Teil 1: Einführung 1.1 Geschichte & Wesen der Informatik Prof. Dr. Max Mühlhäuser FG Telekooperation TU Darmstadt

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1 Grundzüge der Informatik 1 Teil 1: Einführung 1.1 Geschichte & Wesen der Informatik Prof. Dr. Max Mühlhäuser FG Telekooperation TU Darmstadt

2 Gliederung & Ziele Nachfolgend sehr kurz einiges zur Informatik: Geschichte: einschneidende Ereignisse Wesen : was ist Informatik eigentlich? Warum so toll? Zukunft: was erwartet uns die nächsten Jahr(zehnt)e? Ziele: Selbstverständnis der Informatikerin / des Informatikers: Was bin ich (bald)? Warum? Klausurrelevanz: Geschichte: rote Markierungen Definitionen 2

3 Geschichte der Informatik: Informationssysteme Ursprung des Web im 16. Jahrhundert: riesige Bibliotheken in Klöstern Problem verlinkter Informationen mit mechanischem Räderwerk angegangen die ersten Web-Surfer waren Mönche dies macht deutlich: Informatik = Umgang mit Information maschinell, systematisch speichern, zugänglich machen geeignet organisieren (Datenstrukturen) (später: analysieren, manipulieren) wichtig: Interaktion, Benutzeroberfläche 3

4 Geschichte der Informatik: Rechner Rechner im Jahrhundert Erste (mechanische) Rechenmaschinen: 17. Jh. Wilhelm Schickard (D) 1623 kein Computer: nicht programmierbar nur eingebaute Funktionen (Grundrechenarten) Basis (noch lange!): Zahlräder Darauf aufbauend Maschinen von Pascal, Leibnitz wichtigste praktische Grundlagen im 19. Jh. Falcon, Jacquart: Webstühle / Lochkarten Industrialisierung Hollerith: US-Volkszählung 1890 Lochkarten-basiert 4

5 Geschichte der Informatik: Rechner Charles Babbage (UK, ) 1. Schritt Webstühle: Lochkarten Programme (für Webmuster) 2. Schritt: Difference Engine ( ): Wertetabellen von Polynomen 3. Schritt: Analytical Engine : Grundidee universellen Computers Difference Engine wurde gebaut, Analytical Engine wegen technischer Probleme zu Lebzeiten nicht fertiggestellt Lady Augusta Ada Byron, Countess of Lovelace (UK, ) schrieb Programme für die Analytical Engine erfand damit das Programmieren Babbage = Erfinder des Computers? 5

6 Geschichte der Informatik: Rechner The Analytical Engine is therefore a machine of the most general nature. Whatever formula it is required to develop, the law of its development must be communicated to it by two sets of cards. When these have been placed, the engine is special for that particular formula. The numerical value of its constants must be put on the columns of wheels below them, and on setting the engine in motion it will calculate and print the numerical results of that formula. Charles Babbage (1864) 6

7 Geschichte der Informatik: Rechner Konrad Zuse (D) baut Z1, Z2, Z3 Z3 erster funktionstüchtiger Rechner mit Programmsteuerung Relais-Technik, elektromechanisch Binärzahlen! Multiplikation ca. 4-5s Howard Aiken (US): 1944 Mark I J.P. Eckert, J.W. Mauchley (US): 1946 ENIAC ENIAC vollständig in Röhrentechnik Programmieren = Steckbretter Addition 0.3s Shockley (US): Transistor 1948 ab 1955 industriell gefertigt ab 1962 ICs bis heute: Addition 10µs 1ns 7

8 Geschichte der Informatik: Informationstheorie, KI Informationstheorie ab ca Namen wie Claude Shannon, Harry Nyquist prägten Nachrichtentechnik (d.h. eigentlich Elektrotechnik) relevant u.a. für Digitalisierung von Signalen (Audio, Video, ) Künstliche Intelligenz (KI, AI) Anfänge : Turings Turing-Test (simpel): Maschine oder Mensch hinter Vorhang? beantwortet Fragen Falls Frager nicht unterscheiden kann intelligente Maschine Bsp. Schachcomputer (SC): nächster Zug? ; gutes Bsp., denn heutige SC: bilden nur kleinen Ausschnitt des Schachwissens auf Programm ab, aber: durch Rechen-Power (>1 Mio Stellungen/s) Großmeister-Qualität Frage denkender / intelligenter Computer: philosophisch, ethisch, oft emotional, heute eher vermieden positiv: KI-Methoden fester Bestandteil der Informatik, unter Namen wie KI, Kognitive xyz, 8

