Grundlagen der Informatik: praktisch, technisch, theoretisch
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| Hauptverfasser: | , , |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München [u.a.]
Pearson Studium
2007
|
| Schriftenreihe: | It-Informatik
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Hier auch später erschienene, unveränderte Nachdrucke |
| Beschreibung: | 744 S. Ill., zahlr. graph. Darst. |
| ISBN: | 9783827373052 3827373050 |
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Inhaltsverzeichnis
Kapitel 1 Einleitung 15
1.1 Idee dieses Buches. 16
1.2 Beispiele, Übungen und Rätsel. 17
1.3 Begleitmaterial zu diesem Buch. 17
1.4 Danksagung. 18
1.5 Hinweis in eigener Sache. 19
Teil
I
Einführung in die Informatik 21
Kapitel 2 Die Historie und die Teilgebiete der Informatik 23
2.1 Rätsel: Streichholzprobleme. 24
2.2 Der Begriff Informatik. 24
2.3 Historische Entwicklung der Informatik. 24
2.3.1 Der
Abakus
. 24
2.3.2 Der Begriff Algorithmus und Ibn
Musa
Al-Chwarismi. 27
2.3.3 Wichtige Stationen von 1500 bis 1930. 28
2.3.4 Konrad Zuse und der erste funktionstüchtige Computer. 30
2.3.5 Howard H. Aiken und die Mark
1
. 32
2.3.6 John von Neumann. 32
2.3.7 Generationen der elektronischen Datenverarbeitung. 33
2.4 Einordnung und Einteilung der Informatik. 37
2.4.1 Verschiedene Einsatzgebiete von Computern (Informatik). 37
2.4.2 Die Teilgebiete der Informatik. 38
2.4.3 Die Informatik und unsere Abhängigkeit von ihr. 41
Kapitel 3 Speicherung und Interpretation von Information 43
3.1 Rätsel: Umfüllprobleme. 44
3.2 Unterschiedliche Zahlensysteme. 44
3.2.1 Das römische Zahlensystem. 44
3.2.2 Positionssysteme. 45
3.2.3 Positionssysteme bei natürlichen Zahlen. 46
3.2.4 Positionssysteme bei gebrochenen Zahlen. 51
3.3 Dual-, Oktal- und Hexadezimalsystem. 52
3.3.1 Das Dualsystem und das Bit im Rechner. 52
3.3.2 Konvertieren zwischen Dual- und Oktalsystem. 53
3.3.3 Konvertieren zwischen Dual- und Hexadezimalsystem. 53
3.4 Konvertierungsalgorithmen. 55
3.4.1 Konvertieren von anderen Systemen in das Dezimalsystem. 55
3.4.2 Konvertieren vom Dezimalsystem in andere Positionssysteme . 55
3.4.3 Konvertieren echt gebrochener Zahlen. 56
3.4.4 Konvertieren unecht gebrochener Zahlen. 58
3.5 Rechenoperationen im Dualsystem. 58
3.5.1 Addition. 58
3.5.2 Subtraktion und Darstellung negativer Zahlen. 59
3.5.3 Multiplikation und Division. 63
3.5.4 Konvertieren durch sukzessive Multiplikation und Addition_ 63
3.6 Reelle Zahlen. 64
3.6.1 Festpunktzahlen. 64
3.6.2 Gleitpunktzahlen und das IEEE-Format. 64
3.7 Codes zur Darstellung von Zeichen. 67
3.7.1 ASCII-Code. 67
3.7.2 Unicode. 70
3.8 Weitere Codes für Zahlen und Zeichen. 71
3.8.1
BCD-Code
für Zahlen. 71
3.8.2 Gray-Code. 72
3.8.3 Barcode. 72
3.9 Duale Größenangaben. 73
3.10 Die Grunddatentypen in der Programmiersprache C/C++. 73
Kapitel 4 Boolesche Algebra 77
4.1 Analytische Rätsel (1). 78
4.2 George
Boole
und seine Algebra mit nur zwei Werten. 78
4.3 Operatoren. 79
4.4 Boolesche Schaltungen. 81
4.5 Axiome. 81
4.6 Funktionen. 83
Kapitel 5 Hardware-Komponenten eines Computers 87
5.1 Analytische Rätsel (2). 88
5.2 Aufbau von Computersystemen. 88
5.2.1 Zentraleinheit und Peripheriegeräte. 88
5.2.2 EVA und das von-Neumann'sche-Rechnermodell. 89
5.3 Die heutigen Personal Computer (PCs). 91
5.4 Die Zentraleinheit. 91
5.4.1 Der Prozessor. 93
5.4.2 Der Arbeitsspeicher. 103
5.4.3
ROMs
zur Speicherung von Programmen und konstanten Daten . 105
5.4.4 Das BIOS. 107
5.4.5 Busse und Schnittstellen (Anschlüsse). 108
5.5 Die Peripherie. 113
5.5.1 Massenspeicher. 113
5.5.2 Eingabegeräte. 118
5.5.3 Ausgabegeräte. 120
5.6 Modell eines einfachen Prozessorsystems. 123
5.7 Alternative Rechnerarchitekturen (Neuronale Netze). 128
Kapitel 6 Vom Programm zum Maschinenprogramm 12g
6.1 Analytische Rätsel (3). 130
6.2 Entwicklung eines Programms. 130
6.3 Programmierwerkzeuge. 131
6.3.1 Unterschiedliche Arten der Übersetzung. 131
Θ.3.2
Der Compiler. 132
6.3.3 Der Linker. 133
6.3.4 Der Lader (und
Locator)
. 135
6.3.5 Der Debugger. 136
Teil
II
Praktische Informatik 139
Kapitel 7 Programmiersprachen 141
7.1 Analytische Rätsel (4). 142
7.2 Höhere Programmiersprachen. 142
7.3 Grundlagen der Programmierung. 145
7.3.1 Spezifikation einer Aufgabenstellung. 145
7.3.2 Der Begriff Algorithmus. 146
7.3.3 Formulierung und Darstellung eines Algorithmus. 146
7.3.4 Programm = Daten + Algorithmus. 148
7.4 Datentypen und Operatoren in C/C++ und Java. 154
7.4.1 Datentypen und Konstanten. 154
7.4.2 Bezeichner. 156
7.4.3 Grundlegende Operatoren. 156
7.4.4 Die logischen Operatoren &&, 11 und !. 157
7.4.5 Die Shift-Operatoren « und ». 157
7.4.6 Die Postfix- und Präfixoperatoren ++ und —. 158
7.4.7 Die Bit-Operatoren &, |,
л
und ~. 159
7.4.8 Prioritäten und Assoziativitäten der Operatoren. 160
7.5 Formulierung von Algorithmen in C/C++ und Java. 162
7.5.1 Sequenz. 162
7.5.2 Verzweigungen mit
if
. 162
7.5.3 Verzweigungen mit
switch
. 168
7.5.4 for-Schleife (Schleife mit der Abfrage am Anfang). 169
7.5.5 while-Schleife (Schleife mit der Abfrage am Anfang). 176
7.5.6
do.
