Grundlagen der Informatik










Dipl.-Inf., Dipl.-Ing. (FH) Michael Wilhelm Hochschule Harz FB Automatisierung und Informatik [email protected] http://www.miwilhelm.de Raum 2.202 Tel. 03943 / 659 338

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Inhalt 1. Einführung, Literatur, Begriffe 2. Zahlensysteme 3. Rechnen in den Zahlensystemen 4. Rechneraufbau 5. Nichtnumerische Informationen

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Literatur ■

Grundlagen und Konzepte der Informatik, Pearson Studium 2007 Helmut Herold (Autor), Bruno Lurz (Autor), Jürgen Wohlrab (Autor) , ISBN-10: 3827373050 ISBN-13: 9783827373052

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Gumm, H.P.; Sommer, M.: Einführung in die Informatik, 8. Auflage, Oldenbourg 2008

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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, 1991.

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Vorlesung


Vorlesung per Powerpoint




Beispiele an der Tafel




Beispiele auf der Homepage




Musterklausur am Ende der Vorlesung, Ende Dezember

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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

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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

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Grundbegriffe Technische Informatik

Theoretische Informatik Mathematik

Elektrotechnik

Praktische Betriebswirtschaft Informatik /Angewandte Informatik CAx

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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

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Informatik Theoretische Informatik Automatentheorie Theorie der formalen Sprache Theorie der Berechenbarkeit Komplexitätstheorie Algorithmen-Analyse Theorie der Programmierung Automatische Programmsynthese Formale Semantik

Angewandte Informatik Informationssysteme Computergrafik Künstliche Intelligenz Digitale Signalverarbeitung Simulation und Modellierung Textverarbeitung und BüroAutomation Spezifische Anwendungen in Wirtschaft, Verwaltung Ingenieurwissenschaften Naturwissenschaften Medizin, Kunst Sozialwissenschaften Biologie

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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)

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Umfassendes Rechnerkonzept

Server

Internet

Lokale PC

Netzwerk

Lokale PC, HS-Harz

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Technologien für dieses Konzept Hardware










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.)

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Technologien für dieses Konzept Software











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

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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.
1800 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.

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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.




1524 Adam Riese veröffentlicht ein Rechenbuch auf der Grundlage des Dezimalsystems, welches sich ab jetzt in Europa durchsetzt.




1623 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

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Historische Wurzeln 3


1641 Blaise Pascal, Philosoph, Mathematiker und Physiker in Paris, konstruiert die erste noch erhaltene Rechenmaschine für 6stellige Addition.




1674 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.




1822 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

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Historische Wurzeln 4


1886 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 1890 43 Zählmaschinen mit je einem Helfer über einen Zeitraum von knapp 4 Wochen.




1896 Hollerith gründet die Firma „Tabulating Machine Company“.




1911 Die Firma Hollerith’s wird verkauft und zum Vorläufer der „International Business Machines Corporation“ (IBM) 1924.

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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.


1938 Konrad Zuse, Bauingenieur, Erfinder und Unternehmer, stellt einen mechanischen Rechner mit Binärtechnik fertig, die „Z1“.




1939 Es folgt die „Z2“ mit elektromechanischem Rechenwerk mit ca. 200 Relais.




1941 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

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Die technologische Entwicklung 2


1944 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.




1945 John von Neumann, ungarisch-amerikanischer Mathematiker, entwickelt ein grundsätzliches Konzept für programmierbare Rechner, welches bis heute ein tragendes Konzept geblieben ist.

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Die technologische Entwicklung 3 Die weitere Entwicklung ist durch gewaltige technische Verbesserungen und folgenschwere Erfindungen im Bereich der Programmierung gekennzeichnet.




1955 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.




1958 Mit „FORTRAN“ beginnt die Verbreitung der höheren Programmiersprachen. Es folgen „ALGOL“ und „COBOL“.

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Die technologische Entwicklung 4


1962 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.




1965 Die Entwicklung von „BASIC“ eröffnet für Laien den Zugang zur Programmierung. Es entwickeln sich Techniken des Compilerbaus und der Betriebssysteme.

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Die technologische Entwicklung 5


1968 Es entstehen hochintegrierte Halbleiterschaltungen. Sie bilden die Grundlage der 4. Computergeneration. LSI: large scale integration - 500 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).




1978 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/APLSprachen, Apple-Computer TeX setzt sich als public domain Software für Dokumentenverarbeitung durch

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Die technologische Entwicklung 6


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nach 1980 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, email und news. Fa. CISCO verkauft erste Netzwerk-Produkte. Dos, Windows, Apple, Unix

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Die technologische Entwicklung 7


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nach 1990 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. 1999/2000: erste geprüfte/zugelassene „Trust-center“ nach Signaturgesetz in D; EURichtlinien 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

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