Historische Entwicklung der Informatik

Historische Entwicklung der Informatik

Historische Entwicklung der Informatik
1. Anfänge der Informatik
Als Anfänge der Informatik gelten die Versuche der Mechani­sierung geistiger Tätig­keiten. Derartige Versuche bezogen sich auf folgende Gebiete:

• 
  das Rechnen mit Ziffern und führte zur Entwicklung mechanischer Rechenmaschinen sowie auf
  
• 
  das Berechnen algorithmischer Prozesse, deren Gegenstände
  
• 
  Begriffe oder logische Aussagen und Aussagenverbindungen waren, die durch Symbole formuliert werden.
  

Mit den Anfängen der Informatik ist LEIBNITZ (1646 1716) verbunden. Sein Ent­wurf eines Untersuchungsgebietes zur Mechanisierung geistiger Tätigkeiten ent­spricht dem Wesen der heutigen Informatik. Es umfaßte:

  Fragen der Codierung (basierend auf dem dualen Zahlensystem!)

  die Entwicklung einer allumfassenden Begriffsschrift

   > Syntax und Semantik algorithmischer Sprachen

  die Schaffung eines logischen Kalküls (Menge syntaktischer Umformungs­re­geln)

  den Aufbau einer dual arbeitenden Rechenmaschine
Ziel: Aufbau einer universellen symbolischen Sprache (Be­griffsschrift zum Auf­bau einer Universalwissenschaft), die in einem Kalkül alle Fragen auf einfach­ste Weise mit einer der Mathematik analogen Gewißheit zu beantworten ge­stat­tet.
Zentrale Zielstellung der Informatik:

Befreiung des Menschen von gleichförmiger geistiger Tätigkeit bzw. die Un­ter­stützung und Ergänzung seiner kreativen geistigen Tätigkeit durch de­ren Über­tragung auf technische Geräte.

Als angewandte Wissenschaft hing die historische Entwicklung der Informatik stark von den technisch ingenieurmäßigen Ver­wirklichungsmöglichkeiten ab und lief parallel zur Entwicklung von:

  Signalwesen

  Regelungs  und Steuerungstechnik

  Technik der Speicherung (einschließlich Lese  und Schreibgeräte).

2. Geschichte des mechanischen Rechnens mit Ziffern und

Symbolen

2.1. Das mechanische Ziffernrechnen
Die zunächst in Europa verbreiteten altertümlichen Rechenmit­tel:
  römische Zählsteinchen (calculi   > Kalkül)

  der Abacus (Ursprung war der chinesischer suan pan) und

  das Kerbholz (computare)
bildeten keine Grundlage für die Mechanisierung des Ziffernrechnens.

Diese Grundlage entstand mit der Einführung des aus Indien stammenden dekadi­schen Positionsziffernsystems mit arabischen Ziffern (AL KHOWARIZMI).

Grundbausteine mechanischer Rechenmaschinen sind:
  Zahnrad

  Staffelwalze

  Sprossenrad

  Zahnstange

(Grundprinzip dieser Rechenmaschinen war die Zuordnung zwischen Ziffern und Zähnen der Zahnräder)

Anwendungsbedarf bestand bei den umfangreichen Tafelberechnungen, z.B. Loga­rithmen Tafel, trigonometrische Funktionen usw..

Beispiele historischer mechanischer Rechenmaschinen:
  1645: PASCAL Addiermaschine

  1671: LEIBNITZ 4 Spezies Maschine

  1823: BABBAGE difference engine für Tafelberechnungen
Der LEIBNITZ'sche Vorschlag einer Zahlenbasis 2 für Rechenmaschinen wurde erst 1933 durch ZUSE (Relaisrechner) bzw. 1948 durch VON NEUMANN (Univer­salrechner) aufgegriffen.
2.2. Mechanisches Rechnen mit Symbolen
LEIBNITZ sah in der symbolischen Darstellung von Begriffsinhalten die entschei­dende Voraussetzung für ihre mechanische Handhabung.

Grundlage seines Vorschlags bildete das aus Indien stammende Buchstabenrech­nen (Buchstaben zur Bezeichnung beliebiger mathematischer Objekte).

Nach LEIBNITZ sollten den Begriffen Zahlen zugeordnet werden. Begriffliche Un­terordnungen sollten durch Teilbarkeitsbezie­hungen ausgedrückt werden. Sein Ziel war die Entscheidung wissenschaftlichen Meinungsstreits durch Ausrechnen. Diese Vision der mechanischen Ableitung aller Weisheit ist vergleichbar mit den Inhalten der heutigen Künstlichen Intelligenz.
Wesentliche Untersuchungsfelder in den vergangenen Jahrhunderten bildeten:

  Kryptologie: (Altertum/ ab 15.Jhd.)

Entwicklung und Untersuchung von Geheimschriften zur Ver 

bergung des Sinns von Nachrichten hinter sinnlosen Worten.

Ziel: Aufbau unberechenbaren Verschlüsselungen.

Die mathematischen Untersuchungen von SHANNON zur Sicher 

heit von Verschlüsselungsverfahren (2. Weltkrieg) führten

zur Entwicklung der INFORMATIONSTHEORIE.

