Nichtphysikalische Grundlagen der Informationstechnik: Interpretierte Formalismen

494 Pages·1989·29.867 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Siegfried Wendt (auth.)

Siegfried Wendt
Nichtphysikalische Grundlagen
der Informationstechnik
Interpretierte Formalismen
Mit 260 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewY ork
London Paris Tokyo Hong Kong 1989
Prof. Dr.-Ing. Siegfried Wendt
Fachbereich Elektrotechnik
Universitat Kaiserslautem
Erwin-Schrodinger-StraBe
6750 Kaiserslautem
ISBN-13: 978-3-540-51555-5 e-ISBN-13: 978-3-642-97202-7
DOl: 10.1007/978-3-642-97202-7
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1989
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2160/3020-543210 -Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort
Fiir jeden, der wie ich eine starke Brille braucht, ist der Obergang von verschwommener
Sicht zu klarer Sicht ein tiigliches begliickendes Erlebnis. Man kann jedoch i.a. einem ande
ren nicht zu klarer Sicht verhelfen, indem man ihm eine Kopie der eigenen Brille aufsetzt. Es
gibt aber Bereiche, wo jeder zur klaren Sieht eine Brille braucht und wo eine Einheitsbrille
sehr niitzlich sein kann. Gemeint ist hier nieht das Stereokino, sondem die Welt der Struktu
ren, die man nur mit dem geistigen Auge sehen kann. Die Informationstechnik ist ein solcher
Bereich, worin man hilflos herumirren muS, wenn man keine geeignete Brille fUr das geistige
Auge hat - man sieht dann nlimlich den Wald vor lauter Baumen nicht. Biicher iiber die Bau
me, d.h. iiber die Details der Infonnationstechnik gibt es viele, aber yom Wald, d.h. von der
Einbettung der Details in eine zusammenhangende Struktur ist nur selten die Rede. Deshalb
habe ieh dieses Buch geschrieben, worin der Blick mehr auf den Wald als auf die Baume
gerichtet ist.
Zwangslliufig ist es ein sehr personliches Buch geworden, denn es beschreibt meine sub
jektive Art zu sehen, d.h. es beschreibt einen Teil meiner Weltsicht. DaS es sieh dabei um
eine Sieht handelt, die auch fUr andere niitzlich sein kann, weill ieh inzwischen aus jahrelan
ger Erfahrung. Ich durfte nlimlich zu meiner groBen Freude erleben, mit welcher Sieherheit
sich aIle, denen ieh meine Brille vor das geistige Auge setzen konnte, durch den infonna
tionstechnischen Wald bewegten, auch in Winkeln, wo sie vorher noch nie gewesen waren
wie Touristen, die sieh anhand ihres Stadtplans oft sicherer in allen Winkeln einer GroBstadt
zurechtfmden als mancher Einheimische.
Beim Schreiben des Buches habe ich an drei unterschiedliche Typen von Lesem gedacht.
Der erste Lesertyp ist der Student, der im Haupt-oder Nebenfach infonnationstechnische
Details lemen muS. Die Siehtweise, die ieh ihm durch dieses Buch vennitteln will, solI ihm
helfen, die FiiIle der Details, die man ihm anderswo beibringen wird, dadurch zu bewaItigen,
daB er jedes einzelne wie einen Mosaikstein in ein groBes Bild plazieren kann. Er muS aller
dings bereit sein, in das Durcharbeiten des Buches etwas Miihe zu investieren, denn er solI
dabei ja etwas iiber den Wald lemen, bevor er die Baume kennengelemt hat. Der zweite Le
sertyp hat es leiehter, denn er ist derjenige, der die infonnationstechnischen Details schon
kennt, weil er schon im Bernf steht und dort anwendend, entwickelnd oder lehrend mit Infor
mationstechnik befaSt ist. Auch fUr ihn kann das Buch hilfreich sein, indem es ihn auf Zu
sammenhange hinweist, die er bisher noch nicht so klar gesehen hat. Der dritte Lesertyp ist
der Bildungshungrige, der sieh unbehaglich fUhlen muS, wenn er auf Schritt und Tritt mit
infonnationstechnischen Produkten in Beriihrung kommt, ohne die Grundlagen zu kennen,
auf denen die Machbarkeit dieser Produkte beruht. Er hat es mit diesem Buch etwas leichter
als der Student, da er es sich leisten kann, alle Abschnitte, die ihm zu sehr mit technischen
oder mathematischen Einzelheiten belastet erscheinen, einfach zu iibergehen. Die groBe Li
nie wird er trotzdem ericennen, falls er den Umgang mit wissenschaftlicher Literatur gewohnt
ist.
