Relais, Binärcodes und das von Neumannsch´e Modell

Alles hat einen Ursprung, so auch Rechenanlagen. Den theoretischen Basis aller bis heute betriebenen Anlagen entwickelte John von Neumann in den 1940er Jahre. Die heutigen Unterschiede ergeben sich aufgrund der Entwicklung von mechanischen Relais hin zu elektronischen Halbleiter. Doch der Basis ist und bleibt bis heute gleich.

Die Grundregeln des Neumannsch´en Modells

  1. Ein Rechner besteht (grundsätzlich) aus 6 Komponenten: Steuerwerk, Rechenwerk, Speicher, Ein- sowie Ausgabeeinheiten und einem Verbindungssystem.
  2. Die Befehle(=Steuerung) bestehen aus einer Kette logischer Binärentscheidungen und somit aus einer Ja/Nein-Auswahl. Diese werden Schritt für Schritt (seriell) abgearbeitet.

    Quelle: Wikipedia
  3. Das steuernde Programm sowie jeglicher Daten werden gespeichert und aus dem Speicher automatisch abgerufen= sog. Speicherprogrammierung.
  4. Befehle die mit einer Bedingung verknüpft sind erlauben Sprünge/Verzweigungen=sog. nichtlineare Programmabläufe.

 

Die funktionsweise des ersten Rechners Mark I basierte bereits auf die oben genannten Grundprinzipien, dennoch ist er kaum mit den heutigen Geräten vergleichbar. Sogar der erste elektronische Röhrenrechner, der ENIAC  aus 1946 bestand aus elektronischen Schaltelementen, hauptsächlich aus 15 000 Relais sowie ca. 18.000 Elektronenröhren. Darüber hinaus wog er über 30 Tonnen und umfasste eine Größe von 140 Quadratmeter.

Doch zurück zu den Neumann´schon Regeln, genau genommen zur Nr. 2. Dieser spricht von Ja/Nein Entscheidungen, also von einem Binärcode. Doch woher weiß ein Computer, was ja oder falsch sein soll?

Die Antwort liegt in der mechanischen Funktionsweise eines Relais:

Jedes Relais besitzt als Hauptbestandteil eine Spule und  hängt an einem Steuerkreis. Wenn dieses an Strom angehängt wird erzeugt die Spule ein Magnetfeld, das den Schalter (Trennendes Element= s.B. Anker) an das Magnetfeld des Relais anzieht. Dadurch wird der Arbeitskreis und somit der Kreislauf geschlossen( s.Bild Laststromkreis). Trennt man das Relais erneut vom Strom, erlischt auch das Magnetfeld und der Schalter entfernt sich wieder.

Von Stefan Riepl in der Wikipedia auf Deutsch

Dementsprechend gibt es zwei Stellungen, eine geschlossene und eine offene Stellung in denen entweder Strom fließt oder nicht. Diese lassen sich beispielsweise einem 0 und einem 1 oder einem wahr oder falsch zuordnen. Um am Ende die Buchstaben oder dargestellte Informationen zu erhalten werden sodann im Anschluss Werte bzw. Kombinationen der 2 Stellungen festgelegt.

Wie oben bereits erwähnt bestand der erste Rechner  aus Tausende von mechanischen Relais. Die heutigen Rechner besitzen diese zwar aufgrund derer Größe nicht mehr, die heute verbauten elektronischen Schalter oder sog. Halbschalter funktionieren aber nach einem vom Grundsatz her ähnlichen Prinzip. Sie verschleißen nur nicht so schnell, sind wesentlich effektiver und produzieren nicht so viel Hitze. Darüber hinaus sind sie dank der Nanotechnik winzig klein.

Diese kleinste Informationseinheit die durch die Schaltung entsteht nennt man übrigens Bit….und das Ergebnis des Prozesses lässt sich auch sehen.

Quelle: Wikipedia Von User:Atyndall

Und falls jemand gerne versuchen würde einen Binärcode zu lesen, dem kann ich gerne diese Anleitung empfehlen.

Quellen:

http://www.relaiscomputer.de/kurz6.htm
Wikipedia.de

Herold, Lutz, Wolhrab; Grundlagen der Informatik, 2. Auflage
Vielen Dank für die Unterstützung an Björn André, Maschinenbaustudent der FHWS

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