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Grundlagen der Informatik Sommersemester 2007 Prof. Dr. Peter Kneisel.

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Präsentation zum Thema: "Grundlagen der Informatik Sommersemester 2007 Prof. Dr. Peter Kneisel."—  Präsentation transkript:

1 Grundlagen der Informatik Sommersemester 2007 Prof. Dr. Peter Kneisel

2 Didaktik: Durchführung Diese Vorlesung enthält Übungen Die Übungen werden je nach Bedarf durchgeführt. Zur Vorbereitung werden Übungsblätter, je nach Vorlesungsverlauf zusammengestellt. Weitere Übungen sind im Foliensatz vorhanden und sollten selbständig und vollständig bearbeitet werden. Vorsicht ! Kommen Sie in alle Veranstaltungen - machen Sie die Übungen Überschätzen Sie sich nicht - auch wenn Sie PC-Crack sind

3 Didaktik: Folien Der Vorlesungsstoff wird anhand von Folien dargelegt Die Folien bilden nur einen Rahmen für die Inhalte. Die Folien sollten daher mit Hilfe eigener Vorlesungsskizzen ergänzt werden - am besten in Form einer Vorlesungsnachbereitung max. 3 Tage nach der Vorlesung Zusätzlich zu den Folien werden Beispiele an der Tafel oder am Rechner gezeigt. Diese sollten Sie vollständig mitskizzieren. Zur vollständigen Nachbereitung, z.B. als Klausurvorbereitung, sind die Folien einheitlich strukturiert Es gibt genau drei Gliederungsebenen: Kapitel, Unterkapitel, Abschnitte Die Inhalte jedes Kapitels und jedes Unterkapitels werden jeweils motiviert und sind verbal beschrieben. Zusätzlich gibt es jeweils ein stichwortartiges Inhaltsverzeichnis der Unterkapitel, bzw. Abschnitte Die Vorlesung wird ständig überarbeitet, so dass sich die Foliensätze ändern können (und werden) Laden Sie sich zur endgültigen vollständigen Klausurvorbereitung nochmals zusätzlich den kompletten Foliensatz herunter.

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5 Inhalt Wie jede Wissenschaft befasst sich die Informatik mit ihren eigenen Objekten. Was diese Objekte sind und was man mit diesen Objekten machen kann - und wie - wird in dieser Vorlesung auf eher abstraktem Niveau, aber immer mit Beispielen aus der Realität eines Informatikers (oder einer Informatikerin), erläutert. Diese Vorlesung konzentriert sich auf den Kern der Informatik. Vertieftere Einführungen in z.B die Bereiche der Programmierung, Rechnerarchitekturen, Betriebssysteme, etc. sollen daher bewusst den entsprechenden Veranstaltungen vorbehalten bleiben Inhalt 1.Informatik 2.Information und Codes 3.Zeichen und Zahlen 4.Datenstrukturen 5.Algorithmenentwurf

6 Überblick und Einordnung TechnischeTheoretischePraktische Informatik Dynamik (Algorithmik) Elemente Strukturierung EP OOP 1 5 AD Statik (Struktur) Information Codes Zahlen Zeichen Daten- strukturen RA AFS SWT RN

7 Kapitel 1Informatik 1962 wurde der Begriff Informatique(als Kombination der Begriffe Information und automatique) von Philippe Dreyfus, einem französischen Ingenieur eingeführt und als Informatik ins Deutsche übernommen. Als junge Wissenschaft ist die Informatik mittlerweile in viele Bereiche der älteren Wissenschaften eingezogen und hat viele eigene Bereiche neu erschlossen. Die Informatik ist damit mittlerweile wesentlich mehr, als der anglo- amerikanische Begriff Computer-Science vermuten lässt. Dieses Kapitel möchte einen (kurzen) Überblick über exemplarische Inhalte, Struktur und Geschichte der Informatik geben Inhalt 1.Motivation 2.Definition 3.Die Teilgebiete der Informatik 4.Die Geschichte der Informatik 5.Zusammenfassung des Kapitels

8 1.1Motivation Die Beherrschung eines Computers macht Spaß und gibt der informationssüchtigen Gesellschaft das Gefühl persönlicher Freiheit (so wie vor Jahren ein roter Sportwagen) Die Beherrschung gibt Macht. Für das Funktionieren einer demokratischen Gesellschaft ist es wichtig, daß viele Menschen Computer verstehen und beherrschen. Der Computer schafft und vernichtet Arbeitsplätze und ist eine Herausforderung für die Gesellschaft Das Verstehen der Gesetzmäßigkeiten bei der Entwicklung von Computerprogrammen ist eine intellektuelle Herausforderung Das Umsetzen dieses Verständnisses ist eine intellektuelle Genugtuung. Der Computer schafft neue Betätigungsfelder und Lebensinhalte Zunehmend viele Aufgabenstellungen der realen Welt sind ohne Einsatz von Methoden und Werkzeugen der Informatik nicht mehr zu bewältigen Der professionelle Umgang mit Computer ist im Beruftsleben eine nackte Notwendigkeit !

