Einführung in die Informatik

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Einführung in die Informatik

für Naturwissenschaftler und Ingenieure

Bearbeitet von Ulrich Rembold, Paul Levi

3. Auflage 1999. Buch. XIV, 610 S. Hardcover ISBN 978 3 446 18157 1

Format (B x L): 16 x 22,7 cm Gewicht: 1027 g

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1.1 Bedeutung der Angewandten Informatik 9

1 Einführung

1.1 Bedeutung der Angewandten Informatik

Die Leistungsfähigkeit einer modernen Wirtschaft hängt davon ab, inwieweit Auto- matisierungshilfen bei der Entwicklung und Fertigung von Produkten verwendet werden. Ursprünglich hatte der Mensch zur Automatisierung von technischen Prozessen nur die Mechanik zur Verfügung. Viele geniale Maschinenelemente wurde schon in der Antike ersonnen und dann über Jahrhunderte konsequent weiterentwickelt. Die industrielle Revolution des letzten Jahrhunderts wurde fast ausschließlich durch komplexe Maschinen ermöglicht, die durch Zahnräder, Hebel, Kurvenscheiben und Ge- stänge angetrieben waren.

Die Erfindung des Elektromotors und vieler anderer elektromechanischer Stellglie- der am Ende des letzten und am Anfang dieses Jahrhunderts brachte einen neuen be- deutenden Technologieschub. In den fünfziger Jahren war es die diskrete Elektronik, die eine weitere Automatisierung erlaubte. Mit dieser Elektronik wurden die ersten Rechnersysteme entwickelt, die wirtschaftlich zur Steuerung von Prozessen verwendet werden konnten. Seine bedeutendste Aufgabe fand jedoch der Rechner in der In- formationsverarbeitung, die zur Disposition und Steuerung von Prozeßaktivitäten notwendig ist.

Die Information ist ein bedeutendes Betriebsmittel, das neben andere Betriebsmittel wie Arbeitskraft, Energie und Rohstoffe wirtschaftlich eingesetzt werden muß. Mit der Integration von vielen diskreten Elementen in einen Baustein entstand die Mikro- elektronik. Sie ist eine neue Basistechnologie, die einen wichtigen Einfluß auf neue Automatisierungsstrukturen hat. Diese Technologie findet auch zunehmend in Pro- dukten Verwendung und gibt diesen eine Vielfalt von Funktionen, die mit anderen Mitteln nicht oder sehr schwer durchführbar sind. Wohin uns diese Entwicklung füh- ren wird, ist heute noch nicht absehbar. Es ist aber zu erkennen, daß sie ganz neue An- forderungen an Entwickler und Betreiber von Produkten und Anlagen und die Bereit- stellung sowie Verarbeitung von technischem Grundwissen stellen. Die Entwicklungs- phasen der oben genannten Technologie in der Elektrotechnik sind in Abbildung 1.1 gezeigt [Golling, Hernant 83]. In dieser Darstellung ist die Durchdringung der Basis- technologien über die Zeitachse aufgetragen. Der Verlauf der Kurven ist stark ideali- siert und hat in Wirklichkeit eine typische S-Form; in der Darstellung wurde allerdings ein logarithmischer Maßstab gewählt, so daß sie durch Gerade repräsentiert werden können, deren Neigung und zeitliche Verzögerung von den jeweiligen Anwendungs- gebieten abhängt. Die Kurve für den Einfluß der Optik wurde zur ursprünglichen Darstellung der Abbildung ergänzt.

Mit der Entwicklung und Anwendung des Rechners wurde die Informatik zu einer ei- genständigen wissenschaftlichen Disziplin, die an der Seite der klassischen Ingenieur- wissenschaften, wie Elektrotechnik, Maschinenbau, Bauingenieurwesen usw., steht.

Die Informatik beeinflußt alle Ingenieursaktivitäten und ist ein Grundbestandteil die-

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10 1 Einführung

ser; es ist daher notwendig, sie in die technischen und naturwissenschaftlichen Ausbil- dungungsprogramme zu integrieren. Dafür ist eine Umstrukturierung der herkömmli- chen Lehr- und Vorlesungsangebote im Hinblick auf eine Informatikgrundausbildun- gung notwendig, damit die Hochschul- und Universitätsabsolventen für zukünftige Aufgaben in der Wirtschaft gerüstet sind.

Informatik ist die Lehre vom rationalen Umgang mit Information und von der Kon- struktion informationsverarbeitender Maschinen. Sonstige Begriffe dafür sind: Com- puter Science (USA, ca. 1965) und Informatique (Frankreich, ca. 1968). Information ist dabei ein Grundbegriff, der nicht mehr auf elementarere Begriffe zurückgeführt werden kann, sich aber in Form von Nachrichten (aktuelle Information) oder Daten (codierte Information) beschreiben läßt. Als Informationsgewinnung oder Modellab- bildungung bezeichnet man die Abstraktion von Objekten und Vorgängen der realen Welt.

Der Hauptaspekt der Informatik ist die Informationsverarbeitung, d. h. der Umgang mit abstrakten Objekten und Vorgängen, wobei diese im Gegensatz zur Mathematik als zu verarbeitende Information (Verfahren) und nicht nur als Gegenstände (Gesetz- mäßigkeiten) angesehen werden. Eng verknüpft damit ist der Begriff des Algorith- mus, unter dem man eine Rechenvorschrift (Folge von Operationen) versteht, durch die gegebene Eingangsgrößen in einer endlichen Zahl von Schritten in gesuchte Aus- gangsgrößen umgewandelt werden. Ein Programm ist die Realisierung eines Algorith- mus in einer formalen Sprache, der auf einer Maschine ausführbar ist.

Die Informatik wird als Ingenieurwissenschaft verstanden, bei der das konstruktive Vorgehen im Vordergrund steht. Sie befaßt sich fast ausschließlich mit der Konstruk- tion und Nutzung von elektronischen Rechnern, weil diese sich als die vielseitigsten informationsverarbeitenden Maschinen erwiesen haben, sowie der Entwicklung von Anwenderprogrammen. Eine zunehmende Bedeutung hat in diesem Zusammenhang die Telematik, die für das Sammeln, Übertragen und Verabreiten von Information zu-

Technologische Durchdringung der elekrotechnischen Anwendungsgebiete wie Nachrichtentechnik, Datentechnik, Energietechnik u.a. (qualitativ) 1 10 30 50 70 90 99 %

Zeit Mechanik

Elektronik (diskret) Elektromechanik

Rechen- und Analog, Digital und Software Mikroelektronik

Übertragungstechnik Optik

Abbildung 1.1: Zeitlicher Wechsel der Basistechnologie für elektrotechnische Anwen- dungen

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1.1 Bedeutung der Angewandten Informatik 11

ständig ist. Für die Ingenieurwissenschaften lassen sich aus der Sicht der Informatik drei Berufsbilder typisieren [Krüger]:

1. Die Berufsgruppe der Hardware-Ingenieure (Entwurfsingenieure, Schaltungs- techniker), die unmittelbar am rechner- und kommunikationstechnischen Wandel teilhaben. Bei ihrer Tätigkeit müssen sie sich den Herausforderungen der Digital- und Mikrorechnertechnik stellen und die Rechnerkomponenten bzw. Systemlö- sungen nach informationstechnischen Gesichtspunkten entwerfen, programmie- ren und benutzergerecht gestalten. Diese Gruppe verlangt nach Fachleuten mit Spezialkenntnissen über Rechner- und Schaltungsentwurf und der Erstellung von Kommunikationssystemen.

2. Die Berufsgruppe der Software-Ingenieure (Anwendungsentwickler, Infor- matiker), die das Bindeglied zu den Anwendern in Verwaltung, Banken, Kon- struktion, Produktion usw. herstellen. Ihre Tätigkeit kann als Anwendermethodik bezeichnet werden und besteht z. B. darin, CAD/CAM-Systeme zu entwickeln und zu realisieren sowie Hilfsmittel zur Einbindung von CIM-Komponenten (Computer Integrated Manufacturing) zu erstellen. Diese Fachkräfte müssen breitgefächerte Kenntnisse haben, um sowohl das Anwendungsproblem zu verste- hen als auch die SW-Entwurfstechniken und SW-Entwurfswerkzeuge zu beher- schen.

3. Die Berufsgruppe der Anwendungsingenieure (Eigentliche Anwender), die in ihre Produkte und Herstellungsverfahren, die zumeist an eine Vielzahl von Betriebsbedingungen anzupassen sind, HW- und SW-Komponenten integrieren.

Der Entwurf der Komponenten erfolgt rechnerunterstützt (Computer Aided Design) mittels Graphik-Arbeitsplätzen, die über Kommunikationsnetze Zugriff zu einer zentralen CAD-Datenbank und zu Entwurfswerkzeugen ermöglichen.

Die Verwendung einer CAM-Datenbank (Computer Aided Manufacturing) erlaubt außerdem die Planung der Fertigungsprozesse sowie des Fertigungsablau- fes. Diese Ingenieure sind Spezialisten auf ihren Fachgebieten, müssen aber zudem gute Kenntnisse über die Verwendung moderner Informatikwerkzeuge haben.

In Abbildung 1.1 wurde der zeitliche Einfluß unterschiedlicher Basistechnologien in der Elektrotechnik dargestellt. Entsprechend hat sich auch das Berufsbild und die Tätigkeit von Ingenieuren in den elektrotechnischen Industrien geändert.

