Vorlesung Prof. Bernhard Jung Mo, 11:00-12:30, WIN-2558 Di, 7:30-9:00, FOR-0095 Raumverlegung: ab beide Termine in URZ-3409!

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1 Kapitel : Einführung Einführung in die Informatik Wintersemester 2007/08 Prof. Bernhard Jung Organisatorisches Vorlesung Prof. Bernhard Jung Mo, :00-2:30, WIN-2558 Di, 7:30-9:00, FOR-0095 Raumverlegung: ab 5.0. beide Termine in URZ-3409! Übungen Dr. Klaus Richter Di, 09:5-0:45, RAM-29 Mi, 6:00-7:30, RAM > jede Übung:. Hälfte seminaristisch an der Tafel 2. Hälfte praktisch am Rechner Leistungsnachweis Schriftliche Prüfung zu Themen aus Vorlesung und Übung Vorlesungsfolien / Übungsmaterial Vorlesungsfolien nur sichtbar innerhalb der TU BAF bzw. mit VPN-Client

2 Was ist Informatik? Informatik ist eine Wortneubildung bzw. eine Begriffsverschmelzung aus den beiden Wörtern Information und Automatik Eingeführt Ende der 950er Jahre von Karl Steinbuch Informatik Wissenschafts- und Technologiedisziplin, die sich mit Methoden und Verfahren der automatisierten Verarbeitung von Informationen befasst Anfangs waren hauptsächlich Rechenmaschinen zur Zahlenverarbeitung gefragt ( to compute = rechnen, "Computer", "Computer Science") heutige Maschinen verarbeiten beliebige Informationen (Texte, Bilder, Klänge, ) Bedeutung der Informatik Weshalb ist die Computer-Wissenschaft so viel wichtiger als eine andere Wissenschaft einer speziellen Maschine? Der Computer ist ein universelles Werkzeug zur Informationsverarbeitung Je nach Programmierung kann ein Computer ganz verschiedenes leisten Durch Programmierung wird der Computer zum Spezialwerkzeug Gutes Programmieren ist keine triviale Aufgabe "Art of Computer Programming", D. Knuth 2

3 Bedeutung der Informatik Computer können verschiedenste mathematische Funktionen berechnen Nicht alle mathematischen Funktionen sind berechenbar, aber der abstrakte Begriff der Berechenbarkeit wird schon von heutigen Computern erfüllt (wenn von endlichem Speicher etc. abstrahiert wird) Wichtiges Themengebiet der theoretischen Informatik Universelle Bedeutung des Rechners als Kommunikationsinstrument ergibt sich aber erst daraus, dass sich für alle praktischen Fälle auch jede analoge elektromagnetische oder akustische Welle durch eine Folge von Zahlen repräsentieren lässt Dieses Prinzip nutzen die modernen digitalen Kommunikationsmittel wie CD, DVD, Digitalradio, Digitalfernsehen oder ISDN Bedeutung der Informatik Durch Digitalisierung können Signale in Zahlenfolgen umgesetzt werden Digitalisierung mit Pulscodemodulation 3

4 Zitate Einschätzungen "Computer Science is no more about computers than astronomy is about telescopes." - Edsger W. Dijkstra "Computing is not about computers any more. It is about living." - Nicholas Negroponte "The question of whether computers can think is just like the question of whether submarines can swim." - Edsger W. Dijkstra Fehleinschätzungen "I think there is a world market for maybe five computers." - Thomas Watson, chairman of IBM, 943 "There is no reason anyone would want a computer in their home." - Ken Olson, president, chairman and founder of DEC, K ought to be enough for anybody. - Bill Gates, 98 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. 4

5 Stationen von 500 bis 930 Wichtige Meilensteine der Informatik: A. Ries ( ; Staffelstein) Rechengesetze zum Dezimalsystem (verheiratet mit einer Freibergerin) W. Schickard ( ; Tübingen) Erste Rechenmaschine B. Pascal ( ; Clermont) Rechenmaschine mit 6 Stellen G. Leibniz (646-76; Leipzig) Maschine für vier Grundrechenarten Rechenmaschine von Schickhard Pascaline Rechenmaschine von Leibniz Stationen von 500 bis 930 Charles Babbage (792-87) Prinzip der Analytical Engine Hermann Hollerith ( ) Erfinder der Lochkarte 5

6 Konrad Zuse und der erste funktionstüchtige Computer Mit der aufkommenden Elektrotechnik wurde auf elektromechanische Bauteile gesetzt Solche Maschinen wurden in den 940er Jahren von Konrad Zuse in Berlin gebaut Elektromechanische Z3 besaß ca Relais und 64 Speicherplätze mit jeweils 22 Bits. Multiplikation in etwa 3 Sekunden 945: Plankalkül erste höhere Programmiersprache John von Neumann Mitte der 940er 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 6

