Einführung in die Datenverarbeitung [Reprint 2018 ed.] 9783111683027, 9783110036695

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de Gruyter Lehrbuch Dworatschek • Datenverarbeitung

Einführung in die

Datenverarbeitung von

Sebastian Dworatschek mit 266 Bildern, 189 Übungsaufgaben und einem Abbildungsanhang

4., verbesserte Auflage

w DE

G

Walter de Gruyter & Co • Berlin • New York 1971

© Copyright 1971 by Walter de Gruyter & Co., vormals G. J. Göschen'sche Verlagshandlung - J. Guttentag, Verlagsbuchhandlung - Georg Reimer Karl J. Trübner - Veit & Comp., Berlin 30. - Alle Rechte, einschl. der Rechte der Herstellung von Photokopien und Mikrofilmen, vom Verlag vorbehalten. Satz: IBM-Composej; Walter de Gruyter & Co. - Druck: Neue Presse, Coburg Printed in Germany ISBN 3 110036 69 X

Vorwort

Die naturwissenschaftlich-technische Entwicklung war bis Anfang 19. Jahrhundert durch die Begriffe: Materie, Masse, Mechanik gekennzeichnet. Mit der 1. Industriellen Revolution trat die .Energie' als bestimmender Faktor hinzu. Die heutige .informierte Gesellschaft' erlebt eine 2. Industrielle Revolution, die umschrieben wird mit den Begriffen: Information, Automatisierung, Kybernetik. Im Mittelpunkt dieser Entwicklung steht die Datenverarbeitungsanlage - oder besser: Informationsverarbeitungsanlage. Ihr eröffnen sich immer mehr Anwendungsgebiete in Wissenschaft, Technik und Verwaltung. Der weite und überaus expansive Bereich .Datenverarbeitung' hat neue Berufe, wie: Operator, Service-Techniker, Programmierer, DV-Organisator, DV-Ausbilder, DV-Berater, Systemanalytiker etc. hervorgebracht. Sie alle erfordern unterschiedliche Spezialausbildungen. Doch erst ein allen gemeinsames fundiertes Grundwissen läßt diese Spezialausbildungen voll wirksam werden. Mit der vorliegenden Veröffentlichung soll der Zweck verfolgt werden, ein breites DV-Basiswissen zu vermitteln. Entsprechend dieser Absicht wurde der Charakter eines Lehrbuches gewählt, mit straffer Gliederung, klaren Begriffsdefinitionen, zahlreichen Skizzen und kapitelweise eingeschalteten Übungsaufgaben, die der frühzeitigen Selbstkontrolle dienen. Dies war um so leichter möglich, als die Konzeption des Buches u. a. auf den Erfahrungen mit DV-Lehrgängen, die der Verfasser regelmäßig durchführt, beruht. Die Fiinfteilung des Stoffes führt nach einer Einführung in Aufbau und Arbeitsweise einer Datenverarbeitungsanlage zu den mathematischen, logischen, technischen und organisatorischen Grundlagen der Datenverarbeitung. Das Buch soll dem Operator und Programmierer ein breites Grundwissen vermitteln und wird den Studierenden an Fach- und Hochschulen als Lehrbuch dienen. Dem DV-Ausbilder — sei es in Seminaren, an Gewerbeschulen oder in Arbeitsgemeinschaften - kann es das Improvisieren vermeiden helfen, indem es ihm Rückgriffe auf gegliedertes Wissen und darauf zugeschnittene Beispiele erlaubt. Die leicht verständliche Darstellung technischer Aspekte wird dem Kaufmann nützlich sein. Dem DV-Praktiker erleichtert das Buch vielleicht das Ordnen angesammelten Wissens. Zu einem Überblick und einer ,DV-Allgemeinbildung' verhilft es auch dem von der Datenverarbeitung nur mittelbar Betroffenen. Ich danke den Herstellerfirmen von Datenverarbeitungsanlagen für die freundliche Bereitstellung von Bildmaterial und dem Verlag Walter de Gruyter für die Gestaltung des Buches.

VI

Vorwort

Mein besonderer Dank gilt meinem verehrten Lehrer, Herrn Prof. Dr.-Ing. A. Lotze, der mir - wie vielen anderen - nicht ,nur' das Wissen, sondern auch die Freude an der Datenverarbeitung vermittelt hat. Vorschläge zu Korrekturen und Verbesserungen werde ich stets mit Dank entgegennehmen.

Sebastian Dworatschek

Inhaltsverzeichnis

Teil I. Allgemeine Grundlagen

1

1. Einführung 1.1. 1.2. 1.3.

1

Der Begriff .Datenverarbeitung' Einteilung des Stoffes Bilder und Aufgaben

1 3 5

2. Geschichtliche Entwicklung

6

Aufgaben zu 1,2.

10

3. Vergleich: Analog—Digital

11

Analoge Rechentechnik Digitale Rechentechnik Beispiel Tabellarischer Vergleich Hybrid-Rechenanlagen

12 13 13 16 16

3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5.

Aufgaben zu I, 3.

17

4. Aufbau einer Digital-Datenverarbeitungsanlage 4.1. 4.2.

Vergleich mit einem menschlichen Rechner Informationsdarstellung 4.2.1. Begriffe

18 22 22

Aufgaben zu 1,4.2.1

25

4.2.2. Elektrische Darstellung als Binärzeichen 4.2.3. Anwendung von Codes zur Zeichendarstellung 4.2.3.1. Tetradendarstellung 4.2.3.2. BCD-Code 4.2.3.3. Byte-Darstellung

28 30 30 31 32

Aufgaben zu 1,4.2.2.14.2.3. 4.2.4. Befehlsdarstellung 4.2.4.1. Der Begriff,Befehl* 4.2.4.2. Operationstypen 4.2.4.3. Befehlsarten 4.2.4.4. Befehlsdarstellung in Bits 4.2.4.5. Mehradress-Maschinen 4.3. 4.4.

18

i .

34 34 34 35 37 41 44

Aufgaben zu I, 4.2.4.

46

Die 5 Grundeinheiten einer DVA Grundeinheiten: Eingabe, Ausgabe 4.4.1. Eingabegeräte

48 49 49

VIII

Inhaltsverzeichnis 4.4.2. Ausgabegeräte 4.4.3. Kombinierte Ein-/Ausgabegeräte

51 51

Aufgaben zu 1,4.3.14.4.

54

4.5.

Grundeinheit: Speicher 4.5.1. Begriffe 4.5.2. Speicher-Hierarchie 4.5.2.1. Allgemeines 4.5.2.2. Intem-Speicher-Einheit 4.5.2.3. Extem-Speicher-Einheit

55 55 59 59 61 62

4.6.

Grundeinheit: Steuerwerk 4.6.1. Steuerungsarten 4.6.1.1. Extern-Steuerung 4.6.1.2. Eingebautes Programm 4.6.1.3. Gespeichertes Programm 4.6.2. Aufgaben des Steuerwerks 4.6.2.1. Synchroner Betrieb 4.6.2.2. Asynchroner Betrieb 4.6.2.3. Befehlsablauf 4.6.3. Programmablauf bei einer Einadress-Maschine Grundeinheit: Rechenwerk 4.7.1. Fähigkeiten des Rechenwerks 4.7.2. Aufbau des Rechenwerks

Aufgaben zu I, 4.5.

4.7.

Teil II. Mathematische Grundlagen 1. Mathematische Begriffe 1.1.

1.2.

1.3. 1.4.

62 63 64 64 64 65 67 67 69 69 71 75 75 75

78 78

Potenz 1.1.1. Rechenregeln 1.1.2. Potenzformen 1.1.3. Praktische Anwendungen Logarithmus 1.2.1. Definition 1.2.2. Übergang von einer Basis zu einer anderen 1.2.3. Dekadische Logarithmen 1.2.4. Logarithmus Dualis Fakultät Binomialkoefflzient 1.4.1. Definition 1.4.2. Rechenregeln

78 78 81 81 82 83 83 84 85 85 86 86 87

Aufgaben zu II, 1

87

Inhaltsverzeichnis

IX

2. Zahlensysteme 2.1.

88

Definition von Zahlensystemen 2.1.1. Dezimal-System 2.1.1.1. Ganze Dezimalzahlen 2.1.1.2. Echte Dezimalbrüche 2.1.1.3. Allgemeine Dezimalzahl 2.1.2. Allgemeines Polyadisches Zahlensystem 2.1.3. Dual-System 2.1.3.1. Definition 2.1.3.2. Unterschied: Binär - Dual

88 88 88 89 90 91 94 94 96

Aufgaben zu II, 2.1 2.2.

2.3.

2.4.

Festkomma-Darstellung 2.2.1. Begrenzte Stellenzahl 2.2.2. Definition 2.2.3. Grundrechenarten bei Festkomma-Darstellung 2.2.3.1. Addition 2.2.3.2. Multiplikation 2.2.3.3. Subtraktion 2.2.3.4. Division Umwandlung von Zahlensystemen 2.3.1. rein-dezimal in tetraden-dezimal 2.3.2. dezimal in dual 2.3.2.1. ganze Zahlen 2.3.2.2. gebrochene Zahlen 2.3.3. dual in dezimal 2.3.3.1. ganze Zahlen 2.3.3.2. gebrochene Zahlen 2.3.4. Zusammenfassung

97

;

97 97 99 102 102 103 107 112 115 115 116 116 117 11g 118 119 120

Aufgaben zu II, 2.2.12.3. Gleitkomma-Darstellung 2.4.1. Definition 2.4.2. Die Grundrechenarten bei Gleitkomma-Darstellung 2.4.2.1. Addition 2.4.2.2. Subtraktion 2.4.2.3. Multiplikation 2.4.2.4. Division

121 123 123 125 125 162 127 128

Aufgaben zu II, 2.4.

128

Teil III. Logische Grundlagen

130

1. Informationstheorie

130

X

Inhaltsverzeichnis 1.1.

Qualitative Aussagen 1.1.1. Kommunikations-Systeme

130 130

1.1.2. Nachrichtentechnik 1.1.3. Begriffe 1.1.3.1. Nachrichten und Daten 1.1.3.2. Information 1.1.3.3. Kybernetik

131 133 133 135 135

Aufgaben zu III, 1.1 1.2.

Quantitative Aussagen . 1.2.1. Elementarvorrat EV 1.2.2. Entscheidungsgehalt EG 1.2.3. Entscheidungsredundanz ER 1.2.4. Informationsgehalt IG 1.2.4.1. Ungleiche Häufigkeiten der Nachrichten 1.2.4.2. Berechnung des Informationsgehaltes 1.2.4.3. Informationsredundanz IR Aufgaben zu III, 1.2.

2. Codierung 2.1.

2.2.

2.3.

136 137 137 139 140 141 141 142 145 146

149

Rückgriff auf bekannte Begriffe 2.1.1. Redundanz 2.1.2. Binärcodes Tetraden-Codes 2.2.1. BCD-Code 2.2.2. Aiken-Code 2.2.3. 3-Exzess-Code (Stibitz-Code) 2.2.4. Gray-Code Dezimal-Codes mit mehr als 4 Bits

149 149 150 151 151 154 155 158 159

Aufgaben zu III, 2.1.12.2.12.3.

161

2.4.

Codesicherung 2.4.1. Fehlerursachen 2.4.2. Ungesicherte Codes 2.4.3. Fehlererkennende Codes 2.4.4. Hamming-Distanz h

162 162 163 164 165

2.4.5. Fehlerkorrigierende Codes 2.4.6. Erkennen von mehr als e Fehlern 2.4.7. Methode der Quersummenpnifung 2.4.7.1. Parity Check (Prüfbit) 2.4.7.2. Blockcode

168 169 170 170 171

Aufgaben zu III, 2.4.

173

Inhaltsverzeichnis

3. Schaltalgebra

XI

174

3.1.

Boole'sche Algebra

174

3.2.

Grundfunktionen 3.2.1. Identität und Negation 3.2.2. AND-Funktion 3.2.3. OR-Funktion Darstellungsarten 3.3.1. Kurzzeichen 3.3.2. Wertetafel 3.3.3. Kontaktskizze 3.3.4. Symboldarstellung 3.3.5. Gebietsdarstellung Funktionen bei 2 Eingangsvariablen 3.4.1. Allgemeine Überlegungen 3.4.2. NAND-Funktion 3.4.3. NOR-Funktion 3.4.4. Äquivalenz 3.4.5. Antivalenz 3.4.6. Inhibition 3.4.7. Implikation 3.4.8. Zusammenfassung

177 177 178 180 182 182 183 184 186 188 191 191 194 195 196 197 199 200 201

3.3.

3.4.

3.5.

3.6.

3.7.

Aufgaben zu III, 3.1./3.2./3.3./3.4.

202

Rechenregeln 3.5.1. Postulate 3.5.2. Theoreme 3.5.3. Assoziatives Gesetz 3.5.4. Distributives Gesetz 3.5.5. Morgan'sches Theorem 3.5.6. Entwicklungstheorem 3.5.7. Beispiel 3.5.7.1. Vereinfachung über den Entwicklungssatz 3.5.7.2. direkte Vereinfachung 3.5.7.3. Vereinfachung über die Gebietsdarstellung 3.5.7.4. Vereinfachung über die Kontaktskizze Normalformen der Schaltfunktion 3.6.1. Disjunktive Normalform 3.6.2. Konjunktive Normalform 3.6.3. Gegenüberstellung Anwendungsbeispiele 3.7.1. Lochkartentransport 3.7.2. Papiertransport bei einem Schnelldrucker 3.7.3. Dualaddierer

204 204 205 206 208 208 210 210 210 211 212 213 214 214 218 220 221 221 223 226

XII

Inhaltsverzeichnis 3.7.3.1. Halbaddierer 3.7.3.2. Volladdierer 3.7.4. Erkennen von Pseudotetraden

226 229 231

*.

Aufgaben zu III, 3.5. ¡3.6. ¡3.7.

232

Teil IV. Technische Grundlagen

235

1. Bauelemente 1.1. 1.2.

1.3.

Relais Halbleiterbauelemente 1.2.1. Definition: Halbleiter 1.2.2. Diode 1.2.3. Transistor Schaltungstechniken 1.3.1. Schaltungstechniken mit diskreten Bauelementen 1.3.2. Integrierte Schaltkreise 1.3.3. Hybrid-Techniken

2. Speicherarten 2.1. 2.2.

2.3.

2.4.

2.5. 2.6.

Kippschaltungen Magnetkernspeicher 2.2.1. Physikalisches Prinzip 2.2.2. Speicherorganisation 2.2.3. Kenndaten Magnettrommelspeicher 2.3.1. Konstruktiver Aufbau 2.3.2. Adressenordnung 2.3.3. Schreib- und Lesevorgang Magnetbandspeicher 2.4.1. Das Magnetband 2.4.2. Blocksicherung 2.4.3. Transporteinrichtung Magnetplattenspeicher Magnetkartenspeicher

Aufgaben zu IV, 1./2.

3. Endgeräte 3.1. 3.2.

Problematik der Geschwindigkeiten Eingabegeräte 3.2.1. Tastaturen

235 •.

235 238 238 238 241 244 244 244 245

246 246 249 249 251 252 253 253 253 255 256 257 258 259 260 261 261

264 264 266 266

Inhaltsverzeichnis

3.3.

3.4.

XIII

3.2.2. Lochstreifenleser 3.2.2.1. Langsame Lochstreifenleser 3.2.2.2. Schnelle Lochstreifenleser 3.2.3. Lochkartenleser 3.2.4. Belegleser 3.2.4.1. Anwendungsarten 3.2.4.2. Klarschriftleser 3.2.4.3. Magnetschriftleser 3.2.4.4. Markierungsleser 3.2.4.5. Mehrfunktions-Belegleser Ausgabegeräte 3.3.1. Lochstreifenstanzer 3.3.2. Lochkartenstanzer 3.3.3. Drucker 3.3.4. Zeichengeräte Kombinierte Ein-/Ausgabe 3.4.1. Bildschirmgeräte 3.4.2. Datenübertragung 3.4.2.1. Übertragungswege 3.4.2.2. Fehlersicherung 3.4.2.3. Systemauswahl Aufgaben zu IV, 3.

Teil V. Organisatorische Grundlagen 1. Lochkarten 1.1. 1.2.

1.3.

284

287 287

Definition und Einteilung Handlochkarten 1.2.1. Nadellochkarte 1.2.1.1. Kerblochkarte 1.2.1.2. Schlitzlochkarte 1.2.2. Sichtlochkarte 1.2.3. Handlochkartenkombinationen Maschinenlochkarte 1.3.1. Nomenklatur 1.3.2. Anwendung

287 288 288 288 290 291 292 292 292 294

Aufgaben zu V, 1

296

2. Programmierung 2.1.

267 268 269 270 271 271 272 272 273 273 273 273 274 275 278 280 280 281 281 283 284

Flußdiagramm 2.1.1. Definition 2.1.2. Beispiel

297 297 297 299

XIV

Inhaltsverzeichnis 2.2.

2.3.

2.4.

Maschinenorientierte Programmiersprachen 2.2.1. Maschinensprache

300 300

2.2.2. Programmiersprachen mit codiertem Befehlswort 2.2.2.1. Dezimalziffern als Operationsteil 2.2.2.2. Mnemotechnischer Operationsteil

300 300 303

2.2.3. Assemblersprachen 2.2.4. Interpretative Systeme Problemorientierte Programmiersprachen 2.3.1. Aufbau und Übersetzung

304 306 306 306

2.3.2. ALGOL 2.3.3. FORTRAN 2.3.4. COBOL 2.3.5. PL/1 2.3.6. EXAPT Vergleich der Programmiersprachen

308 309 309 310 311 311

Aufgaben zu V, 2.

3. Betriebssystem 3.1.

3.2.

317

Betriebsarten von DVA 3.1.1. Batch-Processing 3.1.1.1. Batch-Processing ohne Prioritäten 3.1.1.2. Batch-Processing mit Prioritäten 3.1.1.3. Remote-Batch-Processing 3.1.2. Time Sharing 3.1.3. Multiprogramming 3.1.4. Real-Tim e-Verarbeitung 3.1.5. Multiprocessing Aufgaben und Aufbau des Betriebssystems 3.2.1. Aufgaben des Betriebssystems 3.2.2. Aufbau des Betriebssystems 3.2.3. Hardware - Software

317 317 317 318 319 319 320 320 323 323 323 326 327

Aufgaben zu V, 3.

328

4. Anwendungsbereiche der DV 4.1. 4.2.

315

329

Wissenschaftliche Berechnungen Betriebliche Informationssysteme 4.2.1. Rechnungswesen

329 333 333

4.2.2. Planungs-und Entscheidungsmethoden 4.2.2.1. Definitionen 4.2.2.2. Lineares Programmieren 4.2.2.3. Netzplantechnik

338 338 340 342

Inhaltsverzeichnis

4.3.

4.4.

4.5. 4.6.

4.2.2.4. Simulation 4.2.3. Management-Informations-System Numerisch gesteuerte Maschinen 4.3.1. Werkzeugmaschinen 4.3.2. Zeichengeräte 4.3.3. Verdrahtungsmaschinen 4.3.4. Setzmaschinen Prozeßrechner 4.4.1. Struktur eines Prozeßrechnersystems 4.4.2. Anwendungsmöglichkeiten für Prozeßrechner Nichtbetriebliche Informationssysteme Datenfernverarbeitung 4.6.1. Definition 4.6.2. Platzbuchungssysteme 4.6.3. Universelle Teilnehmersysteme

XV 344 345 345 346 347 347 347 347 347 350 352 355 355 357 358

Lösungen der Aufgaben

360

Fachwörterverzeichnis: englisch/deutsch

363

Literaturverzeichnis

367

Stichwortverzeichnis

368

Abbildungen

1A- 30A

Teil I. Allgemeine Grundlagen

1. Einführung 1.1. Der Begriff .Datenverarbeitung' Ein Nicht-Fachmann auf dem Gebiet der Datenverarbeitung werde nach Sinn und Bedeutung des Begriffs: Datenverarbeitung gefragt. Im ersten Moment wird er versuchen, sich ein Bild aus Mosaiksteinchen zusammenzusetzen. Diese Mosaiksteinchen sind Wörter und Teilzusammenhänge des weiten Bereichs .Datenverarbeitung', die er früher aus Berichten im Rundfunk, Fernsehen und in Zeitungen in sein Gedächtnis übernommen hat. Es werden ihm Ausdrücke wie: Elektronen-Rechner Daten hohe Rechengeschwindigkeiten Lochkarten Computer Speicher Transistoren und ähnliche bunt durcheinandergewürfelt in den Sinn kommen. Er wird sie sortieren und klassifizieren. Er wird jedenfalls versuchen, sich aus diesen Mosaiksteinchen ein größeres Bild der Zusammenhänge, Aufgaben und Auswirkungen der Datenverarbeitung zu bilden. Dennoch bleibt aber oft der Begriff Datenverarbeitung' im allgemeinen und deren zentrales Organ, die .Datenverarbeitungsanlage' im besonderen nur eine Ansammlung mehr oder weniger deutlicher Vorstellungen. Dies liegt zum Teil daran, daß sich der Laie auf dem Gebiet der Datenverarbeitung stets nur mit deren Ergebnissen beschäftigt. Eine geheimnisvolle Atmosphäre umgibt oft diese leistungsfähigen aber auch komplizierten Datenverarbeitungsanlagen. Diese Distanz ist aber zu durchstoßen mit der Erkenntnis, daß für das grundlegende Verständnis der inneren logischen Organisation, der Funktionsmechanismen sowie: der Grundprinzipien des Einsatzes einer Datenverarbeitungsanlage keine speziellen wissenschaftlich-technischen Kenntnisse erforderlich sind. Allgemein logisches und kombinatorisches Denkvermögen ist vielmehr erforderlich.

2

Teil I. Allgemeine Grundlagen

Die Frage nach dem .Geheimnis' der Datenverarbeitung kann - wie viele Fragen - leichter beantwortet werden, wenn sie in präzise und klar umrissene Teilfragen aufgeteilt wird. Es ist also eine Verfeinerung der Fragestellung, d. h. Differenzierung, nötig. Hierbei destillieren sich dann Teilfragen folgender Art heraus: Wie ist eine Datenverarbeitungsanlage aufgebaut? Wie arbeitet sie? Welche Entscheidungen vermag sie zu treffen? Welche Operationen kann sie durchfuhren? Wie wird sie bedient? Für welche Probleme lohnt sich ihr Einsatz? Welche organisatorischen Vorbereitungen sind zu treffen? Welche technischen Hilfsmittel werden benötigt? Die Beantwortung all dieser Teilfragen führt zu einer Klärung des Gesamtkomplexes .Datenverarbeitung' sowie zur eigentlichen Abrundung und notwendigen Vertiefung des obengenannten Mosaikbildes. Die breite Öffentlichkeit zeigt sich an den Erfolgen und Fortschritten der Datenverarbeitung wohl aus folgenden Gründen so stark interessiert: a) hochdynamische Entwicklung dieses Gebietes: Wie in 2. (Geschichtliche Entwicklung) angegeben wird, liegt der eigentliche Beginn dieser sprunghaften Entwicklung der Datenverarbeitung nur ca. 3 Jahrzehnte zurück! Fast jeden Tag bringen Rundfunk, Fernsehen und Zeitungen Berichte über: neue Typen von Datenverarbeitungsanlagen, neue Anwendungsbereiche hierfür, neue Erkenntnisse hierbei. b) spektakuläre Erfolge auf den verschiedensten Anwendungsbereichen der Datenverarbeitung, wie: Raketen- und Weltraumforschung, Atomphysik, Verkehrssteuerung, Verwaltungssektor. c) Inbegriff der Lebensweise des 20. Jahrhunderts Die Menschen des 20. Jahrhunderts, das durch nie zuvor erreichte Geschwindigkeiten und rasanten technischen Fortschritt geprägt wird, sehen in der Datenverarbeitung einen Inbegriff ihres Zeitalters. Man spricht heute schon davon, daß nicht etwa die modernen Erkenntnisse der Atomphysik die zweite technische Revolution bedeuten, sondern der Einsatz der Datenverarbeitungsanlagen auf allen Gebieten des wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Lebens. So glaubt beispielsweise N. Wiener, der Begründer der Kybernetik, unser Jahrhundert am besten als das Zeitalter der Nachrichten- und Regelungstechnik beschreiben zu können. Als zentrales und zugleich verbindendes Glied dieser Techniken schält sich aber immer mehr die Datenverarbeitung heraus.

