Grundlagen der Informatik:
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Hallbergmoos
Pearson
[2017]
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Titel: Grundlagen der Informatik
Autor: Herold, Helmut
Jahr: 2017
Inhaltsverzeichnis
Vorwort 17
Kapitel 1 Einleitung ig
1.1 Idee dieses Buches 20
1.2 Beispiele, Übungen und Rätsel 21
1.3 Begleitmaterial zu diesem Buch 22
1.4 Danksagung 23
1.5 Hinweis in eigener Sache 23
Teil I Einführung in die Informatik 25
Kapitel 2 Die Historie und die Teilgebiete der Informatik 27
2.1 Streichholzprobleme 28
2.2 Der Begriff Informatik 28
2.3 Historische Entwicklung der Informatik 28
2.3.1 DerAbakus 28
2.3.2 Der Begriff Algorithmus und Ihn Musa Al-Chwarismi 31
2.3.3 Wichtige Stationen von 1500 bis 1930 32
2.3.4 Konrad Zuse und der erste funktionstüchtige Computer 34
2.3.5 Howard H. Aiken und die Mark 1 36
2.3.6 John von Neumann 36
2.3.7 Generationen der elektronischen Datenverarbeitung 37
2.4 Einordnung und Einteilung der Informatik 41
2.4.1 Verschiedene Einsatzgebiete von Computern (Informatik) 41
2.4.2 Die Teilgebiete der Informatik 42
2.4.3 Die Informatik und unsere Abhängigkeit von ihr 45
Kapitel 3 Speicherung und Interpretation von Information 47
3.1 Umfüllprobleme 48
3.2 Unterschiedliche Zahlensysteme 48
3.2.1 Das römische Zahlensystem 48
3.2.2 Positionssysteme 49
3.2.3 Positionssysteme bei natürlichen Zahlen 50
3.2.4 Positionssysteme bei gebrochenen Zahlen 55
3.3 Dual-, Oktal- und Hexadezimalsystem 56
3.3.1 Das Dualsystem und das Bit im Rechner 56
3.3.2 Konvertieren zwischen Dual- und Oktalsystem 57
3.3.3 Konvertieren zwischen Dual- und Hexadezimalsystem 57
3.4 Konvertierungsalgorithmen 59
3.4.1 Konvertieren von anderen Systemen in das Dezimalsystem 59
3.4.2 Konvertieren vom Dezimalsystem in andere Positionssysteme . 59
3.4.3 Konvertieren echt gebrochener Zahlen 60
3.4.4 Konvertieren unecht gebrochener Zahlen 62
3.5 Rechenoperationen im Dualsystem 62
3.5.1 Addition 62
3.5.2 Subtraktion und Darstellung negativer Zahlen 63
3.5.3 Multiplikation und Division 67
3.5.4 Konvertieren durch sukzessive Multiplikation und Addition 67
3.6 Reelle Zahlen 68
3.6.1 Festpunktzahlen 68
3.6.2 Gleitpunktzahlen und das IEEE-Format 68
3.7 Codes zur Darstellung von Zeichen 71
3.7.1 ASCII-Code 71
3.7.2 Unicode 74
3.8 Weitere Codes für Zahlen und Zeichen 75
3.8.1 BCD-Code für Zahlen 75
3.8.2 Gray-Code 76
3.8.3 Barcode 77
3.9 Duale Größenangaben 77
3.10 Die Grunddatentypen in der Programmiersprache C/C++ 78
Kapitel 4 Boole'sche Algebra 81
4.1 Analytische Rätsel (1) 82
4.2 George Boole und seine Algebra mit nur zwei Werten 82
4.3 Operatoren 83
4.4 Boole'sche Schaltungen 85
4.5 Boole'sche Rechenregeln 85
4.6 Funktionen 87
Kapitel 5 Hardwarekomponenten eines Computers 91
5.1 CSS) Analytische Rätsel (2) 92
5.2 Aufbau von Computersystemen 92
5.2.1 Zentraleinheit und Peripheriegeräte 92
