Harald Schumny

Das Schnittstellen-Buch richtet sich an alle, die Probleme mit der Verbindung verschiedener Gerate haben oder einfach nur wissen mochten, warum der Computer so viele Buchsen hat. Durch dieses praxisbegleitende Werk werden Studenten der Elektrotechnik und Informatik angesprochen, wenn bereits Grundlagen der digitalen Datenverarbeitung bekannt sind. Es ist auch gut einsetzbar als erganzendes Buch zur Unterstutzung von Seminaren und Ubungen an Fachhochschulen. Das Schnittstellen-Buch stellt die Grundlagen der Datenubertragung an konkreten Beispielen dar und gibt viele wichtige Hinweise und Hintergrundinformationen, die fur den Praktiker nutzlich sind. Die Prinzipien aller wesentlichen Datenubertragungsverfahren werden aufgezeigt und es wird ein Uberblick uber die nach dem heutigen Stand der Technik ausgefuhrten Schnittstellen und Datenubertragungsstrecken gegeben.

Vor mehr als 13 Jahren, im Mai 1975, wurde das Vorwort zur ersten Auflage dieses Buchs geschrieben; an vielen Techniker- und Ingenieurschulen sowie im Selbststudium wurde es seither benutzt. Zahlreiche Zuschriften, Kritiken, Anregungen belegen dies. In mehr als zehn Jahren haben sich die Grundtechnologien zur Computerherstellung so sehr weiterentwickelt, daß manche technische Realisierung gar nicht mehr in Be­ nutzung ist, teilweise nur noch in technischen Museen besichtigt werden kann. So sind beispielsweise Lochkarten, Nixieröhren oder Kernspeicher nun "mittelalterlich". Andererseits sind in diesem Zeitraum die PCs (Personal Computer) derart in den Vorder­ grund gedrängt, daß manche Hardware- und Software-Betrachtung dadurch beeinflußt wird. Auch sind neue Prozessor-Architekturen zur Serienreife gelangt, weshalb z. B. Reduced Instruction Set Computers (RISCs) in einem modernen Lehrbuch der Digi­ talen Datenverarbeitung unbedingt behandelt werden müssen. Keine Frage, die Prinzipien und Basisverfahren der digitalen Datenverarbeitung haben sich nicht geändert. Das betrifft die Darstellung von Daten, die Computer-Codes und die Grundlagen der Digitalelektronik. Vor allem die digitale Datenspeicherung und die Ein-/ Ausgabeeinheiten wurden in den vergangenen zehn bis 15 Jahren enorm weiterentwickelt. Diese Entwicklung drückt sich deutlich in der Neufassung des Buchs aus. Erweitert wurde in dieser Ausgabe der Software-Teil. Aufgenommen sind die Bereiche Software-Engineering, Höhere Programmiersprachen und moderne Betriebssysteme. Um den Umfang nicht zu überziehen und den Systemgedanken zu verstärken, wurden die in der ersten Auflage des Buchs über 30 Seiten behandelten Herstellungstechnologien von pn-Übergängen und Kontakten gestrichen.

Die physikalische Darstellung von Nachrichten und Daten nennt man Signal. Deshalb sollte im Zusammenhang mit der Obertragungstechnik konsequenter weise von Signaliibertragung gesprochen werden. Die "klassische Obertra gungstechnik" ging vor allem von den Anwendungsfallen Telegrafie, Telefonie und Rundfunk aus; es handelte sich somit um reine Nachrichtentechnik. Mit der Entwicklung der elektronischen Datenverarbeitung (EDV) entstand als neue Aufgabe die Obertragung digitaler Daten und deren Verarbeitung. Die inzwischen immer haufiger sichtbare VerknUpfung von Nachrichteniiber mittlung, Dateniibertragung und Datenverarbeitung machte neue Zuordnun gen und Begriffsbestimmungen notig. Ais Oberbegriff fUr aile Formen der Obermittlung von Nachrichten und Daten wurde so die Bezeichnung Tele kommunikation gepragt. Das Lehrbuch Signaliibertragung ist vor diesem Hintergrund entstanden. Deshalb werden neben der "klassischen Nachrich tentechnik" (analoge Obertragungstechnik) auch digitale Obertragungstech niken wie Pulscodemodulation (PCM) und Datenfernverarbeitung besprochen. Teil 1 umfaBt Grundlagen der Signaliibertragung wie z.B. Verzerrungen, Rauschen, elektroakustische Wandler, Schwingungserzeugung. In Teil 2 (Modulation und Demodulation) werden mit AM, FM und PCM Verfahren der Signaliibertragung besprochen. Aufbauend darauf beinhaltet Teil 3 (Ubertragungstechnik) die wichtigsten d rahtgebu ndenen u nd d rahtlosen Obertragungsarten wie Telegrafie, Telefonie, Rundfunk, Richtfunk und Sa tellitenfunk. EinfUhrungen in die Theorie der Leitungen und die Grundlagen der Antennen und Wellenausbreitung vervollstandigen diesen Hauptteil. Teil 4 schlieBlich gibt einen Einblick in die Daten fern verarbeitung, wobei die zur DatenUbertragung Ublichen Betriebsarten und Obertragungskanale sowie die bei der Fernverarbeitung verwendeten Arbeitsweisen im Vorder grund stehen."

