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Geschlossene Architekturen

Einleitung

Bei dem grundsätzlichen Design eines Computers kann man sehr viele Unterscheidungen machen, nach der Hardware, Software. Eine sehr wesentliche Entscheidung ist ob eine Architektur geschlossen oder offen ist. Dieser Artikel soll die historische Entwicklung im PC-Bereich zeigen und einen Ausblick auf die Zukunft geben.

Der Begriff

Unter der Architektur eines Computers versteht man, den grundlegenden Aufbau der Hardware und der Software. Das bedeutet bei der Hardware, welche Anschlussmöglichkeiten gibt es? Welche Bausteine werden verwendet? Bei der Software betrifft dies die Offenheit nach außen. Gibt es eine Möglichkeit das Betriebssystem zu erweitern, indem es z.B. definierte Schnittstellen gibt, in die Fremdmodule sich einklinken können, werden fremde Treiber akzeptiert oder macht der Hersteller dies durch Signaturen, die Überprüft werden, unmöglich?

Wenn eine Architektur "offen" ist, so ist sie zum einen dokumentiert. Das Wissen über die interne Funktionsweise der Hardware, Belegung und Signalpegel von Steckern, Aufrufkonventionen von Schnittstellen, Belegung von Speichern, Systemvariablen wo sie liegen und welche Funktion sie haben. Dies kann durchaus umfangreich sein. Die Dokumentation nur der Systemsoftware eines heute total veralteten 8-Bit-Rechners, denn der Autor 1985 erwarb war rund 400 Seiten stark. Die offengelegte Windows-API (Application Programmers Interface) belegt heute mehrere Gigabyte an Dokumentation.

Eine offene Architektur setzt bei der Hardware auch handelsübliche Teile ein, sodass jemand die Hardware nachbauen kann oder zumindest für diese Hardware Erweiterungen konstruieren kann.

Das Gegenteil ist eine geschlossene Architektur. Sie versucht all diese Details geheim zu halten. Weiterhin versucht sie es, anderen Herstellern schwer zu machen die Hardware nachzubauen oder auch nur durch eigene Bausteine oder Peripheriegeräte zu erweitern. Das kann dadurch geschehen, das man eigene Chips entwickeln lässt, die auf dem freien Markt nicht verfügbar sind oder ungewöhnliche Bauteile mit nicht normgerechten Spezifikationen. Zuletzt kann man alles, was nur eine geistige Schöpfung ist, patentieren. Das ist ein probates Mittel, wenn der Nachbau sonst zu einfach ist. So versuchen Hersteller von Druckern, den Nachbau ihrer Tintenpatronen mit allen Mitteln zu verhindern. Sie patentieren die T-förmige Unterteilung der Patrone, setzen Chips ein, welche die Zahl der Seiten zählen, damit man zum einen die Patronen nicht nachfüllen kann und zum anderen nicht eine fremde Patrone ohne Chip einsetzen kann usw.

Vor dem PC

In der Regel waren Großrechner geschlossene Architekturen. Die Verdienstspannen bei den Rechnern waren enorm hoch: 60-70% des Verkaufserlöses waren Nettogewinn. Damals versuchten die Hersteller aber noch nicht, sie durch Tricks zu schützen. Konkurrenten konnten den Rechner auseinandernehmen und untersuchen und nachbauen. Software galt noch nicht als eigenständige Branche. Der Rechner wurde ausgeliefert mit Betriebssystem und Compilern für Programmiersprachen. Das erlaubte es auch Nachbauten zu erzeugen, die nur softwarekompatibel waren, also ein Programm, das übersetzt wurde, lief dann auch auf dem Nachbau. So gab es bald bei den Großrechnern Nachbauten. Dieser Tatbestand ermöglichte es, dass schon in den siebziger Jahren Firmen wie SAP gegründet wurden, die Software für diese Rechner entwickelten, anstatt dass dies der Anwender selbst tat.

Die PC-Revolution

Als der Altair 8800 1975 erschien, hatte er eine offene Architektur. Nicht weil dies so beabsichtigt war, sondern aus der Not heraus. Die Firma MITS war durch einen ruinösen Preiskampf bei Tischrechnern in die roten Zahlen geraten und stand vor dem Aus. Man hatte die Belegschaft auf ein Minimum reduziert und mit den wenigen Angestellten konnte man in der kurzen Zeit keinen kompletten Computer entwerfen. Also besann sich Firmenchef und Design Ed Roberts auf eine praktische Lösung: Er schuf ein Bussystem, in das alle Komponenten als Karten eingesteckt wurden. Anders als bei späteren Computern saß sogar die CPU auf einer Einsteckkarte. Der "PC" würde zuerst nur in einer Minimalausstattung erscheinen - Kippschalter zur Eingabe und LED als Ausgabe. Alles, was eigentlich benötigt wird, um Peripherie anzuschließen, sollte später als Erweiterungskarten erscheinen.