while-Schleife (Schleife mit der Abfrage am Ende). 179
7.5.7 Abbruch von Schleifen mit
break
. 180
7.5.8 Abbruch eines einzelnen Schleifendurchlaufs mit
continue
. 182
7.5.9 Abbruch mehrerer geschachtelter Schleifen mit goto. 182
7.5.10 Programmabbruch mit
exit
. 183
7.5.11 Allgemeines zu Funktionen bzw. Methoden. 183
7.5.12 Rekursive Funktionen bzw. rekursive Methoden. 193
7.5.13
Arrays
. 202
7.5.14
Strings
. 207
7.5.15 Zufallszahlen. 210
7.5.16 Argumente auf der Kommandozeile. 212
7.5.17 Ausnahmen
(Exceptions) in
Java. 213
7.5.18 Dateien. 214
7.5.19 Strukturen in C/C++. 223
7.6 Objektorientierte Programmierung mit Java. 225
7.6.1 Meilensteine in der Softwareentwicklung. 225
7.6.2 Einführung in die Objektorientierung. 233
7.6.3 Klassen und Objekte. 240
7.6.4 Konstruktoren. 246
7.6.5 Vererbung und Polymorphismus. 247
7.6.6 GUI-Programmierung in Java. 256
Kapitel 8 Datenstrukturen und Algorithmen 269
8.1 Analytische Rätsel (5). 270
8.2 Grundlegende Datenstrukturen. 271
8.2.1 Allgemeine Eigenschaften von Daten. 271
8.2.2 Basis-Datentypen. 271
8.2.3 Datenstruktur = Daten + Operationen. 271
8.2.4 Verkettete Listen. 272
8.2.5 Stack (Stapel). 285
8.2.6 Queue (Warteschlange). 293
8.3 Bäume. 298
8.3.1 Grundlegendes zu Bäumen. 298
8.3.2 Binäre Bäume. 300
8.3.3 Baumrekursion bei Bäumen mit mehr als zwei Zweigen. 315
8.4 Komplexität von Algorithmen und O-Notation. 326
8.4.1 Zeitaufwand. 326
8.4.2 Speicherplatzbedarf. 329
8.4.3 Klassifikation von Algorithmen. 330
8.4.4 Die O-Notation. 332
8.4.5 Wahl eines Algorithmus. 338
8.4.6 Einfache Optimierungen bei der Implementierung. 339
8.5 Elementare Sortieralgorithmen. 342
8.5.1 Grundsätzliches zu Sortieralgorithmen. 342
8.5.2
Bubble-Sort
. 343
8.5.3
Insert-Sort.
345
8.5.4
Select-Sort
. 346
8.5.5 Zeitmessungen für
Bubble-, Insert-
und
Select-Sort
. 347
8.5.6 Distribution
Count-Sort (Bucket-Sort)
. 348
8.6
Shell-Sort
. 351
8.7
Quicksort
. 353
8.8
Mergesort
. 355
8.8.1 Rekursiver
Mergesort
für
Arrays
. 355
8.8.2 Nicht-rekursiver Mergesort für
Arrays
. 357
8.8.3 Analyse des Mergesort. 358
8.8.4 Mischen von zwei sortierten
Arrays
. 358
8.9
Backtracking.
359
8.9.1 Finden in einem Labyrinth. 359
8.9.2 Das Achtdamen-Problem. 361
8.9.3 Rekursives Füllen von Figuren. 363
8.9.4 Sudoku. 363
8.9.5 Branch-and-Bound-Verfahren. 364
Kapitel 9 Betriebssysteme 365
9.1 Rätsel: Überquerung einer Hängebrücke. 366
9.2 Der Begriff Betriebssystem. 366
9.3 Die Geschichte von Betriebssystemen. 366
9.4 Grundaufgaben von Betriebssystemen. 369
9.5 Aufbau und Dienste von Betriebssystemen. 370
9.5.1 Schichtenaufbau. 371
9.5.2 Prozesse,
Threads, Scheduling.
