Leitfaden der Informatik W. Merzenich/H. C. Zeidler Informatik fur Ingenieure

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1 Leitfaden der Informatik W. Merzenich/H. C. Zeidler Informatik fur Ingenieure

2 Leitfiiden der Informatik Herausgegeben von Prof. Dr. Hans-Jurgen Appelrath, Oldenburg Prof. Dr. Volker Claus, Stuttgart Prof. Dr. Gunter Hotz, Saarbrucken Prof. Dr. Lutz Richter, Zurich Prof. Dr. Wolffried Stucky, Karlsruhe Prof. Dr. Klaus Waldschmidt, Frankfurt Die LeiWiden der Informatik behandeln - Themen aus der Theoretischen, Praktischen und Technischen Informatik entsprechend dem aktuellen Stand der Wissenschaft in einer systematischen und fundierten Darstellung des jeweiligen Gebietes. - Methoden und Ergebnisse der Informatik, aufgearbeitet und dargestellt aus Sicht der Anwendungen in einer flir Anwender verstandlichen, exakten und prazisen Form. Die Bande der Reihe wenden sich zum einen als Grundlage und Erganzung zu Vorlesungen der Informatik an Studierende und Lehrende in Informatik-Stu~iengangen an Hochschulen, zum anderen an "Praktiker", die sich einen Uberblick uber die Anwendungen der Informatik(-Methoden) verschaffen wollen; sie dienen aber auch in Wirtschaft, Industrie und Verwaltung tatigen Informatikern und Informatikerinnen zur Fortbildung in praxisrelevanten Fragestellungen ihres Faches.

3 Informatik fiir Ingenieure Eine Einftihrung Von Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Merzenich U niversitat -Gesamthochschule Siegen und Prof. Dr.-Ing. Hans Christoph Zeidler Universitat der Bundeswehr Hamburg B. G. Teubner Stuttgart 1997

4 Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Merzenich Geboren 1942 in Angermiinde/Oder. Von 1967 bis 1971 Studium der Mathematik und Informatik an den Universitaten GieBen und Bonn. Von 1971 bis 1973 wiss. Angestellter bei der GMD am Institut fur Automatentheorie und Schaltwerke. Promotion 1973 bei Prof. Bohling. Von 1973 bis 1979 wiss. Mitarbeiter in der Abteilung fur Informatik an der Universitat Dortmund bei Prof. Reusch. Habilitation 1979 und bis 1986 Privatdozent in Dortmund. Von 1986 bis 1989 Leiter einer Abteilung fur Softwareentwicklung fur industrielle MeBtechnik. Seit 1989 Professur fur Programmiersprachen an der Universitat-Gesamthochschule Siegen. Prof. Dr.-Ing. Hans Christoph Zeidler Geboren 1944 in Wiirzburg. Von 1966 bis 1971 Studium der ElektrotechniklNachrichtentechnik an der Technischen Universitat Braunschweig. Von 1971 bis 1980 wiss. Mitarbeiter, ab 1980 Oberingenieur am Institut fur Datenverarbeitungsanlagen der TU Braunschweig. Promotion 1979 bei Prof. H.-O. Leilich. Habilitation 1987 und bis 1990 Privatdozent in Braunschweig. Seit 1990 Professur fur Technische Informatik im Fachbereich Elektrotechnik der Universitat der Bundeswehr Hamburg. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Merzenich, Wolfgang: Informatik fur Ingenieure ; eine EinfUhrung / von Wolfgang Merzenich und Christoph Zeidler. - Stuttgart: Teubner, 1997 (Leitfiiden der Informatik) Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Veri ages unzuliissig und strafbar. Das gilt besonders fiir Vervielfiiltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. B. G. Teubner Stuttgart 1997 Gesamtherstellung: Zechnersche Buchdruckerei GmbH, Speyer Einband: Peter Pfitz, Stuttgart ISBN ISBN (ebook) DOI /

