Grundlagen und Konzepte der Informatik

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1 Hartmut Ernst Grundlagen und Konzepte der Informatik Eine Einführung in die Informatik ausgehend von den fundamentalen Grundlagen vieweg

2 Inhaltsverzeichnis V Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Was ist eigentlich Informatik? Zur Geschichte der Informatik Frühe Zähl- und Rechensysteme Die Entwicklung von Rechenmaschinen Die Computer-Generationen Prinzipieller Aufbau von digitalen Rechenanlagen Das EVA-Prinzip Zentraleinheit und Busstruktur System-Komponenten Zahlensysteme und binäre Arithmetik Darstellung von Zahlen Umwandlung von Zahlen in verschiedene Darstellungssysteme Binäre Arithmetik 21 2 Nachricht, Information und Codierung Abgrenzung der Begriffe Nachricht und Information Biologische Aspekte Sinnesorgane Datenverarbeitung im Gehirn Der genetische Code Diskretisierung von Nachrichten Rasterung Quantelung Wahrscheinlichkeit und Kombinatorik Die relative Häufigkeit Die mathematische Wahrscheinlichkeit Totale Wahrscheinlichkeit und Bayes-Formel Statistische Kenngrößen Fakultät und Binomialkoeffizienten Kombinatorik Information und Wahrscheinlichkeit Der Informationsgehalt einer Nachricht Die Entropie einer Nachricht Zusammenhang mit der physikalischen Entropie Wortlänge und Redundanz Definition des Begriffs Codierung Die mittlere Wortlänge Die Code-Redundanz Beispiele für Codes Code-Erzeugung Code-Bäume Der Huffman-Algorithmus Der Fano-Algorithmus Code-Sicherung 71

3 VI Inhaltsverzeichnis Die Hamming-Distanz m-aus-n-codes Codes mit Paritäts-Bits Fehlertolerante Codes Lineare Codes Datenkompression Vorbemerkungen und statistische Datenkompression Lauflängen-Codierung Differenz-Codierung Arithmetische Codierung Der LZW-Algorithmus Datenreduktion durch unitäre Transformationen Verschlüsselung Vorbemerkungen Substitutions-Chiffren Produkt-Chiffren und Enigma Der Data Encryption Standard (DES) Public-Key Verschlüsselung Schaltalgebra und digitale Grundschaltungen Aussagenlogik Der Wahrheitswert von Aussagen Verknüpfungen von Aussagen Die Axiome der Aussagenlogik BpQle'sche Algebra Der Boole'sche Verband Schaltfunktionen Das Boole'sche Normalform-Theorem Schaltnetze Logische Gatter Beispiele für Schaltnetze Schaltwerke und digitale Grundschaltungen Verzögerung und Rückkopplung Addierwerke Flip-Flops Analog- und Hybridrechner Grundkonzepte und Anwendungsgebiete Komponenten von Analogrechnern Rechnerarchitekturen und Betriebssysteme Grundprinzipien und Klassifikationen Ordnungsschemata Die Klassifikation nach Flynn Die Von-Neumann-Architektur Hardware-Struktur Operationsprinzip Betriebssysteme Grundfunktionen von Betriebssystemen Klassifizierung von Betriebssystemen 161

4 Inhaltsverzeichnis VII MS-DOS als Beispiel für ein einfaches Betriebssystem Das Multitasking-Konzept MS-Windows Unix Parallel-Strukturen Motivation Verbindungsstrukturen Multitasking und Parallelverarbeitung Vektorrechner und Pipelines Feldrechner Betriebssysteme für Parallel-Rechner Maschinenorientierte Programmiersprachen Die interne Organisation eines Mikroprozessors Maschinensprache und Assemblersprache Der Aufbau einer CPU am Beispiel des M Der Stapelspeicher Das Status-Register User-Mode und Supervisor-Mode Funktions-Code Asynchrone Bussteuerung Synchrone Bussteuerung Unterbrechungen (Interrupts) Direct Memory Access (DMA) Starten, Halten und Busfehler Befehlsformate und Befehlsausführung Befehlsformate Befehlsausführung Adressierungsarten Prinzipielle Adressierungsmöglichkeiten Die Adressierungsarten des M Der Befehlssatz des M Datenübertragungsbefehle Arithmetische Operationen Schiebe- und Rotierbefehle Bit-Manipulationsbefehle BCD-Arithmetik Logische Befehle Steuerbefehle Programmbeispiele Höhere Programmiersprachen Zur Struktur höherer Programmiersprachen Überblick über einige höhere Programmiersprachen Die Ebenen des Informationsbegriffs in der Sprache Systeme und Strukturen Methoden der Syntaxbeschreibung Die Backus-Naur-Form Syntax-Graphen 247

