Grundlagen der Informatik I “Programmierung”

Beschreibung, die üblicherweise natürlichsprachlich ist, muß die einzelnen Leistungen exakt beschreiben. Eine
formale Beschreibung der Anforderung in deskriptiver Form garantiert die Exaktheit, da die Formeln eine
eindeutige Leseweise garantieren. In unseren Fall ist durch die Regeln 1–3 aus 1.2.1.1 eine präzise Anforderungsdefinition
gegeben.
Wir könnten nun unsere formalen Anforderungen mit minimalen Änderungen in eine logische Programmiersprache
(Prolog) umschreiben, bzw. wir hätten unsere Anforderungen direkt in dieser Sprache formulieren
können. Da die logischen Programmiersprachen ausführbar sind, wären wir mit der Systementwicklung (GGT)
fertig! Es genügt die Problembeschreibung, eine Programmentwicklung ist nicht mehr notwendig, denn wir
bekommen alle Antworten durch Anfragen wie z.B. GGT(12,15,t)? Leider lassen sich nicht alle Probleme in
den logischen Programmiersprachen darstellen, und weiter ist auch die Effizienz dieser Programmiersprachen
in der Anwendung bei weitem nicht ausreichend. Daher muß man überlegen, wie man die geforderten Ergebnisse
erreichen kann. Hier beginnt die eigentliche Programmentwicklung als intuitiver Prozess, der sich nicht
durch standardisierte Verfahren durchführen läßt.
Auch wenn es kein mechanisches Verfahren gibt und nie geben kann, wie in den “Grundzügen der Informatik
IV” nachgewiesen wird, so gibt es trotzdem eine Methodik des Programmierens. Es gibt zwei Klassen der
methodischen Programmentwicklung:
1. man führt eine systematische Überführung der deskriptiven Beschreibung in ein funktionales oder imperatives
Programm (Programmsynthese) nach bereits bewiesenen Regeln durch, deren geschickte Auswahl
die eigentliche Programmentwicklung bedeutet, oder
2. man hat einen Einfall für ein Verfahren, von dem dann nachträglich geprüft werden muß, ob es der
Beschreibung des Systems entspricht (Verifikation).
In der Praxis liegt eine Mischform vor. Man führt die Transformation nach bewährten aber noch nicht bewiesenen
Regeln durch. Ein intuitiver Einfall ist eine Erweiterung der Regelmenge. Da die Korrektheit der
Regel fehlt muß eine Verifikation des Programms durchgeführt werden. Die bewährten Regeln sind leider nur
ein individueller Erfahrungsschatz. Eine brauchbare Systematik liegt noch nicht vor. Ihre Aufgabe ist es, sich
dieses Regelwissen anzueignen.
Hat man ein Verfahren (Algorithmus) gefunden, das der Anforderung entspricht, und hat man dieses Verfahren
in einer imperativen oder funktionalen Sprache dargestellt (Programm), dann geht der Rest weitgehend
automatisch. Das funktionale oder imperative Programm wird durch ein spezielles Programm (Übersetzer
oder Compiler) in ein Maschinenprogramm übersetzt, das dann über die Schaltungen interpretiert wird.
Programmentwicklung ist ein zu einen Teil intuitiver und zum anderen Teil automatisierter Prozeß, Anforderungen,
die informal oder in einer höheren Logik formal beschrieben sind, in Programme überzuführen,
die dann über Schaltungen einer Maschine, also durch Interpretation der Aussagenlogik, durchgeführt werden.
Programmentwicklung besteht somit aus einer Reihe von Übersetzungen von einer Sprachebene in die
nächst “tiefere”, ohne die Bedeutung bei der Übersetzung zu verändern. Es ist ein zentrales Forschungsziel
der Informatik, die Übersetzungsschritte immer mehr zu mechanisieren, unter vollem Bewußtsein, daß dies
nie vollständig möglich sein wird.
Wir können aber auch die andere Richtung betrachten, die die Geschichte der Informatik widerspiegelt: Die
Aussagenlogik, realisiert über Schaltungen, erlaubt uns die Konstruktion von Maschinen (Schickard 1623: Rechenuhr),
die die arithmetischen Operationen durchführen können. Die Idee, das Verfahren der Berechnung zu
codieren und auch in den Rechner abzuspeichern, führt uns zum Rechner, der in der Maschinensprache universal
programmierbar ist. 4 Aufgrund der wenigen Ausdrucksmöglichkeiten (mehr würde die Hardwarepreise
in die Höhe treiben) der Maschinensprache ist das Programmieren aufwendig und daher fehlerträchtig.
4 Falcon 1728: Webstuhl mit Lochplatten zur Steuerung des Musters, von Jacquard 1805 verbessert, Babbage: digitaler programmgesteuerter
Rechner auf mechanischer Basis, Zuse 1934 und Aiken 1944 relaisgesteuerter Rechner, Eckert und Mauchley
1964 röhrengesteuerter Rechner, Zemanek erster transistorgesteuerter Rechner in Europa