2 Informa*k Überblick

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1 2 Informa*k Überblick Motivation: Ziele dieses Abschnittes Abgrenzung Was ist Informatik? Einführung grundsätzlicher Informatik-Begriffe Erstes einfaches Modell zur Softwareentwicklung ( EI-2) Herausforderungen: Erkenntnis: Informatik ist Strukturwissenschaft Literatur: Diverse Abschnitte in [Claus] plus [Ernst] Kapitel 1.2 [Herold] Kapitel

2 2.1 Was ist Informa*k? Wortursprung: Unterschiedliche Aussagen zum Wortursprung: [WikiInf]: Kombination aus Information & Mathematik nach Karl Steinbuch, 1957 [Ernst]: Kombination aus Information & Automation (frz. informatique) nach Phillippe Dreyfus, 1962 Nebenbei: im angelsächsischen Sprachraum existiert dieses Wort nicht. Dort: Computer Science. Wortbedeutung nach [Claus]: Wissenschaft von der systematischen Darstellung, Erfassung, Speicherung, Verarbeitung und Übertragung von Informationen, besonders der automatischen Verarbeitung mit Hilfe von Digitalrechnern. è Computer ist nur Hilfsmittel, nicht Selbstzweck è Informatik ist eine Strukturwissenschaft, d.h. zentral sind Überführung realer Sachverhalte in Strukturen/Modelle (Abstraktion) Verarbeitung der Strukturen bzw. mathematischen Modelle mittels Computern (Transformation) Rückinterpretation der Ergebnisse auf reale Sachverhalte 2.2

3 Altertum: Manuelle Rechenapparate wie Abakus und Rechensteine Das Zahlsystem hat großen Einfluss darauf, wie Rechnungen durchgeführt werden: Babylonier: 60er-System Ägypter: Dezimalsystem Inder: Dezimalsystem Römer: additives System, das v.a. bei Multiplikationen sehr unhandlich ist. 16.Jh: Dezimalsystem setzt sich in Europa durch (u.a. durch Adam Riese) 2.3

4 Hinzu kommen Rechenverfahren (ohne maschinelle Automatisierung) Bei einfachen Rechnungen gibt es einen engen Zusammenhang zwischen Algebra (symbolisches Rechnen mit Variablen, Lehre von Rechenverfahren und math. Strukturen), Algorithmen (Folgen von Anweisungen, genaue Definition siehe später) Babylonier: Mathematische Keilschrifttexte Diese enthalten Rechnungen mit konkreten Zahlen und einer Beschreibung im Text. Beispiel: Flächen und Getreideerträge von Feldern. ( ) 30 setze den Feldanteil, 20 setze das Getreide, das er geerntet hat. ( ) auf zwei Teile verteile sie, 15 und 15 bis zu seinem zweiten setze; das Reziproke von 30, dem Feldanteil, zerlege: 2. ( ) Es fällt auf: Alle Größen sind genau spezifiziert und können vom Leser leicht durch andere Zahlen ersetzt werden. Die Zahlen, einschließlich der Ergebnisse, sind auffallend einfach. Die Tafeln können als erste Rechenanleitungen gewertet werden. 2.4

5 KeilschriBtafeln Etwa handtellergrosse Tafeln aus Ton, die bei einem Hausbrand versehentlich gebrannt und dadurch konserviert wurden. 5

6 Araber im Mittelalter: Texte zum kaufmännischen Rechnen. Abu Abd Allah Muhammad b. Musa Al-Khwarizmi, um 800 Übersetzungen: Robert von Chester (1145), Gerhard von Cremona ( ). Das Wort Algorithmus geht auf den Namen Al-Khwarizmi zurück, Das Wort Algebra auf al-gabr: Einrenken von (gebrochenen) Teilen, Wiederherstellen eines Gleichgewichts. Anfang eines Buchtitels von Al- Khwarizmi. Rechnen mit Unbekannten. Al-Khwarizmi hat aus Merksätzen eine Theorie aufgebaut. Es geht, mathematisch, um das Lösen von einfachen Gleichungen. 2.6