Die Mikroelektronik und Informatik sind aber auch in sehr viele Gebiete des klassischen Maschinenbaus sowie der Steuerungs- und Regelungstechnik eingedrungen und bieten dort für bestimmte Funktionen Standardprodukte in hochintegrierter Form an.

Dieser Trend wird durch die Bereitstellung von leistungsfähigen Prozessoren, großen Haupt- und Plattenspeicherkapazitäten und kostengünstigen Peripheriegeräten wesentlich beschleunigt.

Durch die elektronischen und informationstechnischen Neuerungen sind viele Indu- strien auf dem Weltmarkt überhaupt nur noch konkurrenzfähig.

Die Informatik hat es sich unter anderem zur Aufgabe gestellt, mittels elektronischer Rechner nach vorgegebenen Regeln Daten zu erfassen, zu verarbeiten und die Ergeb-

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12 1 Einführung

nisse zu weiterem Anwendung bereitzustellen. Die eigentliche Verarbeitung, d. h. der Ablauf der Programme, beruht auf den dafür entwickelten Algorithmen. Grundsätz- lich läßt sich die „Strukturwissenschaft“ Informatik in die folgenden vier Gebiete einteilen:

1. Theoretische Informatik

Sie ist das Bindeglied zwischen der Mathematik, insbesondere der Algebra, und der Informatik, und versucht, die Gesetzmäßigkeiten zu ermitteln, die den Daten- strukturen und deren Verarbeitung zugrunde liegen. Zu den Gebieten der theore- tischen Informatik gehören die Theorie der Programmerstellung, formale Spra- chen, Automatentheorie, Komplexitätstheorie, Programmverifikation und die Künstliche Intelligenz.

2. Technische Informatik

Dieser Bereich befaßt sich mit Schaltnetzen, Schaltwerken und deren Auswirkung auf die Konstruktion von elektronischen Rechnersystemen. Große Bedeutung gewann das Mikroprogrammieren, mit dessen Hilfe es möglich ist, Rechnerschalt- werke flexibel zu gestalten, um so die Programmausführung effizienter und damit auch schneller zu machen. Weiterhin erfordern es bestimmte Probleme, spezielle Programme als Hardwareschaltungen zu implementieren.

3. Praxis der Programm- und Informationssysteme

Dieser Zweig der Informatik befaßt sich mit der strukturierten Erstellung von Betriebssystemen, Übersetzern für Programmiersprachen, Informations-, Komm- unikations- und Datenbanksystemen, Erstellung von Simulationssprachen, aber auch mit den Problemen aus dem Gebiet der Künstlichen Intelligenz (KI).

4. Angewandte Informatik

Die praktische Bedeutung der Datenverarbeitung kommt in der Anwendung der Informatik zum Tragen. Mit Hilfe von mathematischen Methoden, Erkenntnissen der Informatik und Problemlösungen der Praxis lassen sich Aufgaben der Daten- verarbeitung in Technik, Verwaltung, Medizin, Verkauf usw. nach optimalen Gesichtspunkten bearbeiten. Daten werden von Hand oder automatisch erfaßt, durch Anwenderprogramme umgesetzt und als Ergebnis wieder zu neuer Inter- pretation ausgegeben. Je nach Art der Anwendung kann dieses Ergebnis z. B.

neue Erkenntnisse liefern oder den Zustand eines Regelsystems ändern.

Dieses Buch hat sich die Aufgabe gestellt, Werkzeuge für den Bereich der angewandten Informatik zu erklären und zur Verfügung zu stellen. Es werden dafür die theore- tischen und praktischen Grundlagen geschaffen, die der Ingenieur und Naturwissen- schaftler benötigt, um den Rechner erfolgreich anwenden zu können. Zur Vertiefung in eines der Spezialgebiete der Informatik wird empfohlen, die entsprechende Fach- literatur zu studieren.

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1.2 Geschichte der Informatik 13

1.2 Geschichte der Informatik

1.2.1 Entstehung der Zahlsysteme

Die eigentliche Entwicklung des Rechners begann mit der Erfindung der Zahlenzei- chen und Zahlensysteme. Mit ihnen können unterscheidbare Objekte durch Abbil- dung auf Zahlen definiert werden. Die Zahlensysteme der wichtigsten Kulturvölker wurden sehr unterschiedlich konzipiert (Abbildung 1.2) [Ganzhorn, Walter 75]. Bei den Ägyptern und Römern finden wir unterschiedliche Zeichen für die Darstellung der Zahlen 1, 10, 100, 1000, usw. Diese Zeichen haben bei der Darstellung einer Zahl immer den gleichen Wert. Sie werden meistens in absteigender Reihenfolge dargestellt. Dieses Prinzip trug vermutlich zur Konzeption des Stellenwertsystems bei. Beim römischen Zahlensystem gab es dazu noch genau festgelegte Regeln, wie oft ein Zei- chen in einer Zahl vorkommen darf.

Die Zahlensysteme der Babylonier, Mayas, Inder und Chinesen sind Stellenwert- oder Positionssysteme. Bei diesen hängt der Wert einer Zahl nicht nur von der Form eines Zeichens, sondern auch von dessen Stellung in einer Zahl ab. Fast alle Zahlensysteme basieren auf dem Abzählprinzip mit den Finger. So finden sich die Zehnerstruktur u. a. in sumerischen, ägyptischen und babylonischen Zahlensystemen wieder.

Abbildung 1.2: Entwicklung verschiedener Zahlensysteme

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14 1 Einführung

a) Dezimalsystem

Unser Dezimalsystem stammt ursprünglich aus Indien und gelangte im auslaufenden Mittelalter aus dem Nahen Osten zu uns. Die erfinderische Leistung der Inder mit der Einführung der Ziffer Null kann als Großtat in der Entwicklungsgeschichte der Menschheit bezeichnet werden. Die einzelnen Ziffern haben eine lange Entwicklung durchgemacht, bis aus ihnen die heute gebräuchlichen Formen entstanden sind (Abbildung 1.3) [Ganzhorn, Walter 75].

Das Zehnersystem ist die Grundlage aller modernen mathematischen Entwicklungen und wurde auch bei den ersten mechanischen Rechenmaschinen verwendet. Es lassen sich mit ihm besonders leicht mathematische Operationen durchführen. Bedingt durch die einfache praktische Anwendung hat es sich schnell auf der ganzen Welt ver- breitet.

b) Dualsystem

Elektronische Rechner arbeiten nach dem Prinzip der Dualzahlenarithmetik (Abbil- dung 1.4). Die Entwicklung des Dualsystems wird dem genialen Mathematiker Gott- fried Wilhelm Leibniz (1646–1716) zugeschrieben; das System hat aber vermutlich seinen Ursprung in China.

Eine Dualzahl kann den Wert 0 oder 1 annehmen. Diese Werte lassen sich mit elektrischen Schaltungen verwirklichen. Z. B. kann das Anliegen keiner Spannung eine 0 be- deuten bzw. das Anliegen einer Spannung eine 1. Technisch lassen sich solche Schal- tungen mit Schaltern, Relais, Röhren und Transistoren verwirklichen. Vergleicht man das Dezimalsystem mit dem Dualsystem, so erscheint es dem Außenstehenden sehr unpraktisch, das Dualsystem zu verwenden. Mit Hilfe integrierter Schaltungen kön- nen jedoch sehr komplexe Rechenwerke aufgebaut werden, die die vier Grundopera- tionen Addieren, Subtrahieren, Multipizieren und Dividieren äußerst effizient durch- führen.

Abbildung 1.3: Entwicklung der Ziffern für das heutige Zahlensystem

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1.2.2 Mechanisierung des Rechnens

a) Grundelemente eines Rechensystems

Zur Lösung einer gegebenen Rechenaufgabe können unterschiedliche Vorgehensme- thoden und Rechengeräte verwendet werden. Ein Rechenvorgang besteht aber prin- zipiell aus Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe (Abbildung 1.5). Dazu wird zunächst die Aufgabe bzw. das Problem formuliert und auf einem Datenträger, z. B. einem Blatt Papier oder einem anderen nichtflüchtigen Informationsspeicher, aufgezeichnet.

Danach wird die Rechnung mit Hilfe eines sogenannten Algorithmus durchgeführt und auf Korrektheit und Vollständigkeit geprüft. Dessen begriffliche Herkunft geht auf den persischen Mathematiker und Astronom Abu Dscha‘far Muhammed ibn Musa Al-Chwarazmi (um 780–850) zurück, der 820 ein Buch über die indischen Zif- fern geschrieben hat.

Zur Einleitung eines Rechenvorgangs müssen Programm und Daten bereitstehen oder über die Eingabe zur Verarbeitung in das Rechensystem eingegeben werden.

Abbildung 1.4:

Vergleich des Dualsystems mit dem Dezimalsystem: m = Anzahl der Stellen

Abbildung 1.5: Grundstrukturen eines Rechensystems

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16 1 Einführung

Eine Recheneinheit führt die Rechenoperationen durch. Das Ergebnis wird von der Verarbeitungseinheit in die Ausgabe gebracht und steht dort zur weiteren Verarbei- tung bereit. Die ordnungsgemäße Steuerung aller Abläufe erfolgt durch eine Steuer- einheit.

