Holdings: Grundlagen der Informatik

Grundlagen der Informatik:

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Bibliographic Details
Main Authors:	Herold, Helmut 1956- (Author), Lurz, Bruno (Author), Lurz, Martin (Author), Wohlrab, Jürgen 1966- (Author)
Format:	Book
Language:	German
Published:	München Pearson [2023]
Edition:	4., aktualisierte Auflage
Series:	it Informatik
Subjects:	Informatik Lehrbuch
Online Access:	Inhaltsverzeichnis
Physical Description:	875 Seiten Illustrationen 24 cm
ISBN:	9783868944488 3868944486

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adam_text	INHALTSVERZEICHNIS VORWORT 17 KAPITEL 1 EINLEITUNG 19 1.1 IDEE DIESES BUCHES ........................................................................................ 20 1.2 BEISPIELE, UEBUNGEN UND RAETSEL ..................................................................... 21 1.3 BEGLEITMATERIAL ZU DIESEM BUCH ................................................................... 22 1.4 MYLAB \| GRUNDLAGEN DER INFORMATIK ............................................................. 23 1.5 DANKSAGUNG ................................................................................................... 23 1.6 HINWEIS IN EIGENER SACHE ............................................................................. 24 TEIL I EINFUEHRUNG IN DIE INFORMATIK 25 KAPITEL 2 DIE HISTORIE UND DIE TEILGEBIETE DER INFORMATIK 27 28 2.2 DER BEGRIFF INFORMATIK ................................................................................... 28 2.3 HISTORISCHE ENTWICKLUNG DER INFORMATIK ..................................................... 28 2.3.1 DER ABAKUS ..................................................................................... 28 2.3.2 DER BEGRIFF ALGORITHMUS UND IBN MUSA AL-CHWARISMI .................. 31 2.3.3 WICHTIGE STATIONEN VON 1500 BIS 1930 ........................................... 32 2.3.4 KONRAD ZUSE UND DER ERSTE FUNKTIONSTUECHTIGE 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 ABHAENGIGKEIT VON IHR .......................... 45 KAPITEL 3 SPEICHERUNG UND INTERPRETATION VON INFORMATION 47 [RAETSEL:] 3.2 UNTERSCHIEDLICHE ZAHLENSYSTEME ................................................................ 48 3.2.1 DAS ROEMISCHE ZAHLENSYSTEM ........................................................... 48 3.2.2 POSITIONSSYSTEME ............................................................................ 49 3.2.3 POSITIONSSYSTEME BEI NATUERLICHEN 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 LEEE-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 FUER ZAHLEN UND ZEICHEN ...................................................... 75 3.8.1 BCD-CODE FUER ZAHLEN ...................................................................... 75 3.8.2 GRAY-CODE ........................................................................................ 76 3.8.3 BARCODE ............................................................................................. 77 3.9 DUALE GROESSENANGABEN ................................................................................... 77 3.10 DIE GRUNDDATENTYPEN IN DER PROGRAMMIERSPRACHE .................................... 78 KAPITEL 4 BOOLESCHE ALGEBRA 81 82 4.2 GEORGE BOOLE UND SEINE ALGEBRA MIT NUR ZWEI WERTEN ............................... 82 4.3 OPERATOREN ..................................................................................................... 83 4.4 BOOLESCHE SCHALTUNGEN ................................................................................ 85 4.5 BOOLESCHE RECHENREGELN ............................................................................... 85 4.6 FUNKTIONEN ..................................................................................................... 87 KAPITEL 5 HARDWAREKOMPONENTEN EINES COMPUTERS 91 92 5.2 AUFBAU VON COMPUTERSYSTEMEN ................................................................... 92 5.2.1 ZENTRALEINHEIT UND PERIPHERIEGERAETE .............................................. 92 5.2.2 EVA UND DAS .................................................................................... 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 (ANSCHLUESSE) .......................................... 113 5.5 DIE PERIPHERIE ................................................................................................ 118 5.5.1 MASSENSPEICHER .............................................................................. 118 5.5.2 EINGABEGERAETE ................................................................................... 123 5.5.3 AUSGABEGERAETE .................................................................................. 125 5.6 MODELL EINES EINFACHEN PROZESSORSYSTEMS .................................................. 129 5.7 ALTERNATIVE RECHNERARCHITEKTUREN (NEURONALE NETZE) .............................. 134 KAPITEL 6 VOM PROGRAMM ZUM MASCHINENPROGRAMM 135 136 6.2 ENTWICKLUNG EINES PROGRAMMS ..................................................................... 136 6.3 PROGRAMMIERWERKZEUGE ................................................................................ 137 6.3.1 UNTERSCHIEDLICHE ARTEN DER UEBERSETZUNG ....................................... 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 [RAETSEL:] 7.2 HOEHERE 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 ............................................................... 163 7.4.4 DIE LOGISCHEN OPERATOREN &&, \|\| UND ! ............................................ 163 7.4.5 DIE SHIFT-OPERATOREN UND ..................................................... 164 7.4.6 DIE BIT-OPERATOREN &, \|, A UND ~ .................................................... 164 7.4.7 DIE POSTFIX UND PRAEFIXOPERATOREN ++ UND - ............................. 166 7.4.8 PRIORITAETEN UND ASSOZIATIVITAETEN DER OPERATOREN .......................... 167 7.5 FORMULIERUNG VON ALGORITHMEN IN C/C++ UND JAVA .................................... 169 7.5.1 SEQUENZ ........................................................................................... 169 7.5.2 VERZWEIGUNGEN MIT IF ...................................................................... 169 7.5.3 VERZWEIGUNGEN MIT SWITCH ............................................................. 175 7.5.4 FOR-SCHLEIFE (SCHLEIFE MIT DER ABFRAGE AM ANFANG) ....................... 176 7.5.5 WHILE-SCHLEIFE (SCHLEIFE MIT DER ABFRAGE AM ANFANG) .................. 