Geschichte der Datenverarbeitung
Dein Smartphone rechnet schneller als die Großrechner der 1960er-Jahre. Wie kam es dazu, dass aus Zahnrädern und Lochkarten Geräte wurden, die in jede Hosentasche passen? In diesem Abschnitt lernst du die wichtigsten Stationen, Personen und Ideen kennen.
Von der Rechenmaschine zur Lochkarte
Rechnen mit Maschinen ist älter als der Computer. 1642 baute der Franzose Blaise Pascal eine Rechenmaschine mit Zahnrädern, die addieren und subtrahieren konnte. Sie sollte seinem Vater, einem Steuerbeamten, bei der Steuerberechnung helfen. Solche Maschinen führten aber immer nur einen Rechenschritt aus, den ein Mensch von Hand anstieß.
Einen großen Schritt brachte die Lochkarte. Sie speichert Daten durch Löcher an festgelegten Stellen: Loch = ja, kein Loch = nein. Schon 1805 steuerte Jacquard damit Webstühle. Ab 1890 setzte Hermann Hollerith Lochkarten für die Volkszählung in den USA ein. Die Auswertung der Volkszählung von 1880 hatte rund 7 Jahre gedauert; 1890 war sie mit Holleriths Tabelliermaschine deutlich schneller fertig.
Hollerith nutzte damit erstmals im großen Maßstab das EVA-Prinzip: Eingabe (Karten einlesen), Verarbeitung (zählen, sortieren), Ausgabe (Statistik). Dieses Prinzip steckt bis heute in jedem Computer.
Erklären Sie, wie Lochkarten zur Speicherung von Daten verwendet wurden, und nennen Sie eine Anwendung (z. B. Volkszählung).
Erklären Sie, wie Lochkarten zur Speicherung von Daten verwendet wurden, und nennen Sie eine Anwendung (z. B. Volkszählung).
Die Volkszählung in den USA 1880 dauerte rund 7 Jahre. Hermann Hollerith entwickelte eine Lochkartenmaschine, mit der die Auswertung 1890 deutlich schneller ging. a)…
Die Volkszählung in den USA 1880 dauerte rund 7 Jahre. Hermann Hollerith entwickelte eine Lochkartenmaschine, mit der die Auswertung 1890 deutlich schneller ging.
- a) Erklären Sie, welches Grundprinzip der automatischen Datenverarbeitung hier erstmals im großen Maßstab genutzt wurde (Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe).
- b) Vergleichen Sie dieses Prinzip mit der Von-Neumann-Architektur.
- c) Erläutern Sie, welche Datenschutzprobleme die automatische Auswertung großer Personendatenmengen mit sich bringt, und nennen Sie ein Beispiel aus der deutschen Geschichte (Volkszählungsurteil 1983).
Zuse, ENIAC und die ersten Computer
In Berlin baute Konrad Zuse den ersten funktionsfähigen, programmgesteuerten Rechner: die Z3 (1941). Sie rechnete mit Relais (elektromechanische Schalter), nutzte das Binärsystem und las ihr Programm von gelochtem Filmstreifen. Gespeichert wurde das Programm dabei nicht im Speicher des Rechners.
Der ENIAC (USA, 1945) arbeitete mit rund 18.000 Elektronenröhren. Das war viel schneller, aber er rechnete dezimal, war riesig und brauchte sehr viel Strom. Programmiert wurde er durch Umstecken von Kabeln und Einstellen von Schaltern, was oft Tage dauerte.
| Z3 (1941) | ENIAC (1945) | |
|---|---|---|
| Bauteile | Relais | Elektronenröhren |
| Zahlendarstellung | binär | dezimal |
| Programmierung | Lochstreifen | Kabel und Schalter |
| Geschwindigkeit | langsam (mechanische Schalter) | viel schneller |
Warum Binärsystem? Ein Schalter kennt zwei Zustände: Strom fließt oder fließt nicht. Zwei Zustände lassen sich einfach und störungssicher unterscheiden. Zehn Spannungsstufen für eine Dezimalziffer wären dagegen fehleranfällig.
Eine Schlüsselidee kam von John von Neumann (1945): Programm und Daten liegen im selben Speicher. Dann lässt sich ein Programm leicht wechseln, ohne umzubauen. Details findest du im Abschnitt zur Von-Neumann-Architektur. Die Z3 hatte Rechenwerk, Speicher und Steuerung, speicherte das Programm aber extern. Sie stand also der Von-Neumann-Architektur nahe, ohne sie zu erfüllen.
