Computer

5.4

Höhere Programmiersprachen

Höhere Programmiersprachen setzen sich häufig aus englischsprachigen Befehlen zusammen, wie z. B. LIST (liste auf!), PRINT (drucke!) und OPEN (öffne!). Sie bedeuten jeweils eine Folge von zehn oder Hunderten von Maschinensprachen-Anweisungen. Diese Befehle werden entweder über die Tastatur eingegeben oder einem Programm aus dem Arbeitsspeicher bzw. einem anderen Speichermedium entnommen. Ein spezielles Programm übersetzt die Befehle in Maschinensprachen-Anweisungen und verarbeitet sie anschließend.

Es gibt zwei Arten von Übersetzungsprogrammen: Interpreter und Compiler. Bei der Verwendung eines Interpreters wird jede Anweisung erneut übersetzt, auch wenn ein Programm während des Ablaufs mehrmals die gleichen Anweisungen durchläuft. Aus diesem Grund sind interpretierte Programme sehr viel langsamer als Maschinensprachen-Programme. Im Gegensatz dazu übersetzen Compiler das gesamte Programm vor der Ausführung, so dass die Programme genauso schnell ablaufen, als wären sie direkt in Maschinensprache erstellt worden.

Die amerikanische Computerwissenschaftlerin Grace Hopper implementierte die erste kommerziell orientierte Computersprache. Nachdem sie zunächst experimentelle Computer an der Harvard University programmierte, arbeitete sie mit UNIVAC I- und II-Computern und entwickelte eine kommerziell einsetzbare Programmiersprache, die FLOW-MATIC hieß. Um die Verwendbarkeit von Computern für wissenschaftliche Anwendungen zu erreichen, entwickelte später die Firma IBM eine Sprache, die das Arbeiten mit komplizierten mathematischen Formeln vereinfachte. 1954 begonnen und 1957 vollendet, wurde FORTRAN (FORmula TRANslator: Formelübersetzer) die erste umfassende, allgemein verbreitete Programmiersprache.

1957 setzte die Association for Computing Machinery (Gesellschaft für Computeranlagen) mit der Entwicklung einer Universalsprache an, die einige der bei FORTRAN begangenen Fehler vermeiden sollte. Ein Jahr später gab sie mit ALGOL (ALGOrithmic Language: Algorithmensprache) eine weitere wissenschaftlich orientierte Sprache heraus, die sich zwar in den sechziger und siebziger Jahren in Europa weit verbreitete, aber danach von neueren Sprachen verdrängt wurde. FORTRAN wird weiterhin aufgrund der hohen Investitionen in bestehenden Programmen verwendet. COBOL (COmmon Business Oriented Language: allgemeine, betrieblich orientierte Sprache), eine kommerzielle und betriebliche Programmiersprache, setzte den Schwerpunkt in den Bereichen der Datenorganisation sowie Dateienverwaltung und wird in der Wirtschaft heutzutage noch häufig eingesetzt.

BASIC (Beginner’s All-purpose Symbolic Instruction Code: Allzweck-Symbolbefehlssprache für Anfänger) wurde Anfang der sechziger Jahre am Dartmouth College für nichtprofessionelle Computeranwender entwickelt. Mit der starken Verbreitung von Mikrocomputern in den siebziger und achtziger Jahren wurde diese Sprache fast universell eingesetzt. Von ihren Gegnern als langsam, uneffizient und unelegant bezeichnet, ist BASIC jedoch einfach zu erlernen und bequem anzuwenden. Weil viele Mikrocomputer mit in der Hardware (im ROM) integriertem BASIC verkauft wurden, verbreitete sich die Sprache sehr schnell. Um ein sehr einfaches Beispiel für ein BASIC-Programm darzustellen, wird die Addition der Zahlen 1 und 2 und die Ausgabe des Ergebnisses betrachtet. Dies wird folgendermaßen aufgeschrieben (die Zahlen 10 bis 40 sind Zeilennummern):

Obwohl Hunderte verschiedener Computersprachen und Varianten davon existieren, verdienen einige eine besondere Erwähnung: PASCAL wurde ursprünglich als Lehrmittel entworfen und ist heute eine der populärsten Mikrocomputersprachen. LOGO wurde entwickelt, um Kindern das Programmieren beizubringen. Die von der Firma Bell Laboratories in den siebziger Jahren eingeführte Sprache C findet hauptsächlich Verwendung bei der Erstellung von Systemprogrammen, ebenso ihre Nachfolgerin C++. LISP (List Processing) und PROLOG haben ihr Einsatzgebiet in der künstlichen Intelligenz.