Durch die Integration eines Speichers in das Rechnersystem läßt sich die Bearbeitung der Aufgabe automatisieren und wesentlich vereinfachen; z. B. kann ein wiederzuver- wendendes Programm im Speicher abgelegt werden. Es wird von dort zur Bearbei- tung von Eingabedaten aufgerufen und führt gewünschte Rechenoperationen durch.

Die Ausgabedaten in Form des Ergebnisses liegen dann unmittelbar vor. Die Grund- struktur dieses Rechnersystems hat sich über mehrere Jahrtausende entwickelt, kom- fortable Ein-/Ausgabeeinheiten stehen allerdings erst seit diesem Jahrhundert zur Verfügung.

b) Einfaches Rechenwerk: Der Abakus

Der Abakus, der in China Suan-pan genannt wird, ist das bekannteste Rechenwerk, das sich von der Antike bis zur heutigen Zeit durchgesetzt hat. Er kann in die Chon- Dynastie in China, in das zweite Jahrhundert vor Christus, zurückdatiert werden. In seiner neuen Form besteht der Abakus aus einer Reihe von vertikal angeordneten Stäben, auf deren unteren Hälfte sich fünf Perlen und auf deren oberen Hälfte sich zwei Perlen befinden. Der Wert einer oberen Perle entspricht dem Wert von 5 unteren Perlen. In dieser Anordnung ist noch das ursprüngliche Fünf-Finger-Abzählsystem des Menschen zu erkennen. Die Rechenstellungen für die Zahlen 1 bis 9 sind in Abbil- dung 1.6 zu sehen.

Will man z. B. die Zahlen 24 und 36 addieren, so geschieht dies wie folgt (Abbil- dung 1.7): Zunächst wird die Zahl 24 an den rechten Stäben eingestellt (Abbildung 1.7a). Danach wird die Zahl 36 zuaddiert. Es wird mit der Zahl 3 begonnen. Auf dem linken der beiden dargestellten Stäbchen würden nach der Addition der Zahl 3 alle fünf Perlen in der unteren Hälfte eingestellt sein. Dasselbe Ergebnis erhält man durch das Herunterziehen einer oberen und das Löschen von allen unteren Perlen. Danach wird die 6 an dem rechten Stäbchen hinzugezählt. Dazu müßte die letzte Perle von unten herauf und eine von oben heruntergezogen werden. Diese Perlenanordnung er- zeugt aber einen Überlauf in die nächste Stelle. Daher werden die Perlen des rechten Stäbchens wieder in die Grundstellung gebracht und von den linken Stäbchen eine untere Perle für den Überlauf nach oben geschoben. Somit ist das Endergebnis 60 einge- Abbildung 1.6:

Chinesischer Abakus

Abbildung 1.7:

Addition mit Hilfe eines Abakus

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stellt (Abbildung 1.7b). Die oberste Perlenreihe wird für die Multiplikation und Divi- sion (Übertrag) benötigt.

Der Abakus entspricht in der Grundstruktur dem Rechenwerk eines Rechnersystems (Abbildung 1.5). Die Ein- und Ausgabe wird vom Menschen durch Verstellen und Ab- lesen der Perlenanordnung durchgeführt. Ebenso übernimmt der Bediener die eigentliche Funktion der Steuereinheit. Die Verfahren (Algorithmen) zum Einstellen der Perlen für die vier Grundoperationen muß der Mensch in seinem Gedächtnis gespei- chert haben. Als Datenträger für Ein-/Ausgabedaten kann ein Papierbogen verwendet werden.

In Europa begann 1524 durch die Veröffentlichung des „Rechenbuchs“ von Adam Riese (1492–1529), das die Rechengesetze des Dezimalsystems beschrieb, die Ver- breitung und Durchsetzung des „algorithmischen“ Ziffernrechnens gegenüber dem im ganzen Mittelalter vorherrschenden Linienrechnen mit Rechensteinen und Re- chenbrettern.

c) Rechenstäbchen und Rechenschieber

Die Erfindung des logarithmischen Rechenstabs oder Rechenschiebers geht auf Lord Napier zurück, der im Jahre 1614 ein Buch über Logarithmen und im Jahre 1617 eine logarithmische Rechentafel veröffentlichte. Damit ließen sich Multiplikations- und Divisionsaufgaben durch einfaches Addieren und Subtrahieren der „Hoch“-Zahlen lösen. Um 1650 erreichte der Rechenstab die heutige Form mit der beweglichen Zunge.

Abbildung 1.8:

Rechenuhr von Schickard [Ganzhorn, Walter 75]

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18 1 Einführung

1.2.3 Rein mechanische Rechenmaschinen

Die erste urkundlich nachweisbare Rechenmaschine für die vier Grundrechenarten wurde von Wilhelm Schickard im Jahre 1623 konstruiert (Abbildung 1.8). Die Maschi- ne bestand aus zwei verschiedenen Rechenwerken. Der obere Teil arbeitete nach dem Prinzip des Rechenstabes, der um 1614 erfunden wurde. Mit diesem Gerät wurden Multiplikationen und Divisionen über drehbare Zylinder durchgeführt. Der untere Teil dieser Rechenmaschine verwendete zur Addition und Subtraktion sechs dekadi- sche Zählräder mit Zehnerübertrag (ein Übertragungszahn zwischen jeder Dekade).

Berechnungen mit dieser „Rechenuhr“ wurden über die vorderen Einstellscheiben mit Hilfe eines Wählstiftes sowie über die erwähnten Walzen und Schieber durchge- führt.

Wurde z. B. beim Addieren eine Dekade von 0 auf 9 gedreht, erfolgte beim Weiterdre- hen ein Übertrag in die nächste Dekade (Abbildung 1.9). Dieses Prinzip setzte sich bis zur Neuzeit in fast allen mechanischen Rechenmaschinen und Zählwerken durch. Wir finden es z.B. auch in elektrischen Leistungszählern und in Kilometerzählern von Autos. Bei diesem Gerät wurden erstmalig Teile des Rechenwerks (durch den Über- trag) automatisch gesteuert. Alle anderen Operationen wurden noch durch den Bediener getätigt.

Eine ähnliche Rechenmaschine entwickelte Blaise Pascal (1623–1662) im Jahre 1641, allerdings diente sie nur zur Addition und Subtraktion von sechsstelligen Zahlen (Multiplikation und Division waren nicht möglich). Sie besaß schon Zahnräder mit Sperrklinke, um ein Rückdrehen (beispielsweise des Ergebniswertes) zu vermeiden.

Im Jahre 1673 entwickelte Gottfried Wilhelm Leibniz (1646–1716) eine verbesserte Rechenmaschine für die vier Grundrechenarten mit 12 Dekaden. Die Operanden wur- Abbildung 1.9:

Zählwerk mit Übertragung [Ganzhorn, Walter 75]

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den auf dem Räderwerk eines verschiebbaren Schlittens eingestellt, d. h. anstelle der Rechenstäbchen bei Schickards Maschine wurde eine Staffelwalze verwendet. Dieses erlaubte Multiplikationen mit Hilfe von Zehnerpotenzen sehr schnell auszuführen.

Fast alle mechanischen Rechenmaschinen übernahmen dieses Operationsprinzip, wo- mit die Steuerung des Rechenwerkes wieder einen Schritt weiter mechanisiert wurde.

Daneben befaßte sich Leibniz auch mit dem Rechnen im Dualsystem, das für die Ent- wicklung von modernen elektronischen Rechenautomaten von großer Bedeutung war.

Ein großes Problem bei all diesen Maschinen waren die ungenauen Herstellungsver- fahren für die feinmechanischen Teile. Erst um 1674 gelang es Philipp Matthäus Hahn (1739–1790), serienmäßig Rechenmaschinen mit hoher Zuverlässigkeit herzustellen.

Seit dieser Zeit erfolgte auch die konzentrische Anordnung des Resultatwerks.

1.2.4 Datenspeicherung und Programmsteuerung

a) Die Lochkarte als Informationsträger

Die ersten maschinell lesbaren Informationsträger überhaupt wurden für Webstühle entwickelt, und zwar um 1728 von dem französischen Mechaniker Falcon. Diese Spei- cher bestanden aus Holzplättchen, in denen der Code für ein bestimmtes Webmuster Abbildung 1.10: Webstuhl von Jacquard [Ganzhorn, Walter 75] mit Ausschnitt aus der Lochbandsteuerung

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20 1 Einführung

in einer vorgegebenen Lochkombination angebracht war. Diese Karten wurden als Lochkartenkette über einen mechanischen Ablesemechanismus des Webstuhles ge- führt und stellten die senkrechten Schnüre oder Litzen ein (Abbildung 1.10). An den Enden der Litzen befanden sich Ösen, durch die die Kettfäden je nach der Lochkom- bination gehoben oder gesenkt wurden. Bei jeder Lochkombination wurde somit der Schußfaden durch die parallel liegenden Kettfäden getrieben und erzeugte das ge- wünschte Muster. Durch Auswechseln der Lochkarten konnten verschiedene Webmu- ster erzielt werden. Diese Idee wurde aber erst 1805 von Joseph-Marie Jacquard (1752–1834) in Lyon zu einer ausgereiften Technik entwickelt. Das Prinzip der Loch- kartenketten wurde später auch zum Antrieb von Spiel-/Musikorgeln und automati- schen Klavieren verwendet. Die Lochplatte ist somit der erste Nur-Lesespeicher oder Read Only Memory (ROM).

