Überblick. 1 Was ist Informatik? 2 Bereiche der Informatik. 3 Geschichte der Informatik

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1 Teil I Einführung

2 Überblick 1 Was ist Informatik? 2 Bereiche der Informatik 3 Geschichte der Informatik Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 15/101

3 Was ist Informatik? Informatik=? Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 16/101

4 Computer als Arbeitsmittel In der Informatik geht es genauso wenig um Computer wie in der Astronomie um Teleskope. Edsger Wybe Dijkstra Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 17/101

5 Der Begriff Informatik Kunstwort aus den 60ern Informatik Information + Technik oder Informatik Information + Mathematik oder Informatik Information + Automatik... Definition (Informatik) Informatik ist die Wissenschaft von der systematischen und automatischen Verarbeitung von Informationen, insbesondere mit Hilfe von Computern. Im Englischen: Computer Science + Information Science Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 18/101

6 Bereiche der Informatik Angewandte Informatik Entwicklung und Verwendung von speziellen Informationsverarbeitungslösungen für bestimmte Anwendungen: Ingenieurinformatik, Wirtschaftsinformatik, Geoinformatik, Bioinformatik, Medieninformatik, etc. Praktische Informatik Techniken der Programmierung und Entwicklung von Lösungen zur Informationsverarbeitung (Software): Programmiersprachen, Algorithmen, Datenstrukturen, Betriebssysteme, Datenbanken, etc. Technische Informatik Struktur, Aufbau und Funktionsweise von Computern (Hardware): Elektround Schalttechnik, Speicher, Prozessoren, Bussysteme, Schnittstellen und Peripherie Theoretische Informatik Theoretische und mathematische Modelle der Informationsverarbeitung: Entscheidbarkeit und Komplexität von Problemen, Eigenschaften von Berechnungsmodellen und Sprachen Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 19/101

7 Warum... Informatik für Ingenieure? 1 Grundlage und Ergebnis von Ingenieurtätigkeiten sind Informationen, welche in der Entwicklung, der Simulation und dem Test sowie im Betrieb von technischen Produkten verwendet werden. 2 Der Computer wird zunehmend zum Hauptarbeitsmittel von Ingenieuren, der unter dem Einsatz spezieller Software und Verfahren zur Lösung von Problemen im Ingenieurbereich eingesetzt wird. 3 Die Lösung konkreter Probleme in einem gegebenen Anwendungsszenario kann die Entwicklung spezieller Programme durch Informatiker in Kooperation mit Ingenieuren erfordern, wozu ein Austausch von Spezialisten aus beiden Bereichen möglich sein muss. Die Verarbeitung von Information und der Einsatz von Computern durch Ingenieure setzt ein grundlegendes Verständnis der informationstechnischen Grundlagen voraus.

8 Inhalte der Vorlesung Fokus auf Technische Informatik Grundlegendes Verständnis der Funktionsweise von Computern Praktische Informatik Grundprinzipien von Programmiersprachen Lösung von Problemen mittels des Computers Grundlagen der Software-Entwicklungen Betriebsysteme, Datenbanksysteme, Rechnernetze Angewandte Informatik Ingenieurtechnische Anwendungen und Problemstellungen Computergrafik als Grundlage von Computer Aided Design (CAD) Simulation Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 21/101

9 Typische Informatik-Anwendungen für Ingenieure Spezielle Anwendungen für Ingenieure Computer Aided Design (CAD) Computer Aided Manufacturing (CAM) Computer Aided Planning (CAP) Produktionsplanung und Steuerung (PPS) Produktdatenmanagement (PDM)... Allgemeine Anwendungen im Berufsalltag von Ingenieuren System zur Lösung mathematischer und statistischer Probleme Simulationssysteme Workflow-Systeme Enterprise Resource Planning (ERP)... Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 22/101

10 Warum... reicht es nicht, wenn ich als Ingenieur weiß, wie ich diese Systeme anwende? 1 Der effiziente Einsatz von Ingenieuranwendungen wird durch ein Verständnis der zugrunde liegenden Technologie erleichtert. 2 In Übergangsbereichen werden Spezialisten mit Fachwissen aus beiden Bereichen (Quereinsteiger oder Ausbildung im Übergangsbereich) benötigt, z.b. Entwicklung von Ingenieuranwendungen, Entwicklung von Produkten mit eingebetteten Systemen (Hard-, Software), Automatisierungstechnik, und Mechatronik. 3 Die Anwendungssysteme bieten Lösungen für allgemeine Problemstellungen, weshalb spezielle Verarbeitungsschritte über Erweiterungsschnittstellen ergänzt werden können.

