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1 Einführung – Computersysteme und Informatik

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1. Bei jeder Einarbeitung in ein neues Gebiet muss man sich mit Prinzipien Methoden Konzepten Notationen und Werkzeugen be fassen Prinzipien sind Grunds tze die man seinem Handeln zugrunde legt Methoden sind planm ig angewandte begr ndete Vorgehens weisen zur Erreichung von festgelegten Zielen im Allgemeinen im Rahmen festgelegter Prinzipien Methoden enthalten also den Weg zu etwas hin d h sie machen Prinzipien anwendbar Methoden ge ben au erdem an welche Konzepte wie und wann verwendet werden um die festgelegten Ziele zu erreichen Konzepte erlauben es definierte Sachverhalte unter einem oder mehreren Gesichtspunkten zu modellieren Eine Notation stellt Informationen durch Symbole dar Ein Kon zept kann durch eine oder mehrere Notationen dargestellt werden Werkzeuge tools dienen der automatisierten Unterst tzung von Methoden Konzepten und Notationen Zentraler Gegenstand der Informatik ist die Software Eine Soft ware Entwicklung besteht aus drei Hauptaktivit ten Definition der Anforderungen Systemanalyse Entwurf des Software Systems Programmieren im Gro en Implementierung bzw Programmierung der Software Kompo nenten Programmieren im Kleinen Der inhaltliche Schwerpunkt dieses Buches liegt auf den Prinzipien Methoden Konzepten und Notationen der Programmierung von Software Komponenten auch Programmieren im Kleinen genannt F r einen Informatiker sind solide Kenntnisse und Fertigkeite
2. Vollst ndigkeit Entdeckendes Lernen CASE 1 Einf hrung am Anfang einige Konzepte nur erw hnt und bleiben zun chst im Nebel Nach und nach lichtet sich der Nebel wenn die erw hnten Konzepte detailliert betrachtet werden Diesem Nachteil steht jedoch der gro e Vorteil gegen ber dass von Anfang an die Kernkonzepte der Objektorientierung wie Objekte und Klassen im Mittelpunkt ste hen und beherrscht werden Die Programmiersprachen Notationen beginnen meistens mit Ka pitel berschriften wie Dann die Praxis Eine vollst ndige Darstellung der Grundlagen der Informatik ist heute in einem Lehrbuch nicht mehr m glich Auf der einen Seite ist das Gebiet nicht eindeutig abgrenzbar auf der anderen Seite ist die Innovationsgeschwindigkeit insbesondere bei den Programmier sprachen hoch Daher erfordert eine T tigkeit in der Informatik im mer lebenslanges Lernen Im vorliegenden Buch wird die Programmiersprache Java nicht vollst ndig behandelt Ausgehend von exemplarischen Darstel lungen sollen Sie lieber Leser dann durch entdeckendes Lernen weitere Sprachelemente selbstst ndig erkunden sich die n tigen Informationen auf der beiliegenden CD ROM oder im Internet be sorgen und dadurch die Gebiete ihrem Wissen hinzuf gen an denen Sie Interesse haben Um Software zu entwickeln ist der Einsatz von Werkzeu gen notwendig F r die Programmierung sind Compiler und Programmierumgebungen unumg nglich Der Beg
3. Zielposition k nnen dadurch Funkti onen wie Kreieren L schen Kopieren Drucken und Verschieben realisiert wer den generische Funktion Externe Speicher Speichermedien zur langfristigen Aufbewahrung von gro en Informationsmengen Diskettenspei cher Plattenspeicher CD ROM Speicher Fenster Rechteckiger Bereich auf dem Bildschirm der von der gt Anwendungs software zur Ein und Ausgabe von In formationen und Kommandos benutzt wird file gt Datei Grafische Benutzungsoberfl che Grafikbildschirm bestehend aus einer gt Arbeitsoberfl che und Fenstern ber die der Benutzer mit der gt Anwendungs software interagiert und kommuni ziert GUI grafische Benutzungsoberfl che GUI System Software System das die grafische Benutzungsoberfl che ver waltet und die Kommunikation mit der Anwendungssoftware abwickelt Hardware Alle materiellen Teile eines Computersystems icon gt Piktogramm Informatik Ingenieurwissenschaft von der theoretischen Analyse und Konzep tion der organisatorischen und techni schen Gestaltung sowie der konkreten Realisierung von eigenst ndigen oder eingebetteten Software Systemen Maus Kleines K stchen das mittels der Hand auf dem Schreibtisch bewegt wird Entsprechend der Handbewegung bewegt sich der Cursor auf dem Bild schirm Multimedia Interaktive medieninte grierte Software Systeme bei denen durch die zeitliche r umliche und in 30 haltliche Synchronisat
