Seminarunterlagen Grundlagen der Informatik Teil I

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1 Seminarunterlagen Grundlagen der Informatik Teil I TU-Ilmenau, Institut TTI Fachgebiet Softwaresysteme / Prozessinformatik Studiengang: Medienwirtschaft Webseite der Veranstaltung Zusätzliche Informationen zu den Übungen im elearning-portal: Ansprechpartner: Vorlesungen Prof. Dr.-Ing.habil Ilka Philippow Tel.: ilka.philippow@tu-ilmenau.de Übungen Elke Bouillon Tel.: elke.bouillon@tu-ilmenau.de Letzte Änderung:

2 Inhaltsverzeichnis 1 INFORMATIONSDARSTELLUNG... 3 Aufgabe 1:... 3 ZAHLENSYSTEME... 3 Aufgabe 2:... 3 Aufgabe 3:... 3 Aufgabe 4:... 3 Aufgabe 5:... 3 Aufgabe 6:... 3 Aufgabe 7:... 4 ZAHLENDARSTELLUNG IM COMPUTER... 4 Aufgabe 8:... 4 Aufgabe 9:... 4 Aufgabe 10:... 4 Aufgabe 11:... 5 Aufgabe 12:... 5 Aufgabe 13:... 5 Aufgabe 14:... 5 ZEICHEN- UND BILDDARSTELLUNG... 5 Aufgabe 15:... 5 Aufgabe 16:... 6 BEFEHLSDARSTELLUNG... 6 Aufgabe 17: AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINES COMPUTERS... 7 AUFBAU EINES COMPUTERSYSTEMS... 7 Aufgabe 18:... 7 AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE DER CPU... 7 Aufgabe 19:... 7 Aufgabe 20:... 7 INTERRUPTS... 7 Aufgabe 21: ALGORITHMEN, DATENSTRUKTUREN UND PROGRAMMIERUNG... 8 ALGORITHMEN UND IHRE BESCHREIBUNG... 8 Aufgabe 22:... 8 Aufgabe 23:... 8 Aufgabe 24:... 8 Aufgabe 25:... 8 DATENSTRUKTUREN... 9 Aufgabe 26:... 9 Aufgabe 27:... 9 Aufgabe 28:... 9 Aufgabe 29:... 9 Aufgabe 30: BLÖCKE Aufgabe 31: Aufgabe 32: Aufgabe 33: Aufgabe 34: Aufgabe 35: Aufgabe 36: Aufgabe 37: Aufgabe 38: Aufgabe 39: WIEDERHOLUNG (STATISCHE) DATENSTRUKTUREN Aufgabe 40:... 12

3 1 Informationsdarstellung Aufgabe 1: Warum werden in der Informatik spezielle Darstellungsformen für Informationen benötigt? Klären Sie in diesem Zusammenhang die Begriffe Maschinenwort und Wortlänge. Zahlensysteme Aufgabe 2: Erklären Sie den prinzipiellen Aufbau von Zahlensystemen am Beispiel von Dezimalsystem und Dualsystem (Folie "Stellenwertsysteme" aus der Vorlesung). Berücksichtigen Sie auch die Darstellung von gebrochenen Zahlen. Aufgabe 3: Erklären Sie die Merkmale des oktalen und hexadezimalen Zahlensystems! Aufgabe 4: a)warum ist das Dualsystem in der Informatik von besonderer Bedeutung? b)wandeln Sie die binäre Zahl X= , in die Dezimaldarstellung um. Aufgabe 5: a)was ist bei der Umwandlung aus der Dezimaldarstellung in die oktale bzw. hexadezimale Darstellung zu beachten (im Vergleich zur Umwandlung von der Dezimaldarstellung in die Dualdarstellung)? b)wandeln Sie die Dezimaldarstellung der Zahl X=-104, in die oktale und hexadezimale Darstellung um. Aufgabe 6: a)welche Bedeutung haben das Oktalsystem bzw. das Hexadezimalsystem in der Informatik? b)erklären Sie, wie die Binärdarstellung einer Zahl in eine Oktal- bzw. Hexadezimal- Darstellung überführt (konvertiert) werden kann. c)konvertieren Sie die Binärdarstellung für die Zahl X= , in die Oktal- und Hexadezimal- Darstellungen. Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse, indem Sie aus ihnen den dazugehörigen Dezimalwert ermitteln (Vergleich mit Aufgabe 5:).