372
9.5.3 Synchronisations-Mechanismen. 375
9.5.4 Zeitdienste (Timer). 378
9.5.5 Speicherverwaltung. 380
9.5.6 Dateiverwaltung und Dateisysteme. 381
9.5.7 Geräteverwaltung und Treiber. 384
9.5.8 Benutzerschnittstelle (Kommandozeile bzw. GUI). 386
9.5.9 Programmierschnittstelle (API). 388
9.6 Besonderheiten bei
Embedded
Systemen. 391
Kapitel 10 Rechnernetze und das Internet 395
10.1 Synthetische Rätsel (1). 396
10.2 Grundlagen der Vernetzung von Rechnern. 396
10.3 Das ISO/OSI-Modell und Internet-Protokolle. 397
10.4 Internet-Protokolle in Rechnernetzen. 399
10.4.1 Grundbegriffe zu TCP/IP-Netzen. 399
10.4.2 TCP/IP-Protokolle. 402
10.5 Hubs, Switches, Router und Gateways. 407
10.6 Grundlagen der Socket-Programmierung. 407
10.7 Verteilte Anwendungen. 407
10.8 Das World Wide Web (WWW). 409
10.8.1 Wichtige Komponenten und Konzepte des WWW. 409
10.8.2 Kurze Einführung in HTML. 411
10.8.3
Cascading
Style Sheets (CSS). 424
10.8.4 Eine kurze Einführung in XML. 426
10.8.5
XHTML
- das neue, XML-basierte HTML. 429
10.8.6 Web-Programmierung. 429
Kapitel
11 Datenbanksysteme 437
11.1 Synthetische Rätsel (2).-; :. 438
11.2 Grundlegendes zu Datenbanksystemen. 438
11.2.1 Aufgaben einer Datenbank. 438
11.2.2 Vorteile von Datenbanken. 439
11.2.3 Datenunabhängigkeit. 440
11.3 Datenmodelle. 441
11.3.1 Das Entity-Relationship-Modell. 441
11.3.2 Das relationale Datenmodell. 442
11.3.3 Die relationale Algebra. 444
11.4 Die Datenbanksprache SQL. 445
11.4.1 Datendefinition. 446
11.4.2 Einfügen, Ändern und Löschen von Datensätzen. 447
11.4.3 Anfragen mit
select
. 448
Kapitel 12 Software Engineering 451
12.1 Synthetische Rätsel (3). 452
12.2 Die Software-Krise. 452
12.3 Eine geeignete Software-Architektur. 454
12.4 UML-Diagramme für die Modellierung. 454
12.4.1 Statische Modellierung in UML. 455
12.4.2 Dynamische Modellierung in UML. 457
12.5 Modellierungsmöglichkeiten für die Software. 459
12.6 Notwendigkeit von Prozessen. 459
12.7 Der wichtige Prozess
„Requirement
Engineering". 460
12.7.1 Das UML-Anwendungsfalldiagramm
(Use Case Diagram)
. 461
12.7.2 Das UML-Aktivitätsdiagramm. 462
12.7.3 Genaue Klärung der Kundenanforderungen. 464
12.8 Prozessmodelle. 465
12.8.1 Schwer- und leichtgewichtige Prozessmodelle. 465
12.8.2 Das Wasserfall-Modell. 465
12.8.3 Das V-Modell. 467
12.8.4 Inkrementelle und iterative Prozessmodelle. 468
12.8.5 Agiles Vorgehen mit eXtreme Programming (XP). 470
12.9 Qualität eines Software-Produktes aus Kundensicht. 472
Teil
III
Technische Informatik 475
Kapitel 13 Transistoren, Chips und logische Bausteine 477
13.1 Synthetische Rätsel (4). 478
13.2 Transistoren. 478
13.2.1 Funktionsweise und Aufbau von Transistoren. 478
13.2.2 Realisierung boolescher Funktionen mit Transistoren. 480
13.3 Chips. 481
13.3.1 Geschichtliche Entwicklung. 481
13.3.2 Herstellungsprozess. 482
13.4 Logische Bausteine. 483
13.4.1 Gatter. 483
13.4.2 Decoder. 484
13.4.3 Encoder. 485
13.4.4
Multiplexer
(Selektor).
485
13.4.5
Demultiplexer
. 488
Kapitel 14 Schaltnetze 491
14.1 Ein dialektisches Rätsel. 492
14.2 Normalformen von Schaltfunktionen. 492
14.2.1 Disjunktive Normalform (DNF). 492
14.2.2 Konjunktive Normalform (KNF). 493
14.2.3 Allgemeines Verfahren beim Erstellen einer Schaltung. 494
14.2.4 Schaltkreisrealisierung durch PLAs. 495
14.3 Entwurf von Schaltnetzen. 498
14.4 Minimierung logischer Ausdrücke. 499
14.4.1
Karnaugh-
Veitch-Diagramme
(KV-Diagramme). 499
14.4.2
Don't
Care
Argumente. 503
14.4.3 Quine-McCluskey-Verfahren. 506
14.5 Addiernetze. 512
14.5.1 Paralleladdierer. 512
14.5.2 Paralleladdierer und -subtrahierer. 514
14.5.3 Carry-Select-Addiernetze. 515
14.5.4 Carry-Save-Addiernetze. 517
14.5.5 Multiplizierer. 518
14.6 Prinzipieller Aufbau einer ALU. 520
Kapitel 15 Schaltwerke 523
15.1 Rätsel: Waldlauf, Schnapsgläser und mehr. 524
15.2 Synchrone und asynchrone Schaltwerke. 525
15.3 Schaltungen mit
Delays
. 526
15.3.1 4-Bit-Ringzähler als synchrones Schaltwerk. 526
15.3.2
Delays
. 527
15.3.3 Realisierung von
Delays
mit Flipflops. 529
15.4 Zähler und Frequenzteiler. 537
15.4.1 Synchroner 4-Bit-Ringzähler mit JK-Flipflops. 537
15.4.2 Asynchroner 4-Bit-Ringzähler mit T-Flipflops. 539
15.4.3 Synchroner BCD-Zähler (Mod-10) mit T-Flipflops. 540
15.4.4 Asynchroner BCD-Zähler (Mod-10) mit JK-Flipflops. 540
15.5 Schieberegister. 541
15.6 Entwurf synchroner Schaltwerke mittels Automaten. 543
15.6.1 Kurze Einführung in die Automatentheorie. 543
15.6.2 Entwurf von Schaltwerken mit Moore- und Mealy-Automaten. 546
Kapitel
16 Prozessorarchitekturen, Speicher und Caches 557
16.1 Rätsel: Schachbrett-Quadrate, Flickenmuster, Kreuzformfirma. 558
16.2 CISC und RISC. 559
16.3
Pipelining
(Fließbandverarbeitung). 561
16.3.1 Unterschiedliche Phasen beim
Pipelining
. 561
16.3.2 Geschwindigkeitsgewinn beim
Pipelining
. 563
16.3.3
Hazards
beim
Pipelining.