4. senden Probleme bzw die zu verarbeitenden Informationen immer komplizierter geworden Damit hat auch der zur L sung bzw Verarbeitung erforderliche Aufwand st ndig zugenommen Als Hilfsmittel entstanden vor etwa 50 Jahren elektronische Datenverarbeitungsanlagen die als informationsverarbeitende Maschinen die Menschen bei der L sung von Problemen unterst tzten und es ihnen erm glichen konomisch und rationell zu arbeiten Geistige Routinet tigkeiten werden uns von Computersystemen abgenommen Ein Computersystem kann Informationen wesentlich schneller verarbeiten als ein Mensch Als geistiges Hilfsmittel des Menschen potenziert es damit seine M glichkeiten und er ffnet ihm eine neue Dimension Durch die Geschwindigkeit heutiger Computer wird ein Zeitraffereffekt erzielt durch den der Mensch in neue Bereiche eindringen kann und durch den neue Perspektiven sichtbar werden Technische Spitzenleistungen wie der moderne Br ckenbau die Weltraumfahrt oder die Wahlhochrechnungen w ren ohne ein Instrument wie ein Computersystem nicht m glich Die schnelle Verarbeitung von Informationen sowie die Aufbewahrung von umfangreichen Daten und die Auswertung dieser Daten nach unterschiedlichsten Kriterien potenziert auch Missbrauchsm glichkeiten Es sollte daher jeder durch seine kritische Aufmerksamkeit dazu beitragen dass die Annehmlichkeiten die die automatische Informationsverarbeitung uns beschert allen Menschen zugute kommen dass die Missbr
5. Analogie zur Arbeitsweise in einer physikalischen Arbeitsum gebung z B B ro Arbeitsobjekte z B Dokumente unmittelbar vi suell identifiziert selektiert zur Hand genommen und bearbeitet Die Bedienungstechnik Selektieren Ziehen und Loslassen pick drag amp drop ist ein Beispiel f r eine direkte Manipulation 1 1 3 Weitere Ein und Ausgabeger te Neben Texten werden in vielen Anwendungen auch Grafiken Fotos und Bilder verwendet Um diese Informationen im Computer spei chern zu k nnen werden sie durch einen Scanner Abtaster oder einen digitalen Fotoapparat aufgenommen digitalisiert und als Bit muster dem Computersystem zur Verf gung gestellt Videofilme k nnen ebenfalls digitalisiert gespeichert und auf dem Bildschirm abgespielt werden Will man Ausgabeinformationen vom Computer nicht nur auf dem Bildschirm lesen sondern schwarz auf wei bzw in Farbe besitzen dann ben tigt man als Ausgabeger t einen Drucker Es gibt heute eine Vielzahl von Druckern die ein breites Leistungs und Preisspek trum abdecken Die Auswahl eines geeigneten Druckers h ngt vom Einsatzgebiet ab Aus dem Einsatzgebiet lassen sich Anforderungen an den Drucker ableiten H ufig verwendet werden heute m Laserdrucker und E Tintenstrahldrucker Mikrofon und Lautsprecher erm glichen den Einsatz gesprochener Sprache in Computersystemen In verschiedenen Formen wird die gesprochene Sprache zuk nftig in der Kommunikation mit einem