1. Einführung

3

1.2. Einteilung des Stoffes Das vorliegende Buch ist als Einführung gedacht und auch dementsprechend aufgebaut. Es wird aus dem Leser also keinen Spezialisten auf irgendeinem Gebiet der Datenverarbeitung machen, sondern soll ihm breites Basiswissen verschaffen. Bewußt wurde aber auch davon Abstand genommen, das Buch durch allzu allgemeingehaltene Stoffbehandlung zu einem zwar leicht lesbaren, aber kaum nützlichen Handbuch zu reduzieren. Wie bei der Beschäftigung mit anderen Stoffgebieten ist es auch hier unumgänglich, gewisse elementare Detailprobleme erfaßt zu haben, um den als Endziel erwünschten, fundierten Überblick nach Abschluß des Buches aufzuweisen. In diesem Sinne wird der Leser von Kapitel zu Kapitel auf exemplarische Weise mit den verschiedenen Stoffgebieten der Datenverarbeitung vertraut gemacht. Der behandelte Stoff wird durch selbstkritische Wiederholung während der Lösung der Aufgaben gefestigt. Das Gebiet der Datenverarbeitung ist sehr vielschichtig. Deshalb werden in der vorliegenden Einfuhrung folgende fünf Blickwinkel zugrunde gelegt: Teil I : Teil II : Teil III: Teil IV: Teil V :

Allgemeine Grundlagen Mathematische Grundlagen Logische Grundlagen Technische Grundlagen Organisatorische Grundlagen

Teil I: Allgemeine Grundlagen umfaßt eine Zusammenstellung der geschichtlichen Entwicklung der Datenverarbeitung. Dies soll zum Verständnis der inneren Zusammenhänge beitragen. Einem eingehenden Vergleich zwischen den beiden Rechenprinzipien .Analog' — .Digital' moderner Datenverarbeitungsanlagen folgt ein größerer Abschnitt über den strukturellen Aufbau einer Datenverarbeitungsanlage. Die fünf Grundeinheiten werden in ihrer Zusammenarbeit vorgeführt. Teil II: Mathematische Grundlagen Die mathematischen Grundlagen einer Datenverarbeitungsanlage erfordern keine Einfuhrung in komplizierte mathematische Theorien, sie bewegen sich vielmehr meist im Begriffsbereich elementarer Algebra. Es werden die Zahlensysteme erläutert, mit denen die verschiedenen Rechenanlagen operieren, um sowohl ein besseres Verständnis für die Arbeitsweise solcher Anlagen als auch der verschiedenen Ein- und Ausgabegeräte zu wecken. Für das Verständnis der vier Grundrechenarten in diesen Zahlensystemen sowie die Umwandlung von einem System in ein anderes sind keine speziellen Mathematikkenntnisse erforderlich. Ein logisch und kombinatorisch streng exaktes Denkvermögen ist jedoch unerläßlich.

4

Teil I. Allgemeine Grundlagen

Teil III: Logische Grundlagen erläutert die .informationstheoretischen' Grundbegriffe. Sie sollen einen Einblick in die mathematische, rechnerische Erfaßbarkeit von ,Nachricht' gewähren, d. h. die quantitative Angabe von Information. Die logischen Grundlagen der Datenverarbeitung bilden vor allem die Schaltalgebra und die Codierung. Zur Darstellung von Information und zur Sicherung bei deren Übertragung werden sogenannte Codes (sprich: Kodes) eingesetzt. Dies sind Verschlüsselungen von Information, die nach bestimmten Zuordnungsvorschriften vorgenommen werden. Die verschiedenen Codes werden angeführt und ihre Vor- und Nachteile in der Anwendung aufgezeigt. Die Schaltalgebra baut auf der mathematischen Logik auf und nimmt heute eine wichtige Rolle in der formalen Beschreibung und Optimierung von Schaltfunktionen ein. Anhand von ausfuhrlichen Beispielen werden die Schaltalgebra und ihre Anwendungen erläutert. Teil IV: Technische Grundlagen Um (von außen) die Funktionen eines Gerätes zu erfassen, ist es nicht immer nötig, dessen Aufbau und dessen Konzeption zu verstehen. Aber wie es für einen Autofahrer durchaus von Vorteil ist, nicht nur zu wissen, wie das Bremspedal bedient werden muß, sondern auch, wie sich die Öldruckbremse erklären läßt — ebenso erleichtert es das Verständnis für den Einsatz, die Bedienung oder die Programmierung einer Datenverarbeitungsanlage, wenn man das Prinzip ihres rechnisch-funktionalen Aufbaues erfaßt hat. Spezielle Detail-Fragen zu beherrschen, ist Sache des Fachmanns, fundierte Grundkenntnisse sind aber auch für den unerläßlich, der in irgendeiner Form mit der Datenverarbeitung zu tun hat. In diesem Sinne werden also behandelt: a) die Grund-Bauelemente, wie Relais, Transistoren, Dioden, Magnetkern b) die Speichertypen, wie: Magnetkern-, Trommel-, Magnetband-, MagnetplattenSpeicher c) Ein-und Ausgabegeräte,, wie: Fernschreiber, Lochkartenleser, Schnelldrucker etc. Teil V: Organisatorische Grundlagen zu diesen Grundlagen zählen: a) das Lochkartenverfahren, das heute entweder als eigene Organisationsform oder/und als Ein- und Ausgabe-Verfahren bei Datenverarbeitungsanlagen in Anwendung kommt. b) das Programmieren, das als logische Aufbereitung und Erfassung der zu bearbeitenden Probleme im Mittelpunkt der Anwendung von Datenverarbeitungsanlagen steht.

1. Einfuhrung

5

c) der betriebliche Einsatz von Datenverarbeitungsanlagen: es werden die verschiedenen Anwendungsbereiche in Wissenschaft, Industrie und Handel mit den heute vorliegenden Erfahrungen aufgeführt. Da wesensmäßig teilweise recht verschiedenartige Stoffgebiete behandelt werden, war es manchmal nicht zu umgehen, Ergebnisse späterer Abschnitte in vorhergehenden teilweise vorwegzunehmen, Hinweise auf frühere oder folgende Abschnitte anzugeben sowie kurzgefaßte Wiederholungen vorzunehmen. Dies kann durchaus von Vorteil sein. Viele Teilgebiete der Datenverarbeitung sind nur zu durchschauen, wenn man sie von verschiedenen Blickwinkeln — und wenn nötig des öfteren — betrachtet. In diesem Sinne sind auch Hinweise auf Textstellen und Bilder nicht als notwendiges Übel zu betrachten, sondern als Anregung, erledigte Abschnitte aus diesem neuen Gesichtspunkt heraus nochmals zu überarbeiten und zu überdenken.

1.3. Bilder und Aufgäben Zur Erläuterung und leichteren Merkbarkeit wurden viele Bilder (Skizzen, Zeichnungen, Diagramme) in den Text eingestreut. Diese Bilder werden mit: dem Buchstaben B (Bild) sowie: einer fortlaufenden Nummer gekennzeichnet. Neben den Abkürzungen beim Hinweis auf Bilder innerhalb des Textes werden im folgenden auch — der Einfachheit halber - die heute schon üblich gewordenen Abkürzungen: DV für: Datenverarbeitung EDV für: elektronische Datenverarbeitung EDVA für: elektronische Datenverarbeitungsanlage oder kürzer: DVA für: Datenverarbeitungsanlage^!) verwendet. Weiterhin werden häufig hinter den deutschen Ausdrücken aus dem Bereich der DV in Klammern die englischen gesetzt. Damit soll der Leser auch mit den englischen Fachausdrücken vertraut gemacht werden. Die Aufgaben beziehen sich stets auf den Stoff des vorangehenden Kapitels. Sie sind in der Form aufgebaut, daß einer gestellten Frage stets drei Antworten (a, b, c), von denen nur eine voll richtig ist, folgen. Als Beantwortung der Fragestellung ist also stets der Buchstabe (a oder b oder c) anzugeben, der diese richtige Antwort kennzeichnet. Oft wird diese Antwort nur durch erneutes Durcharbeiten der betreffenden Stelle des Lehrheftes zu finden sein. Dies soll die selbstkritische Stoffwiederholung fördern. Die Lösungen der Aufgaben sind im Anhang angegeben.

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Teil I. Allgemeine Grundlagen

2. Geschichtliche Entwicklung ca. 5000v.Chr. Die Grundlage des Rechnens ist das Zählen. Der Mensch begann das Zählen mit den ihm von der Natur gegebenen (Rechen-)Hilfsmitteln: den Fingern. Eine Hand erlaubte ihm also bis 5 (Quinär-System), beide Hände bis 10 (DezimaiSystem) zu zählen. Wollte er zu größeren Zahlen (bzw. Mengen) übergehen, so benützte er Steine, Perlen oder Holzstäbe. ca. 1100 v.Chr. Bequemer und zuverlässiger schon war das dem 5-Finger-System verwandte Stian-Pan- Verfahren, bei dem die Perlen auf Drähten aufgefädelt waren. Bei den Römern wurde es Abacus genannt. Bei uns findet man es noch in Kindergärten und (in vereinfachter Spielform) sogar vor Kinderwagen. In Hinterasien ist Suan Pan noch sehr stark verbreitet. Bei genügender Übung lassen sich (wie sich bei Wettbewerben zeigte) überraschend hohe Rechengeschwindigkeiten damit erreichen.

B I/l: Rechengerät

500 n. Chr. Die Grundlage für die Entwicklung zum Rechnen mit Maschinen bildete zweifelsohne das in Indien (daher: Hindu-) entstandene und über den arabischen Kulturkreis zu uns gelangte Hindu-Arabische Zahlensystem mit den zehn Ziffern: 0, 1 , . . . 8, 9. Nach der Rückeroberung Spaniens aus arabischer Herrschaft, 1150 n. Chr., setzte es sich im Abendland schnell durch. Sein großer Vorteil im Vergleich zum recht umständlich zu handhabenden Römischen Zahlensystem (z. B. MCMVII) sind: a) Einführung der Null: 0 b) Einfuhrung der Stellenschreibweise Im Gegensatz zum Römischen Zahlensystem gestattet also das Hindu-Arabische Zahlensystem einen Rückschluß von der Stellung einer Ziffer innerhalb der Zahl

2. Geschichtliche Entwicklung

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auf ihren Wert. Die 8 bedeutet z. B. 8 Hunderter in der Zahl 6804. Die 0 bedeutet: keine Zehner. Die Gesamtzahl bedeutet also: i = 4 . 4 0 0 • 10 = 8 • 100 = 800 6 • 1000 = 6000 Gesamtzahl = 6804 1614 Der Rechenaufwand zur Aufstellung der von LordNapier herausgegebenen Logarithmen-Tafeln erfordern einen Zeitaufwand von ca. 30 Jahren (moderne Rechenanlage: ca. 1 min.) 1623 Der Theologe und Mathematiker Schickard konstruiert für seinen Freund, den Mathematiker und Astronomen Kepler eine Rechenuhr, die auf dem Zählradprinzip (ähnlich den heutigen mechanischen Tischrechenmaschinen) aufbaute. Damit waren Addition und Subtraktion durchzuführen, wobei mit 6 Stellen und Übertrag gerechnet wurde. Ein Modell dieser Schickard'schen Rechenuhr steht seit 1957 im Tübinger Rathaus. 1641 baute Blaise Pascal (französischer Mathematiker) mit 19 Jahren seinem Vater, der Steuerpächter war, eine Addiermaschine mit 6 Stellen. 1650 Patridge: Erfindung des Rechenschiebers. 1671-1694 beschäftigte sich der große Philosoph und Mathematiker G. W. Leibniz mit der Konstruktion von Rechenwerken, die ihm zwar 24.000 Taler Ausgaben, aber keinen wirklichen Erfolg brachten. 1703 G. W. Leibniz beschäftigt sich mit dem Dualsystem (das zur Grundlage der heutigen Rechenanlagen wurde, vgl. II, 2.1.3).

1808

J. M. Jacquard setzt Kartons, in die das Webmuster eingestanzt war, zur automatischen Steuerung von Webstühlen ein. Derartige Webstühle sind im Deutschen Museum zu sehen. Der Begriff Jacquard' ist heute noch ein üblicher Ausdruck in der Textilbranche. Ähnliche, gelochte Karten (in gefalteter Form) sind noch heute bei Jahrmarkt-Musikautomaten in Anwendung. 1833 Von großer Bedeutung für die weitere Entwicklung war die mechanische Rechenanlage JDifference Engine' des Mathematik-Professors aus Cambridge, Charles

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Teil I. Allgemeine Grundlagen

Babbage, die heute noch im Science Museum London besichtigt werden kann. Die Konzeption seiner weiterhin geplanten Maschine (Analytical Engine) nahm den Aufbau moderner Rechenanlagen voraus. Sie sollte bestehen aus: Speicher (engl.: störe) (1000 Worte ä 50 Stellen) Rechenwerk (engl.: mill) Steuerwerk (engl.: control) Ein-, Ausgabe und vor allem einem (in Lochkarten) gespeicherten Programm. Die Pläne von Babbage scheiterten an dem Stand der damaligen Technik. 1890 Der Deutsch-Amerikaner H. Hollerith führt bei der 11. amerikanischen Volkszählung die Lochkartentechnik ein. 1920 Entwicklung leistungsfähiger Büro-Lochkartenmaschinen (Firmen: IBM, Bull). Moderne Entwicklung der DVA a) Relaisrechner 1936 K. Zuse (Bauingenieur) beginnt noch während seines Studiums in Berlin mit dem Bau einer Rechenanlage ZI, welche die stets wiederkehrenden Routine-Berechnungen der Statik automatisieren sollte. 1941 Z3: Relaisrechner mit Lochstreifeneingabe und -ausgabe. Eigenschaften der Z3: Eingabeeinheit Ausgabeeinheit Rechenwerk (600 Relais) Relaisspeicher (64 Zahlen a 22 Dualstellen) Programm in Lochstreifen (gelochter Kinofilm) abgespeichert 1944 H. H. Aiken (IBM) entwickelt an der Harvard University den Relaisrechner MARKI. 1946 J. v. Neumann (Mathematiker) entwickelt folgende Fundamentalprinzipien einer Rechenanlage: a) das Programm wird wie die Daten gespeichert b) bedingter Befehl mit (vorwärts oder rückwärts) Verzweigung (vgl. 4.2.4.2. b) c) das Programm ist eine Kette logischer Binär-Entscheidungen

2. Geschichtliche Entwicklung

9

b) Datenverarbeitungsanlagen der 1. Generation 1946 Eigenschaften: Schaltungsaufbau aus Elektronenröhren Operationszeiten im Millisekunden (ms)-Bereich (1 ms = 1/1000 s) Beispiel: ENIAC (Elektronic Numerical Integrator and Computer) Gewicht: 30 Tonnen Die 17.000 Röhren (Stromverbrauch: 174 KW) erforderten eine Klimaanlage, die mehr Strom als die Rechenanlage selbst verbrauchte, fehlerfreie Arbeitszeit: ca. 45% Z22 (von Zuse KG) wurde ab 1955 vor allem an Hochschulen geliefert. Rechenzeiten: Addition: 0,6 ms — Multiplikation: 15 ms 1952 Beginn der Auslieferung von DVA an Privatwirtschaft. 1954 Deutsche Firmen beginnen (wieder) mit dem Bau von Datenverarbeitungsanlagen: Zuse KG, Siemens, Standard Elektrik Lorenz, Telefunken, VEB Zeis in Jena.

c) Datenverarbeitungsanlagen der 2. Generation 1957 Eigenschaften: Schaltungsaufbau aus Transistoren Operationszeiten im 100 Mikrosekunden (/¿s)-Bereich (1 ns = 1/1000 ms = 1/1.000.000 s = 10"6 s) Beispiel: Siemens 2002: volltransistorisierte DVA mittlerer Größe Addition: 90 jus - Multiplikation: 120 /¿s

d) Datenverarbeitungsanlagen der 3. Generation 1964 Eigenschaften: Schaltungsaufbau aus integrierten Schaltkreisen (vgl. hierzu auch IV, 1.3) Operationszeiten im Mikrosekunden-Bereich. Mehrere (ca. 30) elektronische Bauteile (Transistoren, Widerstände) werden mit ihren ,Lötverbindungen' in kleinen Kristallblöcken zusammengefaßt (daher .integriert'). Durch Ätzverfahren werden in hochgezüchtet homogenen (gleichmäßig aufgebauten) Siliziumkristallen Gebiete mit Transistor- und Widerstandscharakter erzeugt und durch Aufdampfverfahren dazwischen metallische, d. h.

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Teil I. Allgemeine Grundlagen

leitende Verbindungen hergestellt. Diese Technik nennt man Monolith-Technik. Die gesamte Verfahrensweise nennt man Mikrominiaturisierung. Vorteile: kompakte Bauweise (nur 1/100 und noch weniger des Raumes in üblicher Technik), kurze Schaltzeiten (bis zu Bruchteilen von Mikrosekunden), hohe Betriebssicherheit (keine Lötstellen!) Üblich sind heute die sog. Famüiensysteme von DVÄ. Das kleinste Modell einer solchen Familie ist wie in einem Baukastensystem durch Hinzunahme von Erweiterungsteilen (etwa Speicher) bis zum größten Modell ausbaufähig. Die Verwendbarkeit der Programme bleibt dabei erhalten. Man spricht hierbei von einer sog. Programmkompatibilität. Solche Familiensysteme sind beispielsweise: BGE 600, IBM 360, NCR-Century, Siemens 4004, UNIVAC 9000 e) Vergleich der Größenordnungen in der Bauweise bei den drei Generationen von DVA in relativen Schaltungseinheiten pro Kubikzentimeter (SE/cm3): 1. Generation: 1 SE/cm3 2. Generation: 10 SE/cm3 3. Generation: 1000 SE/cm3 f ) Datenverarbeitungsanlagen der 4. Generation Forschungs- und Entwicklungslabors arbeiten schon an Prototypen von DVA der 4. Generation, die in einigen Jahren serienreif sein werden. Sie werden die Anlagen der 3. Generation an Komfort, Anpassungsfähigkeit und Geschwindigkeit noch übertreffen. Die Operationszeit wird bei hundert und weniger Nanosekunden liegen. Das bedeutet: 10 bis 50 Mio Operationen pro Sekunde. Zur Veranschaulichung sei angegeben, daß die mit Lichtgeschwindigkeit zurückgelegte Strecke in 10 Nanosekunden etwa 3 m entspricht. Diese Tatsache zwingt — abgesehen von sonstigen technischen Ursachen — dazu, räumlich kompakte Geräte zu entwickeln. Die DVA der 4. Generation werden deshalb aus integrierten Großschaltungen (sog. Large Scale Integration = LSI) bestehen. In ihnen sind ganze Schaltungskomplexe mit tausend und mehr Bauelementen auf einem Kristall untergebracht. AUFGABEN zu 1,2. 1. Vorteil des (heute üblichen) Hindu-Arabischen Zahlensystems gegenüber dem Römischen Zahlensystem ist: a) Einfuhrung der Null und der Stellenschreibweise b) Einführung des Dezimalsystems c) Einfache Durchführung der Multiplikation

3. Vergleich: Analog - Digital

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2. Was bedeutet der Begriff ,Abacus'? a) Name einer Herstellerfirma von DVA b) Name eines Code für die interne Darstellung von Daten c) Handrechengerät der Römer 3. Wer war Hollerith? a) Erfinder des Rechenschiebers b) Erfinder der Lochkartentechnik c) Konstrukteur der ersten Relais-DVA 4. Nach welchen Kriterien unterscheidet man die DVA der 1., 2. und 3. Generation? a) danach, ob sie im Dual-, Binär- oder Dezimal-System arbeiten b) nach der Kapazität der Speicher c) nach der Schaltungstechnik (Röhren, Transistoren, integrierte Schaltkreistechnik) 5. Wie groß ist die Schalt-(Operations-)Zeit bei DVA der 3. Generation? a) ca. 1 /xs = 10"6s b) ca. 100 jus = 10"4s c) ca. 10ms=10" 2 s 6. Bei welcher Generation von DVA können 30 Schaltelemente auf ca. 0,03 Kubikzentimeter (cm 3 ) untergebracht werden? a) bei DVA der 3. Generation b) bei DVA der 2. und 3. Generation c) überhaupt noch nicht

3. Vergleich: Analog — Digital Bei den modernen Rechenanlagen unterscheidet man zwei Gruppen, und zwar nach ihrem Rechenprinzip: Analog-Rechenanlagen (Stetig-Rechenanlagen) Digital-Rechenanlagen (Ziffern-Rechenanlagen) Die erste Bezeichnung leitet sich vom griechischen ,ana logon' ab, was soviel wie 4m richtigen Verhältnis' heißt. Die zweite Bezeichnung ist auf den lateinischen Begriff digitus (= Finger) zurückzuführen. In der Aufstellung der geschichtlichen Entwicklung haben wir schon zwei typische, elementare Vertreter der beiden Arten von Rechenanlagen kennengelernt. Es waren dies: der Rechenschieber als Vertreter der Analog-Rechenanlagen, der Abacus als Vertreter der Digital-Rechenanlagen

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Teil I. Allgemeine Grundlagen

3.1. Analog-Rechentechnik Beim Rechenschieber werden Rechenoperationen durchgeführt, indem man .Strecken' gegeneinander verschiebt und dann vergleicht.

B1/2: Analoges Rechengerät: Rechenschieber

Dabei kann das Verschieben kontinuierlich erfolgen, d. h. die Zunge des Rechenschiebers kann zwischen unterster und oberster Einstellung jede beliebige Zwischenstellung einnehmen. In der analogen Rechen- (Meß-, Regel-, Steuer-)technik werden physikalische Größen, die ihrer Natur nach schon ,zeitliche Stetigkeit' aufweisen, als Rechengrößen verwandt. Dabei wird die eigentlich interessierende Größe (z. B. Durchflußmenge) durch eine andere physikalische Größe (z. B. Zeigerausschlag eines Meßinstruments) ersetzt (oder besser: .simuliert'). Beispiel: Analog-Rechengerät

interessierende Größe, Information

simulierende physikal. Größe

Rechenschieber Uhr Gas- od. Stromzähler

Zahlenwert Zeit durchgeflossene Gas- oder Strommenge Lösung von Rechenoperationen wie: DifferentialGleichungen, die Bewegungen beschreiben. Schwingungen berechnen. Flugbahnen simulieren.

Länge Winkelstellung des Zeigers kontinuierliche Drehung eines Zahnrades Spannung (oder: Strom)

Analog-Rechenanlage

3. Vergleich: Analog - Digital

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3.2. Digital-Rechentechnik Bei der Digital-Rechentechnik wird die numerische, d. h. die zahlenmäßige Erfassung von irgendwelchen Aussagen angewandt. Alle Aussagen (z. B. Messungen) liegen ziffernmäßig vor und werden arithmetisch (d. h. mit Hilfe der vier Grundrechenarten) verarbeitet. Im Gegensatz zur Analog-Rechentechnik, bei der sich die Größen kontinuierlich (stetig) ändern können, dürfen bei der DigitalRechentechnik die Rechengrößen nur diskrete (genau festgelegte) Zustände annehmen. So darf beim Kugelrechengerät Abacus eine Kugel: entweder: von rechts nach links verschoben werden oder : sie muß auf ihrem ursprünglichen Platz verbleiben. Zwischenzustände sind als Rechenoperation sinnlos (und damit unzulässig). Die Kugel darf also auf dem Draht nur zwei diskrete Stellungen einnehmen.

3.3. Beispiel Ein einfaches Beispiel aus dem Alltag soll uns den Unterschied zwischen Analogund Digital-Rechentechnik veranschaulichen: Geschwindigkeitsmessung mit einem Auto: a) digitale Rechentechnik: das Auto durchfährt z. B.: 1 km Wegstrecke mit konstanter Geschwindigkeit, wofür die Zeit: 100 sec. gestoppt wird. Wegstrecke: 1 km Zeit : 100 sec. Daraus ergibt sich die Geschwindigkeit über die arithmetische Grundoperation .Division' zu: 1 km/100 sec. = 36 km/h b) analoge Rechentechnik: Tachometer die Geschwindigkeit des Autos wird über die Drehzahl eines Zahnrades und über mechanische Vorrichtungen als Zeigerausschlag auf einer geeichten Skala angezeigt. interessierende Größe (Information): Geschwindigkeit des Autos simulierende physikalische Größe : Zeigerausschlag bzw. Drehzahl des Zahnrades Mit beiden Zuordnungen: kontinuierlich analog diskret ** digital ist der wesensmäßige Unterschied zwischen Analog- und Digital-Rechentechnik in leicht faßliche Form gebracht.

