Grundlagen der Informatik

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1 Grundlagen der Informatik Teil I Definition, Geschichte und Teilgebiete der Informatik Seite 1

2 Wer steht da? M. Eng. Robert Maaßen Studium: Informatik Vertiefungsrichtung Medientechnik, Diplom Ingenieur (FH), HAWK, Göttingen Informations- / Elektrotechnik, Master of Engineering, HAWK, Göttingen Arbeit: seit 2001: Selbstständiger Dienstleister im Bereich Medientechnik seit 2008: Ciiju GmbH (Gesellschafter, Entwickler), Göttingen seit 2010: Dozent, Private Hochschule Stade, BA, VWA, götrain Göttingen Seit 2010: DIDPM GmbH (Angestellter Entwicklungsleiter), Göttingen Seite 2

3 Organisatorisches Klausur Termin? 120min Hilfsmittel: Einfacher Taschenrechner 50% der Punkte, um zu bestehen Seite 3

4 Literatur Gunther Saake, Kai-Uwe Sattler Algorithmen und Datenstrukturen, dpunkt Verlag, 2006 Andrew S. Tanenbaum Computernetzwerke, Pearson Studium, 2004 Wolfgang Schweizer MATLAB kompakt, Oldenbourg, 2008 Herold, Lurz, Wohlrab Grundlagen der Informatik, Pearson Studium, 2007 Seite 4

5 Das Streichholz-Rätsel Vier Streichhölzer so umlegen, dass 3 gleich große Quadrate entstehen Wie gehen Sie vor? Seite 5

6 Lösung Seite 6

7 Vorgehensweise 1. IST-Zustand (Ausgangszustand) ist im Allgemeinen vorgegeben und kann nicht beeinflusst werden 2. SOLL-Zustand (Zielzustand) soll im Allgemeinen erreicht werden 3. TRANSFORMATION ist der Weg vom Ausgangs- zum Zielzustand und stellt die Lösung dar Seite 7

8 IST- und SOLL-Analyse IST-Analyse SOLL-Analyse 4 Quadrate 3 Quadrate Quadrate gleich groß Quadrate gleich groß 12 Streichhölzer 12 Streichhölzer; 4 Streichhölzer umgelegt Problem: Es soll, bei gleicher Streichholzzahl (12), ein Quadrat weniger (anstelle von 4 nur 3 Quadrate) entstehen. 3 Quadrate benötigen genau dann 12 Streichhölzer, wenn kein Streichholz eines Quadrats zugleich eine Seite eines anderen Quadrats ist. Transformationsvorschrift : Lokalisiere alle Streichhölzer mit Doppelfunktion! Seite 8

9 Das Streichholz-Rätsel II 2 umlegen 4 gleich große Quadrate Bei gleicher Streichholzanzahl, 1 Quadrat weniger, durch umlegen von 2 Streichhölzern Seite 9

10 Lösung Streichhölzer mit Doppelfunktion suchen Seite 10

11 Der Begriff Informatik Wortneubildung aus Information & Automatik 1950 durch Karl Steinbruch eingeführt im englischen Raum Computer Science Allgemeine Definition: Automatisierte Informationsverarbeitung in Natur, Technik und Gesellschaft Anfangs Rechenmaschinen zur Zahlenverarbeitung Heute Verarbeiten beliebiger Informationen (Texte, Bilder, ). Seite 11

12 Historische Entwicklung der Informatik Der Abakus ist ein Rechenbrett mit Kugeln, meist Holz- oder Glasperlen Nutzung bereits vor mehr als 3000 Jahren in China. Durchführbar sind Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division, aber auch das Ziehen von Quadrat- und Kubikwurzeln. Seite 12

13 Algorithmen Ibn Musa Al-Chwarismi (persischer Mathematiker) schrieb im 9. Jahrhundert das Buch Regeln der Wiedereinsetzung und Reduktion Das Wort Algorithmus geht auf seinen Namen zurück Verarbeitungsvorschrift, die von einem mechanisch oder elektronisch arbeitendem Gerät, bzw. auch von einem Menschen durchgeführt werden kann Algorithmen sind also z.b. Vorschriften zum Addieren, Subtrahieren, Multiplizieren von Zahlen Kochrezepte, Spielregeln, Bedienungsanleitungen Seite 13

14 Beispiel für einen Algorithmus Bestimmung des größten gemeinsamen Teilers Seite 14

15 Beispiel für einen Algorithmus Startwerte: a = 120 b = Durchgang: r = 30 a = 45 b = Durchgang: r = 15 a = 30 b = Durchgang: r = 0 a = 15 b = 0 ggt = 15 Seite 15

16 Quellcode Seite 16

17 Stationen von 1500 bis 1930 Wichtige Meilensteine der Informatik: A. Riese ( ; Staffelstein) Rechengesetze zum Dezimalsystem W. Schickard ( ; Tübingen) Erste Rechenmaschine B. Pascal ( ; Clermont) Rechenmaschine mit 6 Stellen G. Leibniz ( ; Leipzig) Maschine für vier Grundrechenarten P. Hahn ( ; Kornwestheim) 1. mechanische Rechenmaschine Seite 17

18 Stationen von 1500 bis 1930 Wichtige Meilensteine der Informatik: Charles Babbage ( ) Prinzip der Analytical Engine Hermann Hollerith ( ) Erfinder der Lochkarte Seite 18

