Kapitel 1. Programmierkurs. 1.2 Allgemeiner Aufbau des Computers. 1.1 Hallo, Computer...?

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1 Kapitel 1 Programmierkurs Birgit Engels, Anna Schulze ZAIK Universität zu Köln Einführung Hallo, Computer...? Aufbau eines Computers Was ist eine Programmiersprache? Der Programmierprozess Warum Java? WS 07/08 1 / Hallo, Computer...? 1.2 Allgemeiner Aufbau des Computers CPU Führt Berechnungen durch, bearbeitet Daten, steuert das Verhalten aller Komponenten des Computers, regelt I/O. Speicher Enthält die Daten und den Programmcode, welche von der CPU benötigt werden. Ein-/Ausgabegeräte Schnittstelle zum Benutzer, zu anderen Rechnern,... 3 / 33 4

2 1.3 Was ist eine Programmiersprache? Welche Sprache spricht mein Computer? Ein Programm, was ist das? Programmieren heißt, einem Computer mitzuteilen, was er und wie er es zu tun hat. Ein Programm beschreibt einen Algorithmus, d.h. eine endliche Folge eindeutiger Anweisungen. Ein Programm ist eine in einer formalisierten Sprache (Programmiersprache) ausgedrückte Folge von Anweisungen, die vom Computer verstanden und nacheinander abgearbeitet wird. Die Hardware des Computers besteht aus logischen Bausteinen (UND, ODER, NICHT,... ) und arbeitet intern nur mit den Werten 0 (falsch) und 1 (wahr). Grund: Diese Werte lassen sich elektrisch einfach realisieren, z.b. durch Strom fließt und Strom fließt nicht. Der Computer versteht also nur Binärdaten. 5 / 33 6 Einschub: Binärzahlen Im Allgemeinen benutzen wir Zahlen im Dezimal(=Zehner)system, d.h.: 10 verschiedene Zeichen (Ziffern): 0,..., 9 Stelle der Ziffer entscheidet über Wertigkeit Beispiel: , eigentlich: = Anstellle der 10 als Basis tritt bei Binärzahlen (Dualzahlen) die 2: 2 verschiedene Zeichen (Ziffern): 0 und 1 Stelle der Ziffer entscheidet über Wertigkeit, z.b : = = Darstellung der Daten im Computer Alle Informationen (Programmanweisungen, Daten, Texte) werden im Speicher durch Bitfolgen dargestellt: Bit = Speicherstelle mit Wert 0 oder 1. 8 Bit bilden ein Byte. Zahlen werden als Dualzahlen dargestellt, z.b.: 5 = = Ganze Zahlen werden i.a. mit 4 Byte = 32 Bit dargestellt. Dies nennt man auch ein Wort. Buchstaben werden als Zahlen dargestellt, z.b. im ASCII-Code: a = 97 = Speicher ist in Bytes unterteilt. Jedes Byte hat eine eindeutige Nummer (Adresse). 7 / 33 8

3 Tabelle des ASCII Codes Maschinensprachen 0 NUL 1 SOH 2 STX 3 ETX 4 EOT 5 ENQ 6 ACK 7 BEL 8 BS 9 HT 10 NL 11 VT 12 NP 13 CR 14 SO 15 SI 16 DLE 17 DC1 18 DC2 19 DC3 20 DC4 21 NAK 22 SYN 23 ETB 24 CAN 25 EM 26 SUB 27 ESC 28 FS 29 GS 30 RS 31 US 32 SP " & ( 41 ) 42 * , / : 59 ; 60 < 61 = 62 > 63? 65 A 66 B 67 C 68 D 69 E 70 F 71 G 72 H 73 I 74 J 75 K 76 L 77 M 78 N 79 O 80 P 81 Q 82 R 83 S 84 T 85 U 86 V 87 W 88 X 89 Y 90 Z 91 [ 92 \ 93 ] 94 ^ 95 _ a 98 b 99 c 100 d 101 e 102 f 103 g 104 h 105 i 106 j 107 k 108 l 109 m 110 n 111 o 112 p 113 q 114 r 115 s 116 t 117 u 118 v 119 w 120 x 121 y 122 z 123 { } 126 ~ 127 DEL einzige Sprache, die direkt vom Computer verstanden wird durch Computerbauteile bestimmt -> maschinenabhängig besteht aus Zahlenketten (letztendlich aus 0 und 1) weist Computer an, Basisoperationen durchzuführen (meist eine pro Zeitschritt) für Menschen mühsam zu interpretieren Beispiel: / Assemblersprachen Hochsprachen dem Englischen nahe Abkürzungen, die elementare Computeroperationen repräsentieren für Menschen besser verständlich unverständlich für Computer, Übersetzung in Maschinensprache notwendig (Assembler) maschinenabhängig Beispiel: LOAD ADD STORE BASISLOHN ZUSCHLAG BRUTTOLOHN ähnlich zu gewöhnlichem Englisch, benutzen gewöhnliche mathematische Notation einzelne Befehle erledigen teilweise komplexe Abläufe unverständlich für Computer, Übersetzung in Maschinencode notwendig (Compiler / Interpreter) maschinenunabhängig (Compiler maschinenabhängig) Beispiel: bruttolohn = basislohn + zuschlag 11 / 33 12

4 & & 14 " &, * + ( 1 ) * " " &, * + ( 1 ) * " / 33 Programm wird in Editor geschrieben und auf der Fest- platte gespeichert. & & 16 " &, * + ( 1 ) * " " &, * + ( 1 ) * " 4. Präprozessor Zusammenbinden bearbeitet der Programmtext. 15 / 33 Compiler erzeugt Objektcode und speichert ihn.