14

Teil I. Allgemeine Grundlagen

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4. Aufbau einer Digital-Datenveraibeitungsanlage

51

Verwendet man als Datenmedium einen Lochstreifen, so kommt der international genormte Fernschreib-Code in Anwendung. Das Wort ,UND' erscheint beispielsweise auf dem pergamentierten Lochstreifen als Lochungen: LLLOO, OOLLO, LOOLO (vgl. B 42). • •

O • 0 0

•

• O

O • • O O O

/

• gelocht = L O ungelocht = 0

\ \

B 1/42: Lochstreifen als Datenträger mit der Information UND

/

UND Die verschiedenen Datenträger, wie Lochstreifen, Lochkarte, Magnetband und Belege werden in IV und V eingehend behandelt. Ist die Information auf Datenträgern fixiert, so können diese in die Magazine der zugehörigen Eingabegeräte eingelegt werden. Derartige Eingabegeräte sind: Lochstreifenleser, Lochkartenleser und Belegleser. Diese Eingabegeräte lesen mittels elektrischer, photoelektrischer, magnetischer oder optischer Verfahren die Information der Datenträger. Nach Umwandlung der gelesenen Information in elektrische Signale — gegebenenfalls sogar über eine Umcodierung — geben sie die Information über elektrische Kanäle an die Zentraleinheit weiter (vgl. B 1/38). In der Zentraleinheit, die aus (Hauptspeicher, Rechenwerk und Steuerwerk besteht, wird die Information abgespeichert und verarbeitet. 4.4.2. Ausgabegeräte

Die in der Zentraleinheit der DVA ermittelten Ergebnisse werden in elektrischer Signalform an die Ausgabegeräte weitergegeben. Die Ausgabegeräte wandeln diese elektrischen Signale in Lochungen oder Druckzeichen auf den Informationsträgern um. Die Ausgabeinformation kann dann entweder vom menschlichen Leser sofort interpretiert werden (z. B. bedruckte Formulare und Zeichnungen) oder aber im Informationsträger für weitere, spätere Verarbeitung aufbewahrt werden (z. B. in Lochstreifen oder Lochkarte). Als Ausgabegeräte dienen (Schnell-)Drucker, Lochstreifenstanzer, Lochkartenstanzer und Zeichengeräte. Die Funktionsweise der Ein- und Ausgabegeräte ist hier noch nicht von Interesse und soll in Teil IV genauer angegeben werden. 4.4.3. Kombinierte Ein-/Ausgabegeräte

Kombinierte Ein-/Ausgabegeräte gibt es in vielfältiger Ausfuhrungsart. In diesen Geräten sind Funktionseinheiten der Eingabe und Ausgabe vereinigt. Beispielsweise dient beim Steuerpult, auch Konsole genannt, ein Tastenfeld der Eingabe

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Teil I. Allgemeine Grundlagen

und ein Lampenfeld der Ausgabe von Information. Allerdings wird das Steuerpult nur eingesetzt, um die DVA zu kontrollieren und zu bedienen. Der Operator (Maschinenbediener) kann damit die Steuerung — etwa Start-, Stop- und Kontrollbefehle — der Anlage von außen übernehmen. Zur eigentlichen Eingabe von Daten und Programmen wird natürlich nicht das Steuerpult benützt. Die Eintastgeschwindigkeit von Hand ist um Zehnerpotenzen niedriger als die interne Operationsgeschwindigkeit der DVA. Durch die Herstellung von Eingabemedien (Lochstreifen, Lochkarte) wird natürlich insgesamt gegenüber dem direkten Eintasten der Daten bzw. Befehle über das Steuerpult kaum unmittelbare Zeit gewonnen — denn beide Vorgänge erfordern bei derselben Datenmenge etwa dieselbe Zeit. Durch die Herstellung von Eingabemedien gewinnt man jedoch die zeitliche Unabhängigkeit von der Maschine in der Datenbereitstellung. Die Maschine vermag in sehr kurzer Einlesezeit die von mehreren Personen in längerer Zeit hergestellten Lochkarten zu übernehmen. Die DVA ist somit nicht mehr von der Schreibgeschwindigkeit dieser Personen abhängig. Ferner können Ausgabedaten auf Informationsträgern gelocht und später wieder als Eingabedaten verwandt werden. Mehrere Funktionen des Steuerpults übernimmt eine sog. Protokollschreibmaschine. Die Anweisungen, die der Operator an die DVA über die Tastatur der Schreibmaschine eingibt, sowie Änderungen in der Arbeitsweise der DVA, Zeitdauer der Programmabläufe und ähnliche Größen werden über das Schreibwerk protokolliert. Ein weiteres, typisches Ein-/Ausgabegerät ist die Fernschreibmaschine, wie sie auch im Telexnetz eingesetzt wird. Sie vereinigt einen Lochstreifenleser und einen Lochstreifenstanzer mit einer Schreibmaschine. Die kombinierten Geräte: Bildschirm und Datenfernübertragungseinrichtungen werden in anderem Zusammenhang noch besprochen werden. Von Bedeutung als Datenträger werden in Zukunft Magnetkarten mit den zugehörigen Ein-/Ausgabegeräten sein. Derartige Magnetkarten bestehen aus Kunststoff mit magnetisierbarer Schicht, auf der die Information durch entsprechende Magnetisierungen aufgebracht ist. Die Speicherkapazität dieser Magnetkarten sowie die Widerstandsfähigkeit ist weitaus höher als die gewöhnlicher Lochkarten. Zum Teil im Einsatz, zum größeren Teil aber noch im Entwicklungsstadium sind die Sprach-Ein-/Ausgabegeräte. Mit ihrer Hilfe kann der Mensch unmittelbar akustisch mit der DVA Informationen austauschen, ohne einen Datenträger dazwischenschalten zu müssen. Für den Einsatz zur Steuerung und Regelung technischer Prozesse, beispielsweise in der chemischen Industrie oder in Walzwerken, sowie in der Verkehrssteuerung wird eine neue Modifikation von DVA eingesetzt, sog. Prozeßrechner. In Teil V werden wir noch darauf zurückkommen. Bei diesen Prozeßrechnern werden neue Arten von Eingabegeräten in oft sehr großer Zahl (einige Hundert) verwandt, wie Meßwertfühler oder Verkehrszählgeräte.

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4. A u f b a u einer Digital-Datenverarbeitungsanlage

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5 o o -J Beispiel

Teil I. Allgemeine Grundlagen

56

Jedes Wort (sei es ein Daten- oder Befehls-Wort) ist nur noch über seine Adresse zu erreichen, sobald es erst einmal in die DVA eingeschleust wurde. Jeder Speicher ist durch drei Eigenschaften charakterisiert: technisch durch:

Speicherkapazität und Zugriffszeit wirtschaftlich durch: Kosten pro Bit Speicher-Kapazität Unter Speicher-Kapazität versteht man das Fassungsvermögen eines Speichers, d. h., die Anzahl der vorhandenen Speicher-Bits und damit der Worte (bei fester Wortlänge) bzw. Zeichen (bei variabler Wortlänge). Die Speicher-Kapazität wird entweder in ,bit\ in KB (= Kilobyte = 1000 Bytes), in .Worte' oder in .Zeichen' angegeben. Die Umrechnung bedeutet keine Schwierigkeit, wenn die Anzahl der Bits pro Wort bzw. Zeichen angegeben ist. Bei den modernen DVA läßt sich die Speicher-Kapazität wie bei einem Baukasten stufenweise erweitern (.Familiensysteme'). Dadurch kann die DVA leichter erweiterten Aufgaben angepaßt werden, ohne daß Ein- und Ausgabegeräte und Zentraleinheit ausgetauscht werden müssen. Derartige Ausbaustufen sind: 4 096 Bytes 8 192 Bytes 16 384 Bytes 65 536 Bytes 262 144 Bytes Um die Speicherkapazitäten etwas abschätzen zu können, seien hier zwei Angaben über das menschliche Gedächtnis gemacht: Kapazität: ca. 10 10 bit = 10 Mrd. bit Zugriffszeit: 0,01 bis 10 sec. Zugriffszeit Unter Zugriffszeit versteht man die Zeit, die man zum Aufsuchen und Lesen einer abgespeicherten Information (etwa eines Wortes) benötigt, wenn die Adresse der zuständigen Zelle angegeben ist. Es ist leicht einzusehen, daß die Zugriffszeit ein wichtiges Merkmal für die Arbeitsgeschwindigkeit einer DVA ist. Sie bestimmt in großem Maße die Rechenzeit für ein Problem. Sind manche Teile des Speichers schneller zu erreichen als andere, so nimmt man den zeitlichen Mittelwert über alle Zellen und spricht dann von der .Mittleren Zugriffszeit'. Kosten pro Bit Unter den Kosten pro Bit versteht man die Anschaffungskosten für einen Speicher mit zugehöriger Steuerungselektronik, anteilmäßig auf 1 Bit umgerechnet.

57

4. Aufbau einer Digital-Datenveiarbeitungsanlage

Setzt man ein bestimmtes Kostenlimit, das bei der Anschaffung eines Speichers nicht überschritten werden darf, so stellt man fest: je größer die Speicherkapazität gewählt wird, um so größere Zugriffszeiten ergeben sich zwangsläufig und umgekehrt (vgl. B1/45). Wird dagegen aus betrieblichen oder sonstigen problembedingten Gründen eine Mindestkapazität gefordert, so nehmen die Kosten mit zunehmender Zugriffszeit stark ab (vgl. B1/46). Speicher-

Kapazität

Kosten/Bit = constant

•

Zugriffszeit

B1/45: Speicherkapazität, abhängig von der Zugriffszeit bei festen Kosten pro Bit

..

Kosten pro Bit in Pf.

Kapazität = constant

1/1000 10"°

10""

10""

1

1000

Zugriffszeit in sec

B1/46: Abhängigkeit der Kosten pro Bit von der Zugriffszeit

Ein-Schreiben Unter ,Ein-Schreiben' versteht man das elektronische Einbringen von Information in eine Speicherzelle.

Lesen Das .Lesen' einer Zelle ist ein richtiger Leseprozeß — es wird also nichts zerstört, der Inhalt der Zelle wird durch das Lesen nicht etwa gelöscht. Man spricht von zerstörungsfreiem Lesen' (engl.: non destructive readout). Dieser Vorgang ist mit dem Lesen eines Buches zu vergleichen. Nach dem Lesen liegen dort keine unbedruckten Blätter vor, sondern die Schrift in unveränderter Form.

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Teil I. Allgemeine Grundlagen

Meist wird zwar der Inhalt der Zelle beim Lesen — rein technisch gesehen — zerstört, aber er wird sofort wieder eingeschrieben. Der Endeffekt ist also der unzerstörte Inhalt der Zelle. Zykluszeit Um diese Zeit zum automatischen Regenerieren des Zelleninhalts in die Betrachtung mit einzubeziehen, wurde der Begriff .Zykluszeit' geschaffen. Die Zykluszeit umfaßt also: a) Zugriff zum Speicher j> = Zugriffszeit b) Lesen und Übertragen ins Steuerwerk c) Regenerierung des Zelleninhaltes Neuere Speicherentwicklungen (Drahtspeicher, Kurzstabspeicher, vgl. Teil IV) fuhren ein auch technisch echt zerstörungsfreies Lesen durch. Die Regenerierung entfällt und somit fällt die Zyklus- und Zugriffszeit zusammen. Wahlfreier Zugriff (engl, random access) Von einem .wahlfreien Zugriff spricht man, wenn bei einem Speicher alle Zellen in beliebiger, ungebundener Reihenfolge erreichbar sind. Reihenfolge-Zugriff (engl, serial access) Der Zugriff zu den Speicherzellen ist hierbei an eine bestimmte Reihenfolge gebunden. Die Informationen aus den Eingabemedien (Lochkarten, Lochstreifen) können beispielsweise nur in der Reihenfolge abgerufen werden, wie sie in die Eingabegeräte eingelegt wurden. In dem oben genannten Vergleichsbeispiel würde der Reihenfolge-Zugriff zu einer Speicherzelle dem Aufsuchen eines Hauses des Stadtteils mit dem Auto entsprechen. Bevor man die erwünschte Hausnummer findet, müssen zwangsläufig die Häuser mit anderer Hausnummer passiert werden. Der wahlfreie Zugriff zu einer Zelle bei vorgegebener Adresse dagegen entspräche einer gezielten Landung mit einem Hubschrauber vor dem erwünschten Haus. Permanenz (Dauerhaftigkeit) Es erhebt sich die Frage, inwieweit eine Speicherung der Information nach einem etwaigen Energie- (Strom-)Ausfall noch gegeben ist. Bleibt die Information unverändert, so spricht man von einem .permanenten' (dauerhaften) Speicher. Wird die Information verfälscht oder gelöscht, so spricht man von einem .temporären' (vorübergehenden) Speicher. Die meisten Speicherarten sind heute permanent.

4. Aufbau einer Digital-Datenverarbeitungsanlage

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4.5.2. Speicher-Hierarchie

4.5.2.1. Allgemeines Es wäre prinzipiell möglich, eine DVA mit einem Speicher großer Kapazität und zugleich kleinster Zugriffszeit zu versehen — wirtschaftlich sinnvoll wäre es nicht (vgl. B1/45 und 1/46). Die Forderung, die von Seiten der Benutzer als auch der übrigen Grundeinheiten an die Speicherung gestellt werden, können nämlich sehr verschiedenartig sein: a) wissenschaftliche Probleme erfordern z. B. viel Rechenaufwand bei relativ kleinem Speicherplatzbedarf. Hier ist ein Speicher mit kleiner Zugriffszeit (zur Erhöhung der Rechengeschwindigkeit) und relativ kleiner Kapazität (zur gleichzeitigen Beschränkung der Kosten) am Platze. b) kommerzielle Probleme ergeben relativ kleinen Rechenaufwand, dafür benötigen sie aber viel Speicherplatz. Ein Speicher großer Kapazität und relativ großer Zugriffszeit ist hier annehmbar. c) das Rechenwerk erfordert einen .schnellen' Speicher, d. h., einen Speicher mit kleiner Zugriffszeit. Die Ein- und Ausgabegeräte sind i. a. schon mit einem relativ .langsamen' Speicher ausgelastet. Es wird also ratsam sein, verschiedene Speicherarten für das Speichersystem einer DVA zu verwenden. Man spricht von einer .Speicher-Hierarchie' (vgl. B1/47). Kosten/Bit

Zugriffszeit Kapazität BI/47: Speicherhierarchie

Schnell-

Register (Flip - Flop)

Haupt(Arbeits-)

Magnetkernspeicher Dünnschichtspeicher Drahtspeicher Kurzstabspeicher

Großraum(Extern-) Speicher

Magnet - Trommelspeicher - Plattenspeicher - Streifenspeicher - Bandspeicher

Teil I. Allgemeine Grundlagen

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Der Arbeitsspeicher wird manchmal auch als Hauptspeicher, die Großraumspeicher werden auch als Neben- oder Zusatzspeicher bezeichnet. Den Arbeitsspeicher sowie die verschiedenen Schnellspeicher (Register), wie den Akkumulator, faßt man unter dem Begriff interne Speicher-Einheit zusammen. Die internen Speicher befinden sich in der Zentral-Einheit. Entsprechend bezeichnet man die verschiedenen, an die DVA angeschlossenen Großraumspeicher, als externe Speicher-Einheit. Sie zählen nicht zur Zentral-Einheit. Wir wollen die Begriffe ,Interner und Externer Speicher' wieder am Beispiel eines menschlichen Rechners etwas erläutern. Der innere (interne) Speicher eines Menschen ist sein Gedächtnis. Mit seiner Hilfe ist der menschliche Rechner in der Lage, weniger umfangreiche Rechenoperationen innerhalb kurzer Zeit durchzufuhren (z. B. einfache Multiplikationen). Bei umfangreicheren Rechenoperationen treten größere Mengen von Zwischenergebnissen auf. Die Aufnahmefähigkeit des Gedächtnisses wird überschritten. Man benötigt einen Zusatzspeicher, etwa einen Notizblock. Die eigentlichen Rechenoperationen (aufgeteilt in einzelne Rechenschritte) werden weiterhin im Gedächtnis durchgeführt. Die Zwischenresultate jedoch müssen notiert und bei der nächsten Operation wieder vom Notizblock abgelesen (ins Gedächtnis aufgenommen) werden — dies erfordert Zeit. Durch den Notizblock wird also die begrenzte Aufnahmefähigkeit (Kapazität) des Gedächtnisses umgangen. Die Operationszeit (Zugriffszeit) wird jedoch beträchtlich erhöht. Ersetzen wir nun das Gedächtnis in unserem Vergleich durch die Intern-SpeicherEinheit sowie den Notizblock durch die Extern-Speicher-Einheit, so erkennen wir sofort die Analogie der Aufgabenstellungen und der Arbeitsweisen. Wir können auf Grund der hier angestellten Überlegungen B1/38 zu B 1/48 erweitern.

B1/48: Struktur einer Datenverarbeitungsanlage

4. Aufbau einer Digital-Datenveraibeitungsanlage

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4.5.2.2. Intem-Speicher-Einheit Arbeitsspeicher Wie wir aus B1/47 schon entnommen haben, stellt der Arbeitsspeicher einen Kompromiß zwischen den sehr schnellen (dafür aber sehr teueren) und den relativ billigen (dafür aber auch langsameren) Speicherarten dar. Die Kapazität des Arbeitsspeichers moderner DVA liegt zwischen 4000 Bytes und 2 Mio. Bytes bedingt durch die immer noch hohen Kosten pro Bit. Die Aufgaben des Arbeitsspeichers lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: a) Speicherung des Programms und Abgabe der entsprechenden Befehle an das Steuerwerk, sobald sie von dort angefordert werden b) Übernahme der Daten von der Eingabe-Einheit, die entweder: im Arbeitsspeicher verbleiben oder : an die Extern-Speicher weitergegeben werden c) Abspeichern von Zwischen- und Endergebnissen der im Rechenwerk durchgeführten Operationen d) Abgabe von Ergebnissen und sonstigen Daten an die Ausgabe-Einheit e) Übernahme von abgespeicherten Tabellenwerten und Unterprogrammen aus der Extern-Speicher-Einheit Der Arbeitsspeicher stellt also den Kreuzungspunkt der Verkehrsadern (Kanäle) zwischen den verschiedenen Grundeinheiten dar, auf denen Befehle und Daten transportiert werden. Als Arbeitsspeicher wurden früher auch MagnettrommelSpeicher verwandt. Heute sind jedoch vorwiegend (Magnet-)Kernspeicher im Einsatz. Neue und aussichtsreiche Entwicklungen sind die Dünnschichtspeicher und vor allem der sog. Drahtspeicher. Auf das ihnen zugrundeliegende physikalische Prinzip und ihren technischen Aufbau werden wir in Teil IV genauer eingehen.

Schnellspeicher (Register) Für Sonderzwecke gibt es als Intern-Speicher noch sog. Schnellspeicher. Sie sind aus Flip-Flop (FF) aufgebaut. Darunter versteht man Baugruppen, die zwei elektrische Zustände (O, L) einnehmen und durch einen Impuls am Schaltungseingang von einem Zustand in den anderen gebracht werden können. Sie erreichen Schaltzeiten in der Größenordnung von 10 Nano-Sekunden! Sie eignen sich also sehr gut für Kurzzeitspeicher — etwa in Zusammenarbeit mit dem Rechenwerk. Da Flip-Flop-Speicher sehr teuer sind, werden sie meist nur für eine Kapazität von einigen Bytes ausgelegt. In dieser Form bezeichnet man sie dann als Register. Ein solches Register hatten wir schon im Akkumulator (AC) kennengelernt.

Teil I. Allgemeine Grundlagen

62

4.5.2.3. Extern-Speicher-Einheit Die Aufgabe der Extern-Speicher besteht in der Aufbewahrung von großen Datenmengen, die bei Aufruf an den Arbeitsspeicher zur weiteren Verarbeitung abgegeben werden können. Neben Daten können die Extern-Speicher natürlich auch Programme aufbewahren, um sie gegebenenfalls von dort schnell in den Arbeitsspeicher überfuhren zu können. Man umgeht damit die langsame Einlesezeit der Eingabegeräte. Bei vielen Rechenzentren hat man z. B. die gesamte Programm-Bibliothek — so bezeichnet man den Vorrat an fertigen, geprüften Programmen — auf Magnetband abgespeichert. Im Gegensatz zum Arbeitsspeicher besteht von den Extern-Speichern kein direkter Kontakt zum Rechenwerk. Der Datenfluß von der Extern-Speicher-Einheit zum Rechenwerk (oder zur Eingabe- bzw. Ausgabe-Einheit) und umgekehrt muß also stets über den Arbeitsspeicher geleitet werden! Neben den bisherigen Unterscheidungsmerkmalen für Speicher: Kapazität, Zugriffszeit, Kosten pro Bit sind bei den Extern-Speichern noch folgende zwei Kriterien von Bedeutung: wechselbare Speicherelemente oder nicht? wahlfreier Zugriff (random access) oder nicht? Unter auswechselbaren Speicherelementen versteht man die Möglichkeit, die Einrichtungen, in denen die Daten aufbewahrt sind, auszuwechseln. Die Magnetbandspule wäre beispielsweise ein auswechselbares Speicherelement. AUFGABEN zu 1,4.5. 1.

Welches Ordnungssystem besitzt der Speicher einer DVA? a) Einteilung in Speicherzellen und deren Durchnumerierung (Adressen) b) Ordnungssystem mit Adressen wird bei jedem Programm neu festgelegt c) jede Speicherzelle ist durch ihren Inhalt gekennzeichnet

2.

Durch welche Eigenschaften ist ein Speicher charakterisiert? a) Zugriffszeit, Wortlänge b) Wortlänge, Schaltkreistechnik, Kosten pro Bit c) Speicher-Kapazität, Zugriffszeit, Kosten pro Bit

3.

Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Kapazität und der Zugriffszeit eines Speichers? a) überhaupt keine Abhängigkeit b) etwa proportional c) umgekehrt proportional

4.

Mit welchen Speicherarten arbeitet eine DVA? a) Schnell-, Intern-Speicher b) Schnell-, Arbeits- und Großraum-Speicher c) Magnetband, Magnetplatten und Externspeicher

4. Aufbau einer Digital-Datemrerarbeitungsanlage

5.

63

Welche Speicher-Kapazität ist größer - die der Intern- oder die der Externspeicher? a) i. a. gleich groß b) Intern-Speicher c) Extern-Speicher

6.

Welche Speicher zählen zu den Intern-Speichern? a) Schnellspeicher (Register), Arbeitsspeicher (Kernspeicher) b) Magnetband-, Magnetplattenspeicher c) Trommel-, Magnetplatten-, Kernspeicher

7.

Was versteht man unter einem Register? a) Eingabegerät für Daten auf Lochkarten b) Speicher, der aus nur einer Zelle (für ein Wort) besteht c) Tastenfeld des Bedienungspultes

8.

Welche Größenordnung der Kapazität besitzt das menschliche Gedächtnis? a) 10 1 0 bit = lOMrd.bit b) 1 Mio. bit c) 100 Mio. bit

9.

Wahlfreien Zugriff (random access) besitzen: a) Magnetband, Lochkartenstapel b) Kernspeicher, Lochstreifen c) Trommelspeicher, Kernspeicher

10.

Welche Eigenschaften sind neben Kapazität, Zugriffszeit und Kosten pro Bit für die Beurteilung von Extern-Speichern noch von Bedeutung? a) ob wahlfreier Zugriff vorhanden, Wärmeerzeugung, Stromverbrauch b) Wärmeerzeugung, Zeit für Auswechseln der Speicherelemente c) ob wahlfreier Zugriff, ob auswechselbare Speicherelemente

11.