5.2.2 EVA und das von-Neumann'sche-Rechnermodell 94
5.3 Die heutigen Personal Computer (PCs) 95
5.4 Die Zentraleinheit 96
5.4.1 Der Prozessor 97
5.4.2 Der Arbeitsspeicher 108
5.4.3 ROMs zur Speicherung von Programmen und konstanten Daten . 110
5.4.4 Das BIOS 112
5.4.5 Busse und Schnittstellen (Anschlüsse) 113
5.5 Die Peripherie 118
5.5.1 Massenspeicher 118
5.5.2 Eingabegeräte 123
5.5.3 Ausgabegeräte 125
5.6 Modell eines einfachen Prozessorsystems 129
5.7 Alternative Rechnerarchitekturen (Neuronale Netze) 134
Kapitel 6 Vom Programm zum Maschinenprogramm 135
6.1 Analytische Rätsel (3) 136
6.2 Entwicklung eines Programms 136
6.3 Programmierwerkzeuge 137
6.3.1 Unterschiedliche Arten der Übersetzung 137
6.3.2 Der Compiler 138
6.3.3 Der Linker 139
6.3.4 Der Lader (und Locator) 141
6.3.5 Der Debugger 142
Teil II Praktische Informatik 145
Kapitel 7 Programmiersprachen 147
7.1 Analytische Rätsel (4) 148
7.2 Höhere Programmiersprachen 148
7.3 Grundlagen der Programmierung 151
7.3.1 Spezifikation einer Aufgabenstellung 151
7.3.2 Der Begriff Algorithmus 152
7.3.3 Formulierung und Darstellung eines Algorithmus 152
7.3.4 Programm = Daten + Algorithmus 154
7.4 Datentypen und Operatoren in C/C++ und Java 160
7.4.1 Datentypen und Konstanten 160
7.4.2 Bezeichner 162
7.4.3 Grundlegende Operatoren 162
7.4.4 Die logischen Operatoren , || und ! 163
7.4.5 Die Shift-Operatoren « und » 163
7.4.6 Die Postfix- und Präfixoperatoren ++ und — 164
7.4.7 Die Bit-Operatoren , |, A und ~ 165
7.4.8 Prioritäten und Assoziativitäten der Operatoren ; 166
7.5 Formulierung von Algorithmen in C/C++ und Java 168
7.5.1 Sequenz 168
7.5.2 Verzweigungen mit if 168
7.5.3 Verzweigungen mit switch 174
7.5.4 for-Schleife (Schleife mit der Abfrage am Anfang) 175
7.5.5 while-Schleife (Schleife mit der Abfrage am Anfang) 182
7.5.6 do. while-Schleife (Schleife mit der Abfrage am Ende) 185
7.5.7 Abbruch von Schleifen mit break 186
7.5.8 Abbruch eines einzelnen Schleifendurchlaufs mit continué 188
7.5.9 Abbruch mehrerer geschachtelter Schleifen mit goto 188
7.5.10 Programmabbruch mit exit 189
7.5.11 Allgemeines zu Funktionen bzw. Methoden 189
7.5.12 Rekursive Funktionen bzw. rekursive Methoden 199
7.5.13 Arrays 208
7.5.14 Strings 213
7.5.15 Zufallszahlen 216
7.5.16 Argumente auf der Kommandozeile 218
7.5.17 Ausnahmen (Exceptions) in Java 219
7.5.18 Dateien 220
7.5.19 Strukturen in C/C++ 229
7.6 Objektorientierte Programmierung mit Java 231
7.6.1 Meilensteine in der Softwareentwicklung 231
7.6.2 Einführung in die Objektorientierung 239
7.6.3 Klassen und Objekte 246
7.6.4 Konstruktoren 252
7.6.5 Vererbung und Polymorphismus 253
7.6.6 GUI-Programmierung in Java 262
7.7 Portable GUI-Programmierung mit Qt 274
7.7.1 Allgemeines zu Qt 274
7.7.2 Grundlegende Konzepte und Konstrukte von Qt 276
7.7.3 Das Signal-Slot-Konzept von Qt 279
