Einführung. Wintersemester 2003/2004. Prof. Dr. Thomas Wieland

Transkript

1 Informatik und Programmiersprachen Einführung Wintersemester 2003/2004 Prof. Dr. Thomas Wieland

2 Informatik was ist das denn?

3 Wozu Informatik? Vielzahl von Geräten ohne Informatik nicht mehr denkbar sehr häufig sog. eingebettete Systeme (embedded systems) software-gesteuerte Systeme ohne herkömmliche Tastatur und konventionellen Bildschirm Quelle: Prof. Dr. Hindel, 3

4 Informatik für Elektrotechniker und Maschinenbauer??? 70 % der Software-Entwicklung weltweit im Bereich Embedded Systems expandierender Markt: Weltmarktprognose für Embedded Systems Marktvolumen (Mrd. $) Stückzahl (Mrd.) Stückzahl pro Person Quelle: Deutsche Bank Research / Prof. Dr. Hindel,, 4

5 Mehrwert durch Informatik Mehrwert neuer Modelle durch softwarevermittelte Leistungsmerkmale Mobiltelefone Autos Quelle: Prof. Dr. Hindel, Siemens, Nokia 5

6 Produktentwicklung mit Informatik etwa alle zwei Jahre Verdopplung des Volumens fest codierter Software in Konsumartikeln Produktentwicklung beinhaltet Software-Entwicklung Einbettung in in Informatik-Umfeld Nutzung von von Netzwerken, Betriebssystemen, Datenbanken Nutzung von von Software-Werkzeugen CAE-Systeme, Simulatoren

7 Historischer Hintergrund der Informatik Entwicklung der ersten wirklich funktionsfähigen Computer Ende der 30er / Anfang der 40er Jahre Einsatz vorrangig im mathematisch-naturwissenschaftlichen Umfeld bereits deutlich früher Bau von Rechenhilfen: Abakus ca v. Chr. von den Babyloniern erfunden Zählwerk aus beweglichen Kugeln erlaubt Rechnen mit vier Grundrechenarten Um 825: Abu Jaf'ar Mohammed ibn Mûsâ al-khowârizm, persischer Mathematiker und Astronom schreibt Regeln der Wiedereinsetzung und Reduktion, Namenspatron für den Begriff des Algorithmus 1524: Adam Riese aus Staffelstein veröffentlicht ein Rechenbuch für das Dezimalsystem; das Dezimalsystem setzt sich auch in Europa durch 7

8 Rechenmaschinen der Neuzeit mechanische Rechenmaschinen Ersetzen der Kugeln des Abakus durch Zahnräder 1624 mechanische Addiermaschine (Schickard) ca mechanischer Rechenschieber (Partridge) Weiterentwicklungen zu kommerziell eingesetzten mechanischen Rechenmaschinen durch Pascal (ab ca. 1640) und Leibniz (ab 1673) 8

9 Erste Rechenmaschinen Konzeption der ersten funktionierenden Rechenmaschine nach heutigem Muster durch Babbage (ab 1833) logische Trennung verschiedener Funktionseinheiten (Rechenwerk, Steuerwerk, Speicher, Ein-/Ausgabemöglichkeit) erkennbar Idee: Steuerung der Maschine durch Programme auf Lochkarten Quelle: Uni Konstanz Quelle: Heimcomputer.de 9

10 Elektromechanische Rechenanlagen erste voll funktionsfähige elektromechanische Rechenanlagen durch Zuse (Z3, 1941) und Aiken (MARK1, 1944) Quelle: Deutsches Museum Ich Ich denke, denke, es es gibt gibt einen einen Weltmarkt Weltmarkt für für vielleicht vielleicht fünf fünf Computer Computer Thomas Thomas J. J. Watson, Watson, IBM IBM (1943) (1943) 10

11 Rechenanlage mit Röhren erste mit Elektronenröhren arbeitende Rechenanlage durch Eckert/Mauchly (ENIAC, 1946) bahnbrechende Beiträge zum prinzipiellen Aufbau von Computern durch John von Neumann noch ziemlich unhandlich: 140 m 2 Grundfläche, 150 kw Leistungsaufnahme, Elektronenröhren... Quelle: IEEE 11

12 Weitere Basistechnologien folgende Computergenerationen geprägt durch neue Basistechnologien Transistoren anstelle von Röhren (ab 1955) integrierte Schaltkreisen anstelle von Transistoren (ab 1960) hochintegrierte Schaltkreise (seit Anfang der 70er Jahre) (teilweise) Abkehr von vorherrschender von-neumann- Architektur (seit Mitte der 80er Jahre) z.b. in Parallelrechnern 12