19 Konrad Zuse und der erste Computer Mit der aufkommenden Elektrotechnik wurde auf elektromechanische Bauteile gesetzt Solche Maschinen wurden in den 1940er Jahren von Konrad Zuse in Berlin gebaut. Elektromechanische Z3 besaß ca Relais und 64 Speicherplätze mit jeweils 22 Bits. Multiplikation in etwa 3 Sekunden. Seite 19

20 Howard H. Aiken und die Mark I Howard Aiken erstellte 1944 in Zusammenarbeit mit der Harvard University und der Firma IBM die teilweise programmgesteuerte Rechenanlage Mark I. Bestand aus ca Teilen. War ca. 15 m lang. Addition in 1/3 Sekunde. Multiplikation in etwa 6 Sekunden. Seite 20

21 John von Neumann Mitte der 1940er Jahre entwickelte John von Neumann die Fundamentalprinzipien einer Rechenanlage Rechenwerk, Steuerwerk, E/A, Verbindungen Programm und Daten im Speicher Schritt für Schritt Bearbeitung von Befehlen Bedingte Sprünge und Verzweigungen Seite 21

22 Elektronische Datenverarbeitung 1. Generation: Elektronische Röhrenrechner Der erste elektronische Rechner ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Automatic Calculator) wurde 1946 in den USA von J.P. Eckert und J.W. Mauchly fertig gestellt. Er bestand aus ca Elektronenröhren und 1500 Relais. Gewicht 30 Tonnen, Stellfläche 140 m 2, Strombedarf 140 kw. Seite 22

23 Elektronische Datenverarbeitung 2. Generation: Transistorrechner Mit dem Transistor setzte im Computerbau ab etwa dem Jahr 1955 die Entwicklung der 2. Generation ein. Der Transistor ist erheblich kleiner und verbraucht nur einen Bruchteil der elektrischen Energie einer vergleichbaren Röhre. Einzelne Transistoren, Widerstände, Dioden und Kapazitäten wurden auf eine gedruckte Schaltung gebracht Seite 23

24 Elektronische Datenverarbeitung 3. und 4. Generation: Mikrochips mit hoch- und höchstintegrierten Schaltkreisen Ab Anfang der 1960er Jahre wurden Bauteile in einen Chip integriert. Anfangs kamen auf ca. 3 mm 2 ca. 100 Transistoren. Später wurden in hochintegrierten Schaltkreisen (LSI=large scale integration), so genannten Mikrochips, auf ca. 30 mm 2 schon über eine Million Transistoren zusammengefasst. Seite 24

25 Elektronische Datenverarbeitung 5. Generation: Parallelverarbeitung und Vernetzung - Heutige Rechner Moderne Rechner enthalten Mikroprozessoren mit vielen Millionen Transistoren, Arbeitsspeicher mit Millionen von Speicherplätzen (GigaBytes) und bewältigen Millionen von Operationen/Sek Das Moore sche Gesetz: Die Packungsdichte der Transistoren auf einem Mikroprozessor, verdoppelt sich in etwa alle 18 Monate Seite 25

26 Bedeutung, Einordnung und Einteilung Einsatzgebiete von Computern u. Informatik: Kommerzielle Rechner für die Ein-/Ausgabe von großen Datenmengen, aber für eher einfache Berechnungen. Wissenschaftliche Rechner für komplexe, langwierige Rechnungen, aber nur für eher kleine Mengen von Ein-/Ausgaben. Prozess-/Echtzeit-Rechner zur Steuerung oder Überwachung von physikalischen, chemischen oder technischen Prozessen. Hier ist nicht nur eine logische Korrektheit des Ergebnisses gefordert, sondern ebenso wichtig ist die zeitliche Korrektheit. Seite 26

27 Bedeutung, Einordnung und Einteilung Seite 27

28 Die Teilgebiete der Informatik Die Informatik wird in vier Kernbereiche unterteilt. Neben diesen Hauptgebieten existieren noch weitere Teilbereiche, wie z.b. Künstliche Intelligenz, Wirtschaftsinformatik, Medieninformatik usw., die interdisziplinär und teilweise eigenständig sind. Seite 28

29 Die Teilgebiete der Informatik Theoretische Informatik Grundlage für die Anderen Automatentheorie und formale Sprachen Berechenbarkeitstheorie Komplexitätstheorie Seite 29

30 Die Teilgebiete der Informatik Praktische Informatik Grundlagen der Systemsoftware Programmiersprachen, Compiler und Interpreter Algorithmen und Datenstrukturen Betriebssysteme und Netzwerke Datenbanken Seite 30

31 Die Teilgebiete der Informatik Technische Informatik Grundlagen der Hardware Mikroprozessortechnik Rechnerarchitektur Rechnerkommunikation Seite 31

32 Die Teilgebiete der Informatik Angewandte Informatik Der Computer für d. Anwender Wirtschaftliche, kommerzielle Anwendungen Technisch-wissenschaftliche Anwendungen Seite 32

33 Die Teilgebiete der Informatik Interdisziplinäre Gebiete der Informatik Wirtschaftsinformatik Computervisualistik Künstliche Intelligenz Bioinformatik Medizininformatik u.v.m. Seite 33

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