Aufgabe der Extern-Speicher sind: a) Aufnahme großer Datenmengen und Funktion als Arbeitsspeicher b) Funktion als Schnell- und Arbeitsspeicher c) Aufnahme großer Datenmengen und Aufnahme der ProgrammBibliothek

4.6. Grundeinheit: Steuerwerk Das Steuerwerk ist die komplizierteste Grundeinheit einer DVA. Seine Aufgabe läßt sich kurz folgendermaßen zusammenfassen: Das Steuerwerk soll die anderen Grundeinheiten so steuern und kontrollieren, daß alle der DVA aufgetragenen Operationen (die selbstverständlich innerhalb der Leistungsgrenzen der Maschine liegen) in ihrer zeitlichen Reihenfolge und

64

Teil I. Allgemeine Grundlagen

ihrem logischen Ablauf richtig ausgeführt werden. Hierzu muß natürlich das Steuerwerk über einen gewissen Steuerungsmechanismus verfugen, auf den wir im folgenden näher eingehen wollen. 4.6.1. Steuerungsarten

Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Steuerung einer DVA. Diese Steuerungsarten lassen sich in drei Gruppen unterteilen: externe Steuerung eingebautes Programm gespeichertes Programm

4.6.1.1. Extem-Steuerung Von der Extern-Steuerung einer DVA spricht man, wenn das Bedienungspersonal mit einzeln eingeschleusten Befehlen die Steuerung der Maschine übernimmt. Diesem Zweck dient das Steuerpult und die Protokollschreibmaschine. Aus zeitlichen und wirtschaftlichen Gründen sollten sie möglichst selten eingesetzt werden. Die Differenz zwischen der Arbeitsgeschwindigkeit der DVA und dem Bedienungspersonal ist so groß, daß eine Extern-Steuerung von DVA zu einer äußerst kostspieligen Angelegenheit würde. Dementsprechend bleibt die ExternSteuerung auch auf einige wenige, jedoch wichtige, Einzelfunktionen beschränkt, wie: Starten der DVA Anhalten der DVA logisches Prüfen von Programmschleifen technisches Prüfen von Baugruppen der DVA

4.6.1.2. Eingebautes Programm a) festverdrahtetes Programm Bei einem festverdrahteten Programm werden die einzelnen Steueranweisungen, die normalerweise den Befehlen entnommen werden, in die technische Konstruktion eingebaut. Die Befehlsfolge wird nicht als Programm in den Speicher eingelesen (wie in B1/38), sondern wird regelrecht,verdrahtet' — daher auch die Bezeichnung .festverdrahtetes Programm'. Die Maschine durchläuft also stets einen konstruktiv fest vorgegebenen Zyklus von Operationen. DVA, bei denen das Programm in den Speicher eingelesen wird, sind natürlich sehr universal einzusetzen — für ein neues Problem ist nur ein neues Programm einzulesen. Eine DVA mit festverdrahtetem, d. h., konstruktiv eingebautem Programm, ist dagegen eine sog. Einzweck-Maschine, d. h., sie ist nicht mehr universal einsetzbar. Man erreicht dafür aber einen anderen, oft entscheidenden Vorteil. Die DVA erzielt nämlich dadurch besonders hohe Rechen- und Operationsgeschwindigkeiten. Dies ist z. B. für die Lenkung von Raketen sowie für Bordrechner in Überschallflugzeugen und Raumfahrtkabinen unabdingbare Forderung.

4. Aufbau einer Digital-Datenverarbeitungsanlage

65

In diesem Zusammenhang sei noch einmal darauf hingewiesen, daß man unter dem Begriff DVA im weiteren Sinne eine Vielzahl von Computer-Typen unterbringen kann. Es ist also dabei nicht immer nur an die sog. Großrechner zu denken. Auch die hier erwähnten Spezialrechner, sowie Kleinrechner — etwa für einfachere Bürotechnik — fallen unter diesen Begriff. b) auswechselbare Programmspeicherelemente Faßt man die festverdrahteten Steuerungsverbindungen in sog. Schalttafeln zusammen, die man austauschen kann, so stellt die Maschine schon eine Mehrzweckmaschine dar. Ihre Flexibilität ist zwar noch nicht sehr hoch entwickelt, durch die Austauschbarkeit der Schalttafeln und damit der Programme, kann die Maschine doch für mehrere Zwecke (wenn auch noch nicht universal) eingesetzt werden. Statt die Befehlsfolge (Programm) innerhalb einer Schalttafel fest zu verdrahten, kann das Programm auch steckbar sein. Dabei werden die Verbindungen, die zur Steuerung der DVA nötig sind, nicht mehr gelötet, sondern steckbar ausgeführt — ähnlich einer Telefonvermittlungsstelle. Jeder einzelne Befehl wird also als Verbindung mittels eines Kabels .gesteckt'. Diese Art von Steuerung weisen viele der höher entwickelten konventionellen Lochkartengeräte (wie Tabelliermaschinen) auf. 4.6.1.3. Gespeichertes Programm a) extern gespeichertes Programm In den Anfängen der Entwicklung von DVA wurden die Programme als Befehlsfolgen in Lochstreifen gestanzt und in dieser Form .gespeichert' (z. B. die ersten Rechenanlagen von Zuse). Das Steuerwerk holte sich Befehl nach Befehl vom Lochstreifenleser ab und führte ihn aus. Eine ähnliche Arbeitsweise besitzen heute die numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen. Bei diesen werden die Werkzeugbewegungen durch zahlenmäßig (numerisch) im Lochstreifen abgespeicherte Koordinaten gesteuert. b) intern gespeichertes Programm Unter dem Begriff DVA im engeren Sinne versteht man heute nur noch Maschinen mit intern gespeichertem Programm — sog. speicherprogrammierte Anlagen. Hierbei wird das gesamte Programm in einem Arbeitsgang von der Eingabe-Einheit in die Speicher-Einheit übernommen. Von dort bewirkt es dann über das Steuerwerk den vollautomatischen Ablauf der gesamten Rechenoperationen. Der prinzipielle Unterschied zwischen einer digitalen, elektronischen DVA und einer konventionellen Büro-Rechenmaschine besteht also keineswegs darin, daß die DVA millionenmal schneller rechnet oder daß sie .elektronisch' arbeitet. Der

Teil I. Allgemeine Grundlagen

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4. Aufbau einer Digital-Datenveiaibeitungsanlage

67

entscheidende Unterschied zwischen einer DVA und einer Tischrechenmaschine liegt vielmehr in der vollautomatischen Programmsteuerung. Mit Hilfe des abgespeicherten Programms ist es nämlich möglich, die DVA eine nahezu beliebige Anzahl von Operationen, die wiederum in kompliziertester Weise von Zwischenergebnissen abhängig gemacht sein können, ohne Eingriff des Menschen ausführen zu lassen. Der gesamte Ablauf wird also automatisch vom Programm gesteuert. Eine echte DVA ist also aus ihrer technisch-logischen Konzeption heraus eine Vielzweck-Maschine (Universal-Maschine). Sie ist in ihrem Aufbau auf keinen bestimmten Sonderzweck zugeschnitten. Erst durch das Programm werden ihre universellen Eigenschaften für einen ganz bestimmten Zweck, einen festgelegten Rechen- oder Entscheidungsprozeß ausgenützt. Dadurch wird die UniversalMaschine zu einer Einzweck-Maschine. Die universale Verwendungsfähigkeit heutiger DVA gestattet es, die früher gegen" einander abgegrenzten Einsatzgebiete (Wissenschaft-Technik und kaufmännischer Bereich), für die jeweils eigene Maschinentypen entwickelt wurden, mit denselben Anlagen zu betreuen. Wir können zusammenfassend festhalten: Einzweck-Maschine = Universal-Maschine + gespeichertes Programm

Abgesehen von den wenigen externen Steuerungsmöglichkeiten über das Steuerpult handelt es sich bei einer EDVA um eine Maschine mit rein interner, automatischer Steuerung und Selbstkontrolle. Spricht man von .Programm-Steuerung', so meint man heute weitgehend nur noch .Steuerung über abgespeichertes Programm'. In B 1/49 sind die verschiedenen Steuerungsarten zusammengefaßt. 4.6.2. Aufgaben des Steuerwerks

Der zeitlich richtige Ablauf der Rechenoperationen in sowie zwischen den verschiedenen Grundeinheiten einer DVA werden vom Steuerwerk gelenkt und kontrolliert. Im Mittelpunkt der Steuerung steht also die Frage nach der zeitlichen Steuerung der verschiedenen Schaltkreise. 4.6.2.1. Synchroner Betrieb Bei DVA spricht man von .synchronem Betrieb', wenn für die zeitliche Steuerung der Maschine ein zentraler Taktgeber zur Verfügung steht. Dieser Taktgeber besteht aus einer elektronischen Schaltung, die periodisch elektrische Taktsignale abgibt (vgl. B1/50).

68

Teil I. Allgemeine Grundlagen

Sämtliche Schaltkreise der Maschine richten sich nach diesem zentralen Taktgeber. Sämtliche Operationen werden, während der Taktperiode t 2 , d. h., zwischen den Taktsignalen, durchgeführt. Das Taktsignal gibt sozusagen das Startzeichen für den Ablauf der verschiedenen logischen, elektrischen Verknüpfungen während der Taktperiode t 2 . t ! = Taktsignal-Dauer t 2 = Taktperioden-Dauer

Spannung u

Zeitt B1/50: Taktsignale bei synchronem Betrieb einer DVA

Alle elektrischen Einrichtungen richten sich nach dem Taktgeber - die DVA arbeitet demnach ,synchron'. Hierdurch wird eine relativ einfache zeitliche Kontrolle der vielen, oft gleichzeitig ablaufenden Vorgänge gewährleistet. Die zeitliche Dauer t j der Taktsignale darf nur einen Bruchteil der Taktperiodendauer t 2 betragen, um möglichst viel Zeit für die logischen Verknüpfungen freizuhalten. Die Taktfrequenz, d. h., die Anzahl der Taktperioden pro Sekunde, hängt natürlich eng mit der Arbeitsgeschwindigkeit der DVA zusammen. Neuere DVA haben Taktfrequenzen von 10 MHz (Mega Hertz) = 10 7 1/sec, d. h., Taktperioden von t 2 = ca. 100 Nano-sec. Da für die Ausführung eines Befehls ca. 50 Takte benötigt werden, sind solche DVA in der Lage, etwa 200000 Befehle in einer Sekunde auszuführen. Der Ablauf der vielen logischen Verknüpfungen, die von einem Befehl bewirkt werden und die nicht alle genau eine volle Taktperiode ausfullen, läßt sich graphisch angeben (vgl. B1/51). Da nicht jede logische Verknüpfung gerade eine Taktperiode ausfüllt, entstehen sog. Totzeiten. Diese Totzeiten gehen der Maschine für die effektive Arbeit verloren. Takt

Takt

Takt ->• Zeit t

Taktperiode t 2 Dauer einer Totzeit logischen Verknüpfung (benötigt keine volle Taktperiode) B 1/51: Auftreten von Totzeiten bei synchronem Betrieb

69

4. Aufbau einet Digital-Datenverarbeitungsanlage

4.6.2.2. Asynchroner Betrieb Bei einer DVA mit asynchronem Betrieb verzichtet man auf einen zentralen Taktgeber. Die einzelnen Operationen bestimmen ihren Zeitablauf selbst und geben nach Beendigung ihrerseits ein Signal an das Steuerwerk. Das Steuerwerk löst dann die nächste Operation aus. Die Einsparung des Taktgebers und der Verteilungskanäle für die Taktsignale ermöglicht einen etwas einfacheren Maschinenaufbau. Andererseits gestaltet sich die Kontrolle und Steuerung der DVA jedoch komplexer und schwieriger. Die dauernde Kontrolle des Betriebszustandes aller zusammenwirkender Teile des Systems seitens des Steuerwerks erfordert nämlich einen beachtlichen Aufwand. Von größerem Vorteil ist der Wegfall von Totzeiten, da Operationsanfang und Operationsende praktisch direkt aneinander anschließen. Die effektive Arbeitszeit der Anlage wird dadurch erhöht. kein Takt erforderlich

• t

(Dauer einer (der verschieden langen) logischen Verknüpfung B1/52: Operationsablauf bei asynchronem Betrieb

Völlig asynchron arbeitende Maschinen werden selten konstruiert. Jedoch werden in DVA mit synchronem Betrieb einzelne Einheiten (vorzugsweise das Rechenwerk) für asynchronen Betrieb eingerichtet.

4.6.2.3. Befehlsablauf Das Steuerwerk kontrolliert und steuert zwar die zeitlich und logisch einwandfreie Durchführung der Operationen durch die anderen Grundeinheiten der DVA — selbst muß es aber natürlich vorher auch klar definierte Anweisungen hierüber erhalten. Dies geschieht durch die Befehle, die als Programm fortlaufend im Speicher gelagert sind. Das Steuerwerk ruft sich die Befehle nacheinander aus dem Speicher ab, interpretiert sie und veranlaßt ihre Ausführung durch die anderen Grundeinheiten der DVA. Die Tätigkeit des Steuerwerks ergibt sich demnach zu: a) Übernahme des Befehls aus dem Speicher b) Interpretation des Befehls c) Abgabe von Steuersignalen an die anderen Grundeinheiten zu a) Das Steuerwerk besitzt ein sog. Befehlsregister (BR), in das der jeweils aktuelle Befehl des Programms aus dem Speicher übernommen wird (vgl. B1/53). Das

70

Teil I. Allgemeine Grundlagen

Befehlsregister stellt ein Speicherelement für 1 Wort (hier 1 Befehls-Wort) dar. Um die Adresse des jeweils folgenden Befehls zu .wissen', besitzt das Steuerwerk noch ein zweites Register, das sog. Befehls-Zähl-Register (BZR). Es enthält stets die Adresse des Befehls, der als nächster aus dem Speicher zu übernehmen ist. Demnach können wir in Kurzschreibweise festhalten:
:= auszuführender Befehl := Speicheradresse des folgenden Befehls Wir wissen, daß beim linearen Programmablauf die auszuführenden Befehle geordnet in aufeinanderfolgenden Speicherzellen abgespeichert sind. Die Adresse im BZR muß also mit jeder Ausführung eines Befehls um 1 erhöht werden. Dies besorgt ein kleines Addierwerk. Der Inhalt des BZR durchläuft also das +1 Addierwerk, wird hierbei um 1 erhöht und als neuer Inhalt ins BZR eingeschrieben. Dieser Vorgang läßt sich einfach formulieren: (BZR) := (BZR> + 1 Es sei nochmals auf die festgelegte Leserichtung des (Ergibt-)Zeichens := hingewiesen, das einer zeitlichen Zuordnung gleichkommt! zu b) Die Interpretation des aktuellen Befehls, der sich im BR befindet, ist die zweite Aufgabe des Steuerwerks. Wie wir aus 4.2.4. wissen, setzt sich ein Befehl aus Operationsteil (Op) und Adressteil (Ad) zusammen. Die Interpretation des Adressteils bedeutet keine Schwierigkeit. Der Adressteil enthält in direkter, binärer Form die Adresse (Hausnummer) des Operanden, mit dem ,etwas geschehen soll'. Mit Hilfe der Adresse aus dem Adressteil des aktuellen Befehls ist also der Operand einfach im Speicher aufzufinden. Ist jedoch der aktuelle Befehl ein Sprung-Befehl, so bedeutet der Inhalt des Adressteils nicht die Adresse eines Operanden, sondern die Adresse des folgenden Befehls. Das BZR darf also nicht — wie beim linearen Ablauf — routinemäßig um 1 erhöht werden. Es muß vielmehr auf die Adresse des Adressteils eingestellt werden. Wir können also festhalten: bei Sprung-Befehlen gilt: (BZR) := Ad Schwieriger als mit dem Adressteil (Ad) ist es mit dem Operationsteil (Op) des Befehls bestellt. Aus 4.2.4.4. ist bekannt, daß der Operationsteil die Instruktionen meist in codierter Form enthält. Der Operationsteil muß also regelrecht interpretiert, entschlüsselt werden. Dies übernimmt ein sog. Zuordner. Dies ist eine elektronische Einrichtung, die etwa bei bestimmten Buchstaben-Kombinationen (wie ADD) im Op auf ganz bestimmte Steuerkanäle elektrische Signale abgibt. Diese Steuerkanäle fuhren zu den übrigen Grundeinheiten der DVA. Befiehlt beispielsweise der Operationsteil (in der Form ADD) die Operation Addition', so benötigt die DVA für die Ausführung dieses Befehls ca. 50 Takt-

4. Aufbau einer Digital-Datenverarbeitungsanlage

71

perioden. Der gesamte Additionsvorgang setzt sich nämlich aus SO Einzeloperationen, sog. Mikro-Befehlen, zusammen. Vergleich: bei der Addition zweier mehrstelliger Zahlen von Hand müssen auch die Stellen einzeln addiert und gegebenenfalls Überträge berücksichtigt werden. Es werden also auch hier Einzeloperationen ausgeführt, deren richtige Reihenfolge wir aus der Routine heraus automatisch einhalten. Die Mikro-Befehle und ihre Reihenfolge liegen im Rechenwerk als festverdrahtetes Programm vor. zu c) Das ADD im Operationsteil bewirkt also über den Zuordner bestimmte Steuersignale an das Rechenwerk. Diese Steuersignale veranlassen nur den Start des entsprechenden Mikro-Programms im Rechenwerk. Der weitere Ablauf des Rechengangs wird vom Rechenwerk selbst durchgeführt und kontrolliert. Die ,Einzeloperationen' werden also vom Rechenwerk selbst überwacht. Befehle

Steuersignale

Speicher

B 1/5 3: Befehlsinterpretation

Weitere Funktionen der vom Zuordner ausgehenden Steuersignale sind neben dem Einleiten von autonomen Mikro-Programmen vor allem das Öffnen und Schließen von sog. elektrischen Toren. Dies sind Schaltkreise, mit deren Hilfe den elektrischen Signalen die Wege (Kanäle) für logische Verknüpfungen und Transportzwecke geöffnet oder verschlossen werden können. 4.6.3. Programmablauf bei einer Einadress-Maschine

In 4.2.4.4. wurde festgestellt, daß die Einadress-Maschine ein spezielles Register, den Akkumulator (AC), besitzt. Bei jeder Operation mit zwei Operanden (wie

72

Teil I. Allgemeine Grundlagen

Addition, Multiplikation etc.) befindet sich jeweils der 1. Operand im Akkumulator. Am Ende der Operation befindet sich dort deren Resultat. Im vorhergehenden Abschnitt haben wir die einzelnen Baugruppen des Steuerwerks (Befehlsregister BR, Befehls-Zähl-Register BZR) sowie deren Aufgaben näher betrachtet. Dieses Wissen wollen wir nun hier verwerten, um an Hand von B1/54 deren Zusammenwirke^ mit den anderen Grundeinheiten einer DVA zu beleuchten.

RECHENWERK ~tr

AC

I SPEICHER Programm

Daten Operanden-Adresse

Befeftls-

i • B'IR Op

L

i

Sprung

Ad

linear

k

L

-

BZR -,

+1

Zuordner

I ' i Taktgeber

Steuersignale STEUERWERK

Daten,

AC = Akkumulator, Op = Operationsteil,

Befehle,

BR = Befehls-Register, Ad = Adressteil

BI/S4: Blockschaltbild einer 1-Adress-Maschine

Steuersignale

BZR = Befehls-Zähl-Register

4. Aufbau einer Digital-Datenverarbeitungsanlage

73

Programmablauf: Zunächst wird das Programm (Befehlsfolge) über die Eingabe-Einheit in den Speicher eingelesen. Veranlassen können wir dies über das Steuerpult. Das Programm belegt also schon einen Teil der Speicher-Kapazität. Einen weiteren Teil des Speichers belegen wir mit den zu verarbeitenden Daten, die wir ebenfalls von der Eingabe-Einheit in den Speicher übernehmen. Die nun noch verbleibenden, freien Speicherzellen benötigen wir für die Zwischen- und Endergebnisse. Beim Start des automatischen Programmablaufs innerhalb der DVA gelangt die Adresse des ersten Befehls in das BZR. Das BZR veranlaßt nun, daß der Inhalt der Speicherzelle mit eben dieser Adresse als erster Befehl in das BR übernommen wird. Der Inhalt des BZR durchläuft daraufhin eine Schleife, die in der Stellung .linearer Ablauf steht. In dieser Schleife befindet sich ein +1 Addierer, der den Inhalt des BZR um 1 erhöht. Der (neue) Inhalt des BZR ist somit für die folgende Adress-Angabe an den Programm-Speicherteil vorbereitet. Ist der im BR befindliche aktuelle Befehl ausgeführt, so wird entsprechend der Angabe des BZR der nächste Befehl aus dem Speicher übernommen, ausgeführt etc. Diese lineare Abarbeitung der Befehlsfolge wird, wie wir wissen, durch einen Sprung-Befehl im Programm unterbrochen. Gelangt nämlich ein Sprung-Befehl ins BR, so wird der Adressteil des Befehls in das BZR eingeschrieben. Der bisherige Inhalt des BZR wird also nicht — wie üblich — um 1 erhöht, sondern völlig ersetzt. Der lineare Befehlsablauf wird also unterbrochen und an anderer Stelle des Programms fortgesetzt (vgl. B 1/22). Die Art der Befehlsübernahme ist nun geklärt. Wie aber wird der Befehl interpretiert und ausgeführt? Nehmen wir an, der aktuelle Befehl im BR sei ein Additions-Befehl. Durch eine vorhergehende Operation stehe der 1. Operand schon im Akkumulator. Es muß also der 2. Operand zum AC-Inhalt addiert werden. Der Operationsteil Op des aktuellen Befehls wird mit Hilfe eines Zuordners decodiert und in entsprechende Steuersignale umgewandelt. Diese Steuersignale bewirken nun folgendes: a) Lesen der Zelle des Daten-Speicherteils, deren Adresse im Adressteil Ad des aktuellen Befehls steht. (Der Speicher erhält also über Ad die Adresse für den 2. Operanden.) b) Übertragen der gelesenen Zahl (2. Operand) in das Rechenwerk c) .Anstoßen' des autonom ablaufenden Mikro-Programms Addition' im Rechenwerk Die Steuersignale sind also bei diesem Additionsbefehl hauptsächlich an den Speicher und das Rechenwerk gerichtet. Bei einem Ausgabe-Befehl wären vor allem Speicher und Ausgabe-Einheit betroffen. Die zeitliche Synchronisation aller Abläufe bewirkt der zentrale Taktgeber des Steuerwerks.

74

Teil I. Allgemeine Grandlagen

Ein Programmschritt setzt sich somit aus zwei Teilen zusammen: Phase der Übernahme des Befehls, Phase der Ausfuhrung des Befehls Befehl 1

, . g 1/55^ Übernahme-Phase • .

Befehl 2 Befehl 1

Befehl 2

1 Programmschritt

Zeitt —

Ausführungs-Phase

BI/SS: Zeitlicher Ablauf eines Programmschrittes Den beschriebenen Ablauf eines Programmschrittes können wir bedeutend übersichtlicher und einfacher als zeitlich-logisches Flußdiagramm darstellen (vgl. B1/56).

