HP-35 Rechner Design: Wie Innovation geschaffen wurde

Der HP-35 ist ein Beispiel für ein äußerst attraktives, miniaturisiertes und revolutionäres Produkt. Taschenrechner mit vier Funktionen waren bereits im Verkauf [früher "Pocket" oder "Handheld" oder "tragbar", sie nannten Elektronik klein genug, um in Ihre Hand zu passen und tragbar zu sein - bevor alle Geräte wurden solche / ca. übersetzt.]. Nur wenige konnten sich eine Maschine vorstellen, die wissenschaftliche Berechnungen durchführen und in eine Hemdtasche passen konnte, aber viele hatten bereits begonnen, von so etwas zu träumen. Der HP-35 wurde von Hewlett-Packard in Palo Alto, Kalifornien, an der Paige Mill Road 1501 entwickelt und 1972 auf den Markt gebracht. Es war der erste voll ausgestattete wissenschaftliche Taschenrechner in der Größe einer Hemdtasche. Diese Erfindung revolutionierte den Beruf eines Ingenieurs und ermöglichte ihm die sofortige und äußerst genaue Durchführung wissenschaftlicher Berechnungen zu Hause, im Büro oder vor Ort. Der HP-35 war der innovative Höhepunkt von mechanischem Design, fortschrittlicher Technologie, Entwicklung von Algorithmen und Anwendungen - all dies war zu dieser Zeit einzigartig.

Viele von uns sehen sich als Erfinder, aber wir müssen uns wirklich auf „Innovation“ konzentrieren - Dinge machen, die andere Menschen brauchen, die sie kaufen wollen. Forschung sollte die Entwicklung des Endprodukts unterstützen. Wenn dadurch etwas Neues auftaucht, erscheint möglicherweise eine patentwürdige Erfindung. Viele Ingenieure beginnen die Entwicklung von innen, mit Eisen, mit dem Motor und statten ihn dann mit einem Gehäuse aus. Die Analyse der erfolgreichsten Produkte der letzten Jahrzehnte zeigt jedoch, dass sie von außen entwickelt wurden. Aussehen und Benutzererfahrung haben Vorrang vor detaillierten technischen Entwicklungen.

Während der Entwicklung des HP-9100-Desktop-Rechners, des älteren Bruders des HP-35, war ich für die Entwicklung von Algorithmen verantwortlich, die in die vom freiberuflichen Erfinder Tom Osborne vorgeschlagene Architektur passen könnten. Tom brachte eine Gleitkomma-Schaltung mit vier Funktionen zu HP, die die Grundlage der 9100-Architektur bildete. Die vorgeschlagene Algorithmusmethode wurde dem von Malcolm Macmillan entwickelten Athena-Rechner entnommen, der auch für den Festkomma-Rechner und die transzendentalen Funktionen verantwortlich ist . Ich musste viel Literatur lesen, um die Technik verschiedener Arten von Berechnungen zu verstehen, von denen viele mehr als 1000 Jahre alt sind. Obwohl Wang Laboratories ähnliche Zählmethoden verwendete, fand ich in meiner Forschung historische Beispiele, von denen das älteste aus dem Jahr 1624 stammt - was die Patente von Wang Laboratories aufhebt.



Die Studie half dabei, transzendentale Funktionen (Exponentialfunktion, Logarithmus und trigonometrische Funktionen) zu beherrschen, indem Algorithmen verwendet wurden, die die Bedürfnisse des Benutzers erfüllen und in die Grenzen des Eisens passen. Dieser Ansatz war während der Entwicklung des HP-35 von unschätzbarem Wert, bis hin zur Verwendung von 12-stelligen Konstanten zur Erzeugung von Funktionen, um Abweichungen auf die Einheit in der 11. Dezimalstelle zu reduzieren.

Wir haben sorgfältig über die Auswahl der Algorithmen für den HP-35 nachgedacht. Potenzreihen, Zerlegung von Polynomen, fortgesetzte Brüche , Chebyshev-Polynome - all dies wurde für die Berechnung transzendentaler Funktionen in Betracht gezogen. Und all dies war aufgrund der Anzahl der Multiplikationen und Divisionen, die erforderlich waren, um die Genauigkeit bis zum zehnten Rang im vorgeschlagenen Intervall von zweihundertzehn Grad aufrechtzuerhalten, zu langsam. Ein verallgemeinerter Algorithmus, der den Anforderungen an Geschwindigkeit und Programmiereffizienz für HP-35 am besten entspricht, ist die iterative Pseudodivisions- und Pseudomultiplikationsmethode, die erstmals 1624 von Henry Briggs in Arithmetica Logarithmica und später von Volder und Meggit beschrieben wurde. Ein Algorithmus des gleichen Typs wurde zuvor in HP Desktop-Rechnern verwendet.

Als Ergebnis der Forschung zur Entwicklung des Desktop-Rechners HP-9100 wurde außerdem vorgeschlagen, die umgekehrte polnische Notation als Grundlage für die Entwicklung des HP-35 zu verwenden. Dies betraf alle Aspekte der Entwicklung - von der Anzahl der Schlüssel bis zur Architektur der internen Logik. Die umgekehrte polnische Notation erfordert, dass der Operator nach den Operanden eingegeben wird, wodurch Klammern unnötig werden. Auf diese Weise konnten Sie Daten mit weniger Tastenanschlägen eingeben und die Hardware vereinfachen.