7 Wilhelm Schickard ( ) Deutscher Professor für biblische Sprachen, Astronomie und Mathematik 1623: Additions- und Subtraktionsmaschine 1630: Handplanetarium mit Sonne, Erde und Mond 2.7

8 Grundlage der Schickard schen Rechenmaschine sind Napierstäbe, eine einfache Rechenhilfe, die man aneinanderlegen kann, um Rechnungen durchzuführen. 1614: Lord John Napier of Merchiston 1650 Logarithmischer Rechenschieber Eine einfache Rechenhilfe mit gegeneinander verschiebbaren Skalen Lineare Skalen würden Addition und Subtraktion erlauben Seit 1650 üblich: logarithmische Skalen für Multiplikation und Division 8

9 Blaise Pascal ( ) Französischer Mathematiker, Naturwissenschaftler, Philosoph 1641: Maschine zur Addition sechsstelliger Zahlen 1654: Abhandlungen über das Pascalsche Dreieck, Zahlenordnungen und Zahlenkombinationen 2.9

10 Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) Deutscher Philosoph, Mathematiker, Physiker, Historiker, Diplomat Formulierte unabhängig von Isaac Newton die heute noch gebräuchliche Infinitesimalrechnung (Differential- und Integralrechnung) Entwickelte die Dyadik (Binärsystem) 1674: Mechanische Rechenmaschine mit Staffelwalzen für die vier Grundrechenarten Philipp Matthäus Hahn ( ) Deutscher Pfarrer, Konstrukteur und Erfinder 1774: Erste zuverlässige Rechenmaschine in Kleinserie Rechen- und Ergebniswerk mit Staffelwalzen 2.10

11 Lochkarten in der Webtechnik: 1804 Joseph Maria Jacquard Hermann Hollerith ( ) US-amerikanischer Unternehmer, Ingenieur und Erfinder 1886: Erste elektrisch arbeitende Zählmaschine für Lochkarten; Einsatz bei einer Volkszählung in den USA Volkszählung ohne seine Maschine und mit 500 Helfern: 7 Jahre Volkszählung mit 43 seiner Maschinen und 500 Helfern: 4 Wochen 2.11

12 Charles Babbage ( ) Englischer Mathematiker, Philosoph, Erfinder und politischer Ökonom 1838 : Erster Ansatz für Lochkarten-Steuerung einer Rechenmaschine Erstmals die Komponenten Rechenwerk, Steuerwerk, Zahlenspeicher und Programmspeicher Damit programmierbar Zusammenarbeit mit Ada Lovelace: erste Programme auf diesem Rechner. 2.12

13 Konrad Zuse ( ) Deutscher Bauingenieur, Unternehmer und Erfinder Entwicklung programmgesteuerter Rechenmaschinen mit binärem Zahlensystem 1938: Fertigstellung der elektromechanischen Z1 1941: Funktionsfähiger, programmgesteuerter Rechenautomat Z3: Relais und Lochstreifenleser Speicherkapazität: 64 Worte á 22 Bit. 4 Grundrechenarten und Wurzel. Multiplikationszeit: ca. 3s Zuse Z1 (Berlin 1937) Zuse Z3 (Nachbau Dt. Museum 1960) 2.13

14 Relais Ein elektromechanischer Schalter: Fließt durch die Magnetspule ein Strom, so wird ein Mechanismus betätigt, der einen oder mehrere nebeneinanderliegende Schalter betätigt. Anwendungen: Treppenhauslicht Schalten eines starken Stromes mit einem schwachen Steuerstrom Flipflop-Schaltung (quasi ein 1 bit Speicher) Aus dieser Zeit stammt die Bezeichnung Bug (Wanze) für Programmierfehler. 2.14