1m "Taschenrechner + Mikrocomputer-Jahrbuch 1983" gab es erstmalig eine "Knobel- ecke" mit verschiedenen Aufgaben, fur deren Losung auch die kleinsten Rechner geeignet sein sollten. In den darauf folgenden Ausgaben (Mikrocomputer-Jahrbuch '84 und '85) wurden die besten Losungseinsendungen vorgestellt und weitere Knobelaufgaben gestellt. Eine geordnete Zusammenstellung aller guten Knobeleien haben wir dann Mitte 1985 mit dem Buch "Knobeleien mit dem Mikro" herausgegeben (8 Aufgaben, gelost mit 15 ver- schiedenen Computem in 57 Versionen sowie 13 ungeloste Aufgaben). Die Resonanz auf all diese Aktivitaten und Publikationen war so betrachtlich, daB wir uns entschlossen haben, ein wei teres Knobelbuch zu veroffentlichen. Tabelle 1 listet aile im hier vorliegenden Buch enthaltenen Knobeleien auf. Welche Rechner zur Losung verwendet wurden, ist in Tabelle 2 zusammengestellt. Die Palette reicht dabei yom klassischen programmierbaren Taschenrechner (TI-59 mit AOS) uber weit verbreitete Taschen-und Videocomputer bis hin zu Tischcomputem. Auch dieses Knobelbuch bietet wieder Stoff und Anregungen fur "aktive" Computer- anwender. Die 25 Losungen zu den Aufgaben 1 bis 4 mit elf verschiedenen Rechnem geben vielleicht AniaB fur Variierungen oder Verbesserungen. Und besonders die funf ungelosten Aufgaben in Kapitel 5 warten auf Bearbeitung. Wir wurden uns freuen, wenn wir von der einen oder anderen Losung erfahren. Eine Kontaktadresse und die Anschrif- ten aller beteiligten "Knobler" sind weiter vom angegeben.

Es wird immer behauptet, die allermeiste Software sei für CP/M­ Rechner verfügbar. Dabei wird offenbar übersehen, daß Taschen­ computer wie der HP-41 sehr stark verbreitet sind und zu einem großen Teil professionell genutzt werden. Eine Ursache dafür ist sicher die Verfügbarkeit von Detail-Software in einer solch großen Zahl, die von keiner anderen Rechnerkategorie erreicht wird. Taschencomputer sind nämlich gleichzeitig leistungsfähig und problemlos benutzbar, und sie "verleiten" darum mehr als kom­ plexere Systeme zum Selbstprogrammieren. Es gibt aber auch umfangreichere, hochqualifizierte Programmpakete bzw. -systeme; fünf davon sind in diesem Band der Vieweg Programmbibliothek zusammengefaßt. Die Auswahl erfolgte nach besonderer Eignung für den technisch-wissenschaftlichen Einsatz. Von Edgar Buchinger stammt das Dialogsystem, mit dessen Hilfe die Abarbeitung aller Programme nach einem einheitlichen Schema möglich wird. Diese Software erzieht aber auch zum systemati­ schen Programmieren; denn alle Programme müssen gleiche Merk­ male und Strukturen aufweisen. Als Anwendungsbeispiel ist ein Bemessungsprogramm aus dem Stahlbetonbau vorgestellt. Kar! Hackenberg hat sich der Darstellung von Funktionswerten angenommen. Das erklärte Ziel des Autors ist es, den verwirrenden Doppelbelegungen von Datenspeichern und Tastenzuordnungen sowie den meist sparsam gehaltenen Rechenanweisungen mit einer kompakten Anordnung zu begegnen. Beispiele sind dafür ange­ geben, wie das Programm bei Kurvendiskussionen eine schnelle Übersicht ermöglicht.