565
16.4 Speicher für Prozessoren. 568
16.5 Caches. 571
16.5.1 Das Lokalitätsprinzip und der Cache-Controller. 572
16.5.2 Der Lesezugriff. 573
16.5.3 Vollassoziative und direktabgebildete Caches. 575
16.5.4 Der Schreibzugriff. 578
16.6 Virtueller Speicher. 580
16.6.1
Paging
. 581
16.6.2 Segmentierung. 583
Teil
IV
Theoretische Informatik 585
Kapitell 7 Automatentheorie und formale Sprachen 587
17.1 Rätsel: Weg durch ein Labyrinth und um die Ecke gedacht. 588
17.2 Lexikalische und syntaktische Analyse. 588
17.3 Reguläre Sprachen und endliche Automaten. 590
17.3.1 Alphabet, Wort und Sprache. 590
17.3.2 Reguläre Ausdrücke. 591
17.3.3 Endliche Automaten und reguläre Sprachen. 593
17.3.4 Realisierung endlicher Automaten. 595
17.3.5
lex
- Ein Werkzeug für die lexikalische Analyse. 596
17.4 Kontextfreie Sprachen und Kellerautomaten. 600
17.4.1 Kontextfreie Grammatiken. 600
17.4.2 Kellerautomaten. 603
17.4.3
yace
- Ein Werkzeug für die Syntaxanalyse. 606
17.4.4
lex
und
yace
im Zusammenspiel. 610
s
17.4.5 Rekursion bei der Syntaxanalyse. 611
17.5 Die unterschiedlichen Phasen eines Compilers. 611
Kapitel 18 Berechenbarkeitstheorie 615
18.1 Rätsel: Kneipen, Ei, stehen gebliebene Uhr und Alter. 616
18.2 Berechenbare Funktionen. 617
18.3 Nicht berechenbare Funktionen. 618
18.3.1 Das Diagonalverfahren von
Cantor
. 618
18.3.2 Nicht durch einen Algorithmus berechenbare Funktionen. 619
18.3.3 Die Church'sche Algorithmus-Definition. 619
18.4
Berechenbarkeitskonzepte
. 620
18.4.1
Turingmaschinen
. 620
18.4.2
Turing-berechenbare
Funktionen. 623
18.4.3
Registermaschinen
. 623
18.4.4
GOTO- und WHILE-Programme
. 624
18.4.5
LOOP-Programme (FOR-Programme)
. 626
18.4.6 Primitive Rekursion. 627
18.4.7
μ
-Rekursion
. 630
18.4.8 Die Ackermann-Funktion. 631
18.4.9 Die Church'sche These und die Chomsky-Hierarchie. 633
18.5 Prinzipiell unlösbare Probleme. 634
18.5.1 Entscheidbare Mengen. 634
18.5.2 Semi-entscheidbare Mengen (Game
of Life
und Halteproblem) . 635
18.5.3 Unberechenbarkeit (Fleißiger Biber). 639
Kapitel 19 Komplexitätstheorie 643
19.1 Rätsel: Falsche Uhrzeit, Kalenderrechnen und mehr. 644
19.2 Die Klasse
Ρ
für praktisch lösbare Probleme. 644
19.3 Nichtdeterminismus und die Klasse NP. 645
19.3.1 Das SAT-Problem als erstes NP-Problem. 645
19.3.2 Reduzierung auf ja/nein-Probleme mit zugehörigen Sprachen . 646
19.3.3 Nichtdeterminismus. 646
19.3.4 Die Klasse NP. 647
19.4 Der Satz von Cook und NP-Vollständigkeit. 649
19.4.1 Das Dreifarbenproblem als Spezialfall des SAT-Problems. 649
19.4.2 NP-Vollständigkeit. 650
19.4.3
Ρ
= NP?. 651
19.4.4 Das
ЗЅАТ
-Problem
. 651
19.4.5 Das Cliquenproblem. 652
19.4.6 Das Rucksack- und Teilsummen-Problem. 654
19.4.7 Das
Hamilton-Problem
. 659
19.4.8 Das Problem des Handlungsreisenden. 659
19.4.9 Hierarchie der NP-vollständigen Probleme. 662
19.5 Approximationsalgorithmen. 662
Teil
V
Codes, Kompression,
Kryptografie
667
Kapitel 20 Fehlertolerante Codes 669
20.1 Rätsel: Auf der Demo mit Bruder und Schwester. 670
20.2 Motivation für fehlertolerante Codes. 670
20.3 „k aus
ď'-Codes
. 670
20.4 Der Hammingabstand eines Codes. 671
20.5 Eindimensionale Parity-Prüfung. 673
20.6 Zweidimensionale Parity-Prüfung. 674
20.7
Hamming-Code
. ;. 679
20.8 CRC-Kodierung. 681
Kapitel 21 Datenkompression 685
21.1 Rätsel: Tierseuche. 686
21.2 Verlustbehaftete und verlustlose Kompression. 686
21.3 Codes mit variabel langen Codewörtern. 686
21.4 Fano-Bedingung für Dekodierbarkeit eines Codes. 687
21.5 Lauflängenkodierung
(„run-length encoding")
. 688
21.6 Shannon-Fano-Kodierung. 689
21.7 Huffman-Kodierung. 689
21.8 Arithmetische Kodierung. 693
21.9 Lempel-Ziv-Kodierungen. 696
21.9.1 Der LZ77-Algorithmus. 698
21.9.2 Der LZSS-Algorithmus. 699
21.9.3 Der LZ78-Algorithmus. 700
21.9.4 Der LZW-Algorithmus. 701
21.9.5 Varianten der Lempel-Ziv-Kodierung. 705
Kapitel 22
Kryptografie
707
22.1 Rätsel: Weinflasche und Erben von Weinfässern. 708
22.2 Allgemeines zu
Kryptosystemen
. 708
22.3 Einfache Verschlüsselungsmethoden. 708
22.3.1 Cäsar-Chiffre. 708
22.3.2 Chiffre mit eigener Zuordnungstabelle. 709
22.4 Vigenere-Verschlüsselungsmethoden. 709
22.5 Verschlüsselung mittels Zufallsfolgen. 710
22.6 Kryptosysteme mit öffentlichen Schlüsseln. 712
22.6.1 Eigenschaften von Public-Key-Systemen. 712
22.6.2 Der Satz von Euler. 713
22.6.3 Schlüsselerzeugung beim RSA-Algorithmus. 714
22.6.4
Ver-
und Entschlüsselung mit dem RSA-Algorithmus. 716
22.7 Quantenkryptografie. 718
Weiterführende Literatur 721
Sachregister 727
Demonstrationsprogramme und
HTML-ZXML-Dateien
739
Simulationsprogramme 743 |