9 1.2Was ist Informatik Jedes Lehrbuch der Informatik gibt seine Definition der Informatik. Auch der Duden beschreibt die Informatik als Wissenschaft von der systematischen Verarbeitung von Informationen, besonders der automatischen Verarbeitung mit Hilfe von Digitalrechnern. Durch die Beschränkung auf den Aspekt der Verarbeitung geht diese Definition meines Erachtens nicht weit genug. Ich werde daher in diesem Unterkapitel eine eigene Definition wagen. Die dabei verwendeten Aspekte werden exemplarisch verdeutlicht, wobei bewusst in Grenzbereiche der Informatik gegangen wird. Was die Informatik wirklich ist, kann kein Lehrbuch erfassen. Sie werden - hoffentlich - am Ende Ihres Studiums eine sehr weitreichende Idee davon haben. Inhalt 1.Definition 2.Beispiele

10 1.2.1Definition Informatik Die Wissenschaft, die sich mit dem (automatisierten) von Information befasst Erfassen Transportieren Speichern Verarbeiten Umsetzen

11 1.2.2Wissenschaft Informatik ist nicht die Wissenschaft vom Computer (sowenig, wie Astronomie die Wissenschaft vom Teleskop ist) Informatik ist eine Wissenschaft … und keine Bastelecke für Software-Spieler Aspekte der Informatik als reine Lehre (verwandt mit der Mathematik) Naturwissenschaft: entdecken und beschreiben von natürlichen Phänomenen Ingenieurwissenschaft - mit der typischen Vorgehensweise Problemstellung Analyse Teillösungen Synthese Lösung

12 1.2.3Information Information ist die Bedeutung, die durch eine Nachricht übermittelt wird (nachrichtentechnische Definition) Kapitel 2 Information ist eine elementare Kategorie Chemie: Stoffumwandlung Physik: Energieumwandlung Informatik: Informationsumwandlung

13 1.2.4Erfassen Sensorik Bildverarbeitung Datenmenge (Byte) (52,204,248)(33,75,125,190,251)

14 1.2.5Transportieren Telekommunikation Telephonie Hz ~ Hz

15 Abstrakte Datentypen (N. Wirth: Algorithmen und Datenstrukturen) 1.2.6Speichern Datenrepräsentation Einfache Typen Aufzählungstypen Integer Real Boolean Char... {rot, gelb, grün} [0,1,..,65535] [3,4e-038,..3,4e038] {TRUE, FALSE} {ASC(0),..,ASC(255)} Strukturierte Typen Array Record Varianten Record Menge... array [n..m] of Type record Type 1: element 1 Type n: element n end set of Type Abstrakte Typen Listen Binäre Bäume Vielweg Bäume Graphen...

16 1.2.6Speichern Datenrepräsentation Objektrepräsentation Assoziation Vererbung Aggregation Verwendung Instantiierung Klassenname Attribute Operationen Einschränkungen (G. Booch: Objektorientierte Analyse und Design) Teil projekt Projekt Projektleiter Mitarbeiter n Buchhaltung Controlling Personalwesen 1

17 Class Teilprojekt: public Projekt { Projektleiter projektleiter; Mitarbeiter mitarbeiter[MAX_MITARBEITER]; public: Teilprojekt (Projektleiter); ~Teilprojekt (); } Teilprojekt::Teilprojekt(Projektleiter pl) { // some method-calls of Buchhaltung, Controlling, Personalwesen } main { Teilprojekt1 = new Teilprojekt(Projektleiter1) // See Budget1 for buget details on Teilprojekt1 } 1.2.6Speichern Datenrepräsentation Objektrepräsentation (B.Stroustrup: The C++ Programming Language) Teilprojekt Projekt Projektleiter Mitarbeiter n Buchhaltung Controlling Personalwesen 1 Assoziation Vererbung Aggregation Verwendung Instantiierung n1

