Grundkurs Informatik. ~ Springer Vieweg. Grundlagen und Konzepte für die erfolgreiche IT-Praxis - Eine umfassende, praxisorientierte Einführung

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1 Hartmut Ernst Jochen Schmidt Gerd Beneken Grundkurs Informatik Grundlagen und Konzepte für die erfolgreiche IT-Praxis - Eine umfassende, praxisorientierte Einführung 5., vollständig überarbeitete Auflage ~ Springer Vieweg

2 lnhaltsverzeich n is 1 Einführung 1.1 Was ist eigentlich Informatik? Zur Geschichte der Informatik l Frühe Zähl- und Rechensysteme Die Entwicklung von Rechenmaschinen Die Computer-Generationen 1.3 Prinzipieller Aufbau von Computern 1.3. l Analog- und Digitalrechner Das EVA-Prinzip l.3.3 Zentraleinheit und Busstruktur Systemkomponenten Zahlensysteme und binäre Arithmetik 1.4. l Darstellung von Zahlen Umwandlung von Zahlen in verschiedene Darstellungssysteme Binäre Arithmetik Gleitkommazahlen Literatur Nachricht und Information 2.1 Abgrenzung der Begriffe Nachricht und Information 2.2 Biologische Aspekte Sinnesorgane Datenverarbeitung im Gehirn Der genetische Code Diskretisierung von Nachrichten 2.3.l Abtastung Quantisierung Wahrscheinlichkeit und Kombinatorik 2.4. l 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 Literatur

3 X Inhaltsverzeichnis 3 Codierung Grundbegriffe Definition des Begriffs Codierung Mittlere Wortlänge und Code-Redundanz Beispiele für Codes Code-Erzeugung Codebäume Der Huffinan-Algorithmus Der Fano-Algorithmus Codesicherung Stellendistanz und Hamming-Distanz m-aus-n-codes Codes mit Paritätsbits Fehlertolerante Gray-Codes Definition linearer Codes Lineare Hamming-Codes Zyklische Codes und Code-Polynome CRC-Codes Sicherung nicht-binärer Codes Reed-Solomon Codes Datenkompression Vorbemerkungen und statistische Datenkompression Arithmetische Codierung Lauflängen-Codierung Differenz-Codierung Der LZW-Algorithmus Datenreduktion durch unitäre Transformationen (JPEG) Literatur Verschlüsselung 4.1 Klassische Verfahren l Substitutions-Chiffren Transpositions-Chiffren und Enigma Modeme symmetrische Verfahren DerData Encryption Standard (DES) Der Advanced Encryption Standard (AES) One-Time-Pads und Stromchiffren Modeme asymmetrische Verfahren Diffie-Hellman Schlüsselaustausch Der RSA-Algorithmus Digitale Unterschrift Literatur Computerhardware und Maschinensprache Digitale Grundschaltungen Stromkreise

4 lnhaltsverzeich n is xi Dioden, Transistoren und integrierte Schaltkreise Logische Gatter Boolesche Algebra und Schaltfunktionen 5.2. l Aussagenlogik Der boolesche Verband Das boolesche Normalform-Theorem Vereinfachen boolescher Ausdrücke 5.3 Schaltnetze und Schaltwerke Schaltnetze Spezielle Schaltnetze Schaltwerke Die Funktion einer CPU am Beispiel des M Die Anschlüsse der CPU M Der innere Aufbau der CPU M Befehlsformate und Befehlsausführung Adressierungsarten Maschinensprache und Assembler Einführung Der Befehlssatz des M Programmbeispiele. Literatur Rechnerarchitektur 6.1 Überblick Die von-neumann-architektur Komponenten eines von-neumann-rechners Operationsprinzip Befehlssatz Mikroprogramme und CISC Reduced Instruction Set Computer: RISC Abwärtskompatibilität Klassifikation nach Flynn Parallelität innerhalb einer Befehlssequenz Fließbandverarbeitung - Optimierte Befehlsausführung Superskalare Mikroprozessoren VLIW - Very Long lnstruction Word Parallelität in Daten nutzen: Vektorprozessoren und Vektorrechner 6. 7 Parallele Ausführung mehrerer Befehlssequenzen Simultanes Multi-Threading innerhalb einer CPU Multi-Core-CPU Multiprozessor-Systeme Multicomputer-Systeme 6.8 Speicherhierarchie Speichertechnologien: Register, Cache und Hauptspeicher Caching Memory Management Unit und virtueller Speicher