Wer war Konrad Zuse und warum ist seine Z3 (1941) bedeutend? Nennen Sie zwei Eigenschaften der Z3.
Wer war Konrad Zuse und warum ist seine Z3 (1941) bedeutend? Nennen Sie zwei Eigenschaften der Z3.
Zuse baute die Z3 mit Relais, der ENIAC (1945) mit Röhren. a) Vergleichen Sie beide Rechner hinsichtlich Bauteilen, Zahlendarstellung (binär bzw. dezimal) und…
Zuse baute die Z3 mit Relais, der ENIAC (1945) mit Röhren.
- a) Vergleichen Sie beide Rechner hinsichtlich Bauteilen, Zahlendarstellung (binär bzw. dezimal) und Programmierung.
- b) Begründen Sie, weshalb die Verwendung des Binärsystems für elektronische Schaltungen vorteilhaft ist.
- c) Beurteilen Sie, inwiefern die Z3 bereits Elemente der Von-Neumann-Architektur aufwies und wo sie davon abwich.
Wegbereiter: Lovelace, Turing, von Neumann
Ada Lovelace (1815–1852) schrieb für die geplante „Analytical Engine“ von Charles Babbage eine Rechenvorschrift für Bernoulli-Zahlen. Sie gilt deshalb als erste Programmiererin. Sie erkannte auch, dass eine solche Maschine nicht nur mit Zahlen, sondern mit beliebigen Symbolen arbeiten könnte.
Alan Turing (1912–1954) beschrieb 1936 die Turingmaschine: ein gedachtes Modell mit einem unendlich langen Band, einem Schreib-/Lesekopf und einer Regeltabelle. Der Kopf liest ein Zeichen, schreibt ein Zeichen, bewegt sich nach links oder rechts und wechselt den Zustand. Nach der Church-Turing-These lässt sich damit alles berechnen, was intuitiv berechenbar ist. Damit begründete Turing die theoretische Informatik.
John von Neumann (1903–1957) beschrieb die Architektur mit gemeinsamem Speicher für Programm und Daten, Rechenwerk, Steuerwerk, Ein- und Ausgabe. Fast alle heutigen Rechner folgen diesem Aufbau.
Ordnen Sie folgende Ereignisse chronologisch und nennen Sie jeweils ein Stichwort dazu: Z3 von Konrad Zuse, Lochkartenmaschine von Hollerith, Rechenmaschine von Pascal,…
Ordnen Sie folgende Ereignisse chronologisch und nennen Sie jeweils ein Stichwort dazu: Z3 von Konrad Zuse, Lochkartenmaschine von Hollerith, Rechenmaschine von Pascal, Personal Computer (IBM PC), World Wide Web am CERN.
Ada Lovelace gilt als erste Programmiererin, Alan Turing prägte die theoretische Informatik. a) Beschreiben Sie in je zwei Sätzen den Beitrag beider Personen. b) Was…
Ada Lovelace gilt als erste Programmiererin, Alan Turing prägte die theoretische Informatik.
- a) Beschreiben Sie in je zwei Sätzen den Beitrag beider Personen.
- b) Was versteht man unter einer Turingmaschine?
- c) Erklären Sie, was John von Neumann zum Aufbau heutiger Rechner beitrug.
Generationen und das Mooresche Gesetz
Rechner werden oft in Generationen eingeteilt, nach dem wichtigsten Bauteil:
| Generation | Bauteil | Merkmale |
|---|---|---|
| 1 | Relais, Elektronenröhren | raumfüllend, viel Wärme, störanfällig |
| 2 | Transistoren (ab ca. 1955) | kleiner, sparsamer, zuverlässiger |
| 3 | integrierte Schaltkreise (ab ca. 1965) | viele Transistoren auf einem Chip, billiger |
| 4 | Mikroprozessoren (ab 1971) | ganzer Prozessor auf einem Chip, Personal Computer möglich |
Mit dem Mikroprozessor kam der Personal Computer (z. B. IBM PC, 1981). 1989 entwickelte Tim Berners-Lee am CERN das World Wide Web; das Internet wurde dadurch für alle nutzbar.
Versechzehnfachung: $16 = 2^4$, also vier Verdopplungen, das sind etwa 8 Jahre.