Befehl lesen (Adresse aus BZR) Übernahme-Phase

:=+1 1. Operand vom AC ins RW

(BZR) := Ad Mikroprogramm

2. Operand vom Speicher ins RW

des

Operation im RW

Rechen werks

Resultat ins AC

B1/56: Flußdiagramm für den Ablauf eines Programmschrittes

Ausführung»-Phase

4. Aufbau einer Digital-Datenveiarbeitungsanlage

75

4.7. Grundeinheit: Rechenwerk Die bisher besprochenen Grundeinheiten einer DVA konnten wir in ihren Wirkungsweisen verstehen, ohne besonders auf ihren konstruktiven Aufbau eingehen zu müssen. Allein die Aufgabe des Rechenwerks — die gesetzmäßig sinnvolle Verknüpfung von Daten — erfordert ein genaueres Eingehen auf die mathematischen Gesetzmäßigkeiten sowie die technische Konzeption des Rechenwerks. Da wir dies aber erst in Teil II und III tun wollen, müssen wir uns an dieser Stelle mit einer kurzen Darstellung begnügen. 4.7.1. Fähigkeiten des Rechenwerks

Das Rechenwerk ist in der Lage, zwei Arten von Operationen durchzufuhren: arithmetische und logische Operationen. An arithmetischen Operationen vermag das Rechenwerk die vier Grundrechenarten: Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, durchzuführen. Im Grunde beherrschen elektronische Rechenwerke eigentlich nur die Addition. Die übrigen drei Grundrechenarten werden nämlich auf die Addition zurückgeführt (vgl. II 2.3.3). Die logischen Operationen, zu der das Rechenwerk in der Lage ist, dienen dem Größenvergleich zweier Daten x und y. Wie wir aus B 1/19 wissen, werden solche Entscheidungen für die Auswahl der zu durchlaufenden Programmzweige an Programmweichen benötigt. Derartige Größenvergleichsoperationen sind etwa: x = y (x gleich y) x > y (x größer y) x < y (x kleiner oder gleich y) Diese Fähigkeit des Vergleichens und die davon abhängige Programmsteuerung haben wir schon des öfteren als charakteristisch für die Flexibilität der DVA erkannt. 4.7.2. Aufbau des Rechenwerks

Um die genannten Operationen gesetzmäßig durchführen zu können, sind natürlich mehr oder minder komplizierte elektronische Schaltkreise erforderlich. Man kann jedoch vereinfachend sagen: das Rechenwerk setzt sich aus drei Baugruppen zusammen: a) Addierwerk b) einige Register c) Rechensteuerung zu a) Da Subtraktion, Multiplikation und Division auf die Addition zurückführbar sind, genügt es, das Rechenwerk mit einem Addierwerk auszurüsten, zu b) Die Register (meist drei) dienen dazu, die Operanden, Zwischen- und Endresultate, aufzunehmen. Eines dieser Register haben wir schon im Akkumulator (AC)

Teil I. Allgemeine Grundlagen

76 Speicher

*

•4

Register r

1I i : : Speicher

AC

^

iIi ',

Rechen-

-

Zuordner im Steuerwerk

Addierer

i

m

'

c

Steuerung

(vgl. B 1/54)

Register

B1/57: Prinzipieller Aufbau eines Rechenwerks

kennengelernt. Der Akkumulator kann also entweder als-Speicherelement zur Speicher-Einheit gezählt werden oder aber als Teil des Rechenwerks betrachtet werden. zu c) Im vorhergehenden Abschnitt hatten wir festgestellt, daß der Operationsteil des aktuellen Befehls im BR die entsprechende Operation (etwa Addition) zwar vorbereitet, den Ablauf der eigentlichen Operation (des Mikro-Programms) im Rechenwerk aber durch Steuersignale nur startet. Ein Additionsbefehl kann nicht in einer Taktzeit erledigt werden. Das Steuerwerk muß für den Antransport der Operanden sorgen. Die Stellen der beiden Operanden müssen etwa nacheinander addiert, dabei auftretende Überträge berücksichtigt und evtl. notwendiges Auf- oder Abrunden der Ergebnisse vorgenommen werden. Auch das Verschieben des Registerinhalts nach links oder rechts um eine oder mehr Bit-Stellen ist manchmal während des Rechengangs erforderlich. Alle diese Elementaroperationen, die zusammen etwa 50 Takte benötigen und aus denen sich die Operation (etwa ADD) des aktuellen Befehls zusammensetzt, müssen natürlich gesteuert und überwacht werden. Soweit diese Elementaroperationen nun im Rechenwerk selbst ablaufen, werden sie von einer internen Rechensteuerung mit Hilfe von sog. Mikro-Befehlen gesteuert und kontrolliert. Die Gesamtheit einer Mikro-Befehlsfolge bezeichnet man als Mikro-Programm. So besitzt etwa die Rechensteuerung ein (meist festverdrahtetes) Mikro-Programm für: Addition, Multiplikation, Linksverschieben etc. Die Steuersignale, die vom Operationsteil des aktuellen Befehls im Befehlsregister ausgehen, schaffen also die Voraussetzung für den Ablauf des Mikro-Pro-

4. Aufbau einer Digital-Datenveraibeitungsanlage

77

gramms und starten es. Die Mikro-Befehlsfolge läuft dann - von der Rechensteuerung überwacht — selbständig ab und gibt am Ende ein Signal an das Steuerwerk. Das Steuerwerk übernimmt nun wieder die weitere Steuerung (Abtransport des Ergebnisses, Einleitung der nächsten Operation etc). Durch die interne Rechensteuerung, die oft im asynchronen Betrieb abläuft (vgl. 4.6.2.2), wird die hohe Geschwindigkeit des Rechenwerks ermöglicht. Neben der Zugriffszeit des Speichers ist natürlich die Geschwindigkeit des Rechenwerks von entscheidendem Einfluß auf die Gesamtgeschwindigkeit einer DVA. Für die Addition einer Zahl mit 12 Ziffern benötigt eine mittlere DVA ca. 50 ;us (= 50 Millionstel sec). Besonders schnelle DVA brauchen hierzu nur noch ca. 1 /¿s, d. h., es sind theoretisch 1 Mio. Additionen pro Sekunde durchführbar. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, daß noch viele Transportzeiten zusätzlich aufgebracht werden müßten. Modifikation: Neben den arithmetischen Operationen vermag das Rechenwerk auch logische Operationen, wie Vergleiche, durchzuführen. Vom Ergebnis dieser Vergleiche kann aber der weitere Programmablauf abhängig gemacht sein. Dies ist bei den bedingten Befehlen der Fall. Es muß also die Möglichkeit vorgesehen sein, abhängig vom Resultat im Rechenwerk, die vom Operationsteil Op ausgehenden Steuersignale durch die Rechensteuerung über den Zuordner abzuändern, zu modifizieren (vgl. B1/54). In Abschnitt 4.3. bis 4.7. haben wir nun die fünf Grundeinheiten einer DVA: Eingabe-, Ausgabe-Einheit, Speicher, Steuerwerk, Rechenwerk näher kennengelernt. Um aber aus einer solchen Universal-Maschine eine Einzweck-Maschine zu machen, benötigen wir ein Programm. Es wäre denkbar, daß wir uns nun im Anschluß an diese Besprechung der Grundeinheiten einer DVA mit dem Aufbau und der Formulierung von Programmen befassen. Wir wollen dies aber auf Teil V verschieben und uns vorher in Teil II, III, IV mit den mathematischen, logischen und technischen Grundlagen einer DVA näher vertraut machen. Dadurch werden wir einige Erleichterungen im Verständnis der Programmerstellung haben.

Teil II. Mathematische Grundlagen

1. Mathematische Begriffe Bevor wir uns mit den verschiedenen Zahlensystemen, die in der DV verwandt werden, sowie den Grundlagen der Informationstheorie beschäftigen, wollen wir uns mit den gängigen mathematischen Begriffen, die zu deren Beschreibung unerläßlich sind, vertraut machen. Wir werden sehen, daß diese elementaren Begriffe: Potenz, Logarithmus, Fakultät, Binomialkoeffizient, mit relativ einfachem mathematischen Verständnis zu erfassen sind.

1.1. Potenz An mehreren Stellen dieses Buches wird der Begriff .Potenz' benutzt. Die Fähigkeit mit der Potenzschreib weise umzugehen, gehört zu den elementaren algebraischen Grundkenntnissen, die auch der mathematisch nicht besonders geschulte Leser unbedingt beherrschen sollte. Wir werden den Potenzbegriff vor allem in den Abschnitten .Informationstheorie' und .Zahlensysteme' sowie in Tabellenangaben benötigen. Deshalb wollen wir die Potenz-Darstellung und die PotenzRechenregeln irvgedrängter Form angeben. Dabei werden wir zur schnelleren Erfassung des Stoffes immer wieder kleine Zahlenbeispiele einblenden. 1.1.1. Rechenregeln

Definition: Allgemein läßt sich die m-te Potenz von einer beliebigen Zahl z in folgender Form angeben: z m (sprich: z hoch m) m nennt man dabei den Exponenten z nennt man dabei die Basis

Interpretation: Für ganzzahliges, positives m besagt diese Schreibweise folgendes: z

m

=zz

m Faktoren

z•z

1. Mathematische Begriffe

79

Beispiel: es sei: z = 3, m = 5 (= ganzzahlig und positiv) dann erhalten wir: z m = 3 5 = 3 • 3 • 3 • 3 • 3 = 243 Ist m ein positiver Bruch, so bedeutet z m die 1/m -te Wurzel aus z: zm = Beispiel: es sei: z = 243, m = 1/5 (= positiver Bruch) dann erhalten wir: z m = 243 1/5 = V " 2 4 3 = V

3 • 3 • 3 • 3 • 3 =V ^

=3

Welche Bedeutung die Potenz z m für negatives m annimmt, werden wir noch in B II/1 sehen. Für Potenz-Ausdrücke gelten die folgenden elementaren Umformregeln, die häufig eine Auswertung dieser Ausdrücke erleichtern: (1)

z°

= 1

= Definition: die o-te Potenz irgendeiner Zahl z ist stets 1 — unabhängig vom Wert für z.

(2) (3)

z1 zm

= z = l/z m

(4)

z 1 /" 1 = ^ V ^

= m-te Wurzel aus z.

Beispiel: Für m = 2 erhält man die Quadratwurzel \ f z , wobei man die 2 nicht schreibt. Für m = 3 erhält man die Kubikwurzel Für m = 4 erhält man die 4. Wurzel aus z, nämlich usw. (5) | z m • z" = z m + n hierbei ist n ebenso wie m ein Exponent. (6) | ( z m ) n = z m

n

Für beliebige Zahlen z x und z 2 gilt: (7) |(z, - z 2 r = z ? - z ? Mit diesen 7 Grundregeln kann man natürlich noch weitere Beziehungen herleiten. Beispiel: VFr=(Vz)

m

Diese Aussage wollen wir mit Hilfe der Grundregeln beweisen. Dabei geben die Ziffern über den Gleichheitszeichen die jeweilige Grundregel an, nach der die Umformung vorgenommen wurde.

Teil II. Mathematische Grundlagen

80

n / ^ m 4 zm/n _ z m(l/n)

Beweis:

^ ( z ' T ^ ) "

1

Wir erhalten also die oben behauptete Beziehung: V ^

r

= eVz)m

Zahlenbeispiel hierzu: es sei: m = 2, n = 3, z = 8 Lösung durch direkte Auswertung:

n ^ = V82" = V 6 4 = V 4 * = 4 Lösung mit der abgeleiteten Beziehung: V F

= (V"8)2 = ( V ^ ) m

7

B II/l: mögliche Formen des Potenzausdrucks z m

2

= (2) 2 = 2 2 = 4

81

1. Mathematische Begriffe 1.1.2. Potenzformen

Die Eigenschaften, die für den Exponenten m zugelassen sind und nach denen man unterscheiden kann, sind im Flußdiagramm B II/l zusammengestellt. In dieser Zusammenstellung B II/l unterscheiden wir zunächst danach, ob die Zahl m kleiner, gleich oder größer Null ist. Für m = o gilt — unabhängig vom jeweiligen Zahlenwert von z — die Definition: z° = 1 Für m größer (>) bzw. kleiner ( 2 5 = 81-1/4 = v i r = V 3 3 r =3 3. Wie groß ist der Transformationsmodul M für die Umwandlung von dekadischen Logarithmen in Dual-Logarithmen nach der Regel: ld z = M • lg z ? a) M = log 10 2 = lg 2 = 0,301 b) M = lg (10 2 ) = 2-lg 10 = 2 - 1 = 2 c) M = l/log 1 0 2 = 1/lg 2 = 1/0,301 = 3,32 7 4. Welchen Wert besitzt der Binomialkoeffizient Q ) ? P\ = 7! V 41 ( 7 . 3 ) ! b

=

5040 = 35 24-24 4

>=:rf^=7-5=35

7! r\ P\ = = 5040 _ „ C) V 3! (7 - 3)! 6 • 24

88

Teil II. Mathematische Grandlagen

2. Zahlensysteme In diesem großen Abschnitt werden wir uns mit den verschiedenen Zahlensystemen befassen, die gegebenenfalls für die DV von Interesse sein können. Mit dem Dezimal- und dem Dual-System müssen wir uns eingehender beschäftigen, da sie für die DV von besonderer Bedeutung sind. So werden wir die Durchführung der 4 Grundrechenarten in diesen beiden Systemen sowie die Umwandlung des einen Systems in das andere eingehend untersuchen. 2.1. Definition von Zahlensystemen Anhand des Dezimal-Systems werden wir versuchen, die Eigenschaften ausfindig zu machen, die es uns ermöglichen, eine verallgemeinerte Definition eines Zahlensystems anzugeben. 2.1.1. Dezimal-System

Um also die Bedeutung der verallgemeinerten Schreibweise dieses Zahlensystems und anschließend des Dual-Systems zu verstehen, gehen wir vorteilhaft von dem uns allen aus dem Alltag geläufigen Dezimal-System, das auf der Basis B = 10 beruht, aus. 2.1.1.1. Ganze Dezimalzahlen Zunächst beschränken wir uns auf ganze Dezimalzahlen, wir klammern also die Brüche noch aus. a) Stellen- und Potenz-Schreibweise Wie wir schon in I, 2. festgestellt haben, ist die Stellenschreibweise für das Dezimal-System typisch. Danach bedeutet die Stellenschreibweise 6809 folgendes: 6809 = 6 - 1000 + 8- 100 + 0- 10 + 9- 1 Der Wert ein und derselben Ziffer hängt von ihrer Stellung innerhalb der Zahl ab. Von rechts nach links nimmt ihr Wert von Stelle zu Stelle um den Faktor B = 10 zu. Die in der Ziffernstellung steckenden 10er Faktoren werden vom Lesenden beim Interpretieren der Dezimalzahl stillschweigend mjfberücksichtigt. Verwenden wir die uns bekannte Potenz-Schreibweise für die 10er Faktoren, so erhalten wir: Stellenschreibweise: Potenzschreib weise: 6809 = 6 • 103 + 8 • 102 + 0 • 101 + 9 • 10° Numerieren wir also die Stellenzahl von rechts nach links mit 0, 1, 2 (beachte: Beginn der Numerierung mit 0), so gibt der Exponent der 10er Potenz die Stelle der Ziffer an, die vor dieser Potenz steht. Die Potenzschreibweise 8 • 102 besagt demnach: die Ziffer 8 steht in der Stellenschreibweise auf Nr. 2.

2. Zahlensysteme

89

Wir können nun allgemeiner angeben: Eine beliebige, ganze Dezimalzahl z mit einer Stellenzahl n + 1 würde in Stellenschreibweise lauten: z = bn V i b 2 bx b„ Hierbei können die bj jeweils eine der Ziffern 0, 1, 2 , . . . 8,9 des DezimalAlphabets bedeuten. In bj ist nacheinander i = 0,1, 2 n - 1 , n zu setzen. Beispiel: Bei unserer 4stelligen Dezimalzahl z = 6809 wäre: n = 3, bQ = 9, bx = 0, b 2 = 8, b 3 = 6 In Potenzschreibweise würde die allgemeine Darstellung einer (n + 1) stelligen, ganzen Dezimalzahl (Basis B = 10) lauten: z = b„-10" + b n .!-10"" 1 + . . . . + b r 101 + b 0 -10° auch hier gilt: bi = eine Ziffer aus dem Dezimalalphabet wobei i = 0,1, 2, n b) Kurzform Um den Schreibaufwand zu reduzieren, verwenden wir eine Kurzform, die sich des sog. Summenzeichens bedient: n z = 2 V iff i=o

Diese Darstellung besagt, daß für i nacheinander die Werte 0,1, 2 n - 1 , n, genommen, der jeweilige Ausdruck bj- 10* gebildet werden soll und alle diese Ausdrücke addiert werden sollen. Diese Summation ergibt explizit die Potenzschreibweise. Man sagt: i = o ist die untere Grenze der Summe i = n ist die obere Grenze der Summe 2.1.1.2. Echte Dezimalbrüche Bisher haben wir uns nur mit ganzen Dezimalzahlen befaßt. In der üblichen Stellenschreibweise können wir aber mit Hilfe der Kommastellung auch gebrochene Zahlen, sog. Dezimalbrüche anschreiben. So werden etwa DM-Angaben mit Pfennigbeträgen als Dezimalbrüche in Stellenschreibweise angegeben (z. B.: 1,25 DM). Man unterscheidet zwischen echten und unechten Brüchen. Ein echter Bruch (z. B.: 1/4 = 0,25) enthält keinen ganzzahligen Anteil. Ein unechter Bruch läßt sich in einen ganzzahligen Anteil und einen echten Bruch aufteilen.

90

Teil II. Mathematische Grundlagen

Beispiel: unechter Bruch = ganzzahliger Anteil + echter Bruch 5/4=1,25 = 1 + 0,25 Die echt gebrochene Dezimalzahl z = 0,25 lautet in Potenzschreib weise: z = 0,25 = 5 • 10"2 + 2 • 1 0 1 + 0

10°

Die Kurzform hierzu lautet: o

z =2J

b

i'

1()i

b

i=-2

o =

0

b_! = 2 b_2 = 5

Eine echt gebrochene Dezimalzahl besitzt demnach als untere Summengrenze eine negative ganze Zahl und als obere Summengrenze 0. Es gibt aber auch Brüche, die unendliche Dezimalbrüche ergeben. Beispiel: z = 1/3 = 0,333 . . . . = 0,3 z = 1/7 = 0,142857 142857 . . . = 0,142857 Diese Ausdrücke brechen an keiner Stelle 101 mit endlichem, ganzem negativem i ab. Für die untere Summengrenze müssen wir also i = - 0 0 (i gleich minus Unendlich) zulassen. Beispiel: z = 1/3 lautet in Kurzform: mit : b 0 = 0

o z =

2

, b

i

1

°

i

sonst: bi = 3

i=-oo

2.1.1.3. Allgemeine Dezimalzahl Wir wollen nun auch noch unechte, unendliche Brüche zulassen. Beispiel: z = 24/11 =2,4555 = 2,45 Als zusammenfassendes Ergebnis unserer Überlegungen in 2.1.1.1. und 2.1.1.2. können wir dann allgemein festhalten: Jede beliebige Dezimalzahl z (ganz, echt oder unecht gebrochen, endlich oder unendlich gebrochen) läßt sich in folgender Form darstellen: z^bi-lO

1

i=m

wobei die bj eine der Ziffern 0 , 1 , . . . 8,9, des Dezimalalphabets bedeutet und i die ganzen Werte von m bis n durchläuft.

91

2. Zahlensysteme

Welche Werte m und n jeweils annehmen, können wir aus der Zusammenstellung der bisherigen Ergebnisse in B II/S entnehmen.

z = b„ b„-i . . . b 0 , . . . b m + 1 b n

Potenzschreibweise

ausgeschrieben

-z = b n - 10" + . . . + b 0 - 10° + . . . + b m - 10 m n

Kurzform

bi • 10j

B II/4: Darstellungsarten einer Dezimalzahl Summengrenze

B II/5: Verschiedene Formen von Dezimalzahlen

2.1.2. Allgemeines Polyadisches Zahlensystem

Durch den täglichen Umgang mit dem Dezimal-System (Währungseinheit und Längeneinheit sind bei uns dezimal aufgebaut) sind wir damit so sehr vertraut, daß wir i. a. gar nicht daran denken, es nur als ein Zahlensystem unter vielen möglichen zu sehen. Schon in der Schule werden wir doch nur mit dem Dezimalsystem vertraut gemacht. Dabei wäre der Umgang mit anderen Zahlensystemen - beim selben Lernaufwand — keinesfalls schwieriger. Wir sind nur nicht vertraut damit. Es gibt sogar Zahlensysteme, deren Rechenregeln um vieles einfacher als die des Dezimal-Systems sind. So wird z. B. das Dual-System u. a. gerade aus diesem Grunde in der DV eingesetzt (vgl. 2.2.3).

Teil II. Mathematische Grundlagen

92

Am Dezimal-System ist das Charakteristische die Basis B = 10. Es ist aber denkbar, Zahlensysteme mit einer anderen Basis aufzubauen. Die Basis B gibt den Systemen auch ihren Namen, wie: B=2 B=5 ß =8

Dual -System Quinär-System Oktal -System

Beim Dezimal-System gibt B = 10 den Faktor 10 an, um den sich die einzelnen Stellen der Dezimalzahl unterscheiden. Ferner sind nur die zehn Ziffern des Dezimal-Alphabets 0, 1, 2 , . . . 8, 9 zugelassen. Völlig analog gibt die Basis B = 8 beim Oktal-System den Faktor 8 an, um den sich die einzelnen Stellen der Oktalzahl unterscheiden. Zugelassen sind hier die acht Ziffern des Oktal-Alphabets 0, 1, 2 , . . . 6, 7. Beispiel: Die Oktalzahl 352 würde in Potenzschreibweise lauten: z = 352 = 3 • 8 2 + 5 • 8 1 + 2 • 8° Eine Oktalzahl lautet allgemein: z=2V8' i=m

wobei bj jeweils eine Ziffer aus dem Oktal-Alphabet 0, 1, 2 . . . 6, 7 bedeuten kann. Es gilt also die Einschränkung: 0 < b; < 8 Aus dem Vergleich des Oktal-Systems mit den Ergebnissen aus der Untersuchung des Dezimal-Systems kommen wir zur allgemeinen Form eines beliebigen polyadischen Zahlensystems (Begriffserklärung siehe unten). Mit den Einschränkungen: B> 2 und: 0o ^o >o w •t \o -t >n •o- >o vo •o VO •n •-o •n vo •ü- >n VO >o VO •et VO t >o >o t >o •o VO • =

18 22 9,5 8

xj,x2

>

0

und:

Mit dem hier nicht angegebenen Simplex-Algorithmus errechnet sich die optimale Lösung zu: Xi = 2 hl

x2=6hl

z = 420 DM

Die verschiedenen DV-Herstellerfirmen bieten heute leistungsfähige DV-Programme für die Lösung von Linearen Programmierungs-Problemen an, z. B.: ILONA, MPS, LINOP 400, OPTIMA etc. Die maximale Zahl sowohl der zugelas-

342

Teil V. Organisatorische Grundlagen

senen Nebenbedingungen als auch der Variablen liegt — firmenabhängig — zwischen einigen hundert und einigen tausend. Die Rechenzeiten liegen zwischeneinigen Minuten und zwei Stunden. Typische Anwendungsgebiete der Linearen Programmierung sind: Produktionsprogrammplanung Transportoptimierung Planung optimaler Mischungen Minimierung von Schnittverlusten Investitions-/Kapazitätsplanung Standortplanung Planung optimaler Reiserouten

4.2.2.3. Netzplantechnik Eine weitere OR-eigene Technik, die Netzplantechnik, erleichtert die Planung meist einmaliger, häufig komplexer Projekte wie: Errichtung eines Staudamms, Reaktorbau, Einführung eines DV-Systems, Bau einer neuen Universität, Entwicklung neuer Erzeugnisse, Wartungsarbeiten, Markteinführung neuer Produkte, Auftragsabwicklung. 1957/58 wurden die drei grundlegenden Netzplantechniken entwickelt, auf denen heute eine Vielzahl von Variationen, Verbesserungen und Erweiterungen aufbauen. Sie heißen: PERT = Program Evaluation and Review Technique CPM = Critical Path Method MPM = Metra Potential Method Graphische Darstellungen zeigen die wechselseitigen, zeitlich und technologisch bedingten Abhängigkeiten der Vorgänge (Tätigkeiten, Aktivitäten) eines Projektes. Um die grundsätzliche Vorgehensweise bei der Erstellung und Durchrechnung eines Netzplans zu zeigen, sei ein zwar völlig unrealistisches vergröbertes, dafür aber leicht verständliches CPM-Beispiel angeführt. Das Projekt .Einführung einer DVA in eine Unternehmung' wurde in 5 Vorgänge unterteilt. Jedem Vorgang entspricht ein Pfeil. Die Pfeillänge ist beliebig und gibt keine Auskunft über die Vorgangsdauer! Alle von einem Knoten (Kreis) abgehenden Vorgänge dürfen frühestens dann starten, wenn alle auf den Knoten zulaufenden Vorgänge abgeschlossen sind. Der Endtest beispielsweise kann erst durchgeführt werden, wenn sowohl die Organisation/Programmierung als auch die Installationsarbeiten abgeschlossen sind. Jedem Vorgang wird eine errechnete oder geschätzte Zeitdauer D zugeordnet. Die Knoten werden durchnumeriert (1 bis 5).

