Grundlagen der Informatik

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1 Grundlagen der Informatik Dipl.-Inf., Dipl.-Ing. (FH) Michael Wilhelm Hochschule Harz FB Automatisierung und Informatik Raum Tel / FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 1

2 Inhalt 1. Einführung, Literatur, Begriffe 2. Zahlensysteme 3. Rechnen in den Zahlensystemen 4. Rechneraufbau 5. Nichtnumerische Informationen FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 2

3 Literatur Grundlagen und Konzepte der Informatik, Pearson Studium 2007 Helmut Herold (Autor), Bruno Lurz (Autor), Jürgen Wohlrab (Autor), ISBN-10: ISBN-13: Gumm, H.P.; Sommer, M.: Einführung in die Informatik, 8. Auflage, Oldenbourg 2008 FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 3

4 Literatur Ältere: Rechenberg, P.: Was ist Informatik Eine allgemeinverständliche Einführung, 2. Auflage, Hanser, 1994 Goos, G.: Vorlesungen über Informatik, Band 1+3, 2. Auflage, Springer 1997 Hanser: Wirtschaftsinformatik, 1997 Kröger, F.: Einführung in die Informatik, Springer, FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 4

5 Vorlesung Vorlesung per Powerpoint Beispiele an der Tafel Beispiele auf der Homepage Musterklausur am Ende der Vorlesung, Ende Dezember FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 5

6 Grundbegriffe Informatik ist die Wissenschaft von der systematischen Verarbeitung von Informationen mit Hilfe von Computern (H.J.Schneider). Und: Informatik ist eine durch Wissenschaft unterfütterte Technik (J. Ludewig). Amerikanischer Sprachgebrauch: computer science / computing science FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 6

7 Grundbegriffe Informatik ist eine Ingenieurwissenschaft. Ihr Ziel ist die Konstruktion nutzbringender, künstlicher Systeme zur Verarbeitung von Informationen unter Anwendung der sozialen Verantwortung der Informatiker. Informatik befasst sich mit: allgemeingültigen Regeln (Naturgesetzen und durch menschliche Eigenschaften begründete Vorgehensweisen), Strukturen von Informationen, Strukturen ihrer Verarbeitung und deren Systemen, Aufbau und Entwicklung von Rechnersystemen und Systemsoftware, sowie der ingenieurmäßigen Entwicklung von Software-Systemen in verschiedenen Anwendungsgebieten. FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 7

8 Grundbegriffe Technische Informatik Elektrotechnik Theoretische Informatik Mathematik Praktische Informatik /Angewandte Informatik Betriebswirtschaft CAx FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 8

9 Vier Teile der Informatik Technische Informatik Praktische Informatik Hardwarekomponenten Schaltnetze Schaltwerke Prozessoren Mikroprogrammierung Rechnerorganisation Rechnerarchitektur Schnittstellentechnik Rechnernetze Algorithmen Datenstrukturen Programmiermethoden Programmiersprachen Compiler Betriebssysteme Softwaretechnik Mensch-Maschine-Kommunikation FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 9

10 Informatik Angewandte Informatik Theoretische Informatik Automatentheorie Theorie der formalen Sprache Theorie der Berechenbarkeit Komplexitätstheorie Algorithmen-Analyse Theorie der Programmierung Automatische Programmsynthese Formale Semantik Informationssysteme Computergrafik Künstliche Intelligenz Digitale Signalverarbeitung Simulation und Modellierung Textverarbeitung und Büro- Automation Spezifische Anwendungen in Wirtschaft, Verwaltung Ingenieurwissenschaften Naturwissenschaften Medizin, Kunst Sozialwissenschaften Biologie FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 10

11 Informatikstudiengänge an der HS Harz Automatisierungstechnik und Ingenieurinformatik (ATI) Dualer Studiengang, ATI Informatik Informatik / E-Administration (PSC) Medieninformatik Wirtschaftsinformatik (Wirtschaftsinformatik, Wirtschaftswissenschaften) Wirtschaftsingenieurwesen Erneuerbare Energien Automatisierungstechnik Internationales Wirtschaftsingenieurwesen/ Automatisierungstechnik Informatik im Netz Master: Informatik / Mobile Systeme E-Government (FB VW) FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 11

12 Umfassendes Rechnerkonzept Server Internet Lokale PC Netzwerk Lokale PC, HS-Harz FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 12