Meinem Ziel, einerverhaItnismaBig breiten Leserschaft eine bestimmte Sichtweise zu ver
mitteln, ware ein Text in streng wissenschaftlichem Stil wohl kaum dienlich gewesen. Des
halb habe ich mich an wissenschaftliche Traditionen beziiglich der Darstellungsfonn nicht
VI Vorwort
gebunden gefiihlt. Insbesondere bin ich haufig von der Fachsprache abgewichen, wenn ich
tiberzeugt war, daB die von mir gew1ihlte Bezeichnung das zu Erklarende besser trifft als das
Wort aus der Fachsprache. Ich bin mir bewuBt, daB ich damit demjenigen, der an die Fach
sprache gewohnt ist, einige Stolpersteine in den Weg gelegt habe, aber der andere, der die
Fachsprache noch nicht kennt, hat es dadurch meines Erachtens etwas leichter.
Es ist selbstverstandlich, daB ich dieses Buch nicht hatte schreiben konnen, wenn ich nicht
zuvor viel von anderen gelemt hatte. Viele der Erkenntnisse, die ich hier zu einer Gesamt
schau zusammengefiigt habe, stammen urspriinglich nicht von mir, sondem von meinen wis
senschaftlichen Vorfahren oder Zeitgenossen. Ihre Zahl geht in die Hunderte, aber nur einige
von ihnen werden in den folgenden Kapiteln namentlich erw1ihnt. Zum einen sind es diejeni
gen, deren Name als Teil einer Begriffsbezeichnung verwendet wird - man denke an den Satz
des Pythagoras - , und zum anderen sind es diejenigen, deren Schriften ich unmittelbar anlaB
lich der Abfassung bestimmter Abschnitte des Buches studiert habe und die ich deshalb im
Literaturverzeichnis auffiihre. AIle anderen glaube ich ungenannt lassen zu diirfen, weil ich
sonst eine Auswahl hatte treffen miissen, die ich schwerlich begriinden konnte.
AnlaBlich der Fertigstellung dieses Buches habe ich nicht nur Grund, die Vor-und Mitden
ker zu wiirdigen, sondem ich mochte auch all denen danken, die auf andere Weise zum Gelin
gen dieses Werkes beigetragen haben. Da ist der Springer-Verlag zu nennen, der meinen
Dank verdient fiir sein groBes Interesse an meinem Manuskript und fiir die Sorgfalt bei der
Herausgabe. Des weiteren habe ich der Firma Siemens - und dabei insbesondere Herm
Dr.-Ing. D. Klugmann - zu danken. Die seit vielen lahren gemeinsam durchgefiihrten Pro
jekte haben wesentlich zur Reifung der hier dargestellten Systemsicht beigetragen. AuBer
dem wurden mir von dort der Bildschirmarbeitsplatz und die Software zur Erstellung der
druckreifen Vorlagen zur Verfiigung gestellt. Diese VOrlagen wurden erstellt von unserer
Sekretarin, Frau R. Speyer, und meinen beiden studentischen Helfem B. Reichle und A. Bun
gert. Fiir ihre engagierte Arbeit und ihre Geduld in der Hektik der SchluBphase bin ich ihnen
sehr dankbar.
Kaiserslautem, im luli 1989 Siegfried Wendt
Inhaltsverzeichnis
Einfiihrung .. ...... . . . . . . . . . . .