Diese Zusammenstellung ist aus den Veranstaltungen der letzten Jahre der Lehrerfort­ bildung für Mathematiklehrer der Realschulen des Regierungsbezirkes Arnsberg ent­ standen. Ermutigt durch die rege Teilnahme sind wir gern der Bitte vieler Kollegen nachgekommen, diese Aufgabe zu übernehmen. Es handelt sich hierbei um die Einführung in die elementare Informatik, die durch den Einsatz des programmierbaren Taschenrechners sowie des Tischrechners im Unterricht bereits schon in der Sekundarstufe I zum Tragen kommen kann. Ein Buch, das aus der Praxis für die Praxis erstellt worden ist. Ein besonderer Dank gebührt Herrn Dr. Ande/finger, der uns dazu ermutigt hat, sowie Herrn Prof. Dr. Claus von der Universität Dortmund, durch den wir durch langjährige Teilnahme an den Vorlesungen im Fachbereich Informatik unser Grundwissen erworben haben. Dank sei auch dem FEoLL (Forschungs-und Entwicklungszentrum für objektivierte Lehr-und Lernverfahren GmbH) Paderborn ausgesprochen. Durch die Mitarbeit am Pilotprojekt über den Einsatz des programmierbaren Taschenrechners haben wir zu­ sätzlich Anregungen für unsere Arbeit erhalten. Nicht zuletzt sei auch dem zuständigen Dezernenten beim Regierungspräsidenten sowie dem Gesamtseminar in Arnsberg für die umfangreiche Unterstützung im Hinblick auf die Lehrerfortbildung für Mathematik/Informatik gedankt. Diese umfangreiche Programmsammlung ist hervorgegangen aus der Arbeit in den Schulen ab Jahrgangsstufe 9, der Lehrerfortbildung für Sekundarstufe I und II sowie der Erwachsenenbildung im Rahmen der Volkshochschule. Die Verfasser VI Inhaltsverzeichnis 1 Der Algorithmus ........................................ . 1.1 Alltagsalgorithmen .................................... . 1.2 Algorithmen im wissenschaftlichen Bereich . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Vom Algorithmus zum Programm ........................... 10 3 Bauteile von ETR und PTR ............................... 15 3.1 Bauteile eines Taschenrechners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 . . . . . . .

Dieses Buch weist ein paar Besonderheiten auf: 1. 1m Lehrteil werden in kompakter Form einige wesentliche Grundlagen der digitalen Datenverarbeitu ng dargestellt; 2. Anhand eines einfachen Modell-Mikrocomputers wird eine Einfuhrung in die Mikro- Datenverarbeitung gegeben; 3. Vier konkrete, weitverbreitete Lerncomputer mit den Prozessoren 6502, Z80 und 9900 werden, aufbauend aufder Modellcomputer-Beschreibung, in Betrieb genommen, wobei Verschiedenheit und Spezialitaten herauskommen; 1m Arbeitsteil sind zwei Lerncomputer mit dem 8-Bit-IlP 6502 einerseits und einem 4. 16-Bit-IlP 9900 andererseits gegenubergestellt. Damit kann das Buch in folgender Weise kurz beschrieben werden: Teil1 - Grundlagen lernen Dies ist der Lehrteil mit Grundbegriffen, Zahlensystemen, Codierungen; mit der Beschrei- bung eines Modellrechners und der I nbetriebnahme von vier Lerncomputern; mit der Diskussion von Basisoperationen, der IlC-Hardware und der Programmierung von Mikro- computern. Teil 2 - Am Mikrocomputer arbeiten Dies ist der Arbeitsteil, in dem durch Programmieren im Maschinencode zweier wichtiger Mikroprozessoren der Stoff vertieft wird. Das Hauptanliegen des Buches ist im Arbeitsteil verwirklicht, namlich die Arbeitsweise von Mikroprozessoren im Detail zu verstehen und an konkreten Versionen mit Program- mierubungen soviel Sicherheit zu vermitteln, daB - einerseits das selbstandige Weiterarbeiten mit den vorgestellten Prozessoren moglich wird, - andererseits der Wechsel zu anderen Mikroprozessoren hiernach gelingen sollte.