Bei der Überprüfung von fehlerhaften Logarithmentafeln kam der 20-jährige Charles Babbage (1792–1871) auf die Idee, eine „Difference Engine“ zu bauen, die nach dem Differenzprinzip arbeitete. Sie sollte die Berechnung und Überprüfung von mathematischen Tabellen wesentlich vereinfachen. Im Jahre 1822 zeigte Babbage ein Modell seiner Maschine für 2 Differenzen und 8 Dezimalstellen. Durch die positiven Ergeb- nisse ermutigt, konstruierte er dann eine Maschine für 7 Differenzen und 20 Dezimal- stellen. Auch Babbage hatte Schwierigkeiten, die mechanischen Teile der Maschine in der geforderten Präzision herstellen zu lassen; sie wurde deshalb nie vollendet.

Babbage befaßte sich außerdem mit der Konstruktion eines digitalen Rechenauto- maten, der das menschliche Rechnen nachahmen sollte und folgende Komponenten hatte:

– ein Rechenwerk, ein Steuerwerk – einen Zahlen-/Zwischenspeicher – und Ein-/Ausgabemöglichkeiten.

Für die Realisierung seiner großen erfinderischer Leistung, der „Analytical Engine“, wollte Babbage als Rechenwerk seine Differenzmaschine verwenden. Zur Programm- speicherung sollte das Lochkartenprinzip von Jacquard dienen. Mit einem zyklischen Lochkartenband hatte er vor, Programmschleifen zu durchlaufen. Der Rechenauto- mat von Babbage besaß somit alle Einheiten, die wir auch heute in einem modernen Rechnersystem finden (Abbildung 1.5). Sein bahnbrechendes Rechnerkonzept geriet allerdings bis zur Entwicklung der ersten elektronischen Rechenanlagen in Verges- senheit.

b) Zähl-, Registrier- und Sortiermaschinen

Im Jahre 1886 konstruierte Herrmann Hollerith (1860–1829) eine Maschine zum Aus- werten von Volkszählungsdaten. Er konzipierte dazu Lochkarten, in die Angaben über Personen nach einer bestimmten Verschlüsselung eingegeben wurden. Zur Aus- wertung der Daten wurden die Karten in eine elektrische Abtastapparatur eingelegt, die über Fühler die mit Hilfe der Lochungen gespeicherten Informationen an magnetische Zählwerke weitergab. Der untere Teil von Abbildung 1.11 zeigt das Lochkarten- lesen und der obere Teil verschiedene magnetische Zähluhren.

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Weiterhin konstruierte Hollerith auch Sortieranlagen, wobei die Karten je nach einge- tragenen Information durch Klappen in bestimmte Sortierfächer abgelegt wurden.

Diese Erfindungen leiteten den eigentlichen Beginn der modernen Datenverarbei- tung ein.

Nach und nach stellte man auch Druck- und Stanzeinrichtungen her und fügte Ver- vielfältigungseinheiten hinzu. Lochkartenanlagen wurden in den Buchhaltungsabtei- lungen der Fabriken eingesetzt. Eine typische Anlage bestand aus einem Kartenlo- cher, einem Kartenprüfer, einer Sortiermaschine, einem Schreibwerk und einer Tabel- liermaschine. Die Tabelliermaschine war zunächst nur als Addiermaschine konzipiert und enthielt mehrstellige elektromagnetische Stellwerke, die auf dem Grundprinzip Zählräder und die von Leibniz erdachten Dekadenverstellschlitten basierten. Die Technik der Lochkartenverarbeitung wurde ständig verbessert und führte über die Entwicklung der elektronischen Rechner letztlich zur modernen Rechenmaschine.

Abbildung 1.11: Zähl- und Sortiermaschine von Herman Hollerith, 1890 (Universität Bonn, Forschungsinstitut für Diskrete Mathematik)

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22 1 Einführung

c) Programmgesteuerte Rechenmaschine

Im Jahre 1934 entwarf Konrad Zuse (1910–1996) eine Rechenmaschine, die im Grundkonzept der von Charles Babbage glich. Die Maschine war programmgesteuert, hatte Ein- und Ausgabeeinheiten, einen Speicher sowie ein Steuerwerk. Zuse erkannte frühzeitig den Vorteil, den die Durchführung von Rechenoperationen mit Dual- zahlen bietet und verwendete schon gleitpunktformatierte Zahlen. Außerdem konnte die Maschine logische Operationen wie UND, ODER und NEGATION ausführen.

Die bistabilen Schaltelemente waren mechanisch realisiert, ebenso der Speicher, wobei es Probleme bereitete die Teile in der erforderlichen Robustheit und Präzision herzustellen.

1.2.5 Elektromechanische Rechenmaschinen

a) Relaisrechner Zuse Z3

Basierend auf den Erfahrungen der Vorgängermodelle konstruierte Konrad Zuse 1941 im Auftrag der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt die erste programmgesteuerte Rechenanlage der Welt, die Z3, bei der sowohl das Rechenwerk als auch der Speicher in der Relaistechnik ausgeführt waren. Die Maschine hatte folgenden technischen Daten:

2600 Fernmelderelais

64 Speicherplätze für 22-stellige Dualzahlen (etwa 7 Dezimalstellen) 4 Grundrechenoperationen und Radizieren

15–20 Arithmetische Operationen/sec 1 Multiplikation in 4–5 sec

Als Programmspeicher wurden Lochstreifen verwendet. Nach dem Einlesen eines Befehls wurde dieser sofort decodiert und ausgeführt sowie der nächste Befehl bereit- gestellt. Die Befehle bestanden aus je einem Adreß- und Operationsteil (Abbildung 1.12).

Abbildung 1.12:

Rechenablauf im ZUSE-3-Rechner

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Nach dem Einlesen des Befehls in ein sogenanntes Befehlsregister wird der Adreßteil in einem Adreßdecodierer entziffert und ein Speicherplatz, der die gewünschten Daten enthält, angesteuert. Von diesem Platz werden die Daten in das Rechenwerk gebracht. Gleichzeitig wird vom Befehlsregister der Operationsteil des Befehls in den Operationsdecodierer übertragen, dort decodiert und die Rechenoperation im Rechenwerk ausgeführt. Die Rechenergebnisse werden an einem Anzeigenfeld sicht- bar gemacht.

Aufgrund der guten Erfahrungen mit der Zuse Z3 wurde 1942 mit der Konstruktion der Zuse Z4 (Abbildung 1.13), die einen mechanischen Speicher besaß, begonnen.

Nach der Fertigstellung im März 1945 war sie bis Ende der 50er Jahre im praktischen Einsatz.

b) Computer Harvard Mark 1

Howard H. Aiken stellte im Jahr 1944 an der Harvard Universität eine Rechen- maschine „Automatic Sequence Controlled Computer“ fertig, die beträchtlich größer war als die von Zuse. Es handelte sich hier um eine elektromechanische Konstruktion, die ebenfalls auf den Ideen von Charles Babbage basierte. Es verwundert daher nicht, Abbildung 1.13: Modell des Zuse Z4-Rechners (Deutsches Museum in München)

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24 1 Einführung

daß sich die Maschinen von Zuse und Aiken sehr ähnelten. Aikens Maschine impo- nierte durch ihre besonders großen Ausmaße. Sie war 15 m lang, 2,5 m hoch und bestand aus 700 000 Einzelteilen, 3000 Kugellagern und hatte 80 km Leitungsdrähte als

„Eingeweide“. Eine Rechenmaschine mit vergleichbaren Fähigkeiten wird heutzuta- ge auf einem Integrierten Halbleiterbaustein mit einer Fläche von ca. 5×5 mm unter- gebracht.

Die Aiken-Maschine arbeitete noch mit dekadischen Zählrädern und Zahlenspei- chern. Hierzu waren 72 Additionszähler mit je 23 Dezimalstellen vorhanden. Daten konnten durch Lochstreifen und -karten eingegeben werden. Zur Datenausgabe diente ein Lochstreifenstanzer oder eine elektrische Schreibmaschine. Die Ein/Ausgabe- funktionen wurden automatisch durch den Rechner gesteuert. Die Programme selbst wurden auf Lochstreifen eingelesen. Ein Befehlswort bestand aus drei Teilen: Der erste Teil stellte die Verbindung zur Speicheradresse her, der zweite Teil die Verbindung zur Funktionseinheit, die den Befehl ausführen sollte, und der dritte Teil schließlich bestimmte die Operation, die mit der aus dem Speicher geholten Zahl durchgeführt werden sollte.

Folgende Ausführungsgeschwindigkeiten konnten mit der Maschine erreicht werden:

Addition 0.3 sec Multiplikation 6 sec

Division 11 sec

Auch bei dieser Maschine mußten die Programme von außen zum Ablauf eingegeben werden. Einen internen Speicher für Programme gab es also nicht. Es war allerdings schon daran gedacht, endlose Programmschleifen für Unterprogramme zu verwenden.

c) Computer ENIAC

Der erste funktionsfähige Röhrenrechner wurde 1964 in der Moore School of Electri- cal Engineering an der Pennsylvania Universität von I. P. Echert und J. W. Mauchly entwickelt. Er wog etwa 20 Tonnen, hatte 18 000 Röhren und 1500 Relais. Der Ma- schine wurde eine sehr niedrige Zuverlässigkeit vorhergesagt. Da man jedoch die Röhren mit nur 25% ihrer Leistung betrieb, war es möglich, die Ausfallrate auf 2 bis 3 Röhren pro Woche zu senken. Dieser „Electronic Numerical Integrator and Compu- ter“ arbeitete für die Addition und Subtraktion nach dem Paralleldezimalverfahren, zur Multiplikation und Division wurden besondere Röhrenschaltwerke konzipiert.