7 Generationen der elektronischen Datenverarbeitung. Generation: Elektronische Röhrenrechner Elektronische Rechner-Generationen: Der erste elektronische Rechner ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Automatic Calculator) wurde 946 in den USA von J.P. Eckert und J.W. Mauchly fertig gestellt. Er bestand aus ca Elektronenröhren und 500 Relais. Gewicht 30 Tonnen, Stellfläche 40 m 2, Strombedarf 40 kw. 2. Generation: Transistorrechner Mit dem Transistor setzte im Computerbau ab etwa dem Jahr 955 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. 7

8 3. und 4. Generation: Mikrochips mit hoch- und höchstintegrierten Schaltkreisen Ab Anfang der 960er Jahre wurden Bauteile in einen Chip integriert. Anfangs kamen auf ca. 3 mm 2 ca. 00 Transistoren. Später wurden in hochintegrierten Schaltkreisen (LSI=large scale integration), so genannten Mikrochips, auf ca. 30 mm 2 schon über eine Million Transistoren zusammengefasst. Computer heute: immer mehr! Allgegenwärtigkeit von Computern [ nicht mehr nur im Rechenzentrum! ] Geschäftswelt Zu hause Home-PC, Spielekonsolen, Entertainment-Center, Waschmaschine,... Mobil Handy, PDA, Memory-Sticks, MP3-Player,... Informationstechnik im Museum z.b. Pervasive Game "Via Mineralia" Umgebung Freiberg Smart buildings, smart roads,... Technische Geräte und Maschinen Automatisierungstechnik, Mechatronik z.b. Automobilbau, Anlagentechnik, Mainframe-Ära: Mainframe-Ära: Computer Computer je je Personen Personen Internet & WWW PC-Ära: PC-Ära: Computer Computer je je Person Person zukünftig zukünftig (?): (?): Computer Computer je je Person Person Informationsgesellschaft 8

9 Computer heute: immer mehr! Anzahl Websites Quelle: Netcraft Web Server Survey, netcraft.com "In the September 2007 survey we received responses from 35,66,473 sites. This is an increase of 7.2 million sites since last month, the largest growth in the number of sites recorded by the survey. The rate of growth, around 5.5%, is high but not exceptional by historical standards. The high growth so far this year has been largely driven by the increasing number of online blogging and social networking communities. This month sees strong growth in the number of sites at Windows Live Spaces, MySpace, and Blogger appearing in the survey." Computer heute: immer mächtiger! Moore's Law Verdopplung der Komplexität von integrierten Schaltkreisen etwa alle 24 Monate Gordon Moore, Mitgründer von Intel, 965 Quelle: wikipedia.org Anzahl Transistoren pro Intel-Prozessor und Moore's Law (obere Linie=8 Monate; untere Linie=24 Monate) 9

10 Die Teilgebiete der Informatik Die Informatik wird i.d.r. in vier Kernbereiche unterteilt: Angewandte Informatik Technische Informatik Praktische Informatik Theoretische Informatik Teilgebiete der Informatik Technische Informatik Struktureller und funktioneller Aufbau von Rechnersystemen (Schaltkreise, Prozessoren, Computer, Netze, periphere Geräte,...) Vereinfachend: zuständig für Bereitstellung von Hardware Praktische Informatik Mittel, Methoden und Werkzeuge zum Entwurf und zur Umsetzung von Problemlösungen auf dem Computer (Betriebssysteme, Compiler, Tools, Programmierungs-, Softwaretechnik,...) Vereinfachend: zuständig für Bereitstellung von Systemsoftware ("Anwender" sind i.d.r. Programmierer, Informatiker) Theoretische Informatik Modellierung und Untersuchung grundlegender informationeller Strukturen und Prozesse mit mathematischen Mitteln (Automaten-, formale Sprach-, Informations-, Algorithmentheorie, Logik, Algebra,...) Angewandte Informatik Aufbereitung, Modellierung und Umsetzung von computergestützten Lösungen für spezifische Anwendungsgebiete (Wirtschaft, Medizin, Bau, Kommunikation, Büro,...) Schwer einzuordnende Gebiete Datenbanken, Künstliche Intelligenz, Multimedia, Informations- und Steuerungssysteme, Mensch- Maschine-Schnittstellen, Computervisualistik, Information Security,... 0

11 Hardware Hardware Gesamtheit Gesamtheit aller aller materiellen, materiellen, physischen, physischen, technischen technischen Geräte Geräte zur zur Verarbeitung Verarbeitung von von Informationen Informationen (Computer, (Computer, Bildschirm, Bildschirm, Tastatur, Tastatur, Maus, Maus, Drucker, Drucker, Scanner, Scanner, Plotter, Plotter, Mikrophon, Mikrophon, Lautsprecher) Lautsprecher)

