Computersysteme. Dom Bedos, "Die Kunst des Orgelbauers". Erster Teil (1766), Kenntnis der Orgel und der Prinzipien ihrer Mechanik.

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1 Computersysteme Es gibt keine Kunst, die nicht ihre Prinzipien hätte. Der ist kein Künstler, der nicht die Prinzipien seiner Kunst behe"schte. Der Orgelbau hat die seinen, wie alle anderen Künste. Es ist wesentlich für den Orgelbauer, darüber Bescheid zu wissen, um nicht auf gut Glück ein Instrument von so großer Tragweite zu bauen, und dessen Kosten immerhin recht beträchtlich sind. (... ) Dom Bedos, "Die Kunst des Orgelbauers". Erster Teil (1766), Kenntnis der Orgel und der Prinzipien ihrer Mechanik. Ein Computer ist im Prinzip eine Maschine, die eine Folge von Anweisungen (ein Programm) ausführen kann. Dazu muß das Programm als Sequenz von (zum Beispiel je 16 Bit langen) Instruktionswörtern in einem Speicher abgelegt sein. Durch eine entsprechende Steuerlogik wird automatisch ein Befehl nach dem anderen aus dem Speicher gelesen und die entsprechende Aktion veranlaßt. Die elektronischen Logikschaltungen, die letztlich dafür zuständig sind, erlauben aber in der Regel nur die (allerdings extrem schnelle) Exekution sehr elementarer Anweisungen. Beispiele dafür wären: o Addiere zwei Zahlen o Teste, ob eine Zahl gleich Null ist; wenn ja, überspringe die 13 nächsten Instruktionen Die elementaren Anweisungen formen eine Sprache, die als Maschinensprache bezeichnet wird; sie ist die einzige, die ein Computer wirklich "verstehen" kann. Nun ist diese aber wegen ihrer numerischen Darstellungsform für einen Menschen denkbar ungeeignet (versuchen Sie einmal, sich die Hexadezimaldarstellungen der ersten hundert Maschineninstruktionen des Intel zu merken). Die Idee ist nun die, eine für den Menschen besser geeignete neue Sprache einzuführen und eine Art identischer Abbildung auf die Maschinenbefehle vorzunehmen. Vernünftigerweise wird man die Fähigkeiten des Computers für die Konversion der Sprachen einsetzen. Dabei sind prinzipiell zwei Lösungen möglich: o Übersetzung Jede Instruktion eines in der neuen Sprache geschriebenen Source-Programmes wird von einem universellen Übersetzungsprogramm in eine äquivalente Folge von Maschinenbefehlen übersetzt. Das Resultat ist ein auf dem Computer exekutierbares Programm in Maschinensprache, das Source-Programm wied danach im Prinzip nicht mehr benötigt. Es liegt demzufolg~ eine Trennung von Ubersetzungsund Ausführungsphase vor. Der benötigte Ubersetzer muß aber (einmal) in Maschinensprache geschrieben werden. o Ein universelles Interpreterprogramm verwendet die in der neuen Sprache ge-