4. Anwendungsbereiche der DV

343

B V/29: Grob-Netzplan .Einführung einer DVA'

Die Berechnung des Netzplans erfolgt in folgenden Schritten: 1) In einer Vorwärtsrechnung wird für jeden Knoten ein frühester Zeitpunkt F errechnet! a) Startknoten: F = 0 b) F eines Knotens = F des vorausgehenden Knotens + Dauer D c) führen mehrere Pfeile zu einem Knoten, so ergibt b) mehrere F-Werte, von denen der größte eingetragen wird. 2) In einer Rückwärtsrechnung wird ein spätester Zeitpunkt S errechnet, wobei alle Pfeilrichtungen umgedreht gedacht werden. a) Zielknoten: S = F (in B V/29: S = F = 14) b) S eines Knotens = S des vorausgehenden Knotens — Dauer D c) fuhren mehrere (umgedreht gedachte) Pfeile zu einem Knoten, so ergibt b) mehrere S-Werte, von denen der kleinste eingetragen wird. 3) Für jeden Vorgang lassen sich daraus folgende Termine errechnen, die die Einhaltung des Projektendtermins sicherstellen: a) frühestmöglicher Anfang: FA = F des Pfeil-Anfangs-Knoten. b) frühestmögliches Ende: FE = FA + D c) spätestzulässiges Ende: SE = S des Pfeil-Ende-Knotens d) spätestzulässiger Anfang: SA = SE - D 4) Puffer eines Vorgangs: P = SE-FE Alle Vorgänge mit dem Puffer Null bilden den kritischen Weg. Jeder Vorgang in diesen Vorgängen wirkt sich in gleichem Maße auf den Projektendtermin aus. Diese Vorgänge sind demnach besonders zu überwachen.

Teil V. Organisatorische Grundlagen

344

4.2.2.4. Simulation Mit der Größe und Komplexität eines realen Systems, sei es ein technisches oder wirtschaftliches, wächst die Schwierigkeit, analytische, also formelmäßig rechenbare Modelle zu bilden. Die Simulation erweist sich dann als geeignete Methode, um das komplexe Realsystem in einem Modell abzubilden und ausgehend von Modellaussagen auf Eigenschaften des wirklichen Systems zu schließen. An einem Modell lassen sich Operationen vornehmen, die an einem Realsystem auszuführen zu teuer, zu zeitaufwendig, zu gefährlich oder gar unmöglich wären. Die Natur- und Ingenieurwissenschaften bedienen sich dieser Vorteile der Modellabbildung schon sehr lange. Immer mehr wird jedoch die Simulationstechnik auch in anderen Wissenschaften, insbesondere den Wirtschaftswissenschaften eingesetzt. Wirtschaftliche Modelle werden im Gegensatz zu den technischen, die z. T. für Analogrechner programmiert werden, nahezu ausschließlich auf digitalen DVA simuliert. Die Simulation kann eingesetzt werden: a) zur Lösung betrieblicher Einzelaufgaben (Lagerhaltungspolitiken) b) zur Abbildung des Geschehens in unternehmerischen Teilbereichen (Absatzbereich) c) zur Abbildung des Geschehens in der ganzen Unternehmung. Werden in ein Simulationsmodell der Gesamtunternehmung menschliche Entscheidungsträger als .Mitspieler' einbezogen, so spricht man von Unternehmungsoder auch Planspielen. Der Ursprung der Planspielidee liegt - wie der anderer Methoden des Operations Research - im militärischen Anwendungsbereich. Als DVModelle abgebildete Sandkastenspiele dienten dazu, den Offiziersnachwuchs im Fällen von strategischen und taktischen Entscheidungsketten auszubilden und zu üben. Seit 1956, initiiert durch die American Management Association, wurde eine Vielzahl von Planspielen entwickelt, und zur Alis- und Weiterbildung von jungen Führungskräften der Wirtschaft eingesetzt. Normalerweise nehmen an einem Planspiel mehrere konkurrierende Gruppen, die meist aus vier Personen bestehen, teil. Die wirtschaftlichen Entscheidungen werden als Daten in die DVA eingelesen. Diese errechnet auf Grund dieser Daten, der aktuellen Betriebszustände und der Gesetze des Modells die neuen Betriebszustände und gibt sie als Ergebnisdaten an die Gruppen aus. Da mehrere derartige Perioden in kurzer Zeit erarbeitet werden können, sind langfristige Auswirkungen betrieblicher Entscheidungen erkennbar.

4. Anwendungsbeieiche der DV

345

4.2.3 Management-1 nformations-System

Die Datenverarbeitungsanlagen der ersten und zweiten Generation wurden nahezu ausschließlich für Aufgaben des Rechnungswesens eingesetzt. Heute dagegen werden immer mehr Unternehmensbereiche in die Bearbeitung durch die DVA einbezogen, wobei eine hohe Integration der Dateien angestrebt wird. Ein sehr wesentlicher Teil der DV-Arbeiten in Produktionsbetrieben entstammt dem Fertigungsbereich. Programmpakete für Bedarfs-, Bestands- und Bestellrechnung sowie Zeitplanung und Kapazitätsterminierung müssen erstellt und laufend verbessert werden. Der Wunsch und die Hoffnung, leistungsfähige Methoden der Führungstechnik, wie die des Operations Research, auf kommerzielle und technische Aufgabengebiete, die mit der betrieblichen Datenverarbeitung heute schon oder in Zukunft gelöst werden, anzuwenden, bilden den Hintergrund für die Entwicklung des Begriffs: Management-Informations-System (abgekürzt: MIS). Ein System ist eine abgrenzbare Menge von Elementen mit gegenseitigen Beziehungen. Ein Informationssystem besteht aus Informationsquellen, die durch Kommunikationsbeziehungen zu einem Ganzen gefiigt sind. Information dient einerseits der Entscheidungsfindung durch Erhöhung des Wissensstandes und andererseits der Entscheidungsdurchsetzung in Form von Anweisungen unterschiedlichster Art. Einzeldateien müssen zu einer integrierten Datenbank zusammengefaßt werden. Die verschiedenen betrieblichen DV-Programme für kommerzielle oder technische Aufgabenstellungen sind so aufeinander abzustimmen, daß die Ergebnisse eines Programms als Eingabedaten eines anderen benützt werden können. Das betriebliche DV-System muß sich verstärkt der Steuerungsfunktion zuwenden. Die Dokumentationsfunktion eines reinen Abrechnungssystems allein genügt nicht mehr. Eine Erweiterung zu einem integrierten Planungs-, Steuerungs- und Kontrollsystem wird angestrebt. Dem Management der verschiedenen Stufen - verstanden als Führungskräfte der unteren, mittleren und oberen Ebene - kann ein MIS adäquat verdichtete Informationen hoher Aktualität liefern. Erfahrungen beim Aufbau von MIS liegen erst sehr sporadisch vor. Allgemein gültige Strukturen lassen sich heute noch nicht angeben, eher schon Forderungen an derartige Systeme. 4.3. Numerisch gesteuerte Maschinen Unter numerisch gesteuerten Maschinen versteht man allgemein Maschinen, deren Bewegungen durch Information digitaler Natur gesteuert werden. Meist dient ein Lochstreifen als Datenträger. Die Erstellung des Steuerlochstreifens geschieht auf Grund umfangreicher Berechnungen in einer DVA. In Zukunft wird man weitgehend von dieser off-line-Verarbeitung, die mittels Zwischenschaltung eines Datenträgers geschieht, zur on-line-Verarbeitung übergehen. Dabei ist die numerisch gesteuerte Maschine an die DVA gekoppelt und bezieht von dieser unmittelbar die Steuerinformationen.

346

Teil V. Organisatorische Grundlagen

4.3.1. Werkzeugmaschinen

Die numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen bewirken große Veränderungen in der Fertigungstechnik. Sie ermöglichen umfangreiche Automatisierung auch bei der Einzel- und Kleinserienfertigung. Die Vorteile des Einsatzes derartiger NC-Maschinen sind u. a.: a) b) c) d)

Einsparung von Maschinen infolge größerer Arbeitsgeschwindigkeiten einfacher und schneller Fertigungsprogrammwechsel weniger Ausschuß und weniger Stichproben weniger kostspielige Vorrichtungen

B V/30: Einsatz einer NC-Maschine

Die automatische Erstellung des Steuerlochstreifens erfolgt entsprechend B V/30. In der Arbeitsvorbereitung werden der Fertigungszeichnung die Maße entnommen. Anhand dieser Angaben erfolgt die Erstellung des Bearbeitungsprogramms in einer problemorientierten Programmiersprache (z. B.: EXAPT). Außer geometrischen Angaben für Punkt-, Strecken- und Bahnsteuerung sind auch technologische Angaben möglich. Das Programm wird in Lochkarten gelocht und in die DVA eingelesen. Ein Compiler interpretiert und verarbeitet das Programm. Dieser Compiler wird auch ,Processor' genannt. Dieser soft-ware-Begriff darf aber nicht mit dem gleichlautenden hardware-Begriff ,Processor' in B V/23 verwechselt werden.

4. Anwendungsbereiche der DV

347

Die Aufgaben des Processors sind u. a.: a) Prüfung der Syntax b) Makros durch Unterprogramme ersetzen c) geometrische Bewegungen unter Einhaltung der Toleranzen berechnen und zugehörige Steuerbefehle erzeugen d) technologische Werte errechnen Die vom Processor erzeugten Zwischenresultate beinhalten die Bahnbeschreibungen der Werkzeugbewegungen. Sie werden auf Magnetband oder Magnetplatte zwischengespeichert. Um diese allgemein gehaltenen Zwischenergebnisse für eine spezielle Werkzeugmaschine verwertbar zu machen, wird noch ein Anpassungsprogramm (Postprocessor) benötigt. Der Postprocessor liefert den Steuerlochstreifen für die NC-Maschine. Soll also eine DVA verschiedene Werkzeugmaschinen mit Steuerlochstreifen versorgen, so sind ein Processor und mehrere Postprocessors erforderlich. 4.3.2. Zeichengeräte Die numerische Steuerung durch DVA im off-line- und on-line-Verfahren beschränkt sich nicht nur auf Werkzeugmaschinen. Auch Zeichengeräte, sog. Koordinatographen, werden auf diese Weise gesteuert. In IV, 3.3.4. wurden Einsatzbeispiele für derartige Geräte angeführt. 4.3.3. Verdrahtungsmaschinen Zur Verdrahtung elektrischer Schaltungen werden numerisch gesteuerte Verdrahtungsmaschinen eingesetzt. Eine DVA ermittelt, ausgehend von den Verdrahtungspunkten, die optimale Lage der Kabelbäume. Diese Information wird über einen Steuerlochstreifen von der Verdrahtungsmaschine automatisch verwertet. 4.3.4. Setzmaschinen Numerisch gesteuerte Setzmaschinen werden vorwiegend bei der Satzherstellung für Zeitungen angewandt. Der Text wird von einer DVA entsprechend der gewünschten Spaltenaufteilung und des Zeilenaufbaus der Zeitungsseite zergliedert. Dabei wird eine automatische Silbentrennung und ggf. auch eine Textkorrektur vorgenommen. Der erzeugte Steuerlochstreifen übernimmt die Steuerung der Setzmaschine. 4.4. Prozeßrechner 4.4.1. Struktur eines Prozeßrechnersystems Unter einem Prozeßrechnersystem versteht man die on-line-Kopplung einer DVA mit einem technischen Prozeß. Der Prozessrechner dient der Steuerung, Regelung, Überwachung und Optimierung des technischen Prozesses. Als technischer

348

Teil V. Organisatorische Grundlagen

Prozess sind komplexe technische Vorgänge zu bezeichnen, deren Funktionen und Leistungen durch Meßgeräte erfaßt und mittels Stellglieder gesteuert und geregelt werden. Sowohl Meßgeräte als auch Stellglieder können analoger oder digitaler Art sein. Typische derartige Prozesse liegen bei Raffinerien, Hüttenwerken und Kraftwerken vor. In das technische System werden Gase, Flüssigkeiten oder auch feste Körper sowie Energie in irgendeiner Form eingeleitet. Ziel der Umwandlungsvorgänge ist es nun, das erwünschte Ausgangsprodukt unter möglichst optimalen Bedingungen herzustellen. Es wird hohe Ausbeute und gleichbleibende Qualität bei möglichst geringem Energieverbrauch angestrebt. Dazu müssen Temperaturen, Drücke, Feuchtigkeit, Säuregehalt, Mischungsverhältnisse, Durchflußmengen und andere Regelgrößen auf einen Sollwert eingeregelt werden. Den jeweiligen Sollwert erhält man entweder über bekannte Reaktionsgleichungen, empirisch aus Versuchen oder als Simulationsergebnisse. In der konventionellen Prozesssteuerung wurden für die verschiedenen Regelgrößen dezentrale, analoge Einzelregler eingesetzt. Sie sorgten für eir. Konstanthalten der Regelgrößen und ermöglichten einen weitgehend statischen Prozessverlauf. Durch den Einsatz eines zentralen Prozessrechners wird eine dynamische Regelung möglich. Übergeordnete Optimierungsgesichtspunkte und schnelle Anpassung des gesamten Systems an veränderte Parameter ergeben eine wirkungsvolle Prozessführung. Der zentrale Prozessrechner übernimmt die Funktionen vieler bisher dezentraler Regler (hundert und mehr). Man spricht von einer digitalen Vielfachregelung (DDC = direct digital control). Der prinzipielle Aufbau eines Prozessrechnersystems ist in B V/31 angegeben. Die verschiedenen analogen Regelgrößen, wie Temperatur, Druck, Durchflußmenge, werden dem technischen Prozess durch Meßgeräte entnommen. Es sind einige Hundert bis einige Tausend derartiger Meßstellen vorhanden. Die Meßgeräte werden entweder periodisch oder auf Befehl des Prozessrechners hin abgefragt. Sie geben die Meßwerte in Form analoger Spannung»- oder Stromwerte weiter. Da als Prozessrechner ein Digitalrechner verwendet wird, müssen diese analogen Werte mit Hilfe eines Analog/Digital-Wandlers in digitale Eingabesignale umgewandelt werden. A/D-Wandler arbeiten mit ca. 30000 Umsetzungen pro Sekunde. Die weitaus geringere Abfragefrequenz der Meßgeräte erlaubt es, viele Meßgeräte von einem A/D-Wandler bedienen zu lassen. Die elektrische Kopplung übernimmt ein sog. Multiplexer. Der technische Prozess liefert auch digitale Meldungen, wie Ventilpositionen. Die gesamten Eingabesignale, ggf. zusammen mit Steuerpultanweisungen des Operators, werden in der Zentraleinheit verarbeitet. Dazu dient ein Programm, das ein mathematisches Modell des technischen Prozesses beschreibt. Die Ergebnisse werden als digitale Stellbefehle oder — über einen Digital/Analog-Wandler -

4. Anwendungsbereiche der DV

349

als analoge Sollwerte an die entsprechenden Stellglieder weitergegeben. Als Stellglieder dienen Motoren, Schütze, magnetische und pneumatische Ventile, Anzeigenlampen, Alarmleuchten. Auf einem Fernschreiber wird Protokoll gefuhrt. Um die Gefahr des Prozessstillstands bei Ausfall der Zentraleinheit weitgehend auszuschalten, sind für die wichtigsten Regelkreise zusätzlich analoge Einzelregler eingebaut, die ggf. eine manuelle Regelung der technischen Anlage erlauben. Es kann aber auch eine zweite Zentraleinheit parallel geschaltet sein - sie übernimmt die Prozess-Steuerung, sobald die erste ausfällt. Im Normalfall fungiert die zweite Zentraleinheit als Dispositionsrechner und verarbeitet betriebswirtschaftliche Programme (Lagerhaltung, Terminplanung etc.). Auf Grund der vielfältigen Aufgabenstellung muß ein leistungsfähiger Prozessrechner on-line-Betrieb, Multiprogramming mit Prioritäten und eventuell auch Multiprocessing beherrschen.

technischer Prozess

X L

-J

. . . .

X L

aMW

Meß"- J gerate

Multiplexer

X .... L

-J

55 s

Alarm

dS

dM

Multiplexer

Stellglieder

Verteiler

aSW Verteiler i >

A/D-Wandler

D/A-Wandler Zentraleinheit

Steuerpult

Fern-

Lochstreifen-

schreiber

leser

Bildschirm

Abkürzungen:

aMW = analoge Meßwerte dM = digitale Meldungen dS = digitale Stellbefehle aSW = analoge Sollwerte

B V / 3 1 : Prinzipieller Aufbau eines Prozessrechnersystems

0

350 4.4.2.

Teil V. Organisatorische Grundlagen Anwendungsmöglichkeiten für Prozeßrechner

Von den drei Bereichen der industriellen Produktionstechnik, der Energie-, Verfahrens- und Fertigungstechnik, sind vorwiegend die ersten beiden für den Einsatz von Prozeßrechnersy steinen geeignet. Die Verfahrenstechnik erstellt und verarbeitet — meist in einem kontinuierlichen Prozeß — amorphe Güter wie Gase, Flüssigkeiten und Schüttgüter. Ähnliches gilt für die Energieversorgung, die weitgehend kontinuierliche Flüssigkeits-, Wärme- und Stromflüsse zu verteilen hat. Aber selbst die vielgestaltigeren Arbeiten der Fertigungstechnik werden, wie der Abschnitt über NC-Maschinen zeigte, in Zukunft prozeßrechnergesteuert ablaufen. Kennzeichnende Bereiche der Verfahrenstechnik sind Großchemie und Eisenhüttenwesen. Prozeßrechnersysteme werden heute schon zur Globalsteuerung von Raffinerien in der Petrochemie errichtet, wobei auch Pipelines in das System einbezogen werden. In ca. 500 Eisenhüttenwerken der Welt werden heute Prozeßrechner eingesetzt. Drei Aufgabenbereiche bieten sich dabei an: Hochofenbetrieb, Blasstahlwerke und Walzwerke. Bei der intermittierenden Konvertertechnik eines Blasstahlwerdes sind drei Zielgrößen von grundsätzlicher Bedeutung für das Regelungsmodell des Prozessrechners, nämlich: Kohlenstoffgehalt, Endtemperatur und Gewicht der Rohstahlcharge. Im Walzwerk übernimmt der Prozeßrechner die Zeit- und Ablaufplanung der Walzstraßen. Weiterhin werden für jedes Walzenpaar Drehmoment, Walzkraft und Walzgutabnahme pro Durchlauf errechnet. Durch den Einsatz von Prozeßrechnern ergeben sich im Hüttenwerk u. a. folgende Vorteile: a) höhere Ausbringung durch Verkürzung der Chargen und Durchlaufzeiten b) Energieeinsparungen c) gleichbleibende Qualität d) einfacherer Produktionsprogrammwechsel In der Energieversorgung werden in Wasser-, Wärme- und Kernkraftwerken Prozeßrechner eingesetzt. Sie überwachen Anlagenteüe, lösen Optimierungsaufgaben, führen Protokoll über den Betriebsablauf und übernehmen die umfangreiche Betriebsabrechnung. In Kernkraftwerken sind umfassende kerphysikalische Berechnungen erforderlich. In Wärmekraftwerken wird der Anlauf der Generatoren sowie Wirk- und Blindleistungssteuerung den Prozeßrechnern überlassen. In Wasserkraftwerken ist der Wasserdurchlauf sowie der Oberwasserpegel zu kontrollieren und die Maschinensatzsteuerung nach 24h-Fahrplan vorzunehmen. Die Überwachung und Steuerung von Flußgrößen findet sich aber auch in Schienen- und Straßenverkehr. Zur Optimierung von Streckenbelegungen und Fahrplänen im Schienenverkehr werden schon lange DVA eingesetzt. Prozeßrechner werden nun aber auch zur Fernsteuerung von Weichen und Signalen, ja für die Automatisierung ganzer Streckenabschnitte eingesetzt. Rangierbahnhöfe des Güterverkehrs werden durch Prozeßrechner betrieben. Voraussetzungen sind u. a.: Zusammenlegung dezentraler Rangierbahnhöfe zu wenigen

4. Anwendungsbereiche der DV

351

zentralen, Tagesleistungen mehr als tausend Waggons, automatische Waggonkupplungen. Die erzielten Vorteile sind: a) geringe Transportzeit der Güter b) kürzere Umlaufzeit der Waggons c) Verminderung von Stockungen d) Einsparung von Arbeitskräften Der wachsenden Verkehrsnot in Städten kann nur durch Lösungen, die einen besseren Verkehrsfluß gewährleisten, Einhalt geboten werden. Außer dem Straßenbau erweist sich der Einsatz sog. Verkehrsrechner als sehr erfolgreich. Der Wirkungsgrad rechnergesteuerter Verkehrssysteme liegt sogar um einiges höher als der rein baulicher Maßnahmen. Schon 1958 wurden in Toronto 16 Kreuzungen des Großstadtbereiches mit Hilfe eines Verkehrsrechners gesteuert. Heutige Verkehrsrechner erlauben den Anschluß von mehr als 1000 Ampelanlagen, was eine großflächige Verkehrssteuerung ermöglicht. Sie werden auch in mehreren europäischen Großstädten eingesetzt. Die Verkehrsflußmessungen geschehen mittels sog. Fahrzeug-Detektoren, die vor den Ampelanlagen angebracht sind. Es werden mechanische (Schwellen), photoelektrische (Photozellen), elektromagnetische (Drahtschleifen) und akustische (Ultraschall) Detektoren zu Zählzwecken eingesetzt. Über ein ausgebautes Nachrichtennetz gelangen diese Zählergebnisse zum zentralen Verkehrsrechner und werden dort verarbeitet. Der Verkehrsrechner kann entweder einen optimalen Signalplan errechnen oder einen Signalplan aus einer Sammlung abgespeicherter Standardpläne herausgreifen. Die Anweisungen des gewählten Signalplans werden an die Ampelanlagen weitergeleitet. Aufgrund verschärfter Sicherheitsanforderungen und räumlicher Beschränkung wurde in den letzten Jahren ein spezieller Typus von Prozeßrechnern entwickelt: der Bordrechner. Die meist aus hochwertigen MSI- oder LSI-Schaltungen aufgebauten Bordrechner sind meist nicht größer als ein Kofferradio und begnügen sich mit einer Leistungsaufnahme von nur ca. 50 Watt. Die vielfältigen Aufgaben eines solchen Prozeßrechners lassen sich zu vier Gruppen zusammenfassen: a) Verarbeitung von Meßdaten b) Aufnahme, Speicherung, Entschlüsselung und Weitergabe von Steuerbefehlen c) Fluglagesteuerung d) Betriebssicherung Eine Vielzahl weiterer technischer Prozesse kann heute schon und erst recht in Zukunft modellmäßig abgebildet, programmiert und damit von Digital-, Analogund Hybridrechnern überwacht, gesteuert und geregelt werden. Beispiele für die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten sind: Flugsicherung, automatischer Fluggepäcktransport, computerüberwachte Fernschreib- und Fernsprechnetze, automatische Briefverteilanlage, Zeit- und Ortsüberwachung von Omnibussen etc.

352

Teil V. Organisatorische Grundlagen

Der Einsatz von Prozeßrechnern zur Überwachung nichttechnischer, biologischer Prozeßabläufe findet in Pflegestationen von Krankenhäusern Anwendung. Meßgeräte, die den Patienten laufend oder periodisch überwachen, geben über eine Kopplung mit einem Kleinrechner Alarmsignale an das Pflegepersonal ab, sobald Grenzwerte überschritten werden. Derartige Prozeßkleinrechner, die zur Überwachung biologischer oder technischer Funktionen eingesetzt werden, werden auch compact-computer genannt. 4.5. Nichtbetriebliche Informationssysteme Im Gegensatz zu den MIS, in denen die Steuerungsfunktionen gleichberechtigt oder gar dominant wirksam ist, werden in den letzten Jahren Pläne und Realisationen von nichtbetrieblichen Informationssystemen bekannt, in denen die Dokumentationsfunktion überwiegt. Sie werden treffend auch als Auskunftssysteme bezeichnet. Derartige Informationssysteme können von staatlichen oder halbstaatlichen Institutionen oder von privaten Unternehmungen getragen werden. Zu nennen sind u. a.: a) Diagnostik-Informationssysteme b) Staatsbürger-Datenbank c) Staatliche Straßen-Datenbank d) Informationssystem des Patentamtes e) Informationssystem der Kriminalämter f) Informationssystem von Presse und Rundfunk g) Informationssystem an Hochschulbibliotheken h) erwerbswirtschaftlich betriebenes privates Auskunfts system i) privates Immobilien Auskunftssystem Die Wissensexplosion der letzten 20 Jahre zwang zu ernsten Überlegungen über die Möglichkeiten, Wissen zu speichern und zu dokumentieren. Neue Speichermethoden, wie Mikrofilm, wurden erfunden. Schwerpunkt der heutigen Forschungsarbeiten ist das damit verbundene und gleichzeitig weiterreichende Problem des ,information retrieval', der Informations-Wieder- bzw. Neuauffindung. Wie in vielen anderen Wissensgebieten, liegt auch in der Medizin die Zuwachsrate des Wissens sehr hoch, bei ca. 10% pro Jahr. Ein einzelner Arzt ist nicht mehr in der Lage diesen so entstehenden Wissensumfang auch nur annähernd aufzunehmen, laufend zu erweitern, zu verarbeiten und in praktische Therapien umzusetzen. Hochwertige mechanische und elektronische Geräte sind heute aus der Chirurgie nicht mehr wegzudenken. Mit ähnlichen Geräten werden heute unbestreitbare Erfolge in der Symptomerfassung erzielt. In Zukunft — die in .praktizierten Experimenten' schon begonnen hat — werden auch die Bereiche der Diagnose und der Therapie ohne technische Hilfe, insbesondere ohne den Einsatz von DVA, im Interesse des Patienten nicht bewältigt werden können. An einem Schema soll der grundsätzliche Aufbau eines sog. Diagnostik-Informationssystems dargestellt werden (B V/32).