1. Der Informationsbegriff und sein Umfeld ..... 5
1.1 Erkenntnistheoretische Betrachtungen .. . 5
1.1.1 Wahmehmung.. ....... . 5
1.1.2 Abstraktion und Identifikation . . . 10
1.1.3 Information in Menschen und Maschinen .... 16
1.2 Mengen1ehre . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.1 Mengen und Operationen mit Mengen . . . . 21
1.2.2 Relationen und Strukturen . . . . . . . . . . 26
1.2.3 Ordnungstypen und Kontinuumsdichte . . .. 41
1.3 Signale, Symbole und Sprachen . 45
1.3.1 Signale . 45
1.3.2 Symbole...... .. 47
1.3.3 Sprachen...... .. 60
1.3.3.1 Zweck der Sprache 60
1.3.3.2 Formale Sprachen . 67
1.3.3.3 Begriffswelt der Logik . . . . 83
1.3.3.4 Logische und andere Kalkiile 96
1.3.3.5 Imperative Sprachen . . 106
1.4 Quantitat der Information . . . . . . . . 120
2. Der Systembegriff und sein Umfeld . 134
2.1 Begriffliche Abgrenzung ... . 134
2.2 Verhaltensmodelle .......... . 136
2.2.1 Verhaltensklassifikation..... 136
2.2.2 Grundbegriffe der Verhaltensmodellierung ... 142
2.2.2.1 Determiniertheit, Kausalitat und Totalzustand . 142
2.2.2.2 Gedachtniszustand...... 156
2.2.3 Modelle fUr diskretes Verhalten .. 160
2.2.3.1 Die Rolle des Zeitkontinuums 160
2.2.3.2 Petrinetze. . . . . . . . . . 169
2.2.3.3 Das Automatenmodell .... 184
2.2.3.4 Algebraische Formulierung diskreter Funktionen 191
2.2.4 Spezielle KlassiIIkationskriterien . . . . . . . . . . 196
2.2.4.1 Steuerbarkeit, Beobachtbarkeit und Stabilitat .. . . . . 196
2.2.4.2 Zeitinvarianz und Linearitat .204
2.3 Aufbaumodelle. . . . . . . . . 213
2.3.1 Allgemeines Netzmodell 213
2.3.2 Instanzennetze 217
2.3.3 Strukturvarianz . . . . . 230
VIII Inhaltsverzeichnis
3. Informationelle Systeme und Prozesse 246
3.1 Kommunizierende Instanzen . . . . . . . 248
3.1.1 Der Kommunikationsbegriff 248
3.1.2 Strukturen in Kommunikationsprozessen und -systemen 258
3.1.2.1 Aufmerksamkeit und Transport ..... . 258
3.1.2.2 Kaniile und Teilnehmersysteme . . . . .. 262
3.1.2.3 Schichtung.......... . . 267
3.1.2.4 Wert-und Ereigniskommunikation 275
3.1.2.5 Dialogschritte........ . . 290
3.1.3 Systemautbau aus Zuordnem . .. . . 293
3.1.3.1 KlassifIkation des Verhaltenstyps ... 294
3.1.3.2 Automatenautbau .... 297
3.1.3.3 Das Steuerkreismodell .. 299
3.2 Programmierte Instanzen . . . . . . . 312
3.2.1 Der Programmbegriff . . . . . 312
3.2.1.1 Abwickler und Rollensystem . 312
3.2.1.2 Der Programmbegriff im engeren Sinne 317
3.2.1.3 Zeitrelevanz......... . . . 323
3.2.2 Voriiberlegungen zur Abwicklergestaltung 324
3.2.2.1 NebenIaufigkeit........ . . . 324
3.2.2.2 Rollenwechsel . .. . . . . . . . . 330
3.2.2.3 Abtrennung eines Peripheriesystems 335
3.2.2.4 Speicheradressierung..... 343
3.2.2.5 Stapelprinzip......... . . . 347
3.2.3 Funktionsumschreibung...... . . . 352
3.2.3.1 Direkte Umschreibung von Funktionen 352
3.2.3.2 Indirekte Umschreibung von Funktionen 360
3.2.3.3 ProzeBumschreibung..... . . 366
3.2.3.4 Ubersetzung und Rollenhuckepack ... 374
3.2.4 Abwicklertypen.......... . . . . . 380
3.2.4.1 Festlegung der Betrachtungsebene . . . 380
3.2.4.2 Abwickler flir prozedurale Programme . 384
3.2.4.3 Abwickler fUr funktionale Programme 393
3.2.4.3.1 Programmdarstellung im baumstrukturierten Speicher ........ 393
3.2.4.3.2 Arbeitsweise und Autbau des Abwicklers 403
3.2.4.3.3 ProzeBorientierung bei Funktionalabwicklung 413