4 Zusatzaufgaben Aufgabe 7: a)wandeln Sie die Dezimaldarstellung der Zahl X = -104, in die Binärdarstellung um. Ergebnis: X = , b)wandeln Sie die Dezimalzahlen 78, und -143, in Dual- und Hexadezimalzahlen um. Ergebnisse: 78, = ,001 2 = 4E, , = ,101 2 = -8F,A 16 c)addieren Sie binär die Binärzahlen 1011,101 2 und Ergebnis: 11010,101 2 d) Konvertieren Sie die Dualzahlen 10101,101 2 und ,001 2 in Dezimalzahlen. Ergebnisse: ,101 2 = -21, ,001 2 = 201, Zahlendarstellung im Computer Aufgabe 8: Was ist bei der Zahlendarstellung im Computer zu beachten? Aufgabe 9: a)nennen Sie typische Merkmale der Festkommadarstellung von Zahlen. b)erläutern Sie die Besonderheiten der vorzeichenlosen Festkommadarstellung und der Festkommadarstellung mit Vorzeichenbit. c)stellen Sie die Dezimalzahlen 15 10, und als vorzeichenlose Festkommazahlen dar. (Die entsprechenden Binärdarstellungen der Zahlen sind , und ) d)stellen Sie die Zahlen 15 10, und als Festkommazahlen mit Vorzeichenbit dar. Aufgabe 10: a)welche Bedeutung hat die Zweierkomplementdarstellung von Zahlen? Erläutern Sie ihre Konvertierung und Darstellungsform. b)stellen Sie die Zahlen 15 10, und als Zahlen im Zweierkomplement dar. Entscheiden Sie, ob die Wortlänge 8 oder 16 Bit betragen soll. 4

5 Aufgabe 11: a)welche Vorteile weist die Gleitkommadarstellung von Zahlen gegenüber der Festkommadarstellung auf? b)erläutern Sie die Gleitkommadarstellung von Zahlen. c)die Byte- bzw. Bitfolge C1.4C bzw soll eine Gleitkommazahl sein, die in folgender Form codiert ist (von links nach rechts): 1 bit Vorzeichen, 8 bit Charakteristik, 23 bit gepackte Mantisse. Konstante = = 7F 16 Geben Sie die Werte für Vorzeichen, Exponenten und Mantisse an. Ermitteln Sie den Dezimalwert der Zahl. Aufgabe 12: Vergleichen Sie Festkomma- und Gleitkommadarstellung von Zahlen. Diskutieren Sie Wertebereich, Genauigkeit, Speicherplatzbedarf und Verarbeitungsaufwand. Zusatzaufgaben Aufgabe 13: Führen Sie in der Zweierkomplementdarstellung folgende Additionen aus: ; ; und Entscheiden Sie über die notwendige Wortlänge. Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse, indem Sie die entsprechenden Dezimaldarstellungen ermitteln. (Die Binärdarstellung von ist und die von ist ). Aufgabe 14: Erklären Sie die Grundrechenoperationen +, -, * und / für binäre Gleitkommazahlen aufgrund Ihrer Kenntnisse über das Rechnen mit Exponenten. Zeichen- und Bilddarstellung Aufgabe 15: a)erläutern Sie das Prinzip der codierten Darstellung textueller Informationen. b)schätzen Sie aufgrund der Anzahl der insgesamt darzustellenden Zeichen den Speicherplatzbedarf (in Bit) für ein Textzeichen ab. c)erläutern Sie die Standards zur Codierung von textuellen Informationen. 5

6 Aufgabe 16: a)erläutern Sie das Prinzip der Darstellung von so genannten Bitmap - Bildern. Klären Sie dabei die Begriffe Bitmap, Pixel, Auflösung und Farbtiefe. b)ermitteln Sie den Speicherplatzbedarf (in KB, ohne Berücksichtigung von Kompressionsverfahren) für ein Bild mit 1024 * 768 Punkten und einer Farbtiefe von 24 bit. c)was verstehen Sie unter Vektorgrafiken? Wodurch unterscheiden sie sich von Bitmap- Darstellungen (Vorteile, Nachteile, Anwendungsbereich)? Befehlsdarstellung Aufgabe 17: a)sind Befehle Informationen? Was wird durch Befehlen beschrieben? b)erklären Sie die Begriffe Befehlswort und Befehlslänge. 6

7 2 Aufbau und Funktionsweise eines Computers Aufbau eines Computersystems Aufgabe 18: a)aus welchen Bestandteilen ist ein Computersystem aufgebaut (Vorlesung Bild 3.1.)? b)wie stehen die Komponenten eines Computersystems miteinander in Verbindung? Aufbau und Funktionsweise der CPU Aufgabe 19: a)was sind Register? b)nennen und erläutern Sie die wesentlichsten Register bzw. Registergruppen innerhalb einer CPU (Vorlesung Abschnitt 3.2). Aufgabe 20: Erläutern Sie die Vorgänge bei der Befehlsabarbeitung (Vorlesung Abschnitt 3.2). Interrupts Aufgabe 21: Was sind Interrupts? Wozu werden sie verwendet?