4. Anwendungsbereiche der DV

23

Dworatschek

353

354

Teil V. Organisatorische Grundlagen

Zwei Zentren beherrschen dieses spezielle Mensch-Maschinensystem, das biologische Zielzentrum ,Patient' und das technische Informationszentrum ,DVA'. Über die Pflegestationen werden persönliche Daten und die Krankheitsgeschichte des Patienten mittels Lochkarten oder Markierungsleser in die DVA eingegeben. Eine weitergreifende Eingabemöglichkeit, wie sie etwa in Stockholm schon praktiziert wird, eröffnet sich durch den Aufbau und Einsatz einer Datenbank, die Krankheits- und Behandlungsvorgeschichte und kritische medizinische Daten mehrerer Millionen potentieller Patienten enthält. Meß- und Testwerte werden im Labor ermittelt und durch z. T. automatische Analysatoren über off-line oder on-line an die Zentrale DVA, die als Prozeßrechner arbeitet, weitergegeben. Da gleichzeitig vom Prozeßrechner auch Anweisung an die verschiedenen Pflegestationen weitergegeben werden, arbeitet dieser im Time-Sharing-Betrieb. Daten der Krankheitsgeschichte, der Untersuchung und der Laboranalysen liefern der DVA die Symptomeingangsdaten für die S/D-Datei. In ihr werden den Symptomkombinationen Diagnosen zugeordnet. Die heutigen Schwierigkeiten liegen weniger in der Bereitstellung technischer Einrichtungen, als vielmehr dem Mangel an einer allgemeingültigen, exakten medizinischen Wissenssystematik. Etwa 100.000 mögliche Syptome müssen auf die etwa 10.000 bekannten Krankheiten projiziert werden, wobei eine Diagnose auch das kombinierte Auftreten mehrerer Krankheiten erkennen muß. Daraus schon werden die beachtlichen Anstrengungen ersichtlich, die von der medizinischen Wissenschaft erbracht werden müssen, um allein die Problemstufe der Diagnose zu lösen. Diese Schwierigkeiten potenzieren sich, soll durch die DVA über eine D/T-Zuordnungsbank aus der erstellten Diagnose ein optimaler Therapievorschlag ermittelt werden. Sicherlich werden die von großen Chemie-Unternehmen geschaffenen Arzneimittel-Dateien in ein derart umfangreiches Informationssystem einbezogen. Umgekehrt kann die Forschung und Praxis von einer laufend erweiterten Datei der medizinisch-wissenschaftlichen Statistik Vorteile bei der Arbeit erwarten. Ärztliche Intuition ist — wie die Intuition auf anderen Gebieten — sicherlich erfolgreich auf unerforschtem Terrain, aber ebenso sicher, wie die Praxis zeigt, keine optimale Suchmethode im großen Bereich der bekannten Krankheiten. Die aufeinander abgestimmte Zusammenarbeit von Diagnostik-Informationssystem, Arzt und Patient wird der Medizin und dem Patienten zum Vorteil gereireichen. Das Problem der Geheimhaltung, die durch hardware-, insbesondere aber durch geeignete Software-Maßnahmen sichergestellt werden kann, stellt sich auch bei staatlichen Informationssystemen wie: Staatsbürger-Datenbank, Informationssystem der Kriminalämter oder des Patentamtes. Quantitative Gründe — jährlicher Neueingang von 150.000 Patenten im deutschen Patentamt! — und qualitative Nebenbedingungen (wie Gesetzgebung) zwingen zum Einsatz von DVA, Da-

4. Anwendungsbereiche der DV

355

tenbanken, Datenübertragungseinrichtungen und Mikrofilmanlagen. Im Patentamt können in einer ersten Ausbaustufe Daten der Patentanmeldung, Patentjahresgebühren, Statistiken und wichtige Verfahrensfristen durch das Informationssystem aufgenommen und verwaltet werden. Eine höhere Ausbaustufe kann den Bibliothek- und Dokumentationsdienst erweitern und Gebrauchsmuster- und Warenzeichenverwaltung übernehmen. Als wichtiger Träger für Massenbestände an Daten erwies sich der Mikrofilm in seinen unterschiedlichen Anwendungsformen. Eine Folie der Größe DIN-A6 nimmt beispielsweise durch Verkleinerung die Information von ca. 3 0 0 0 DIN-A4-Seiten auf. Der gleiche Datenträger ,Mikrofilm' wird natürlich auch in zukünftigen Informationssystemen von Hochschulbibliotheken eine entscheidende Rolle spielen. Eine moderne Hochschulbibliothek umfaßt ca. 1 Mill. Bände. Innerhalb eines Tages werden ca. 1500 Ausleihen und ebensoviele Rückgaben getätigt. Die dabei anfallenden, umfangreichen Registrier- und Dokumentationsaufgaben können weitgehend einer DVA aufgebürdet werden. Die Erfassung neu erschienener Bücher geschieht einmalig in einer Zentralbibliothek. Die Katalogisierung nach Titelkategorien übernimmt ein spezielles Programm der DVA. Es existieren schon Programme zur Übersetzung und zu Erstellung von Kurzfassungen technischer Literatur. Die Ausleihe erfolgt mit Ausweisen, die mit codierter Benutzernummer versehen sind. Auch private, erwerbswirtschaftlich betriebene Informatinssysteme bedienen sich der Vorteile des Mikrofilmspeichers. Eine DVA übernimmt dabei die elektronische Registratur und die Arbeiten der Informationsauffindung (information retrieval). Hundert Millionen und mehr Dokumente über Fakten aus Wissenschaft, Technik, Wirtschaft, Politik und Kultur müssen — über Stichworte codiert — in ein derartiges elektronisches Nachschlagewerk jährlich aufgenommen werden. Ähnliches gilt für ein Informationssystem von Presse und Rundfunk. In den nächsten Jahren werden sicherlich Informationssysteme für sehr unterschiedliche Zwecke errichtet werden. Sehr vielen von ihnen wird aber die Datenfernverarbeitung als technisch-organisatorischer Betriebsmodus gemeinsam sein.

4.6. Datenfernverarbeitung 4.6.1.

Definition

Die Datenfernverarbeitung (engl.: teleprocessing, telecomputing) entsteht, wenn die Datenverarbeitung mit der Datenübertragung gekoppelt wird. Bewußt wurde nicht der Ausdruck Datenfernübertragung benutzt. Kennzeichnendes Merkmal der Datenfernverarbeitung ist keineswegs die Überbrückung großer Entfernungen, wie es der Name anzudeuten scheint. Als entscheidend vielmehr erweist sich heute die Möglichkeit — unabhängig vom Standort der zentralen DVA — Ein — bzw. Ausgabestationen am Ursprungs- bzw. Bestimmungsort der Daten und Programme einzurichten. 23 *

356

Teil V. Organisatorische Grundlagen

Die Diskrepanz zwischen Form und Inhalt des Begriffs .Datenfernverarbeitung' ist nur eines der Beispiele für Bedeutungsverschiebungen in einem schnell wachsenden Gebiet. Zugleich kennzeichnet es aber auch die oft wenig vorausschauende und saloppe Begriffswahl in der Datenverarbeitung. Bestimmende Baugruppen eines Datenfernverarbeitungsnetzes sind: (vgl. S. 264): a) Datenverarbeitungsanlagen b) Übertragungsleitungen c) Endgeräte Das Netz kann nicht nur eine zentrale Groß-DVA, sondern auch deren mehrere gekoppelt enthalten (z. B. bei Großbanken). Sehr häufig werden sog. Satellitenrechner (Kleinrechner) Informationen vor der Absendung verdichten und nach Empfang zu Druckzwecken entsprechend umgruppieren (z. B. bei dezentralen Zweigwerken). Die unterschiedlichen Übertragungsleitungen wurden auf S. 281 ff angeführt. Als Endgeräte können die üblichen Ein-/Ausgabegeräte, aber auch speziell konstruierte terminals dienen.

DFÜ = DNÜ =

Datenfernübertragung Datennahübertragung

B V/33: Beispiel für die Struktur einer Datenfernverarbeitung

4. Anwendungsbereiche der DV

357

Luftfahrtgesellschaften, Kreditinstitute und Versicherungen wenden die Datenfernverarbeitung schon seit mehreren Jahren an. Aber auch Produktionsbetriebe machen sich dieses leistungsfähige Kommunikationsverfahren zunutze. In B V/ 33 ist eine mögliche Anwendung der Datenfernverarbeitung skizziert. Die Datenfernverarbeitung kennt i abhängig von Netzaufbau, Gerätekonfiguration und Aufgabenart — sehr unterschiedliche Betriebsarten der einbezogenen DVA, wie: Batch-, Multiprogramming-, Echtzeit- und Time-Sharing-Verfahren. Die Zukünftige Bedeutung der Datenfernverarbeitung zeigt sich daran, daß heute schon ca. 15% der in den USA installierten DVA mit Datenübertragungsgeräten ausgestattet werden. Für Klein- und Mittelbetriebe eröffnet die Datenfernverarbeitung Möglichkeiten, die Leistungsfähigkeit auch großer DVA zu nutzen, ohne diese zu besitzen. Die verschiedenen Herstellerfirmen betreiben TeilnehmerRechensysteme mit zentralen Großrechnern und dezentralen mietbaren Endgerätestationen und bieten sie als Dienstleistung an. Im sog. Teilnehmerbetrieb kann jeder Teilnehmer individuell seine Programme und Daten über Datenübertragung absenden und verarbeiten lassen. Häufig genutzte Programme verbleiben in Externspeichern der Zentrale des Teilnehmersystems, um Datenübertragungszeit und -kosten zu sparen. Time-Sharing eröffnet den Teilnehmern einen Dialog-Betrieb mit der zentralen DVA. In Netzen mit Teilhaberbetrieb bestimmt das zentrale DV-System, welche Aufgaben in welcher Reihenfolge und Form verarbeitet werden. Mehrere Rechenzentren der Herstellerfirmen werden zu einem DV-Verbundsystem gekoppelt. Im Batch-Betrieb eingegebene Programme können ggf. zur Verarbeitung an entfernte, weniger ausgelastete Rechenzentren weiterübertragen werden. 4.6.2.

Platzbuchungssysteme

Teilnehmersysteme in einfacher software-Auslegung, sog. Platzbuchungssysteme, existieren schon längere Zeit. Schon 1952 wurde von American Airlines in New York ein Flugbuchungssystem mit 200 Agenturstationen und einer zentralen DVA zur Platzreservierung im Flugverkehr eingesetzt. Die konventionelle Platzreservierung einer Fluggesellschaft ging so vor sich, daß in der Zentrale säntliche angemeldeten Buchungen auf einer großen Schautafel festgehalten wurden. Die dezentralen Agenturen mußten bei Kundenwünschen kurz vor Vollbelegung einer Strecke stets die Zentrale konsultieren. Bei einem Platzbuchungssystem mit zentraler DVA ist der aktuelle Belegungszustand der Rüge im Speicher der DVA abgespeichert. Jede Agentur bildet eine Teilnehmerstation (remóte) und ist mittels Endgerät (terminal) und Datenübertragung mit der zentralen DVA verbunden. Die große Arbeitsgeschwindigkeit der DVA gestattet es, viele mitunter hunderte von Kilometern entfernte Agenturen praktisch gleichzeitig zu bedienen und einige tausend Buchungen pro Stunde vorzunehmen. Dennoch werden Anfragen in einigen Sekunden entsprechend dem neuesten Belegungsstand beantwortet.

358

Teil V. Organisatorische Grundlagen

Platzbuchungssysteme werden nicht nur von Fluggesellschaften, sondern auch von Bahnverwaltungen und Reiseunternehmen eingesetzt. Bei Reiseunternehmen übernimmt die DVA außer der Platzreservierung noch umfangreiche andere Arbeiten. Passagier-, Transfer- und Hotellisten werden — aufgegliedert nach Reiseziel, Reisegruppen und Terminen — ausgedruckt. Für den Reisenden werden Platzkarten, Flug-, Bahn- und Schiffstickets sowie die Gesamtrechnung ausgefertigt. Für das Reiseunternehmen werden umfangreiche Statistiken und Verkehrsanalysen erstellt. Prognosen und Werbeeinsatz für die folgende Saison stützen sich auf ihnen ab.

4.6.3.

Universelle Teilnehmersysteme

Die DVA eines Platzbuchungssystems bearbeitet Anfragen meist mit relativ wenig Rechenaufwand und meist mit nur einem Programm. Aufbauend auf den Erfahrungen, die seit 1961 mit dem MAC-System (multiple-access-computer bzw. machine-mded^cognition) am Massachusetts Institute of Technology (MIT) gesammelt wurden, wurden universellere Teilnehmersysteme entwickelt. Benutzer mit unterschiedlichsten Anwendungsbereichen haben Zugang zur DVA derartiger Teilnehmersysteme. Die zentrale DVA muß also viele Programme gleichzeitig' abarbeiten. Time-slicing wird angewandt, und damit wird jedem Programm bzw. jeder Teilnehmerstatiön eine Zeitscheibe zugeordnet (vgl. B V/21). Solange der Arbeitsspeicher groß genug ist, um alle Programme aufzunehmen, verursacht die Rechnerumstellung auf das folgende Programm nach Ablauf einer Zeitscheibe kaum einen Zeitverlust. Kernspeicher sind aber teuer. Der Arbeitsspeicher wird also i. a. nicht groß genug sein, um alle Programme aufnehmen zu können — sie müssen in einem Externspeicher (meist Plattenspeicher) aufbewahrt werden. Nach Ablauf einer Zeitscheibe müssen Programmtransfers von Arbeits- zu Externspeicher und umgekehrt vorgenommen werden. Diese Transferzeit kann 100 ms und mehr betragen. Ein gesundes Verhältnis von Rechenzeit zu Organisationszeit erfordert, daß die Zeitscheibe merklich größer ist als die Transferzeit. Andererseits sollte die Zeitscheibe möglichst klein sein, um den Anschluß vieler Teilnehmer und das Gefühl eines ungestörten Dialogs mit der DVA zu ermöglichen. Dieses Dilemma der Zeitaufteilung hemmt noch den effektiven Einsatz von universellen Teilnehmersystemen. Dennoch gibt es aussichtsreiche Anwendungsgebiete derartiger Teilnehmersysteme: a) b) c) d)

rechnergestütztes Programmtesten rechnergestütztes Lernen rechnergestütztes Entwerfen, Konstruieren und Fertigen rechnergestützte Informationsauswahl

4. Anwendungsbereiche der DV

359

zu a) Der Anschluß vieler Hochschulinstitute oder Industrielabors mittels Teilnehmerstationen an das zuständige, zentrale Rechenzentrum bringt Kosten- und Zeitersparung sowie Erleichterungen mit sich. Eine Großrechenanlage arbeitet preiswerter als viele kleine, Anfahrt zum Rechenzentrum entfällt, Programmfehler können im Dialogverkehr mit der DVA unmittelbar korrigiert werden, Programmfehler verursachen also keine tagelangen Verzögerungen, Wartezeiten auf Ergebnisse reduzieren sich. zu b) Heute schon werden Teilnehmersysteme an Hochschulen zur Unterrichtung von Studenten in Programmiersprachen eingesetzt. Die angeschlossenen Teilnehmerstationen besitzen als Endgerät (Konsole) Fernschreiber oder auch Bildschirmeinheiten mit Eingabetastatur. Auch in Schulen und Betrieben werden sich derartige Unterrichtssysteme durchsetzen. Dabei können moderne pädagogische Methoden, wie programmierter Unterricht, mitverwertet werden. zu c) Über das in IV, 3.4.1. erwähnte rechnergestätzte Entwerfen (Computer aided design) hinaus können Teilnehmersysteme zu echtem rechnergestütztem Konstruieren eingesetzt werden. Handskizzen mit Stützwertangaben werden über eine Bildschirmeingabe in die DVA eingegeben und dort aufgearbeitet. Normzeichnungselemente, wie Gewinde- und Bohrbilder, werden mittels Unterprogrammen eingeblendet. Über Koordinatographen können Konstruktionszeichnungen und zugehörige Schnittzeichnungen in erwünschtem Maßstab ausgegeben werden. Erwünschte Änderungen sind über die Bildschirmeinheit einfach vorzunehmen. Werden von der DVA zugleich Steuerlochstreifen für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen erzeugt, so liegt sogar ein rechnergestütztes Fertigen vor. zu d) Rechnergestützte Informationsauswahl mit Hilfe von sog. Auskunftssystemen (Informationssystemen) wurde auf S. 352 ff. behandelt.

Lösungen der Aufgaben

Teil I. Seite:

10

17

25

34

46

54

62

2.

3. c c c c c c b a

4.2.1. a b c a a c a a b b c

4.2.2./4.2.3. a c a b c b

4.2.4. a a a a b b b c b

4.3./4.4.

4.5. a c b b c a b a c c c

97

121

128

a c b c a a

Teil II. Seite:

87 1.

2.1.

2.2./2.3.

2.4.

b b c b

a c b b

a a c b a a b a b c a a b

a c b c a c b b

Lösungen der Aufgaben

361

Teil III.

Seite:

136

146

161

173

Aufg. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1.1. a a c b

1.2. c a c a b b c a b

2.1.-2.3. c b a b c a c

2.4. b b b b a a c

Teil IV.

Seite:

202 3.1.-3.4. a c c a c a b b a c a b

232 3.5. b c b a c b c c c b a

Teil V.

261

284

Seite:

296

315

17 2. b b a a b c c b b a b c a b b

3. a b a c c b a b c c c a a a c

Aufg. 1

L b a b a c a c b c c

2. a b b c c a a c a

2 3 4 5 6 7 8 9 10

328 J5. c c b

Fachwörterverzeichnis: englisch/deutsch

access access time accumulator adder address counter air conditioning alpha-numeric analog computer arithmetic instruction arithmetic (and logical) unit assembler base batch mode, batch processing BCD (binary codes decimal) binary bit (binary digit) blank (to) block (to) branch buffer calculation capacity card file card punch carriage channel character (to) check chip clock (to) code column (magnetic) core closed loop command compiler

complement computer computer language

Zugriff Zugriffszeit Akkumulator (AC), Register Addierer (im Rechenwerk) Befehlszählregister Klimaanlage alphanumerisch Analog-Rechenanlage (Analogrechner) arithmetischer Befehl, Rechenbefehl Rechenwerk Programmumsetzer, Assembler Basis (eines Zahlensystems) stapelweises Abarbeiten von Programmen tetraden-dual verschlüsseltes Dezimalsystem binär, auch: dual Binärstelle, Maßeinheit für 1 Alternativentscheidung leer, Leerzeichen, ungelochte Position Block, (blocken) Weiche, (verzweigen) Puffer-Speicher Berechnung (sgang) Kapazität, Fassungsvermögen (speziell bei Speichern) Kartendatei (Kartei) Lochkarten-Locher, -Stanzer (Wagen-) Vorschub (el.) Kanal, Übertragungskanal Symbol, Zeichen Kontrolle, (prüfen, kontrollieren) Baugruppe in integrierter Schaltkreistechnik Zeit-/Taktgeber Code, (codieren) Spalte Magnetkern Regelkreis bei Prozeßsteuerung Befehl, Anweisung Übersetzungsprogramm, Compiler (erzeugt aus Quellenprogramm (problemorientiert) ein Objektprogramm (maschinenorientiert)) Komplement, Ergänzung (vorwiegend bei Subtraktion angewandt) DVA, Computer, Rechenanlage Maschinensprache (interne Befehlssprache einer Datenverarbeitungsanlage)

364

Fachwörterveizeichnis

console to control control unit control counter counter cycle time

Konsole, Steuer-/Bedienungspult steuern (regeln) Steuerwerk, (Steuerungseinheit) Befehlszählregister Zähler Zykluszeit

data data processing data processing system

Daten Datenverarbeitung Datenverarbeitungsanlage, Informationsverarbeitungssystem Datensatz, Datenstapel decodieren, entschlüsseln Dichte (z. B. Zeichendichte) Diagno se-/Test-Programm Ziffer digital, ziffernmäßig Digital-Rechenanlage, Ziffernrechner Platte (Plattenspeicher) Ausfallzeiten Trommelspeicher Verbund-Lochkarte Datenverarbeitungsanlage stoppen, anhalten und ggf. Fehleranzeige ausgeben sowie Speicherauszug drucken

data record decode density diagnostic program digit digital digital computer disk (storage) down time drum storage dual card to dump

EDP (electronic data processing) EDPM error correcting error detecting even excess-three-code executive external memory

EDV (elektronische Datenverarbeitung) EDVA Fehlerkorrektur (bei Datenfernübertragung) Fehlererkennung (bei Datenfernübertragung) geradzahlig Drei-Exzess-Code, Stibitz-Code Steuer(programm)system Extern-Speicher

feedback figure file fixed point floating point flow chart (flow diagram)

Rückkopplung (speziell in Regelungstechnik) Zeichen Datenmenge, Datenstapel, Datei Festkomma Gleitkomma Fluß-, Blockdiagramm (grafische Ablaufdarstellung)

gap gate circuit

Kluft, Lücke, Spalt, Distanz eL Torschaltung, Gatter, logische Schaltstufe Hauptspeicher Sprunganweisung

general storage go-to-statement

365

Fachwörterverzeichnis hard copy hardware

Dokument Hardware, .verdrahteter' Bestandteil einer Datenverarbeitungsanlage (Bauelemente etc.)

input input unit instruction instruction counter integer integrated data processing internal memory interrupt I/O

Eingabe(information) Eingabe-Einheit, -Gerät Befehl, Anweisung Befehlszählregister ganzzahlig integrierte (ganzheitliche) Datenverarbeitung Intern-Speicher Programmunterbrechung(seinrichtung) input/output

job (conditional) jump

einzelner Programmablauf auf der Datenverarbeitungsanlage (auch Benutzerkennzahl) (bedingter) Sprung

keyboard

Tastatur

label (program) library line to load location loop

Marke, Merkmal (Programm-)Bibliothek Zeile laden (Programm einlesen) Speicherstelle (Programm-)Schleife

machine language marksensing (mass-) memory message (switching) mnemonic multi address computer

Maschinensprache Zeichenloch-Verfahren (Großraum-) Speicher Nachricht(envermittlung) mnemotechnisch Mehraddressmaschine

to normalize number

normalisieren Zahl, Anzahl

object program odd off line on line operator output (unit) operating system even .. , . ,, parity check odd v ' parity bit plotter

Objektprogramm (Maschinenprogramm) ungerad(zahlig) nicht an die Zentraleinheit gekoppelt an die Zentraleinheit gekoppelt Operator, Maschinenbediener Ausgabe (-Einheit) Betriebssystem geradzahlige Paritätskontrolle ungeradzahlige Prüf-, Paritätsbit Plotter, einfaches numerisch gesteuertes Zeichengerät Drucker problemorientierte Programmiersprache

printer problem oriented language

Fachwörterverzeichnis

366 (to) process processor punch card punch(ed) tape random random access rapid memory real time (processing) record redundancy remote (station) rewind rounding error run scheduling serial (access) shift sign software source program special character statement store, storage subroutine supervisor system engineer

(magnetic) tape teleprinter teleprocessing terminal time sharing

verarbeiten Zentraleinheit, auch: Übersetzungsprogramm bei EXAPT Lochkarte Lochstreifen zufällig, beliebig, wahlfrei direkter/wahlfreier Zugriff Schnellspeicher Realzeit, Echtzeit(-Verarbeitung) Daten-Block, -Satz Redundanz Teilnehmerstation eines Datenübertragungssystems zurückspulen (z. B. Magnetband) Rundungsfehler Programmlauf, Durchlauf Zeitplan(ung) serieller Zugriff) (Stellen-) Verschiebung Vorzeichen Programmierhilfe, Service Quellenprogramm Sonderzeichen Anweisung, Befehl Speicher(ung) Unterprogramm Überwachungsprogramm (des Betriebssystems) Systemberater, Systemanalytiker, Systemplaner (Magnet-) Band, Lochstreifen Fernschreiber Datenfernübertragung Endgerät eines Datenfernübertragungssystems spezielle Betriebsart einer Datenverarbeitungsanlage

unit

Gerät, Einheit

visual file

Sichtkartei

word working storage

Wort, Maschinen-, Befehls-, Datenwort Arbeitsspeicher

zero zone

Null Zone, Bereich

Literaturverzeichnis

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Stichwortverzeichnis

Abacus 6 AC, vgl. Akkumulator Addierer 103, 226 ff. Addition, Festkomma 101 f. - , Gleitkomma 125 f. Adresse, Adressteil 41, 44, 55, 71, 301 f. Äquivalenz 196 f. Aiken 8, 154 f. Akkumulator AC 41, 71 f., 300 Algol 308 Alphabet 23, 137 f. alphanumerisch 24 analog 12, 348 f. Analogrechner 14 ff., 329, 344 And-Funktion 178 f., 184 ff., 201, 237, 240 Antivalenz 197 f., 201 Arbeitsspeicher 59 ff., 252 Assembler 304 ff. Assoziatives Gesetz 207 asynchron 69 Ausgabe-Einheit 21, 50 Ausgabe-Geräte 53 f., 264, 273 ff. Babbage, Ch. 7 f. Batsch-Processing 317 ff. BCD-Code 31, 151 ff. Befehl 22 ff., 37 ff., 41 ff., 69, 300 ff. Befehlsregister 69 ff. Befehlszählregister 70 ff. Belegleser 50, 53, 271 ff. Betriebssystem 323 ff. Bibliotheksprogramme 324, 326 Bildschrim(gerät) 280 binär 28, 96, 150 Binäraddierer, vgl. Addierer Binomialkoeffizient 86 f. Bit, bit 29 Block 25 f., 171, 258 Blockdiagramm 302 Boole'sche Algebra 177 Bordrechner 351

Buchstabenbereich 293 Byte 32 f., 252, 254 Charakteristik 124 Cobol 309 f. Code, Definition 30 - , Aiken 154 f. - , BCD 31 - , Gray 158 f. - , mnemotechnischer 44, 303 Stibitz 155 f. - , sonstige 159 ff. codieren 302 Codierung 149 ff., 162 Compiler 307, 313 ff. Computer 18, 37 Daten 22 f., 26, 133 Datenfernübertragung 281 ff.» 355 ff. Datenfernverarbeitung 355 ff. Datenübertragung 281 ff., 355 ff. Datenverarbeitung 4, 5 DVA 18, 37 Dezimal-System 88 ff., 116 ff. Dialog 281, 359 digital 13, 18, 348 f. Diode 238 Disjunktion 183 disjunktive Normalform 214 ff. Distributives Gesetz 208 Division, Festkomma 112 ff. - , Gleitkomma 128 Drahtspeicher 252 Drei-Exzeß-Code 155 f. Drucker 50, 53, 275 ff. dual 94 ff., 116 ff. Dualaddierer, vgl. Addierer Dünnschichtspeicher 252 EDVA 5 Echtzeitbetrieb, vgl. Real-Time-Betrieb

Stichwortverzeichnis

369

Einadress-Maschine 41, 71

Integration 345

Eingabe-Einheit 21, 4 8 f., 53

Integrierte Schaltkreise 9, 244 f.