6. Computersystem und ber ein Computersystem verst rkt m glich sein Die Bearbeitung gespro 12 1 1 4 Externe Speicher chener Sprache l sst sich unterteilen in Sprachspeicherung Sprach erkennung und Sprachausgabe Bei der Sprachspeicherung wird die Sprache ber ein Mikrofon aufgenommen Die Sprache wird digitalisiert die Daten werden kom primiert und dann auf einem Speichermedium aufbewahrt Die Sprachspeicherung kann im B ro f r folgende Anwendungen eingesetzt werden Verwendung als Diktierger t Versenden von Sprachmitteilungen voice mailing Sprachanmerkungen in Dokumenten Wie bei einem Diktierger t kann Sprache aufgezeichnet und ber ei nen Lautsprecher abgeh rt werden Zus tzlich k nnen Einf gungen in bereits aufgezeichnete Sprachinformationen vorgenommen wer den hnlich wie Dokumente k nnen auch Sprachinformationen in Form von Sprachmitteilungen ber elektronische Post an einen oder mehrere Empf nger versendet werden Spracherkennung bedeutet dass gesprochene Informationen vom Computersystem erkannt werden Spricht der Benutzer z B das Wort Posteingang dann muss dieses Wort vom System erkannt und anschlie end beispielsweise die eingegangene Post angezeigt werden Die Spracherkennung er ffnet neue Anwendungen insbe sondere die direkte Sprach Text Umsetzung automatische Schreib maschine Sprechschreiber Die vollsynthetische Sprachausgabe erlaubt es einen beliebigen im Comput
7. MS DOS das heute Be standteil von Windows ist vorgeschrieben In anderen Betriebs systemen ist eine Unterteilung in ein oder mehrere Teile m glich aber nicht vorge schrieben 1 1 Aufbau und Funktionsweise eines Computersystems kapazit t besitzen Der Begriff externe Speicher deutet an dass diese Speicher nicht zur Zentraleinheit geh ren Es gibt verschiedene externe Speichermedien Sie unterscheiden sich in der Zugriffsgeschwindigkeit d h wie schnell Informationen wiedergefunden werden in der Speicherkapazit t und im Preis Sie lassen sich in f nf gro e Klassen einteilen Diskettenspeicher geringe Kapazit t langsam Speicherstick mittlere Kapazit t schnell E Plattenspeicher hohe Kapazit t schnell CD ROM Speicher mittlere Kapazit t mittlere Zugriffsgeschwin digkeit DVD Speicher hohe Kapazit t mittlere Zugriffsgeschwindig keit Die Speichermedien Diskette Platte CD ROM und DVD befinden sich in Laufwerken die das entsprechende Medium an einem Schreib Le sekopf zum Schreiben und Lesen der Informationen vorbeibewegen Informationen werden auf externen Speichern in Dateien files abgelegt Dateien sind vergleichbar mit Karteik sten bei der Ablage manueller Informationen Um eine Datei speichern zu k nnen muss sie einen Namen erhalten Dieser Name wird in einem Inhaltsver zeichnis directory auf dem Speichermedium vermerkt Ebenso die Gr e der Datei in Bytes In diesem Inh
8. Verwaltung der Dateien file manager Das Betriebssystem selbst ist ein Programm wie jedes andere Damit es jederzeit Kommandos vom Benutzer entgegennehmen kann be findet sich ein Teil des Betriebssystems st ndig im Arbeitsspeicher des Computers speicherresidenter Teil Nicht st ndig ben tigte Tei le befinden sich auf einer so genannten Systemplatte d h auf einem externen Speicher und werden bei Bedarf in den Arbeitsspeicher ge holt Es gibt unterschiedlich leistungsf hige und unterschiedlich stark verbreitete Betriebssysteme Am weitesten verbreitet sind folgen de m Windows 2000 XP von der Fa Microsoft f r Clients m Windows NT XP von der Fa Microsoft f r Server und Clients ws UNIX f r Server und Clients und die kostenlose Variante Linux m MVS bzw 0S 390 f r IBM Gro computer 17 LE 1 Server Bediener Client Klient Kunde Betriebssystem LE 1 1 Einf hrung Bevor Anwendungssoftware benutzt werden kann muss sie auf dem entsprechenden Computersystem zun chst installiert werden wenn sie noch nicht vorhanden ist Abb 1 1 7 beschreibt die dazu notwen digen Schritte sowie die Anwendung eines Software Produkts 1 1 7 Fallstudie Die Firma ProfiSoft Nach dem Studium der Informatik mit Schwerpunkt Software Technik gr nden die zwei ehemaligen Absolventen Alexander Klug genannt Alex und Robert Neumann genannt Rob die Firma ProfiSoft Ihre im Studium erworbenen Erkenntnisse wollen sie da