Das Taschenrechnerprojekt begann buchstäblich mit dem Versuch, einen wissenschaftlichen Taschenrechner zu entwickeln, der in die Tasche von William Hewletts "Bill" -Shirt passt. Nachdem Bill Mitte der 1960er Jahre den HP-9100 Desktop-Taschenrechner entwickelt hatte, war er besessen von der Idee, dass HP einen Taschenrechner mit den gleichen Funktionen entwickeln sollte, die in seine Hemdtasche passen. Einmal alle paar Monate erschien er im Labor des 1U-Gebäudes und fragte, wie sein Lieblingsprojekt verlaufen würde. Er wandte sich oft persönlich an mich, da ich mich mit der Erforschung von Architekturen befasste, die für die wissenschaftlichen Algorithmen geeignet waren, die ich im HP-9100 verwendete.

Obwohl die Dichte der Halbleiter jedes Jahr zunahm, konnten Bipolartransistoren für unser Projekt nicht geeignet sein - sie waren zu groß und verbrauchten zu viel. MOS-Strukturen (Metalloxid-Halbleiter; englischer Metalloxid-Halbleiter oder MOS) versprachen eine hohe Dichte und einen geringen Verbrauch, befanden sich jedoch noch in der Anfangsphase der Entwicklung. Dies hinderte Hewlett jedoch nicht daran, das industrielle Entwicklungsteam des HP Labors anzuweisen, einige Ideen, wichtige Layouts usw. zu skizzieren, die in eine Hemdtasche passen könnten. Das Festkörperelektroniklabor hat auch an LED-Anzeigen mit geringem Stromverbrauch gearbeitet, die auf Schaltkreisen mit Bipolartransistoren basieren. Von verschiedenen Herstellern in den USA und Japan habe ich eine große Sammlung von Halbleiterarchitekturen zusammengestellt, die einfache Berechnungen mit vier Funktionen durchgeführt haben. Die meisten von ihnen waren bipolar, aber einige Hersteller haben bereits versucht, MOS-Schaltungen mit mehreren hundert Transistoren auf einem Chip zu entwickeln. In den späten 1970er Jahren änderte sich alles dramatisch, als Fairchild Semiconductor HP Whitney, dem HP-Abteilungsleiter, und mir die pMOS- Architektur vorstellte , die als Kandidat für die Arbeit mit wissenschaftlichen Algorithmen sehr geeignet schien. Der binärcodierte Dezimaladdierer (BCD) und die Unterstützung mehrerer 20-Bit-Wörter in Schieberegistern bei der Informationszirkulation waren hinsichtlich Chipgröße und Stromverbrauch sehr effektiv. Fairchild hatte kein Patent für diese Architektur, da sie es angeblich von Sweda, einem Hersteller von elektronischen Registrierkassen, übernommen hatten. Sie wollten diesen Chipsatz als Plattform für Taschenrechner mit vier Funktionen und einem festen Punkt anbieten.

Ungefähr zwei Wochen lang habe ich eine modifizierte Architektur studiert, die auf dem basiert, was ich mit Fairchild gesehen habe, und beschlossen, dass ich nur 13-Bit-Register (56 Bit) und 11-Bit-Wörter benötigen würde. Sie wurden später unter Verwendung einer imaginären bedingten Verzweigung auf 10 Bit reduziert. Eine Reduzierung der Schaltung um 10% war ziemlich signifikant. Dreizehn Stellen sollten für eine Genauigkeit von zehn Stellen ausreichen, mit einem Bit für Überlauf oder Übertrag und zwei Bit Schutz. Das Wort kann entweder als Mantisse mit zwei Ziffern des Exponenten oder als Ergebnis variabler Länge mit einem festen Punkt angezeigt werden. Das Produkt sollte einen arithmetischen Chip und einen Registerchip, Steuerschaltungen und einen Zeitgeber sowie mehrere ROM-Chips haben. Wie oft hat eine Person die Möglichkeit, eine Reihe von Mikroanweisungen zu entwickeln?

Fairchild entschied, dass sie kein spezielles Bestellschema für HP erstellen würden. Deshalb gingen wir zusammen mit dem Geschäftsführer Tom Whitney und dem Direktor des Labors zu Bill Hewlett und hofften, dass er sich über unsere Kombination aus Technologie und Architektur freuen würde, die in seine Tasche passen könnte. Wir sagten ihm, dass wir die Entwicklung mehrerer neuer pMOS-Chips bestellen müssten. Und die endgültigen Kosten des Produkts werden definitiv viel mehr als 100 US-Dollar betragen, für die dann Taschenrechner mit vier Funktionen verkauft wurden. Hewlett war sich nicht sicher, ob er eine gute Antwort von der Entwicklung im Wert von einer Million Dollar erhalten würde. Deshalb haben wir das vorhandene Budget der Forschungs- und Entwicklungsabteilung verwendet, und Hewlett hat das analytische Entwicklungszentrum des SRI kontaktiert, um sie mit unabhängiger Marktforschung zu beauftragen. SRI arbeitete viele Monate, studierte verschiedene Fokusgruppen usw. und gab die Antwort: Was HP im Sinn hatte, „kann nicht bewertet werden“.