13 Durchbruch im Privatbereich durch IBM-PC Erster PC 1981 Grundausstattung: Intel 8088-Mikroprozessor mit 4,77 MHz Taktrate, 16 KByte Hauptspeicher, Diskettenlaufwerk keine Festplatte, keine Grafikunterstützung Preis: ca $ 1994 gingen bereits 65% aller weltweit verkauften Computer an Privathaushalte 13 Quelle: IBM

14 Heutige PCs gängige Leistungsdaten Mikroprozessoren mit Taktrate von ca. 2,8 GHz 512 MByte Hauptspeicher, 160 GByte Festplatte DVD-Brenner Grafikkarte mit 128 MByte eigenem schnellen Speicher Preis: ca Quelle: Medion 14

15 Moores Gesetz G. Moore (1965): "Die Zahl der Transistoren (entspricht Rechengeschwindigkeit) auf einem Chip verdoppelt sich alle 20 Monate." Quelle: Intel 15

16 Rechenleistung CPU-bezogene Maßzahlen: FLOPS: Floating Point Operation per Second entsprechend MFLOPS: Mega-FLOPS MIPS: Million Instructions per Second Fazit: nur eingeschränkte Aussagekraft über die Leistungsfähigkeit eines gesamten Computersystems Anwendungsbezogene Maßzahlen: SPEC-Benchmarks ( Standard Performance Evaluation Corporation z.b. SPECint95, SPECfp99 TPC-Benchmarks ( Transaction Processing Performance Council aktuell: TPC-C, TPC-H, TPC- W, TPC-R 16

17 Entwicklung der Software Entwicklung problem-orientierter Programmiersprachen (seit Ende der 50er Jahre) Entstehung von Betriebssystemen (seit Anfang der 60er Jahre) Entstehung des Software Engineering (Ende der 60er Jahre) Entstehung objekt-orientierter Ansätze innerhalb des Software Engineering (seit Anfang der 80er Jahre) Entwicklung von Entwurfsmustern aus Objekten (seit Anfang der 90er Jahre) 17

18 Entstehung des Internet Seit Mitte der 70er Jahre Hardwarebasis durch Vernetzung amerikanischer Universitäten Softwarebasis: Entwicklung robuster Übertragungsprotokolle (TCP/IP, seit Mitte der 70er Jahre) Entstehung verteilter Informationssysteme auf Basis der Sprache HTML (Anfang der 90er Jahre) Entwicklung komfortabler Anzeigeprogramme für HTML (Web-Browser) (Anfang der 90er Jahre) 18

19 Wachstum des Internet 19

20 Kommerzialisierung des Internet 20

21 Informatik und andere Wissenschaften Wahrnehmung der Informatik als eigene Disziplin seit Mitte der 60er Jahre Kunstwort Informatik in Anlehnung an Begriff Information Mathematik Wirtschaftswissenschaften Informatik Elektrotechnik eigenständiger Studiengang Informatik seit Anfang der 70er Jahre 21

22 Eine Definition Informatik ist ist die die Wissenschaft von von der der systematischen und und automatisierten Verarbeitung von von Information. Sie Sie erforscht grundsätzliche Vorgehensweisen der der Informationsverarbeitung und und allgemeine Methoden ihrer ihrer Anwendung in in den den verschiedensten Bereichen. Für Für diese diese Aufgaben wendet wendet die die Informatik vorwiegend formale und und ingenieurmäßig orientierte Techniken an. an. Durch Durch Verfahren der der Modellbildung sieht sieht sie sie beispielsweise von von den den Besonderheiten spezieller Datenverarbeitungssysteme ab; ab; sie sie entwickelt Standardlösungen für für die die Aufgaben der der Praxis. Praxis. Gesellschaft für für Informatik, Betrachtungsumfang besteht aus Hardware + Software + Einsatz von Hard- und Software 22

23 Teilgebiete der Informatik Technische Informatik Konstruktion von von Rechnern, Speicherchips, Prozessoren, Peripherie... chips, Theoretische Informatik Erforschung der der theoretischen Grundlagen Angewandte Informatik Einsatz Einsatz von von Rechnern in in verschiedenenanwendungsbereichedenen Praktische Informatik Konstruktion von von System- und und Anwendungssoftware 23

