Arithmetische Logikeinheiten (ALU): Eine Einführung

Die Idee, dass Berechnungen aus diskreten Subsystemen bestehen, die zusammenarbeiten, um komplexe Verhaltensweisen zu erzeugen, stammt nicht aus dem 20. Jahrhundert. Tatsächlich wurden Maschinen mit gespeicherten Programmen von Charles Babbage mehr als 100 Jahre vor Alan Turings berühmter Formalisierung einer “Universellen Turing-Maschine” in den 1930er Jahren konzipiert.

Ein wenig bekanntes Buch “Fast than Thought” (1953) von B.V. Bowden beschreibt sehr schön Babbages Konzept der Berechnung, das den Begriff einer Steuereinheit, einer Speichereinheit und einer arithmetischen Einheit enthält! In einer netten Anspielung auf den damaligen mechanischen Kontext einer Recheneinheit bezeichnete Babbage dieses Subsystem als ‘The Mill’.

'An excerpt from the book 'Faster than Thought', B.V.Bowden, 1953
‘Ein Auszug aus dem Buch ‘Faster than Thought’, B.V.Bowden, 1953.

Die theoretischen Grundlagen des Rechnens erblickten das Licht der Welt durch den Bau von frühen Digitalrechnern. Maschinen wie der MOSAIC-Computer, der (ca.) 1953 sein erstes Programm ausführte, bestand aus über 6.480 elektronischen Ventilen und nahm die Fläche von vier Räumen ein! Das Bild unten zeigt ein Bild seines “Arithmetic Rack”, das eine der frühesten Recheneinheiten war. Es war das Herzstück des Rechners, bis die Maschine in den frühen 1960er Jahren außer Betrieb genommen wurde. (Beachten Sie hier auch das Steuerrack. Der Speicher war in einem separaten Raum untergebracht).

Das Arithmetik-Rack des MOSAIC-Computers
Ein Bild des MOSAIC ‘Arithmetic Rack’ aus ‘Early British Computers’, S.Lavington, 1980.

Bei der Erforschung der frühen Digitalcomputer ist auch der EDSAC 2 (betriebsbereit 1958) zu erwähnen, der der erste Computer mit einer mikroprogrammierten Steuereinheit war. Für erfahrene ALU-Sucher lohnt sich ein Besuch im ‘Centre for Computing History’ in Cambridge, das einen Teil der Arithmetic Logic Unit aus dieser Maschine beherbergt:

Arithmetic Logic Unit aus EDSAC 2
Arithmetic Logic Unit aus EDSAC 2: Untergebracht im Centre for Computing History, Cambridge.

Ab den 1960er Jahren schrumpften Computer dank der Erfindung integrierter Schaltkreise, die die in frühen Computern verwendete Vakuumröhrentechnologie ablösten, beträchtlich in ihrer Größe. 1970 stellte Texas Instruments den bahnbrechenden 74181 TTL-IC vor – eine 4-Bit-ALU – die das Design von Minicomputern vereinfachte. Er führte arithmetische Operationen (Addition und Subtraktion) und logische Operationen (AND, OR, XOR) durch. Er sollte ein Schlüssel in der Geschichte des ALU-Designs und der Computertechnologie werden und wurde in berühmten Computern wie der PDP-11 verwendet.

Ein 74181 ALU IC
Bild des klassischen 74181 ALU IC. By 74s181 at English Wikipedia – Transferred from en.wikipedia to Commons by audriusa., Public Domain, Link

Viele betrachten den 74181 TTL IC als einen klassischen Chip – auch wenn er nicht mehr hergestellt wird. Sein Niedergang signalisiert jedoch den Aufstieg der CPUs, bei denen die Subsysteme von Computern miniaturisiert und in den Siliziumscheiben der modernen Mikroprozessor-Technologie subsumiert werden.

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Heute kann man eine moderne ALU nicht mehr wirklich sehen oder in der Hand halten. Und die einfachen Mechanismen, die das alltägliche Rechnen antreiben, sind durch den Marsch der Miniaturisierung verloren gegangen und in Vergessenheit geraten!

Deshalb möchte ARITH-MATIC mit unserer DIY 4-Bit Arithmetic Unit die physischen und sichtbaren Verbindungen wiederbeleben, die wir einst mit den längst verlorenen Vorgängern des modernen digitalen Rechnens hatten.

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