13 Hardware Technologien für dieses Konzept Elektronik (Netzteile) Elektrotechnik (CPU) Chip-Herstellung Rechner-Architektur Netzwerk: Netzwerkkarte, ISDN-Karte, Modem, DSL Serielle, Parallele, USB-Schnittstelle Leitungen verknüpfen (elektrisch, optisch) Geräte (Festplatten, Speicher, Monitore etc.) externe Geräte (Temperaturfühler, Drucksensoren etc.) FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 13

14 Software Technologien für dieses Konzept Schaltalgebra Programmiersprachen (Assembler, Java, C, C++) Datenbank (Oracle, DB2, Firebird, Informix, mysql) Algorithmen, Automatentheorie, Formale Sprachen, Komplexität BIOS Betriebssystem HTML-Protokolle (sieben OSI-Schichten) HTML, PHP, Java-Service-Pages, Servlets, Ajax Sicherheit, Verschlüsselungen Software-Engineering, Software-Architektur FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 14

15 Entwicklung der Informatik Die Informatik ist nur verständlich aus ihrer Geschichte heraus. Dabei zeigt sich, daß die Wurzeln der Entwicklung sehr viel weiter zurückreichen als die Erfindung des heutigen Computers. Historische Wurzeln Sowohl Hilfsmittel zum Rechnen als auch geschickte, systematische Vorgehensweisen dazu sind schon sehr lange bekannt v. Chr. Gebrauch von Rechenbrettern (Abakus) in Ägypten. 300 v. Chr. Der griechische Mathematiker Euklid schreibt sein Buch Elemente mit vielen mathematischen Verfahren. Auf ihn geht der Euklidsche Algorithmus zurück. FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 15

16 Historische Wurzeln 2 etwa 500 n. Chr. In Indien wird das Dezimalsystem erfunden. etwa 820 n. Chr. Al-Chowarizmi, persischer Mathematiker und Astronom, schreibt ein Buch über Algebra. Auf dessen Titel geht das Wort Algebra, auf seinen Namen das Wort Algorithmus zurück Adam Riese veröffentlicht ein Rechenbuch auf der Grundlage des Dezimalsystems, welches sich ab jetzt in Europa durchsetzt Wilhelm Schickard, Mathematiker und Astronom in Tübingen, Freund von Johannes Keppler, baut die erste bekannte Rechenmaschine. Sie ist zahnradgesteuert und besitzt eine 6stellige Darstellung. FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 16

17 Historische Wurzeln Blaise Pascal, Philosoph, Mathematiker und Physiker in Paris, konstruiert die erste noch erhaltene Rechenmaschine für 6stellige Addition Gottfried Wilhelm von Leibniz, Philosoph, Mathematiker und Jurist, konstruiert, inspiriert von Pascal, eine Rechenmaschine, die auch multiplizieren und dividieren kann. Er erfindet dazu die Technik des Gleitschlittens und der Staffelwalze Charles Babbage, englischer Mathematiker, Techniker und Organisator, stellt nach 2jähriger Entwicklungszeit ein arbeitsfähiges Modell einer Difference Engine vor, eine 3stufige, 6stellige Addiermaschine, mit der nach dem Prinzip der endlichen Differenzen Tafeln von Funktionswerten berechnet werden können. FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 17

18 Historische Wurzeln Hermann Hollerith, amerikanischer Berkwerksingenieur, Erfinder und Unternehmer, konstruiert eine Lochkartenmaschine zur Auswertung der 11. amerikanischen Volkszählung. Waren 1880 bei der 10. Volkszählung noch 550 Helfer über 7 Jahre mit der Auswertung beschäftigt, so genügten Zählmaschinen mit je einem Helfer über einen Zeitraum von knapp 4 Wochen Hollerith gründet die Firma Tabulating Machine Company Die Firma Hollerith s wird verkauft und zum Vorläufer der International Business Machines Corporation (IBM) FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 18

19 Die technologische Entwicklung Unmittelbar im Anschluß an die theoretischen Entwicklungen begann die Entwicklung und Inbetriebnahme der voll funktionsfähigen, programmierbaren, universellen Rechenmaschinen, der Computer im heutigen Sprachgebrauch Konrad Zuse, Bauingenieur, Erfinder und Unternehmer, stellt einen mechanischen Rechner mit Binärtechnik fertig, die Z Es folgt die Z2 mit elektromechanischem Rechenwerk mit ca. 200 Relais Zuses Z3 wird fertiggestellt, die erste voll arbeitsfähige, programmgesteuerte Rechenmaschine. Sie wird in der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrttechnik (DFRVLR) eingesetzt. Das Original der Z3 verbrannte 1944 in Berlin. Ein Nachbau steht im Deutschen Museum in München. FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 19