Die Hauptziele bei der Erstellung des HP-35 waren:

• Rechner in der Größe einer Hemdtasche.
• Die Fähigkeit, transzendentale Funktionen (trigonometrisch, logarithmisch, exponentiell) und sogar die (einfache) Quadratwurzel zu zählen.
• Die Leistung dieser Operationen lag im Bereich von zweihundert Grad zehn, was es uns ermöglichte, Zahlen von 10 ^-99 bis 9.999999999 x 10 ⁹⁹ darzustellen.
• Die Anzeige sollte aus 15 numerischen LED-Anzeigen mit sieben Segmenten und einer geeigneten Position für den Dezimalpunkt bestehen, die im Sonnenlicht sichtbar sein sollten.
• Der Rechner sollte über fünf Register zum Speichern von Konstanten und Ergebnissen verfügen, von denen vier den Betriebsstapel bildeten - zu diesem Zeitpunkt hatten nicht alle Computer eine solche Möglichkeit.
• Vier Stunden mit wiederaufladbaren Batterien.
• Erschwinglicher Preis für Ingenieure und Wissenschaftler.

Wie soll der HP-35 aussehen? Es musste die Größe einer Tasche haben - und daher leicht und leicht zu tragen. Welche Knöpfe brauchte er, wie würden sie alle mit einer solchen Größenbeschränkung passen? Akzeptieren Benutzer Präfix- und Suffix-Schaltflächen? Wie platziere ich Schaltflächen so, dass sie bequem zu bedienen sind? Ist es möglich, ein versehentliches Drücken benachbarter Tasten zu vermeiden? Der Akku sollte mehrere Stunden ohne Aufladen funktionieren. Das Display sollte auf Armeslänge und bei hellem Sonnenlicht lesbar sein.

Die industrielle Entwicklung des HP-35 war nicht nur für Hewlett Packard, sondern für die gesamte Elektronikindustrie insgesamt eine Neuheit. Typischerweise wurden die mechanischen und elektrischen Komponenten eines Produkts bestimmt, bevor sein Aussehen entwickelt wurde; HP-35 ging den umgekehrten Weg.

Da der Taschenrechner in eine Hemdtasche passen sollte, war die Größe die dominierende Designbeschränkung. Sofort wurden einige weitere Parameter eingestellt. Der Rechner benötigt drei Batterien, um die angegebene Laufzeit zu erreichen, mit einem hocheffizienten DC / DC-Wandler bei der geschätzten Spannung der Halbleiter und mit entsprechenden Leistungsanforderungen. Basierend auf der Entwicklung früherer Desktop-Rechner entschied sich der HP-35 für 35 Tasten (hat er nach der Entwicklung offensichtlich nicht den Namen des Rechners gefunden?) Sowie eine fünfzehnstellige LED-Anzeige mit Exponentialschreibweise, Dezimalpunkt und Vorzeichen für Mantisse und Exponent .

Industriedesign begann mit dem Studium der Tastatur, des Gehäuses, des allgemeinen Formbegriffs. Mit Hilfe von Skizzen und dreidimensionalen Modellen wurden mehrere grundlegende Formfaktoren untersucht, die eine gute Beurteilung der betrachteten Formen und Größen ermöglichten. Aus Sicht der Ingenieurpsychologie war die Tastatur der kritischste Moment. Das Problem bestand darin, 35 Tasten auf einer Fläche von 6,5 cm x 11,5 cm zu platzieren und gleichzeitig die Möglichkeit zu erhalten, mit den Tasten zu arbeiten, ohne mehr als eine Taste gleichzeitig zu drücken. Es wurde klar, dass der Industriestandard von 19 mm zwischen den Schlüsselmitten aufgegeben werden musste.

Ein erfolgreicher Kompromiss war die Verwendung eines Abstands von 17 mm zwischen den Mitten der digitalen Tasten und 13 mm für den Rest. Dies wurde möglich, nachdem die Größe der Tasten verringert wurde, wodurch der Abstand zwischen ihnen vergrößert wurde. Die Tasten sind entsprechend den Funktionen in Gruppen unterteilt. Die Gruppen sind nach Größe, Kontrast, Farbe und Position unterteilt. Die am häufigsten verwendeten Zifferntasten sind größer und weisen den größten Kontrast auf. Ihre Bezeichnungen werden direkt auf sich selbst angewendet. Die nächste Gruppe von Tasten nach Verwendungshäufigkeit wird blau hervorgehoben. Die Eingabetaste und die arithmetischen Tasten werden in dieser Gruppe dadurch hervorgehoben, dass ihre Bezeichnungen auf die Tasten selbst angewendet werden. Die am seltensten verwendeten Tasten haben den geringsten Kontrast und ihre Bezeichnungen sind auf dem Feld über den Tasten aufgedruckt.

Die Anforderungen an die HP-35-Tastatur waren besonders komplex. Es musste zuverlässig, kostengünstig, mit zurückhaltenden Tasten sein und sich angenehm anfühlen. Die Entscheidung beruhte auf der Tatsache, dass an den Enden befestigte gekrümmte Metallstreifen zwei stabile Zustände aufweisen können. Wenn eine Taste gedrückt wurde, gaben sie ein taktiles Feedback, ähnlich dem eines Kinderspielzeug-Cricket [anscheinend ein Spielzeug unter den Kindern in den USA zu dieser Zeit / ca. übersetzt.]. In HP wurde ein spezieller Federkontakt mit einer Höhe von 3 mm entwickelt. Das taktile Gefühl der Tasten gab ein klares Verständnis für den Moment, in dem der Kontakt auftrat.

