1. Entwicklung der Datenverarbeitung

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1 1. Entwicklung der Datenverarbeitung 1.1. Vom Abakus zum Pentium Schon im Altertum war man bestrebt, sich Hilfsmittel zu schaffen, die das Zählen und Rechnen erleichterten. Formulierung mechanischer Abläufe (Algorithmen); z. B. größter gemeinsamer Teiler (ggt) durch Euklid (400 v. Chr.) ältestes bekanntes Rechengerät: Abakus ; ca v. Chr. in China Kugeln auf Stabreihen im 9. Jhd.: Buch Regeln zur Wiedereinsetzung und Reduktion vom persischen Astronom Ibu Musa Al - Chwarismi (Der Begriff Algorithmus wurde von seinem Namen abgeleitet.) Adam Ries(e) ( ) förderte die Durchsetzung des Dezimalsystems in den deutschen Ländern und schuf damit eine wesentliche Grundlage für die Automatisierung von Rechenabläufen Wilhelm Schickard ( ), war Prof. für Judaistik und Hebräisch sowie Prof. für Mathematik und Astronomie (Tübingen), baute die 1. Rechenmaschine (für J. Kepler), die alle vier Grundrechenarten beherrschte Blaise Pascal ( ), entwickelte eine Maschine zur Addition 6-stelliger Zahlen (ähnlich der von Schickard) Wilhelm Freiherr von Leibniz ( ) baute eine Rechenmaschine für alle vier Grundrechenarten, die auf dem Dualsystem (Binärdarstellung) beruhte der schwäbischen Pfarrer Philipp Matthäus Hahn stellte serienmäßig Rechenmaschinen her Charles Babbage (engl. Mathematiker) entwickelte die erste Maschine mit den Grundfunktionen Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe (EVA) und nannte sie Analytical Engine im 19. Jhd. - industrielle Produktion von Rechenmaschinen Hermann Hollerith ( ) entwickelt für IBM eine Zählmaschine für die Volkszählung auf Lochkartenbasis Konrad Zuse ( ) gilt als Erfinder der programmgesteuerten Rechenmaschine mit Speicher auf mechanischer Basis (Binärsystem) Z elektromechanischer Rechner (Relais) Z3 (Die Z3 war der erste programmgesteuerte Rechenautomat. Sie verfügte über ca Relais und besaß bit-Wort-Speicher. Eine Multiplikation dauerte etwa drei Sekunden.) Howard Aiken ( ) entwickelt den Mark 1, eine dezimal arbeitende Rechenmaschine auf elektromagnetischer Basis I. P. Eckert und J. W. Mauchly entwickeln an der Pensylvania-Universität den ersten Rechner mit Elektronenröhren ( Röhren) die ENIAC. Sie hatte eine Masse von 30 Tonnen und eine Leistungsaufnahme von 200 kw. (Hier tauchte zum ersten Mal der Begriff Computer auf (engl.: to compute rechnen)) John von Neumann ( ) entwickelt (theoretisch) die EDVAC. Das sogenannte von-neumann-modell hatte die Besonderheit, dass das Programm und die Daten im selben Speicher lagen. Nach dem Prinzip des von-neumann-rechners arbeiten alle heutigen PCs. Netzker /01

2 wurde der erste Transistor entwickelt (Weiterentwicklung bis 1962). Durch diese Erfindung gelang eine erhebliche Volumenverringerung der Rechner und gleichzeitig eine Erhöhung der Rechenleistung. ab industrielle Entwicklung des von-neumann-rechners Jack S. Kilby erfindet den integrierten Schaltkreis (IC) Gary Boone entwickelt den ersten Mikroprozessor; d. h., alle Elemente der Zentraleinheit des Rechners befinden sich auf einem Silizium-Plättchen erster Personalcomputer (Mikroprozessor 80080; 8 Bit Wortlänge) ab Mikroprozessoren Z80 und (8 Bit Wortlänge) ab Mikroprozessoren bis (8 bzw. 16 Bit Wortlänge) Mikroprozessoren bis (16 Bit Wortlänge) Pentium-PC (32 Bit Wortlänge) 1.2. Rechnergenerationen 1. Generation bis Elektronenröhren 1000 Additionen pro Sekunde 2. Generation bis Transistoren / Dioden Additionen pro Sekunde 3. Generation mit teilweise integrierten Schaltungen Additionen pro Sekunde 4. Generation ab hochintegrierte Schaltungen 5 * 10 6 Additionen pro Sekunde 5. Generation ab VLSI (very large Scale Integration); hoher Integrationsgrad auf dem Chip 5 * 10 8 Additionen pro Sekunde 1.3. Entwicklung der Programmiersprachen Es gibt keine Ursprache, aus der sich alle anderen Sprachen entwickelt hätten. Jedoch beeinflusste FORT- RAN sehr viele nachfolgende Programmiersprachen. Als man um 1950 mit der Programmierung von Rechnern begann, so tat man dies in den äußerst umständlichen (weil sehr maschinennahen und damit für den Menschen höchst unverständlichen) Assembler-Sprachen. Die Entwicklung der Programmiersprachen lässt sich als eine Entwicklung von der Maschine zum Benutzer begreifen, wobei recht unterschiedliche Sprachkonzepte entstanden. Diese tragen vor allem den unterschiedlichen Anforderungen aus Industrie, Wirtschaft und Wissenschaft Rechnung. 1. Sprachen für wissenschaftlich-numerisches Rechnen FORTRAN (1954 entwickelt) FORTRAN-77 (1977 erfolgte die Normung) Diese Sprache war die erste Programmiersprache oberhalb der Assembler-Ebene. Demzufolge wurden viele der nachfolgenden Sprachen unmittelbar von ihr beeinflusst. So entwickelten sich direkt aus FORTRAN die Sprachen Basic, Cobol und Algol60. Darüber hinaus wurden durch FORTRAN direkt beeinflusst: PL/I, BCPL und Lisp. FORTRAN findet heute vor allem noch in den USA Anwendung (Weltraumfahrt / NASA sowie Industrie / IBM). FORTRAN eignet sich zu Numerik und Grafik. Netzker /01