Das war die erste offene Architektur im PC-Bereich und die Verkäufe des Altair schufen recht bald eine rasch wachsende Zubehörindustrie. Die Nachfrage war so groß, dass MITS zuerst sie nicht bedienen konnte. Die angekündigten Karten lagen im Zeitplan weit hinterher und dies schuf einen Markt für Dritthersteller. Die Firma Processor Technologies entstand aus einer Garage, als zwei Altair Besitzer nicht warten wollten, bis MITS endlich eine funktionierende Speichererweiterung auf den Markt bringt. Sie bauten selbst eine und vermarkteten diese. IMS Asscociates wollte Altairs kaufen, um damit einen Auftrag zu erfüllen. Sie sollten ein Terminal entwickeln und wollten ursprünglich Altairs dazu verwenden die sie um die benötigten Karten erweitern würden. Doch die langen Lieferzeiten und die Forderung nach Vorkasse bei MITS führten dazu, dass sie den Computer nachbauten, bekannte Mängel wie das zu schwache Netzteil und die zu aufwendige Verdrahtung von Busplatinen beseitigten und einen Nachbau, als IMSAI 8080 auf den Markt brachten.

Ed Roberts sah dies anders. Bis zu seinem Tod sprach er immer vom "Altairbus", obwohl das Bussystem sehr rasch standardisiert wurde und die allgemein verwendete Bezeichnung "S-100 Bus“ erhielt und Firmen, die Zubehör anboten oder IMSAI wurden als "Parasiten" beschimpft.

Doch gerade dieses offene System führte dazu, dass der in der Grundausführung fast unbrauchbare Altair so erfolgreich wurde, weil es für jeden Zweck Erweiterungskarten gab.

Apple II und IBM PC

In der Folge gab es sowohl bekannte Computer mit offener und geschlossener Architektur, oftmals ein Mischmasch aus beiden. Die meisten Heimcomputer waren geschlossene Systeme. Es war nicht vorgesehen, sie zu erweitern. Es gab meistens eine Reihe von üblichen Anschlüssen für Joysticks, Drucker und Fernseher und einen Systembus, für den es dann meist vom Hersteller Diskettenlaufwerke oder andere Peripherie gab. Sehr oft war dies einfach eine Preisfrage, weil der Rechner billig sein sollte und ein offenes System teurer in der Produktion gewesen wäre. Manchmal war es auch Absicht, damit wenn eine Firma Rechner für Geschäftsleute produzierte und noch einen Heimcomputer, der nicht eine Konkurrenz für die größeren Systeme war.

War ein geschlossenes System populär, wie der C-64, so fanden sich aber genügend Fremdhersteller, welche trotzdem Peripherie für die Anschlüsse dieses Rechners produzierten. Immerhin war keines der Systeme in der Form geschlossen, als dass die Funktionsweise der Software und Hardware geheim war, sondern es wurde diese offengelegt, nur war es eben nicht ausgelegt, stark erweitert zu werden und die Software war weitgehend nicht veränderbar.

Die beiden erfolgreichsten Rechner der frühen PC-Ära waren aber offene Systeme: der Apple II und der IBM PC. Der Apple II wurde von Stephen Wozniak als offenes System konzipiert, weil er als Hobbyelektroniker den Rechner so haben wollte, wie er sich einen Rechner wünschte, und nicht wie ein Manager, einen Rechner an dem man möglichst viel verdienen kann, indem man Konkurrenz ausschließt.

Der Apple II verfügte über acht Erweiterungskartenslots. Wozniak hatte sich auch anders als Roberts Gedanken gemacht, wie diese untereinander kommunizieren können und die Hardware initialisiert werden kann. Dazu gab es für jeden der acht Slots einen kleinen Bereich von 256 Bytes Größe, in dem ein Startprogramm untergebracht werden konnte. Reichten diese 256 Bytes nicht, so konnten sie zumindest die Steuerung an umfangreiche Routinen auf einem EPROM-Chip auf der Karte abgeben und für den Datenaustausch gab es einen gemeinsam ansprechbaren 2048 Byte großen Bereich im Arbeitsspeicher.

Das ermöglichte es, Apple nicht nur sehr schnell Karten zu liefern die Features nachrüsteten (so gab es anfangs keine Möglichkeit Diskettenlaufwerke anzusprechen) sondern erleichterte auch das Erstellen von Zubehörkarten für den Apple II. Dadurch gab es für viele Anwendungsgebiete eine Lösung und der Apple wurde sehr erfolgreich. Die Kehrseite war allerdings auch, dass die Hardware sehr gut dokumentiert war und er leicht nachgebaut werden konnte. Es gab zwar fünf Patente auf den Apple II, aber vor allem in Fernost gab es zahlreiche Firmen, welchen ihn kopierten und diese Rechner in Europa anboten.