24 Algorithmen Komplexitäts-, Berechenbarkeits-, Automatentheorie, Theorie der Datenstrukturen Ersetzungssysteme und Kalküle Formale Sprachen, Logik, Computer-Algebra, Deduktions- und Transitionssysteme Theorie der Programmierung Programmiermethodik, Spezifikation, Verifikation, Semantik Kommunikationstheorie Theoretische Informatik Erforschung der der theoretischen Grundlagen Informationstheorie, Codierungstheorie, Kryptographie 24

25 Programmiersprachen und Programmiertechnik Programmiersprachen, -umgebungen und -werkzeuge, Software Engineering Informationssysteme Datenbanksysteme, betriebliche Informationssysteme, Datensicherheit Systemsoftware und Systeme mit besonderen Anforderungen Betriebssysteme, Echtzeitsysteme, verlässliche Systeme, verteilte Systeme Dialogsysteme und Computergrafik Kommunikationssysteme, grafische Systeme, Benutzerschnittstellen, CAD/CAM/CIM-Systeme Künstliche Intelligenz Praktische Informatik Konstruktion von von System- und und Anwendungssoftware wissensbasierte Systeme, Lehr- und Lernsysteme, Bildverstehen, Robotik 25

26 Rechnerorganisation funktionaler Rechnerentwurf, Entwurf von Hardwarekomponenten, Modellierung und Simulation digitaler Systeme, Funktionsprinzipien und Bewertung von Rechensystemen Grundlagen und Schaltungstechnik Entwurf und Realisierung von Schaltnetzen und Schaltwerken, Entwurfsmethodik und -werkzeuge für VLSI, Simulation und Verifikation digitaler Systeme Architekturen Multiprozessor- und Multirechnersysteme, Prozessrechner, anwendungsorientierte Architekturen Vernetzung von Rechensystemen Technische Informatik Konstruktion von von Rechnern, Speicherchips, Prozessoren, Peripherie... chips, Rechnernetze, verteilte Systeme, Telematik 26

27 Informatik(nahe) Lehrinhalte in Grund- und Hauptstudium Technische Informatik Digitaltechnik Mikrocomputertechnik Hardware Engineering Theoretische Informatik Technische Informatik Informatik und Programmiersprachen Algorithmen und Datenstrukturen Praktische Informatik Programmieren 1 / 2 Informations-/Kommunikationstechnik Software Engineering Betriebssysteme Datenbanken 27

28 Vorlesungsüberblick

29 Aufbau von Computersystemen Anwendungsprogramme Word, Word, PowerPoint PowerPoint selbst selbst geschriebene geschriebene Programme Programme = Grafische Bedienschnittstelle Verwaltung Verwaltung von von Fenstern, Fenstern, Menüs, Menüs, Maus, Maus, Ereignissen Ereignissen Betriebssystem Prozess-, Prozess-, Speicher-, Speicher-, Dateiverwaltung Dateiverwaltung Hardware Prozessor, Prozessor, Speicher, Speicher, Laufwerke, Laufwerke, Bildschirm Bildschirm

30 Fragestellungen Anwendungsprogramme Woraus besteht Software? Grafische Bedienschnittstelle Betriebssystem Software Wie kommt man vom Problem zur Software- Lösung? 30

31 Vorlesungsüberblick 1. Information und Kodierung Information und Daten Darstellung von Daten 2. Vom Problem zur Softwarelösung Problemspezifikation Algorithmus Beschreibungsformalismen einfache Algorithmen Programm Sprachebenen Sprachparadigmen 31

32 Vorlesungsüberblick (2) 3. Grundlegende Konzepte imperativer Programmiersprachen Datenaspekte Basisdatentypen Strukturierte Datentypen Referenzen Konstruktion weiterer Datentypen Verarbeitungsaspekte elementare Anweisungen Konstruktion zusammengesetzter Anweisungen Blockkonzept Iteration und Rekursion prozedurale und funktionale Abstraktion 4. Automatentheorie und formale Sprachen Grundbegriffe Compiler 32

33 Vorlesungsüberblick (3) 5. Elementare Algorithmen und Datenstrukturen Algorithmen Berechenbarkeit Komplexität Optimierung Suchen und Sortieren Bäume und Graphen nach verfügbarer Zeit 33

34 Empfohlene Literatur Alternativ: H. Balzert: Lehrbuch Grundlagen der Informatik. Spektrum Akad. Verlag, 1999 H. Klaeren, M. Sperber: Vom Problem zum Programm. Teubner, 3. Aufl., 2001 H. Gumm, M. Sommer: Einführung in die Informatik. Oldenbourg,