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
Kapitel 1 Einleitung 15
1.1 Idee dieses Buches. 16
1.2 Beispiele, Übungen und Rätsel. 17
1.3 Begleitmaterial zu diesem Buch. 17
1.4 Danksagung. 18
1.5 Hinweis in eigener Sache. 19
Teil
I
Einführung in die Informatik 21
Kapitel 2 Die Historie und die Teilgebiete der Informatik 23
2.1 Rätsel: Streichholzprobleme. 24
2.2 Der Begriff Informatik. 24
2.3 Historische Entwicklung der Informatik. 24
2.3.1 Der
Abakus
. 24
2.3.2 Der Begriff Algorithmus und Ibn
Musa
Al-Chwarismi. 27
2.3.3 Wichtige Stationen von 1500 bis 1930. 28
2.3.4 Konrad Zuse und der erste funktionstüchtige Computer. 30
2.3.5 Howard H. Aiken und die Mark
1
. 32
2.3.6 John von Neumann. 32
2.3.7 Generationen der elektronischen Datenverarbeitung. 33
2.4 Einordnung und Einteilung der Informatik. 37
2.4.1 Verschiedene Einsatzgebiete von Computern (Informatik). 37
2.4.2 Die Teilgebiete der Informatik. 38
2.4.3 Die Informatik und unsere Abhängigkeit von ihr. 41
Kapitel 3 Speicherung und Interpretation von Information 43
3.1 Rätsel: Umfüllprobleme. 44
3.2 Unterschiedliche Zahlensysteme. 44
3.2.1 Das römische Zahlensystem. 44
3.2.2 Positionssysteme. 45
3.2.3 Positionssysteme bei natürlichen Zahlen. 46
3.2.4 Positionssysteme bei gebrochenen Zahlen. 51
3.3 Dual-, Oktal- und Hexadezimalsystem. 52
3.3.1 Das Dualsystem und das Bit im Rechner. 52
3.3.2 Konvertieren zwischen Dual- und Oktalsystem. 53
3.3.3 Konvertieren zwischen Dual- und Hexadezimalsystem. 53
3.4 Konvertierungsalgorithmen. 55
3.4.1 Konvertieren von anderen Systemen in das Dezimalsystem. 55
3.4.2 Konvertieren vom Dezimalsystem in andere Positionssysteme . 55
3.4.3 Konvertieren echt gebrochener Zahlen. 56
3.4.4 Konvertieren unecht gebrochener Zahlen. 58
3.5 Rechenoperationen im Dualsystem. 58
3.5.1 Addition. 58
3.5.2 Subtraktion und Darstellung negativer Zahlen. 59
3.5.3 Multiplikation und Division. 63
3.5.4 Konvertieren durch sukzessive Multiplikation und Addition_ 63
3.6 Reelle Zahlen. 64
3.6.1 Festpunktzahlen. 64
3.6.2 Gleitpunktzahlen und das IEEE-Format. 64
3.7 Codes zur Darstellung von Zeichen. 67
3.7.1 ASCII-Code. 67
3.7.2 Unicode. 70
3.8 Weitere Codes für Zahlen und Zeichen. 71
3.8.1
BCD-Code
für Zahlen. 71
3.8.2 Gray-Code. 72
3.8.3 Barcode. 72
3.9 Duale Größenangaben. 73
3.10 Die Grunddatentypen in der Programmiersprache C/C++. 73
Kapitel 4 Boolesche Algebra 77
4.1 Analytische Rätsel (1). 78
4.2 George
Boole
und seine Algebra mit nur zwei Werten. 78
4.3 Operatoren. 79
4.4 Boolesche Schaltungen. 81
4.5 Axiome. 81
4.6 Funktionen. 83
Kapitel 5 Hardware-Komponenten eines Computers 87
5.1 Analytische Rätsel (2). 88
5.2 Aufbau von Computersystemen. 88
5.2.1 Zentraleinheit und Peripheriegeräte. 88
5.2.2 EVA und das von-Neumann'sche-Rechnermodell. 89
5.3 Die heutigen Personal Computer (PCs). 91
5.4 Die Zentraleinheit. 91
5.4.1 Der Prozessor. 93
5.4.2 Der Arbeitsspeicher. 103
5.4.3
ROMs
zur Speicherung von Programmen und konstanten Daten . 105
5.4.4 Das BIOS. 107
5.4.5 Busse und Schnittstellen (Anschlüsse). 108
5.5 Die Peripherie. 113
5.5.1 Massenspeicher. 113
5.5.2 Eingabegeräte. 118
5.5.3 Ausgabegeräte. 120
5.6 Modell eines einfachen Prozessorsystems. 123
5.7 Alternative Rechnerarchitekturen (Neuronale Netze). 128
Kapitel 6 Vom Programm zum Maschinenprogramm 12g
6.1 Analytische Rätsel (3). 130
6.2 Entwicklung eines Programms. 130
6.3 Programmierwerkzeuge. 131
6.3.1 Unterschiedliche Arten der Übersetzung. 131
Θ.3.2
Der Compiler. 132
6.3.3 Der Linker. 133
6.3.4 Der Lader (und
Locator)
. 135
6.3.5 Der Debugger. 136
Teil
II
Praktische Informatik 139
Kapitel 7 Programmiersprachen 141
7.1 Analytische Rätsel (4). 142
7.2 Höhere Programmiersprachen. 142
7.3 Grundlagen der Programmierung. 145
7.3.1 Spezifikation einer Aufgabenstellung. 145
7.3.2 Der Begriff Algorithmus. 146
7.3.3 Formulierung und Darstellung eines Algorithmus. 146
7.3.4 Programm = Daten + Algorithmus. 148
7.4 Datentypen und Operatoren in C/C++ und Java. 154
7.4.1 Datentypen und Konstanten. 154
7.4.2 Bezeichner. 156
7.4.3 Grundlegende Operatoren. 156
7.4.4 Die logischen Operatoren &&, 11 und !. 157
7.4.5 Die Shift-Operatoren « und ». 157
7.4.6 Die Postfix- und Präfixoperatoren ++ und —. 158
7.4.7 Die Bit-Operatoren &, |,
л
und ~. 159
7.4.8 Prioritäten und Assoziativitäten der Operatoren. 160
7.5 Formulierung von Algorithmen in C/C++ und Java. 162
7.5.1 Sequenz. 162
7.5.2 Verzweigungen mit
if
. 162
7.5.3 Verzweigungen mit
switch
. 168
7.5.4 for-Schleife (Schleife mit der Abfrage am Anfang). 169
7.5.5 while-Schleife (Schleife mit der Abfrage am Anfang). 176
7.5.6
do.