Auch der IBM PC hatte eine offene Architektur. Für IBM war sie sogar noch revolutionärer als für MITS und Apple. Den IBM war anders, als diese Firmen, in der Lage die Chips selbst herzustellen. Sie hätten also einen PC konstruieren können, der auf eigenen Prozessoren und Zubehörbausteinen beruht. IBM tat dies nicht, um in weniger als einem Jahr den PC fertigzustellen, und vergab sehr viele Aufträge außer Haus, so für das Betriebssystem an Microsoft und Anwendungsprogramme an Visicorp und PeachTree. Als Schlüssel entpuppte sich auch hier das man ein Bussystem einsetzte. Die Überlegung war die gleiche wie MITS - um einen PC in einem Jahr konstruieren zu können, war es nicht möglich in dieser Zeit mehr als nur die grundlegenden Karten zu entwickeln, die man für den Betrieb brauchte. Fremdhersteller sollten die Lücke füllen. Das Bussystem war aber auch nötig, weil wie beim Apple II man schon eine Karte brauchte, um einen Drucker anzuschließen oder ein Diskettenlaufwerk zu betreiben. Anders als beim Apple II war aber auch eine Karte für den Anschluss eines Monitors nötig und für ausreichend viel Speicher benötigte man ebenso eine Zusatzkarte.

Das einzige Bauteil, das geschützt war, war das ROM-BIOS, dass die elementaren Routinen zum Ansprechen der Hardware enthielt. Das schützte den IBM PC etwa ein Jahr lang vor Nachbauten. Dann kam die Firma Compaq auf die Idee das BIOS nicht zu kopieren, sondern seine Funktionalität neu programmieren zu lassen und damit gab es einen rechtlich unanfechtbaren Weg den IBM PC nachzubauen.

Misserfolge mit geschlossenen Architekturen

Sowohl Apple wie auch IBM erkannten aber nicht die Vorteile, die die offene Architektur ihren Firmen brachte, sondern sahen nur die Marktanteile, die ihnen andere Firmen wegnahmen - dass sie vielleicht nur eine Marke von vielen wären, ohne die Nachahmer, das leuchtete nicht direkt ein. Unter Steve Jobs Leitung wurde bei Apple der Macintosh als geschlossenes System konzipiert. Es gab keine Steckplätze. Es gab auch wenige Anschlussmöglichkeiten. Alles war in ein Gehäuse eingebaut und der Großteil des Betriebssystems in einem ROM Chip untergebracht. Der Macintosh war nicht kopierbar und das kam auch nicht vor. Aber der Erfolg blieb aus. Auch wenn Apple in den folgenden Jahren einige Nachteile beseitigte und Steckplätze einführte und Erweiterungsmöglichkeiten im Gehäuse vorsah. Es gab einfach den Macintosh von Apple der über 5000 DM kostete und keine preiswerte Alternative dazu. Damit sank der Marktanteil von Apple, denn das konnten sich nur wenige leisten.

Einen ähnlichen Fehler machte auch IBM. Für die PS/2-Serie wurde die PC-Architektur umgekrempelt. Ein neues Bussystem, der Microchannel Bus war nicht nur schneller und flexibler als der alte Bus des IBM PC, sondern er war auch patentrechtlich geschützt. Wer eine Karte dafür entwickeln wollte, musste an IBM Lizenzgebühren zahlen. Ein neues Betriebssystem namens OS/2 sollte zudem DOS ersetzen. Eine Basisversion wurde auch von Microsoft angeboten. Die Vollversion aber nur von IBM.

Sowohl MCA wie auch OS/2 wurden zum Flop. Der Grund dafür war, dass beides inkompatibel zum bisherigen Standard war, ohne dass der Benutzer offensichtliche Vorteile sah. Warum sollte er mehr Geld für neue PS/2 Systeme und neue Karten ausgeben, wenn diese nicht besser waren als die derzeitigen PC's mit der alten Architektur? Das gleiche galt für OS/2. Zudem war nun IBMs Marktanteil klein und es gab keine anderen Hersteller von Rechner mit dieser neuen Architektur. Das es durchaus möglich war, neue Innovationen einzuführen, zeigte sich bei anderen PS/2 Neuerungen, die auch beim alten System umsetzbar waren, wie der neue Grafikstandard VGA, die Buchsen für Tastatur und Maus (PS/2 - bis heute noch vorhanden) und die 1,44-MB-Diskettenlaufwerke im 3,5" Format.