20 Die technologische Entwicklung Howard Hathaway Aiken, amerikanischer Mathematiker, baute mit der Unterstützung von IBM den Großrechner Mark I 1945 Konrad Zuse baut die Z4, die bis 1959 in Betrieb ist John von Neumann, ungarisch-amerikanischer Mathematiker, entwickelt ein grundsätzliches Konzept für programmierbare Rechner, welches bis heute ein tragendes Konzept geblieben ist. FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 20

21 Die technologische Entwicklung 3 Die weitere Entwicklung ist durch gewaltige technische Verbesserungen und folgenschwere Erfindungen im Bereich der Programmierung gekennzeichnet Die Elektronenröhre wird durch den Transistor abgelöst. Dies führt zur 2. Computergeneration mit kleineren und schnelleren Rechnern. Taktzeiten von 1 bis 10 µs werden realisiert. Die Speichergröße steigt in den Bereich einiger Tausend Bits Mit FORTRAN beginnt die Verbreitung der höheren Programmiersprachen. Es folgen ALGOL und COBOL. FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 21

22 Die technologische Entwicklung Die Miniaturisierung der Transistor führt zur 3. Computergeneration SSI: small scale integration - bis 50 Transistoren pro Chip. MSI: medium scale integration - 50 bis 500 Transistoren pro Chip. Es wird eine Taktzeit von 0,1 bis 1 µs erreicht Die Entwicklung von BASIC eröffnet für Laien den Zugang zur Programmierung. Es entwickeln sich Techniken des Compilerbaus und der Betriebssysteme. FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 22

23 Die technologische Entwicklung Es entstehen hochintegrierte Halbleiterschaltungen. Sie bilden die Grundlage der 4. Computergeneration. LSI: large scale integration bis 2500 Transistoren pro Chip. VLSI:very large scale integration - über 2500 Transistoren pro Chip. Die Taktzeit unterschreitet 50 ns. Die Entwicklung der Maus von D. Engelbart, Vorarbeiten zum Internet (ArpaNet) Hochintegrierte Schaltkreise treiben die Miniaturisierung weiter. Es entstehen die Mikroprozessoren, die das gesamte Rechenwerk auf einem Chip enthalten (1973: INTEL 8080). - Programmierbare Taschenrechner (TI, HP), IBM-Mikrocomputer mit Basic/APL- Sprachen, Apple-Computer - TeX setzt sich als public domain Software für Dokumentenverarbeitung durch FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 23

24 Die technologische Entwicklung 6 nach weitere Steigerung: Verarbeitungsgeschwindigkeit. - Verringerung der räumlichen Abmessungen ULSI: ultra large scale integration. Verbilligung und Massenproduktion. - Betriebssystem UNIX verbreitet sich stärker (mit Quellcode, u.a. durch AT&T) - IBM-PC ( 81) mit Betriebssystem MS-DOS von Microsoft - Pixelverfahren, WIMPS, Xerox Star und Lisa. - Hypertext und Hypermedien. - Weltweite Vernetzung der Computer Internet auf TCP/IP-Protokollbasis bietet die Dienste ftp, und news. - Fa. CISCO verkauft erste Netzwerk-Produkte. - Dos, Windows, Apple, Unix FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 24

25 Die technologische Entwicklung 7 nach Hyptertext Markup Language (HTML) und Hypertext-Transfer Protocol (HTTP); - WWW-Consortium (CERN/M.I.T.) und Start der Fa. Netscape (1994/95), Explosion der Internetnutzung - IT-Sicherheit wird kommerziell/rechtlich immer wichtiger (D/I: 1. Signaturgesetze in EU), Chipkarten/ Firewalls/Virenscanner als Sicherheits-produkte /2000: erste geprüfte/zugelassene Trust-center nach Signaturgesetz in D; EU- Richtlinien f. E-Signaturen. - Grafisches Web-Browser (Netscape, IE, Firefox, Opera, Safari, Chrome vs. Lynx) - Entwicklung größer Web-Anwendungen (E-Bay etc.) - Web 2,0 - Google - IPhone, IPad FB Automatisierung und Informatik: Grundlagen der Informatik 25