2 106 Computersysteme schriebenen Programme als Eingangsdaten und exekutiert sukzessive die _einer Instruktion entsprechende Folge von Maschinenbefehlen. Im Gegensatz zur Ubersetzung wird hier die direkte Ausführung der Anweisungen der neuen Sprache simuliert, es ist kein wzwischenprogramm W in der Maschinensprache nötig. Die wübersetzun( der einzelnen Instruktionen und die Ausführung ist also nicht getrennt. Der Interpreter muß wie zuvor (einmal) in Maschinensprache geschrieben werden. In einer bestimmten Art und Weise sind die bei den Techniken äquivalent: Sie vermitteln die Illusion, eine Maschine zur Verfügung zu haben, die die neue Sprache versteh(. Die Ausführung eines derartigen Programmes liefert, sieht man von der Geschwindigkeit ab, genau dieselben Resultate, die dessen Exekution auf einem Spezialcomputer, der tatsächlich die neue Sprache als Maschinensprache hat, ergeben würde. Aus diesem Grunde spricht man in diesem Zusammenhang von einer virtuellen Maschine. Um die Übersetzung oder auch praktisch möglich zu machen, sollten die Unterschiede zwischen der neuen Sprache und der Maschinensprache nicht zu groß sein. So wird zum Beispiel in der Assemblersprache lediglich jeder Maschineninstruktion eine mnemotechnisch günstigen Bezeichnung (wie ADD, CMP) zugeordnet. Durch ein Übersetzungsprogramm (den Assembler) kann aus einem in Assemblersprache geschriebenen Programm ein äquivalentes Maschinenprogramm erzeugt werden. Da sich dadurch aber nur die Darstellung und nicht die Funktionalität der Befehle ändert, wird die Programmierung selbst nicht einfacher. Nichts liegt nun näher, als alle unsere vorherigen Überlegungen erneut anzuwenden, diesmal aufbauend auf einer virtuellen Maschine, die als (Pseudo-)Maschinensprache die Assemblersprache hat. Wir denken uns dazu eine höhere Pro~ammiersprache aus (zum Beispiel Pascal, Modula-2, Ada oder C), schreiben ein Ubersetzerprogramm (einen Compiler) in Assemblersprache, assemblieren diesen und - voila! - der etwa in Pascal programmierbare Computer ist fertig. Aus einem Pascal Source-Programm kann mit Hilfe der maschinensprachlichen Version des Compilers zunächst ein entsprechendes Assembler Source-Programm gewonnen werden; das Assemblieren dieses (Zwischen-)Resultates erzeugt dann das äquivalente (direkt ausführbare) Maschinenprogramm. Fassen wir die bisherigen Überlegungen in einer etwas anderen Art und Weise zusammen: Aufbauend auf einem System bestimmter Funktionalität (der zugrun~eliegenden virtuellen Maschine) wird durch eine Schicht von neuen Funktionen (der Ubersetzung oder ) ein System mit anderer Funktionalität (die virtuelle Maschine, die unsere neue Sprache versteht) gewonnen. Spätestens jetzt sollte Ihnen die Verbindung zu den Schichtenmodellen im Kapitel 2 klargeworden sein (wenn nicht, sollten Sie es vielleicht doch einmal mit dem Lesen der Einführung versuchen!). Jede Schicht stellt zusammen mit allen ihren darunterliegenden Schichten die Implementierung einer virtuellen Maschine dar, die durch ihr Interface "nach oben" (also ihre "Maschinensprache") vollständig definiert ist. Wie eine derartige virtuelle Maschine nun tatsächlich realisiert ist und wieviele Schichten sie umfaßt, ist für eine darauf aufbauenden Schicht irrelevant. Es ist zum Beispiel durchaus im Bereich des Möglichen, einen Computer zu konstruieren, der C oder Pascal als "echte" Maschinensprache besitzt. Alle bisher geschriebenen Programme in diesen Sprachen funktionieren dann (hoffentlich) auch auf dieser Hardware, nur vermutlich wesentlich schneller.