18 1.2.7Verarbeiten Prozessmodelle Petri-Netze (C.A.Petri: Kommunikation und Automaten))

19 1.2.7Verarbeiten Prozessmodelle Interaktionsdiagramme (G. Booch: Objektorientierte Analyse und Design) R1R2R3R4R5 N2 N1

20 Axon Dendrite Synapsen 1.2.7Verarbeiten KI-Ansätze Neuronale Netze a i =F ( W ij * O j, a i ) aAktivierungszustand WVerbindungsgewichtung OAusgangswert FAktivierungsfunktion fAusgabefunktion OjOj O i =f ( a i ) W ij

21 1.2.8Umsetzen Aktorik Manipulatoren Anzahl Freiheitsgrade 252 (1)9

22 1.2.9Zusammenfassung Modellierung der realen Welt Abbildung realer Objekte und deren Beziehungen (Strukturen) auf rechnerinterne Objekte und Strukturen Reduktion von Redundanz Strukturierung von Information Abbildung realer Aufgabenstellungen und Prozesse auf Rechnerprozesse Umsetzung des Modells auf die reale Welt Abbildung von Rechnerprozessen auf reale Prozesse Abbildung von Datenstrukturen auf reale Strukturen Erfassen Transportieren Speichern Verarbeiten Umsetzen

23 1.3Die Teilgebiete der Informatik Wie viele Wissenschaften, ist die Informatik kein homogenes Gebilde, sondern lässt sich anhand unterschiedlicher Kriterien in Teilgebiete strukturieren. Dieses Kapitel beschreibt die wohl geläufigste Einteilung der Informatik in drei, bzw. vier Teilbereiche. Inhalte 1.Technische Informatik 2.Praktische Informatik 3.Theoretische Informatik 4.( Angewandte Informatik )

24 1.3.1Technische Informatik Konstruktion von Verarbeitungselementen Prozessoren,... Konstruktion von Speicherelementen Hauptspeicher,... Konstruktion von Kommunikationselementen Bussysteme Lokale Rechnernetze (LAN: Local Area Networks), Weitverkehrsnetze (WAN: Wide Area Networks),... Mobilfunknetze, Satellitenkommunikation,... Konstruktion von Peripherie Drucker, Scanner,.... Festplatten, Optische Platten, Diskettenlaufwerke,......

25 1.3.2Praktische Informatik Umgang mit Programmiersprachen Programmierung Compilerbau... Entwicklung von Software Analysemethoden Designmethoden Realisierungsmethoden Testverfahren... Unterstützung der Softwareentwicklung Projektmanagement von DV-Projekten Qualitätsmanagement in DV-Projekten...

26 1.3.3Theoretische Informatik Sprachen und Automaten Formale Sprachen Grammatiken Sprachdefinitionen Berechenbarkeitstheorie Komplexitätstheorie...

27 1.3.4Angewandte Informatik Anwendung in verwandten Wissenschaften Numerische oder stochastischer Verfahren in der Mathematik Simulationen in der Physik und der Chemie Bildverarbeitung in der Medizin Genanalyse in der Biologie Lehrprogramme für Natur-, Sozial- und Geisteswissenschaften... Anwendungen im täglichen Leben. Computerspiele, Multimediaanwendungen, Textverarbeitung, Tabellenkalkulation, Datenbanken,... Steuerung von technischen Prozessen Web-Anwendungen...

28 1.4Die Geschichte der Informatik Die Informatik ist eine junge Wissenschaft, hat aber, ähnlich wie andere Natur- und Ingenieurwissenschaften Wurzeln, die weit in die Menschheitsgeschichte hineinragen, Wie keine andere Wissenschaft wurde die Informatik jedoch von der Erfindung eines Gerätes, dem programmgesteuerten Rechner (später Computer) beeinflusst. Dieses Unterkapitel wird die Wurzel in der Menschheitsgeschichte und auch die Entwicklung des Rechners vorstellen. Inhalt 1.Information in der Geschichte 2.Automaten und Steuerungen 3.Erleichterung der Rechenarbeit 4.Pioniere der Informatik - Praktiker 5.Pioniere der Informatik - Theoretiker 6.Die Generationen

29 1.4.1Information in der Geschichte Erfassung durch Sinnesorgane Transport durch akustische, optische, chemische Signale Speicherung durch Gene oder neuronale Elemente Verarbeitung über neuronale Elemente Umsetzung direkt oder indirekt über Gliedmaße Entwicklung von Wort,- Silben- und Buchstaben-schriften