15 Elektrischer Schalter als Grundbausteine aller Computer Eine Steuerspannung an einem Kontakt legt fest, ob auf einer anderen Leitung Strom fließen kann oder nicht. Relais: Ein Elektromagnet betätigt einen elektrischen Schalter. Elektronenröhre: Wie in einer Fernsehbildröhre wird ein Elektronenstrahl im Vakuum aufgebaut. Negative Steuerspannung an einem zu durchfliegenden Gitter hindert die Elektronen durch elektrostatische Abstoßung daran, zur Anode zu gelangen, der Strom dorthin wird unterbrochen. Transistor: Ein Halbleiter ist zunächst nicht-leitend, da alle Elektronenzustände im Leitungsband aufgefüllt sind und dadurch kein Netto-Strom fließen kann. Ein Steuer- Strom oder ein elektrisches Feld (FET) generiert dort bewegliche Ladungsträger, sodass der Übergang leitend wird. Fachgruppe 2.15 Medieninformatik

16 John P. Eckert ( ) und John W. Mauchly ( ): 1946: Erste programmierbarer Rechner ENIAC auf Röhrenbasis, allerdings auf Dezimal-Basis Röhren Multiplikationszeit: ca. 3ms 2.16

17 Alan Turing ( ) Britischer Logiker, Mathematiker, Kryptoanalytiker sowie Erfinder der Theoretischen Informatik 1936: Formulierung des theoretischen Modells der Turing-Maschine zur Ausführung beliebiger Algorithmen: Lese-Schreibkopf auf Arbeitsband. ab 1946: Zahlreiche theoretische Arbeiten zur Programmierung und zur Künstlichen Intelligenz (KI) John von Neumann ( ) Chemie-Ingenieur, Physiker und Mathematiker Geboren als János Lajos Neumann, wählte später die Namen Johann von Neumann und zuletzt John von Neumann : Jüngster Privatdozent der Humboldt- Universität zu Berlin 1945: Konzept des modernen General-Purpose- Computers (von Neumann-Architektur). Programme werden wie Daten gespeichert. 2.17

18 Computer-Generationen 0. Generation: Z3 (Zuse, 1941) und MARK1 (Aiken, 1944) Programmierbare elektromechanische Rechenmaschinen nach den Prinzipien von Babbage Arbeiteten mit Hilfe von Relais 1. Generation: ENIAC (Ecket & Mauchly, 1946) und PERM (TU München, 1952) Statt Relais nun Nutzung von Röhren Erste, nach heutiger Definition als Computer zu bezeichnende Maschinen Weitere Rechner der Firmen Remington Rand und IBM (Typ 701) Programmierung: Zunächst Assembler (maschinenlesbare Befehle) Später in der ersten höheren Programmiersprache FORTRAN 2.18

19 2. Generation: Ersetzung der Röhren durch Transistoren Erster Vertreter 1955 bei den Bell Laboratories gebaut Deutlich kleiner, sparsamer und robuster 1956 entstand IPL, ein Vorgänger der Programmiersprache LISP 1960 erste kommerzielle Programmiersprache COBOL von IBM Zeitgleiche Einführung von ALGOL als Alternative zu FORTRAN 3. Generation: PDP 8 (DEC, 1960) und Serie 360 (IBM, 1964) Transistoren durch integrierte Schaltkreise ersetzt Erhöhte Leistungsfertigkeit bei kleineren und preiswerteren Geräten Zahlreiche weitere Programmiersprachen wie BASIC, PL/1 und PASCAL 2.19

20 4. Generation: Apple-Computer (Jobs & Wozniak, 1977) und Personal Computer (IBM, 1981) Einsatz von höchstintegrierten Schaltkreisen Vollständige CPU auf einem Chip Home Computer : 1981 ZX-81, später z.b. C64 Erste Prozessoren mit 32-Bit Adressierung ab 1988 Programmierprachen: LISP, PROLOG, C Betriebsysteme DOS (IBM), später MS-DOS (Microsoft) Freies Betriebssystem UNIX Erste elektronische Taschenrechner von Texas Instruments (1973) und Hewlett Packard (1973); später frei programmierbare Versionen (1976, HP) 2.20