11 Zusammenfassung: Überblick Informatik Ingenieurwissenschaften sind aus Sicht der Informatik Anwendungsbereich Informatik ist aus Sicht der Ingenieurwissenschaften Grundlage für aktuelle Lösungen Computer ist Hauptarbeitsmittel für Ingenieure (genau wie für Informatiker) Ingenieure verwenden von Informatikern entwickelte Anwendungssoftware Im folgenden: Wie entstand Informatik als Wissenschaft? Was sind die technischen Grundlagen der Datenverarbeitung? Wie werden Informationen zu verarbeitbaren Daten? Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 24/101

12 Geschichte der Informatik Entwicklung von Informationstechnik und Durchdringung des Alltags seit der 2. Hälfte des 20 Jahrhunderts explosionsartig Informationsgesellschaft Zunehmende Bedeutung und Wert von Informationen Schnelle Entwicklung von Technologien zur Verarbeitung und Kommunikation Historische Wurzeln der Informatik reichen zum Teil erheblich weiter Zurück Rechenautomaten programmierbare Maschinen Grundlagen aus Mathematik, Elektrotechnik, Linguistik, Kodierungs- und Informationstheorie Seit 50er Jahren: Relativ schnelle Folge von Rechnergenerationen Immer mehr Anwendungen der Informationstechnik in Wirtschaft und Privatbereich Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 25/101

13 Warum... Geschichte der Informatik? Mehr als die Vergangenheit interessiert mich die Zukunft, denn in ihr gedenke ich zu leben. Die Vergangenheit ist ein Prolog Albert Einstein Unbekannt

14 Geschichte der Informatik bis 1950 vor 17. Jh v. Chr.: erste mechanische Rechenhilfen in Indien/China, z.b. bis heute benutzter Abakus auf Basis des Dezimalsystems Beschreibung von reproduzierbaren Rechenverfahren, z.b. größter gemeinsamer Teiler durch Euklid (300 v. Chr). Al-Chwarizmi (820) beschreibt Grundlagen von Rechenvorschriften, die nach ihm als Algorithmen bezeichnet werden (aus lateinischer Übersetzung Dixit Algorismi... - Al-Chwarizmi hat gesagt... ) Boethius (um 1500) und Adam Riese (ab 1518) veröffentlichen Vorschriften für das schriftliche Rechnen im Dezimalsystem Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 27/101

15 Geschichte der Informatik bis Jh. Erste mechanische Rechenmaschinen zur Erleichterung der durch technischen Fortschritt und zunehmende Industrialisierung häufigeren Rechenaufgaben Wilhelm Schickard (1623): Addition und Subtraktion für astronomische Berechnungen Pascal (1641): patentiert Pascaline als Rechenmaschine für Steuerwesen und Händler, welche ebenfalls Addieren und Subtrahieren kann Gottfried Wilhelm Leibniz (1673): Rechenmaschine für 4 Grundrechenarten Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 28/101

16 Geschichte der Informatik bis 1950 Abbildung: Blaise Pascals Pascaline Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 29/101

17 Geschichte der Informatik bis Gottfried Wilhelm Leibniz beschreibt erstmals Dualsystem (Binärsystem), welches im Gegensatz zum heute und damals gebräuchlichen Dezimalsystem (Ziffern 0 bis 9) als Ziffern nur 0 und 1 verwendet Ist heute Grundlage für elektronische Rechner (Speicher, Prozessoren), welche auf unterster Ebene nur die Schaltzustände an (1, Spannung liegt an) oder aus (0, Spannung liegt nicht an) kennen 1110 = x x x x x x 101 Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 30/101

18 Geschichte der Informatik bis Jh. Entwicklung mechanischer, programmgesteuerte Maschinen Programmsteuerung erlaubt durch Folge von Befehlen Durchführung komplexerer Berechnungen Joseph-Marie Jacquard (1805): Entwicklung eines lochkartengesteuerten Webstuhl Charles Babbage (1822): entwickelt Konzept für programmgesteuerte Analytical Engine mit Speicher, Steuereinheit und Verarbeitungseinheit, deren Konstruktion wegen hohem Aufwand jedoch nie vollendet wird Hollerith (1886): System zur Erfassung von Daten auf Lochkarten Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 31/101

19 Geschichte der Informatik bis 1950 Abbildung: Analytical Engine von Charles Babbage Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 32/101