7.8 Programmierung paralleler Abläufe (Parallel-ProgrammierungJ 287
7.8.1 Konzepte und HW-Architekturen für parallele Abläufe 288
7.8.2 SW-Konzepte und Erstellung paralleler Programme 290
7.8.3 Parallele Programmierung mit Threads 293
7.8.4 Parallele Programmierung mit openMP 299
7.8.5 Besondere Probleme bei paralleler Bearbeitung 312
7.8.6 Ausblick 323
7.9 Funktionale Programmierung (Scala, F#J 325
Kapitel 8 Datenstrukturen und Algorithmen 329
8.1 Analytische Rätsel (5) 330
8.2 Grundlegende Datenstrukturen 331
8.2.1 Allgemeine Eigenschaften von Daten 331
8.2.2 Basis-Datentypen 331
8.2.3 Datenstruktur = Daten + Operationen 331
8.2.4 Verkettete Listen 332
8.2.5 Binäre Suche in einfach verketteten Listen (Skiplisten) 345
8.2.6 Stack (Stapel) 348
8.2.7 Queue (Warteschlange) 356
8.3 Bäume 361
8.3.1 Grundlegendes zu Bäumen 361
8.3.2 Binäre Bäume 363
8.3.3 Sich selbst balancierende Binärbäume 378
8.3.4 Splay-Bäume 380
8.3.5 B-Bäume 380
8.3.6 Baumrekursion bei Bäumen mit mehr als zwei Zweigen 382
8.4 Komplexität von Algorithmen und O-Notation 393
8.4.1 Zeitaufwand 393
8.4.2 Speicherplatzbedarf 396
8.4.3 Klassifikation von Algorithmen 397
8.4.4 Die O-Notation 399
8.4.5 Wahl eines Algorithmus 404
8.4.6 Einfache Optimierungen bei der Implementierung 406
8.5 Elementare Sortieralgorithmen 409
8.5.1 Grundsätzliches zu Sortieralgorithmen 409
8.5.2 Bubble-Sort 410
8.5.3 Insert-Sort 412
8.5.4 Select-Sort 413
8.5.5 Zeitmessungen für Bubble-, Insert- und Select-Sort 414
8.5.6 Distribution Count-Sort (Bucket-Sort) 415
8.6 Shell-Sort 418
8.7 Quicksort 420
8.8 Mergesort 422
8.8.1 Rekursiver Mergesort für Arrays 422
8.8.2 Nicht-rekursiver Mergesort für Arrays 424
8.8.3 Analyse des Mergesort 425
8.8.4 Mischen von zwei sortierten Arrays 425
8.9 Backtracking 426
8.9.1 Finden in einem Labyrinth 426
8.9.2 Das Achtdamen-Problem 428
8.9.3 Rekursives Füllen von Figuren 430
8.9.4 Sudoku 430
8.9.5 Branch-and-Bound-Verfahren 431
Kapitel 9 Betriebssysteme 433
9.1 Überquerung einer Hängebrücke 434
9.2 Der Begriff Betriebssystem 434
9.3 Die Geschichte von Betriebssystemen 434
9.4 Grundaufgaben von Betriebssystemen 437
9.5 Aufbau und Dienste von Betriebssystemen 438
9.5.1 Schichtenaufbau 439
9.5.2 Prozesse, Threads, Scheduling 440
9.5.3 Synchronisationsmechanismen 443
9.5.4 Zeitdienste (Timer) 446
9.5.5 Speicherverwaltung 448
9.5.6 Dateiverwaltung und Dateisysteme 449
9.5.7 Geräteverwaltung und Treiber 452
9.5.8 Benutzerschnittstelle (Kommandozeile bzw. GUI) 454
9.5.9 Programmierschnittstelle (API) 456
9.6 Besonderheiten bei Embedded Systems 459
Kapitel 10 Rechnernetze und das Internet 463
10.1 Synthetische Rätsel (1) 464
10.2 Grundlagen der Vernetzung von Rechnern 464
10.3 Das ISO/OSI-Modell und Internet-Protokolle 465
10.4 Internet-Protokolle in Rechnernetzen 467
10.4.1 Grundbegriffe zu TCP/IP-Netzen 467