9. zu diesen Begriffen sind beispielsweise Hardware Musikinstrument Schienennetz Software Komposition Zugfahrplan Alles was ein Computersystem kann kann ein Mensch im Prinzip auch Ein Computersystem hat gegen ber dem Menschen jedoch drei wesentliche Vorteile m Hohe Speicherungsf higkeit In einem Computersystem k nnen Unmengen von Informationen Millionen bis Billionen Zeichen aufbewahrt werden Gesuchte Informationen k nnen sehr schnell wiedergefunden werden m Hohe Geschwindigkeit Ein Computersystem addiert heute in einer Sekunde rund zehn Millionen Zahlen Nimmt man an ein Mensch w rde in einer Se kunde zwei solcher Zahlen addieren dann h tte er nach einem Jahr ununterbrochener T tigkeit ca 32 Millionen Zahlen zusammen gez hlt Ein Computersystem schafft das in drei Sekunden Der schnellste heute verkaufte Computer schafft sogar 35 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde 10 Operationen pro Sekunde 1 Tera Operation pro Sekunde m Hohe Zuverl ssigkeit Ein weiterer Vorzug eines Computersystems ist seine hohe Zu verl ssigkeit W hrend der Mensch insbesondere bei monotonen Aufgaben schnell erm det und Fehler macht kennt ein Compu tersystem solche Schw chen nicht Der Begriff Software ist noch umfassender als der Begriff Programm Software SW sind Programme zugeh rige Daten und notwendige Dokumentation die es zusammengefasst erlauben mithilfe eines Computers Aufgaben zu erledigen Sy
10. 1 Einf hrung Computersysteme und Informatik Die aufgef hrten Begriffe erkl ren und in den richtigen Kontext einordnen k nnen Den Aufbau und die Funktionsweise eines Computersystems darstellen k nnen Gegebenen Aufgabenstellungen die jeweils geeigneten Periphe rieger te zuordnen k nnen Die Wissenschaftsdisziplin Informatik mit ihren Definitionen ihren Positionen und ihren Teildisziplinen erl utern k nnen Anhand von Beispielen die Arbeitsweise der Zentraleinheit zei gen k nnen Anhand von Beispielen bertragungszeiten bei vernetzten Com putersystemen berechnen k nnen Die bei der Installation und Benutzung von Software ablau fenden Vorg nge anhand von Beispielen in zeitlich richtiger Reihenfolge durchf hren k nnen Software installieren und benutzen k nnen Einf hrung 2 Aufbau und Funktionsweise eines Computersystems 3 1 Die Zentraleinheit 5 2 Bildschirm Tastatur und Maus 8 3 Weitere Ein und Ausgabeger te 12 4 Externe Speicher 13 5 Vernetzung 14 6 Das Betriebssystem 17 7 Fallstudie Die Firma ProfiSoft 18 Die Informatik 18 Gliederung und Aufbau dieses Buches 25 Leser die bereits mit Computersystemen gearbeitet haben und mit der Terminologie vertraut sind k nnen mit dem Kapitel 1 2 beginnen LE 1 Prof Dr Johann von Neumann 1903 in Buda pest Ungarn t 1957 in Washing ton D C USA Wegbereiter der amerikanischen Computerentwick lung Hauptidee Gemeinsamer Sp
11. 1 1 4 Vergleich einer traditionellen Arbeitsoberfl che mit einer elektroni schen Arbeitsober fl che GUI System LE 1 Beispiel Selektieren Zie hen Loslassen pick drag amp drop N atei tt N Papierkorb J Papierkorb Abb 1 1 5 Selektieren Ziehen und Loslassen Beispiel direkte Manipulation Scanner digitale Videokamera Drucker Mikrofon Lautsprecher gesprochene Sprache 1 1 Aufbau und Funktionsweise eines Computersystems Ein Mitarbeiter der ein St ck Papier nicht mehr ben tigt ergreift es mit der Hand und wirft es in den Papierkorb Auf der elektronischen Arbeitsoberfl che kann der Benutzer analog das St ck Papier repr sentiert durch ein Piktogramm mit der Maus selektieren pick mit gedr ckter Maustaste das Papierpiktogramm ber die Arbeitsoberfl che auf das Papierkorbpiktogramm bewegen drag und dann die Maustaste loslassen drop Das Papierpikto gramm verschwindet Das Papierkorbpiktogramm ndert seine Form um anzuzeigen dass der Papierkorb etwas enth lt Abb 1 1 5 Ben tigt der Mitarbeiter das St ck Papier aus dem Papierkorb doch noch einmal dann kann er es aus dem Papierkorb zur ckholen Dies muss auch beim elektronischen Papierkorb m glich sein sonst stimmt die Analogie nicht Ist dies nicht m glich dann muss ein Rei wolf anstelle des Papierkorbs durch ein Piktogramm dargestellt werden Bei der direkten Manipulation werden vom Benutzer in gewis ser
