Darstellung von Informationen

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1 Darstellung von Informationen Bit, Byte, Speicherzelle und rbeitsspeicher Boolesche Operationen, Gatter, Schaltkreis Bit Speicher (Flipflop) Binär- Hexadezimal und Dezimalzahlensystem, Umrechnungen Zweierkomplement Darstellung Gleitpunktzahlen (floating point) Darstellung von Zeichen (SII, ISO, Unicode) Diskretisierung und Digitalisierung stetiger Daten 2 Temperatur Zeit Figure : naloge Temperaturkurve Temperatur Zeit Figure 2: Diskretisierte Temperaturkurve Zeit 5: 6: 7: 8: 9: : : 2: 3: 4: 5: 6: 7: Temperatur Figure 3: Digitalisierte Darstellung Dezimalzahlen brauchen Ziffern. Ein omputer speichert nur zwei Ziffer Binärsystem

2 Morse lphabet für den Telegraf (837) Texte und Dezimalzahlen lassen sich mit nur zwei Morsezeichen Punkt und Strich (+ Pause) wie folgt darstellen. 3 Punkt und Strich können durch bzw. ersetzt werden. Pause als Trennen. Z.B für EIS. Binärzeichen und Boolesche Operationen 4 Die Menge {, } heißt binäres lphabet. Die Zeichen und heißen Bits (binary digits). uf dem Binäralphabet definiert man folgenden Boolesche Operationen: ND x y x y OR x y x y XOR x y x y NOT x x. Die Operationen haben folgenden Eigenschaften: ssoziativ: a (b c) = (a b) c und a (b c) = (a b) c Kommutativ: a b = b a und a b = b a Distributiv: a (b c) = (a b) (a c) und a (b c) = (a b) (a c) De Morgansche Regeln: (x y) = ( x) ( y) und (x y) = ( x) ( y) 2. Die Struktur ({, },,, ) ist eine Boolesche lgebra. 3. Die Operationsmenge {, }, {, } und { } sind vollständig. (lle Boolesche Funktion f : {, } n {, } lassen sich durch Operationen einer vollständigen Operationesmenge definieren.)

3 Gatter und Bezeichnungen Boolescher Operationen 5 ND OR NOT B B B B Die Gatter werden durch Transistoren realisiert. (Ein Transistor heutiger höchstintegrierter Schaltungen hat eine Größe von,35 Mikrometer ( 6 M)). Die Gatter heißen auch Verknüpfungsschaltungen. us Gattern können zwei rten von Schaltungen aufgebaut werden: Schaltnetze: ohne Speicherverhalten, verarbeitet Bits (berechnet Boolesche Funktion). Schaltwerke: mit Speicherverhalten, verarbeitet und speichert Bits. Beispiele von Schaltnetz und Schaltwerk 6 x f(x,y,z) y z Figure 3: Ein Schaltnetz für f(x, y, z) := x (y z) x z y NB: Flipflop berechnet keine Funktion. Figure 4: Ein Schaltwerk (Flipflop)

4 Flipflop einer -Bit-Speicher 7 x= z= x= z= y= y= Figure 5: Stabiler Zustand z= oder z= x= z= x= z= y= y= Setzen des Speichers auf Rücksetzen des Speichers auf Das Schaltwerk Flipflop kann ein Bit speichern. Register und rbeitsspeicher 8 Ein Register ist einen Speicher für eine nzahl logisch zusammengehöriger Bits und besteht aus unverbundenen Flipflops. Typische nzahl von Bits in einem Register ist 8 oder vielfach von 8. Eine Zeichenkette von 8 Bits heißt ein Byte, z.b.,,, usw. Eine Speicherzelle ist ein Register mit einer zugehörigen dresse. Der rbeitsspeicher (oder Hauptspeicher) eines omputers besteht aus linear angeordneten Speicherzellen. Jede Speicherzelle kann über ihre dresse gleich schnell angesprochen werden. (wahlfreier Zugriffsspeicher, RM Random ccess Memory). Der rbeitsspeicher ist flüchtig. Beim usschalten geht der Inhalt verloren. Der rbeitsspeicher ist relativ schnell und teuer. Die Größe eines rbeitsspeichers wird durch folgenden Größordnung gemessen. KB (Kilobyte) = 2 = 24 Bytes MB (Megabyte) = 2 2 = Bytes GB (Gigabyte) = 2 3 = Bytes TB (Terabyte) = 2 4 = Bytes