21 Homecomputer der 80er 1981: ZX-81 (Sinclair, 1Kb) 1981: TI 99 4a (Texas Instruments, 16 kb) 1982: C64 (Commodore, 64kB) 1985: Atari ST (1MB) 21

22 5. Generation: Gegenwart und Zukunft Parallele Entwicklung zur 4. Generation seit Mitte der 80er Jahre Objektorientierte Programmierprachen: Smalltalk, SIMULA C++ Java Wesentliches Merkmal neuester Architekturen: Teilweise Abkehr vom von- Neumann-Prinzip Ziel: Parallele Verarbeitung mit mehreren Prozessoren und unter Einsatz neuer Bauelemente (Multi-Kernel-Architektur, GPU) Anwendungen in allen Lebensbereichen 2.22

23 2.3 Vom Problem zum Programm Abstrak*on/Modell Denkschweiß Programmierung Lösungsidee Algorithmus Programm Krea*vität/Intui*on automa*sch Problem Reale Welt Lösung Ausführbare Anwendung 2.23

24 Beispiel: CAD- CAM basierte Zahnmedizin Aus einem 3D Scan des Restzahnes soll die fehlende Zahnfläche geschätzt werden. Keramik- Inlay wird automa*sch aus einem Würfel geschliffen (CNC- Schleifmaschine) 24

25 Beispiel: CAD- CAM basierte Zahnmedizin Lösungsidee: Lerne aus Beispielen, wie Zähne aussehen können Entwickle ein deformierbares Modell Passe das Modell an die Restzahnsubstanz an Algorithmen: Aufarbeitung der Beispielzähne Anpassung an Restzahnsubstanz Programm: läub heute auf dem Computer vieler Zahnärzte 2 2 i E = xk xk ' + η 2 k i σ i 25 α

26 2.3 Vom Problem zum Programm Systemanalyse und - spezifika*on Das Wasserfallmodell System- und Algorithmenentwurf Programmierung Programmtest Dokumenta*on Installa*on Wartung und Pflege 2.26

27 2.3 Vom Problem zum Programm Eine idealisierte Vorgehensweise: Das Wasserfallmodell 1. Systemanalyse und spezifikation (Spezifikation = (mathematisch) präzise Formulierung der Aufgabe Saubere, formale Erfassung der Problemstellung Szenarien, Nebenbedingungen, Sonderfälle, Formate, sind zu berücksichtigen 2. System- und Algorithmenentwurf Analyse der Problemstellung Ähnliche Probleme bekannt? Aufteilung in Teilprobleme möglich? Auswahl, Anpassung und Erstellung mathematischer Algorithmen Definition der Systemstruktur (Funktion einzelner Module und Kommunikation zwischen diesen) 3. Programmierung Konkrete Implementierung der entworfenen Algorithmen und Strukturen 2.27

28 2.3 Vom Problem zum Programm 4. Programmtest Überprüfung der Funktionalität Beseitigung von Fehlern 5. Dokumentation Nicht nur Benutzerhandbuch, sondern auch Entwicklerdokumentation 6. Installation Installation auf dem Kundensystem und wiederum Überprüfung der Funktionalität 7. Wartung und Pflege Häufig der zeitaufwändigste Teil der Softwareentwicklung Anpassung der Software an neue Wünsche des Kunden Erweiterung des ursprünglichen Systems Umstellung des Systems auf neue Hardware oder Datenformate 2.28

29 2.3 Vom Problem zum Programm Entscheidendes Merkmal des Wasserfallmodells: Erst wenn ein Arbeitsschritt komplett abgeschlossen ist, wird mit dem nächsten begonnen. Die Metapher des Wasserfalls steht für eine Reihe von Becken mit Überlauf: erst wenn ein Becken voll ist, fließt Wasser durch den Überlauf ins nächst tiefere Becken. 2.29