Das Gehäuse des HP-35 wurde unter Berücksichtigung der technischen Psychologie und der Bedeutung des Aussehens entwickelt. Die Kanten des Taschenrechners mit einer speziellen Form machen es bequem, ihn in einer Hand zu halten. Sie erlauben ihm auch, leicht in seine Tasche zu gelangen. Die Tastatur und das Display sind nach oben geneigt, damit sie bei der Verwendung auf dem Desktop besser sichtbar sind. Der obere Teil des Körpers ist leichter als der untere - aus diesem Grund wirkt das Produkt dünner als es tatsächlich ist. Es scheint zu schweben, wenn man es bei normaler Desktop-Nutzung betrachtet. Die Verwendung komplementärer Texturen hat das elegante Erscheinungsbild insgesamt stark beeinflusst. Die Textur des Gehäuses ergibt eine rutschfeste Oberfläche, was wichtig ist, wenn es in der Hand gehalten wird. Das Industriedesign-Team unter der Leitung von Ed Lilienwal hat hervorragende Arbeit geleistet und wusste nichts über die Abfüllung des Produkts.

Zu dieser Zeit gab es nur allgemeine Informationen über die elektronische Füllung des Rechners. Die Entwicklung und Verpackung aller notwendigen elektrischen und mechanischen Komponenten zu einem winzigen Produkt ist für Entwickler von elektronischen und mechanischen Teilen und Industriedesignern zu einer titanischen Aufgabe geworden. Der HP-35 wäre nicht ohne eine erstaunliche Zusammenarbeit zwischen dem Entwicklungslabor, dem Industriedesign, der Fertigung und den Werkzeugteams entstanden. Alle, die an dem Projekt arbeiteten, hatten das gemeinsame Ziel, ihre ursprüngliche Größe und Form beizubehalten, wodurch viele technische Innovationen erfunden wurden. Viele der während der Entwicklung auftretenden Probleme konnten auf die übliche Weise leicht gelöst werden, aber dann wären die Hauptziele nicht erreicht worden und das Produkt wäre weniger attraktiv gewesen.


Entwicklungsplan -35

In der frühen Planungsphase des HP-35 war klar, dass neue Anzeigetechnologien erforderlich sein würden. Die vorhandenen LEDs verbrauchten damals zu viel Energie und kosteten zu viel. HP hat ein fünfstelliges Display entwickelt, das dank integrierter kugelförmiger Kunststofflinsen gegenüber jeder Ziffer Energie und Kosten spart. Die LED-Leistung wird durch Verwendung eines kleinen Arbeitszyklus anstelle von Gleichstrom verbessert. In HP-35 wird Energie in Induktivitäten gespeichert und den LEDs zugeführt. Diese Technologie ermöglichte es, Multiplexing aktiv zu nutzen. Die Zahlen wurden einzeln gescannt, ein Segment nach dem anderen. Ausgiebige Zuverlässigkeitstests zeigten nach mehreren Jahren Welligkeitsstrom mit einem Tastverhältnis von 0,1% eine leichte Änderung der Intensität. Die Lesbarkeit des Displays auch bei strahlendem Sonnenschein war so wichtig, dass sich die einzelnen Segmente etwas änderten und kleine Serifen vom linken Rand des oberen und unteren Bandes hinzugefügt wurden. Jedes Segment wurde auch so geändert, dass der Umfang mit dem Flächenverhältnis vergleichbar war, um eine gleichmäßige visuelle Intensität zu erreichen.

Das HP-35-Display wurde ähnlich wie die zehnstelligen Displays von HP Desktop-Taschenrechnern gestaltet. Es bestand aus 15 Ziffern mit sieben Segmenten und Dezimalstellen. Ergebnisse im Bereich von 10 ¹⁰ bis 10 ^{-2 wurden} immer als Gleitkommazahlen angezeigt, die entsprechend auf dem Display platziert wurden, und das Leistungsfeld blieb leer. Außerhalb dieser Lücke zeigte der HP-35 das Ergebnis in einer exponentiellen Notation mit einem Dezimalpunkt rechts von der ersten signifikanten Ziffer und einer entsprechenden Potenz von 10 am rechten Rand des Displays. Um die Lesbarkeit für den Dezimalpunkt zu verbessern, wurde ein eigenes Segment hervorgehoben.

Im HP-35 befanden sich fünf MOS / LSI-MOS / LSI-Schaltungen (Metalloxid-Halbleiter / Großintegration): ROM, Arithmetikschaltung, Registerschaltung (A & R), Steuerschaltung und Zeitgeber (C & T). Die Logikschaltung wurde von Franc Road und Chan Tang von HP Laboratories entwickelt, und die elektronische Schaltung wurde von zwei Drittherstellern entwickelt und hergestellt. Drei maßgeschneiderte bipolare Schaltkreise wurden ebenfalls bei HP Laboratories entwickelt und von der Division Santa Clara des Unternehmens hergestellt - ein Zweiphasentakttreiber, ein Takt- und Anodenspannungsgenerator für die LEDs und ein Kathodentreiber für die LEDs. HP-35 wurde auf zwei Leiterplatten montiert. Das obere enthielt ein Display, Shaper und eine Tastatur. Der untere, der kleinere, enthielt die gesamte Logik des MOS, einen Taktformer und eine Stromquelle.