5 Darstellung natürlicher Zahlen 9 In einem Stellenwertsystem zur Basis B wird jede natürliche Zahl n dargestellt in der Form n = (a m a m a 2 a a ) B = a m B m + a m B m + + a B + a B = m (a i B i ) i= wobei gilt: a i < B für alle i. (Römische Zahlen bilden kein Stellenwertsystem: XXIV = 24 ) Beispiel: 3758 in Dezimalsystem 3758 = Vier Stellenwertsysteme werden in der Informatik benutzt: das Dezimalsystem (Basis = ) das Binärsystem (Basis = 2) das Hexadezimalsystem (Basis = 6) das Oktalsystem (Basis = 8) Binärsystem Das Binärsystem (Dualsystem) besitzt folgende wichtige Eigenschaften: Basis = 2, Menge der Ziffern = {, }, Stellenwerte: Potenzen von 2. Hilfstabelle: Zweierpotenzen n n Umrechnung von Binär nach Dezimal: Summe der Zweierpotenzen bilden. = = = 23 = = = Die Binärdarstellung einer natürlichen Zahl kann einfach als Bit-Kette im Rechner gespeichert werden.

6 Umrechnung von Dezimal nach Binär Methode: Fortgesetzte Division durch 2 mit Rest Gegeben sei eine Dezimalzahl (763). Suche ihre Binärdarstellung. 763:2 = 38 Rest 38:2 = 9 Rest 9:2 = 95 Rest 95:2 = 47 Rest 47:2 = 23 Rest 23:2 = Rest :2 = 5 Rest 5:2 = 2 Rest 2:2 = Rest :2 = Rest Die Binärzahl lautet: Die Divisionsreste von unten nach oben notiert ergeben die gesuchte Binärzahl. Hexadezimalsystem 2 Basis = 6, Stellenwerte: Potenzen von 6 Menge der Ziffern = {,, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,, B,, D, E, F } Hexadezimalziffer B D E F Dezimaler Wert Hilfstabelle: Sechzehnerpotenzen n n Umrechnung von Hexadezimal nach Dezimal: Summe der Sechzehnerpotenzen bilden. E3 6 = = = 483 F F E 6 = = = 4554 Die Umrechnung von Dezimal nach Hexadezimal ist ähnlich wie bei der Umrechnung von Dezimal nach Binär, d.h., Fortgesetzte Division durch 6 mit Rest. Das Oktalsystem kann analog definiert werden (Übungsaufgabe).

7 Umrechnung zwischen Binär und Hexadezimal 3 Umrechnung zwischen Binäre Zifferbündel und Hexadezimalziffern Binär Hexadezimal Binär Hexadezimal 8 9 B D E F Umrechnung von Binär nach Hexadezimal: 4er Bündelung Beispiel: () 2 F 5 3 B 4 E Umrechnung von Hexadezimal nach Binär: 4er Entbüdelung Beispiel: (47EDB9) E D B 9 a a a a a a a a a 2 + a 2 = (a a 8 2 )6 2 + (a a a a 4 2 )6 + (a a a 2 + a 2 )6 Rechnen im Binärsystem 4 Beispiel: Berechnung der Summe () 2 + () 2 += += += += Summand ddendum + Übertrag Summe Die ddition zweier Binärzahlen lässt sich leicht durch Schaltnetz im Rechner realisieren. Die Subtraktion kann durch ddition ersetzt werden wegen x y = x + (K y) K für ein geeignetes K (Komplement-Minuend). Für K = 2 n werden negative ganze Zahlen y (zwischen und 2 n ) als 2 n y dargestellt. Diese Darstellung heißt Zweierkomplement.

8 Rechnerinterne Darstellung von ganzen Zahlen (Zweierkomplement) In einem n-bit-system können 2 n verschiedene Zahlen (von 2 n bis 2 n ) dargestellt werden. 5 Positive Zahl x: ein Vorzeichen folgt mit der (n )-stelligen Binärzahl (x) 2 Negative Zahl x: die Darstellung von x invertieren und ein addieren. Z.B. (9) = () 2 invertiert = () 2 addieren = ( 9) = () 2 Beispiel für n = 8: ( x entspricht 2 8 x) Zahl x 27(2 7 ) Binärmuster Zahl x (2 7 ) invertiert x Binärmuster Beispiel für Subtraktion =( 23) Tabelle des Zweierkomplements für n = 4 6 Zahl B.Muster negative Zhalen Figure 6: Zahlenkreis für Zwei-Komplement positive Zahlen