while-Schleife (Schleife mit der Abfrage am Ende). 179
7.5.7 Abbruch von Schleifen mit
break
. 180
7.5.8 Abbruch eines einzelnen Schleifendurchlaufs mit
continue
. 182
7.5.9 Abbruch mehrerer geschachtelter Schleifen mit goto. 182
7.5.10 Programmabbruch mit
exit
. 183
7.5.11 Allgemeines zu Funktionen bzw. Methoden. 183
7.5.12 Rekursive Funktionen bzw. rekursive Methoden. 193
7.5.13
Arrays
. 202
7.5.14
Strings
. 207
7.5.15 Zufallszahlen. 210
7.5.16 Argumente auf der Kommandozeile. 212
7.5.17 Ausnahmen
(Exceptions) in
Java. 213
7.5.18 Dateien. 214
7.5.19 Strukturen in C/C++. 223
7.6 Objektorientierte Programmierung mit Java. 225
7.6.1 Meilensteine in der Softwareentwicklung. 225
7.6.2 Einführung in die Objektorientierung. 233
7.6.3 Klassen und Objekte. 240
7.6.4 Konstruktoren. 246
7.6.5 Vererbung und Polymorphismus. 247
7.6.6 GUI-Programmierung in Java. 256
Kapitel 8 Datenstrukturen und Algorithmen 269
8.1 Analytische Rätsel (5). 270
8.2 Grundlegende Datenstrukturen. 271
8.2.1 Allgemeine Eigenschaften von Daten. 271
8.2.2 Basis-Datentypen. 271
8.2.3 Datenstruktur = Daten + Operationen. 271
8.2.4 Verkettete Listen. 272
8.2.5 Stack (Stapel). 285
8.2.6 Queue (Warteschlange). 293
8.3 Bäume. 298
8.3.1 Grundlegendes zu Bäumen. 298
8.3.2 Binäre Bäume. 300
8.3.3 Baumrekursion bei Bäumen mit mehr als zwei Zweigen. 315
8.4 Komplexität von Algorithmen und O-Notation. 326
8.4.1 Zeitaufwand. 326
8.4.2 Speicherplatzbedarf. 329
8.4.3 Klassifikation von Algorithmen. 330
8.4.4 Die O-Notation. 332
8.4.5 Wahl eines Algorithmus. 338
8.4.6 Einfache Optimierungen bei der Implementierung. 339
8.5 Elementare Sortieralgorithmen. 342
8.5.1 Grundsätzliches zu Sortieralgorithmen. 342
8.5.2
Bubble-Sort
. 343
8.5.3
Insert-Sort.
345
8.5.4
Select-Sort
. 346
8.5.5 Zeitmessungen für
Bubble-, Insert-
und
Select-Sort
. 347
8.5.6 Distribution
Count-Sort (Bucket-Sort)
. 348
8.6
Shell-Sort
. 351
8.7
Quicksort
. 353
8.8
Mergesort
. 355
8.8.1 Rekursiver
Mergesort
für
Arrays
. 355
8.8.2 Nicht-rekursiver Mergesort für
Arrays
. 357
8.8.3 Analyse des Mergesort. 358
8.8.4 Mischen von zwei sortierten
Arrays
. 358
8.9
Backtracking.
359
8.9.1 Finden in einem Labyrinth. 359
8.9.2 Das Achtdamen-Problem. 361
8.9.3 Rekursives Füllen von Figuren. 363
8.9.4 Sudoku. 363
8.9.5 Branch-and-Bound-Verfahren. 364
Kapitel 9 Betriebssysteme 365
9.1 Rätsel: Überquerung einer Hängebrücke. 366
9.2 Der Begriff Betriebssystem. 366
9.3 Die Geschichte von Betriebssystemen. 366
9.4 Grundaufgaben von Betriebssystemen. 369
9.5 Aufbau und Dienste von Betriebssystemen. 370
9.5.1 Schichtenaufbau. 371
9.5.2 Prozesse,
Threads, Scheduling.