9 Geschichte der Informatik: Berechenbarkeit In ca. 100 Jahren haben sich zwei früher verwandte Begriffe (für Computer!) auseinander entwickelt: Denken (~Intelligenz) Berechnen (inkl. Logik!!) Fragen wie was kann ein Computer (nicht) berechnen? heute mathematisch präzise und exakt behandelt!! Beispiel: Programm T, das beliebiges Programm P dahingehend überprüft, ob P terminiert (d.h. nicht endlos rechnet) Behauptung: T kann (auf einem Computer) nicht existieren Beweis: Annahme T existiert ; dann schreibe Programm: program P if T(P) then while true do end end P terminiert nur, wenn T feststellt, dass es nicht terminiert (und umgekehrt) Widerspruch! T kann es nicht geben! 9

10 Geschichte der Informatik: Berechenbarkeit Theorie der Berechenbarkeit ab ca Mitbegründer: Alan Turing (UK), Kurt Gödel (CZ), Alonzo Church (US) Universelle Turingmaschine UTM (Gedankenmodel) kann alles berechnen, was man (bis heute) als Rechenvorschrift bezeichnet UTM hat unendlichen Speicher, sonst gleich mächtig wie jeder Computer Turings Halteproblem : es gibt definierbare Funktionen, die beweisbar nicht auf UTM deshalb auch nicht auf heutigen Computern - berechnet werden können Effizienz: wie viel Zeit braucht die Berechnung? λ-kalkül gleich mächtig wie UTM funktionale Programmiersprachen 10

11 Geschichte der Informatik: Rechnerarchitektur Rechnerarchitektur: vor allem ein Name Prof. Dr. Johann (John) von Neumann + Kollegen * 1903 Budapest, 1957 Washington D.C. ( Computermacht USA) Hauptidee 1: gemeinsamer Speicher für Programme und Daten praktischer Vorteil: flexibler (Aufteilung, Platzbedarf), billiger (eine Technologie, weniger Komponenten, ) zunächst eher theoretischer Vorteil: Programme können Programme verändern (z.b. sich selbst) Hauptidee 2: von Neumann-Architektur Verständnis einer typischen Rechnerarchitektur geprägt Ein-/Ausgabe, Speicher und Rechenwerk mittels zentrale Steuereinheit koordiniert Steuereinheit wurde bald Nadelöhr, Verbesserungen aber meist auch noch als von- Neumann-Rechner bezeichnet Verbesserungen z.b.: DMA (direct memory access, d.h. Ein-/Ausgabe <> Speicher direkt), Bus -Architekturen (passive Übertragungsstrecke, Komponenten streiten um Benutzung), mehrfache Busse 11

12 Geschichte der Informatik: Programmiersprachen Software / Programmiersprachen: ein kleiner Ausschnitt! höhere Programmiersprachen (HPS), Compiler ab 1950 von Grace Hopper *1906; entwickelte später Cobol ab 1954, John Backus und IBM Team: Fortran für wissenschafliches Rechnen 1968, Niklaus Wirth, ETH Zürich: Pascal Algol-artig für Lehre 1970: Brian Kernighan, Dennis Ritchie (Bell Labs) C / Unix: Systemprog. in HPS! Funktionale (Lisp 1960 McCarthy), Logik-HPS (Prolog 1970 Colmerauer) Strukturiertes Modulares Programmieren David Parnas 1972: Information hiding = Geheimnisprinzip Edsger Dijkstra 1968: Goto considered Harmful Objektorientierung, insbesondere Programmiersprachen: Ole-Johan Dahl und Kristen Nygaard (NCC Oslo), 1967: Simula 67 Adele Goldberg und Forscher des Xerox PARC (Palo Alto), 1983: Smalltalk Bjarne Stroustrup (Bell Labs), 1986: C++ James Gosling (Sun), 1995: Java OMG, 1995: UML f. Modellierung/Entwurf: viele Wurzeln, Standardisierung 12