9 Darstellung gebrochener Zahlen (Gleitkommazahlen oder Gleitpunktzahlen) Im Binärsystem kann eine reelle Zahl x wie folgt auf Basis 2 dargestellt werden: x = (±a n a n a a, a a 2 a m ) 2 = n i= m a i 2 i = (±, a n a n a a a a 2 a m ) 2 2 n+ = (Vorzeichen ±)(Mantisse) 2 Exponent (, 625) = = (, ) 2 = (, ) = (, ) 2 2 () 2 (, 7875) = = (, ) 2 = (, ) = (, ) 2 2 ( ) 2 7 Rechnerinterne Darstellung (für einen Speicher von 2 Bytes) Vz ( Bit) Exponent (4 Bits) Mantisse ( Bits) (, 625) : (, 7875) : NB: Exponent wird im Zweierkomplement gespeichert. Für die Mantisse wird nur der Teil nach dem Komma als binäre ganze Zahl gespeichert. Zeichencode 7 Bit SII 8 Ein Zeichencode ordnet einer Menge von Schriftzeichen umkehrbar eindeutig eine Menge von Binärzahlen zu. 7 Bit SII (merican Standard ode for Information Interchange) stellt mit 7 Bit 28 Schriftzeichen dar. Die odes sind 2 2 bzw. 27 bzw. 6 F F 6. Beispiel Zeichen Dezimalcode Binärcode Hexadezimalcode Z 9 5 a 97 6 z 22 7 $ 36 24? 63 3F

10 Zeichencode 7 Bit SII 9 The SII Table Dec Hex har Dec Hex har Dec Hex har Dec Hex har NUL 32 2 SP SOH 33 2! a 2 2 STX " B b 3 3 ETX # c 4 4 EOT $ D 64 d 5 5 ENQ % E 65 e 6 6 K & 7 46 F 2 66 f 7 7 BEL G 3 67 g 8 8 BS 4 28 ( H 4 68 h 9 9 HT 4 29 ) I 5 69 i LF 42 2 * 74 4 J 6 6 j B VT 43 2B B K 7 6B k 2 FF 44 2, 76 4 L 8 6 l 3 D R 45 2D D M 9 6D m 4 E SO 46 2E. 78 4E N 6E n 5 F SI 47 2F / 79 4F O 6F o 6 DLE P 2 7 p 7 D Q 3 7 q 8 2 D R 4 72 r 9 3 D S 5 73 s 2 4 D T 6 74 t 2 5 NK U 7 75 u 22 6 SYN V 8 76 v 23 7 ETB W 9 77 w 24 8 N X 2 78 x 25 9 EM Y 2 79 y 26 SUB 58 3 : 9 5 Z 22 7 z 27 B ES 59 3B ; 9 5B [ 23 7B { 28 FS 6 3 < 92 5 \ D GS 6 3D = 93 5D ] 25 7D } 3 E RS 62 3E > 94 5E ^ 26 7E ~ 3 F US 63 3F? 95 5F _ 27 7F DEL Figure 7: 28 Zeichen, Nummer bis 27 cht Bit ISO ISO (International Organization for Standardization) (latin) für Westeuropa ? À 28 Ð 224 à 24 ð 29? ± 93 Á 29 Ñ 225 á 24 ñ ² 94 Â 2 Ò 226 â 242 ò ³ 95 Ã 2 Ó 227 ã 243 ó Ä 22 Ô 228 ä 244 ô µ 97 Å 23 Õ 229 å 245 õ Æ 24 Ö 23 æ 246 ö Ç ç È 26 Ø 232 è 248 ø ¹ 2 É 27 Ù 233 é 249 ù ª 86 º 22 Ê 28 Ú 234 ê 25 ú «87» 23 Ë 29 Û 235 ë 25 û ¼ 24 Ì 22 Ü 236 ì 252 ü 4? 57? ½ 25 Í 22 Ý 237 í 253 ý ¾ 26 Î 222 Þ 238 î 254 þ 43? Ï 223 ß 239 ï 255 ÿ Figure 8: Weitere 28 Zeichen, Nummer 28 bis 255 Mit dem 6 Bit ode kann Unicode bis verschiedene Zeichen kodieren.