Für eine Additionsyzklus benötigte man 0,2 ms, für die Multiplikation zweier zehn- stelliger Zahlen 2,8 ms. Die Dateneingabe erfolgte mit Lochstreifen, programmiert wurde mit Steckbrettern, was sich als sehr umständlich, zeitaufwendig und fehleran- fällig erwies.

Ein bahnbrechender Schritt war, als John von Neumann (1902–1957) im Jahre 1946 die Idee von dem intern als (codierte) Information gespeicherten Programm, d. h.

der gemeinsamen Speicherung von Daten und Programm im Hauptspeicher der Maschine, formulierte. Dies bedeutete das Ende der externen Programmsteuerung von Rechenautomaten mittels Lochstreifen oder -karten und stellt das Opera-

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1.3 Entwicklung der elektronischen Rechenmaschine 25

tionsprinzip der meisten (nicht aller) heutigen Rechenanlagen dar. Realisiert wurde dieses Konzept erstmals 1949 mit dem EDSAC-Rechner der Cambridge Univer- sität.

1.3 Entwicklung der elektronischen Rechenmaschine

Mit der Konzeption und dem Bau der ENIAC begann die stürmische Entwicklung des modernen elektronischen Rechners. Gegenwärtig lassen sich die Rechner nach ihrer Technologie in sechs aufeinanderfolgende Generationen eingeteilt, wobei jede Gene- ration durch typische Software- und Hardware-Entwicklungsstufen gekennzeichnet ist.

Periode I, 1953–1958

Diese Periode wurde von Röhrenrechnern geprägt, die den kommerziellen Einsatz der elektronischen Datenverarbeitung einleiteten. Die Rechner waren handverdrahtet und hatten Speicherzugriffszeiten von 1 msec, verwendeten aber bereits Extern- speicher mit Magnetbändern oder Magnettrommeln. Betriebssysteme und Compiler gab es noch nicht. Am Ende dieser Periode wurden Ferritkernspeicher Standardaus- rüstung.

Eine Kostenrechtfertigung für die meisten Rechner gab es in der Industrie nicht. Man folgte dem Trend der Zeit und erhoffte sich Wunderdinge von dieser neuen technolo- gischen Entwicklung. Die ersten Anwendungen gab es in der Lohnabrechnung, Kostenrechnung und anderen Gebieten des Rechnungswesens. Aus diesem Grund lag die Verantwortung für den Rechner auch beim Finanzwesen einer Firma. Wissen- schaftliche Anwendungen gab es nur sehr wenige und Echtzeitrechner gar keine. Die ersten Rechneraufgaben führten kaum zu kostensparenden Ergebnissen in der Orga- nisation. Es zeigte sich jedoch bald, daß Mitarbeiter um ihren Arbeitsplatz fürchteten.

Ein gänzlich anderes Problem brachten die ersten Programmierer mit sich. Sie hatten einen neuen Beruf, und es gab nur wenige Leute, die mit Rechnern vertraut waren.

Dadurch wurden auch sehr hohe Gehälter gefordert und gezahlt. In den meisten Orga- nisationen entstanden Kommunikationsschwierigkeiten zwischen der Firmenleitung und den Programmierern, insbesondere wenn es um das Erkennen und Lösen von be- triebswirtschaftlichen Problemen ging. D. h. die Programmierer hatten nicht den Über- blick, um den Rechner als Steuerorgan in einem Unternehmen einsetzen zu können.

Periode II, 1958–1966

Diese Periode wurde durch die Entwicklung von Transistoren und verbesserten Ferritkernspeichern eingeleitet. Es wurden schon Speicherzugriffszeiten von 1 µsec erreicht, obwohl die meisten Teile des Rechners noch handverdrahtet waren. Man be- faßte sich auch mit der Erstellung von Systemsoftware, Compilern und Ein-/Ausgabe- hilfen. Am Ende dieser Periode entstanden erste Betriebssysteme sowie Compiler für Algol, Cobol, Fortran und andere Programmiersprachen. Während dieser Zeit wurden auch die ersten wissenschaftlichen Anwendungen und die Echtzeitrechner entwickelt.

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26 1 Einführung

Die Rechner dieser Generation wurden erfolgreich in allen Gebieten angewandt, in denen eine Menge Daten zu verarbeiten und zu verwalten waren, also etwa bei Aufga- ben, die gewöhnlich Routinearbeit in den Fabriken, Behörden und Banken darstell- ten. Diese Rechner arbeiteten nach dem Prinzip des Stapel-(Batch-)Betriebes. Im we- sentlichen kopierte man manuelle Datenverarbeitungsmethoden. In der Regel wurden nur wenig neue Möglichkeiten der Rechnertechnologie ausgenutzt. Es wurden jedoch bereits einige anspruchsvollere Anwendungen, wie Platzreservierungssysteme, realisiert.

Während viele zentrale Anlagen wesentlich erweitert wurden, kamen auch immer mehr Rechner dezentralisiert zum Einsatz. Der Rechner fand Aufgaben in Fertigungs- betrieben zur Betriebsdatenverarbeitung und in der Entwicklung zur Lösung von In- genieuraufgaben. Es entstanden die ersten Auseinandersetzungen um die Zuständig- keit für Rechner. In dieser Periode wurden viele Schreibtischarbeiten eliminiert und es kam vor, daß ganze Abteilungen auf wenige Mitarbeiter reduziert wurden. Auf der anderen Seite wurden durch den Rechner auch wieder sehr viele neue Stellen geschaffen, die jedoch eine bessere Ausbildung voraussetzten. In dieser Periode entstand das Berufsbild des Informatikers (den Begriff gab es vorher noch nicht), und viele Univer- sitäten boten Möglichkeiten zur Informatikausbildung im Rahmen ihrer naturwissenschaftlichen Studierngänge an.

Periode III, 1966–1974

Kennzeichnend für diese Periode waren drastisch sinkende Hardwarepreise, eine Ent- wicklung, die hauptsächlich durch den Einsatz von integrierten Schaltungen erreicht wurde. Die konventionelle Verdrahtung des Rechners wurde weitgehend mit in die Schaltkreise integriert, wodurch sich Speicherzugriffszeiten von 2 nsec ergaben. Wäh- rend dieser Periode kamen die ersten Dialogstationen für den sogenannten Teilneh- mer- oder Teilhaberbetrieb auf den Markt, die im Rechnerverbund die Zugriffsmög- lichkeiten zu Großrechnern wesentlich vereinfachten. Weitere Entwicklungen waren der Halbleiterspeicher, der Refresh-Bildschirm und die Speicherröhre. Am Ende der Periode gelang der kommerzielle Durchbruch in die Mikroschaltkreistechnologie.

Die vergrößerten Rechnerkapazitäten und neu erdachten Rechnerverbundsysteme erlaubten die Konzeption vieler großer Rechenanlagen, die zum Teil sehr komplex waren und oft zu unüberwindlichen Problemen bei der Softwareerstellung führten.

Man sprach von der „Softwarekrise“ und begann, verbesserte SW-Entwicklungsme- thoden zu konzipieren und Programme systematisch nach definierten Richtlinien zu erstellen.

Diese Periode leitete eine stürmische Entwicklung auf den Gebiet der Echtzeitrech- ner ein, die als sogenannte Kleinrechner eingesetzt wurden. Man erkannte schnell, daß Kleinrechner sehr gut dafür geeignet waren, komplexe Steuerungsaufgaben in Fa- brikationsanlagen, zu übernehmen. Große Steuerungssysteme wurden oft in Unter- gruppen aufgeteilt, und jeder Untergruppe wurde ein Kleinrechner zugeordnet. In solchen hierarchischen Systemen wurde der Echtzeitrechner als Dispositionsrechner verwendet, um die Kleinrechner zu koordinieren und zentral Prozeßdaten zu verarbeiten. In der Entwicklung und Konstruktion wurde der Kleinrechner bei der Lösung

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von Ingenieursaufgaben eingesetzt, ebenso versuchsweise als Entwurfshilfsmittel (Layout).

Die Software für die Kleinrechner war am Anfang recht elementar, jedoch wurden um 1968 die ersten brauchbaren Echtzeitbetriebssysteme, Echtzeitprogrammiersprachen und Cross-Software entwickelt. Damit wurde der Kleinrechner einem sehr großen Anwenderkreis zugänglich. Es gibt heute kaum einen Industriezweig, bei dem diese Rechner nicht in irgendeiner Form erfolgreich eingesetzt werden. Seine Funktionen im Betrieb sind sehr vielseitig, so finden wir einfache Datenerfassungsanlagen, auto- matisierte Prüfstände und direkte Prozeßsteuerungen. Es war ebenfalls zu erkennen, daß der klassische Prozeßrechner immer mehr in das Gebiet der kommerziellen Datenverarbeitung eindrang und dort zur Lösung kommerzieller Aufgaben verwendet wurde.

Die Entwicklung von verteilten Rechnersystemen leitete eine Dezentralisierung von Datenverarbeitungsaufgaben in Fabriken, Banken und Behörden ein. Kennzeichnend für diese Periode war auch ein chronischer Mangel an EDV-Fachkräften. Besonders zum Aufbau von verteilten Rechneranlagen und Echtzeitsystemen fehlte geschultes Personal.

