Computer und Sprache: Die Beziehung zwischen Hard- und Software und menschlichem Denken

261 Pages·2000·4.301 MB·German

by  Michael Oberg (auth.)

Michael Oberg
Computer und Sprache
Informatik
~
Michael Oberg
Computer und Sprache
Die Beziehung zwischen Hard- und Software
und menschlichem Denken
Deutscher Universitäts-Verlag
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Oberg, Michael:
Computer und Sprache: die Beziehung zwischen Hard
und Software und menschlichem Denken / Michael Oberg.
- 1. Auf! .. - Wiesbaden: Dt. Univ.-Verl., 2000
(DUV : Informatik)
ISBN 978-3-8244-0537-4 ISBN 978-3-322-95345-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-95345-2
1. Auflage Oktober 2000
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Vorwort
Die gängige Literatur zum Thema Informatik kann grob in drei Teilgebiete unterteilt
werden: die technische, die praktische und die theoretische Informatik. Die technische
Informatik erklärt - wie der Name schon sagt -die technischen Grundlagen von Compu
tern, angefangen bei logischen Schaltungen (auch "Gatter" genannt) bis zu Rechenwer
ken (Zählwerke, Addierwerke, Grundlagen der Multiplikation). Die praktische Informatik
befaßt sich mit der Programmierung von Computern. Sie beginnt mit der Einführung
grundsätzlicher Kontrollstrukturen (Sequenz, Selektion, Iteration, Module, Rekursion,
Datenstrukturen) und endet bei Entwurfsstrategien (Top-Down-, Bottum-Up-Methode).
Die theoretische Informatik beginnt mit der Einführung des Begriffs" Algorithmus" , geht
über zu grundsätzlichen Grenzen des logischen Denkens (z.B. Gödeis Aussage über wah
re, aber unbeweisbare Sätze, oder die Unmöglichkeit, die Korrektheit bestimmter Pro
gramme nachzuweisen - beides allerdings innerhalb starrer Systeme von Axiomen bzw.
Testmethodenj-algorithmen) und endet bei der Analyse von Algorithmen (Komplexität,
also grob gesagt Rechenaufwand, sowie Methoden der Programmverifikation, etwa Feh
lerkontrolle und Testläufe).
Eine Menge Stoff. Trotzdem fehlt mir persönlich dabei einiges; besonders in den
Büchern, die ihre Leser in die Informatik einführen möchten, aber nicht nur dort.
So behandelt die technische Informatik zwar Rechenwerke; aber ein Rechenschieber
ist kein Computer. Auch elektrotechnische Grundlagen werden von der weitergehenden
Literatur behandelt; aber auch ein Radiogerät ist kein Computer. Was befähigt ein elek
tronisches Gerät zum "Denken"? Dieser Begriff mag heute überzogen wirken, aber früher
wurden Computer oft als "Denkmaschinen" bezeichnet - und das nicht zufällig. Schon in
der Antike galt die Fähigkeit zum logischen Schlußfolgern als höchstentwickelte Form des
Denkens, und Computer beherrschen diese Fähigkeit mit einer für Menschen unerreich
baren Perfektion. Mochte dies zunächst die Meinung weniger Philosophen sein, so wurde
daraus im neunzehnten Jahrhundert -dank der in der industriellen Revolution unüberseh
baren Erfolge einer Wissenschaft, die sich ihrerseits auf die Paradigmen des Philosophen
Descartes stützte -ein bis weit ins zwanzigste Jahrhundert hinein allgemein anerkannter
Grundsatz, sichtbar auch in populären Werken wie beispielsweise den Kriminalromanen
yon Sir Arthur Conan Doyle.!
'Interessanterweise wird gerade in diesen Werken die Schwäche des logischen Schlußfolgerns sichtbar.
vi VORWORT
Was befähigt einen Computer zum "Denken"? Diese Frage wird von der technischen
Informatik nicht beantwortet, es sei denn, man folgt diesem Zweig der Informatik bis zur
Konstruktion vollständiger, moderner Computer -was zumindest über die " Grundlagen"
der Informatik weit hinausgeht. Auf der anderen Seite beschäftigt sich auch die theoreti
sche Informatik mit dieser Frage, und zwar in Bezug auf den Begriff der" Turingmaschine":
diese hat allerdings mit einem Computer nicht viel mehr zu tun als ein Fahrrad mit einem
Ferrari. Auch vom rein theoretischen Standpunkt her empfinde ich die Ideen Turings2 als
unbefriedigend; zwar kann eine Turingmaschine "denken" wie ein Computer, sie tut das
aber auf eine andere und ineffiziente Art.