30 2.3 Vom Problem zum Programm Beispiel: Errichtung eines Großmarkts für Südfrüchte Zunächst: Das Wasserfallmodell kann in abgewandelter Form auch auf nichtinformatische Probleme angewendet werden. Systemanalyse und -spezifikation, hier: Welche Anforderungen gibt es? (Kunde bestellt, Großhändler liefert,..) Was steht zur Verfügung? (Zeit, Geld, Gebäude, ) System- und Algorithmenentwurf, hier: Planung der internen Abläufe (Verwaltungsaufgaben, Lagerplanung, etc.) Planung der externen Abläufe zum Kunden (Konfektionierung, Rechnungsstellung, Warenversand, Online-Dienste) Benötigte Mitarbeiter, Büroräume, Lager, Verkaufsfläche, Software, Computer etc. Programmierung, hier: Aufbau des Gebäudes, der Inneneinrichtung und der notwendigen Infrastruktur 2.30

31 2.3 Vom Problem zum Programm Programmtest, hier: Test der Infrastruktur für interne und externe Abläufe Dokumentation, hier: Handbuch über die internen und externen Abläufe Notfallpläne (z.b. bei Ausfall des Kühlaggregats) Informationsmaterial für die Kunden Installation, hier: Einweisen der Mitarbeiter, Anbringen von Hinweistafeln Öffnen der Pforte Wartung und Pflege, hier: Erweiterung des Großmarktes Bei Problemen: Entwicklung einer Lösung, d.h. Planung alternativer interner oder externer Abläufe Realisierung und Test Anpassung der Dokumentation 2.31

32 2.3 Vom Problem zum Programm Bemerkung: Wasserfallmodell In der Praxis ist dieses Vorgehen nicht in dieser starren Form möglich, z.b. sind Änderungen/Anpassungen aufgrund neuer Erkenntnisse im Verlauf der Entwicklung unvermeidlich, müssen Tests zur Fehlerbeseitigung bereits in frühen Stadien an einzelnen Teilen der Algorithmen bzw. Software durchgeführt werden und bessere Kommunikation zwischen den Entwicklern durch frühzeitige und aktuelle Dokumentation Frühzeitige Kommunikation mit dem Kunden/Nutzer ist sehr wichtig: Entwicklung von Prototypen, um Kunden frühzeitig Einblicke zu geben. Vermeidung von Fehlern, die nach der Abnahme beim Kunden auftauchen. Manche (neue) Kundenwünsche sind mit den zur Verfügung stehenden Resourcen (Personal, Geld, Zeit, ) nicht (mehr) lösbar 2.32

33 2.3 Vom Problem zum Programm Systemanalyse und - spezifika*on System- und Algorithmenentwurf Programmierung Programmtest Dokumenta*on Installa*on Wartung und Pflege 2.33

34 2.4 Zusammenfassung Wichtige Erkenntnisse und Inhalte dieses Abschnitts: Informatik ist eine Strukturwissenschaft, die auf Mathematik aufbaut und Abstraktion von realen Sachverhalten erfordert Rechenmaschinen haben eine fast 400-jährige Historie Informatik-Konzepte sind teilweise alt (Dualzahlen), größtenteils aber erst nach 1936 (Alan Turing) entstanden Von-Neumann-Architektur ist zentrales Prinzip moderner Computer Software-Entwicklung ist ein komplexer Prozess und erfordert praktische Erfahrung (insb. Programmiererfahrung), gute Kenntnisse grundlegender Algorithmen, theoretischer Grundlagen und Vorgehensweisen, weitgehende Kompetenz im konkreten Anwendungskontext und soziale Fähigkeiten (Umgang mit Kunden, Arbeit in Projektteams..) 2.34

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