183 7.5.6 DO...WHILE-SCHLEIFE (SCHLEIFE MIT DER ABFRAGE AM ENDE) ............... 186 7.5.7 ABBRUCH VON SCHLEIFEN MIT BREAK .................................................. 187 7.5.8 ABBRUCH EINES EINZELNEN SCHLEIFENDURCHLAUFS MIT CONTINUE ....... 189 7.5.9 ABBRUCH MEHRERER GESCHACHTELTER SCHLEIFEN MIT GOTO .................. 189 7.5.10 PROGRAMMABBRUCH MIT EXIT ........................................................... 190 7.5.11 ALLGEMEINES ZU FUNKTIONEN BZW. METHODEN ................................ 190 7.5.12 REKURSIVE FUNKTIONEN BZW. REKURSIVE METHODEN ........................ 200 7.5.13 ARRAYS ............................................................................................ 209 7.5.14 STRINGS ............................................................................................ 214 7.5.15 ZUFALLSZAHLEN ................................................................................. 217 7.5.16 ARGUMENTE AUF DER KOMMANDOZEILE ............................................. 219 7.5.17 AUSNAHMEN (EXCEPTIONS) IN JAVA .................................................. 220 7.5.18 DATEIEN ............................................................................................ 221 7.5.19 STRUKTUREN IN C/C++ ....................................................................... 230 7.6 OBJEKT ORIENTIERTE PROGRAMMIERUNG MIT JAVA ................................................. 232 7.6.1 MEILENSTEINE IN DER SOFTWAREENTWICKLUNG ................................... 232 7.6.2 EINFUEHRUNG IN DIE OBJEKTORIENTIERUNG .......................................... 240 7.6.3 KLASSEN UND OBJEKTE ...................................................................... 247 7.6.4 KONSTRUKTOREN ................................................................................ 253 7.6.5 VERERBUNG UND POLYMORPHISMUS .................................................. 254 7.6.6 GUI-PROGRAMMIERUNG IN JAVA ........................................................ 263 7.7 PROGRAMMIERUNG MIT PYTHON ........................................................................ 275 7.7.1 GRUNDLAGEN .................................................................................... 275 7.7.2 EINFACHE DATENTYPEN ...................................................................... 279 7.7.3 STRUKTURIERTE DATENTYPEN (DATENSTRUKTUREN) ................................ 285 7.7.4 OPERATOREN ..................................................................................... 292 7.7.5 FORMULIERUNG VON ALGORITHMEN IN PYTHON .................................. 295 7.7.6 DATEIEN ........................................................................................... 300 7.7.7 FUNKTIONEN UND METHODEN ........................................................... 305 7.7.8 KLASSEN UND OBJEKTE ...................................................................... 306 7.8 PORTABLE GUI-PROGRAMMIERUNG MIT QT .......................................................... 310 7.8.1 ALLGEMEINES ZU QT ......................................................................... 310 7.8.2 GRUNDLEGENDE KONZEPTE UND KONSTRUKTE VON QT ........................ 312 7.8.3 DAS SIGNAL-SLOT-KONZEPT VON QT ................................................... 315 7.9 PROGRAMMIERUNG PARALLELER ABLAEUFE (PARALLEL-PROGRAMMIERUNG) ................. 323 7.9.1 KONZEPTE UND HW-ARCHITEKTUREN FUER PARALLELE ABLAEUFE ............. 324 7.9.2 SW-KONZEPTE UND ERSTELLUNG PARALLELER PROGRAMME .................... 326 7.9.3 PARALLELE PROGRAMMIERUNG MIT THREADS ........................................ 329 7.9.4 PARALLELE PROGRAMMIERUNG MIT OPENMP ....................................... 335 7.9.5 BESONDERE PROBLEME BEI PARALLELER BEARBEITUNG .......................... 348 7.9.6 AUSBLICK ......................................................................................... 359 7.10 FUNKTIONALE PROGRAMMIERUNG (SCALA, F#) .................................................... 363 KAPITEL 8 DATENSTRUKTUREN UND ALGORITHMEN 367 368 8.2 GRUNDLEGENDE DATENSTRUKTUREN .................................................................. 369 8.2.1 ALLGEMEINE EIGENSCHAFTEN VON DATEN ............................................. 369 8.2.2 BASIS-DATENTYPEN ............................................................................. 369 8.2.3 DATENSTRUKTUR = DATEN + OPERATIONEN ........................................... 369 8.2.4 VERKETTETE LISTEN ............................................................................... 370 8.2.5 BINAERE SUCHE IN EINFACH VERKETTETEN LISTEN (SKIPLISTEN) ............... 383 8.2.6 STACK (STAPEL) .................................................................................... 386 8.2.7 QUEUE (WARTESCHLANGE) .................................................................... 394 8.3 BAEUME ........................................................................................................... 399 8.3.1 GRUNDLEGENDES ZU BAEUMEN ............................................................. 399 8.3.2 BINAERE BAEUME .................................................................................. 401 8.3.3 SICH SELBST BALANCIERENDE BINAERBAEUME .......................................... 416 8.3.4 SPLAY-BAEUME .................................................................................... 418 8.3.5 B-BAEUME ........................................................................................... 418 8.3.6 BAUMREKURSION BEI BAEUMEN MIT MEHR ALS ZWEI ZWEIGEN .............. 420 8.4 KOMPLEXITAET VON ALGORITHMEN UND O-NOTATION .......................................... 431 8.4.1 ZEITAUFWAND ..................................................................................... 431 8.4.2 SPEICHERPLATZBEDARF ......................................................................... 434 8.4.3 KLASSIFIKATION VON ALGORITHMEN ..................................................... 435 8.4.4 DIE O-NOTATION ................................................................................ 437 8.4.5 WAHL EINES ALGORITHMUS .................................................................. 442 8.4.6 EINFACHE OPTIMIERUNGEN BEI DER IMPLEMENTIERUNG ....................... 444 8.5 ELEMENTARE SORTIERALGORITHMEN ..................................................................... 447 8.5.1 GRUNDSAETZLICHES ZU SORTIERALGORITHMEN .......................................... 