Inhaltsverzeichnis. Ernst, Hartmut Grundkurs Informatik digitalisiert durch: IDS Basel Bern

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1 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Was ist eigentlich Informatik? Zur Geschichte der Informatik Frühe Zähl-und Rechensysteme Die Entwicklung von Rechenmaschinen Die Computer-Generationen Prinzipieller Aufbau von Computern Analog-und Digitalrechner Das EVA-Prinzip Zentraleinheit und Busstruktur Systemkomponenten Zahlensysteme und binäre Arithmetik Darstellung von Zahlen Umwandlung von Zahlen in verschiedene Darstellungssysteme Binäre Arithmetik Gleitkommazahlen 30 Literatur 35 2 Nachricht und Information Abgrenzung der Begriffe Nachricht und Information Biologische Aspekte Sinnesorgane Datenverarbeitung im Gehirn Der genetische Code Diskretisierung von Nachrichten Abtastung Quantisierung Wahrscheinlichkeit und Kombinatorik 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 64 Literatur 68 Ernst, Hartmut Grundkurs Informatik 2013 digitalisiert durch: IDS Basel Bern

2 x Inhaltsverzeichnis 3 Codierung Grundbegriffe Definition des Begriffs Codierung Mittlere Wortlänge und Code-Redundanz Beispiele für Codes Code-Erzeugung Codebäume Der Huffman-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) 128 Literatur Verschlüsselung Klassische Verfahren Substitutions-Chiffren Transpositions-Chiffren und Enigma Moderne symmetrische Verfahren Der Data Encryption Standard (DES) Der Advanced Encryption Standard (AES) One-Time-Pads und Stromchiffren Moderne asymmetrische Verfahren Diffie-Hellman Schlüsselaustausch Der RSA-Algorithmus Digitale Unterschrift 165 Literatur Computerhardware und Maschinensprache Digitale Grundschaltungen Stromkreise 169

3 Inhaltsverzeichnis xi Dioden, Transistoren und integrierte Schaltkreise Logische Gatter Boolesche Algebra und Schaltfunktionen Aussagenlogik Der boolesche Verband Das boolesche Normalform-Theorem Vereinfachen boolescher Ausdrücke 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 223 Literatur Rechnerarchitektur 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 Instruction Word Parallelität in Daten nutzen: Vektorprozessoren und Vektorrechner Parallele Ausführung mehrerer Befehlssequenzen Simultanes Multi-Threading innerhalb einer CPU Multi-Core-CPU Multiprozessor-Systeme Multicomputer-Systeme Speicherhierarchie Speichertechnologien: Register, Cache und Hauptspeicher Caching Memory Management Unit und virtueller Speicher 249

4 xii Inhaltsverzeichnis Festplatten Flash-Speicher und Solid State Disks 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 260 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 URL Uniform Resource Identifier 298 Literatur Betriebssysteme Überblick Aufgaben Betriebsarten Betriebssystem-Architekturen 305

5 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 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 Virtualisierung 334 Literatur Datenbanken 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 Der Aufbau von XML-Dokumenten Wohlgeformtheit und Validität XML-Schema XPath XSL: Extended Style Sheet Language 366 Literatur 369

6 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 408 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 Primitiv rekursive und ju-rekursive Funktionen Komplexität Die Ordnung der Komplexität: ^-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 464 Literatur Suchen und Sortieren Einfache Suchverfahren Sequentielle Suche Binäre Suche Interpolationssuche Radix-Suche Suchen von Mustern in Zeichenketten Musterabgleich durch sequentielles Vergleichen 474

7 Inhaltsverzeichnis xv Musterabgleich durch Automaten Die Verfahren von Boyer-Moore und Knuth-Morris-Pratt Ähnlichkeit von Mustern und Levenshtein-Distanz Gestreute Speicherung (Hashing) Hash-Funktionen Kollisionsbehandlung Komplexitätsberechnung Direkte Sortierverfahren Vorbemerkungen Sortieren durch direktes Einfügen (Insertion Sort) Sortieren durch direktes Auswählen (Selection Sort) Sortieren durch direktes Austauschen (Bubblesort) Höhere Sortierverfahren Shellsort Quicksort Vergleich der Sortierverfahren Sortieren externer Dateien Grundprinzipien des sequentiellen Datenzugriffs Sequentielle Speicherorganisation Direktes Mischen (Direct Merge, Mergesort) Natürliches Mischen (Natural Merge) n-band-mischen 518 Literatur Bäume und Graphen Binärbäume Definitionen Speichern und Durchsuchen von Binärbäumen Binäre Suchbäume Ausgleichen von Bäumen und AVL-Bäume Heaps und Heapsort 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 591 Literatur 595

8 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 660 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 702 Literatur 704

9 Inhaltsverzeichnis xvii 16 Anwendungsprogrammierung im Internet 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 Datenübergabe von HTML-Formularen an PHP-Skripte Sitzungsdaten: Session und Cookie Datei-und Datenbankzugriff mit PHP 743 Literatur Software-Engineering Überblick 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 761

10 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 780 Literatur 783 Index 785