Charles Babbage

Kurzbiografie von Babbage

Charles Babbage war ein englischer Mathematiker und Nationalökonom, der großen Anteil an der Geschichte des Computers hat. Babbage wurde am 26.12.1792 in Teignmouth (Devonshire) geboren und starb am 18.10.1871 in London. Babbage war geistiger Urheber der ersten Rechenmaschine mit Programmsteuerung, deren Modell er 1822 baute. Außerdem erfand er das Dynamo und die heutigen Eisenbahnschienen. Er erlangte aber nie den Ruhm, der ihm heute zugesagt wird und starb als vielbelächelter Exzentriker.

Differenzenmaschine

Allgemeine Informationen

Babbage kam auf die Idee, so eine Rechenmaschine zu bauen, als er an der Prüfung von fehlerhaften Logarithmentafeln arbeitete. Er wollte das aufwendige Arbeiten mit Rechentafeln erleichtern. 1822 baute er als Vorstufe seiner Entwicklungen eine Differenzenmaschine. Diese konnte mit zwei Differenzen und auf acht Dezimalstellen arbeiten und war zur Prüfung dieser mathematischen Tabellen vorgesehen. Dabei bediente sie sich eines anderen Prinzips als die Rechenmaschinen von Leibniz oder Pascal. Denn der Bediener greift zu keiner Zeit in den Rechenvorgang ein und muß auch keine mathematischen Kenntnisse aufweisen. Der Benutzer erhält also Ergebnisee, ohne zu wissen, warum. Babbage wollte außerdem eine Maschine, die nach fehlerfreier Rechnung das Ergebnis in einen Pappmachè-Streifen hämmerte. Charles Babbage mußte die Arbeit an der Differenzenmaschine aber im Jahre 1842 komplett fallen lassen, als die Regierung das Projekt fallen ließ, nachdem sie bereits 17000 Pfund inverstiert hatte. Der Konstukteur der Maschine, also die Person, die die Ideen umsetzte, war Clement. Er baute aus 2000 Teilen ein Demonstrationsmodell. Dieses läuft bis

heute fehlerfrei und ist der Inbegriff für die feinmechanische Präzisionsarbeit. Ein Grund für das Scheitern der Umsetzung war natürlich auch,dass er auf die Mechanik zurückgreifen mußte, die damals noch nicht die nötige Feinpräzision für die Vielzahl von Zahnrädern- und stangen aufweisen konnte, und wenn, dann mit ungeheurem Zeit- und Kostenaufwand. Britische Wissenschaftler konstruierten die Maschine 1991 nach und sie arbeitet bis heute fehlerlos mit einer Genauigkeit von bis zu 31 Stellen. Später entwarf Babbage Pläne für eine verbesserte Difference-Engine No.2.