447 8.5.2 BUBBLE-SORT ....................................................................................... 448 8.5.3 INSERT-SORT ........................................................................................ 450 8.5.4 SELECT-SORT ........................................................................................ 451 8.5.5 ZEITMESSUNGEN FUER BUBBLE-, INSERT UND SELECT-SORT ...................... 452 8.5.6 DISTRIBUTION COUNT-SORT (BUCKET-SORT) ............................................ 453 8.6 SHELL-SORT ....................................................................................................... 456 8.7 QUICKSORT ....................................................................................................... 458 8.8 MERGESORT ....................................................................................................... 460 8.8.1 REKURSIVER MERGESORT FUER ARRAYS ...................................................... 460 8.8.2 NICHT-REKURSIVER MERGESORT FUER ARRAYS ............................................ 462 8.8.3 ANALYSE DES MERGESORT .................................................................... 463 8.8.4 MISCHEN VON ZWEI SORTIERTEN ARRAYS ............................................... 463 8.9 BACKTRACKING .................................................................................................. 464 8.9.1 FINDEN IN EINEM LABYRINTH ............................................................. 464 8.9.2 DAS ACHTDAMEN-PROBLEM ................................................................. 466 8.9.3 REKURSIVES FUELLEN VON FIGUREN ....................................................... 468 8.9.4 SUDOKU ............................................................................................. 468 8.9.5 BRANCH-AND-BOUND-VERFAHREN ......................................................... 469 KAPITEL 9 BETRIEBSSYSTEME 471 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 RAETSEL: UEBERQUERUNG EINER HAENGEBRUECKE ................................................. DER BEGRIFF BETRIEBSSYSTEM .......................................................................... DIE GESCHICHTE VON BETRIEBSSYSTEMEN ......................................................... GRUNDAUFGABEN VON BETRIEBSSYSTEMEN ....................................................... AUFBAU UND DIENSTE VON BETRIEBSSYSTEMEN ............................................... 9.5.1 SCHICHTENAUFBAU ............................................................................ 472 472 472 475 476 477 9.5.2 PROZESSE, THREADS, SCHEDULING ....................................................... 478 9.5.3 SYNCHRONISATIONSMECHANISMEN ..................................................... 481 9.5.4 ZEITDIENSTE (TIMER) .......................................................................... 484 9.5.5 SPEICHERVERWALTUNG ........................................................................ 486 9.5.6 DATEIVERWALTUNG UND DATEISYSTEME ................................................ 487 9.5.7 GERAETEVERWALTUNG UND TREIBER ........................................................ 490 9.5.8 BENUTZERSCHNITTSTELLE (KOMMANDOZEILE BZW. GUI) ......................... 492 9.5.9 PROGRAMMIERSCHNITTSTELLE (API) ....................................................... 494 9.6 BESONDERHEITEN BEI EMBEDDED SYSTEMS ...................................................... 497 KAPITEL 10 RECHNERNETZE UND DAS INTERNET 501 502 10.2 GRUNDLAGEN DER VERNETZUNG VON RECHNERN .................................................. 502 10.3 DAS ISO/OSI-MODELL UND INTERNET-PROTOKOLLE ............................................. 503 10.4 INTERNET-PROTOKOLLE IN RECHNERNETZEN .......................................................... 505 10.4.1 GRUNDBEGRIFFE ZU TCP/IP-NETZEN ................................................... 505 10.4.2 TCP/IP-PROTOKOLLE .......................................................................... 508 10.5 HUBS, SWITCHES, ROUTER UND GATEWAYS ........................................................ 513 10.6 GRUNDLAGEN DER SOCKET-PROGRAMMIERUNG ..................................................... 513 10.7 VERTEILTE ANWENDUNGEN ................................................................................ 513 10.8 DAS WORLD WIDE WEB (WWW) ...................................................................... 515 10.8.1 KOMPONENTEN UND KONZEPTE DES WWW ....................................... 515 10.8.2 EINFUEHRUNG IN HTML ...................................................................... 518 10.8.3 EINFUEHRUNG IN CSS ......................................................................... 528 10.8.4 DATENSTRUKTUREN ZUM INFORMATIONSAUSTAUSCH ................................ 545 10.8.5 CLIENTSEITIGE WEB-PROGRAMMIERUNG MIT JAVASCRIPT ....................... 551 10.8.6 SERVERSEITIGE WEBENTWICKLUNG ...................................................... 562 10.9 GEFAHREN DURCH SOFTWARE .............................................................................. 564 10.9.1 ARTEN VON SCHADSOFTWARE ................................................................ 564 10.9.2 PUFFERUEBERLAEUFE (BUFFER OVERFLOWS) ................................................ 567 KAPITEL 11 DATENBANKSYSTEME 577 [RAETSEL:] 11.2 GRUNDLEGENDES ZU DATENBANKSYSTEMEN ....................................................... 578 11.2.1 AUFGABEN EINER DATENBANK ............................................................ 578 11.2.2 VORTEILE VON DATENBANKEN .............................................................. 579 11.2.3 DATENUNABHAENGIGKEIT ...................................................................... 580 11.3 DATENMODELLE ................................................................................................ 581 11.3.1 DAS ENTITY-RELATIONSHIP-MODELL ................................................... 581 11.3.2 DAS RELATIONALE DATENMODELL ........................................................ 582 11.3.3 DIE RELATIONALE ALGEBRA ................................................................. 584 11.4 DIE DATENBANKSPRACHE SQL ......................................................................... 585 11.4.1 DATENDEFINITION .............................................................................. 586 11.4.2 EINFUEGEN, AENDERN UND LOESCHEN VON DATENSAETZEN ........................ 587 11.4.3 ANFRAGEN MIT SELECT ........................................................................ 