5 xii Inhaltsverzeichnis Festplatten Flash-Speicher und Solid State Disks 6.9 Ein- und Ausgabe Unterbrechungen (Interrupts) Direct Memory Access Verbindungsstrukturen Gemeinsamer Bus Zugriffsprotokolle für Busse und gemeinsame Speicher Punkt-Zu-Punkt Verbindungen Weitere Verbindungsstrukturen Allgemeine topologische Verbindungsstrukturen Mikrocontroller und Spezialprozessoren Mikrocontroller Digitale Signalprozessoren Grafikprozessoren Literatur Rechnernetze Das OSI-Schichtenmodell der Datenkommunikation Bitübertragungsschicht Technologien der Sicherungsschicht Netze im Nahbereich (PAN) Lokale Netze: LAN und WLAN Vorgriff: Leitungs- und Paketvermittlung Datenfernübertragung und der Zugang zum Internet Die Behandlung von Übertragungsfehlern Netzwerk- und Transportschicht: TCP/IP und das Internet Überblick über das Internet IP: Internet Protocol TCP: Transmission Control Protocol UDP: User Datagram Protocol Anwendungsschicht: Von DNS bis HTTP und URis DNS: Domain Name System IRC: Internet Relay Chat FTP: File Transfer Protocol SSH: secure shell und TELNET: teletype network HTTP: Hypertext Transfer Protocol URI: Uniform Resource Identifier Literatur Betriebssysteme 8.1 Überblick Aufgaben Betriebsarten Betriebssystem-Architekturen

6 Inhaltsverzeichnis xiii 8.3 Aufgaben eines Betriebssystems im Detail Prozessverwaltung Synchronisation Interprozess-Kommunikation Speicherverwaltung und virtueller Speicher Geräteverwaltung und -treiber Dateiverwaltung Benutzerschnittstelle: Shell und GUI l Kommandozeilen-Interpreter am Beispiel UNIX Besonderheiten am Beispiel der UNIX-Shell Grafische Benutzerschnittstelle Beispiele für Betriebssysteme Microsoft-Windows UNIX, LINUX und Android Betriebssystem-Virtualisierung Anwendungsbereiche Hypervisoren Virtuelle Maschinen Grundlegende Aktivitäten der Vutualisierung Literatur Datenbanken 9.1 Einführung und Definition Relationale Datenbankmanagement-Systeme Relationen Schlüssel Beziehungen (Relationships) Relationale Algebra Die Datenbanksprache SQL SQL als deklarative Sprache Definition des Datenbankschemas Einfügen, Ändern und Löschen von Daten Suchen mit SELECT Programmiersprachen und SQL NoSQL Transaktionen, OLTP und ACID OLAP, Data Warehousing und Data-Mining Semi-Strukturierte Daten mit XML l Der Autbau von XML-Dokumenten Wohlgeformtheit und Validität XML-Schema XPath XSL: Extended Style Sheet Language.. Literatur

7 xiv Inhaltsverzeichnis 10 Automatentheorie und formale Sprachen Grundbegriffe der Automatentheorie Definition von Automaten Darstellung von Automaten Die akzeptierte Sprache von Automaten Kellerautomaten Turing-Maschinen Einführung in die Theorie der formalen Sprachen Definition von formalen Sprachen Die Chomsky-Hierarchie Das Pumping-Theorem Die Analyse von Wörtern Compiler Literatur Algorithmen - Berechenbarkeit und Komplexität Berechenbarkeit Entscheidungsproblem und Church-Turing These Das Halteproblem Satz von Rice und weitere unentscheidbare Probleme LOOP-, WHILE- und GOTO-Berechenbarkeit I.5 Primitiv rekursive und µ-rekursive Funktionen Komplexität Die Ordnung der Komplexität: 0-Notation Analyse von Algorithmen Die Komplexitätsklassen P und NP NP-vollständige Probleme Weitere Komplexitätsklassen Probabilistische Algorithmen Pseudo-Zufallszahlen Monte-Carlo-Methoden Probabilistischer Primzahltest Rekursion Definition und einführende Beispiele Rekursive Programmierung und Iteration Backtracking Literatur Suchen und Sortieren 12.1 Einfache Suchverfahren Sequentielle Suche Binäre Suche Interpolationssuche Radix-Suche Suchen von Mustern in Zeichenketten Musterabgleich durch sequentielles Vergleichen