  Textmanipulation:

ab 1946: Übersetzerprogramme zwischen natürlichen Sprachen (zuneh­mend Erfolge in der Gegenwart)

1950: Texteditorprogramme

1960: Programme zur automatischen Silbentrennung

  Untersuchung von Spielstrategien:

1912: Automat für Schach-Endspiele König/Turm   König

1950: SHANNON Theorie maschineller Schachspiele

Entstehung einer Vielzahl von Programmen für Schach, Dame, Go usw.

  Mathematische Beweise:

- automatische Durchführung von Beweisen (Nachprüfung auf korrekte An­wen­dung von Regeln)

- automatisches Finden von Beweisen

Problem der Unmöglichkeit der Durchmusterung aller Möglichkei­ten   > kombinatorische Explosion (z.B. beim Schachspiel 10²⁰⁰ Varianten)

  > Grundlagen automatischer Beweisfindung:

Anwendung plausibler, heuristischer Regeln

Wichtigstes Betrachtungsgebiet: Prädikatenkalkül 1. Stufe

Anfänge 1929/1930: SKOLEM/HERBRAND

1956: DARTHMORE Konferenz

MINSKY prägt den (unglücklichen) Begriff "artifiziell in­telligen­ce" und greift da­mit die Idee der Über­tragung­ mensch­licher in­tel­lek­tu­eller Lei­stun­gen auf Auto­maten wieder auf   > Anhänger und Kriti­ker.

1965: ROBINSON Resolutionsprinzip

1972: Implementierung der auf der Prädikatenlogik 1. Stufe basie­ren­den Programmiersprache PROLOG

  Logisches Rechnen:

um 1670 LEIBNITZ: Entwurf eines logischen Kalküls

1847 BOOLE: Algebraisierung der Logik (BOOLE'sche Alge­bra)

ab 1880: Bau logischer Rechenmaschinen

1938 SHANNON Untersuchungen des Aussagenkalküls durch Re­laisschal­- tungen

1952/53: Minimierung von Schaltfunktionen und Aussageformen (OUI­NE/­KAR­NAUGH)

3. Entwicklung des Signalwesens

3.1. Nachrichtenübertragung
Altertum: z.B. Anordnung von 1 bis 5 Fackeln

1791: CHAPPE Semaphore; Napoleonisches Nachrichtensytem in Europa: Laufzeit für ein Zeichen 1/4 h für 1000 km.

1817: MARRYAT internationaler Flaggencode

1840: Morsetelegraphen

1861: REIS Fernsprecher

1897: Funkensender

1935: Fernsehen
3.2. Codierungstheorie
Konstruktion von binären Codes mit technisch relevanten beson­deren Eigenschaf­ten.

Anfänge ab 1870

1937: 3 aus7 Codes für störungssicheren Telegraphiecodes

1948: Informationstheorie von SHANNON (Informationsübertragung unter Stö­rungen)

1948: WIENER: Kybernetik

Basis: Theorie der Störungsbeseitigung (Störungen unter lie­gen statistischen Gesetzen)

Informationstheorie von SHANNON

oberflächliche Deutung neurophisiologischer Arbeiten von McCUL­LOCH und PITT (1943)

1950: HAMMING Codes zur Übertragungsfehlerkorrektur
2.3.3. Regelung
Die Regelungstheorie basiert auf der Nutzung von Signalen zur Steuerung von Maschinen.

Durch das Prinzip der Rückkopplung entsteht ein geschlossener Signalkreislauf, wodurch aus dem Ausgangssignal das neue Ein­gangssignal berechnet werden kann.

Wesentliche Entwicklungsstufen:
WATT: Drehzahlsteuerung von Dampfmaschinen

ROUTH/HURWITZ/NYQUIST: Untersuchungen zur Stabilität von Regelkreisen

1925: WAGNER Rückkopplungen in biologischen Systemen

1933: FRISCH Regelkreise in der Volkswirtschaft 1948:

1948: WIENER Theoretische Synthese von Wahrscheinlichkeitstheorie,

Fouriertransformation und Passivitätsbedingung

SHANNON Abtasttheorie (Verbindung von Codierungstheorie und der Theo­rie der kontinuierlichen Signale)
2.4. Automaten und Algorithmen

2.4.1.Automatenprinzip
Automat... der sich selbst Bewegende

erste Entwicklungen im Altertum: um 100: HERON

um 1500: Entwicklung erster Uhrwerke   > großer Auftrieb für Automaten­bau, häufig "Androiden"
Programmsteuerungen:

ab 1730: Entwicklung der Lochplattensteuerung für Fabrikationssteuerun­gen (z.B. Webstühle)   > erste Nurlesespeicher (ROM)

1833: BABBAGE analytical engine (digitaler Rechenautomat)

Grundkonzept:

  Rechenwerk (difference engine)

  Zahlenspeicher

  Steuerwerk

  E/A Möglichkeiten

Programmspeicherung: Lochkarte

heutigen Rechnern basieren auf diesem Grundkonzept, damals schei­ter­te seine Verwirklichung an den technischen Realisierungsmöglichkei­ten (Me­cha­nik)

1886: HOLLERITH Zähl  und Registriemaschinen

Technik der Lochkartenverarbeitung   > Beginn der modernen Datenver­ar­beitung

Anlagenkonfiguration:

Kartenlocher, Kartenprüfer, Sortier­maschine,

Schreib­werk, Tabelliermaschine (Addierma­schine auf der

Basis elektromagnetischer Stell­werke)

1943: ZUSE erste funktionstüchtige programmgesteuerte Rechenmaschine (BAB­BAGE'sches Prinzip!)