Systemarchitektur HP-35

Die Auswahl einer Batterie und die Entwicklung einer Stromquelle waren keine trivialen Aufgaben. Um den Wirkungsgrad des DC / DC-Wandlers zu erhöhen, wurde ein Stapel von drei Batterien verwendet. Der Wirkungsgrad des Einzeltransistorwandlers lag über 80%, was die Aufgabe sicherstellte, vier Stunden lang an der Batterieleistung zu arbeiten. Wie bei anderen Aspekten des Designs waren die besten Leute an dieser Entwicklung beteiligt. Chu Yen, Ph.D., der bei HP Laboratories arbeitete, erreichte trotz der Notwendigkeit, verschiedene Spannungen (+7,5 V, +6 V und -12 V, die für den Betrieb von MOS- und bipolaren Rechnerschaltungen erforderlich sind) zu liefern, einen solch hervorragenden Wirkungsgrad. Ähnliche Konzepte wurden für das Netzteil / Ladegerät verwendet.

Die Daten im Rechner sind in einer konsistenten Architektur organisiert. Eine solche Organisation minimiert die Anzahl der Kontakte jedes Schaltkreises und zwischen Schaltkreisen, was Platz und Kosten spart und die Zuverlässigkeit erhöht. Jedes Wort besteht aus 14 binären Dezimalstellen oder 56 Bits. Zehn der 14 Ziffern werden der Mantisse gegeben, eine dem Vorzeichen der Mantisse oder dem Überlauf während der Berechnungen, zwei dem Exponenten und eine dem Vorzeichen des Exponenten. Die letzten drei erfüllen auch eine zusätzliche Funktion der Schutzkategorie.

Drei Hauptbusse verbinden MOS-Schaltungen. Nacheinander gibt es ein Wort-für-Wort-Synchronisationssignal (SYNC), das von einem Zähler mit 56 Zuständen auf dem Steuerchip und dem Zeitgeber erzeugt wird. Auf dem anderen Bus werden Befehle (Is) nacheinander vom ROM zu den Steuer- und Zeitgeberchips oder zu den Arithmetik- und Registerchips übertragen. Das dritte Bussignal, die Wortauswahl (WS), dient als Auswahlsignal, das von einem C & T-Chip oder ROM erzeugt wird. Es gibt dem Arithmetikmodul einen Teil des Wortes, wodurch es möglich ist, Operationen nur an einem Teil der Zahl auszuführen, beispielsweise an der Mantisse oder dem Exponenten. Das C & T-Diagramm führt grundlegende nicht-arithmetische oder Hilfsfunktionen in einem Taschenrechner aus. Dazu gehören Tastaturabfragen, das Verfolgen des Systemstatus, die Synchronisierung und das Ändern der Adressadressen.

Die Schlüssel sind in fünf Spalten und acht Zeilen angeordnet. Der C & T-Chip fragt sie ständig ab. Wenn ein Kontakt zwischen einer Zeile und einer Spalte angezeigt wird, wird der entsprechende Code an das ROM übertragen. Dieser Code ist die Startadresse des Programms im ROM, das diesen Schlüssel bedient. Falsche Tastenanschläge und Tastendrucke werden durch programmierbare Verzögerungen implementiert.

Alle digitalen Systeme verwenden Statusbits oder Flags, um aufgetretene Ereignisse zu verfolgen. Der HP-35 verfügt über 12 Statusbits auf einem C & T-Chip. Sie können mithilfe von Mikroanweisungen installiert, zurückgesetzt und abgefragt werden. ROM-Adressen werden auf dem C & T-Chip aktualisiert und nacheinander an ROM gesendet. Während der Ausführung des Verzweigungsbefehls wird das entsprechende Signal - arithmetische Übertragung oder Statusbit - überprüft, um festzustellen, ob der nächste Schritt darin besteht, eine zunehmende Adresse oder Verzweigungsadresse auszuwählen.

Eines der Hauptmerkmale der sequentiellen Arbeit war die Fähigkeit, eine einzelne Ziffer oder mehrere Ziffern einer Zahl zu bearbeiten, während sie Stück für Stück durch ein Rechenmodul gingen. Dieses einzigartige Design minimierte die Architektur, die zu diesem Zeitpunkt die Erstellung des HP-35 ermöglichte. Gleichzeitig stellte sich heraus, dass elementare Additionsverfahren kombiniert und äußerst leistungsfähige Routinen gebildet wurden, die in weniger als einer Sekunde vollständig ausgeführt werden können.

Als Analogie kann man sich Pferderennen vorstellen. Angenommen, nur ein „Pferd“, das heißt ein bisschen, läuft in einer Zeiteinheit an den Tribünen vorbei. Dann, nachdem alle vier Pferde oder Bits passiert wurden, sind Berechnungen mit dieser Figur verbunden. Das Wortauswahlsignal entspricht der Anzahl der Ziffern oder Gruppen von Pferden in der Sequenz oder dem Zeitraum, für den der gesamte Arbeitszyklus des Wortes abläuft.

Vorprogrammierte mathematische Funktionen sind in drei ROM-Chips gespeichert, von denen jeder 256 Befehle mit jeweils 10 Bit enthält. Zu jedem Zeitpunkt wird nur einer dieser Chips verwendet, und die verbleibenden Chips sind deaktiviert.