10.4.2 TCP/IP-Protokolle 470
10.5 Hubs, Switches, Router und Gateways 475
10.6 Grundlagen der Socket-Programmierung 475
10.7 Verteilte Anwendungen 475
10.8 Das World Wide Web (WWW) 477
10.8.1 Wichtige Komponenten und Konzepte des WWW 477
10.8.2 Kurze Einführung in HTML 480
10.8.3 Kurze Einführung in CSS 491
10.8.4 Eine kurze Einführung in XML 496
10.8.5 Client-seitige Web-Programmierung 500
10.8.6 Server-seitige Web-Programmierung 506
10.9 Gefahren durch Software 507
10.9.1 Arten von Schadsoftware 508
10.9.2 Pufferüberläufe (Buffer Overflows) 511
Kapitel 11 Datenbanksysteme 519
11.1 Synthetische Rätsel (2) 520
11.2 Grundlegendes zu Datenbanksystemen 520
11.2.1 Aufgaben einer Datenbank 520
11.2.2 Vorteile von Datenbanken 521
11.2.3 Datenunabhängigkeit 522
11.3 Datenmodelle 523
11.3.1 Das Entity-Relationship-Modell 523
11.3.2 Das relationale Datenmodell 524
11.3.3 Die relationale Algebra 526
11.4 Die Datenbanksprache SQL 527
11.4.1 Datendefinition 528
11.4.2 Einfügen, Ändern und Löschen von Datensätzen 529
11.4.3 Anfragen mit select 530
Kapitel 12 Software Engineering 533
12.1 Synthetische Rätsel (3) 534
12.2 Die Software-Krise 534
12.3 Eine geeignete Software-Architektur 536
12.4 UML-Diagramme für die Modellierung 536
12.4.1 Statische Modellierung in UML 537
12.4.2 Dynamische Modellierung in UML 539
12.5 Modellierungsmöglichkeiten für die Software 541
12.6 Notwendigkeit von Prozessen 541
12.7 Der wichtige Prozess „Requirement Engineering" 542
12.7.1 Das UML-Anwendungsfalldiagramm (Use Case Diagram) 543
12.7.2 Das UML-Aktivitätsdiagramm 544
12.7.3 Genaue Klärung der Kundenanforderungen 546
12.8 Prozessmodelle 547
12.8.1 Schwer- und leichtgewichtige Prozessmodelle 547
12.8.2 Das Wasserfall-Modell 547
12.8.3 Das V-Modell 549
12.8.4 Inkrementelle und iterative Prozessmodelle 550
12.8.5 Agiles Vorgehen mit eXtreme Programming (XP) 552
12.9 Qualität eines Software-Produktes aus Kundensicht 554
Teil III Technische Informatik 557
Kapitel 13 Transistoren, Chips und logische Bausteine 559
13.1 Synthetische Rätsel (4) 560
13.2 Transistoren 560
13.2.1 Funktionsweise und Aufbau von Transistoren 560
13.2.2 Realisierung boolescher Funktionen mit Transistoren , 562
13.3 Chips 563
13.3.1 Geschichtliche Entwicklung 563
13.3.2 Herstellungsprozess 564
13.4 Logische Bausteine 565
13.4.1 Gatter 565
13.4.2 Decoder 566
13.4.3 Encoder 567
13.4.4 Multiplexer (Selektor) 567
13.4.5 Demultiplexer 570
Kapitel 14 Schaltnetze 573
14.1 Ein dialektisches Rätsel 574
14.2 Normalformen von Schaftfunktionen 574
14.2.1 Disjunktive Normalform (DNF) 574
14.2.2 Konjunktive Normalform (KNF) 575
14.2.3 Allgemeines Verfahren beim Erstellen einer Schaltung 576
14.2.4 Schaltkreisrealisierung durch PLAs 577
14.3 Entwurf von Schaltnetzen 580
14.4 Minimierung logischer Ausdrücke 581
14.4.1 Karnaugh-Veitch-Diagramme (KV-Diagramme) 581