1944: USA MARK 1 (15m Länge, 100 000 Einzelteile (davon 3 000 Kugel­lager), 80 km Leitungsdrähte)

Leistungen: + 0,3 s, * 6 s, / 11 s

heute vergleichbarer Rechner auf 5x5mm Chip

1948: PRINCETON Maschine VON NEUMANN   > universeller Rech­ner

(Grun­didee: speicherprogrammierbarer Rechner)

2.4.2. Algorithmen
um 820: AL KHOWARIZMI entwickelte als erster ein System von Anwei­sun­gen über die Folge von Schritten zur Ausfüh­rung von Grundrechenarten mit arabi­schen Ziffern sowie bei der Lösung einer Gleichung   > Begriff "Algorithmus"

(im 16. Jhd.: Gegensatz zwischen "Abacisten" und "Al­gorithmikern" (Nutzer des arab. Ziffernsystems und der damit verbundenen Rechenregeln))

Später erfolgte eine Erweiterung des Begriffs "Algorithmus" hinsichtlich "eines nach festen Regeln ablaufenden Spiels von Zeichen" (z.B. EUKLIDISCHER Algorith­mus für ggT.)

Die Entwicklung der Algorithmen war ebenfalls von der Idee geprägt, ein univer­selles Verfahren zum Auffinden aller Wahr­heit aufzustellen.

(LEIBNITZ: aufgrund von Problemen hinsichtlich der Entscheidbarkeit und der Be­rechen­barkeit blieb sein Bemühen zum Aufbau eines vollständigen Regel­sy­stems erfolglos)
Durch Untersuchungen zur Formalisierung, d.h. der Abwendung von der inhärent unscharfen natürlichen Sprache und der Zuwendung zu symbolischen Sprachen für die Beschreibung von Algorithmen und Objekten entstanden die Voraussetzungen für die schrittweise Realisierung der LEIBNITZ'schen Ziele.

1879: FREGE Begriffsschrift

1930: Gödel: Vollständigkeit des Prädikatenkalküls 1. Stufe

(Kalkül: Kollektion rein mechanisch anzuwendender syntaktischer Um­for­mungsregeln   > gut geeignet für Implementierun­gen auf Rechnern)

Die Definition eines Kalküls setzt den Nachweis seiner Kor­rektheit und Vollständig­keit voraus.

(Korrektheit: alle syntaktisch im Kalkül herleitbaren Schluß­folgerungen fol­gen auch semantisch in der Welt.

Vollständigkeit: alle Schlußfolgerungen, die semantisch gelten sind auch syn­tak­tisch herleitbar.

Entscheidbarkeit: für jede Aussage muß in endlicher Zeit nachprüfbar sein, ob sie aus Axiomem folgen oder nicht)

Das Entscheidungsproblem trotzte in Einzelfällen einer algo­rithmischen Lösung und führte zur präzisen Definition des Begriffs "Algo­rithmus"

1934: Gödel: Gleichungskalkül

1936: POST

CHURCH LAMBDA Kalkül   > LISP

1937: TURING TURING Maschine

1947: MARKOW

  > Gleichwertigkeit aller Definitionen mit der Klasse der partiell rekursi­ven Funk-­ tionen

1951: RUTISHAUSER Anstoß zu algebraischen Sprachen (Begriff stammt von

BOTTENBRUCH 1958) zur Verwendung als Programmiersprachen für

Rechenanlagen

Zunächst standen bei der Entwicklung algorithmischer Sprachen Fragen der Nota­tion im Mittelpunkt und führten zur Herausbildung der begrifflichen Grundlagen der Programmierung. Dieser Prozeß unterlag folgenden Einflußfaktoren:
- funktionelle Fähigkeiten der Rechenanlagen

- symbolische Adressen (1953)

- indirekte Adressierung (1955)

- maschinelle Übersetzung von algorithmischen Sprachen in Maschinensprache (1951 1957)

- Listenarbeit (1959 McCARTHY)

- Verbunde (1966 HOARE)

Die semantische Basis der Programmiersprachen (einheitliches und vollständiges begriffli­ches System der Programmierung) entstand durch folgende Arbeiten:
1959 GREEN Namenserzeugung

SAMELSON Blockstruktur

1965 WIRTH Referenzkonzept

1970 SCOTT Fixpunkttheorie (grundlegende mathematische Behandlung der Semantik)

1973 DIJKSTRA Theorie der Prädikat Transformation

BACKUS funktionelle Programmierung

1974 BAUER Untersuchung formaler Methoden der Programmkonstruktion
Damit war prinzipiell der heutige Stand erreicht.