588 KAPITEL 12 SOFTWARE ENGINEERING 591 592 12.2 DIE SOFTWARE-KRISE ........................................................................................ 592 12.3 EINE GEEIGNETE SOFTWARE-ARCHITEKTUR ........................................................... 594 12.4 UML-DIAGRAMME FUER DIE MODELLIERUNG ....................................................... 594 12.4.1 STATISCHE MODELLIERUNG IN UML ................................................... 595 12.4.2 DYNAMISCHE MODELLIERUNG IN UML .............................................. 597 12.5 MODELLIERUNGSMOEGLICHKEITEN FUER DIE SOFTWARE ............................................ 599 12.6 NOTWENDIGKEIT VON PROZESSEN ...................................................................... 599 12.7 DER WICHTIGE PROZESS YYREQUIREMENT ENGINEERING ......................................... 600 12.7.1 DAS UML-ANWENDUNGSFALLDIAGRAMM (USE CASE DIAGRAM) .......... 601 12.7.2 DAS UML-AKTIVITAETSDIAGRAMM ...................................................... 602 12.7.3 GENAUE KLAERUNG DER KUNDENANFORDERUNGEN ................................. 604 12.8 PROZESSMODELLE ............................................................................................. 605 12.8.1 SCHWER UND LEICHTGEWICHTIGE PROZESSMODELLE ............................ 605 12.8.2 DAS WASSERFALL-MODELL ................................................................... 605 12.8.3 DAS V-MODELL ................................................................................. 607 12.8.4 INKREMENTEILE UND ITERATIVE PROZESSMODELLE ................................ 608 12.8.5 AGILES VORGEHEN MIT EXTREME PROGRAMMING (XP) ........................ 610 12.9 QUALITAET EINES SOFTWARE-PRODUKTES AUS KUNDENSICHT .................................. 612 TEIL III TECHNISCHE INFORMATIK 615 KAPITEL 13 TRANSISTOREN, CHIPS UND LOGISCHE BAUSTEINE 617 618 13.2 TRANSISTOREN ................................................................................................... 618 13.2.1 FUNKTIONSWEISE UND AUFBAU VON TRANSISTOREN ............................ 618 13.2.2 REALISIERUNG BOOLESCHER FUNKTIONEN MIT TRANSISTOREN ................. 620 13.3 CHIPS .............................................................................................................. 621 13.3.1 GESCHICHTLICHE ENTWICKLUNG .......................................................... 621 13.3.2 HERSTELLUNGSPROZESS ...................................................................... 622 13.4 LOGISCHE BAUSTEINE ........................................................................................ 623 13.4.1 GATTER .............................................................................................. 623 13.4.2 DECODER ......................................................................................... 624 13.4.3 ENCODER ......................................................................................... 625 13.4.4 MULTIPLEXER (SELEKTOR) ................................................................... 625 13.4.5 DEMULTIPLEXER ................................................................................ 628 KAPITEL 14 SCHALTNETZE 631 632 14.2 NORMALFORMEN VON SCHALTFUNKTIONEN ......................................................... 632 14.2.1 DISJUNKTIVE NORMALFORM (DNF)...................................................... 632 14.2.2 KONJUNKTIVE NORMALFORM (KNF) .................................................... 633 14.2.3 ALLGEMEINES VERFAHREN BEIM ERSTELLEN EINER SCHALTUNG ................ 634 14.2.4 SCHALTKREISREALISIERUNG DURCH PLAS ............................................. 635 14.3 ENTWURF VON SCHALTNETZEN ............................................................................. 638 14.4 MINIMIERUNG LOGISCHER AUSDRUECKE ............................................................... 639 14.4.1 KARNAUGH-VEITCH-DIAGRAMME (KV-DIAGRAMME)............................ 639 14.4.2 DON T CARE ARGUMENTE ................................................................... 643 14.4.3 QUINE-MCCLUSKEY-VERFAHREN ........................................................ 646 14.5 ADDIERNETZE ................................................................................................... 652 14.5.1 PARALLELADDIERER ............................................................................. 652 14.5.2 PARALLELADDIERER UND-SUBTRAHIERER ................................................. 654 14.5.3 CARRY-SELECT-ADDIERNETZE ............................................................... 655 14.5.4 CARRY-SAVE-ADDIERNETZE ................................................................ 657 14.5.5 MULTIPLIZIERER ................................................................................ 658 14.6 PRINZIPIELLER AUFBAU EINER ALU .................................................................... 660 KAPITEL 15 SCHALTWERKE 663 15.1 RAETSEL* WALDLAUF, SCHNAPSGLAESER UND MEHR .............................................. 664 15.2 SYNCHRONE UND ASYNCHRONE SCHALTWERKE .................................................... 665 15.3 SCHALTUNGEN MIT DELAYS ................................................................................ 666 15.3.1 4-BIT-RINGZAEHLER ALS SYNCHRONES SCHALTWERK ................................. 666 15.3.2 DELAYS ............................................................................................. 667 15.3.3 REALISIERUNG VON DELAYS MIT FLIPFLOPS ............................................ 669 15.4 ZAEHLER UND FREQUENZTEILER ........................................................................... 677 15.4.1 SYNCHRONER 4-BIT-RINGZAEHLER MIT ................................................... 677 15.4.2 ASYNCHRONER 4-BIT-RINGZAEHLER MIT T-FLIPFLOPS .............................. 679 15.4.3 SYNCHRONER BCD-ZAEHLER (MOD-10) MIT T-FLIPFLOPS ........................ 680 15.4.4 ASYNCHRONER BCD-ZAEHLER (MOD-10) MIT ........................................ 680 15.5 SCHIEBEREGISTER ............................................................................................. 681 15.6 ENTWURF SYNCHRONER SCHALTWERKE MITTELS AUTOMATEN ................................ 683 15.6.1 KURZE EINFUEHRUNG IN DIE AUTOMATENTHEORIE ................................. 683 15.6.2 ENTWURF VON SCHALTWERKEN MIT MOORE UND MEALY-AUTOMATEN ... 