30 1.4.2Automaten und Steuerungen ca. 100 v. Chr. Mechanismus von Antikythera älteste erhaltene Zahnrad-Apparatur wahrscheinlich zur (analogen) Berechnung der Bewegungen von Himmelskörpern Mittelalter Mechanische Uhren mit Sonnen-, Mond- und Planetenbewegungen und Figurenumläufe an Kirchen und Rathäusern 17./18. Jhdt. Spieluhren, Schreib- und Schachspielautomaten 18./19. Jhdt. Fliehkraftregler für Dampfmaschinen, mechanischer Webstuhl mit Lochkartenbebändert (Jacquart, 1805)

31 1.4.3Erleichterung der Rechenarbeit Rechenbretter Seit dem Altertum China, Japan, Russland Addition/Subtraktion ähnlich schnell wie Taschenrechner Lehre der Grundrechenarten Durch Zahlensystem schematisierbar Lehre an mittelalterlichen Universitäten Durch Rechenbücher weitere Verbreitung des Wissens (z.B. Adam Riese ) Rückführung der Multiplikation/Division auf Addition/Subtraktion durch logarithmisches Rechnen mit Hilfe von Tabellen.

32 1.4.4Mechanische Rechenmaschinen Wilhelm Schickart ( ) Maschine für die Grundrechenarten (1623) Blaise Pascal ( ) Gottfried Wilhelm von Leibniz ( ) Arithmetik des Dualsystems Philipp Matthäus Hahn ( ) Feinmechanische Rechenmaschinen 19./20. Jhdt: Sprossenradmaschine Hermann Hollerith Lochkartenstanzer/ Sortierer/Tabellierer

33 1.4.5Pioniere der Informatik - Praktiker Charles Babbage ( ) Difference Engine (1812). Überprüfung von Logarithmentafeln. Alle Merkmale eines programmierbaren Computers. Entwurf einer Analytical Engine (1836). Wurde nie gebaut Konrad Zuse (geb. 1910) Z1: mechanischer Rechner Z2 / Z3: Elektromechanischer Relaisrechner im Dualsystem mit Lochkartensteuerung. Erster voll funktionstüchtiger Computer (1941) Grundlegende Arbeiten zur Programmierung und algorithmischer Sprachen Howard Eiken Mark I, II, III, IV (1944) Dezimalrechnender Relaisrechner

34 1.4.6Pioniere der Informatik - Theoretiker Kurt Gödel Theoretische Aussagen zum Algorithmenbegriff: Es gibt Aussagen die algorithmisch nicht entscheidbar sind (1931) Alan M. Turing ( ) Definition des Algorithmenbegriffes über eine hypothetische Maschine (Turing-Maschine) John von Neumann ( ) Grundlegende Arbeiten über Computerarchitektur: Speicherung der Daten und Programme auf dem gleichen Medium Definition von Registern insb. Indexregister

35 1.4.7Die Generationen GenerationBeispielTechnologieSpeich./Geschw.Software Vorgenerat.Z3Elektro-0,0002 MIPSVerdrahtet Mark1mechanik 1.GenerationENIAC, Z22Elektro-0,02 MIPSMaschinen UNIVAC, IBM650röhren1-2 KByte sprache SIEMENS GenerationIBM1400, AEG TRTransistoren0,1 MIPSAssembler CDC6600Kernspeicher32 KByteFORTRAN Siemens2002Stapelbetrieb 3. GenerationIBM370, PDP11ICs5 MIPSHochsprachen Siemens7000,Halbleiter-1-2 MBytesC, Pascal Cray 1speicher 4. GenerationPC, Gray XMPMikro-50 MIPSSprachen der Sperry1100, VAXprozessoren8-32 MByte4. Generation IBM309xOptische Sp.Parallelisierung GegenwartWorkstationsPentium,100 MIPSNetzsoftware Hochleistungs-Power PC1 GByteOO-SprachenPCs NetzeC++. JAVA 5. Generationsupraleitende1000 MIPS Keramikenviele GBytes

36 1.5Zusammenfassung des Kapitels Die Informatik befasst sich mit der (automatisierten) Erfassung, dem Transport, der Speicherung, Verarbeitung und dem Umsetzen von Information Die Informatik ist eine naturwissenschaftliche Ingenieurswissenschaft Die Informatik gliedert sich in Technische, Praktische, Theoretische und Angewandte Informatik Die Geschichte der Informatik beginnt im Altertum, besteht in Ihrer heutigen Form aber erst seit ca Zur Zeit befinden wir uns in der 4. Generation.


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