8 3 Algorithmen, Datenstrukturen und Programmierung Algorithmen und ihre Beschreibung Aufgabe 22: Erklären Sie den Begriff Algorithmus. Aufgabe 23: a)nennen Sie Möglichkeiten, um Algorithmen zu beschreiben. Klären Sie in diesem Zusammenhang die Begriffe Programmablaufplan (PAP), Struktogramm, Programm, Programmierung, Programmiersprachen und Datenstrukturen. b)wodurch unterscheiden sich Algorithmen und Programme? Aufgabe 24: Vergleichen Sie die Beschreibungselemente von Programmablaufplänen (PAPs, DIN 66001), Nassi - Shneiderman - Struktogrammen (DIN 66261) und der Programmiersprache Turbo PASCAL. Erläutern Sie dazu die Elemente zur Beschreibung des Ablaufs von Algorithmen (Vorlesung Abschnitt 5). Aufgabe 25: Für den euklidischen Algorithmus zur Bestimmung des größten gemeinsamen Teilers zweier natürlicher Zahlen sei folgende textuelle Beschreibung gegeben: (1)Belege a und b mit den beiden gegebenen Zahlen. Gehe zu (2). (2)Prüfe die Bedingung a < b. Ist die Bedingung erfüllt, gehe zu (3), sonst zu (4). (3)Vertausche die Belegung von a und b. Gehe zu (4). (4)Prüfe die Bedingung b = 0. Ist die Bedingung erfüllt, gehe zu (6), sonst zu (5). (5)Bestimme den Rest, der sich bei der Teilung von a und b ergibt. Belege a mit dem Wert von b und b mit dem erhaltenen Rest. Gehe zu (4). (6)Beende das Verfahren: Der Wert von a ist der gesuchte größte gemeinsame Teiler. a)stellen Sie den Algorithmus in Form eines PAP und eines Struktogramms dar. b)formulieren Sie den Algorithmus in der Syntax der Programmiersprache Turbo PASCAL. Anmerkung: Gesucht ist nur der Algorithmus. Die Beschreibung der Datenstrukturen oder

9 Seminar: Grundlagen der Informatik weiterer für ein vollständiges Programm wichtiger Angaben folgt später und ist hier nicht erforderlich. Datenstrukturen Aufgabe 26: a)was sind Datentypen? Wozu werden sie verwendet? Wie stehen Datentypen und Datenstrukturen miteinander in Beziehung? b)stellen Sie in einer Übersicht die Datentypen der Programmiersprache Turbo - PASCAL dar und erläutern Sie die einzelnen Datentypen. Aufgabe 27: Erläutern Sie, wie mit der Programmiersprache Turbo PASCAL statische Datenstrukturen vereinbart (deklariert) werden können. Aufgabe 28: Geben Sie an, wie Variablen bzw. Konstanten zur Speicherung der folgenden Informationen vereinbart (deklariert) werden. Benutzen Sie dabei die Syntax der Programmiersprache Turbo PASCAL. Sollten die vordefinierten Datentypen von Turbo PASCAL für die Speicherung der entsprechenden Informationen nicht geeignet sein, sind entsprechend neue Datentypen zu deklarieren. a)p (PI) als Wert 3, und Temperaturen im Bereich von -42,5 C bis +75 C, ein Kontostand, die Anzahl der Sitzplätze eines Hörsaals, der Vorname einer Person. b)die Information ob eine Klausur bestanden wurde über die Note der Klausur (nur ganzzahlige Noten) über die Art des Sitzplatzes im Theater (Parkett, Rang1, Rang2, Rang3, Loge) c)eine Adresse bestehend aus Ländername, Postleitzahl, Ortsname, Straßenname und Hausnummer sowie Informationen über einen Studenten, einschließlich Familienname, Vorname, Studiennummer, Heimatanschrift und Studienanschrift. d)alle Informationen über Studenten entsprechend c) für alle Studenten eines Matrikels. Aufgabe 29: a)belegen Sie eine Variable zur Speicherung von Informationen über Studenten (entsprechend der letzten Aufgabe mit ihren persönlichen Angaben. b)tragen Sie diese Information als 15. Eintrag in die Liste der Studenten eines Matrikels ein. Ermitteln Sie die Studiennummer des Studenten des 20. Eintrages. 9