5 VIII Inhaltsverzeichnis Eine einfache Sprache als Beispiel: C~ Eine moderne Programmiersprache: C Einführung Überblick über den Aufbau eines C-Programms Datentypen Operatoren und Ausdrücke Anweisungen Funktionen Speicherklassen und Module Ein/Ausgabe-Funktionen Verarbeitung von Zeichenketten Das Zeigerkonzept in C Die objektorientierte Erweiterung von C: C Das Konzept der objektorientierten Programmierung Einfache Spracherweiterungen Klassen und Objekte Vererbung Polymorphismus und Überladen Methodik der Software-Entwicklung und DV-Organisation Stufen der Software-Entwicklung Was ist eigentlich Software? Qualitätsmerkmale von Software Systemanalyse und Systemspezifikation Algorithmen-Entwurf Programmierung Programm-Test Dokumentation Installation Software-Entwicklung als iterativer und evolutiver Prozess Hilfsmittel für den Entwurf von Algorithmen Pseudo-Code Ablauf- oder Flussdiagramme Struktogramme nach Nassi-Shneiderman Entscheidungstabellen Datenverarbeitungs-Organisation Definition des Begriffs Organisation Organisation und Systemtheorie Die Einbindung der DV in die betriebliche Organisation Organisation von DV-Projekten in Projektgruppen Der Ablauf von DV-Projekten Planung und Kontrolle der Organisationsarbeit Aufgaben und Aufbau von Rechenzentren Geschichtliche Entwicklung von Rechenzentren Aufgaben und Arten von Rechenzentren Verteilung der Aufgaben in Rechenzentren Planung und Einrichtung von Rechenzentren Datenschutz und Datensicherheit 354

6 Inhaltsverzeichnis IX Datenschutz Datensicherheit Automatentheorie und formale Sprachen Grundbegriffe der Automatentheorie Definition von Automaten Darstellung von Automaten Der akzeptierte Sprachschatz eines Automaten Beispiele für Automaten Halbgruppen Die freie Halbgruppe Die induzierte Halbgruppe Kellerautomaten Turing-Maschinen Definition von Turing-Maschinen Beispiele für Turing-Maschinen Realisierung einer Turing-Maschine als C-Programm Einführung in die Theorie der formalen Sprachen Definition von formalen Sprachen Die Chomsky-Hierarchie Das Pumping-Theorem Die Analyse von Wörtern Compiler Einführung Beispiel: Simulation eines Taschenrechners Algorithmen Berechenbarkeit Eine erste Begriffsklärung 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 Minimierung der Anzahl von Operationen Teile und Herrsche Näherungsweise Problemlösung durch Greedy-Strategien Genetische Algorithmen Evolutionsstrategien Beispiel für einen genetischen Algorithmus Probabilistische Algorithmen Zufallszahlen Monte-Carlo-Methoden Probabilistischer Primzahltest 453

7 X Inhaltsverzeichnis Der heuristische Ansatz 9.6 Rekursion Definition und einfache Beispiele Rekursive Programmierung und Iteration Backtracking 10 Datenstrukturen 10.1 Einfache Datenstrukturen Einfache Datentypen Lineare strukturierte homogene Datentypen Verbünde 10.2 Sequentielle Datenstrukturen Sequenzen und Files Strings und Texte Verkettete lineare Listen Stapel und Schlangen Sequentielle Speicherorganisation 10.3 Suchverfahren Einfache Suchverfahren Gestreute Speicherung (Hashing) 10.4 Direkte Sortierverfahren Vorbemerkungen Sortieren durch direktes Einfügen Sortieren durch direktes Auswählen Sortieren durch direktes Austauschen (Bubble-Sort) 10.5 Höhere Sortierverfahren Shell-Sort Quick-Sort Eine generische Sortierfunktion Vergleich der Sortierverfahren 10.6 Sortieren externer Files Direktes Mischen Natürliches Mischen n-weg-mischen 10.7 Bäume Definitionen Operationen auf Binärbäumen Ausgleichen von Bäumen und AVL-Bäume Heaps und Heap-Sort Vielwegbäume 10.8 Graphen Definitionen und einführende Beispiele Adjazenzmatrix und Erreichbarkeitsmatrix Verkettete Speicherung von Graphen Suchen, Einfügen und Löschen Durchsuchen von Graphen Halbordnung und topologisches Sortieren Minimal spannende Bäume

8 Inhaltsverzeichnis XI Union-Find-Algorithmen 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 Datenbanken Die Datenbanksprache SQL Multimedia-Anwendungen Einführung und Definitionen Licht und Farbe Die Bearbeitung digitaler Bilder Die Einbindung von Komponenten in ein Dokument Das Internet Überblick über das Internet Die Seitenbeschreibungssprache HTML JavaScript Die Programmiersprache Java Einführung Aufbau einer Java-Applikation Klassen Ein/Ausgabe-Funktionen Applets Threads 759 Literaturverzeichnis 767 Sachwortverzeichnis 778