BASIC ist heute so etwas wie eine Standard-Programmiersprache, und für viele private und berufliche Computer-Verwender ist BASIC die als erste gelernte Sprache. Das liegt vor allem an der leichten Erlernbarkeit - selbst Anfänger können bereits nach wenigen Stunden eigene Programme schreiben. Praktische Gründe für die Dominanz von BASIC sind aber auch die Dialogfähigkeit, die interaktives Arbeiten am Computer ermöglicht (Mensch-Maschine-Dialog), und die Tatsache, daß die am meisten verbreiteten Tischcom­ puter nur BASIC "verstehen". Häufig hört man von erfahrenen Programmierern, BASIC weise eine Reihe ernst zu nehmender Mängel und Nachteile auf, vor allem BASIC erlaubt keine strukturierte Programmierung, verleitet vielmehr zu extensiven Verzweigungen und Verschachtelungen ("Spaghetti"-Stil); es sind nur globale Variablen möglich (nur solche, die für das ganze Programm gelten), lokale Variablen z. B. in Unterprogrammen können nicht definiert werden; symbolische Adressierung ist in der Regel nicht möglich, Variablennamen sind oft viel zu kurz (meist nur 2 Zeichen); das Aneinanderhängen mehrerer Programme (chain, append oder merge) durch Zu­ laden vom Massenspeicher ist normalerweise nicht möglich; - WHILE-Schleifen, GASE-Strukturen und IF-THEN-ELSE werden nur äußerst selten geboten. Das stimmt .natürlich alles. Es sollte trotzdem immer ehrlich abgewogen werden, ob man auf all diese fehlenden Möglichkeiten nicht auch verzichten kann. Die weite Verbreitung von BASIC läßt den Schluß zu, daß in sehr vielen Anwendungsfällen tatsächlich darauf verzichtet werden kann.

Einführung Von wichtigen internationalen Normungsorganisationen sind Bemühungen bekannt, einen einheitlichen, höheren BASIC-Dialekt zu entwickeln. Nach Verabschiedung solch eines Standards und weltweiter Akzeptierung wäre es erheblich einfacher als heute, BASIC-Programme zwischen Benutzern verschiedener Rechner aus­ zutauschen. Allerdings können Programme, die den Sprachenumfang des neuen Standards nutzen, nicht auf Systeme übertragen werden, die mit derzeitigen Quasi-Standardversionen arbeiten (wie z.B. Apple-, CBM- oder Tandy-BASIC) . Denn nur wenige Hersteller bieten schon jetzt erweiterte Dialekte, die etwa den Vorstellungen genügen, wie sie beispielsweise vom ANSI (American National Standards Institute) entwickelt wurden. Am ehesten entspricht schon das von Hewlett-Packard für die 80er Systeme entwickelte "Erweitere BASIC" den neuen Festlegungen wie z.B. CALL "Unterprogrammname" Aufruf eines Unterprogramms mit seinem Namen, IF •.. THEN ... ELSE ... zweiseitige Programm­ verzweigung, PRINT USING ... formatierte Ausgabe. Drei weitere Anweisungsgruppen zeichnen die Programmiersprache BASIC der Systeme wie HP-85 aus: - Graphik-Anweisungen zur Ausgabe von Meß- oder Berechnungs­ ergebnissen und Beschriftung von Diagrammen, z.B. SCALE, XAXIS, YAXIS, PLOT, DRAW, MOVE, LABEL, PEN - Befehle zur Behandlung von Hardware- und Software­ Interrupts, z.B. ON ERROR •.• GOSUB (oder GOTO) ON INTR ... ON KEY ..• Einführung ON TIMER •.• - Befehle zur Bedienung des IEC-Busses, z.B. ENTER, OUTPUT, .•• USING ... , Im Beitrag von w. Wendt und H. Schumny werden diese Möglich­ keiten weitgehend genutzt. Die konkrete Anwendung aus der nuklear-physikalischen Praxis kann sozusagen als Demonstration dafür angesehen werden, was künftige BASIC-Versionen erlauben.