Nach diesen Misserfolgen hat sich eingebürgert, dass eine offene Architektur das Beste für alle ist. Selbst IBM kehrte wieder ab von dem PS/2-Standard. Und auch Apple ermöglichte, als es die technische Möglichkeit gab, auch Windows einzusetzen die Einrichtung eines Apple mit Windows als zweitem Betriebssystem. Seitdem beraten viele Hardwarehersteller zusammen über die Standards und so wurden Standards wie der PCI-Bus sehr schnell von vielen Herstellern übernommen.

Die Renaissance von geschlossenen Architekturen

Es verwundert nicht, dass die geschlossene Architektur erneut von Apple eingeführt wurde. Die Firma hatte schon Kritik auf sich gezogen, als sie es unmöglich machte, ihre Produkte zu reparieren, was vor allem bei den iPod's durch die Nachrichten ging. Der Akku der ersten Generation war kurzlebig und er konnte nicht ausgebaut werden. Das begrenzte die Nutzungsdauer des iPod. Nachdem es deswegen Ermittlungen gab, wurde dieses Manko korrigiert.

Das Paradebeispiel einer geschlossenen Architektur ist heute aber das iPad. Das iPad hat weder einen USB-Anschluss noch einen Anschluss für SD-Karten. Der Prozessor basiert auf einer ARM-Architektur, wurde aber von Apple entwickelt. Software kann man nur über einen eigenen Appstore von Apple installieren. Was dort zugelassen wird, darüber entscheidet Apple. Dem müssen sich sogar Größen beugen. So gibt es auf der Bild-App keine nackten Busen mehr. Die Programmierung für neue Versionen für den Appstore von Apple wird bei Programmierern inzwischen schon „Doing the Iran-Version“ genannt. Es ist so weder möglich die Speicherkapazität zu erhöhen, noch andere Geräte anzuschließen - und noch weitergehender - Apple entscheidet, was der Anwender installieren kann. Diese Verdongelung gab es schon immer, auch bisher waren Apple Geräte an Apple Stores wie den ITunes Shop gebunden, aber nicht in dieser extremen Weise.

Wie die Verkaufserfolge zeigen, geht dieses Konzept aber auf. Über die Gründe kann man rätseln. Eine große Rolle spielt, dass die meisten wohl ein iPad nicht als vollwertigen Computer ansehen, sondern als leistungsfähiges Smartphone, zum Surfen, Videoanschauen und Lesen. Hier zählt mehr die Funktionalität als die Universalität. Kurzum: Es ist nicht wichtig jede beliebige Anwendung zu installieren, sondern das Gerät soll das leisten, was man sich von ihm erwartet, so wie man dies auch von anderen Geräten der Unterhaltungselektronik oder Handys kennt.

Ob dieses Konzept langfristig aufgeht, wird sich wohl erst zeigen, wenn es eine Alternative gibt, die offen ist, also die es ermöglicht beliebige Anwendungen zu installieren und den Anschluss anderer Geräte zulässt. Derzeit gibt es zwar alternative Geräte unter dem Betriebssystem Android, doch sind diese genauso geschlossen. Nur eben kontrolliert hier Google das Betriebssystem.

Veröffentlichungsdatum des Artikels: 9. April 2012.

Zum Thema Computer ist auch von mir ein Buch erschienen. "Computergeschichte(n)" beinhaltet, das was der Titel aussagt: einzelne Episoden aus der Frühzeit des PC. Es sind Episoden aus den Lebensläufen von Ed Roberts, Bill Gates, Steve Jobs, Stephen Wozniak, Gary Kildall, Adam Osborne, Jack Tramiel und Chuck Peddle und wie sie den PC schufen.

Das Buch wird abgerundet durch eine kurze Erklärung der Computertechnik vor dem PC, sowie einer Zusammenfassung was danach geschah, als die Claims abgesteckt waren. Ich habe versucht ein Buch zu schreiben, dass sie dahingehend von anderen Büchern abhebt, dass es nicht nur Geschichte erzählt sondern auch erklärt warum bestimmte Produkte erfolgreich waren, also auf die Technik eingeht.

Die 2014 erschienene zweite Auflage wurde aktualisiert und leicht erweitert. Die umfangreichste Änderung ist ein 60 Seiten starkes Kapitel über Seymour Cray und die von ihm entworfenen Supercomputer. Bedingt durch Preissenkungen bei Neuauflagen ist es mit 19,90 Euro trotz gestiegenem Umfang um 5 Euro billiger als die erste Auflage. Es ist auch als e-Book für 10,99 Euro erschienen.

Mehr über das Buch auf dieser eigenen Seite.

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© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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