13 Geschichte der Informatik: Generationen USA: A-Bomben 2.Weltkrieg, Nachkriegs-Boom: Mainframes ENIAC Univac Grossrechner Texas Instruments bringt Chips auf den Markt IBM überholt/überlebt Burroughs, Univac, Siemens, : modernes OS/370, umfassende Kundenbetreuung 1957: Ken Olsen gründet Digital Equipment (DEC) Idee der Mini-Rechner (Einbauküche statt Maschinensaal) VAX/VMS der wissenschaftliche Universalrechner mittlere Datentechnik MDT (Kienzle, Nixdorf, ) verdrängt aber: Olsen verwirft Vorschlag, PCs zu bauen ab 1980: IBM forciert PC; Intel-Prozessoren Erfolg weil: Firma-in-Firma, Billig-Nachbauten gewünscht Ideen: Doug Engelbarth, Xerox PARC, Apple ca IBM-PC aber: braucht 20 Jahre DOS Windows XP ab 2000: Post-PC era: Appliances ( embedded ) spezialisierte Geräte 13

14 Geschichte des Begriffs Informatik Informatique 1968 durch Académie Française salonfähig Behandlung von Information m. rationalen Mitteln (schon Dreyfuß '62) rationale Mittel (nach René Descartes, ): nur das gilt als wahr, was so klar ist, dass kein Zweifel bleibt größere Probleme sind in kleinere aufzuspalten immer vom Einfachen zum Zusammengesetzten hin argumentieren Werk muss abschließender Prüfung unterworfen werden aber: Descartes (Discours de la méthode etc.) prägt wiss. Arbeiten allgemein Information + tik = Informationswissenschaft Definition sollte Hilfsmittel Computer einbeziehen Informatik Computer Science (nicht unumstritten) 14

15 Geschichte des Begriffs Informatik Andere Ursprünge : Deutschland: Nachrichtentechniker sagen Informatik = Information + Elektrotechnik : Prof. Steinbuch (D) 57 Informatik: automatische Informationsverarbeitung Elektrotechniker bauen heute unsere Computer / Chips; aber: Informatiker bauen damit die eigentlichen Maschinen nächste Ära der Computer wird vielleicht von Physikern gebaut Europa: häufige Definition Informatik = Information + Mathematik : im Zentrum: Algorithmen Algorithmus Berechnungsvorschrift für mathematische Funktion bewusst nicht an Computer gebunden, Computer Science (dafür aber an Formeln berechnen gebunden: zu eng!) Rest der Welt: pragmatisch Computer Science 15

16 Das (Un)Wesen der Informatik Natur-, Ingenieur- und Geisteswissenschaften: prägten, beeinflussen Informatik; jedoch: sie liegt zwischen diesen Disziplinen (langer Streit!) Unterschied zu den Naturwissenschaften Gegenstand: von Menschen geschaffene Systeme / Strukturen dabei: Unterschied zu Mathematik hat Produkte : Software wird verkauft, math. Methoden, Formeln, nicht Weltausschnitte werden an Validität ( Nutzen ) gemessen Unterschied zu Ingenieurwissenschaften Betrachtungsgegenstände meist immateriell brachte unter anderem Fundamente des Rechtssystems ins Wanken (bisher: Immaterielles kann nicht gestohlen werden; nun: Software!) baut nicht Spezial- sondern Universalmaschine; spezialisiert via Programm Unterschied zu den Geisteswissenschaften Nicht auf Erkenntnisgewinn und Beschreibung von Sachverhalten beschränkt, sondern erzielt praktisch anwendbare Ergebnisse 16

17 Das Wesen der Informatik heute gängige Definition : Informatik = Wissenschaft der rechnergestützten Informationsverarbeitung (oder laut Gesellschaft für Informatik (GI): der systematischen und automatisierten Verarbeitung und Übermittlung von Information) ABER: was ist Information? (es geht kompliziert oder ) ganz einfach : Information = sinnvolle Daten! aber was ist nun das?? für uns: sinnvolle Daten sind 1. Zahlen (im Computer in Binärdarstellung 0/1) 2. Symbole (Modell eines Weltausschnittes, real oder gedacht, z.b. als Text oder als Bauplan oder ) als Zahlen 3. digitale Signale (Wahrnehmung der Welt, z.b. Audio, Video) als Zahlen was ist Rechner (Computer)? Zahlen verarbeitende Maschine. elektronisch? beginnend optisch? morgen organisch? Quantencomputer? 17