3 Computersysteme 107 Moderne Computersysteme sind aus einer Vielzahl von Schichten aufgebaut, die in höchst unterschiedlichen Technologien implementiert sind. Wir orientieren uns an folgendem Modell (in der Spalte neben der jeweiligen Schicht haben wir die normalerweise übliche Implementierung angegeben): Computer Aided Software Engineering? Höhere Programmiersprachen Assemblersprachen Betriebssysteme Maschinen-Codes Micro-Codes Logische Schaltungen Übersetzung Übersetzung Schichtmodell eines Computersystems Die unterste Schicht Logische Schaltungen wird durch die Verbindung von elementaren Logikbausteinen (den sogenannten Gattern, die einfache Funktionen wie AND, OR, NOT, usw. realisieren) implementiert. Diese Gatter werden von einer darunterliegenden, in unserem Bild nicht dargestellten Ebene zur Verfügung gestellt, die ihrerseits durch eine Vielzahl elektronischer Bauelemente realisiert ist. Das Interface zwischen den Logischen Schaltungen und den darüberliegenden Micro- Codes ist eine (vielleicht etwas ungewöhnliche) Sprache, deren Sprachelemente komplexe Logikbausteine sind. Die korrespondierende virtuelle Maschine kann "Programme" in dieser Sprache "ausführen". Die Ebene der Micro-Codes wird im Prinzip durch einen in der Sprache" der komplexen Logikbausteine "geschriebenen" Interpreter implementiert. Dieser liest die in einem speziellen Micro-Programmspeicher befindlichen Micro-Befehle aus und veranlaßt die Ausführung der einer solchen Instruktion entsprechenden Aktionen (indem er gewisse Logikbausteine aktiviert). Das Interface zur Schicht Maschinen-Codes ist daher schon eine Maschinensprache im Sinne unserer einführenden Erläuterungen. Nun ist die durch die Micro-Codes definierte Sprache aber so primitiv, daß eine direkt darauf aufbauende Programmierung einer Sisyphus-Arbeit gleichen würde. Aus diesem Grunde kann durch einen weiteren, diesmal als Mikroprogramm geschriebenen Interpreter ein Satz von etwas komplexeren Instruktionen realisiert werden, wodurch die Ebene der Maschinen-Codes erreicht wäre. Jeder Hersteller eines bestimmten Prozessors (zum Beispiel Intel 80486, Motorola ) gibt sogenannte "Machine Language Reference Manuals heraus, die jede einzelne Maschineninstruktion genau definieren. Auf dieser Ebene findet die Integration der diversen heterogenen Teilsysteme eines Computers (der Zentraleinheit mit ihren Prozessoren, Speichern und Controllern und den vielen peripheren Geräten wie Disks, Graphikschirmen, Druckern, usw.) statt. Alle diesbezüglichen Funktionen können über entsprechende Folgen von Maschinenbefehlen kontrolliert werden. Auf dieser eigentlichen Maschinensprache baut eine als Betriebssystem (Operating System) bezeichnete neue Schicht auf, die vermittels einen ganz wesentlichen Sprung in der Komplexität der virtuellen Maschine bewirkt. Neben der Implementierung wichtiger Funktionen zur Kontrolle der Hardware ist vor allem die Verwal-

4 108 Computersysteme tung der diversen Resourcen eines Computersystems (wie Prozessoren, Speicher und periphere Geräte) Aufgabe des Betriebssystems. Das Interface zur nächsten Schicht Assemblersprachen ist durch die sogenannten System Calls (Betriebssystemaufrufe) definiert. Ebenfalls enthalten sind aber auch (fast) alle Maschinenbefehle aus dem Interface wnach unten W, das heißt, die Schicht Betriebssysteme wreicht W die Funktionalität der Schicht Maschinen-Codes zum größten Teil wdurchw. Dabei werden jedoch oft weitgehende Restriktionen bezüglich der Verwendbarkeit mancher Instruktionen eingeführt. Durch die mittlerweile konstruierte virtuelle Maschine haben wir die Möglichkeit, Maschinenprogramme für ein beliebig komplexes Computersystem (mit peripheren Geräten, Netzwerkfunktionen, usw.) schreiben zu können. Die immer noch vorhandenen Schwierigkeiten mit der numerischen und relativ primitiven Maschinensprache