3.2.4.4 Pradikatsauflosende Abwickler . . . . . . . . . . . 417
3.2.4.4.1 Prazisierung der Aufgabenstellung . . . . . . 417
3.2.4.4.2 Arbeitsweise und Autbau des Abwicklers . . . 427
3.2.4.5 Instanzennetzsimulierende Abwickler . . . . . . . . 444
3.2.4.5.1 Aufgaben flir zentrale Instanzen . . . . . . . 444
3.2.4.5.2 Strukturvarianz in Netzen auftragsverkoppelter Instanzen ...... 451
3.2.4.5.3 Abwicklermultiplex . 464
Literaturverzeichnis 478
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . 480
Einfiihrung
Vor dem Besuch einer Oper schaut mancher noch einmal kurz in seinen Opemfiihrer. Dort
findet er einerseits den Gang der Handlung skizziert, andererseits wird er dort aber auch auf
bestimmte Zusammenhange zwischen Musik und Handlung hingewiesen, und er erflihrt et
was fiber die VorsteIlungen, die den Komponisten bei der Schaffung seines Werkes leiteten.
Aufgrund dieser Hinweise wird der Opernbesucher wissen, worauf er im Laufe des Abends
besonders zu achten hat, und er wird sich dann beispielsweise freuen, wenn er im dritten Akt
ein bestimmtes musikalisches Thema aus dem ersten Akt wiedererkennt.
Der Inhalt des vorliegenden Buches hat zwar nichts mit einer Oper zu tun, aber der Leser
soIlte die Analogie sehen: Jedes der folgenden drei Buchkapitel entspricht einem Akt der
Oper, und dieser Einfiihrungstext entspricht dem Text im Opemfiihrer. Und gemii8 dieser
Analogie gibt es tatsachlich etliche verbindende Themen, die dem Leser auffallen soIlten,
damit er sich dann daruber freuen kann, wenn er sie in nachfolgenden Abschnitten wiederer
kennt.
Das Buch tragt den Titel ''Nichtphysikalische Grundlagen der Informationstechnik" mit
dem Untertitel "Interpretierte Formalismen". Da nicht vorausgesetzt werden kann, daB jeder
mann die darin vorkommenden Begriffe in gleicher Weise versteht, werden sie nun im ein
zelnen kommentiert. Bild 1 soIl helfen, die Informationstechnik einzuordnen. Jede Technik
ist gekennzeichnet durch die Bereitstellung bestimmter Produkte. Die Nfitzlichkeit dieser
Produkte erweist sich in Prozessen, die von bestimmten oder allen Menschen als notwendig
Produkt
Erscheinung: Funktion:
materiell-energetische Rolle des Produkts
Struktur in einem ProzeB
.J
£>
ProzeB, der dem Menschen dient
materiell-energetisch: informationel1:
z:B. essen, kleiden, z.B. unterhalten,
wohnen, reisen belehren, warnen,
berechnen, steuern
..J
£7
Informationstechnik
Ubertragungstechnik: Verarbeitungstechnik:
Bild 1
z.B. Telefon, z.B. Computer in der
Zur Charakterisierung der
Fernsehen Bank, Robotersteuerung
Informationstechnik
oder wUnschenswert beurteilt werden. Jedes Produkt hat eine Erscheinung und eine Funk
tion. Die Erscheinung ist immer eine materiell-energetische Struktur, die man ganz oder teil
weise sehen oder anfassen kann. Die Funktion wird erfaBt, indem man die Rolle beschreibt,
die das Produkt in einem ProzeB spielt, an welchem der Produktanwender oder -verbraucher
2 EinIlihrung
mitwirkt. Diese Prozesse konnen in zwei Klassen eingeteilt werden nach dem Kriteriurn, ob
der Nutzen des Prozesses fUr den Menschen materiell--energetischer oder informationeller
Natur ist. Und im Falle des informationellen Nutzens kann man fragen, ob er primar auf der
Informationstibertragung oder auf der Informationsverarbeitung beruht.