Funktion und Aufbau

Babbage's Maschine konnte vom Prinzip her nur die Addition. So beinhaltete es auch zahlreiche Exemplare einen addierenden Grundbau-steins, die miteinander gekoppelt waren. Ingesamt bestand die Maschine aus rund 25000 Teilen. Die fertige Maschine wäre 2,5 Meter hoch, 2 Meter breit und 1 Meter tief gewesen und hätte mehrere Tonnen gewogen. Die Anfangswerte, Babbage verwendete für seine Maschine das Dezimalsystem, werden in die Maschine eingegeben, indem man die, in einer Säule angeordneten Ziffernräder einer Zahl entriegelt und per Hand in die gewünschte Position dreht. Jeder Dezimalstelle entspricht ein spezielles Zahnrad. Und mehrere Zahnräder (auf die die Zahlen 0-9 eingraviert wurden), wurden auf einer Achse übereinander, säulenförmig angeordnet. Jede Säule entsprach somit einer Zahl. Auf dieser Säule entsprach die Einerstelle dem untersten Ziffernzahnrad und die höchste Stelle war das oberste Zahnrad. Es gab drei Säulen (zumindest in dem kleinen Demonstrationsmodel, dessen Funktionsweise hier beschrieben wird, die originale Maschine hatte natürlich ein paar mehr). Die erste Spalte (von rechts) wird als sog. Tafelspalte bezeichnet, die mittlere und die linke Spalte als erste bzw. zweite Differenzenspalten. Der Mechanismus ist so konstruiert, daß sich die folgende Operationssequenz wiederholt, solange die Kurbel gedreht wird: 1. Die Zahl, die sich in der ersten Differenzenspalte befindet wird zu der Zahl in der Tafelspalte addiert. 2. Dieselbe erste Differenz verbleibt in ihrer eigenen Spalte und die Zahl, die sich in der Spalte der zweiten Differenzen befindet, wird zu dieser ersten Differenz addiert. Es gab sogar einen Übertragmechanismus in der Maschine. So steht jeder Summand zunächst auf den Ziffernrädern jeweils einer bestimmten Säule. Der Mechanismus ist vom Prinzip ganz simpel. So wird jedes Ziffernrad eines Summanden um so viel weitergedreht, wie der andere Summand groß ist. Wenn das Ziffernrad sich über die neun hinausdreht, muß der Übertragsmechanismus greifen. Babbage gand dafür eine Lösung mittels Federn. Jedes Ziffernrad, das die neun überschreitet, spannt eine Feder. Im zweiten Teil des Berechnungsablaufes, also nachdem die Zahnräder der einzelnen Summanden weitergedreht wurden, löst sich die Feder und dreht das nächsthöhere Ziffernrad, also für die nächste Stelle, um einen Zahn weiter. Diese Maschine hätte Differenzen sechster Ordnung mit 20 Stellen nach dem Komma berechnen können.

Analytische Maschine

Allgemeine Informationen

Ein weiterer Grund dafür, dass Babbage die Arbeit an seiner Differenzenmaschien fallen ließ, war aber auch der, dass er sich seit 1833 mit einer neueren Maschine beschäftigte. Die analytische Maschine (analytic engine), die eine Verbesserung der Differenzenmaschine darstellen sollte. Dieser "analytische Rechenautomat" lenkte ihn sehr von seiner anderen Arbeit ab. Auch wenn er es nie schaffte, ein funktionstüchtiges Modell herzustellen, vor allem auch, weil ihm die Regierung die Zusammenarbeit verweigerte. Die analytische Maschine sollte eine problemlösende Maschine werden und einen programmierbaren Allzweckrechner darstellen. Den Zweck erklärte Babbage so: "Sie ist eine Maschine zur Errechnung des Zahlenwerts oder der Zahlenwerte jeder Formel oder Funktion, für die der Mathematiker die Lösungsmethode angeben kann. Sie soll die gewöhnlichen Regeln der Arithmetik in jeder Reihenfolge, die der Mathematiker zuvor festgelegt hat, beliebig oft aus- und mit beliebigen Größen durchführen." Außerdem sollte sie billiger und leistungsfähiger sein, als seine erste Maschine. In der Zeit traf er die mathematikbegeisterte Ada Lovelace mit der sich eine enge Zusammenarbeit entwickelte. Ada Lovelace entwarf die Programme für die analytische Maschine und kann als erste Programmiererin der Geschichte angesehen werden, nach der übrigens auch eine Programmiersprache benannt wurde.