14.4.2 Don't Care Argumente 585
14.4.3 Quine-McCluskey-Verfahren 588
14.5 Addiernetze 594
14.5.1 Paralleladdierer 594
14.5.2 Paralleladdierer und-subtrahierer 596
14.5.3 Carry-Select-Addiernetze 597
14.5.4 Carry-Save-Addiernetze 599
14.5.5 Multiplizierer 600
14.6 Prinzipieller Aufbau einer ALU 602
Kapitel 15 Schaltwerke 605
15.1 Waldlauf, Schnapsgläser und mehr 606
15.2 Synchrone und asynchrone Schaltwerke 607
15.3 Schaltungen mit Delays 608
15.3.1 4-Bit-Ringzähler als synchrones Schaltwerk 608
15.3.2 Delays 609
15.3.3 Realisierung von Delays mit Flipflops 611
15.4 Zähler und Frequenzteiler 619
15.4.1 Synchroner 4-Bit-Ringzähler mit JK-Flipflops 619
15.4.2 Asynchroner 4-Bit-Ringzähler mit T-Flipflops 621
15.4.3 Synchroner BCD-Zähler (Mod-10) mit T-Flipflops 622
15.4.4 Asynchroner BCD-Zähler (Mod-10) mit JK-Flipflops 622
15.5 Schieberegister 623
15.6 Entwurf synchroner Schaltwerke mittels Automaten 625
15.6.1 Kurze Einführung in die Automatentheorie 625
15.6.2 Entwurf von Schaltwerken mit Moore-und Mealy-Automaten. 628
Kapitel 16 Prozessorarchitekturen, Speicher und Caches 639
16.1 Schachbrett-Quadrate, Flickenmuster, Kreuzformfirma 640
16.2 CISC und RISC 641
16.3 Pipelining (Fließbandverarbeitung) 643
16.3.1 Unterschiedliche Phasen beim Pipelining 643
16.3.2 Geschwindigkeitsgewinn beim Pipelining 645
16.3.3 Hazards beim Pipelining 647
16.4 Speicher für Prozessoren 650
16.5 Caches 653
16.5.1 Das Lokalitätsprinzip und der Cache-Controller 654
16.5.2 Der Lesezugriff 655
16.5.3 Vollassoziative und direktabgebildete Caches 657
16.5.4 Der Schreibzugriff 660
16.6 Virtueller Speicher 662
16.6.1 Paging 663
16.6.2 Segmentierung 665
Teil IV Theoretische Informatik 667
Kapitel 17 Automatentheorie und formale Sprachen 669
17.1 Weg durch ein Labyrinth und um die Ecke gedacht 670
17.2 Lexikalische und syntaktische Analyse 670
17.3 Reguläre Sprachen und endliche Automaten 672
17.3.1 Alphabet, Wort und Sprache 672
17.3.2 Reguläre Ausdrücke 673
17.3.3 Endliche Automaten und reguläre Sprachen 675
17.3.4 Realisierung endlicher Automaten 677
17.3.5 lex - Ein Werkzeug für die lexikalische Analyse 678
17.4 Kontextfreie Sprachen und Kellerautomaten 682
17.4.1 Kontextfreie Grammatiken 682
17.4.2 Kellerautomaten 685
17.4.3 yacc - Ein Werkzeug für die Syntaxanalyse 688
17.4.4 lex und yacc im Zusammenspiel 692
17.4.5 Rekursion bei der Syntaxanalyse 693
17.5 Die unterschiedlichen Phasen eines Compilers 693
Kapitel 18 Berechenbarkeitstheorie 697
18.1 Kneipen, Ei, stehen gebliebene Uhr und Alter 698
18.2 Berechenbare Funktionen 699
18.3 Nicht berechenbare Funktionen 700
18.3.1 Das Diagonalverfahren von Cantor 700
18.3.2 Nicht durch einen Algorithmus berechenbare Funktionen 701
18.3.3 Die Church'sche Algorithmus-Definition 701
18.4 Berechenbarkeitskonzepte 702
18.4.1 Turingmaschinen 702
18.4.2 Turing-berechenbare Funktionen 705
