualstelle (Multiplikation mit 2)
• R Rechtsverschieben des Akkumulatorinhalts um 1 Dualstelle (Multiplikation mit 1/2)
• C Adressenteil aus dem Befehlsregister dem Addierwerk zuführen
• V Verkopplung von Schnellspeicherzelle 3 mit dem Akkumulator (für Links- und Rechtsverschiebung)
• H Einführen einer 1' in die unterste Stelle von Schnellspeicherzelle 3
• K Ausschließliche Benutzung der Schnellspeicherzellen
• Z Stop
• G Adressensubstitution

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Die ZUSE Z 22 kann sämtliche Buchstaben, Ziffern, Zeichen sowie Zeilentransport, Wagenrücklauf, Zwischenraum, Ziffern-, Buchstaben- Umschaltung usw. des Fernschreib- Alphabetes auch als zusammenhängenden Klartext aufnehmen. Es lassen sich jeweils 7 Fernschreibzeichen in einer Speicherzelle unterbringen.

Im Freiburger Code wird Klartext zusammenhängend ein- und ausgegeben. Bei der Eingabe wird lediglich am Anfang und Ende eines Textes die Kombination ft (Klingel) gesetzt, bei der Ausgabe ertönt an diesen Stellen ein Klingelzeichen. Das Zeichen "Klingel" wird nicht mitgespeichert und erscheint auch nicht auf dem Protokoll.
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Um sich mit dem Arbeiten hinsichtlich der Programmgestaltung und den Vorgängen in der Maschine näher vertraut zu machen, soll ein verhältnismäßig einfaches Beispiel aus der Optik behandelt werden. Wird die Aufgabe gestellt, durch ein gegebenes Linsensystem einen Paraxialstrahl hindurch zu verfolgen, so gibt es dafür zwei Gleichungen

für eine brechende Fläche, (Formel 1)
für den Übergang von Fläche zu Fläche (Formel 2).

Abb. 48. Beispiel eines Rechenprogramms

Mit diesen Gleichungen ist die Aufgabe beschrieben, so daß mit der Programmierung begonnen werden kann.

Zunächst wird ein Arbeits- oder Flußdiagramm aufgestellt. Bei dem hier gegebenen Beispiel genügt ein schriftlich fixiertes Diagramm. Bei umfangreicheren Programmen empfiehlt es sich, eine graphische Form zu wählen. Im vorliegenden Fall gilt für das Flußdiagramm

1. Einspeicherung der Konstanten eines optischen Systefns
2. Organisationsbefehle zu Beginn der Rechnung
3. Durchlauf der Flächenrechnungen
4. Schlußrechnungen und Herausdrucken der Ergebnisse
5. Stop der Maschine.

Für die ständig variierenden Konstanten eines Systems: Radien r, Dicken d, Brechzahlen n und Anzahl der brechenden Flächen k muß ein Speicherplan aufgestellt werden. Im Beispiel ist die Speicherbelegung für maximal 6 brechende Flächen vorgesehen, wobei die Radien in die Speicher 1100 bis 1105, die Dicken in die Speicher 1106 bis 1110, die Brechzahlen in die Speicher 1111 bis 1117 und die Anzahl der brechenden Flächen in den Speicher 1118 eingespeichert werden.

Abb. 48 zeigt die Zuteilung der Speicherplätze für die beschriebenen Konstanten und das Rechenprogramm; Abb. 49 den herausgeschriebenen Datenstreifen der eingegebenen Werte.

Abb. 49. Ausdruck des Datenstreifens

Zur Einhaltung des angegebenen Flußdiagramms werden die Punkte 2-5 zu einem Oberprogramm übersichtlich zusammengefaßt.

Dieser Programmteil ist in den Speichern 1120 bis 1123 aufgeführt. Es besteht aus den 3 F-Befehlen (Rufbefehl) für die Unterprogramme: Vorspann - Ach-senstrahlrechnung - Schlußrechnung und dem Stopprogramm.

Durch den F-Befehl, Sprungbefehl genannt, wird im Programm ein Sprung vom Oberprogramm ins Unterprogramm vollführt.

Nachdem die Maschine das Unterprogramm durchlaufen hat und am Ende den Befehl E5 vorfindet, springt sie zurück ins Oberprogramm und rechnet an der Stelle weiter, an der sie vor dem Sprung aufgehört hatte. Ein solches Programm kann beliebig viele Unterprogramme haben. Der Vorgang ist der gleiche wie im angeführten Falle. Wird in einem Unterprogramm der Speicher 5 benötigt, so muß dessen Inhalt zuvor weggespeichert werden.

Das dann folgende Programmierbeispiel haben wir ausgelassen, es ist zu langatmig.
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schneider objektive fuer anspruchsvolle kunden

Abb. 53. Obiger Werbetext im 5-Loch-Kode des Fernschreibers

Abb. 53 zeigt den Werbespruch
„Schneider Objektive für anspruchsvolle Kunden" im 5-Loch-Kode des Fernschreibers.

Die Klimaanlage der ZUSE Z 22 dient dazu, die Maschine auf gleichbleibender Temperatur zu halten. Die in der Maschine erzeugte Wärme kommt hauptsächlich von den Elektronenröhren.

Die Wärme muß auf irgendeine Weise abgeführt werden, da sonst die gegen zu hohe Wärme empfindlichen Dioden Schaden erleiden. Eine eingebaute Klimaanlage sorgt für gleichmäßige Temperatur, indem die durch die Maschine erwärmte Luft gekühlt und anschließend der Maschine wieder zugeführt wird.

Jos. Schneider & Co., Optische Werke, Kreuznach - Verantwortlich für Text und Bild: Dr. H. Klarmann, Kreuznach - Höhe der Auflage April/Mai 1960: 550 Stück
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