686 KAPITEL 16 PROZESSORARCHITEKTUREN, SPEICHER UND CACHES 697 16.1 RAETSEL: SCHACHBRETT-QUADRATE, FLICKENMUSTER, KREUZFORMFIRMA 698 16.2 CISC UND RISC ............................................................................................. 699 16.3 PIPELINING (FLIESSBANDVERARBEITUNG) ............................................................. 701 16.3.1 UNTERSCHIEDLICHE PHASEN BEIM PIPELINING ..................................... 701 16.3.2 GESCHWINDIGKEITSGEWINN BEIM PIPELINING ................................... 703 16.3.3 HAZARDS BEIM PIPELINING ............................................................... 705 16.4 SPEICHER FUER PROZESSOREN .............................................................................. 708 16.5 CACHES .......................................................................................................... 711 16.5.1 DAS LOKALITAETSPRINZIP UND DER CACHE-CONTROLLER ........................... 712 16.5.2 DER LESEZUGRIFF ................................................................................ 713 16.5.3 VOLLASSOZIATIVE UND DIREKTABGEBILDETE CACHES ............................... 715 16.5.4 DER SCHREIBZUGRIFF ........................................................................... 718 16.6 VIRTUELLER SPEICHER ....................................................................................... 720 16.6.1 PAGING ............................................................................................. 721 16.6.2 SEGMENTIERUNG ............................................................................... 723 TEIL IV THEORETISCHE INFORMATIK KAPITEL 17 AUTOMATENTHEORIE UND FORMALE SPRACHEN 725 727 17.1 RAETSEL: WEG DURCH EIN LABYRINTH UND UM DIE ECKE GEDACHT ................... 728 17.2 LEXIKALISCHE UND SYNTAKTISCHE ANALYSE ...................................................... 728 17.3 REGULAERE SPRACHEN UND ENDLICHE AUTOMATEN ............................................ 730 17.3.1 ALPHABET, WORT UND SPRACHE ........................................................ 730 17.3.2 REGULAERE AUSDRUECKE ...................................................................... 731 17.3.3 ENDLICHE AUTOMATEN UND REGULAERE SPRACHEN .............................. 733 17.3.4 REALISIERUNG ENDLICHER AUTOMATEN .............................................. 735 17.3.5 LEX - EIN WERKZEUG FUER DIE LEXIKALISCHE ANALYSE ......................... 736 17.4 KONTEXTFREIE SPRACHEN UND KELLERAUTOMATEN .............................................. 740 17.4.1 KONTEXTFREIE GRAMMATIKEN ........................................................... 740 17.4.2 KELLERAUTOMATEN ............................................................................ 743 17.4.3 YACC - EIN WERKZEUG FUER DIE SYNTAXANALYSE ................................ 746 17.4.4 LEX UND YACC IM ZUSAMMENSPIEL .................................................. 750 17.4.5 REKURSION BEI DER SYNTAXANALYSE ................................................. 751 17.5 DIE UNTERSCHIEDLICHEN PHASEN EINES COMPILERS ......................................... 751 KAPITEL 18 BERECHENBARKEITSTHEORIE 755 18.1 RAETSEL: KNEIPEN, EI, STEHEN GEBLIEBENE UHR UND ALTER ............................ 756 18.2 BERECHENBARE FUNKTIONEN ............................................................................ 757 18.3 NICHT BERECHENBARE FUNKTIONEN .................................................................. 758 18.3.1 DAS DIAGONAL VERFAHREN VON CANTOR ................................................ 758 18.3.2 NICHT DURCH EINEN ALGORITHMUS BERECHENBARE FUNKTIONEN .......... 759 18.3.3 DIE CHURCH SCHE ALGORITHMUS-DEFINITION ...................................... 759 18.4 BERECHENBARKEITSKONZEPTE ........................................................................... 760 18.4.1 TURINGMASCHINEN ............................................................................ 760 18.4.2 TURING-BERECHENBARE FUNKTIONEN ................................................... 763 18.4.3 REGISTERMASCHINEN ......................................................................... 763 18.4.4 GOTO UND WHILE-PROGRAMME ..................................................... 764 18.4.5 LOOP-PROGRAMME (FOR-PROGRAMME)............................................. 766 18.4.6 PRIMITIVE REKURSION ........................................................................ 767 18.4.7 P-REKURSION .................................................................................... 770 18.4.8 DIE ACKERMANN-FUNKTION .............................................................. 771 18.4.9 DIE CHURCH SCHE THESE UND DIE CHOMSKY-HIERARCHIE .................. 773 18.5 PRINZIPIELL UNLOESBARE PROBLEME ................................................................... 774 18.5.1 ENTSCHEIDBARE MENGEN .................................................................. 774 18.5.2 SEMI-ENTSCHEIDBARE MENGEN (GAME OF LIFE UND HALTEPROBLEM) ... 775 18.5.3 UNBERECHENBARKEIT (FLEISSIGER BIBER) .............................................. 779 KAPITEL 19 KOMPLEXITAETSTHEORIE 783 784 19.2 DIE KLASSE P FUER PRAKTISCH LOESBARE PROBLEME .............................................. 784 19.3 NICHTDETERMINISMUS UND DIE KLASSE NP .................................................... 785 19.3.1 DAS SAT-PROBLEM ALS ERSTES ........................................................... 785 19.3.2 REDUZIERUNG AUF JA/NEIN-PROBLEME MIT ZUGEHOERIGEN SPRACHEN ... 786 19.3.3 NICHTDETERMINISMUS ...................................................................... 786 19.3.4 DIE KLASSE NP ................................................................................ 787 19.4 DER SATZ VON COOK UND NP-VOLLSTAENDIGKEIT ............................................... 789 19.4.1 DAS DREIFARBENPROBLEM ALS SPEZIALFALL DES ................................... 789 19.4.2 NP-VOLLSTAENDIGKEIT ........................................................................ 790 19.4.3 P = NP? ............................................................................................ 791 19.4.4 DAS 3 SAT-PROBLEM.......................................................................... 791 19.4.5 DAS CLIQUENPROBLEM ...................................................................... 792 19.4.6 DAS RUCKSACK UND TEILSUMMEN-PROBLEM .................................... 794 19.4.7 DAS HAMILTON-PROBLEM .................................................................. 799 19.4.8 DAS PROBLEM DES HANDLUNGSREISENDEN .......................................... 