18.4.3 Registermaschinen 705
18.4.4 GOTO- und WHILE-Programme 706
18.4.5 LOOP-Programme (FOR-Programme) 708
18.4.6 Primitive Rekursion 709
18.4.7 p-Rekursion 712
18.4.8 Die Ackermann-Funktion 713
18.4.9 Die Church'sche These und die Chomsky-Hierarchie 715
18.5 Prinzipiell unlösbare Probleme 716
18.5.1 Entscheidbare Mengen 716
18.5.2 semi-entscheidbare Mengen (Game of Life und Halteproblem). 717
18.5.3 Unberechenbarkeit (Fleißiger Biber) 721
Kapitel 19 Komplexitätstheorie 725
19.1 Falsche Uhrzeit, Kalenderrechnen und mehr 726
19.2 Die Klasse P für praktisch lösbare Probleme 726
19.3 Nichtdeterminismus und die Klasse NP 727
19.3.1 Das SAT-Problem als erstes NP-Problem 727
19.3.2 Reduzierung auf ja/nein-Probleme mit zugehörigen Sprachen . 728
19.3.3 Nichtdeterminismus 728
19.3.4 Die Klasse NP 729
19.4 Der Satz von Cook und NP-Vollständigkeit 731
19.4.1 Das Dreifarbenproblem als Spezialfall des SAT-Problems 731
19.4.2 NP-Vollständigkeit 732
19.4.3 P = NP? 733
19.4.4 Das 3SAT-Problem 733
19.4.5 Das Cliquenproblem 734
19.4.6 Das Rucksack-und Teilsummen-Problem 736
19.4.7 Das Hamilton-Problem 741
19.4.8 Das Problem des Handlungsreisenden 741
19.4.9 Hierarchie der NP-vollständigen Probleme 744
19.5 Approximationsalgorithmen 744
Teil V Codes, Kompression, Kryptografie 749
Kapitel 20 Fehlertolerante Codes 751
20.1 Auf der Demo mit Bruder und Schwester 752
20.2 Motivation für fehlertolerante Codes 752
20.3 „k aus n"-Codes 752
20.4 Der Hammingabstand eines Codes 753
20.5 Eindimensionale Parity-Prüfung 755
20.6 Zweidimensionale Parity-Prüfung 756
20.7 Hamming-Codes 761
20.8 CRC-Kodierung 763
Kapitel 21 Datenkompression 767
21.1 OD Tierseuche 768
21.2 Verlustbehaftete und verlustlose Kompression 768
21.3 Codes mit variabel langen Codewörtern 768
21.4 Fano-Bedingung für Dekodierbarkeit eines Codes 769
21.5 Lauflängenkodierung („run-length encoding") 770
21.6 Shannon-Fano-Kodierung 771
21.7 Huffman-Kodierung 771
21.8 Arithmetische Kodierung 775
21.9 Lempel-Ziv-Kodierungen 778
21.9.1 Der LZ77-Algorithmus 780
21.9.2 Der LZSS-Algorithmus 781
21.9.3 Der LZ78-Algorithmus 782
21.9.4 Der LZW-Algorithmus 783
21.9.5 Varianten der Lempel-Ziv-Kodierung 787
Kapitel 22 Kryptografie 789
22.1 Weinflasche und Erben von Weinfässern 790
22.2 Allgemeines zu Kryptosystemen 790
22.3 Einfache Verschlüsselungsmethoden 790
22.3.1 Cäsar-Chiffre 790
22.3.2 Chiffre mit eigener Zuordnungstabelle 791
22.4 Vigenére-Verschlüsselungsmethoden 791
22.5 Verschlüsselung mittels Zufallsfolgen 792
22.6 Kryptosysteme mit öffentlichen Schlüsseln 794
22.6.1 Eigenschaften von Public-Key-Systemen 794
22.6.2 Der Satz von Euler 795
22.6.3 Schlüsselerzeugung beim RSA-Algorithmus 796
22.6.4 Ver- und Entschlüsselung mit dem RSA-Algorithmus 798
Weiterführende Literatur 801
Sachregister 807 |
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