Schaltungen für Arithmetik und Register führen Befehle nacheinander in Bits aus. Die meisten arithmetischen Anweisungen werden durch ein Wortauswahlsignal ausgelöst. Die auszugebenden Daten werden an die LED-Signalaufbereiter gesendet, und die Trägerleitung überträgt die Informationen zurück an den C & T-Chip. Die binäre Dezimalausgabe ist bidirektional und kann Zahlen zum und vom A & R-Chip übertragen. Die A & R-Schaltung ist in fünf Bereiche unterteilt: Befehlsspeicher- und Entschlüsselungsschemata, einen Zeitgeber, sieben 56-Bit-Register, einen Addierer / Subtrahierer und einen Anzeigedecodierer. Drei Register sind Arbeiter. Eines von ihnen und drei der verbleibenden vier Register bilden einen Stapel von vier Registern. Das siebte Register ist unabhängig und dient zum Speichern von Konstanten. Es gibt viele Beziehungen zwischen Registern, mit denen Sie Anweisungen wie Austausch, Übertragung, Stapelrotation usw. ausführen können.

Der Vorteil einer bitkonsistenten Struktur besteht darin, dass ein Gateway pro Leitung für die interne Kommunikation ausreicht. Die Datenübertragung zum / vom Stapel oder zum / vom konstanten Register erfolgt immer in ganzen Worten. Alle anderen arithmetischen Anweisungen werden durch ein Wortauswahlsignal gesteuert. Daher ist es beispielsweise möglich, Felder mit Registern des Grades zwei auszutauschen oder zwei entsprechende Ziffern mit zwei Dezimalzahlen hinzuzufügen. Der Addierer / Subtrahierer berechnet die Summe oder Differenz zwischen zwei Dezimalzahlen. Es hat zwei Eingänge für Daten, einen Ort zum Speichern positiver oder negativer Übertragungen sowie für die Summe und Ausgabe von Übertragungen.

In den ersten drei Takten ist die Addition rein binär. Beim vierten Takt wird der Binärbetrag überprüft, und wenn die Antwort 1001 (neun) überschreitet, wird der Betrag durch Hinzufügen von 0110 (sechs) auf Dezimalzahl korrigiert. Dann wird das Ergebnis zu den letzten vier Bits des Empfangsregisters addiert und die Übertragung wird gespeichert. Eine ähnliche Korrektur wird für die Subtraktion durchgeführt. Informationen über die Übertragung werden immer übertragen, jedoch nur während der Übertragung des letzten Bits im Wortauswahlsignal vom Steuerchip und vom Timer aufgezeichnet.

Bei der Entwicklung komplexer integrierter Schaltkreise wie C & T-, A & R- und ROM-Chips müssen Sie von Anfang an zwei Fragen beantworten: Überprüfen des Designs und Überprüfen der resultierenden integrierten Schaltkreise. Auf die erste Frage gibt es zwei Antworten. Eine besteht darin, ein Steckbrett herzustellen und seinen Betrieb mit dem gewünschten Betrieb zu vergleichen, der zweite darin, eine Computersimulation der Schaltung durchzuführen.

Bei der Entwicklung von MOS-Schemata für den HP-35 wurde ein Computersimulationsansatz gewählt. Es wurde entschieden, dass das echte Steckbrett kein genaues Modell der endgültigen Schaltkreise werden würde, und mit Hilfe der Computersimulation könnten 2-3 Monate Entwicklungszeit eingespart werden, da die Leute parallel und nicht in Reihe arbeiten könnten, wie dies beim Layout der Fall ist.

Das Programm für beliebige Simulationen wurde von Jim Dewley von HP entwickelt. Es wurde verwendet, um jedes Gateway, jede Schaltung, jeden Chip und schließlich alle Chips zusammen zu testen. Um jedes Gateway auszugeben, wurde eine algebraische Gleichung als Funktion seiner Eingabe geschrieben. Infolgedessen musste für jeden Schritt ein großer Satz algebraischer Gleichungen berechnet werden. Die Ingenieure hatten Zugriff auf einen Ausdruck der Ergebnisse, so dass es möglich war, den Betrieb eines Gateways oder anstehende Schlussfolgerungen zu beobachten, wie dies mit einem Oszilloskop der Fall ist. In diesem Sinne war die Computersimulation viel besser als ein echtes Layout.

Aufgrund der großen Anzahl von Gleichungen, die jeder Schritt lösen musste, war das allgemeine Verifizierungsprogramm zu langsam und konnte die Verifizierung der für den HP-35 entwickelten Algorithmen nicht bewältigen. Hierzu wurde eine übergeordnete Simulation verwendet, in der nur die Eingabe- / Ausgabefunktionen jedes Subsystems eingestellt werden mussten. Es war schnell genug, um alle Algorithmen zu testen, auch für transzendentale Funktionen. Wenn etwas schief gelaufen ist, können Sie das Programm jederzeit stoppen und die Schritte ausführen, bis das Problem gefunden wurde. Das Problem konnte durch einfaches Wechseln einiger Lochkarten gelöst werden - ein Vorteil, der im Steckbrett nicht vorhanden war.