Eingabe-Geräte 49 f., 266 ff. Elektronenröhren 9, 243

Kapazität 56, 252, 259, 261, 268

Ergibt-Zeichen (:=) 45

Kernspeicher 249

Exapt 311, 346

Kettendrucker 276 f.

Externspeicher 62, 249 ff., 358

Kommunikation 131 ff. Kompatibilität 10, 313

Fehlererkennung 164 ff., 283

Komplement 107 ff., 156 f.

Fehlerkorrektur 168 ff., 258, 283

Konjunktion 183

Fernschreibcode 267 f.

Konjunktive Normalform 218 ff.

Fertigungs Programme 345

konventionelle LK-Geräte 274, 295, 333

Ferritkern 249

Koordinatograph 50, 53, 278 f., 347

Festkommadarstellung 97 ff.

Kybernetik 135 f.

Flip-Flop 247 Flußdiagramm 106, 113, 297 ff., 302 Fortran 309

Leibniz, G. W. 7 Lesedraht 250

Gleitkommadarstellung 123 ff.

Lochkarte 265, 288 ff., 293

Gray-Code 158 f.

Lochkartenleser 50, 53, 270

Großraumspeicher 59 ff., 353

Lochkartenstanzer 50, 53, 274

Grundeinheiten einer DVA 21, 48

Lochstreifen 265

Grundtätigkeiten 22

Lochstreifenleser 50, 53, 267 ff. Lochstreifenstanzer 50, 53, 273 f.

Halbaddierer 226 ff. Halbleiter 238

Logarithmus 82 ff. Logik 174 ff.

halblogarithmische Darstellung 124 Hamming-Distanz 165 f.

Maschinensprache 300

hardware 327 f.

Matrix, Speicher- 251 f., 274

Hauptspeicher 59 ff.

Magnetbandspeicher 53, 256 ff.

Hybridrechner 16

Magnetkartenspeicher 53, 261

Implikation 200 f.

Magnetkernspeicher 249 f.

Information 22, 131, 135, 295

Magnetplattenspeicher 53, 260 ff.

information retrieval 352

Magnettrommelspeicher 53, 253 ff.

Informationssysteme,

Magnetschrift 53, 271 f.

(Magnetstreifenspeicher)

betriebliche 345

Makro 305

nichtbetriebliche 352 ff.

Management-informationsystem 345

Diagnostik 353 f.

Mantisse 123

Informationstheorie 131 ff.

Markierungsleser 273

Informationsverarbeitungsanlage 3 7 , 1 3 4

Maßstabsfaktor 100, 123

Inhibition 199, 201

Maxterm 219 f.

24

Dworatschek

370 Mehradressmaschine 44 Mikrofilm 355 Mikroprogramm 71, 74, 76 Minterm 215 ff. MIS 345 Modem 282 Morgan'sches Theorem 208 f. Multiplikator-Quotientenregister 104 Multiplikation, Festkomma 103 ff. - , Gleitkomma 127 Multiplexer 349 Multiprogramming 265, 320 f. Nachrichtentechnik 131 f. Nand-Funktion 194, 201, 243 NC-Maschinen 65, 279, 329, 346 Negation 177 f., 183, 243, 246 Netzplantechnik 342 Neumann, J. v. 8 Nor-Funktion 195, 201, 243 Normalisierung 100, 107, 123 numerisch 23, 266 Objektprogramm 307 off-line 271, 279 on-line 271, 279 Operations Research 338, 340 ff., 345 Operationsteil 41, 71, 300, 304 Operationstypen 35 ff. OR-Funktion 180 f., 184 ff., 238, 240, 246 Paralleldrucker 276 f. Paritätsbit, vgL Prüfbit Peripheriegeräte 53, 264 ff. photoelektrisch 269 Planspiele 344 Plattenspeicher 260 ff. Plotter 278 f., 347 Polyadisches Zahlensystem 91 ff. Postprocessor 346 f. Potenz 78, 81 f. Processor 322 f., 346 f. Programm 21, 25 f., 35, 64 ff., 297

Stichwortverzeichnis Programmieren 297 ff., 340 Programmiersprachen, maschinenorientiert 297, 300 ff., 311, 314 problemorientiert 297, 306 ff., 311, 314 Prozeßrechner 52, 347 ff. Prüfbit 170 ff., 258, 283 Pseudotetrade 30 f., 213 f. Puffer(speicher) 264 f.

Quellenprogramm 307 Random access 58, 259 ff. Real-Time-Betrieb 320 f. Rechenwerk 21, 75 f. Rechenanlage 18, 37 Rechnungswesen 333 ff. Redundanz 145 ff., 149 Register 41, 6 1 , 7 1 ff., 76, 248 f. Relais 8, 235 ff., 243

Satellitenrechner 356 Satz 25 Schaltalgebra 174 ff. Schaltfunktion 183 Schalttafel 65 Schieberegister 248 f. Schnelldrucker, vgL Drucker Schnellspeicher 60 f. Sektor 260 Shannon, Cl. 136 Signal 28 f., 134 Simulation 344 Speicher 21, 55 f., 59 f., 301, 246 ff. Sprungbefehl 39 f., 70 ff., 301 f. Spur, Informations- 254, 258, 260 f., 267 Start/Stop-Betrieb 259, 269, 274 Steuerwerk 21, 72 Stibitz-Code, vgl. Drei-Exzeß-Code Subtraktion, Festkomma 197 ff. - , Gleitkomma 126 f. synchron 67 f., 254

Stichwortverzeichnis Tetrade 30, 115, 151 ff., 231 f. Teilnehmersystem 357, 358 f. Terminal 264, 356 f. Tetrade 30, 115, 151 ff., 231 f. Timesharing 265, 319, 357 Transistor 9 f., 241 ff. Trommelspeicher 253 ff. Übertragungsgeschwindigkeit 256, 259, 261, 282 Umwandlung von Zahlensystemen 115 ff. Universalmaschine 66 f., 297 Unternehmensforschung, vgl. Operations Research Unterprogramme 306, 326, 347 Verbundlochkarte 295 Verkaufsabrechnung 335 ff. Verkehrsrechner 351 Vielfachregelung 348 Vorzeichendarstellung 108, 124

24

Wiener, N. 136 Wort 24, 26, 98 Zahlensystem, dezimales 88 ff. - , duales 94 ff. hexadezimales 93 f. - , hindu-arabisches 6 - , polyadisches 91 ff. Zeichen 23 Zeichengeräte 50, 53, 278 f., 347 Zeichendichte 255, 259, 268 Zeichenlochkarte 295 Zeilendrucker 276 f. Zentraleinheit 48, 322 Ziffernbereich 293 f. Zonenbereich 293 f. Zugriffszeit 56, 58, 261, 253 Zuordner 30, 71, 115 Zuse, K. 8, 329 Zykluszeit 58, 253

Abbildungen

Zur Erleichterung f ü r das Verständnis des behandelten Stoffes werden auf den folgenden Seiten 59 Abbildungen zu den Themen: DV-Gesamtsysteme Peripheriegeräte Bauteile Computer-Sonderformen Datenerfassung angegeben.

Bei der Angabe der Herkunft der verschiedenen Abbildungen wurden folgende Abkürzungen gewählt: Anker

Anker-Werke AG, Bielefeld

B-GE

Bull General Electric GmbH, Köln

CD

Control Data GmbH, Frankfurt

Honeywell

Honeywell GmbH, Frankfurt

IBM

Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH, Sindelfingen

ICL

International Computers GmbH, Düsseldorf

Kienzle

Kienzle Apparate GmbH, Villingen

NCR

National Registrierkassen GmbH, Augsburg

Nixdorf

Nixdorf Computer AG, Paderborn

Siemens

Siemens AG, München

AEGTELEFUNKEN

AEG-TELEFUNKEN, Konstanz

UNIVAC

Remington Rand GmbH, Frankfurt

Innerhalb des interpretierenden Textes zu den einzelnen Abbildungen erfolgt die Aufzählung von Geräten — soweit möglich — von links nach rechts. 1A

Abb. 1. Die Datenverarbeitungsanlage aus der Serie GE-100 kann als Kleinrechner entweder selbständig arbeiten oder als Satellitenanlage an eine Großanlage angeschlossen werden (B-GE).

Abb. 2 Das neue System/3 von IBM arbeitet mit einer 96spaltigen Lochkarte (oben). Diese Karte ist 8,65 cm x 6,68 cm groß, hat also, bei nur etwa einem Drittel der Größe der bisherigen 80spaltigen Lochkarte (unten), zwanzig Prozent mehr Speicherkapazität (IBM).

Abb. 3. Das Modell 20 ist die kleinste DVA der Systemfamilie IBM 360. Die lochkartenorientierte Grundausstattung besteht aus: Schnelldrucker, Zentraleinheit und Mehrfunktions-LK-Einheit. Zusätzlich können Magnetplattenspeicher (rechts) angeschlossen werden (IBM).

Abb. 4. Das Grundsystem der NCR-Century 100 besteht aus: Schnelldrucker, LK-Leser, Steuerpult und Doppel-Plattenspeicher (NCR).

Abb. 5. Das Modell 1901 A aus der Systemfamilie ICL 1900 kann folgendermaßen ausgestattet sein: Magnetbandspeicher, Zentraleinheit mit integriertem Schnelldrucker, Doppelplattenspeicher, Protokollschreibmaschine, LK-Leser und Plotter (ICL).

Abb. 6. Eine der möglichen Konfigurationen des Modells 45 der Systemfamilie S 4004: Schnelldrucker, LK-Stanzer, 3 Zwillings-Magnetbandgeräte, Steuerpult, Zentraleinheit und LK-Lesegeräte (Siemens).

Abb 7 Der Computer TR 440 umfaßt: Magnetbandeinheiten, Lochstreifengeräte, Frotokollschreibmaschine, Zentraleinheit, LK-Geräte und Schnelldrucker. W e i t e t Hintergrundspeicher des Systems wie Trommel- und Plattenspeicher, sind aus fotografischen Gründen nicht zu sehen. (AEG-7ELEFUNKEN)

Abb. 8. Km Modell der Systemfamilie GE-400 mit: Schnelldrucker, Zentraleinheit Steuerpult und Magnetbandeinheiten (B-GE),

Abb. 9. Das Modell GE-635 gehört (neben GE-615 und GE-655) zur DV-Familie GE-600. Damit lassen sich die Betriebsarten: Local Batch Processing, Remote Batch Processing und TimeSharing Service durchführen (B-GE).

Abb. 10. Das Modell GE-130 (hier in Magnetplatten-Konfiguration) gehört zur Computer-Familie GE-100. Andere Modelle aus dieser Familie sind GE-105, GE-115 und GE-120 (B-GE).

Abb. 11. Die U N I V A C 9400 ist innerhalb der Serie 9000 das bisher größte Modell. Sie ist band- und plattenorientiert und mit Multiprogramming, Real-Time-Eigenschaften und vielfältigen Datenübertragungsmöglichkeiten ausgestattet. Der Magnetdrahtspeicher — das besondere Merkmal der U N I V A C Serie 9000 — kann bis zu 131 027 Bytes ausgebaut werden (UNIVAC).

Abb. 12. Das größte von U N I V A C hergestellte Computer-System ist die U N I V A C 1108 MP, die Multiprogramming, Time-Sharing und Multiprocessing beherrscht. Dieses System ist modular aufgebaut. Bis zu drei Prozessoren U N I V A C 1108 und zwei EinAusgabe-Leiteinheiten können mit einem Kernspeicher zusammenarbeiten (UNIVAC).

Abb. 15. Vor der Anlage CD 6600 (eine der größten DVA der Welt) wird der Computer CD 449 (2 kg, einer der kleinsten Computer der Welt) gezeigt (CD).

Abb. 16. Der Klarschrift-Sortierleser liest (on-line- oder off-line-Betrieb) ca. 1500 Belege pro Minute in Druckschrift (Schnelldrucker, Schreibmaschine etc.) oder in der genormten Schrift OCR-A und sortiert die Belege in 13 Ablagefächern (IBM). 9A

Abb. 17. Steuerpult (mit Protokollschreibmaschine), geräten der C D 3500 (CD).

LK-Leser

und

Magnetband-

Abb. 18. Protokollschreibmaschine und Konsole (rechts) der D a t e n v e r a r b e i t u n g s a n l a g e IBM 360/40. I m H i n t e r g r u n d : M a g n e t b a n d - u n d M a g n e t p l a t t e n e i n h e i t e n (IBM). 10 A

Abb 19 Bildschirm (Sichtgerät) mit Eingabetastatur f ü r die optische Kommunikation mit der D V A (1CL).

Abb. 20. Sichtgerät mit T a s t a t u r als kombiniertes E i n - / A u s g a b e g e r ä t (AEG-TELEFUNKEN).

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12 A

Abb. 22. Doppel-Plattenspeichereinheit als Externspeicher mit Direktzugriff (random access) und Übertragungsgeschwindigkeit von ca. 150000 Bytes pro Sekunde (NCR). Abb. 23. Die Abbildung zeigt einen Magnetband-Externspeicher mit den beiden auswechselbaren Spulen und den Magnetband-Pufferschleifen in den Vakuumkammern (Honeywell). 13 A

Abb. 26. Lochkartenleser mit einer Lesegeschwindigkeit von 300 LK/min

(NCR).

Abb. 27. Mechanik eines schnellen LK-Lesers (1000 LK/min) für 80-spaltige Lochkarten (Siemens). 14 A

15 A

Abb. 31. Mechanik eines Schnelldruckers (Zeilendrucker). Links Vorschub-Lochstreifen für die Formularsteuerung (Honeywell).

Abb. 32. Mechanik eines Schnelldruckers (ca. 1000 Zeilen/min) mit einer Typentrommel f ü r 40 Schreibstellen pro Zeile (Siemensj. Abb. 33. Typentrommel (132 Schreibstellen) eines Schnelldruckers mit einer Leistung von 1500 Zeilen/min. Die Buchstaben sind bei nebeneinanderliegenden Trommelumfängen versetzt, um ein Verwischen beim Drucken zu vermeiden (Siemens). 16 A

Abb. 35. Steckverbindung zum elektrischen Anschluß der peripheren Geräte (Eingabe-/Ausgabegeräte, Externspeicher) an die Zentraleinheit (1CL).

Abb. 36. Schalttafelrahmen und Schalttafel mit gestecktem Programm. (Gegensatz zu abgespeichertem Programm) (IBM). 18 A

Abb. 37. Die Steigerung der Leistung von . D V A wurde über die Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit und gleichzeitige Verringerung des Raumbedarfs der B a u elemente erreicht. Nach vereinzelten Relaisrechnern entstanden D V A der 1. Generation (Elektronen-Röhren, links), der 2. Generation (Transistoren, rechts) und der 3. Generation (Mikrobauelemente und integrierte Schaltkreise). Im Vordergrund sind! Mikro-Transistoren und eine aus solchen aufgebaute Dickfilm-Baugruppe zu sehen.

(IBM).

19 A.

Abb. 38. Ausschnitt eines Magnetkernspeichers in mehrfacher Vergrößerung. Durch die matrixartig angeordneten Ferritkerne sind Spalten-, Zeilen- und Lesedrähte gezogen. Ein Ferritkern (Außendurchmesser bis ca. 2 mm) kann in ca. 1 fis von der einen in die andere Richtung ummagnetisiert werden und damit 1 Bit aufnehmen (IBM).

Abb. 39. Größenvergleich zwischen einem Teil einer Magnetkern-Matrix und einer darunterliegenden Briefmarke (Siemens). 20 A

Abb. 40. Die schwierige, z. T. manuelle Fertigungstechnik von Magnetkernspeichern führte zur Entwicklung von neuartigen Speicherarten, die vollautomatisch gefertigt werden können. Die Abbildung zeigt eine Dünnfilm-Kurzstab-Speichermatrix (NCR).

Abb. 41. Eine Steckbaugruppe, die mit integrierten Schaltkreisen (Monolithen) bestückt ist. Zum Größenvergleich wurde eine 1,— DM-Münze hinzugefügt (Siemens). 21 A

Abb. 42. Fertigungsstufen einer in der Dickfilmtechnik erstellten SLT-Mikrobaugruppe (SLT = Solid Logic Technology): Das gestanzte Keramik-Plättchen (1) w i r d mit metallisierter Tinte bedruckt (2). Drei W i d e r s t ä n d e werden aufgedruckt (3). Zwölf Ansdiluß-Kupferstifte werden eingeführt (4) und mit den verzinnten Leitungen (5) verbunden. Ein Sandstrahlgebläse reduziert die W i d e r s t ä n d e auf ihren erforderlichen W e r t (6). 3 Mikro-Transistoren bzw. -Dioden werden automatisch auf den Leiterbahnen kontaktiert (7). Eine Schutzschicht umgibt die gesamte M i k r o - B a u g r u p p e (8)

(IBM).

Abb. 43. Vergrößerung einer Mikro-Baugruppe der SLT-Technik 22 A

(IBM).

Abb. 44 (oben). Das neue System/3 (vgl. Abb. 2) ist der erste Computer der IBM, der in sehr großem U m f a n g mit monolithischen Schaltkreisen arbeitet. Hier ein Chip in einem Nadelöhr. Mit diesen Schaltkreisen werden Schaltzeiten von 8 bis 12 Nanosekunden (milliardstel Sekunden) erreicht (IBM). Abb. 45 (unten). Zum IBM-Computerwerk in Mainz werden die Modelle 25 und 30 des IBM Systems/360, Magnetplattenspeicher mit den zugehörigen Steuereinheiten sowie Kernspeicher und Magnetköpfe gefertigt (IBM). 23 A

Abb. 46. Ein Hybrides Rechnersystem vereinigt Eigenschaften von Analogrechnern und Digital-DVA durch die Verbindung von analogen und digitalen Baugruppen (AEG-TELEFUNKEN).

Abb. 47. Prozeßrechner sind spezielle DVA, die im on-line-Betrieb technische Prozesse überwachen und steuern. Die Abbildung zeigt eine Prozeßrechner-Warte mit Rechner und Anschlußeinheiten für die meist räumlich entfernten technischen Prozeßeinrichtungen (Siemens). 24 A

Abb. 48 (oben). Im Mittelpunkt des Diagnostik-Informationssystems der Medizinischen Universitätsklinik Tübingen steht eine Prozeßrechenanlage IBM 1800. Testgeräte aus sieben Labors sind direkt an den Computer angeschlossen. Das Bild zeigt die Zentraleinheit des Prozeßrechners. Über Datenstationen mit Druckeinrichtung und Tastatur (eines dieser Geräte im Vordergrund) können Bediener und Ärzte direkt mit der A n l a g e kommunizieren (IBM). Abb. 49 (unten). Die Sprachausgabe-Einheit wandelt digital verschlüsselte und gespeicherte Sätze in lebende Sprache um, und zwar durch Analog-/Digital-Umwandlung. Die A n f r a g e kann über Teleprocessing (Datenfernverarbeitung) erfolgen (im Hintergrund der Computer IBM 1440) (IBM). 25 A

Abb. 50. Die Magnetkontokarte wird als Datenträger besonders bei Kleinrechnern eingesetzt. Sie ist auf der Vorderseite bedruckbar und enthält auf der Rückseite einen Magnetbandstreifen zur Abspeicherung von Zeichen. Die abgebildete Datenverarbeitungsanlage ADS 900 besitzt eine Magnet-(band)-Kontokarten-Einheit (rechts) der Leistung 1000 bis 5000 Karten/h (Anker).

Abb. 51. Magnetkonten-Computer Kienzle 6000. Dieses System der mittleren Datentechnik verfügt über 4000 bis 16000 Kernspeicherzellen. Der Magnetstreifen auf der Kontokarte besitzt eine Kapazität von 400 alphanumerischen Stellen. Die Programmeingabe erfolgt über Tastatur, Magnetbandkassette, Kontenkarte oder andere Datenträger (Kienzle). 26 A

Abb. 52. Nixdorf-Magnetkonten-Computer Computer-Serie 820 (Nixdorf).

820/30.

Ein

System

der

kompatiblen

Abb. 53. Computer Kienzle 5600. Eine Kombination der Systeme Kienzle 5000 und 6000. Grundausstattung: Zentraleinheit, 2 Magnetbandkassetten, Tastatur, Drucker. Zusatzgeräte: Kartenleser, Kartenlocher (Kienzle). 27 A

Abb. 54. Die ADS 2100 ist ein speicherprogrammierter SpezialComputer für Buchungsund Abrechnungsaufgaben. Wichtigster Datenträger ist hier die Magnetkarte (Anker).

Abb. 55. Das zentrale ADS-Datenerfassungssystem ADS 1508/1510/1450 dient der Erfassung, Übertragung und Aufzeichnung von Daten über eine Datensammelleitung. Die Abb. zeigt den ADS-Kreditkartenleser — integrierter Bestandteil des neuen elektronischen Systems —, einen von 64 möglichen Dateneingabeplätzen, das Steuerund Anpassungsgerät ADS 1508 und die Magnetband-Aufzeichnungseinheit ADS 1450 (Anker). 28 A

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