Funktion und Aufbau

Die analytische Maschine sollte sämtliche arithmetrische Operationen durchführen können. Sie hatte eine arithmetrische Einheit, die Babbage als ‚Mill' bezeichnete und einen Speicher von etwa 167000 bit. Sie konnte also 1000 Wörter zu je 50 Dezimalstellen speichern. Eingabe und Programmsteuerung lief über Lochkarten ab. Für das Rechnen und Speichern sah Babbage die dekadischen Zahlräder seiner Differenzenmaschine vor. Der Konstruktionsentwurf sah

folgende Baugruppen vor: 1. Vollautomatisches Rechenwerk für die vier Grundrechenarten auf dem Prinzip des dekadischen Zählrades ("Mühle") 2. Zahlenspeicher für 1000 Zahlen von je 50 Stellen ("Variablenspalten") 3. Dateneingabegerät für Zahlen und Rechenvorschriften 4. Datenausgabe-Vorrichtung und Druckwerk Sollen zwei Zahlen miteinander verknüpft werden, beginnt die Maschine damit, sie aus den "(Variablen)-Spalten" (Speicher), in denen sie stehen zu löschen, d.h. sie setzt jede Scheibe der beiden vertikalen Linien in denen die Zahlen dargestellt sind auf Null und übermittelt die Zahlen an die "Mühle" (Rechner). Nachdem der Apparat entsprechend der gewünschten Operation eingestellt wurde, wird letztere dort ausgeführt und nach deren Beendigung wird das Resultat als solches an die Variablenspalte übermittelt, die zu Beginn angegeben worden sein sollte. Aus den Erläuterungen erkennt man, daß die Mühle somit den Teil der Maschine darstellt, der rechnet, die Variablenspalten bilden den Speicher. Wichtig ist die, von Babbage vorgenommene, eindeutige Trennung dieser beiden Komponenten. Die Maschine soll nacheinander, ohne menschliche Hilfe die aufeinanderfolgenden, zu den Operationen passenden Zustände annehmen. Babbage löste dieses Problem, indem er das Prinzip, das dem Jacquard-Spinnrad zugrunde liegt, übernahm, d. h. die Einführung eines Lochkarten-Systems. Die Anordnungen, die den verschiedenen Teilen der Maschine mitgeteilt werden, können in zwei Grundtypen unterteilt werden: 1. Anordnungen, die sich auf die Operationen (+, -, *, /) beziehen 2. Anordnungen, die sich auf die Variablen beziehen, d.h. die die Spalten angeben mit denen operiert werden soll. Dementsprechend benutzt die Analytical Engine ein System von zwei Lochkarten-Grundarten; den sog. Operationskarten und den Variablenkarten. Um zusätzliche Fehlerquellen bei der Dateneingabe zu vermeiden, werden die numerischen Daten nacheinander in einer der Spalten der Mühle eingestellt und mit Hilfe von, speziell für diesen Zweck angefertigten Lochkarten, in die richtige Variablenspalte transferiert. Diese Karten wurden als Zahlenkarten bezeichnet.Daneben hatte Babbage auch Vorrichtungen getroffen um auf mechanischem Weg das Vorzeichen einer Zahl in der jeweiligen Variablenspalte festzuhalten. Um eine verzweigte Programmstruktur zu erreichen überlegte sich Babbage komplexe mechanische Konstruktionen. Damit sind programmgesteuerte Rechenmaschinen und Datenverarbeitungsanlagen keine Erfindung unseres Jahrhunderts. Charles Babbage unternahm auch den Versuch, von seinem erdachten programmgesteuerten Rechenautomaten ein Modell zu bauen. Trotz erheblicher Geldsummen und dreißigjähriger Arbeitszeit ist das Modell allerdings niemals funktionsfähig geworden. Ein kleiner Teil des Rechenwerks, der bei seinem Tod allerdings noch nicht vollendet war, sowie ein weiteres Fragment, das sein Sohn Henry Prevost Babbage später zusammensetzte, sind die einzigen realisierten Teile seiner Entwürfe. Das Konzept der analytischen Maschine umfasst wesentliche Teile unseres heutigen Computers. Sprich die Recheneinheit, Speicher, Eingabe-Ausgabe-funktionen und Verarbeitungsvorschriften (also Programme). Das ist auch einer von seinen größten Verdiensten. Das Teilen der RecheMaschine in Zählwerk, Rechenwerk und Speicher.