5 Vorwort Die Informatik hat sich in der kurzen Zeit ihres Bestehens zu einer selbstandigen Ingenieurdisziplin entwickelt und die Kenntnis Uber ihre Grundlagen sind heute fur jeden Studenten einer technischen Fachrichtung unverzichtbar geworden. Das schlagt sich auch in den Vorschlagen der verschiedenen Fakultatentage zum Curriculum der unterschiedlichen Studiengange nieder. Mittlerweile hat sich uberall eine "Informatik fur Ingenieure" als fester Bestandteil des Grundlagenstudiums an Technischen Hochschulen und Universitaten durchgesetzt; mit Blick auf die uberfrachteten Lehrplane wird lediglich noch die zu veranschlagende Stundenzahl diskutiert. Obwohl es flir Teilbereiche der Informatik ein nur noch schwer Uberschaubares Angebot an einfuhrender Literatur gibt, das laufend erganzt wird, haben wir uns dennoch der MUhe unterzogen, flir den gesamten Kurs "Informatik fur Ingenieure" besonders unter dem Aspekt der Grundausbildung eine aktuelle und zusammenfassende Ubersicht in einem Buch zusammenzustellen. Wir verstehen darunter die Einheit von algorithmischen Strukturen und der AlgorithmenausfUhrung, d.h. eine Kombination aus den Kerngebieten der Informatik, welche die Theorie und die HintergrUnde zur Software und Hardware umfassen. Die Motivation zu unserem EntschluB beruhte letztlich auf den eigenen Lehr- und Ubungserfahrungen, die wir aus unserer Arbeit an der Universitat Siegen bzw. der Universitat der Bundeswehr Hamburg und den dort angebotenen Grundvorlesungen ableiten. Der stoffliche Aufbau des Buches zielt zunachst auf die Vermittlung der wesent lichen mathematischen Grundbegriffe und der Modelle der Informatik, denen nach einer allgemeinen EinfUhrung und Standortbestimmung zwei Kapitel des Buches gewidmet sind. Es folgt - unabhangig von einer konkreten Programmiersprache, aber mit gezielten Hinweisen auf einzelne Implementierungen - ein Kapitel Uber die Programmierung, das mit den Elementen der objektorientierten Programmierung schliebt. Das Kapitel Uber Algorithmen und Datenstrukturen rundet das Gebiet der theoretischen und in Teilen der praktischen Informatik abo Es folgen nach einem Einschub Uber Zahlen

6 vi und Zeichen Kapitel, die auszugsweise den Bereich der technischen Informatik abdecken. Dabei soli nach den logischen Schaltungen und den F\mktionseinheiten das Verstandnis fur die Vorgange soweit herausgebildet sein, dab das Wesen des Digitalrechners und der interne Verarbeitungsablauf in seinen Grundzugen erfabt werden kann. Das letzte Kapitel des Buches befabt sich in mehr zusammenfassender Form mit der Systemsoftware und rundet damit den Stoff inhaltlich abo Die einzelnen Kapitel des Buches sind streng aufeinander aufgebaut. Besonderer Wert wurde auf die Grundlagen, insbesondere aus dem benachbarten Gebiet der Mathematik, gelegt. Die mathematischen Grundbegriffe und Methoden werden oft als eine grobe Hurde angesehen, die man lieber zu umgehen versucht. Wir sind aber der Auffassung, dab die Fahigkeit zur Abstraktion und formalen Modellbildung fur den Ingenieurberuf und insbesondere im Bereich der Informatik von sehr grober Bedeutung ist. Aus diesem Grund konnten wir dem Leser diese Anstrengung nicht ersparen. Der Stoff ist nicht schwer, sondern eher ungewohnt. Durch viele Beispie Ie und ausfuhrliche Erklarungen haben wir versucht, die Anstrengung zu mildern. 1m Vordergrund steht ansonsten der umfassende Uberblick, in den einzelne Ausfluge in die Tiefe eingebettet sind. Insofern wurde der allgemeine Vertiefungsgrad auf das fur das Verstandnis notwendige MaB beschrankt. Die Fachsprache der Informatik umfabt sehr viele Begriffe aus der englischen Sprache. So entsteht teilweise eine Mischung aus deutschen und englischen Vokabeln. Zum besseren Verstandnis haben wir an vielen Stellen hinter den deutschen Begriffen in Klammern die entsprechenden englischen Bezeichnungen aufgefuhrt. Bei denjenigen Begriffen, die gar nicht oder nur unglucklich ins Deutsche ubersetzt sind, haben wir von der deutschen Form abgesehen (z. B. Hardware). AbschlieBend wollen wir all denen danken, die zum Teil intensiv dazu beigetragen haben, dab das Buch in der vorliegenden Form uberhaupt zustande kam. Dazu geh6ren vor ahem die "hilfreichen Geister" in Siegen und Hamburg. In Siegen hat Herr Dipl.-Math. F. Katritzke die Verantwortung fur die gesamte 'IEXnik getragen. Er und Herr Dipl.-Ing. A. Schrader haben den Text grundlich gelesen und wert volle Anregungen gegeben. In Hamburg erwarb sich vor allem Frau H. Bartels grobe Verdienste urn die Reinschrift und Herr Eckermann ubernahm die muhevolle Arbeit der Zeichnungen. Dazu ruhte uber allen Aktivitaten das wachs arne Auge von Herrn Dipl.-Ing.