3 2. Universal-Sprachen Algol60 Pascal Algol68 Simula C Modula-2 ADA C ++ Oberon 3. Funktionale Sprachen Lisp (1956) ML Sasl... (FP, Hope) Miranda Gofer 4. Sprachen für die kommerzielle Datenverarbeitung In diesem Bereich hat weltweit nur eine einzige Sprache Bedeutung erlangt: Cobol. Diese Programmiersprache wurde 1958/59 entwickelt und 1985 genormt. Sie kommt vor allem im Rechnungswesen zur Anwendung, also bei Banken, Versicherungen usw. und hat FORTRAN zur Grundlage. 5. Logische Programmiersprachen Programmiersprachen sollten zwar alle logisch sein, aber eine Sprache dient vor allem der Umsetzung logischer Verknüpfungen: Prolog. Diese Sprache wurde 1973 entwickelt und ging aus Lisp hervor. 6. Educational Languge Als einzige Sprache, die noch immer unter diesem Namen geführt wird, ist hier das 1963 bis 1965 am Dartmounth College in Hanover (USA) entwickelte BASIC (beginers all purpose symbolic instruction code) zu nennen. Jedoch ging BASIC direkt aus FORTRAN hervor und ist damit eine sehr maschinen-nahe Sprache (auch: Maschinensprache). Sie ist aus didaktischen und methodischen Gründen für Anfänger denkbar ungeeignet. Netzker /01

4 1.4. Heutige Sprachkonzepte Grundsätzlich lassen sich heute zwei Sprachkonzepte erkennen: imperative Sprachen funktionale Sprachen z. B. Fortran z. B. Lisp Basic Scheme Cobol FP Pascal Sasl Modula-2 Gofer C++ Miranda Aus verschiedenen Gründen (vor allem Nähe zur Assembler-Programmierung Compilerbau) wird die Datenverarbeitung seit der Entwicklung der ersten Rechner von der imperativen Programmierung dominiert. Mit Ausnahme von Modula-2 wird dabei allenfalls Pascal höheren Qualitätsansprüchen gerecht. Dennoch soll einmal kurz das Konzept der funktionalen Programmierung erwähnt werden. Es beruht auf der Auswertung von Ausdrücken sowie auf der Anwendung (vordefinierter) Funktionen auf Argumente. Als kurzes Beispiel soll ein Programm in der Sprache Miranda dienen, das aus zwei Funktionen (max2 und max3) besteht: bestimmt das Maximum von zwei Zahlen max2 :: (num, num) -> num max2 (a, b) = a, if a > b = b, otherwise bestimmt das Maximum von drei Zahlen; stützt sich auf max2 ab max3 :: (num, num, num) -> num max3 (a, b, c) = max2 (a, max2 (b, c)) Eine erste kleine Aufgabe: Entwickeln Sie nach dem Schema der Funktionen max2 und max3 zwei Funktionen max4 und max5 in Miranda. Stützen Sie sich dabei auf die Funktionen max2 bzw. max3 ab (betrachten Sie diese als gegeben und benutzen Sie diese). Netzker /01

5 Lösungen zu max4: Es bieten sich mehrere Varianten an: bestimmt das Maximum von vier Zahlen; stützt sich auf max2 ab max4 (a, b, c, d) = max2 (a, max2 (b, (max2 (c, d)))) alternativ : bestimmt das Maximum von vier Zahlen; stützt sich auf max2 und max3 ab max4 (a, b, c, d) = max3 (a, b, max2 (c, d)) alternativ : bestimmt das Maximum von vier Zahlen; stützt sich auf max2 und max3 ab max4 (a, b, c, d) = max2 (a, max3 (b, c, d)) Eine Lösung zu max5 : bestimmt das Maximum von vier Zahlen; stützt sich auf max2 und max4 ab max5 :: (num, num, num, num, num) -> num max5 (a, b, c, d, e) = max2 (a, max4 (b, c, d, e)) Allgemeine Form : max_n :: (# n num) -> num max_n (# n Argumente) = max2 (a, max_n-1 (# n 1 Argumente)) Leider besitzt die allgemeine Form einen entscheidenden Nachteil, der leicht zu finden ist. Welchen? Netzker /01

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