799 19.4.9 HIERARCHIE DER NP-VOLLSTAENDIGEN PROBLEME .................................. 802 19.5 APPROXIMATIONSALGORITHMEN ....................................................................... 802 TEIL V CODES, KOMPRESSION, KRYPTOGRAFIE 807 KAPITEL 20 FEHLERTOLERANTE CODES 809 810 20.2 MOTIVATION FUER FEHLERTOLERANTE CODES ............................................................ 810 20.3 YYK AUS N -CODES ............................................................................................. 810 20.4 DER HAMMINGABSTAND EINES CODES ............................................................... 811 20.5 EINDIMENSIONALE .......................................................................................... 813 20.6 ZWEIDIMENSIONALE ....................................................................................... 814 20.7 HAMMING-CODES ........................................................................................... 819 20.8 CRC-KODIERUNG ............................................................................................ 821 KAPITEL 21 DATENKOMPRESSION 825 826 21.2 VERLUSTBEHAFTETE UND VERLUSTLOSE KOMPRESSION ............................................ 826 21.3 CODES MIT VARIABEL LANGEN CODEWOERTERN ..................................................... 826 21.4 FANO-BEDINGUNG FUER DEKODIERBARKEIT EINES CODES ....................................... 827 21.5 LAUFLAENGENKODIERUNG (YYRUN-LENGTH ENCODING ) ............................................ 828 21.6 SHANNON-FANO-KODIERUNG ............................................................................. 829 21.7 HUFFMAN-KODIERUNG ...................................................................................... 829 21.8 ARITHMETISCHE KODIERUNG ............................................................................. 833 21.9 LEMPEL-ZIV-KODIERUNGEN ............................................................................. 836 21.9.1 DER LZ 77 ALGORITHMUS .................................................................. 838 21.9.2 DER LZSS-ALGORITHMUS .................................................................. 839 21.9.3 DER LZ 78 ALGORITHMUS .................................................................. 840 21.9.4 DER LZW-ALGORITHMUS ................................................................... 841 21.9.5 VARIANTEN DER LEMPEL-ZIV-KODIERUNG ........................................... 845 KAPITEL 22 KRYPTOGRAFIE 847 848 22.2 ALLGEMEINES ZU KRYPTOSYSTEMEN .................................................................. 848 22.3 EINFACHE VERSCHLUESSELUNGSMETHODEN .......................................................... 848 22.3.1 CAESAR-CHIFFRE .................................................................................. 848 22.3.2 CHIFFRE MIT EIGENER ZUORDNUNGSTABELLE ......................................... 849 22.4 VIGENERE-VERSCHLUESSELUNGSMETHODEN .......................................................... 849 22.5 VERSCHLUESSELUNG MITTELS ZUFALLSFOLGEN ........................................................ 850 22.6 KRYPTOSYSTEME MIT OEFFENTLICHEN SCHLUESSELN ................................................. 852 22.6.1 EIGENSCHAFTEN VON PUBLIC-KEY-SYSTEMEN ...................................... 852 22.6.2 DER SATZ VON EULER .......................................................................... 853 22.6.3 SCHLUESSELERZEUGUNG BEIM RSA-ALGORITHMUS ................................ 854 22.6.4 VER UND ENTSCHLUESSELUNG MIT DEM RSA-ALGORITHMUS ................. 856 WEITERFUEHRENDE LITERATUR 859 SACHREGISTER 865
adam_txt	INHALTSVERZEICHNIS VORWORT 17 KAPITEL 1 EINLEITUNG 19 1.1 IDEE DIESES BUCHES . 20 1.2 BEISPIELE, UEBUNGEN UND RAETSEL . 21 1.3 BEGLEITMATERIAL ZU DIESEM BUCH . 22 1.4 MYLAB \| GRUNDLAGEN DER INFORMATIK . 23 1.5 DANKSAGUNG . 23 1.6 HINWEIS IN EIGENER SACHE . 24 TEIL I EINFUEHRUNG IN DIE INFORMATIK 25 KAPITEL 2 DIE HISTORIE UND DIE TEILGEBIETE DER INFORMATIK 27 28 2.2 DER BEGRIFF INFORMATIK . 28 2.3 HISTORISCHE ENTWICKLUNG DER INFORMATIK . 28 2.3.1 DER ABAKUS . 28 2.3.2 DER BEGRIFF ALGORITHMUS UND IBN MUSA AL-CHWARISMI . 31 2.3.3 WICHTIGE STATIONEN VON 1500 BIS 1930 . 32 2.3.4 KONRAD ZUSE UND DER ERSTE FUNKTIONSTUECHTIGE 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 ABHAENGIGKEIT VON IHR . 45 KAPITEL 3 SPEICHERUNG UND INTERPRETATION VON INFORMATION 47 [RAETSEL:] 3.2 UNTERSCHIEDLICHE ZAHLENSYSTEME . 48 3.2.1 DAS ROEMISCHE ZAHLENSYSTEM . 48 3.2.2 POSITIONSSYSTEME . 49 3.2.3 POSITIONSSYSTEME BEI NATUERLICHEN 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 LEEE-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 FUER ZAHLEN UND ZEICHEN . 75 3.8.1 BCD-CODE FUER ZAHLEN . 75 3.8.2 GRAY-CODE . 76 3.8.3 BARCODE . 77 3.9 DUALE GROESSENANGABEN . 77 3.10 DIE GRUNDDATENTYPEN IN DER PROGRAMMIERSPRACHE . 78 KAPITEL 4 BOOLESCHE ALGEBRA 81 82 4.2 GEORGE BOOLE UND SEINE ALGEBRA MIT NUR ZWEI WERTEN . 82 4.3 OPERATOREN . 83 4.4 BOOLESCHE SCHALTUNGEN . 85 4.5 BOOLESCHE RECHENREGELN . 85 4.6 FUNKTIONEN . 87 KAPITEL 5 HARDWAREKOMPONENTEN EINES COMPUTERS 91 92 5.2 AUFBAU VON COMPUTERSYSTEMEN . 92 5.2.1 ZENTRALEINHEIT UND PERIPHERIEGERAETE . 92 5.2.2 EVA UND DAS . 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 (ANSCHLUESSE) . 113 5.5 DIE PERIPHERIE . 118 5.5.1 MASSENSPEICHER . 118 5.5.2 EINGABEGERAETE . 123 5.5.3 AUSGABEGERAETE . 125 5.6 MODELL EINES EINFACHEN PROZESSORSYSTEMS . 129 5.7 ALTERNATIVE RECHNERARCHITEKTUREN (NEURONALE NETZE) . 134 KAPITEL 6 VOM PROGRAMM ZUM MASCHINENPROGRAMM 135 136 6.2 ENTWICKLUNG EINES PROGRAMMS . 136 6.3 PROGRAMMIERWERKZEUGE . 137 6.3.1 UNTERSCHIEDLICHE ARTEN DER UEBERSETZUNG . 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 [RAETSEL:] 7.2 HOEHERE 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 . 163 7.4.4 DIE LOGISCHEN OPERATOREN &&, \|\| UND ! . 163 7.4.5 DIE SHIFT-OPERATOREN UND . 164 7.4.6 DIE BIT-OPERATOREN &, \|, A UND ~ . 164 7.4.7 DIE POSTFIX UND PRAEFIXOPERATOREN ++ UND - . 166 7.4.8 PRIORITAETEN UND ASSOZIATIVITAETEN DER OPERATOREN . 167 7.5 FORMULIERUNG VON ALGORITHMEN IN C/C++ UND JAVA . 169 7.5.1 SEQUENZ . 169 7.5.2 VERZWEIGUNGEN MIT IF . 169 7.5.3 VERZWEIGUNGEN MIT SWITCH . 175 7.5.4 FOR-SCHLEIFE (SCHLEIFE MIT DER ABFRAGE AM ANFANG) . 176 7.5.5 WHILE-SCHLEIFE (SCHLEIFE MIT DER ABFRAGE AM ANFANG) . 183 7.5.6 DO.WHILE-SCHLEIFE (SCHLEIFE MIT DER ABFRAGE AM ENDE) . 186 7.5.7 ABBRUCH VON SCHLEIFEN MIT BREAK . 