" Denken" , selbst in dem extrem eingeschränkten Sinn des logischen Schlußfolgerns, ist
ein Prozeß, der nur in einem größeren Kontext Sinn macht. Für sich genommen ist ein
Computer nichts weiter als ein sperriger Metallkasten. Erst die Kommunikation mit dem
Menschen macht ihn zu einem nützlichen Werkzeug. Die flexibelste Kommunikationsform
mit einem Computer ist die Programmierung; und ein effizientes Programmieren setzt
eine leistungsfähige Programmiersprache voraus. Auf Programmiersprachen geht aber zu
mindest die einführende Literatur nicht weiter ein. Sequenz, Selektion, Iteration etc. -das
sind lediglich Konzepte der Programmierung, die zwar nur von höheren Programmierspra
chen explizit unterstützt werden, die aber prinzipiell schon bei der Programmierung in
Maschinensprache eingesetzt werden können. Diese Form der Einführung hat den VorteiL
daß sie für alle Programmiersprachen gültig ist.
Die Wahl der richtigen Programmiersprache ist für den Erfolg eines Programmier
projekts aber von ausschlaggebender Bedeutung. Zur Erstellung einer Textverarbeitung
ausschließlich Assembler zu benutzen, oder zur Erstellung eines Gerätetreibers die Spra
che PROLOG, wäre Unsinn. Aber worin liegen die Unterschiede und Vorteile der einzelnen
Sprachen? Und wie arbeitet überhaupt ein Hochsprachenprogramm? Wo liegt die Verbin
dung zwischen dem "Denken" des Computers und der verwendeten Sprache? Solche Infor
mationen finden sich nicht in der einführenden Literatur, sondern höchstens in Büchern
zum Erlernen dieser Programmiersprachen; und auch dort sind diese Informationen oft
bruchstückhaft.
Da wir gerade dabei sind - wie wird ein Hochsprachenprogramm in eine für einen
Conan Doyle besteht in seinen Werken immer wieder darauf, der Unterschied zwischen Dr. Watson und
Sherlock Holmes liege in Watsons mangelhaft entwickelter Logik. Tatsächlich ist Watsons Schwäche je
doch nicht die Logik, ja nicht einmal eine unterentwickelte Beobachtungsgabe, sondern vielmehr seine
geringere Fähigkeit zum Assoziieren; er sucht sich aus einer unabsehbaren Menge von Fakten stets die
falschen heraus, um seine Schlußfolgerungen zu ziehen (wobei diese Fakten sich durchaus in einen logi
schen Zusammenhang bringen lassen, nur leider den falschen). Holmes dagegen erkennt stets die wenigen
Punkte, auf die es ankommt. Logik richtet hier nichts aus; nicht nur ist die Anzahl der möglichen Kom
binationen der Fakten viel zu groß, sondern man muß zur Menge der sichtbaren Fakten auch noch das
Gedächtnis zu Hilfe nehmen. Nur dank Intuition, Assoziation und Phantasie kommt Holmes sofort zum
Ergebnis.
2Siehe auch Kapitel Historisches, Abschnitt Zahlen und Rechenmaschinen.
\fORWORT
Computer verständliche Form übersetzt? Auch das Thema Compilerbau wird von der Li
teratur eher stiefmütterlich behandelt. Einführende Werke geben bestenfalls einen Umriß
vom Aufbau eines Compilers, ebenso wie vom Gesamtaufbau eines Computers.
Es gibt noch eine interessante Fragestellung. Wenn man sich genauer mit der Ent
wicklungsgeschichte der Computer auseinandersetzt, fällt auf, daß es seit 1952 (seit der
Konstruktion des Computers MANIAC durch Johann von Neumann) keine grundsätzli
chen Fortschritte auf diesem Gebiet mehr gibt. Ja, gewiß, selbst die heutigen Tischrechner
mögen eine Million mal schneller sein und einen zehntausendmal größeren Speicher haben
als die damals schrank- oder zimmergroßen Monstren. Aber die Speichergröße ist eine
reine Skalierung; bei der Geschwindigkeit geht vielleicht ein Faktor Tausend allein auf
die Entwicklung der Elektrotechnik zurück und hat mit der Informatik überhaupt nichts
zu tun, ein weiterer Faktor Hundert geht zwar auf ein Prinzip der Informatik zurück
(auf das "Pipelining"), aber dieses Prinzip war bereits im neunzehnten Jahrhundert be
kannt. Der Rest ist ebenfalls eine reine Skalierung: die Verbreiterung der Bussysteme.
