Grundkurs Informatik. Hartmut Ernst

Transkript

1 Hartmut Ernst Grundkurs Informatik Grundlagen und Konzepte für die erfolgreiche IT-Praxis - Eine umfassende, praxisorientierte Einführung Mit 260 Abbildungen 4., vollständig überarbeitete Auflage STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 Inhaltsverzeichnis VII Ausführliches Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der Programme Vorwort 1 Einführung Was ist eigentlich Informatik? Zur Geschichte der Informatik Frühe Zähl-und Rechensysteme Die Entwicklung von Rechenmaschinen Die Computer-Generationen 7 Übungsaufgaben Prinzipieller Aufbau von digitalen Rechenanlagen Das EVA-Prinzip Zentraleinheit und Busstruktur Systemkomponenten 13 Übungsaufgaben Zahlensysteme und binäre Arithmetik Darstellung von Zahlen Umwandlung von Zahlen in verschiedene Darstellungssysteme Binäre Arithmetik Gleitpunktzahlen 26 Übungsaufgaben 29 2 Nachricht und Information Abgrenzung der Begriffe Nachricht und Information 30 Übungsaufgaben Biologische Aspekte Sinnesorgane Datenverarbeitung im Gehirn Der genetische Code 34 Übungsaufgaben Diskretisierung von Nachrichten Rasterung Quantelung 37 Übungsaufgaben Wahrscheinlichkeit und Kombinatorik Die relative Häufigkeit Die mathematische Wahrscheinlichkeit Totale Wahrscheinlichkeit und Bayes-Formel Statistische Kenngrößen Fakultät und Binomialkoeffizienten Kombinatorik 49 Übungsaufgaben Information und Wahrscheinlichkeit Der Informationsgehalt einer Nachricht Die Entropie einer Nachricht Zusammenhang mit der physikalischen Entropie 57 Übungsaufgaben 59 XIV XVI

3 VIII Inhaltsverzeichnis 3 Codierung Grundbegriffe Definition des Begriffs Codierung Mittlere Wortlänge und Code-Redundanz Beispiele für Codes 62 Übungsaufgaben Code-Erzeugung Code-Bäume Der Huffman-Algorithmus Der Fano-Algorithmus 69 Übungsaufgaben Code-Sicherung Stellendistanz und Hamming-Distanz m-aus-n-codes Codes mit Paritäts-Bits Fehlertolerante Codes Definition linearer Codes Lineare Hamming-Codes Zyklische Codes und Code-Polynome 85 Übungsaufgaben Datenkompression Vorbemerkungen und statistische Datenkompression Arithmetische Codierung Lauflängen-Codierung Differenz-Codierung Der LZW-Algorithmus Datenreduktion durch unitäre Transformationen (JPEG) 102 Übungsaufgaben Verschlüsselung Vorbemerkungen Substitutions-Chiffren Transpositions-Chiffren und Enigma Der Data Encryption Standard (DES) One-Time-Pads und Strom-Chiffren Public-Key Verschlüsselung Digitale Unterschrift 128 Übungsaufgaben Computerhardware und Maschinensprache Digitale Grundschaltungen Stromkreise Dioden, Transistoren und integrierte Schaltkreise Logische Gatter Boole'sche Algebra Aussagenlogik Der Boole'sche Verband Das Boole'sche Normalformtheorem Vereinfachen Boole'scher Ausdrücke 145 Übungsaufgaben Schaltnetze und Schaltwerke Schaltnetze Spezielle Schaltnetze Schaltwerke 151 Übungsaufgaben 155