187 7.5.8 ABBRUCH EINES EINZELNEN SCHLEIFENDURCHLAUFS MIT CONTINUE . 189 7.5.9 ABBRUCH MEHRERER GESCHACHTELTER SCHLEIFEN MIT GOTO . 189 7.5.10 PROGRAMMABBRUCH MIT EXIT . 190 7.5.11 ALLGEMEINES ZU FUNKTIONEN BZW. METHODEN . 190 7.5.12 REKURSIVE FUNKTIONEN BZW. REKURSIVE METHODEN . 200 7.5.13 ARRAYS . 209 7.5.14 STRINGS . 214 7.5.15 ZUFALLSZAHLEN . 217 7.5.16 ARGUMENTE AUF DER KOMMANDOZEILE . 219 7.5.17 AUSNAHMEN (EXCEPTIONS) IN JAVA . 220 7.5.18 DATEIEN . 221 7.5.19 STRUKTUREN IN C/C++ . 230 7.6 OBJEKT ORIENTIERTE PROGRAMMIERUNG MIT JAVA . 232 7.6.1 MEILENSTEINE IN DER SOFTWAREENTWICKLUNG . 232 7.6.2 EINFUEHRUNG IN DIE OBJEKTORIENTIERUNG . 240 7.6.3 KLASSEN UND OBJEKTE . 247 7.6.4 KONSTRUKTOREN . 253 7.6.5 VERERBUNG UND POLYMORPHISMUS . 254 7.6.6 GUI-PROGRAMMIERUNG IN JAVA . 263 7.7 PROGRAMMIERUNG MIT PYTHON . 275 7.7.1 GRUNDLAGEN . 275 7.7.2 EINFACHE DATENTYPEN . 279 7.7.3 STRUKTURIERTE DATENTYPEN (DATENSTRUKTUREN) . 285 7.7.4 OPERATOREN . 292 7.7.5 FORMULIERUNG VON ALGORITHMEN IN PYTHON . 295 7.7.6 DATEIEN . 300 7.7.7 FUNKTIONEN UND METHODEN . 305 7.7.8 KLASSEN UND OBJEKTE . 306 7.8 PORTABLE GUI-PROGRAMMIERUNG MIT QT . 310 7.8.1 ALLGEMEINES ZU QT . 310 7.8.2 GRUNDLEGENDE KONZEPTE UND KONSTRUKTE VON QT . 312 7.8.3 DAS SIGNAL-SLOT-KONZEPT VON QT . 315 7.9 PROGRAMMIERUNG PARALLELER ABLAEUFE (PARALLEL-PROGRAMMIERUNG) . 323 7.9.1 KONZEPTE UND HW-ARCHITEKTUREN FUER PARALLELE ABLAEUFE . 324 7.9.2 SW-KONZEPTE UND ERSTELLUNG PARALLELER PROGRAMME . 326 7.9.3 PARALLELE PROGRAMMIERUNG MIT THREADS . 329 7.9.4 PARALLELE PROGRAMMIERUNG MIT OPENMP . 335 7.9.5 BESONDERE PROBLEME BEI PARALLELER BEARBEITUNG . 348 7.9.6 AUSBLICK . 359 7.10 FUNKTIONALE PROGRAMMIERUNG (SCALA, F#) . 363 KAPITEL 8 DATENSTRUKTUREN UND ALGORITHMEN 367 368 8.2 GRUNDLEGENDE DATENSTRUKTUREN . 369 8.2.1 ALLGEMEINE EIGENSCHAFTEN VON DATEN . 369 8.2.2 BASIS-DATENTYPEN . 369 8.2.3 DATENSTRUKTUR = DATEN + OPERATIONEN . 369 8.2.4 VERKETTETE LISTEN . 370 8.2.5 BINAERE SUCHE IN EINFACH VERKETTETEN LISTEN (SKIPLISTEN) . 383 8.2.6 STACK (STAPEL) . 386 8.2.7 QUEUE (WARTESCHLANGE) . 394 8.3 BAEUME . 399 8.3.1 GRUNDLEGENDES ZU BAEUMEN . 399 8.3.2 BINAERE BAEUME . 401 8.3.3 SICH SELBST BALANCIERENDE BINAERBAEUME . 416 8.3.4 SPLAY-BAEUME . 418 8.3.5 B-BAEUME . 418 8.3.6 BAUMREKURSION BEI BAEUMEN MIT MEHR ALS ZWEI ZWEIGEN . 420 8.4 KOMPLEXITAET VON ALGORITHMEN UND O-NOTATION . 431 8.4.1 ZEITAUFWAND . 431 8.4.2 SPEICHERPLATZBEDARF . 434 8.4.3 KLASSIFIKATION VON ALGORITHMEN . 435 8.4.4 DIE O-NOTATION . 437 8.4.5 WAHL EINES ALGORITHMUS . 442 8.4.6 EINFACHE OPTIMIERUNGEN BEI DER IMPLEMENTIERUNG . 444 8.5 ELEMENTARE SORTIERALGORITHMEN . 447 8.5.1 GRUNDSAETZLICHES ZU SORTIERALGORITHMEN . 447 8.5.2 BUBBLE-SORT . 448 8.5.3 INSERT-SORT . 450 8.5.4 SELECT-SORT . 451 8.5.5 ZEITMESSUNGEN FUER BUBBLE-, INSERT UND SELECT-SORT . 452 8.5.6 DISTRIBUTION COUNT-SORT (BUCKET-SORT) . 453 8.6 SHELL-SORT . 456 8.7 QUICKSORT . 458 8.8 MERGESORT . 460 8.8.1 REKURSIVER MERGESORT FUER ARRAYS . 460 8.8.2 NICHT-REKURSIVER MERGESORT FUER ARRAYS . 462 8.8.3 ANALYSE DES MERGESORT . 463 8.8.4 MISCHEN VON ZWEI SORTIERTEN ARRAYS . 463 8.9 BACKTRACKING . 464 8.9.1 FINDEN IN EINEM LABYRINTH . 464 8.9.2 DAS ACHTDAMEN-PROBLEM . 466 8.9.3 REKURSIVES FUELLEN VON FIGUREN . 468 8.9.4 SUDOKU . 468 8.9.5 BRANCH-AND-BOUND-VERFAHREN . 469 KAPITEL 9 BETRIEBSSYSTEME 471 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 RAETSEL: UEBERQUERUNG EINER HAENGEBRUECKE . DER BEGRIFF BETRIEBSSYSTEM . DIE GESCHICHTE VON BETRIEBSSYSTEMEN . GRUNDAUFGABEN VON BETRIEBSSYSTEMEN . AUFBAU UND DIENSTE VON BETRIEBSSYSTEMEN . 9.5.1 SCHICHTENAUFBAU . 472 472 472 475 476 477 9.5.2 PROZESSE, THREADS, SCHEDULING . 478 9.5.3 SYNCHRONISATIONSMECHANISMEN . 481 9.5.4 ZEITDIENSTE (TIMER) . 484 9.5.5 SPEICHERVERWALTUNG . 486 9.5.6 DATEIVERWALTUNG UND DATEISYSTEME . 487 9.5.7 GERAETEVERWALTUNG UND TREIBER . 490 9.5.8 BENUTZERSCHNITTSTELLE (KOMMANDOZEILE BZW. GUI) . 492 9.5.9 PROGRAMMIERSCHNITTSTELLE (API) . 494 9.6 BESONDERHEITEN BEI EMBEDDED SYSTEMS . 497 KAPITEL 10 RECHNERNETZE UND DAS INTERNET 501 502 10.2 GRUNDLAGEN DER VERNETZUNG VON RECHNERN . 502 10.3 DAS ISO/OSI-MODELL UND INTERNET-PROTOKOLLE . 503 10.4 INTERNET-PROTOKOLLE IN RECHNERNETZEN . 505 10.4.1 GRUNDBEGRIFFE ZU TCP/IP-NETZEN . 505 10.4.2 TCP/IP-PROTOKOLLE . 508 10.5 HUBS, SWITCHES, ROUTER UND GATEWAYS . 513 10.6 GRUNDLAGEN DER SOCKET-PROGRAMMIERUNG . 513 10.7 VERTEILTE ANWENDUNGEN . 513 10.8 DAS WORLD WIDE WEB (WWW) . 515 10.8.1 KOMPONENTEN UND KONZEPTE DES WWW . 515 10.8.2 EINFUEHRUNG IN HTML . 518 10.8.3 EINFUEHRUNG IN CSS . 528 10.8.4 DATENSTRUKTUREN ZUM INFORMATIONSAUSTAUSCH . 545 10.8.5 CLIENTSEITIGE WEB-PROGRAMMIERUNG MIT JAVASCRIPT . 551 10.8.6 SERVERSEITIGE WEBENTWICKLUNG . 562 10.9 GEFAHREN DURCH SOFTWARE . 564 10.9.1 ARTEN VON SCHADSOFTWARE . 564 10.9.2 PUFFERUEBERLAEUFE (BUFFER OVERFLOWS) . 567 KAPITEL 11 DATENBANKSYSTEME 577 [RAETSEL:] 11.2 GRUNDLEGENDES ZU DATENBANKSYSTEMEN . 578 11.2.1 AUFGABEN EINER DATENBANK . 578 11.2.2 VORTEILE VON DATENBANKEN . 579 11.2.3 DATENUNABHAENGIGKEIT . 580 11.3 DATENMODELLE . 581 11.3.1 DAS ENTITY-RELATIONSHIP-MODELL . 581 11.3.2 DAS RELATIONALE DATENMODELL . 582 11.3.3 DIE RELATIONALE ALGEBRA . 584 11.4 DIE DATENBANKSPRACHE SQL . 585 11.4.1 DATENDEFINITION . 586 11.4.2 EINFUEGEN, AENDERN UND LOESCHEN VON DATENSAETZEN . 587 11.4.3 ANFRAGEN MIT SELECT . 588 KAPITEL 12 SOFTWARE ENGINEERING 591 592 12.2 DIE SOFTWARE-KRISE . 592 12.3 EINE GEEIGNETE SOFTWARE-ARCHITEKTUR . 594 12.4 UML-DIAGRAMME FUER DIE MODELLIERUNG . 594 12.4.1 STATISCHE MODELLIERUNG IN UML . 595 12.4.2 DYNAMISCHE MODELLIERUNG IN UML . 597 12.5 MODELLIERUNGSMOEGLICHKEITEN FUER DIE SOFTWARE . 599 12.6 NOTWENDIGKEIT VON PROZESSEN . 599 12.7 DER WICHTIGE PROZESS YYREQUIREMENT ENGINEERING" . 600 12.7.1 DAS UML-ANWENDUNGSFALLDIAGRAMM (USE CASE DIAGRAM) . 601 12.7.2 DAS UML-AKTIVITAETSDIAGRAMM . 602 12.7.3 GENAUE KLAERUNG DER KUNDENANFORDERUNGEN . 604 12.8 PROZESSMODELLE . 605 12.8.1 SCHWER UND LEICHTGEWICHTIGE PROZESSMODELLE . 605 12.8.2 DAS WASSERFALL-MODELL . 605 12.8.3 DAS V-MODELL . 607 12.8.4 INKREMENTEILE UND ITERATIVE PROZESSMODELLE . 608 12.8.5 AGILES VORGEHEN MIT EXTREME PROGRAMMING (XP) . 610 12.9 QUALITAET EINES SOFTWARE-PRODUKTES AUS KUNDENSICHT . 612 TEIL III TECHNISCHE INFORMATIK 615 KAPITEL 13 TRANSISTOREN, CHIPS UND LOGISCHE BAUSTEINE 617 618 13.2 TRANSISTOREN . 618 13.2.1 FUNKTIONSWEISE UND AUFBAU VON TRANSISTOREN . 618 13.2.2 REALISIERUNG BOOLESCHER FUNKTIONEN MIT TRANSISTOREN . 