372
9.5.3 Synchronisations-Mechanismen. 375
9.5.4 Zeitdienste (Timer). 378
9.5.5 Speicherverwaltung. 380
9.5.6 Dateiverwaltung und Dateisysteme. 381
9.5.7 Geräteverwaltung und Treiber. 384
9.5.8 Benutzerschnittstelle (Kommandozeile bzw. GUI). 386
9.5.9 Programmierschnittstelle (API). 388
9.6 Besonderheiten bei
Embedded
Systemen. 391
Kapitel 10 Rechnernetze und das Internet 395
10.1 Synthetische Rätsel (1). 396
10.2 Grundlagen der Vernetzung von Rechnern. 396
10.3 Das ISO/OSI-Modell und Internet-Protokolle. 397
10.4 Internet-Protokolle in Rechnernetzen. 399
10.4.1 Grundbegriffe zu TCP/IP-Netzen. 399
10.4.2 TCP/IP-Protokolle. 402
10.5 Hubs, Switches, Router und Gateways. 407
10.6 Grundlagen der Socket-Programmierung. 407
10.7 Verteilte Anwendungen. 407
10.8 Das World Wide Web (WWW). 409
10.8.1 Wichtige Komponenten und Konzepte des WWW. 409
10.8.2 Kurze Einführung in HTML. 411
10.8.3
Cascading
Style Sheets (CSS). 424
10.8.4 Eine kurze Einführung in XML. 426
10.8.5
XHTML
- das neue, XML-basierte HTML. 429
10.8.6 Web-Programmierung. 429
Kapitel
11 Datenbanksysteme 437
11.1 Synthetische Rätsel (2).-; :. 438
11.2 Grundlegendes zu Datenbanksystemen. 438
11.2.1 Aufgaben einer Datenbank. 438
11.2.2 Vorteile von Datenbanken. 439
11.2.3 Datenunabhängigkeit. 440
11.3 Datenmodelle. 441
11.3.1 Das Entity-Relationship-Modell. 441
11.3.2 Das relationale Datenmodell. 442
11.3.3 Die relationale Algebra. 444
11.4 Die Datenbanksprache SQL. 445
11.4.1 Datendefinition. 446
11.4.2 Einfügen, Ändern und Löschen von Datensätzen. 447
11.4.3 Anfragen mit
select
. 448
Kapitel 12 Software Engineering 451
12.1 Synthetische Rätsel (3). 452
12.2 Die Software-Krise. 452
12.3 Eine geeignete Software-Architektur. 454
12.4 UML-Diagramme für die Modellierung. 454
12.4.1 Statische Modellierung in UML. 455
12.4.2 Dynamische Modellierung in UML. 457
12.5 Modellierungsmöglichkeiten für die Software. 459
12.6 Notwendigkeit von Prozessen. 459
12.7 Der wichtige Prozess
„Requirement
Engineering". 460
12.7.1 Das UML-Anwendungsfalldiagramm
(Use Case Diagram)
. 461
12.7.2 Das UML-Aktivitätsdiagramm. 462
12.7.3 Genaue Klärung der Kundenanforderungen. 464
12.8 Prozessmodelle. 465
12.8.1 Schwer- und leichtgewichtige Prozessmodelle. 465
12.8.2 Das Wasserfall-Modell. 465
12.8.3 Das V-Modell. 467
12.8.4 Inkrementelle und iterative Prozessmodelle. 468
12.8.5 Agiles Vorgehen mit eXtreme Programming (XP). 470
12.9 Qualität eines Software-Produktes aus Kundensicht. 472
Teil
III
Technische Informatik 475
Kapitel 13 Transistoren, Chips und logische Bausteine 477
13.1 Synthetische Rätsel (4). 478
13.2 Transistoren. 478
13.2.1 Funktionsweise und Aufbau von Transistoren. 478
13.2.2 Realisierung boolescher Funktionen mit Transistoren. 480
13.3 Chips. 481
13.3.1 Geschichtliche Entwicklung. 481
13.3.2 Herstellungsprozess. 482
13.4 Logische Bausteine. 483
13.4.1 Gatter. 483
13.4.2 Decoder. 484
13.4.3 Encoder. 485
13.4.4
Multiplexer
(Selektor).
485
13.4.5
Demultiplexer
. 488
Kapitel 14 Schaltnetze 491
14.1 Ein dialektisches Rätsel. 492
14.2 Normalformen von Schaltfunktionen. 492
14.2.1 Disjunktive Normalform (DNF). 492
14.2.2 Konjunktive Normalform (KNF). 493
14.2.3 Allgemeines Verfahren beim Erstellen einer Schaltung. 494
14.2.4 Schaltkreisrealisierung durch PLAs. 495
14.3 Entwurf von Schaltnetzen. 498
14.4 Minimierung logischer Ausdrücke. 499
14.4.1
Karnaugh-
Veitch-Diagramme
(KV-Diagramme). 499
14.4.2
Don't
Care
Argumente. 503
14.4.3 Quine-McCluskey-Verfahren. 506
14.5 Addiernetze. 512
14.5.1 Paralleladdierer. 512
14.5.2 Paralleladdierer und -subtrahierer. 514
14.5.3 Carry-Select-Addiernetze. 515
14.5.4 Carry-Save-Addiernetze. 517
14.5.5 Multiplizierer. 518
14.6 Prinzipieller Aufbau einer ALU. 520
Kapitel 15 Schaltwerke 523
15.1 Rätsel: Waldlauf, Schnapsgläser und mehr. 524
15.2 Synchrone und asynchrone Schaltwerke. 525
15.3 Schaltungen mit
Delays
. 526
15.3.1 4-Bit-Ringzähler als synchrones Schaltwerk. 526
15.3.2
Delays
. 527
15.3.3 Realisierung von
Delays
mit Flipflops. 529
15.4 Zähler und Frequenzteiler. 537
15.4.1 Synchroner 4-Bit-Ringzähler mit JK-Flipflops. 537
15.4.2 Asynchroner 4-Bit-Ringzähler mit T-Flipflops. 539
15.4.3 Synchroner BCD-Zähler (Mod-10) mit T-Flipflops. 540
15.4.4 Asynchroner BCD-Zähler (Mod-10) mit JK-Flipflops. 540
15.5 Schieberegister. 541
15.6 Entwurf synchroner Schaltwerke mittels Automaten. 543
15.6.1 Kurze Einführung in die Automatentheorie. 543
15.6.2 Entwurf von Schaltwerken mit Moore- und Mealy-Automaten. 546
Kapitel
16 Prozessorarchitekturen, Speicher und Caches 557
16.1 Rätsel: Schachbrett-Quadrate, Flickenmuster, Kreuzformfirma. 558
16.2 CISC und RISC. 559
16.3
Pipelining
(Fließbandverarbeitung). 561
16.3.1 Unterschiedliche Phasen beim
Pipelining
. 561
16.3.2 Geschwindigkeitsgewinn beim
Pipelining
. 563
16.3.3
Hazards
beim
Pipelining.