4 Inhaltsverzeichnis IX 4.4 Analog-und Hybridrechner Grundkonzepte und Anwendungsgebiete Komponenten von Analogrechnern Die Funktion einer CPU am Beispiel des M Die Anschlüsse der CPU M Der innere Aufbau der CPU M Befehlsformate und Befehlsausführung Adressierungsarten Maschinensprache und ASSEMBLER Einführung Der Befehlssatz des M Programmbeispiele 192 Übungsaufgaben Rechnerarchitekturen und Betriebssysteme Grundprinzipien und Klassifikationen Rechnertypen und Grundkonzepte Die Klassifikation nach Flynn Die von-imeumann-architektur 200 Übungsaufgaben Grundlagen von Betriebssystemen Grundfunktionen und Klassifizierung von Betriebssystemen MS-DOS als Beispiel für ein einfaches Betriebssystem Das Multitasking-Konzept MS-Windows UNIX Parallel-Strukturen Verbindungsstrukturen Multitasking und Parallelverarbeitung Vektorrechner und Pipelines Feldrechner Betriebssysteme für Parallel-Rechner 228 Übungsaufgaben Höhere Programmiersprachen und C Zur Struktur höherer Programmiersprachen Überblick über wichtige höhere Programmiersprachen Die Ebenen des Informationsbegriffs in Programmiersprachen Systeme und Strukturen 240 Übungsaufgaben Methoden der Syntaxbeschreibung Die Backus-Naur-Form Syntax-Graphen Eine einfache Sprache als Beispiel: C Übungsaufgaben Einführung in die Programmiersprache C Der Aufbau von C-Programmen Einfache Datentypen Strukturierte Standard-Datentypen Operatoren und Ausdrücke Anweisungen Funktionen Ein-/Ausgabe-Funktionen Verarbeitung von Zeichenketten Das Zeigerkonzept in C 282 Übungsaufgaben 297

5 X Inhaltsverzeichnis 6.4 Sequentielle Datenstrukturen mit C Vorbemerkungen zu Algorithmen und Datenstrukturen Strings und Texte Lineare Listen Stapel und Schlangen 316 Übungsaufgaben 320 Objektorientierte Programmiersprachen: C++ und Java Die objektorientierte Erweiterung von C: C Das Konzept der objektorientierten Programmierung Einfache Spracherweiterungen von C und C Klassen und Objekte Polymorphismus und Überladen Einführung in die Programmiersprache Java Grundlagen Klassen und Objekte Ein-/Ausgabe-Funktionen Applets Threads 366 Übungsaufgaben 372 Software-Engineering und DV-Organisation Überblick über Software-Engineering Methoden Software-Klassifikation Phasen der Software-Entwicklung Software-Testmethoden Vorgehensmodelle bei der Software-Entwicklung Die Modellierung von IT-Systemen mit UML Hilfsmittel für den Entwurf von Algorithmen Pseudo-Code Ablauf- oder Flussdiagramme Struktogramme nach Nassi-Shneiderman Entscheidungstabellen Datenverarbeitungs-Organisation Definition des Begriffs Organisation Die Einbindung der DV in die betriebliche Organisation Organisation von DV-Projekten in Projektgruppen Der Ablauf von DV-Projekten Planung und Kontrolle der Organisationsarbeit Organisation von Rechenzentren Datenschutz Datensicherheit 426 Automatentheorie und formale Sprachen Grundbegriffe der Automatentheorie Definition von Automaten Darstellung von Automaten Der akzeptierte Sprachschatz von Automaten Halbgruppen und Automaten Die induzierte Halbgruppe Kellerautomaten 445 Übungsaufgaben 447