Periode IV, 1974–1982

Diese Periode ist durch den Einsatz von hochintegrierten Schaltungen, d. h. der Miniaturisierung von Schaltkreisen in der Mikroelektronik geprägt. Dadurch wurde es möglich, für technische Anwendungen Mikrorechner zu konzipieren, bei denen alle Komponenten eines Rechners auf einen Schaltkreis integriert waren. Schaltkreise für Mikroprozessoren mit über 130 000 Transistoren wurden Stand der Technik. In der Speicherentwicklung gelang es, 64 KBit Information auf einen Schaltkreis zu integrieren. Außerdem wurden verschiedene Superrechner geboren und der Kleinrechner wurde als Personal- oder Homecomputer ein Gebrauchsgegenstand in vielen Haus- halten.

Diese Periode zeichnete sich durch einen Konsolidierungstrend aus, in dem Hard- ware- und Softwaresysteme zu vollständigen Einheiten zusammenwuchsen. Dazu war es nötig, funktionstüchtige Dateien, mit hierarchischer oder zentraler Struktur aufzubauen. In vielen Betrieben wuchs die kommerzielle Datenverarbeitung mit rechnerintegrierten Fertigungssystemen (CIM) zusammen, und es wurden echte CAD/CAM- Anlagen erstellt. Hier waren kostengünstige Klein- oder Mikrorechner die untersten Bausteine eines solchen Systems. Sie wurden durch lokale Netzwerke (LAN) zusam- mengefaßt und steuern Teilbereiche einer Firma, die wiederum durch einen über- geordneten Rechner koordiniert wurden. Auf der obersten Ebene war es möglich Optimierungsaufgaben zu lösen, um einen Betrieb nach definierten Strategien zu steuern.

In einem rechnerintegrierten Fertigungssystem erhöht der Rechnerverbund die Flexi- bilität der Fabrikationsanlage wesentlich. Es kann schnell von einem Produkt auf ein anderes umgestellt werden, auch wirken sich Schwankungen im Auftragseingang weniger störend auf die Fertigung aus. Die Fabrikleitung bekommt einen guten Über- blick über Personalanforderungen, Lagerhaltung, Fertigungsplanung, Fertigungs-

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28 1 Einführung

steuerung, Materialfluß, Auftragsbearbeitung und viele andere Funktionen. Es ist auch einfacher, begonnene Arbeiten rechtzeitig und wirtschaftlich zu beenden. Viele logistische Funktionen, die früher dezentralisiert waren, wurden zentralisiert, sowie taktische Funktionen zunehmend in die Aufgabengebiete der unteren Führungsebe- nen eingeordnet.

In dieser Periode hat man große Anstrengungen unternommen, die Softwarekrise zu bewältigen. Dies gelang aber nur teilweise, da es sehr aufwendig ist, neben der Ver- besserung der SW-Entwurfsmethoden auch gute SW-Entwicklungswerkzeuge zu konzipieren. Außerdem wurden die lösenden Rechneranwendungen immer umfang- reicher.

Periode V, 1982–1990

Diese Periode zeichnete sich durch Anstrengungen aus, höchstintegrierte Schaltkreise zu entwickeln. Es gelang, größere Rechner und dedizierte Rechnerarchitekturen auf einen Schaltkreis zu integrieren, z. B. eine Millionen Transistoren auf einen Schalt- kreis. Rechenoperationen ließen sich durch Multiprozessorchips und parallele Rech- nerstrukturen beschleunigen. Auch bei der Speichertechnologie sind interessante Weiterentwicklungen erfolgt. Z. B. waren 16 MBit Speicherbausteine erhältlich und der optische Speicher wurde zur Realität.

Ein besonderes Kennzeichen dieser Periode war die Verwendung von Expertensyste- men, in denen menschliches Wissen abgespeichert wird. Mit Hilfe von Regeln ist der Rechner dann in der Lage, eigene Lösungen vorzuschlagen und den Grund für den eingeschlagenen Lösungsweg zu erklären.

Die Verwendung des Rechners zur Automatisierung von Industrieprozessen war besonders ausgeprägt. Kommerzielle Rechner und Prozeßrechner (Klein- und Mikro- rechner) wurden unter Verwendung moderner Kommunikationskonzepte vielerorts miteinander integriert und arbeiteten als ein System. Das Betriebspersonal bekam Zugriff zu Daten mit Hilfe von Dialogsprachen, Windows-Oberflächen und Graphik- stationen. Diese interaktiven Systeme wurden benutzerfreundlich und konnten unter Anweisung des Rechners schnell erlernt werden. Der Anwender konnte dabei viele Phasen eines Fertigungsablaufes simulieren, um die Produktivität zu optimieren. Au- ßerdem wurden immer mehr Standard-Lösungen für Fertigungsaufgaben konzipiert, die der Anwender selber, gemäß seiner Anforderungen, in Form von Firmware oder eigenentwickelten SW-Modulen und SW-Bibliotheken zu einem CAD/CAM-System zusammenstellen konnte, und es war möglich diese leicht über offene Systemkonzepte zu ändern, erweitern oder zu verkleinern.

Periode VI, seit 1990

Am Anfang dieser Periode wurden weitere große Fortschritte bei der Integration von Schaltkreisen erzielt. So sind 64 Bit Prozessoren mit 10 Millionen Transistoren und 16 MBit DRAM Speicher kommerziell erhältliche Produkte; auch werden schon 64 Mbit DRAM Speicher angeboten und der 1 Gbit DRAM Speicher ist in Entwicklung. Ein besonderes Kennzeichen dieser Periode ist die rapide Zunahme des Einsatzes von Personal-Computers (PCs), die sich auf Grund ihrer Mächtigkeit, Geschwindigkeit, großen Speicherkapazität sowie leichte Erlernbarkeit und Benutzbarkeit auf prak-

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tisch allen kommerziellen und technischen Gebieten und allen Verwaltungsbereichen durchsetzen. Über Verbundsysteme werden sie in zunehmendem Maß Aufgaben der Großrechner übernehmen und diese ersetzen. Allgemein verwendbare Rechnerver- bundsyseme müssen mit möglichst vielen Standard-Softwarebausteinen arbeiten kön- nen und über Standard-Schnittstellen- und Komunikationsysteme verknüpft sein.

Hierzu sind neue Sprachkonzepte, verteilte Bearbeitungsstrategien und verteilte Da- tenbanksyteme notwendig.

In dieser Periode werden auch immer mehr nichtkommerzielle Bereiche mit Rechner- kapazitäten versorgt, z. B. in der Medizin zur Planung und Überwachung von chirurgi- schen Eingriffen, im Verkehrswesen zur Steuerung und Überwachung des Verkehrs- flusses, in der Lehre zum Fernstudium und Austausch von Lehrprogrammen, in der Medientechnik zum Austausch von Informationen über Kommunikationseinrichtun- gen und Datennetzwerke. Ein besonderes Problem wird die Onlinebereitstellung von Informationen und die Datensicherheit sein.

Bei der industriellen Verwendung der Datenverarbeitung werden auch dramatische Erneuerungen zu erwarten sein. Die in der vorhergehenden Periode eingeleitete Stan- dardisierung von Software, Schnittstellen und Kommunikationssystemen wird zur Erstellung von CIM/OSA-Konzepten für ähnliche Industrien führen, für die es Kon- figurationssysteme geben wird, mit denen der Anwender über ein generisches Refe- renzsystem und einer Bibliothek von Anwendermodulen sein spezifisches Planungs- und Steuersystem zusammenbinden kann. Eine weitere Neuerung in dieser Periode werden adapte und lernfähige Planungs- und Steuersysteme sein, die auf Fertigungs- probleme sofort reagieren und über Lernstrategien neue und bessere Information in ein Leitsystem führen können. Bei großen nationalen und internationalen Firmen werden die Entwicklungs- und Arbeitsplanungsaktivitäten verschiedener Fabriken über leistungsfähige verteilte Rechnersysteme und Kommunikationsnetze online miteinander verbunden sein, um Ressourcen zu bündeln und effizient zu nutzen.

Die Hilfsmittel der Informatik und der Kommunikationstechniker werden auch immer mehr in den Dienstleistungssektor und den persönlichen Bereich Einzug halten.

Im Mittelpunkt eines solchen Services steht die globale Vernetzung von Informations- quellen und -senken über die Informationsautobahn. Bei dieser handelt es sich um ein Netz von Satellitenverbindungen und Glasfaserleitungen, bei denen die Fähigkeiten des Telefons, Rechners und des Fernsehers miteinander gebündelt werden. Hiermit ist eine Vernetzung von kommerziellen Einrichtungen, privaten Gruppen und Bürgern möglich. Die Informationsautobahn bietet einen kostengünstigen Zugriff zu vielen Diensten an, z. B. zur Übertragung von elektronischer Post, zur Bereitstellung von elektronischen Zeitungen, zur Durchführung von Videokonferenzen, zum Zugriff auf Bibliotheken, zum interaktiven Fernsehen, zum Telebanking und -einkauf usw. Das Internet ist hier die bekannteste Kommunikationseinrichtung, die ursprünglich zu wissenschaftlichen Zwecken konzipiert wurde und jetzt auch die Industrie und den privaten Haushalt erobert. Der Zugriff auf die verteilten Daten wird mit Hilfe eines sogenannten World Wide Web Interfaces ermöglicht. Dieses Interface bietet mit Hilfe einer graphischen Hypertext-Oberfläche einen komfortablen und standardisierten Zufang auf die verteilte Information an.