5 ,, ( * ( * & &, ( * & Linker 1. Programm bindet den eingeben Objektcode mit zus. Dateien, erzeugt ausführbare Datei 2. und Vorverarbeitung speichert diese. * + ) " " & 1 Loader lädt Programm in den Speicher. * + ) " " & 1 17 / I Prozessor lädt jede Instruktion und führt sie aus. Evtl. neue oder 4. Zusammenbinden modifizierte Dateien der werden gespeichert. * + ) " " & 1 2. Übersetzen, Zusammenbinden der, Programm laden. Syntaktische Fehler. 3. Ausführen/Testen des Programms (mit verschiedenen Eingaben). Semantische oder logische Fehler. 19 / 33 20

6 I 2. Übersetzen, Zusammenbinden der, Programm laden. Syntaktische Fehler. Tippfehler Falsch verwendete 3. Ausführen/Testen Schlüsselworte, des Programms Methoden, (mit etc. verschiedenen Eingaben). Sonstige Formalfehler Semantische oder (Später logische mehr) Fehler. I Das Programm liefert ein 1. Programm falsches/unerwartetes eingeben Ergebnis. 2. Übersetzen, Zusammenbinden der Stürzt übersetzten bei bestimmten Dateien, Programm Eingaben laden. ab. Sonstige Syntaktische Denkfehler Fehler. (Später mehr). 3. Ausführen/Testen des Programms (mit verschiedenen Eingaben). Semantische oder logische Fehler. 21 / Warum Java? Objektorientierung (OO) Was bedeutet Objektorientierung (OO)? Alles ist ein Objekt. 5 Entwicklungs-Prinzipien von Java: Objektorientierung (OO) Plattformunabhängigkeit Unterstützung von Internet-Anwendungen als Standard (Applets) Sicherheit von Internet-Anwendungen als Standard (Applets) Vereinigung guter Konzepte aus bereits bekannten Sprachen Programm-Gliederung in überschaubare Teile (Objekte/Klassen) Teilprogramme haben gewisse (rudimentäre) gemeinsame Eigenschaften. Einfache und unabhängige Wiederverwendung von Programm(teil)en. Zusammenhang zwischen Daten und spezifische Operationen auf Daten 23 / 33 24

7 Objektorientierung - Beispiel Objekt Kreis Wir wollen z.b. ein Programm schreiben, in dem Umfang U K und Fläche A K von Kreisen bestimmt werden. Wir knnen dazu im Programm einfach die benötigten Variablen (Radius) in die bekannten Formeln: U K = 2πr A K = πr 2 einsetzen. Wir können aber auch ein Objekt Kreis kreieren. Dazu schreiben wir eine sogenannte Klasse mit dem Namen Kreis. Diese enthält mehrere Arten von Informationen: Variablen, in denen charakteristische Eigenschaften eines Kreises, wie Mittelpunkt und Radius Methoden, die bestimmte zustzliche Informationen zu einem Kreis, wie Umfang und Flche berechnen, oder z.b. überprüfen, ob ein weiterer Punkt im Kreis enthalten ist, oder nicht. Wir können jetzt ein spezielles Objekt Kreis mit den Daten Mittelpunkt und Radius erzeugen. Ein solches Objekt nennen wir dann eine Instanz der Klasse Kreis. 25 / Objekt Kreis - Graphisch Objekt Kreis - Vorteil Klasse Kreis Variablen: // x-koordinate des Mittelpunktes x // y-koordinate des Mittelpunktes y // Radius r Methoden // Bestimmt Kreisumfang umfang() // Bestimmt Kreisflaeche flaeche() Instanzen der Klasse Kreis KleinerKreis mit x=0, y=0 r=1.3 GrosserKreis mit x=8, y=0 r=5 Natürlich ist das schreiben einer Klasse mehr Arbeit, aber... In einem Kreisobjekt sind die Daten zu dem Kreis (Mittelpunkt, Radius) strukturiert abgelegt, d.h. man sieht sofort, dass die Punktkoordinaten und der Radius nicht einfach Zahlen sind, sondern einen Kreis charakterisieren sollen. Die Methoden zur Berechnung von Umfang und Fläche gehören zum Kreis, d.h. sie werden nicht aus Versehen für andere geometrische Objekte verwendet für die sie nicht stimmen. 27 / 33 28

8 Plattformunabhängigkeit Plattformunabhängigkeit 29 / Plattformunabhängigkeit JVM Java Virtual Machine (JVM) Ist Schnittstelle zwischen Hoch- und Machinensprache. Ist Software, die auf Java-fähigem System/Computer installiert sein muss. Muss an jedes Betriebssystem angepasst sein. Simuliert CPU/Prozessor (Hardware) gegenüber Hochsprache. Hat eigene, aber fester Maschinensprache (Java-Bytecode). Übersetzt Bytecode zur Laufzeit in speziellen, systemabhängigen Maschinenecode: Die JVM ist ein Interpreter, daher: (früher) Laufzeitnachteil für Java-Programme. 31 / 33 32

9 Internet-Anwendung und -Sicherheit Was sind Applets (small applications = kleine Anwendungen)? (Kleine) Java-Programme. Sind in Internetseiten eingebettet. Werden von Browser gestartet und ausgeführt (Remote). Unterliegen eingeschränkten Rechten (Speichern/Verändern von Daten). Später mehr 33 / 33

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