Mechanik statt Mikrochip Vollmechanischer 8-Bit-Computer aus Spielzeugelementen

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Die neueste Konstruktion eines Youtube-Bastlers rechnet mit Zahnrädern, Hebeln und Wellen, vollkommen mechanisch ohne Strom. Der selbstgebaute mechanische 8-Bit-Computer beherrscht bereits Additionen, Subtraktionen und erste logische Operationen.

Ein Computer, der klickt statt piept: Was nach Steampunk klingt, ist das neueste Projekt von „Shadowman“, der auf Youtube regelmäßig mechanische Konstruktionen vorstellt. Sein Ziel: ein vollständig mechanischer Computer, der 8-Bit-Binärzahlen verarbeiten kann – also Werte zwischen 0 und 255, oder -128 bis 127 im Zweierkomplement. Die Herzstücke sind eine einfache Rechenlogik (ALU), mehrere Register zur Zwischenspeicherung sowie ein ausgeklügeltes Getriebesystem zur Datenverarbeitung.

Zahnräder rechnen binär

„Die ALU ist das Herz des Computers“, sagt Shadowman im aktuellen Video. Dort erklärt er detailliert, wie zwei Binärzahlen mit mechanischen Komponenten addiert werden. Die Eingaben erfolgen über zwei Register, deren Bits durch verschiebbare Pins codiert sind. Je nach Stellung, eingedrückt oder herausgezogen, zählt das System die jeweiligen Bits als null oder eins. Die Rechenlogik funktioniert dabei ähnlich wie in der Schule: Die Summe eines Bitpaars ergibt ein neues Bit, und bei einem Übertrag wird der Wert an die nächste Stelle weitergegeben.

Drehbewegungen werden über eine Kette mit Nocken auf acht parallele Kurbelwellen übertragen. Diese treiben pro Rechenschritt die entsprechenden Zahnräder an. „Die Pins an der Kette wirken wie ein mechanischer Taktgeber“, erklärt der Tüftler. Die exakte Positionierung wird durch Gewichte gesichert, die ein Zurückschnappen verhindern. Ein Sicherheitsmechanismus mit Feder entkoppelt das Antriebssystem bei zu hoher Last – allerdings, wie Shadowman einräumt, noch nicht ganz zuverlässig.

Bitweise Logik mit Hebelumschaltung

Neben Addition und Subtraktion kann die ALU auch einfache logische Operationen durchführen: AND, XOR, Invertierung einzelner Bits oder das Dekrementieren. Die jeweilige Funktion wird über mechanische Hebel eingestellt. „Um zu subtrahieren, invertiere ich das B-Register und addiere eins – so wie man es mit Zweierkomplement macht“, erklärt Shadowman. Auch das funktioniert über verschiebbare Elemente, die bei 90-Grad-Drehung alle Bits spiegeln.

Für die logischen Operationen werden Startpositionen der Zählmechanismen manipuliert. Beim AND-Modus beispielsweise beginnt der Zähler eine Position früher, sodass nur dann ein Ausgangsbit entsteht, wenn beide Eingangsbits auf eins stehen. XOR wiederum nutzt eine gezielte Umkehr der Wellenbewegung, um Übertragsmechanismen zu umgehen. „Das Ganze ist fast schon wie ein mechanisches Puzzle“, so Shadowman.

Drei einfache Flags für spätere Programmsteuerung

Wichtig für künftige Programme sind die Zustands-Flags: ein Null-Flag, ein Negativ-Flag und ein Überlauf-Flag. Sie werden durch einfache physikalische Effekte abgeleitet: Ein beweglicher Balken erfasst, ob alle Summen-Bits auf null stehen, das höchstwertige Bit zeigt bei Eins eine negative Zahl an, und ein zusätzlicher Übertragspin signalisiert ein Überlaufen des Werts.

Vieles ist noch nicht fertig. Registersätze für RAM und ROM stehen auf dem Plan, ebenso die Datenübertragung zwischen den Modulen. Dennoch demonstriert das Projekt eindrucksvoll, dass digitale Logik wie früher auch ganz ohne Mikroelektronik möglich ist – nur mit Hebeln, Stangen und einem cleveren System aus Zahnrädern. (mc)

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