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Zukünftige Entwicklungen

Ein fortschreitender Trend in der Computerentwicklung ist die Miniaturisierung, also die Bemühung, immer mehr Schaltelemente auf immer geringerem Platz auf dem Chip zu konzentrieren. Forscher versuchen außerdem, Schaltfunktionen durch die Verwendung von Supraleitfähigkeit noch stärker zu beschleunigen.

Das Bemühen, mit Computern der „fünften Generation” Rechner zu entwickeln, die komplexe Probleme in einer als kreativ zu bezeichnenden Weise lösen können, ist ein weiterer Trend in der Computerentwicklung, deren Idealziel die echte künstliche Intelligenz darstellt. Eine derzeit aktiv erforschte Möglichkeit bieten parallel verarbeitende Computer. Dieser Computertyp enthält viele Chips, um zahlreiche verschiedene Aufgaben zur gleichen Zeit zu bewältigen. Parallelverarbeitung könnte eventuell Möglichkeiten erschließen, zu einem gewissen Grad die komplexen Rückkopplungs-, Näherungs- und Bewertungsfunktionen des menschlichen Denkens nachzubilden. Ein weiterer fortschreitender Trend ist die wachsende Vernetzung der Computer, bei der sogar Satelliten eingesetzt werden, um Computer auf der ganzen Welt miteinander zu verbinden. Großes Forschungspotential stellt die Möglichkeit „optischer” Computer dar, deren Hardware nicht mit elektrischen, sondern mit viel schnelleren Lichtimpulsen arbeitet.

Mit zunehmender Miniaturisierung herkömmlicher Schaltfunktionen macht sich ein quantenmechanischer Effekt der Elektronen bemerkbar, den man als Tunneleffekt bezeichnet. Nach der klassischen Teilchenvorstellung können sich Elektronen im Prinzip nur auf den elektrisch leitenden Bahnen einer Schaltung aufhalten, isolierende Schichten können nicht übersprungen werden. Die Realität zeigt jedoch, das ab einer bestimmten Größe der Leiterbahnen die Elektronen auch die isolierenden Abschnitte überwinden und so von einer leitenden Zeile in die andere gelangen. Man sagt in diesem Fall, die Elektronen „durchtunneln” die Schichten – in Anlehnung an den Tunneleffekt. Auf Grund dieses Verhaltens verliert natürlich die – immer kleinere – Schaltfunktion ihre Kontrolleigenschaften und ist im Prinzip wertlos. Einen möglichen Lösungsansatz für dieses Problem bietet allem Anschein nach ein vor wenigen Jahren vorgestelltes Computerkonzept des Zellularautomatens. Im Mittelpunkt dieser von amerikanischen Forschern entwickelten Idee steht nicht die Umgehung des Tunneleffekts, sondern die Ausnutzung des Effekts. Die kleinste Einheit des neuartigen Systems ist kein Miniaturtransistor, sondern besteht aus vier Quantenpunkten. Dabei handelt es sich um extrem kleine metallische Inseln, die in Form eines Quadrats auf einer Siliciumoxidoberfläche aufgebracht sind. Jede Zelle ist mit zwei Elektronen besetzt, die auf Grund ihrer elektrostatischen Abstoßung den größtmöglichen Abstand – innerhalb der Zelle – zueinander einnehmen. Das bedeutet, sie stehen einander gegenüber – entweder in der einen Diagonalen oder in der anderen Diagonalen. Diese beiden stabilen Einstellungen können damit die Zustände 0 und 1 eines Bits symbolisieren. Durch Anlegen einer Spannung gelang es den Forschern, ein Elektron von seinem Eckplatz wegzubewegen. Im Gegenzug tunnelte das zweite Elektron auf den anderen Eckpunkt und stellte so die zweite diagonale Konstellation her. Die gewünschten Effekte stellten sich allerdings nur bei tiefen Temperaturen (nahe dem absoluten Nullpunkt) ein. Um einen leistungsfähigen Rechner zu entwickeln reicht natürlich eine Zelle nicht aus. Erst durch einen ganzen Verband derartiger Zellen lassen sich logische Schaltungen ermöglichen. Hierzu sind weitere Entwicklungen geplant.

Den ersten „biologischen Rechner” stellte eine amerikanische Forschergruppe im Sommer 1999 der Öffentlichkeit vor. Ihre Entwicklung, basierend auf einer Zusammenschaltung von Mikroelektroden mit Neuronen von Blutegeln, vermochte einfache mathematische Aufgaben zu lösen.