6 Inhaltsverzeichnis XI 9.2 Turing-Maschinen Definition von Turing-Maschinen Beispiele für Turing-Maschinen Realisierung einer Turing-Maschine als C-Programm 454 Übungsaufgaben Einführung in die Theorie der formalen Sprachen Definition von formalen Sprachen Die Chomsky-Hierarchie Das Pumping-Theorem Die Analyse von Wörtern 466 Übungsaufgaben Compiler Einführung Simulation eines Taschenrechners Algorithmen Berechenbarkeit Algorithmen und ihre prinzipielle Ausführung Entscheidungsproblem und Church-Turing-These Das Halteproblem Primitiv rekursive Funktionen u-rekursive Funktionen und die Ackermann-Funktion Die bb-funktion Komplexität Einführung Polynomiale und exponentielle Algorithmen NP-Vollständigkeit Optimierung von Algorithmen Vereinfachen komplexer Operationen Teile und Herrsche Näherungsweise Problemlösung durch Greedy-Strategien Genetische Algorithmen Prinzip von Evolutionsstrategien Beispiel für einen genetischen Algorithmus Probabilistische Algorithmen Zufallszahlen Monte-Carlo-Methoden Probabilistischer Primzahltest Der heuristische Ansatz Rekursion Definition und einführende Beispiele Rekursive Programmierung und Iteration Backtracking 529 Übungsaufgaben Suchen und Sortieren Einfache Suchverfahren Sequentielle Suche Binäre Suche Interpolations-Suche Radix-Suche 537 Übungsaufgaben 538

7 XII Inhaltsverzeichnis 11.2 Suchen von Mustern in Strings Mustererkennung durch sequentielles Vergleichen Mustererkennung durch Automaten Das Verfahren von Boyer-Moore und Knuth-Morris-Pratt Ähnlichkeiten von Mustern und Levenshtein-Distanz Gestreute Speicherung (Hashing) Hash-Funktionen Kollisionsbehandlung Komplexitätsberechnung 558 Übungsaufgaben Direkte Sortierverfahren Vorbemerkungen Sortieren durch direktes Einfügen Sortieren durch direktes Auswählen Sortieren durch direktes Austauschen (Bubble-Sort) 568 Übungsaufgaben Höhere Sortierverfahren Shell-Sort Quick-Sort Eine generische Sortierfunktion Vergleich der Sortierverfahren 579 Übungsaufgaben Sortieren externer Dateien Grundprinzipien des sequentiellen Datenzugriffs Sequentielle Speicherorganisation Direktes Mischen Natürliches Mischen n-weg-mischen 599 Übungsaufgaben Bäume und Graphen Binärbäume Definitionen Speichern und Durchsuchen von Binärbäumen Binäre Suchbäume Ausgleichen von Bäumen und AVL-Bäume Heaps Heap-Sort 622 Übungsaufgaben Vielwegbäume Rückführung auf Binärbäume Definition von (a.b)-bäumen und B-Bäumen Operationen auf B-Bäumen 632 Übungsaufgaben Graphen Definitionen und einführende Beispiele Speicherung von Graphen Suchen, Einfügen und Löschen von Knoten und Kanten Durchsuchen von Graphen Halbordnung und topologisches Sortieren Minimal spannende Bäume Union-Find-Algorithmen 667 Übungsaufgaben 671

8 Inhaltsverzeichnis XIII 13 Kommunikations-und Informationstechnik Informationsübertragung und Datenkommunikation Einführung Technische Grundlagen der Datenübertragung Strukturen und Operationsprinzipien von Netzen Das OSl-Schichtenmodell der Datenkommunikation Beispiele für Schnittstellen und Netze Lokale Rechnernetze Datenbanken Einführung und Definitionen Relationale Datenbanksysteme Die Datenbanksprache SQL Objektorientierte Datenbanksysteme Data Mining Multimedia-Anwendungen Einführung und Definitionen Licht und Farbe Die Bearbeitung digitaler Bilder Komponenten von Multimedia-Dokumenten Das Internet und verteilte Verarbeitung Das Internet Überblick über das Internet Internet-Dienste Erstellen von Web-Seiten mit HTML Client/Server-Anwendungen Script-Sprachen Definition und Einsatzbereiche von Script-Sprachen Client-seitiges Scripting mit JavaScript Server-seitiges Scripting mit PHP Die Beschreibung von Dokumenten mit XML 779 Literaturverzeichnis 790 Sachwortverzeichnis 802