Die Verwendung der Simulation war sehr erfolgreich. Dies sparte nicht nur viel Zeit bei der Entwicklung der Logik, sondern auch bei der Erstellung von Testsequenzen, mit denen die resultierenden integrierten Schaltkreise getestet wurden. Nachdem die Simulation fehlerfrei funktioniert hat, wird für jeden Eingang eine Abfolge von Aktionen festgelegt, die fast alle Elemente der Schaltung einbezieht. Wenn Sie das Programm ausführen und alle Ein- und Ausgänge aufschreiben, können Sie die vollständige Testsequenz für den endgültigen Test der integrierten Schaltung bereitstellen.

Zu diesem Zeitpunkt wurden Schätzungen der Ausführungszeit der Programme vorgenommen, und es wurde klar, dass es unter Verwendung einer in Bits konsistenten Struktur möglich ist, einen Satz von Schaltungen zu erstellen, die alle Berechnungen in der erforderlichen Zeit ausführen können, wobei eine Sekunde nicht überschritten wird. Darüber hinaus können die Befehlsadresse und das Befehlswort auch in Bits sequentiell sein.

Die Komplexität der Algorithmen hat dazu geführt, dass eine mehrstufige Programmierung erforderlich ist. Dies bedeutete, dass der Rechner die Möglichkeit haben sollte, Unterprogramme sowie spezielle Flags auszuführen, die den Status und die Trennung verschiedener Programme anzeigen. In HP-35 wird das Abrufen und Verzweigen von Flag-Bits oder während der arithmetischen Übertragung durch einen separaten Befehl ausgeführt und ist nicht Teil jedes Befehls. Auf diese Weise können Sie die Wortlänge des Befehls erheblich reduzieren und ein wenig an Geschwindigkeit verlieren.

Um eine transzendentale Funktion zu erzeugen, zum Beispiel Arctanh (x) - ein hyperbolischer Arkustangens - mussten mehrere Ebenen von Unterprogrammen geschrieben werden. Der Aufruf der Unterprogramme erfolgte jedoch durch die Installation von Flags, so dass die Flussdiagramme und das Steuerungssystem von größter Bedeutung waren. Chris Claire beschrieb dieses System später als Algorithmic State Machine (ASM). Selbst einfache Sinus- oder Cosinusfunktionen verwenden die Tangentenberechnungsroutine und berechnen dann den Sinus durch trigonometrische Verfahren. Solche komplexen Manipulationen waren notwendig, um die Anzahl der eindeutigen Programme und ihre Schritte zu minimieren und um innerhalb von drei 750-Wort-ROM-Chips zu bleiben.

Speziell für den Dezimalrechner mit transzendentalen Funktionen wurde eine Reihe von arithmetischen Anweisungen entwickelt. Die Hauptoperationen werden von einem Addierer / Subtrahierer mit einem umgekehrten Code ausgeführt , der Datenübertragungskanäle zu drei zur Speicherung verwendeten Registern aufweist.

Die Bestimmung der Genauigkeit des HP-35 in seiner Komplexität ist vergleichbar mit seinen Algorithmen. Der Rechner hat einen internen Rounder für den 11. Rang. Beim Addieren, Subtrahieren, Multiplizieren, Dividieren und Ziehen der Wurzel entspricht die Genauigkeit der Hälfte der Gesamtsumme in der 10. Kategorie. Bei der Berechnung transzendentaler Funktionen werden viele dieser Elementarberechnungen mit der Anhäufung von Rundungsfehlern durchgeführt. Bei der Berechnung des Sinus werden zuerst Division, Multiplikation und Subtraktion und dann zwei weitere Divisionen durchgeführt: Multiplikation, Addition und Extraktion der Quadratwurzel. Bei diesen Berechnungen werden Rundungsfehler akkumuliert, wodurch dem Hauptalgorithmus ein allgemeiner Fehler hinzugefügt wird.

Genauigkeit und Auflösung stehen manchmal in Konflikt miteinander. Wenn Sie beispielsweise 0,9999999999 von 1,0 subtrahieren, erhalten Sie nur eine signifikante Ziffer. Dies wird beispielsweise bei der Berechnung des Kosinus von Winkeln nahe 90 ° sehr wichtig. Der Cosinus von 89,9 ° könnte genauer berechnet werden, indem der Sinus von 0,1 ° ermittelt wird. In ähnlicher Weise verwendet der Sinus von 10 ¹⁰ alle zehn signifikanten Stellen, um den Winkel zu beschreiben, da alle ganzen Kreise verworfen werden.

Die Entwicklung des HP-35 war ein "Traum". Es war ein idealer Moment des Zufalls - sobald Technologien zur Herstellung von Silizium mit hoher Dichte auftauchten, hatte ich alle Algorithmen für den HP-9100 und Kunden hatten eine Anfrage nach tragbarem Computing. Die physische Verkörperung des Projekts wurde viele Monate lang auf einem Zeichenbrett geboren. Als ich die auf pMOS entwickelte Architektur des „Pferderennens“ sah, wurde mir sofort klar, dass sie zu uns passen würde. Fairchild Semiconductor bewarb es aktiv für Festkomma-Taschenrechner mit vier Funktionen. Und obwohl es für die von mir benötigten Algorithmen nicht ganz ideal war, konnte ich es zum Laufen bringen. Als Fairchild beschloss, das Schema nicht zu korrigieren und keine Produktion für HP einzurichten, sagte ich Tom Whitney, dass wir alles selbst tun könnten, indem wir AMI und Mostek neu gestalten. Tom überzeugte Paul Stoft und verfolgte das Projekt bis zum Ende.