Eine grundlegende Neuerung hat seit 1952 bei der Entwicklung der Hardware nicht mehr
stattgefunden.3
Bei den Programmiermethoden sieht es genauso aus, auch wenn die letzten großen
Neuerungen hier um 1970 herum erfolgten. Es waren die Entwicklung objektorientierter
Sprachen wie SIMULA und SMALLTALK sowie der grafischen Benutzeroberflächen und
der grafischen Programmierumgebungen (auch SMALLTALK). Heute werden Oberflächen
wie Microsoft Windows und Programmierumgebungen/Sprachen wie DELPHI als große
Neuerungen gefeiert; die Neuerung besteht aber nur darin, daß diese Systeme effizienter
arbeiten als SMALLTALK, und daß die heutigen Tischrechner genug Leistung für derartige
Systeme haben, die in den siebziger Jahren nur auf riesigen Supercomputern arbeiten
konnten.'
Warum gibt es seither keine grundsätzlichen Neuerungen mehr? Ganz einfach: Der
Computer stellt in seiner heutigen Form den Endpunkt einer Entwicklung dar, deren
Grenzen durch das Denken in sprachlichen Begriffen festgelegt wurden. Logisches Folgern
ist ein Teil dieses Denkens -"logos" bedeutet nicht umsonst im Griechischen "Wort" und
zugleich auch "Ordnung". Dieser Denkansatz ist mit der Unterteilung von Problemen
(in Module) und der sequenziellen Abarbeitung dieser Teile untrennbar verbunden -und
3Das sollte ich gleich wieder etwas abschwächen. Es gab und gibt Bemühungen um neue Technologi
en, beispielsweise Parallelrechner, Assoziativspeicher, Emulatoren für neuronale Netze und ähnliches. Die
meisten dieser Entwicklungen sind jedoch noch immer im Experimentierstadium; massiv parallele Compu
ter dagegen werden zwar eingesetzt, aber nur im High-End-Bereich, etwa zur Lösung von Problemen der
Strämungsmechanik (beispielsweise der Simulation eines Windkanals) oder der Quantenchromodynamik.
Beim "Normalverbraucher" landeten nur Schaltungen wie etwa die "Multimedia Extensions" (MMX)
der Intel-Prozessoren, Schaltungen, die im Prinzip aber ebenfalls auf der altbekannten Pipelining-Idee
basieren.
4 Auch hier gab es noch Weiterentwicklungen wie die Sprache PROLOG, die aber hauptsächlich von
theoretischem Interesse sind.
viii VORWORT
das ist der Grund für das Scheitern der Bemühungen, einen für allgemeine Probleme
verwendbaren Parallelrechner zu konstruieren. Ich denke, es ist durchaus wichtig, die enge
Verbundenheit des Computers mit dem Sprachbegriff sowie die Logik seiner Entwicklung
auf einen bestimmten Endpunkt hin zu analysieren (auch wenn ich hier keine Alternatiyen
vorstelle). Und das ist - nach dem inneren Aufbau des Computers, der Funktion von
Programmiersprachen und deren Übersetzung - das vierte Thema dieses Buches.
Michael 0 berg
Inhaltsverzeichnis
1 Historisches 1
1.1 Sprache und Schrift . 1
1.2 Zahlen und Rechenmaschinen 7
1.3 Informationstheorie .. 15
2 Computer 21
2.1 Aussagenlogik .. . . 21
2.2 Die Vollständigkeit der Aussagenlogik . 30
2.3 Selbstbezügliche Aussagen 35
2.4 Universelle Maschinen 44
2.5 Mikroprogrammierung · . 50
2.6 "Feste Verdrahtung" · . 57
2.7 Ein komplettes Computersystem . 67
3 Programmiersprachen 73
3.1 Assembler - Befehlsnamen und Adressen 73
3.2 Basic - Anweisungen in Satzform 81
3.3 Fortran - Module · . · . 92
3.4 Algol - Rekursion · . · . . . 101
3.5 Pascal - Datenstrukturen . 111
3.6 Noch einmal "feste Verdrahtung" 121
3.7 Zwischenspiel: Simula, Smalltalk und C . 126
3.8 C++ - Klassen und Objekte .. 135
3.9 Dynamische Speicherverwaltung 147
4 Compiler 159
4.1 Die Backus-Naur-Form 159
4.2 Syntaxtabellen 165
4.3 Namenstabellen . 174
4.4 Die Analyse von Unterprogrammaufrufen . 186
4.5 Allgemeine Ausdrücke in Programmiersprachen 191
4.6 Polymorphie . · . . . . . . . 199
x INHALTSVERZEICHNIS
4.7 Verbundanweisungen und Deklarationen 205
4.8 Codegenerierung ... 214
5 "Künstliche Intelligenz" 229
5.1 Lisp ......... . 229
5.2 Ein anderes Paradigma. 234
Index 237