Grenzen: Die Strukturen nähern sich der Größe einzelner Atome, und die entstehende Wärme lässt sich immer schwerer abführen. Auch die Herstellung wird sehr teuer.
Die Entwicklung der Rechner wird oft in Generationen eingeteilt: Relais/Röhren, Transistoren, integrierte Schaltkreise, Mikroprozessoren. a) Ordnen Sie die Bauteile den…
Die Entwicklung der Rechner wird oft in Generationen eingeteilt: Relais/Röhren, Transistoren, integrierte Schaltkreise, Mikroprozessoren.
- a) Ordnen Sie die Bauteile den Generationen zu.
- b) Nennen Sie jeweils eine Veränderung bei Größe, Geschwindigkeit oder Preis.
- c) Erklären Sie das Mooresche Gesetz in eigenen Worten.
Das Mooresche Gesetz besagt vereinfacht: Die Anzahl der Transistoren pro Chip verdoppelt sich etwa alle zwei Jahre. Ein Chip hatte 1971 etwa 2.300 Transistoren. a)…
Das Mooresche Gesetz besagt vereinfacht: Die Anzahl der Transistoren pro Chip verdoppelt sich etwa alle zwei Jahre. Ein Chip hatte 1971 etwa 2.300 Transistoren.
- a) Berechnen Sie die erwartete Zahl für 1981 und 2001.
- b) Nach wie vielen Jahren hat sich die Transistorzahl etwa auf das 16-Fache erhöht?
- c) Nennen Sie eine mögliche Grenze dieser Entwicklung.
PC und Internet: Folgen für Gesellschaft und Datenschutz
PC und Internet haben Arbeit und Alltag in Deutschland stark verändert. Wie bei jedem Fallbeispiel gilt: Chancen und Risiken nennen, abwägen, begründen.
| Chancen | Risiken | |
|---|---|---|
| PC | Büroarbeit effizienter, neue Berufe | Routinearbeiten fallen weg |
| Internet | weltweite Kommunikation, Homeoffice, Wissen für alle | Falschinformationen, Überwachung, Abhängigkeit |
Auch der Datenschutz ist ein Thema der Geschichte: Je leichter große Datenmengen auszuwerten sind, desto größer ist die Gefahr für die Privatsphäre. In Deutschland war die geplante Volkszählung 1983 Anlass großer Proteste. Das Bundesverfassungsgericht entschied im Volkszählungsurteil (1983), dass jeder grundsätzlich selbst über die Preisgabe und Verwendung seiner persönlichen Daten bestimmen darf (informationelle Selbstbestimmung). Auf diesem Gedanken baut heute auch die DSGVO auf.
Erörtern Sie, wie die Erfindungen des Personal Computers und des Internets die Arbeitswelt und die Gesellschaft in Deutschland verändert haben. a) Nennen Sie für den PC…
Erörtern Sie, wie die Erfindungen des Personal Computers und des Internets die Arbeitswelt und die Gesellschaft in Deutschland verändert haben.
- a) Nennen Sie für den PC und für das Internet jeweils zwei Chancen und zwei Risiken.
- b) Beurteilen Sie, welche Entwicklung Ihrer Meinung nach größere Auswirkungen hatte, und begründen Sie.
Auf einen Blick
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Lochkarten (Hollerith, 1890) automatisierten die Datenauswertung nach dem EVA-Prinzip.
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Zuses Z3 (1941): erster funktionsfähiger programmgesteuerter Rechner, Relais, binär. ENIAC (1945): Röhren, dezimal.
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Binär ist vorteilhaft, weil zwei Zustände einfach und störungssicher zu unterscheiden sind.
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Lovelace (erstes Programm), Turing (Turingmaschine, Berechenbarkeit), von Neumann (gemeinsamer Speicher für Programm und Daten).
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Generationen: Relais/Röhren → Transistoren → integrierte Schaltkreise → Mikroprozessoren. Mooresches Gesetz: Verdopplung etwa alle zwei Jahre.
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PC und Internet bringen Chancen und Risiken; das Volkszählungsurteil 1983 begründet die informationelle Selbstbestimmung.
Zurück zum Anfang: Das Smartphone ist das Ergebnis vieler Schritte, vom Zahnrad über Relais, Röhre und Transistor bis zum Mikroprozessor, und die Verdopplung der Transistorzahl macht diesen Sprung erklärbar.