565
16.4 Speicher für Prozessoren. 568
16.5 Caches. 571
16.5.1 Das Lokalitätsprinzip und der Cache-Controller. 572
16.5.2 Der Lesezugriff. 573
16.5.3 Vollassoziative und direktabgebildete Caches. 575
16.5.4 Der Schreibzugriff. 578
16.6 Virtueller Speicher. 580
16.6.1
Paging
. 581
16.6.2 Segmentierung. 583
Teil
IV
Theoretische Informatik 585
Kapitell 7 Automatentheorie und formale Sprachen 587
17.1 Rätsel: Weg durch ein Labyrinth und um die Ecke gedacht. 588
17.2 Lexikalische und syntaktische Analyse. 588
17.3 Reguläre Sprachen und endliche Automaten. 590
17.3.1 Alphabet, Wort und Sprache. 590
17.3.2 Reguläre Ausdrücke. 591
17.3.3 Endliche Automaten und reguläre Sprachen. 593
17.3.4 Realisierung endlicher Automaten. 595
17.3.5
lex
- Ein Werkzeug für die lexikalische Analyse. 596
17.4 Kontextfreie Sprachen und Kellerautomaten. 600
17.4.1 Kontextfreie Grammatiken. 600
17.4.2 Kellerautomaten. 603
17.4.3
yace
- Ein Werkzeug für die Syntaxanalyse. 606
17.4.4
lex
und
yace
im Zusammenspiel. 610
s
17.4.5 Rekursion bei der Syntaxanalyse. 611
17.5 Die unterschiedlichen Phasen eines Compilers. 611
Kapitel 18 Berechenbarkeitstheorie 615
18.1 Rätsel: Kneipen, Ei, stehen gebliebene Uhr und Alter. 616
18.2 Berechenbare Funktionen. 617
18.3 Nicht berechenbare Funktionen. 618
18.3.1 Das Diagonalverfahren von
Cantor
. 618
18.3.2 Nicht durch einen Algorithmus berechenbare Funktionen. 619
18.3.3 Die Church'sche Algorithmus-Definition. 619
18.4
Berechenbarkeitskonzepte
. 620
18.4.1
Turingmaschinen
. 620
18.4.2
Turing-berechenbare
Funktionen. 623
18.4.3
Registermaschinen
. 623
18.4.4
GOTO- und WHILE-Programme
. 624
18.4.5
LOOP-Programme (FOR-Programme)
. 626
18.4.6 Primitive Rekursion. 627
18.4.7
μ
-Rekursion
. 630
18.4.8 Die Ackermann-Funktion. 631
18.4.9 Die Church'sche These und die Chomsky-Hierarchie. 633
18.5 Prinzipiell unlösbare Probleme. 634
18.5.1 Entscheidbare Mengen. 634
18.5.2 Semi-entscheidbare Mengen (Game
of Life
und Halteproblem) . 635
18.5.3 Unberechenbarkeit (Fleißiger Biber). 639
Kapitel 19 Komplexitätstheorie 643
19.1 Rätsel: Falsche Uhrzeit, Kalenderrechnen und mehr. 644
19.2 Die Klasse
Ρ
für praktisch lösbare Probleme. 644
19.3 Nichtdeterminismus und die Klasse NP. 645
19.3.1 Das SAT-Problem als erstes NP-Problem. 645
19.3.2 Reduzierung auf ja/nein-Probleme mit zugehörigen Sprachen . 646
19.3.3 Nichtdeterminismus. 646
19.3.4 Die Klasse NP. 647
19.4 Der Satz von Cook und NP-Vollständigkeit. 649
19.4.1 Das Dreifarbenproblem als Spezialfall des SAT-Problems. 649
19.4.2 NP-Vollständigkeit. 650
19.4.3
Ρ
= NP?. 651
19.4.4 Das
ЗЅАТ
-Problem
. 651
19.4.5 Das Cliquenproblem. 652
19.4.6 Das Rucksack- und Teilsummen-Problem. 654
19.4.7 Das
Hamilton-Problem
. 659
19.4.8 Das Problem des Handlungsreisenden. 659
19.4.9 Hierarchie der NP-vollständigen Probleme. 662
19.5 Approximationsalgorithmen. 662
Teil
V
Codes, Kompression,
Kryptografie
667
Kapitel 20 Fehlertolerante Codes 669
20.1 Rätsel: Auf der Demo mit Bruder und Schwester. 670
20.2 Motivation für fehlertolerante Codes. 670
20.3 „k aus
ď'-Codes
. 670
20.4 Der Hammingabstand eines Codes. 671
20.5 Eindimensionale Parity-Prüfung. 673
20.6 Zweidimensionale Parity-Prüfung. 674
20.7
Hamming-Code
. ;. 679
20.8 CRC-Kodierung. 681
Kapitel 21 Datenkompression 685
21.1 Rätsel: Tierseuche. 686
21.2 Verlustbehaftete und verlustlose Kompression. 686
21.3 Codes mit variabel langen Codewörtern. 686
21.4 Fano-Bedingung für Dekodierbarkeit eines Codes. 687
21.5 Lauflängenkodierung
(„run-length encoding")
. 688
21.6 Shannon-Fano-Kodierung. 689
21.7 Huffman-Kodierung. 689
21.8 Arithmetische Kodierung. 693
21.9 Lempel-Ziv-Kodierungen. 696
21.9.1 Der LZ77-Algorithmus. 698
21.9.2 Der LZSS-Algorithmus. 699
21.9.3 Der LZ78-Algorithmus. 700
21.9.4 Der LZW-Algorithmus. 701
21.9.5 Varianten der Lempel-Ziv-Kodierung. 705
Kapitel 22
Kryptografie
707
22.1 Rätsel: Weinflasche und Erben von Weinfässern. 708
22.2 Allgemeines zu
Kryptosystemen
. 708
22.3 Einfache Verschlüsselungsmethoden. 708
22.3.1 Cäsar-Chiffre. 708
22.3.2 Chiffre mit eigener Zuordnungstabelle. 709
22.4 Vigenere-Verschlüsselungsmethoden. 709
22.5 Verschlüsselung mittels Zufallsfolgen. 710
22.6 Kryptosysteme mit öffentlichen Schlüsseln. 712
22.6.1 Eigenschaften von Public-Key-Systemen. 712
22.6.2 Der Satz von Euler. 713
22.6.3 Schlüsselerzeugung beim RSA-Algorithmus. 714
22.6.4
Ver-
und Entschlüsselung mit dem RSA-Algorithmus. 716
22.7 Quantenkryptografie. 718
Weiterführende Literatur 721
Sachregister 727
Demonstrationsprogramme und
HTML-ZXML-Dateien
739
Simulationsprogramme 743 |
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