7 vii J.-P. Akelbein, der auch die vielen anfallenden technischen Kleinigkeiten erledigte und jederzeit ein hilfsbereiter Diskussionspartner war. Unser Dank gebuhrt aber auch den Herren Prof. Claus und Prof. Waldschmidt. Beide unterzogen sich der Muhe der Begutachtung unserer Vorschlage und Texte. Nicht zuletzt gilt unser Dank auch Herrn Dr. Spuhler yom Teubner-Verlag fur die verstandnisvolle und unaufdringliche Begleitung unserer Arbeit. Einen ganz besonderen Dank schulden wir aber unseren Ehefrauen, die fur unser Treiben in den vergangenen beiden Jahren immer geduldiges Verstandnis aufgebracht haben. Siegen und Hamburg, im Juli 1997 W. Merzenich und H. Ch. Zeidler

8 Inhaltsverzeichnis Einleitung Ziele dieses Buches.... Bedeutung der Informatik fur Ingenieure.. Historische Entwicklung.... Die technische Entwicklung Die logische Entwicklung Algorithmus, Programm und Datenstruktur Abstraktion Mathematische Grundbegriffe Aussagen und Pradikate... Aussagen.. Pradikate.. Mengen... Der Begriff der Menge.. Die naturlichen Zahlen als abstrakter Datentyp Konstruktion von Mengen Relationen und Abbildungen Relationen Abbildungen. 2.4 Information

9 Inhaltsverzeichnis IX Modelle der Informatik Rechenstrukturen Algebren... Mehrsortige Algebren. Graphen.... Automaten und Grammatiken Automaten.. Grammatiken Programmierung Syntax und Semantik von Programmiersprachen. Syntaxregeln Elementare Datentypen und Kontrollstrukturen Elementare Datentypen und Ausdriicke. Programmvariablen und Wertzuweisung. Anweisungen und Kontrollstrukturen.. Strukturierte Datentypen und Ein-/ Ausgabe Aufzahlungstyp Array und String Records.. Varianten. Ein-/ Ausgabe und Dateien Funktionen, Prozeduren und Rekursion Prozedurale Abstraktion Funktionstypen..... Blockstruktur und Giiltigkeitsbereiche Parameteriibergabe.... Rekursion.... Dynamische Datentypen und Zeiger. Modularisierung.... Elemente der Objektorientierten Programmierung

10 x Inhaltsverzeichnis Klassen und Objekte... N achrichten und Methoden.. Vererbung und Polymorphie Algorithmen und Datenstrukturen Effizienz von Algorithmen.... Grundlegende Datenstrukturen, Suchen und Sortieren... Listen Stacks und Queues Baume.... Suchen und Sortieren.. Sortieren Suchen. Ein Graphenproblem... Praktisch unlosbare Probleme Zahlen und Zeichen Zahlensysteme... Dualsystem.... Oktalsystem.... Hexadezimalsystem. Zahlenkonvertierung. Rechnen im Zielsystem. Rechnen im Quellsystem Rechnen im Dualsystem Addition und Multiplikation Darstellung negativer Zahlen und Subtraktion Codes und Codierung BCD-Zahlen EBCDI-Code ASCII-Code

11 Inhaltsverzeichnis xi 6.5 Zahlendarstellung im Rechner Ganze Zahlen Gleitkommazahlen Verarbeitung von Gleitkommazahlen Logische Schaltungen 7.1 Schaltnetze Definition eines Schaltnetzes Beschreibungsformen Logische Funktion und Schaltalgebra Logische Funktionen von einer Variablen Logische Funktionen von mehreren Variablen. Rechenregeln der Schaltalgebra.... Darstellung von logischen Funktionen durch normierte Aus drticke Disjunktive Normalform (DNF) Konjunktive Normalform (KNF) Entwicklungssatz nach Shannon Minimierung Praktische Betrachtungen zum Schaltungsentwurf Die logischen Grundfunktionen und Normalformen mit NANDund NOR-Schaltungen Mehrstufigkeit Vermaschungen Erganzende Hinweise zur elektronischen Realisierung Beispiele ftir Standard-Schaltnetze Halb- und Volladdierer Codewandler MUltiplexer und Demultiplexer Schaltwerke Definition Flip lops..489

12 xii Inhaltsverzeichnis Funktionseinheiten Speicher und Register. Register.... Schreib-/Lesespeicher (RAM) Festwertspeicher (ROM) Zahler.... Binarzahler.... Weitere Bauformen Rechenwerke.. Addierwerk... Multiplizierwerk. Arithmetisch/Logische Verarbeitungseinheit Steuerwer k Beispiel Multiplizierwerk... Steuerwerk zum Multiplizierwerk Digitalrechner Beispiel Personal Computer Universalrechner.... Grundstruktur und Operationsprinzip. Struktur von Maschinenbefehlen.... Befehle zur Datenmanipulation... Befehle zur Steuerung des Programmablaufs Ablaufsteuerung... Ein-/ A usgabegerate. Systemeinbindung. Datensichtgerate. Drucker.... Massenspeicher Realisierung von Rechnern Einzelsysteme Rechnernetze

13 Inhaltsverzeichnis Xlll 10 Systemsoftware Dienstprogramme Compiler und Interpreter Assembler Hilfsmittel zur Programmerstellung Betriebssystem Einsatz und Klassifizierung Prozesse Speicherverwaltung Dateisystem. 625 Literatur 637 Index 644