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30 1 Einführung

Sicher ist, daß die Entwicklung der Periode VI viele Bereiche des privaten und öffent- lichen Lebens beeinflussen wird und daß die Breite und Auswirkung der neuen Infor- mationstechnologien heute noch nicht absehbar ist.

Viele flexible Fertigungssysteme von Großbetrieben werden mit Zulieferfirmen durch Verbundsysteme integriert, wodurch eine bessere Versorgung mit Fertigteilen ent- steht. Dabei ergeben sich große Lagerhaltungs- und Transportkostenersparnisse. Sol- che rechnerintegrierten Verbundnetze erlauben das halbautomatische Treffen von Entscheidungen, wobei sich das Management dann mit wichtigeren Führungsauf- gaben befassen kann. Auch werden jetzt mehr und mehr Entscheidungen auf den unteren Führungsebenen getroffen; diese Ebenen sind über lokale Netzwerke miteinander verknüpft. Daher nimmt der Beruf des Systemtechnikers stark an Bedeutung zu und der des Programmierers ab.

1.4 Entwicklung von modernen Rechnern

Die Entwicklung des elektronischen Rechners zeichnet sich besonders durch eine ständig zunehmende Leistungssteigerung bezüglich der Rechengeschwindigkeit und eine Vergrößerung der Speicherkapazität aus. Bei den Mikroprozessorchips unterscheidet man daher zwischen der Klasse CISC (Complex Instructions Set Computer) Prozessoren wie z. B. INTEL 80x86, Motorola 680x0, TMS 9900 und der Klasse der RISC (Reduced Instruction Set Computer) Prozessoren wie z.B. SUN-SPARC, MIPS, DEC-Alpha, Power PC (IBM, Motorola) und PA-RISC (Hewlett Packard). Dieser Trend wurde durch die laufend zunehmende Integrationsdichte bei den Schaltkreisen und Speicherbausteinen erreicht (Abbildung 1.14) [The State of Computing 84, aktua- lisierte Darstellung] und führte zu einer stetigen Kostensenkung der Hardware.

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 10

10 10 10 10 10 10 10 10 1 9 8 7 6 5 4 3 2

Teilschaltung Schaltung System Superskalares System SSI MSI LSI VLSI

Speicher

(RAM mit Speicher- kapazitäten in Bit)

Logikschaltungen 1K

4K

16K64K 256K

1M

4M 16M

64M

Calculator Chip

8-Bit-Mikroprozessor 16-Bit-Mikroprozessor

32-Bit-Mikroprozessor 32-Bit-Mikrocomputer

64-Bit-Mikroprozessor 64-Bit-Mikrocomputer Anzahl der Transistorfunktionen je Chip

Jahr der Einführung Zentraleinheiten (CPu)

Abbildung 1.14: Entwicklung der CPU-Transistorfunktionen und der Speicherkapazitäten

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Diese führte wiederum zur Entwicklung und Markteinführung von universell nutzba- ren Arbeitsplatzrechnern, zu denen Home Computer (Atari, Commodore Amiga), Einbenutzersysteme oder Personal Computer (IBM PC, IBM Kompatible, Apple Macintosh) mit z. B. DOS- und Windows-Betriebssystem und Mehrbenutzersysteme oder Workstations (SUN, HP, DEC, IBM, Silicon Graphics) mit UNIX-Betriebssy- stem zählen. Diese verdrängen zur Zeit die vor allem in kommerziellen Anwendungen eingesetzten Großrechner (IBM, Siemens). Neue Zugänge sind Portable Computer (Apple Powerbook und IBM PC kompatible Notebooks) sowie Messagepads oder Pen-based Computer (Newton-Technologie), die als PDAs (Personal Digital Assi- stant) bezeichnet werden. Bei der letzteren ist die Tastatur durch eine Stift ersetzt, durch den die Informationseingabe erfolgt.

Im Bereich der Hochleistungrechner unterscheidet man zwischen den Vektorrech- nern, die nach dem Pipeline-Prinzip arbeiten (Cray 1, Cray C 90, Cyber 205, Siemens / Fujitsu) und den eigentlichen Parallelrechnern wie Mehrprozessorsystemen (Cray X-/

Y-MP, Cray 2) mit einigen wenigen, unabhängig voneinander arbeitenden Einzelpro- zessoren sowie massiv parallelen, meist nach konnektionistischen Strukturen auf- gebauten Multiprozessorsystemen (N-Cube, Connection Machine CM-5, Cray T3D) mit vielen hundert oder tausend Prozessorelementen. Konzeptionelle Unterschiede zwischen den Architekturen bestehen vor allem in der Topologie des Verbindungs- netzes und der Nutzung des Speichers (gemeinsam, verteilt) sowie des Verarbeitungs- prinzips (SIMO/MIRO). Abbildung 1.15 [Technische Rundschau 95] zeigt die Ent- wicklung der Rechengeschwindigkeit typischer wissenschaftlicher und kommerzieller Rechner.

Im Abbildung 1.16 [Chancen mit Chips 84] wird der Entwicklungstrend von dynamischen Speicherbausteinen (DRAM's) für verschiedene Generationen, die durch die Speicherkapazität charakterisiert sind, gezeigt. Im Verlauf der Jahre wurden dabei immer bessere Halbleitertechnologien mit immer größerem Entwicklungsaufwand verwendet. Hier ist von Bedeutung, daß die Speicherkapazität pro Schaltkreis zwar er- heblich gestiegen ist, die Verkürzung der Zugriffszeiten jedoch wesentlich weniger dramatisch ausfällt, was an den notwendigen Lese-Schreib-Zyklen zum Auffrischen der Speicherinhalte liegt.

Im Abbildung 1.17 ist der Verlauf der Kosten je Transistorfunktion über die Entwick- lungsjahre aufgetragen. Es ist zu erkennen, daß mit zunehmender Integrationsdichte die Kosten pro Transistorfunktion drastisch fielen; dies ist eine Trend, der noch weiter anhalten wird (Abbildung 1.14).

Schnelle Halbleiterspeicher werden meist nur als Arbeitsspeicher in Rechner verwendet, da sie für die Speicherung von umfangreichen Programmen und zum Archivieren von Daten zu teuer sind. Aus diesem Gund ist es üblich, für größere Systeme sogenannte Speicherhierarchien aufzubauen. Sie bestehen aus dem Arbeitsspeicher, der die ablaufenden Programme und die dazu benötigten Daten, die zu bestimmten Zeit- punkten aufgerufen werden, sowie dem Plattenspeicher, der wenigen häufig benutzte Anwender- und Betriebsprogramme enthält, und dem Bandspeicher, auf dem histori- sche Daten archiviert werden. Von besonderem Interesse ist dabei der Plattenspei- cher, der oft auch über ein virtuelles Adressierverfahren als erweiterter Arbeistspei-

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32 1 Einführung

Stretch 10

10

10 9

8

6

2

0

-2

-4

-6

1945 1955 1965 1975 1985 1995 2000 Jahr Addier-

maschinen

kommerzielle Informatik CPC

704 7090

360/85

3090

701

3033 Cray 2 Illiac IV

CDC 6600

Norc Maniac Seac

Eniac

Cyber 205 Cray 1 effektive Geschwindigkeit

( MFLOPS)

CDC 7600

370/168 3084 wissenschaftliche

Informatik

3090-3005 5600

Siemens IPP 300VX

Cray T932

32 Vektorprozessoren Hitachi

1024 Prozessoren

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Abbildung 1.15: Entwicklung der Rechenleistung bei Hochleistungsrechnern [Technische Rundschau]

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cher dient. Die heute hauptsächlich eingesetzten Plattenspeicher verwenden magnetische Prinzipien; es kommen aber zunehmend optische Platten zum Einsatz. Zum Beispiel hatte 1990 eine Festplatte eine Speicherkapazität von 1 MByte, während sie heute, 1996, bereits 1 GByte Speicherplatz hat. Abbildung 1.18 zeigt, wie die Entwick- lung der Plattenspeichertechnologie in Zukunft verlaufen wird. Zusätzlich sind Er- wartungswerte von Prozessoren und Speicher eingetragen.

Abbildung 1.16: Zugriffszeit von dynamischen DRAMs

Abbildung 1.17: Entwicklung des Kostens je Transistorfunktion

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34 1 Einführung

Zu den aktuellen Entwicklungen auf dem Gebiet der Speichersysteme gehören uni- verselle Steckkarten im PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association)-Format, Smart-Cards genannt, die als Speichererweiterungen, Flash-Me- mory, Modem-Port, Geräteschnittstelle oder Netzwerkadapter verwendet werden können. Heute übliche Fesplattenlaufwerke verwenden 3 1/2 Zoll Platten, es sind bereits 2 1/2 Zoll und kleinere Laufwerke in Entwicklung, die in Notebook-Computer eingebaut werden. Daneben gibt es optische Speichersysteme (WORM Write Once Read Many) sowie magneto-optische Speicherplatten, die bereits heute im Einsatz sind. Zukünftig kommen noch die wiederbeschreibbare CD, Abbildung-/Videoplatte hinzu.