Informationstechnische Produkte mit einem informationsverarbeitenden Anteil zeichnen
sich gegentiber anderen technischen Produkten dadurch aus, daB man materiell--energetische
Sachverhalte als Ausdruck informationeller Sachverhalte interpretiert. Die Verbindung zwi
schen der Erscheinung und der Funktion solcher Produkte laBt sich also nur durch eine Inter
pretation aufzeigen. Andere technische Produkte dagegen kann man erkHiren, ohne daB man
tiber die Beschreibung materiell--energetischer Sachverhalte hinausgehen muS. So kann man
beispielsweise einen Automotor oder einen Telefonhorer zufriedenstellend erklliren, indem
man ausschlieSlich materiell--energetische Sachverhalte beschreibt. Beim Automotor ist dies
darin begrtindet, daB ja auch sein Nutzen rein materiell--energetischer Natur ist, aber auch
beim Telefonhorer, dessen Nutzen informationeller Natur ist, hangt das Funktionsverstiind
nis nicht yom Ergebnis einer Interpretation abo Zwar flieSen dort zeitlich veranderliche Stro
me, die den Sprachsignalen entsprechen, aber fUr den Konstrukteur des Telefonhorers gentigt
die Annahme der Interpretierbarkeit, d.h. er braucht sich urn die tatsachliche Interpretation
der Signale nicht zu ktimmem. Andernfalls ware es ja gar nicht moglich, per Telefon in einer
Sprache zu kommunizieren, die der Konstrukteur des Telefonhorers nicht versteht.
Bei der Konstruktion von Produkten zur Informationsverarbeitung muS jedoch schon der
Konstrukteur die Interpretation bestimmter materiell--energetischer Sachverhalte festlegen,
und ohne Kenntnis dieser Festlegungen kann man das Produkt nicht seinem Zweck entspre
chend benutzen. Die jeweiligen Festlegungen, fUr die sich ein Konstrukteur entscheidet, las
sen sich immer als Ergebnis zweier aufeinanderfolgender Entscheidungen beschreiben:
Zuerst wird ein geeigneter Formalismus gesucht oder ausgewahlt, und anschlie8end wird
dieser Formalismus als materiell--energetische Struktur realisiert. Als Beispiel eines einfa
chen Formalismus sei die Darstellung nichtnegativer ganzer Zahlen als sogenannte Dualzah
len genannt. Man gibt dabei zur Identifikation einer Zahl jeweils diejenigen Zweierpotenzen
an, deren Summe die gemeinte Zahl ist. So ist mit der Null-Eins-Folge 11001 die Zahl fUnf
undzwanzig gemeint, wei124 + 23 + 2° = 25 ist. Als materiell--energetische Struktur zur Dar
stellung einer solchen Dualzahl kann man beispielsweise eine Reihe von Gltihlampen vorse
hen, wobei jede leuchtende Lampe als 1 und jede dunkle Lampe als 0 gedeutet werden solI.
Man konnte aber auch einen Papierstreifen mit einer Reihe abgegrenzter Feldervorsehen, wo
man jedes ge10chte Feld als 1 und jedes ungelochte Feld als 0 deutet.
Wegen der schier unendlichen Vielfalt an Moglichkeiten, einen Formalismus als mate
riell--energetische Struktur zu realisieren, ist es zweckmaBig, die Problemkreise getrennt zu
betrachten. Wenn man sich ftir die Realisierung von Formalismen als materiell--energetische
Strukturen interessiert, muG man sich mit der Nutzung physikalischer Effekte befassen - ak
tuell also mit Halbleitertechnik, Lasertechnik, Glasfasertechnik, Magnetspeichertechnik
usw .. Wenn man sich dagegen fUr die Formalismen an sich interessiert, dann braucht man
sich urn die Frage nach den materiell--energetischen Strukturen, die aufgrund der aktuellen
technologischen Moglichkeiten fUr eine Produktgestaltung in Frage kommen, nicht zu ktim-
Einfiihrung 3
mern. In diesem Fall genfigt es zu wissen, daB man jedes einzelne Element eines Formalis
mus bei jeder beliebigen Realisierung unmittelbar als Element der materiell-energetischen
Struktur wiederfmdet - so wie man die Einsen und Nullen des Dualzahlenformalismus als
Gliihbirnen oder als Felder fur Locher wiederfinden kann. Die Konzentmtion des Interesses
auf die Formalismen an sich kennzeichnet das vorliegende Buch, und deshalb kam die Nega
tion nichtphysikalisch in den Titel. Ffir eine entsprechende positive Abgrenzung fehlt ein
geeignetes Wort.