20 Geschichte der Informatik bis George Boole entwickelt Boolsche Logik und Algebra, welche grundlegende logische Operatoren UND, ODER und NICHT umfasst Angewandt auf binäre Zustände (1=wahr, 0=falsch) bilden diese die Grundlage für Funktionsweise von heutigen Prozessoren Operationen wie Rechenoperationen im Binärsystem werden auf diese logischen Grundbausteine zurückgeführt Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 33/101

21 Geschichte der Informatik bis Alan Turing entwickelt basierend auf mathematischer Logik Automatenmodell (theoretische Turingmaschine) und schafft theoretische Grundlagen für Algorithmen Konzepte der Entscheidbarkeit, Komplexität und Berechenbarkeit von Problemen Begründet damit Theoretische Informatik und zeigt Grenzen der Informatik auf Unendliches, beschriebenes Band Schreib-/ Lese Kopf Programm- Tafel (Regeln) Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 34/101

22 Geschichte der Informatik bis Jh. Entwicklung erster elektronischer Rechenmaschinen Konrad Zuse (1941): mechanisch-elektronische, programmgesteuerte Rechenmaschine Z3 auf Basis des Dualsystems und erste High-Level-Programmiersprache Plankalkül ( ) Howard Hathaway Aiken (1944): erster ebenfalls relais-basierter Großrechner Mark I J. Presper Eckert und John W. Mauchly (1946): ENIAC erster voll elektronischer Rechner auf Basis von Röhrentechnologie Ab 1949: industrielle Produktion von elektronischen Rechnern Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 35/101

23 Geschichte der Informatik bis 1950 Abbildung: ENIAC - Electronic Numerical Integrator and Computer Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 36/101

24 Geschichte der Informatik bis John von Neumann entwirft grundlegende Von-Neumann-Architektur als bis heute aktuelle Referenz für Aufbau von speicherprogrammierbaren Rechnersystemen Prinzip des Stored Program, d.h. Programm ist mit Daten zusammen im Speicher des Rechners, erlaubt flexible Programmierung für verschiedene Anwendungen Zentrale Vearbeitungseinheit Rechenwerk Steuerwerk Bus Ein-/Ausgabe Speicherwerk Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 37/101

25 Entwicklung von Hardware seit 1950 Erste Rechnergeneration: Technologie auf Röhrenbasis Stapelverarbeitung Zweite Rechnergeneration: Transistoren Entwicklung erster Betriebssysteme und Compiler für Programmiersprachen Interaktivität durch Bildschirm-Terminals für Mainframes Dritte Rechnergeneration: Integrierte Schaltungen: Mikrochips Erste Kleinrechner und Netzwerke Vierte Rechnergeneration: Hochintegrierte Schaltungen: Mikroprozessoren Halbleiterspeicher Erste Super-Computer und Parallelverarbeitung Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 38/101

26 Entwicklung von Hardware seit 1950 Entwicklungen heute Zunehmender Integrationsgrad von Schaltungen Stetig wachsende Geschwindigkeit und Speicherkapazitäten Verbreitung von Multiprozessorsystemen Zunehmede Vernetzung Computer durchdringen alle Lebensbereiche Home Computer, PCs, Laptops, Handhelds Genutz für Anwendungsprogramme, Internet, Spiele, Unterhaltungsmedien Eingebettete Systeme Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 39/101

27 Entwicklung wichtiger Software/Technologien 1961 erstes Betriebssystem CTSS 1962 Erstes Computerspiel: Spacewar! 1968 Erste Grafische Benutzeroberfläche: NLS (on-line System) 1969 Unix als Mehrbenutzer-/Multitasking-Betriebssystem (freie Variante Linux 1991) 1969 Arpanet mit TCP/IP Grundlage für heutiges Internet 1970 Relationales Datenmodell bis heute Standard für Datenbanken 1985 Microsoft Windows 1.0 als grafische Oberfläche für MS/DOS wird schrittweise zum eigenständigen Betriebssystem ausgebaut (ca. ab Windows 95/Windows NT) 1990 Grundlagen des World Wide Web: HTML und erster Web Browser Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 40/101

28 Zusammenfassung: Geschichte der Informatik Wurzeln der Informatik Algorithmen Rechentechnik Mathematische Grundlagen reichen weit zurück Seit 1950 sprunghafte Entwicklung Aber: trotz stetiger Neuerungen Grundlagen heutiger Technik seit Jahrzehnten relativ stabil Informatik ist nicht so schnelllebig, wie man vielleicht denkt Eike Schallehn, FIN/ITI Grundlagen der Informatik für Ingenieure 41/101