620 13.3 CHIPS . 621 13.3.1 GESCHICHTLICHE ENTWICKLUNG . 621 13.3.2 HERSTELLUNGSPROZESS . 622 13.4 LOGISCHE BAUSTEINE . 623 13.4.1 GATTER . 623 13.4.2 DECODER . 624 13.4.3 ENCODER . 625 13.4.4 MULTIPLEXER (SELEKTOR) . 625 13.4.5 DEMULTIPLEXER . 628 KAPITEL 14 SCHALTNETZE 631 632 14.2 NORMALFORMEN VON SCHALTFUNKTIONEN . 632 14.2.1 DISJUNKTIVE NORMALFORM (DNF). 632 14.2.2 KONJUNKTIVE NORMALFORM (KNF) . 633 14.2.3 ALLGEMEINES VERFAHREN BEIM ERSTELLEN EINER SCHALTUNG . 634 14.2.4 SCHALTKREISREALISIERUNG DURCH PLAS . 635 14.3 ENTWURF VON SCHALTNETZEN . 638 14.4 MINIMIERUNG LOGISCHER AUSDRUECKE . 639 14.4.1 KARNAUGH-VEITCH-DIAGRAMME (KV-DIAGRAMME). 639 14.4.2 DON ' T CARE ARGUMENTE . 643 14.4.3 QUINE-MCCLUSKEY-VERFAHREN . 646 14.5 ADDIERNETZE . 652 14.5.1 PARALLELADDIERER . 652 14.5.2 PARALLELADDIERER UND-SUBTRAHIERER . 654 14.5.3 CARRY-SELECT-ADDIERNETZE . 655 14.5.4 CARRY-SAVE-ADDIERNETZE . 657 14.5.5 MULTIPLIZIERER . 658 14.6 PRINZIPIELLER AUFBAU EINER ALU . 660 KAPITEL 15 SCHALTWERKE 663 15.1 RAETSEL* WALDLAUF, SCHNAPSGLAESER UND MEHR . 664 15.2 SYNCHRONE UND ASYNCHRONE SCHALTWERKE . 665 15.3 SCHALTUNGEN MIT DELAYS . 666 15.3.1 4-BIT-RINGZAEHLER ALS SYNCHRONES SCHALTWERK . 666 15.3.2 DELAYS . 667 15.3.3 REALISIERUNG VON DELAYS MIT FLIPFLOPS . 669 15.4 ZAEHLER UND FREQUENZTEILER . 677 15.4.1 SYNCHRONER 4-BIT-RINGZAEHLER MIT . 677 15.4.2 ASYNCHRONER 4-BIT-RINGZAEHLER MIT T-FLIPFLOPS . 679 15.4.3 SYNCHRONER BCD-ZAEHLER (MOD-10) MIT T-FLIPFLOPS . 680 15.4.4 ASYNCHRONER BCD-ZAEHLER (MOD-10) MIT . 680 15.5 SCHIEBEREGISTER . 681 15.6 ENTWURF SYNCHRONER SCHALTWERKE MITTELS AUTOMATEN . 683 15.6.1 KURZE EINFUEHRUNG IN DIE AUTOMATENTHEORIE . 683 15.6.2 ENTWURF VON SCHALTWERKEN MIT MOORE UND MEALY-AUTOMATEN . 686 KAPITEL 16 PROZESSORARCHITEKTUREN, SPEICHER UND CACHES 697 16.1 RAETSEL: SCHACHBRETT-QUADRATE, FLICKENMUSTER, KREUZFORMFIRMA 698 16.2 CISC UND RISC . 699 16.3 PIPELINING (FLIESSBANDVERARBEITUNG) . 701 16.3.1 UNTERSCHIEDLICHE PHASEN BEIM PIPELINING . 701 16.3.2 GESCHWINDIGKEITSGEWINN BEIM PIPELINING . 703 16.3.3 HAZARDS BEIM PIPELINING . 705 16.4 SPEICHER FUER PROZESSOREN . 708 16.5 CACHES . 711 16.5.1 DAS LOKALITAETSPRINZIP UND DER CACHE-CONTROLLER . 712 16.5.2 DER LESEZUGRIFF . 713 16.5.3 VOLLASSOZIATIVE UND DIREKTABGEBILDETE CACHES . 715 16.5.4 DER SCHREIBZUGRIFF . 718 16.6 VIRTUELLER SPEICHER . 720 16.6.1 PAGING . 721 16.6.2 SEGMENTIERUNG . 723 TEIL IV THEORETISCHE INFORMATIK KAPITEL 17 AUTOMATENTHEORIE UND FORMALE SPRACHEN 725 727 17.1 RAETSEL: WEG DURCH EIN LABYRINTH UND UM DIE ECKE GEDACHT . 728 17.2 LEXIKALISCHE UND SYNTAKTISCHE ANALYSE . 728 17.3 REGULAERE SPRACHEN UND ENDLICHE AUTOMATEN . 730 17.3.1 ALPHABET, WORT UND SPRACHE . 730 17.3.2 REGULAERE AUSDRUECKE . 731 17.3.3 ENDLICHE AUTOMATEN UND REGULAERE SPRACHEN . 733 17.3.4 REALISIERUNG ENDLICHER AUTOMATEN . 735 17.3.5 LEX - EIN WERKZEUG FUER DIE LEXIKALISCHE ANALYSE . 736 17.4 KONTEXTFREIE SPRACHEN UND KELLERAUTOMATEN . 740 17.4.1 KONTEXTFREIE GRAMMATIKEN . 740 17.4.2 KELLERAUTOMATEN . 743 17.4.3 YACC - EIN WERKZEUG FUER DIE SYNTAXANALYSE . 746 17.4.4 LEX UND YACC IM ZUSAMMENSPIEL . 750 17.4.5 REKURSION BEI DER SYNTAXANALYSE . 751 17.5 DIE UNTERSCHIEDLICHEN PHASEN EINES COMPILERS . 751 KAPITEL 18 BERECHENBARKEITSTHEORIE 755 18.1 RAETSEL: KNEIPEN, EI, STEHEN GEBLIEBENE UHR UND ALTER . 756 18.2 BERECHENBARE FUNKTIONEN . 757 18.3 NICHT BERECHENBARE FUNKTIONEN . 758 18.3.1 DAS DIAGONAL VERFAHREN VON CANTOR . 758 18.3.2 NICHT DURCH EINEN ALGORITHMUS BERECHENBARE FUNKTIONEN . 759 18.3.3 DIE CHURCH ' SCHE ALGORITHMUS-DEFINITION . 759 18.4 BERECHENBARKEITSKONZEPTE . 760 18.4.1 TURINGMASCHINEN . 760 18.4.2 TURING-BERECHENBARE FUNKTIONEN . 763 18.4.3 REGISTERMASCHINEN . 763 18.4.4 GOTO UND WHILE-PROGRAMME . 764 18.4.5 LOOP-PROGRAMME (FOR-PROGRAMME). 766 18.4.6 PRIMITIVE REKURSION . 767 18.4.7 P-REKURSION . 770 18.4.8 DIE ACKERMANN-FUNKTION . 771 18.4.9 DIE CHURCH ' SCHE THESE UND DIE CHOMSKY-HIERARCHIE . 773 18.5 PRINZIPIELL UNLOESBARE PROBLEME . 774 18.5.1 ENTSCHEIDBARE MENGEN . 774 18.5.2 SEMI-ENTSCHEIDBARE MENGEN (GAME OF LIFE UND HALTEPROBLEM) . 775 18.5.3 UNBERECHENBARKEIT (FLEISSIGER BIBER) . 779 KAPITEL 19 KOMPLEXITAETSTHEORIE 783 784 19.2 DIE KLASSE P FUER PRAKTISCH LOESBARE PROBLEME . 784 19.3 NICHTDETERMINISMUS UND DIE KLASSE NP . 785 19.3.1 DAS SAT-PROBLEM ALS ERSTES . 785 19.3.2 REDUZIERUNG AUF JA/NEIN-PROBLEME MIT ZUGEHOERIGEN SPRACHEN . 786 19.3.3 NICHTDETERMINISMUS . 786 19.3.4 DIE KLASSE NP . 787 19.4 DER SATZ VON COOK UND NP-VOLLSTAENDIGKEIT . 789 19.4.1 DAS DREIFARBENPROBLEM ALS SPEZIALFALL DES . 789 19.4.2 NP-VOLLSTAENDIGKEIT . 790 19.4.3 P = NP? . 791 19.4.4 DAS 3 SAT-PROBLEM. 791 19.4.5 DAS CLIQUENPROBLEM . 792 19.4.6 DAS RUCKSACK UND TEILSUMMEN-PROBLEM . 794 19.4.7 DAS HAMILTON-PROBLEM . 799 19.4.8 DAS PROBLEM DES HANDLUNGSREISENDEN . 799 19.4.9 HIERARCHIE DER NP-VOLLSTAENDIGEN PROBLEME . 802 19.5 APPROXIMATIONSALGORITHMEN . 802 TEIL V CODES, KOMPRESSION, KRYPTOGRAFIE 807 KAPITEL 20 FEHLERTOLERANTE CODES 809 810 20.2 MOTIVATION FUER FEHLERTOLERANTE CODES . 810 20.3 YYK AUS N " -CODES . 810 20.4 DER HAMMINGABSTAND EINES CODES . 811 20.5 EINDIMENSIONALE . 813 20.6 ZWEIDIMENSIONALE . 814 20.7 HAMMING-CODES . 819 20.8 CRC-KODIERUNG . 821 KAPITEL 21 DATENKOMPRESSION 825 826 21.2 VERLUSTBEHAFTETE UND VERLUSTLOSE KOMPRESSION . 826 21.3 CODES MIT VARIABEL LANGEN CODEWOERTERN . 826 21.4 FANO-BEDINGUNG FUER DEKODIERBARKEIT EINES CODES . 827 21.5 LAUFLAENGENKODIERUNG (YYRUN-LENGTH ENCODING " ) . 828 21.6 SHANNON-FANO-KODIERUNG . 829 21.7 HUFFMAN-KODIERUNG . 829 21.8 ARITHMETISCHE KODIERUNG . 833 21.9 LEMPEL-ZIV-KODIERUNGEN . 836 21.9.1 DER LZ 77 ALGORITHMUS . 838 21.9.2 DER LZSS-ALGORITHMUS . 839 21.9.3 DER LZ 78 ALGORITHMUS . 840 21.9.4 DER LZW-ALGORITHMUS . 841 21.9.5 VARIANTEN DER LEMPEL-ZIV-KODIERUNG . 845 KAPITEL 22 KRYPTOGRAFIE 847 848 22.2 ALLGEMEINES ZU KRYPTOSYSTEMEN . 848 22.3 EINFACHE VERSCHLUESSELUNGSMETHODEN . 848 22.3.1 CAESAR-CHIFFRE . 848 22.3.2 CHIFFRE MIT EIGENER ZUORDNUNGSTABELLE . 849 22.4 VIGENERE-VERSCHLUESSELUNGSMETHODEN . 849 22.5 VERSCHLUESSELUNG MITTELS ZUFALLSFOLGEN . 850 22.6 KRYPTOSYSTEME MIT OEFFENTLICHEN SCHLUESSELN . 852 22.6.1 EIGENSCHAFTEN VON PUBLIC-KEY-SYSTEMEN . 852 22.6.2 DER SATZ VON EULER . 853 22.6.3 SCHLUESSELERZEUGUNG BEIM RSA-ALGORITHMUS . 854 22.6.4 VER UND ENTSCHLUESSELUNG MIT DEM RSA-ALGORITHMUS . 856 WEITERFUEHRENDE LITERATUR 859 SACHREGISTER 865
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