werden nun durch das Aufsetzen des schon einführend erwähnten Assemblers verbessert. Dieses Programm bildet die Sprachelemente der symbolischen Assemblersprache eins zu eins auf die entsprechenden Maschinenbefehle und System Calls ab, wodurch aus jedem entsprechenden Source-Programm ein ausführbares Maschinenprogramm gewonnen werden kann. Damit haben wir einen Punkt erreicht, auf dem (endlich) die Applikationsprogrammierer aufsetzen können. Alle bisher erwähnten Schichten werden ja normalerweise von Systemprogrammierern und VLSI-Spezialisten implementiert, der gewöhnlich sterbliche Haus- und Hofprogrammierer kommt hier selten in die Verlegenheit, Hand anlegen zu müssen. Mit dem Essen kommt der Appetit, wir setzen daher eine weitere Schicht auf, die uns von der primitiven Programmierung in der Assemblersprache befreit. Ein durch die Definition einer der vielen Höheren Programmiersprachen (Pascal, Modula-2, Ada, C,... ) in seiner Funktionalität festgelegtes Übersetzungsprogramm (Compiler), geschrieben in Assemblersprache, liefert uns eine virtuelle Maschine, die die jeweilige Programmiersprache wversteh(. Diese Ebene ist heutzutage die Basis für die meisten Applikationen, obwohl in zunehmendem Maße auch leistungsfähige Repräsentanten der letzten Schicht in unserem Modell, sogenannte CASE-Systeme (Computer Aided Software Engineering) auftauchen. Die Schicht Computer Aided Software Engineering enthält wwerkzeugew, die den Entwurf von Software in allen Phasen des Designs unterstützen und im Idealfall die bestehende Kluft zwischen der Systemanalyse und (der darauf aufbauenden) konventionellen Programmierung überbrücken. Durch Übersetzungsprogramme W für geeignete wsprachenw, die dem menschlichen Denken näher stehen als die gegenwärtigen höheren Programmiersprachen (und zum Beispiel graphischer Natur sein können), soll die Implementierungsphase automatisiert werden. In allen folgenden Ausführungen werden wir eine bestimmte Klasse von Computersystemen nicht berücksichtigen. Es handelt sich hierbei um Rechner für Echtzeitapplikationen (Prozeßrechner). Die Zielsetzungen für Systeme dieser Art sind ganz anderer Natur, sodaß eine Trennung von den kommerziellen Rechnern unumgänglich erscheint. Echtzeitbedingungen fordern nämlich zusätzlich zur Korrektheit von Verarbeitungsergebnissen deren rechtzeitiges Vorliegen. Ein richtiges Resultat, ein Sekunde zu spät geliefert, ist hier unter Umständen genauso schlecht wie ein falsches. Wir wollen die einleitenden Bemerkungen durch den Hinweis auf eine interessante Unsymmetrie betreffend unser Schichtenmodell beschließ..en. Der Ubergang von den höheren Schichten zu niedrigeren ist, wie erwähnt, durch Ubersetzung oder relativ einfach möglich. Der Rückweg von niedrigeren zu höheren Ebenen ist hingegen vom Prinzip her wesentlich problematischer und nur teilweise befriedigend

5 Computersysteme 109 gelöst. Das prinzipielle Problem des Rückweges liegt darin, daß manche Informationen einer spezifischen Schicht (zum Beispiel Variablennamen in den höheren Programmiersprachen) bei der Übersetzung oder (also auf dem Hinweg) verworfen werden, in der Schicht darunter daher nicht mehr verfügbar sind. So gibt es zum Beispiel Werkzeuge (Utilities, Tools) zur Unterstützung der Fehlersuche in Programmen, sogenannte Debugger, die eine Abbildung der Maschinensprache auf die Ebene der höheren Programmiersprachen durchführen und somit eine Fehlersuche auf diesem Niveau unterstützen. Diese High Level Debugger benötigen jedoch als Zusatzinformation unter anderem das dem Maschinenprogramm entsprechende Source-Programm. (... ) Schließlich muß er die verschiedenen Teile kennen, aus denen sich eine Orgel zusammensetzt, und wissen, wie das Ganze zusammenwirkt. (... ) Dom Bedos, "Die Kunst des Orgelbauers". Erster Teil (1766), Kenntnis der Orgel und der Prinzipien ihrer Mechanik.