8 Inhaltsverzeichnis XV Musterabgleich durch Automaten Die Verfahren von Boyer-Moore und Knuth-Morris-Pratt Ähnlichkeit von Mustern und Levenshtein-Distanz 12.3 Gestreute Speicherung (Hashing) Hash-Funktionen Kollisionsbehandlung Komplexitätsberechnung Direkte Sortierverfahren Vorbemerkungen Sortieren durch direktes Einfügen (Insertion Sott) Sortieren durch direktes Auswählen (Selection Sott) Sortieren durch direktes Austauschen (Bubblesott) 12.5 Höhere Sortierverfahren Shellsort Quicksort Vergleich der Sortierverfahren 12.6 Sortieren externer Dateien Grundprinzipien des sequentiellen Datenzugriffs Sequentielle Speicherorganisation Direktes Mischen (Direct Merge, Mergesort) Natürliches Mischen (Natural Merge) n-band-mischen. Literatur Bäume und Graphen 13.1 Binärbäume Definitionen Speichern und Durchsuchen von Binärbäumen Binäre Suchbäume Ausgleichen von Bäumen und AVL-Bäume Heaps und Heapsott Vielwegbäume Rückführung auf Binärbäume Definition von (a,b)-bäumen und B-Bäumen Operationen auf B-Bäumen Graphen Definitionen und einführende Beispiele Speicherung von Graphen Suchen, Einfügen und Löschen von Knoten und Kanten Durchsuchen von Graphen Halbordnung und topologisches Sortieren Minimal spannende Bäume Union-Find Algorithmen. Literatur

9 xvi Inhaltsverzeichnis 14 Höhere Programmiersprachen und C Zur Struktur höherer Programmiersprachen Überblick über höhere Programmiersprachen Ebenen des Informationsbegriffs in Programmiersprachen Systeme und Strukturen Methoden der Syntaxbeschreibung Die Backus-Naur Form Syntaxgraphen Eine einfache Sprache als Beispiel: C Einführung in die Programmiersprache C Der Aufbau von C-Programmen Einfache Datentypen Strukturierte Standard-Datentypen Operatoren und Ausdrücke Anweisungen Funktionen Ein- und Ausgabefunktionen Verarbeitung von Zeichenketten Das Zeigerkonzept in C Sequentielle Datenstrukturen mit C Vorbemerkungen zu Algorithmen und Datenstrukturen Lineare Listen Stapel und Schlangen Literatur Objektorientierte Programmiersprachen und Java Entstehung objektorientierter Sprachen Einführung in die Programmiersprache Java Grundlegender Aufbau eines Java-Programms Syntax ähnlich wie in C Datentypen und Variablen: Statische Typisierung Klassen und Objekte Attribute und Methoden Statische Attribute und Methoden Pakete (Packages) Kapselung und Geheimnisprinzip Vererbung und Polymorphie Fortgeschrittene Java-Themen Generische Klassen, Behälter und Algorithmen Ausnahmen und Fehlerbehandlung Annotationen und Reflection Testgetriebene Entwicklung mit Java Threads, Streams und parallele Verarbeitung Lambda-Ausdrücke und funktionale Programmierung Das Java-Ökosystem Literatur

10 Inhaltsverzeichnis xvii 16 Anwendungsprogrammierung Im Internet l Client-Server-Systeme Grundlegende Technologien HTML DOM: Domain Object Model CSS: Cascading Style Sheets Webanwendungen HTML Formulare Auswertung von Formularen Javascript Grundlegende Eigenschaften Funktionen Objekte und Prototypen JSON: Javascript Object Notation Javascript und DOM Ereignisgesteuerte Programmierung mit JavaScript AJAX: Asynchronous JavaScript And XML Serverseitige Skripte mit PHP Grundlegende Eigenschaften Arrays Funktionen Objektorientierte Programmierung in PHP Datenilbergabe von HTML-Formularen an PHP-Skripte Sitzungsdaten: Session und Cookie Datei- und Datenbankzugriff mit PHP Literatur Software-Engineering Überblick l Was ist Software? Was bedeutet Engineering? Warum ist Software-Engineering schwierig? Tätigkeiten im Software-Lebenszyklus Anforderungsanalyse und Spezifikation Architekturentwurf Implementierung Test und Integration Inbetriebnahme Wartung und Weiterentwicklung Querschnittsdisziplinen Projektmanagement Qualitätsmanagement Konfigurationsmanagement Vorgehensmodelle Basismodelle V-Modell XT als plangetriebenes Vorgehensmodell

11 xviii Inhaltsverzeichnis Serum als agiles Vorgehensmodell (-Framework) Modelle im Software-Engineering Vom Problem zur Lösung Die Unified Modeling Language Ausgewählte Diagramme der UML im Detail Hilfsmittel für den Entwurf von Algorithmen Pseudocode Flussdiagramme Struktogramme nach Nassi-Shneiderman Entscheidungstabellen Literatur Index 785