1.5 Aufbau und Anwendungen von Digitalrechnern

Der grundsätzliche Aufbau eines elektronischen Rechners, der aus den Komponenten Eingabeeinheit, Rechenwerk, Steuerwerk, Speicher und Ausgabeeinheit besteht, ist in Abbildung 1.19 (Verfeinerung von Abbildung 1.5) gezeigt. An die Eingabeeinheit sind die Eingabeperipheriegeräte angeschlossen, von denen Daten in den Rechner eingegeben werden. Die bearbeiteten Daten gelangen über die Ausgabeeinheit zu den Aus- gabeperipheriegeräten. Es gibt hierbei zwei grundsätzlich verschiedene Möglichkei- ten für die Datenein-/ausgabe. Bei der ersten Betriebsart ist die Ein-/Ausgabe programmgesteuert. Die Daten werden dabei sowohl über das Rechenwerk in den Speicher eingegeben als auch die Rechenergebnisse über dieses ausgegeben. Dies geschieht mit einer Geschwindigkeit von etwa 30000 Zeichen/Sekunde.

Abbildung 1.18: Vorhergesagter Leistungsanstieg bei Rechnern und seinen Komponenten

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1.5 Aufbau und Anwendungen von Digitalrechnern 35

Die zweite Betriebsart ist der direkte Speicherzugriff. Hier wird die Datenein-/ausgabe von den Peripheriegeräten gesteuert und Daten können direkt in den Speicher ein- und ausgegeben werden. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist bis etwa zwei Million Zeichen/ Sekunde. Das Rechenwerk führt die arithmetischen und logischen Operatio- nen durch. Vom Rechenwerk aus ist es möglich, Daten in den Speicher abzulegen. Es ist ebenso möglich, vom Speicher Daten abzurufen, diese ins Rechenwerk zu bringen, damit Berechnungen durchzuführen und die Ergebnisse wieder im Speicher abzulegen oder durch die Ausgabeeinheit zur Peripherie zu transferieren. Um diese Funktio- nen abfolgegerecht durchführen zu können, ist ein Programm notwendig. Die einzelnen Befehle dieses Programms werden entschlüsselt und gemäß dieser Entschlüsse- lung wird das Steuerwerk aktiviert, welches für den ordnungsgemäßen Ablauf der Funktionen des Rechners zuständig ist.

Abbildung 1.20 zeigt verschiedene Möglichkeiten, Datenein- und -ausgabegeräte an den Rechner anzuschließen, wobei diese Mensch-Maschine-Schnittstelle im Zeitalter von Multimediaanwendungen (gemeinsame Übertragung von Text, Sprache/Audio, Abbildung/Video, Graphik) zunehmend an Bedeutung gewinnt. Zu den neuartigen Geräten, die an Rechner angeschlossen werden, gehören: CD-ROM-Player, Audio/

Video-Recorder, 2D/3D Graphikterminal und Virtual Reality Ausrüstung wie Daten- handschuh oder -helm.

Um eine gegebene Rechenanlage, d. h. die vorhandene „Hardware“, vernünftig zu betreiben und mit den zur Verfügung stehenden Daten optimale Ergebnisse zu er- Abbildung 1.19: Schema eines Digitalrechners

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36 1 Einführung

zielen, müssen diverse Programme, d. h. eine bestimmte „Software“, zwingend vorhanden sein. Diese Programme lassen sich gemäß ihrer Funktion wie folgt klassifizie- ren:

1. Betriebssystemprogramme

Sie entlasten den Benutzer unter anderem von folgenden Organisationsaufgaben des Rechnerbetriebs: der Ablaufsteuerung, Ein-/Ausgabesteuerung, Externdaten- verwaltung, Zentralspeicherverwaltung und der Konfigurationsverwaltung.

Abbildung 1.20: Diverse Datenein- und -ausgabemöglichkeiten für Digitalrechner

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2. Dienstprogramme

Sie ermöglichen die einfache Programmentwicklung in einer höheren Program- miersprache (Fortran, Pascal, C). Übersetzer (Compiler, Assembler) und Binde- routinen (Linker) erzeugen aus einem Programm, das in einer höheren Program- miersprache geschrieben wurde, ein ablauffähiges Maschinenprogramm.

3. Anwenderprogramme

Die Anwenderprogramme werden für problemspezifische Aufgabenstellungen in einer Programmiersprache erstellt und erlauben den zweckgebundenen Einsatz des Rechners. Standardanwendungen werden in System- oder Programmbiblio- theken zentral verfügbar gehalten und können von den Benutzern für ihre Anwendung zugegriffen werden, was einem Client-Server-Prinzip entspricht.

In der Regel werden Anwenderprogramme vom Rechnerbenutzer erstellt. Die Ver- waltungs-, Übersetzer- und Programmierhilfen sind generell anlagegebunden und werden vom Rechnerhersteller geliefert (Firmware). Um ein ganzes Rechnersystem zu konfigurieren und in Betrieb zu nehmen, ist es allerdings notwendig, daß die Hard- ware- und Software-Schnittstellen im Detail verstanden und verknüpft werden (Ab- bildung 1.21).

Die ersten elektronischen Rechner wurden für kommerzielle Anwendungen in Indu- strie und Wirtschaft verwendet. Bald erkannte man jedoch, daß Rechnersysteme auch zur Lösung von wissenschaftlichen Berechnungen und zur Überwachung technischer Abläufe geeignet waren, allerdings lagen hier andere Anforderungen an die Struktur einer Rechnerkonfiguration vor. Im weiteren Verlauf der Entwicklung wurden Rech- ner direkt mit technischen Prozessen gekoppelt, um Maschinen und Anlagen zu steuern.

Ursprünglich wurden Rechner schon beim Hersteller für eine bestimmte Anwendung konzipiert. Der Kunde hatte jedoch die Möglichkeit, eine vorgegebene Konfiguration seinen Anforderungen entsprechend zu erweitern oder abzumagern. Mit der Entwick-

Ein - und Ausgabe- geräte

Rechner Betriebssystem

Anwenderprogramm

Software- Schnittstelle Hardware-

Schnittstelle

Hardware- / Software- Schnittstelle

Hardware Software

Abbildung 1.21: Verschiedene Rechnerschnittstellen

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38 1 Einführung

lung der Mikroprozessoren, die meistens Universalrechner sind, wurde die Möglich- keit gegeben, Rechnersysteme nach dem Baukastenprinzip zusammenstellen. Damit können sowohl verteilte Systeme für größere Aufgaben als auch Kleinrechnersysteme für problemspezifische Lösungen konfiguriert werden.

Rechner lassen sich grob in vier verschiedene Klassen einteilen (Tabelle 1.1):

1. Kommerzielle/Datenbank-Rechner

Diese Rechner führen Transaktionen und Interaktionen, aber nur einfache Berechnungen durch, d.h. es werden große Datenmengen z.B. für die Buchhal- tung, Lohnabrechnung, Fertigungsplanung oder Materialdisposition verarbeitet und verwaltet.

Tabelle 1.1: Hauptunterschiede verschiedener Rechnerarten Kommerzielle

Rechensysteme

Wissenschaftliche Rechensysteme

Prozeßrechensy- steme

Personal Computer Arbeitsweise Gezielte Daten-

ein-/-ausgabe (Stapelbetrieb) Wenige Prioritätsebenen

Gezielte Daten- ein-/-ausgabe (Interaktivbetrieb)

Daten können zu jeder Zeit ein-/

ausgegeben werden

(Echtzeitbetrieb) Viele Prioritäts- ebenen

Individuelle Ein- gabe von Texten und numerischen Daten

Haupt- funktionen

Einfache Berech- nungen, Daten registrieren und aktualisieren, große Menge Ein-/Ausgabe- daten, große Dateien, Statistik

Komplizierte Berechnungen, große Programme, kleine Menge Ein-/Ausgabedaten

Komplizierte Berechnungen, Hunderte von Messungen, Steuerungen

Textverarbeitung Texterstellung Formatieren Editieren Grafikerstellung Rechner

Wissenschaftlich Finanziell Unterhaltung

Spiele Kommunikation Datenein-/

-ausgabe

Alphanumerisch auf Platten, Bändern und Terminals

Viele Arten von Signalen aus Instrumenten und Regelelementen

Texte Graphiken Rechenergebnisse

Betriebssystem Stapelbetrieb, wenige Echtzeit- berechnungen

Dialog- und Stapelbetrieb

Echtzeitsystem, oft sehr komplexe Programme

Dialog

Geräte Massenspeicher

Große Platten- systeme und Magnetbänder

Große Platten und Magnetbänder

Kleine Platten, und Kassetten

Kleine Platten

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2. Technisch-wissenschaftliche Rechner

Diese Hochleistungs- oder Superrechner können sehr umfangreiche und komplexe Rechnungen durchführen, wobei relativ wenige Daten ein- und ausgegeben werden. Anschließend werden die Ergebnisse numerisch ausgegeben oder gra- phisch visualisiert.

3. Kommunikations- und Echtzeitrechner

Diese Rechner stellen Netzwerkdienste bereit bzw. tauschen im Echtzeitbetrieb Daten mit einem technischen Prozeß aus. Sie übernehmen Steuerungsaufgaben und greifen bei Bedarf unmittelbar in den Betriebs- oder Programmablauf ein.

4. Personal Computer

Diese Rechner lösen vielerlei Rechenaufgaben und dienen zur Erstellung von Texten und Graphiken aller Art. Sie finden ihren Einsatz in Büros, Schulen, privaten Bereichen und an vielen anderen Orten. Sie können fest installiert sein oder portable auf Reisen mitgeführt werden.