Wenn der Stoff eines Buches zu den Grundlagen einer Technik gerechnet werden solI,
dann dfirfen die darin vermittelten Erkenntnisse nicht produktspezifisch sein, sondern sie
mfissen als Voraussetzung fur jegliches konstruktive Handeln in dieser Technik gelten kon
nen. Der Leser wird also aus diesem Buch nicht erfahren, was X25, Ethernet, M68030 oder
ADA ist, aber auf der Basis der vermittelten Einsichten sol1te es ihm moglich sein, so1che und
andere informationstechnischen Produkte, wenn sie ihm anderswo erkHirt werden, zu verste
hen und in sein Gesamtbild der lnformationstechnik einzuordnen.
So wie ein Physikbuch Erkenntnisse fiber Strukturen in der materiell-energetischen Welt
vermittelt, so solI das vorliegende Buch Erkenntnisse fiber Strukturen in der informationellen
Welt vermitteln. Die Gewinnung physikalischer Erkenntnisse ist immer mit der Frage ver
bunden: Wie messe ich? Man denke an Albert Einstein, der die spezielle Relativitlitstheorie
fand, indem er fragte: Wie messe ich Zeit und Lange? Die Gewinnung von Erkenntnissen
fiber die informationelle Welt ist mit der Frage verbunden: Wie denke und kommuniziere
ich? Damit ist nicht die Frage nach den physikalischen, d.h. biochemischen Vorgangen ge
meint, mit denen mein Denken verbunden ist, sondern es ist die Frage gemeint: We1che
Strukturen finde ich beim Nachdenken fiber mein Denken?
Uber jegliche Gewinnung menschlicher Erkenntnis kann man den vielzitierten Satz des
Prothagoras (480-410 v.Chr.) setzen: Der Mensch ist das Mafl aller Dinge. Aufbeide Arten
der hier gegeneinander abzugrenzenden Erkenntnisse paBt dieser Satz - womit allerdings
nicht gesagt sein solI, daB der Vrheber des Satzes diesen genau in diesem Sinne gemeint hat.
Im Falle des Messens zur Gewinnung physikalischer Erkenntnisse bilden die "MaBe" des
Menschen, also seine KorpergroBe, seine Muskelkraft und der Zeitabstand zweier Herzschla
ge die BezugsgroBen fur die Wahl der elementaren MaBeinheiten Meter, Kilogmmm und Se
kunde. Vnd alles, was von diesen MaBen extrem abweicht - wie Lichtj ahre oder Picosekun
den -liegt auBerhalb der menschlichen Anschauung und kann von ihm nur noch formal mit
Zehnerpotenzen - 1016 m oder 10-12 sec - erfaBt werden.
Mehr noch als in der Physik ist der Mensch das MaB aller Dinge, wenn es urn Erkenntnisse
fiber informationelle Strukturen, also urn Erkenntnisse fiber das Kommunizieren und das 10-
gische SchlieBen geht. Denn da gibt es keine Trennung mehr zwischen dem Beobachter und
dem Beobachteten. Deshalb ist jede Erkenntnis auf diesem Gebiet primar eine sehr subjekti
ve Erkenntnis, und man kann ihr nur dann eine gewisse Objektivitiit zusprechen, wenn die
dargestellten Gedankenketten von genfigend vielen kritischen Geistern nachvollzogen wur
den und akzeptiert werden konnten. Daran erkennt man, daB es sich urn philosophische Er
kenntnisse handelt, denn deren Kennzeichen ist es, daB man sie nicht durch Nachschauen,
Nachmessen oder Nachrechnen, sondern nur durch Nach - Denken fiberpriifen kann. Dieses