10 Seminar: Grundlagen der Informatik Zusatzaufgabe Aufgabe 30: Erzeugen Sie eine statische Datenstruktur, mit der sich die Stellung der Figuren eines Schachspiels darstellen lässt. (Wie lassen sich die Felder darstellen? Welche Möglichkeiten der Belegung eines Feldes müssen Sie vorsehen?) Blöcke Aufgabe 31: Was sind Blöcke? Wozu dienen sie? Welche Vorteile kann man durch die Verwendung von Blöcken erzielen? Aufgabe 32: a)welche Bedeutung hat die Schnittstelle von Blöcken? Wie ist sie aufgebaut? b)was sind Parameter? Was verstehen Sie unter aktuellen und formalen Parametern? Aufgabe 33: a)nennen Sie wesentliche Formen (bzw. Arten) von Blöcken. Gehen Sie dabei auf die Möglichkeiten in Turbo PASCAL ein. b)welche Struktur (bzw. welchen grundsätzlichen Aufbau) haben alle Programm- und Unterprogrammblöcke in prozeduralen Programmiersprachen wie Turbo PASCAL? Was wird durch die entsprechenden Strukturbestandteile beschrieben? (Vorlesung Bild 6.1.) Aufgabe 34: a)erweitern Sie den Algorithmus des größten gemeinsamen Teilers aus Aufgabe 25: auf Seite 8 zu einem vollständigen PASCAL Programm. b)diskutieren Sie, welche Vorteile aus der Verwendung von Unterprogrammen für dieses Problem genutzt werden können. c)erläutern Sie, welche Art von Unterprogrammen sinnvoll einzusetzen ist. Wie muss die entsprechende Schnittstelle aussehen? Formulieren Sie ein entsprechendes Unterprogramm (in Turbo PASCAL - Syntax). Aufgabe 35: Welche Arten der Parameterübergabe an Unterprogramme gibt es in Turbo PASCAL? Erläutern Sie die Übergabearten und Diskutieren Sie Vor- und Nachteile. Vergleichen Sie mit Bild 6.2 aus der Vorlesung. 10

11 Aufgabe 36: Seminar: Grundlagen der Informatik a)welche Art der Informationsübergabe zur Prozedur Change wird im folgenden PASCAL - Programm verwendet? Welche Variable bzw. welcher Parameter wird auf welche Art und Weise übergeben? 1 Program Was; 2 Var a,b,c : Integer; 3 Procedure Change( d:integer; Var e:integer; Var c:integer; Var u:integer); 4 Var a,b : Integer; 5 Begin 6 a:=c+1; 7 b:=d+u; 8 d:=e-u; 9 e:=d+c-1; 10 c:=c*2; 11 u:=d; 12 WriteLn(a,'_',b,'_',d,'_',e,'_',c,'_',u); 13 End; 14 Begin 15 a:=2; 16 b:=4; 17 c:=6; 18 Change(b,c,c,a); 19 WriteLn(a,'_',b,'_',c); 20 Readln; 21 End. b)benennen Sie formale und aktuelle Parameter. c) Wie sieht die Belegung der Variablen bei einem Programmdurchlauf in den jeweiligen Programmzeilen aus? Welche Ausgabe entsteht beim Ablauf des Programms? Verwenden Sie zur Ermittlung das Arbeitsblatt auf S. 13 Zusatzaufgaben Aufgabe 37: a)welche Möglichkeiten der Parameterübergabe gibt es in anderen Programmiersprachen? b)gibt es noch andere Möglichkeiten, Informationen an Unterprogramme zu übergeben? Welche Konsequenzen (Vor- und Nachteile) wären damit verbunden? 11

12 Seminar: Grundlagen der Informatik Aufgabe 38: Schreiben Sie ein PASCAL - Unterprogramm, das zwei Matrizen des Formats 5 x 3 addiert. Anmerkung: Matrizen werden addiert, indem die entsprechenden Elemente addiert werden c ij := a ij + b ij für i = 1...5, j = Aufgabe 39: Schreiben Sie ein PASCAL - Programm, das die Koordinaten x und y zweier Punkte einliest, ihren Abstand ermittelt und anschließend das Ergebnis ausgibt. Finden und benutzen Sie geeignete Datenstrukturen und Unterprogramme! Hinweise: Der Abstand von zwei Punkten (X1,Y1); (X2,Y2) im kartesischen Koordinatensystem wird ermittelt, indem der Abstand aus den Differenzen in x- und y-richtung ermittelt wird: SQRT((X1-X2) 2 + (Y1-Y2) 2 ). Es gibt keine PASCAL-Funktion für die Berechnung von Quadraten. Die PASCAL-Funktion SQRT(x) liefert die Quadratwurzel aus x. Wiederholung (statische) Datenstrukturen Aufgabe 40: a)definieren Sie mit Hilfe der Programmiersprache PASCAL eine (statische) Datenstruktur zur Verwaltung von Informationen über Studenten. b)pro Student soll der Name und die Studiennummer erfasst werden. Welche Vor- und Nachteile ergeben sich bei der Verwendung dieser Datenstruktur? 12

13 Seminar: Grundlagen der Informatik Arbeitsblatt Verfolgen des Programmablaufs Kontext Zeile Hauptprogramm (Zeile 14-21) Referenzen Procedure Change(...) (Zeile 3-13) Übergabeparameter lokale Parameter a b c d e c u a b Initialisierung Procedure Change(...) Hauptprogramm Hauptprogramm