12 Software Programme, Programme, zugehörige zugehörige Informationen Informationen und und notwendige notwendige Dokumentationen, Dokumentationen, die die es es zusammengefasst zusammengefasst ermöglichen, ermöglichen, mithilfe mithilfe eines eines Computersystems Computersystems Aufgabe Aufgabe zu zu erledigen. erledigen. Algorithmen, Programme, Programmieren Algorithmus Problemlösungsbeschreibung, die festlegt, wie ein Problem gelöst werden soll unabhängig von konkreter Programmiersprache Programm Streng formalisierter, eindeutiger und detaillierter Algorithmus, der maschinell ausgeführt werden kann Programmieren ein Problem so exakt beschreiben, dass es ein Computer lösen kann kreative Tätigkeit Ingenieurtätigkeit Nur wenige Leute können gut programmieren 2

13 Programmiersprachen Programmiersprache formalisierte Sprache zum Schreiben von Algorithmen, die ausgeführt werden sollen es gibt tausende (!) Programmiersprachen Klassen von Programmiersprachen Maschinenorientierte Sprachen: Maschinencodes (GL) Assemblersprachen (2GL) Problemorientierte Sprachen: prozedurale (3GL) bildschirmorientierte (4GL) deklarative (5GL) Sprachen funktionale Sprachen objektorientierte Sprachen TIOBE Index weit verbreiteter Programmiersprachen, Oktober 2007, Bedeutung von effizienten Algorithmen/Programmen Software inefficiency can always outpace Moore's Law. Moore's Law isn't a match for our bad coding. Jaron Lanier Beispiel: Laufzeit für 2 Sortieralgorithmen bei sehr großen Eingaben (Sortierung von Listen mit >> Elementen) Computer Operationen pro Sekunde Schlechter Algorithmus Guter Algorithmus Laptop Jahrhunderte 3 Stunden Supercomputer Wochen interaktiv Qualität des Algorithmus entscheidender als eingesetzte Hardware oder "Geschwindigkeit der Programmiersprache" 3

14 Programmiersprache in dieser Vorlesung: Python Python ( einfach benutzbare / erlernbare Programmiersprache aber trotzdem sehr mächtig Aspekte prozeduraler / imperativer und objektorientierter Programmierung dynamische Skriptsprache i.ggs. zu vielen anderen aber stark getypt ermöglicht schnelle Programmentwicklung (und Testen)! Opensource verfügbar auf gängigen Plattformen (Windows, Linux, MacOS, ) auch Mobiltelefone auch Portierung auf Java- und.net Virtual Machines industrielle Verwendung Google, YouTube, SAP, NASA, beliebt bei Informatikern "Hello World" in verschiedenen Programmiersprachen Python def hello(): print "Hello World" Java class HelloWorld { static public void main(string args[]) { System.out.println("Hello World"); } } C++ #include <iostream> main() { cout << "Hello World" << endl; return 0; } Scheme (define helloworld (lambda () (display "Hello World) (newline))) 4

15 Python Einstieg Download der Standard Python Software von python.org aktuelle (stabile) Version: 2.5. Darin enthalten: einfache Entwicklungsumgebung IDLE Z.B. unter Windows: Start Programme -> Python 2.5 IDLE Später auch: vollständigere integrierte Entwicklungsumgebung (IDE, integrated development environment) 5

16 Übersicht über die Vorlesung Grundlagen von modernen Computersystemen Aufbau von Computern Informationsdarstellung in Computern Praktische Informatik Algorithmik Einführung in die Programmierung Angewandte Informatik Datenbanken Internet Signalverarbeitung: Bilder Signalverarbeitung: Sound Ziele Konzepte und Methoden guter Algorithmen/Programmierung verstehen Einblick in "Ökosystem" moderner informationsverarbeitender Systeme gewinnen Fokus auf Techniken mit ingenieurswissenschaftlicher Relevanz Literatur T. Walter. Grundlagen der Informatik. Informationsverarbeitung mit der Maschine vom Algorithmus zum Programm. Hanser P. Rechenberg. Was ist Informatik? Eine allgemeinverständliche Einführung. 3. Auflage. Hanser G. Saake & K.U. Sattler. Algorithmen und Datenstrukturen Eine Einführung mit Java. 3. Auflage. dpunkt.verlag Michael Weigend. Objektorientierte Programmierung mit Python. 3. Auflage. mitp- Verlag A. B. Downey, J. Elkner & C. Meyers. How to Think Like a Computer Scientist - Learning with Python. deutsch: A. Gauld. Learning to Program. deutsch: 6

17 Computer in 50 Jahren? Ray Kurzweil Rechenleistung eines menschl. Gehirns (2 * 0 6 cps*) für $,000 ca. im Jahr Rechenleistung eines menschl. Gehirns (2 * 0 6 cps) für Cent ca Rechenleistung der gesamten Menschheit (2 * 0 26 cps) für $,000 ca. im Jahr Rechenleistung der gesamten Menschheit (2 * 0 26 cps) für Cent ca. im Jahr * cps = calculations per second Quelle: 7