18 Das Wesen der Informatik Fortsetzung: rechnergestützte Informationsverarbeitung : was bedeutet verarbeiten? für uns: 1. eingeben/aufzeichnen ausgeben (Mensch, Prozess, ) aha: Interaktion (Mensch-Maschine) immer zentraler! 2. speichern aha: Modellieren, Umgang m. Datenstrukturen (vgl. Pkt. 4) 3. transportieren aha: Rechnernetze (Komm.-Infrastruktur!), verteilte Systeme 4. manipulieren (früher zentral für Definitionen, s.u.) aha: Funktionen berechnen; Algorithmen ( Programme)! aha: Zahlen als Symbole, dann gilt: Funktionen berechnen = Weltmodelle manipulieren 18

19 Das Wesen der Informatik: Modellierung was lernen wir nun aus der Geschichte? oder: was ist Informatik? für uns: Informatik ist die Wissenschaft des Modellierens von Weltausschnitten und der Manipulation der Modelle mit Hilfe von Digitalrechnern Digitalrechner: universelle Maschine Programmierung spezielle Maschine (spezielles Modell) Eingabe: Parameter des Modelles, Details der Manipulation Manipulation: Suchen, Analysieren, Simulieren, Rückwirkung auf Realität nur durch Ausgabe ( Mensch, Prozess) 19

20 Das Wesen der Informatik: Modellierung Ist Modellieren so etwas Tolles, dass man sein (Berufs-) Leben damit zubringen sollte? JA!! denn man könnte auch sagen: Informatik ist die Wissenschaft des universellen Problemlösens Kunst des Weglassens (Weltausschnitt): Ausschnitt zu groß: teuer, fehlerträchtig, langsam, zu klein: Manipulationsergebnisse schlecht, untauglich anderer Gedankengang: alle Disziplinen fußen auf Modellbildung! Und in der Informatik: wird sie gelehrt und geübt wird Übergang informell formal verlangt es sollen ja Programme entstehen diese Exaktheit hat die Modelle vieler Disziplinen positiv beeinflusst 20

21 Das Wesen der Informatik: Modellierung Virtual Reality Die Welt kommt in den Computer (als Modell); Extremfall: virtual reality Ubiquitous Computing Der Computer kommt in die Welt (Alltagsgegenstände, Umwelt ); Extremfall: ubiquitous computing 21

22 Das Wesen der Informatik: Modellierung Modellieren ist mehr : Erstellen und Manipulieren erfordert Prinzipien: Handlungsgrundsätze Methoden: planmäßig angewandte, begründete Vorgehensweisen zur Erreichung von Zielen außerdem: Angabe, welche Konzepte wie / wann zu verwenden sind, um festgelegte Ziele zu erreichen Konzepte inkl. Begriffssystemen (Taxonomien) und Architekturen erlauben es, definierte Sachverhalte zu modellieren ggf. unter mehreren Gesichtspunkten Notationen: Symbol-basierte Repräsentation von Information (über Konzepten) Konzept kann durch eine oder mehrere Notationen dargestellt werden Werkzeuge (tools) Unterstützung von Methoden, Konzepten, Notationen ( am Rechner) CASE (Computer Aided Software Engineering) Software-Entwicklung mit Hilfe von Software-Werkzeugen 22

23 Das Wesen der Informatik: alte Gliederung Klassische Informatik-Gliederung Theoretische Informatik z.b.: Automatentheorie, formale Sprachen Codierungstheorie, Theorie der Algorithmen, Schaltwerkstheorie Technische Informatik z.b.: HW-nahe Fragestellungen, Funktionsprinzipien der Geräte, logische Struktur der Bauelemente, logischer Rechnerentwurf Praktische Informatik z.b.: Softwaretechnik, Compilerbau, Betriebsysteme Netze / verteilte Systeme, Datenbanken, Brücke zwischen Hardware und Anwendungen Angewandte Informatik: nahtloser Übergang aus praktischer in diesem Sinne ist GDI-1 am ehesten Praktische Informatik" 23