Ich war sehr froh, meinen eigenen Befehlssatz entwickeln zu können, einen echten Computer mit einem reduzierten Befehlssatz (RISC), da es 1970 unmöglich war, genügend Silizium auf dem Chip zu platzieren. Jede Anweisung musste eine Art kombinatorische Logik aktivieren, nur das, was für den Job benötigt wurde. Ein notwendiges Übel waren die Anweisungen, die durch Drücken einer Taste ausgeführt wurden, da sie für jede Funktion nur einmal verwendet wurden. Zuerst gab es zwei Verzweigungsanweisungen, eine bedingte Verzweigung, die nach einer Operation ausgeführt wurde, die eine Silbentrennung ausgeben oder zu einem Flagwechsel führen konnte, und eine bedingungslose Verzweigung. Da sie die Wortbreite im ROM vergrößerten, entschied ich mich, nur bedingte Verzweigungen zu verwenden, was dies garantiertedass ich es standardmäßig nie nach der Bedingungszuweisung verwenden werde. Dies reduzierte die Größe des ROM um 10%.

Es ist bekannt, dass wir, als wir zu Hewlett kamen und ihm sagten, dass wir dies tun könnten, beschlossen, auf Nummer sicher zu gehen und eine Marktforschung bei SRI zu bestellen. Mit dem Geld des Labors bezahlte er die Entwicklung von 1 Million Dollar.

Während des Prototyping-Prozesses haben wir mehrere Wettbewerbe zur „Auswahl des Namens eines Kindes“ organisiert, aber Hewlett nannte den Taschenrechner nach der Anzahl der Schlüssel „HP-35“. Ende 1971 sammelten wir mehrere Prototypenrechner und übergaben sie berühmten Wissenschaftlern. Einer der ersten war der Dekan der Stanford School of Engineering, Fred Terman, der für die Zusammenarbeit von Bill Hewlett und Dave Packard verantwortlich war. Er war erstaunt und suchte immer noch nach der Nabelschnur, die den Taschenrechner an einen großen Computer anschließen sollte, der all diese Berechnungen durchführte. Und was würden Sie denken - er hat den ersten Fehler gefunden. Er trat in einen 90-Grad-Winkel ein und drückte die TAN-Taste. Das Modul begann zu blinken, als der Algorithmus versuchte, durch Null zu teilen. Ich musste ein spezielles Verfahren einführen, das 10 ⁹⁹ auf dem Bildschirm zeigtebezeichnet Unendlichkeit. Und der Nobelpreisträger Charles Townes war so beeindruckt, dass er den Taschenrechner als "das achte Weltwunder" bezeichnete.

Der HP-35 wurde ohne viel Aufhebens eingeführt und über reguläre Vertriebskanäle für 395 US-Dollar verkauft. Aber sie fingen an, über ihn zu sprechen, und Bestellungen übertrafen schnell das Angebot. Sie sagten, dass einige Käufer bereit seien, 100 Dollar zu werfen, nur um die Ausführung ihrer Bestellung zu beschleunigen. Andere Vertriebskanäle wurden eröffnet - HP Produkte, die normalerweise von technischen Vertretern verkauft wurden, wurden über Kaufhäuser vertrieben. Es war unglaublich seltsam zu sehen, wie der HP-35 bei Macy's auf der Theke aufgereiht war. Die erste Charge von 100.000 sollte sechs Monate dauern; Einige Monate später wurde der Plan verdoppelt. Aber auch nach Produktionsbeginn war sich Bill Hewlett nicht sicher, ob das Projekt erfolgreich sein würde. Einmal beim Abendessen erwähnte ich, dass wir von General Electric eine Anfrage für einen Preis von 100.000 erhalten haben. Er sagte: "Dies ist wahrscheinlich ein Fehler, warum brauchen sie so viel?" Ich antwortete: „VielleichtSie kaufen für jeden ihrer Ingenieure ein Stück. “ Bill antwortete: "Sie müssen nur ein paar Stücke kaufen und ihre Ingenieure Taschenrechner voneinander ausleihen lassen."

Sorgfältige Liebe zum Detail in allen Aspekten des HP-35, von der Akkulaufzeit über die Form des Sieben-Segment-Displays bis hin zur Position der Tasten, hat sich ausgezahlt. Man konnte vorhersagen, dass der HP-35 erfolgreich sein würde, da alle Ingenieure dies wollten. Unternehmen Dietzgen, die erzeugt Rechenschieber, geschlossen etwa ein Jahr nach dem Aufkommen eines Taschenrechners. Schulen auf der ganzen Welt stellten Fragen, ob es möglich ist, den HP-35 zum Unterricht zu bringen. Er stellte viele Lehrer vor ein Dilemma - würde es Schülern, die 395 Dollar für den Taschenrechner ausgeben können, erlauben, es mitzubringen? Aber was ist mit Tests? Einige Schulen untersagten die Verwendung von Taschenrechnern während der Tests, während andere sie verschenkten. In vielen Kursen wurden Taschenrechner bald obligatorisch, da der Lehrer nun „echte Aufgaben“ festlegen konnte - solche, für die die Antwort keine Ganzzahl war.

Und die Welt hat sich für immer verändert.