24 Das Wesen der Informatik: neue Gliederung Moderne Gliederung aus Darmstädter Sicht: Informatik gewachsen: zunehmend Teildisziplinen darin: theoretische, technische + praktische Fragen vereint Folge: Forschung und Lehre in 8 Bereiche gruppiert 1. Trusted Systems Sicherheit, Zuverlässigkeit, Korrektheit 2. Software Engineering Sprachen / Methoden / Werkzeuge; Komponenten, Architekturen 3. Net-Centric Systems Medientechnologie, Computernetze, Verteilte Systeme, Web Engineering 4. Systems Engineering Mikroelektronische / Eingebettete Systeme; Systemprogrammierung 5. Knowledge Engineering Vernetztes Informations- und Wissensmanagement 6. Human-Computer Systems Graphische und multimodale interaktive Systeme, e-learning 7. Foundations of Computing Entscheiden, Rekonstruieren, Erkennen, Optimieren 8. Computational Engineering Simulation & Konstruktion; Robotik; Hochleistungsrechnen 24

25 Das Wesen der Informatik: Explosion IuK-Technologien der Menschheitsgeschichte (ungefähr): Telegraph Technologie Wort Bild Schrift Druck Informatik Jahre Informatik: CD, Handy, PC, Web : alles erfunden im Laufe Ihres bisherigen Lebens wie geht es weiter? - mit weiterhin exponentiellem Wachstum Moore s Law für wichtige Schlüsselbereiche wie CPU-Leistung: verdoppelt alle 18 Monate noch schneller: Zahl Internetknoten, Festnetz-Bandbreite, Graphik- Leistung langsamer: Mobilfunk-Bandbreite, Batterie-Lebensdauer 25

26 Die Zukunft der Informatik (wireless) Internet (Information-Highway: Infrastruktur für Konvergenz von IT (Informations-Technik), Telecom, Medien David IT bringt treibende Technologie ein (Informatik) Informationstechnik Medien Telekommunikation Konvergenz Internet 26

27 Die Zukunft der Informatik bisher oft als Dienstleistungswissenschaft betrachtet automatisiert Büros, Fabriken,, Lehre (?) Durchbrüche in anderen Disziplinen (z.b. BioInformatik) zunehmend Partner: Geben und Nehmen importiert auch von Geistes-, Lebens-, Ing.-Wissenschaften Natur- und Lebenswissenschaften Humanwissenschaften Informatik Ingenieurwissenschaften 27

28 Die Zukunft der Informatik Computer als Teil von Alltagsgegenständen und unserer Umwelt: pervasive ubiquitous disappearing ambient/invisible durchdringend allgegenwärtig verschwindend umgebend/unsichtbar 28

29 Definitionen Algorithmus (vorerst) := eindeutige Berechnungsvorschrift (bald genauer) Programm := Algorithmus in maschinell verarbeitbarer Notation Notation heißt dann Programmiersprache meist (automatisch) zu übersetzen in andere Notation, diese dann direkt für Rechen- / Steuerwerk verständlich Programmiersprache (vorerst) := formale Sprache zur Formulierung von Algorithmen formal? siehe später; einstweilen: maschinell verarbeitbar Sätze: Zeichenfolgen aus festgelegtem Zeichenvorrat (Alphabet) für erstes Verständnis: sprich: Wörter statt: Zeichen Sätze auf Basis endlicher Menge von Regeln gebildet (Syntax) Interpretation für jeden korrekten Satz eindeutig (Semantik) Programm := Algorithmus, formuliert in einer Programmiersprache 29

30 Aufbau der Vorlesung 1. Einführung diverse erforderliche Exkurse; Iteration - Rekursion 2. Objektorientierte Programmierung inklusive Modellierung; anhand von Java 3. Zusammengesetzte und generische Strukturen von Zeichenketten bis zu generischen Typen 4. Qualitätssicherung Ausnahmebehandlung; Zusicherungen; Testen; Verifikation 5. Benutzeroberflächen Einführung in Ströme; Ereignisse; GUI-Programmierung 6. Effiziente Algorithmen und Datenstrukturen Effizienz; Komplexität; Suchen und Sortieren 7. Übersetzen und Interpretieren als Vorbereitung auf das Praktikum 30

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