12. Bundesverband deutscher Ban ken 2003 www bdb de BMFT 94 Initiative zur F rderung der Software Technologie in Wirtschaft Wissenschaft und Technik Bundesministerium f r Forschung und Technologie Bonn 1 Au gust 1994 Bonsiepen Coy 92 Bonsiepen L Coy W Eine Curriculardebatte in Informatik Spektrum 1992 15 S 323 325 Brauer M nch 96 Brauer W M nch S Studien und Forschungsf hrer Informatik Berlin Springer Verlag 1996 Brooks 87 Brooks F P No Silver Bullet Essence and Accidents of Software Engineering in IEEE Computer 20 1987 pp 10 19 Curricula 91 Computing Curricula 1991 in CACM June 1991 pp 69 84 Denning et al 89 Denning P J et al Computing as a Discipline in CACM Jan 1989 pp 9 23 Dijkstra 89 Dijkstra E W On the Cruelty of Really Teaching Computer Science in CACM Dec 1989 Freytag 93 Freytag J Das Studium der Informatik an Fachhochschulen in Informatik als Schl ssel zur Qualifikation Berlin Springer Verlag 1993 S 59 63 G1 85 Ausbildung von Diplom Informatikern an wissenschaftlichen Hochschulen Empfehlungen der Gesellschaft f r Informatik in Informatik Spektrum Juni 1985 S 164 165 32 Literatur Aufgaben LE 1 GI 87 Aufgaben und Ziele der Informatik Arbeitspapier der Gesellschaft f r Infor matik Bonn 20 Okt 1987 GI 97 Erg nzende Empfehlungen der Gesellschaft f r Informatik Lehrinhalte und Veranstaltungsformen im Informatikst
13. Karte beruht auf der Form der tech nischen Kompo nente Sie hat eine rechteckige Form und besitzt unge f hr die Gr e ei ner DIN A6 Seite 1 1 Aufbau und Funktionsweise eines Computersystems 250 Zeichen 250 Byte 2 000 Bit 2 KBit als ein Paket bertragen werden In Abh ngigkeit davon ob zu einem Zeitpunkt nur ein Paket oder mehrere Pakete parallel im Netz transportiert werden unterscheidet man Basisbandnetze und Breitbandnetze In Basisbandnetzen werden mehrere Pakete nur zeitlich hinter einander transportiert Zeitmultiplex Breitbandnetze k nnen zeitlich parallel mehrere Pakete ber tragen Dies geschieht dadurch dass das bertragungsmedium meist Lichtwellenleiter mit mehreren nicht berlappenden Frequenzb n dern beschickt wird vergleichbar mit der gleichzeitigen bertragung verschiedener Sender im Rundfunk Auf jedem Frequenzband kann unabh ngig von den anderen Frequenzb ndern ein Paket bertragen werden Frequenzmultiplex Durch so genannte bertragungsprotokolle wird geregelt auf welche Weise ein Computersystem Zugang zum bertragungsme dium erh lt In Abh ngigkeit vom bertragungsmedium und dem verwendeten bertragungsprotokoll sind f r ein Computersystem unterschiedliche Netzanschluss Systeme n tig Ein Modem Modulator Demodulator wird ben tigt wenn das Computersystem an ein analoges Telefonnetz angeschlossen wer den soll Es wandelt digitale Signale d h Bits in akustische
14. alladen a Das Betriebssystem l dt d h kopiert die Y Anwendungssoftware ganz oder Teile davon Ein Ausgabesteuerung von der Festplatte in den Arbeitsspeicher ji i b Anschlie end startet das Betriebssystem die i i IE i si Anwendungssoftware Tastatur Bild CD Fest c Die Anwendungssoftware wird vom Prozessor Maus schirm ROM platte Schritt f r Schritt abgearbeitet Nach dem Laden wird die erste Anweisung ausgef hrt In der Regel wird das Anwendungsfenster auf dem Bildschirm angezeigt d Der Benutzer kann aus den angebotenen Funktionen die jeweils gew nschte aktivieren Abb 1 1 7 Instal Position 1 Mathematisch logische Orientierung lation und Benut Position 2 Ingenieurwissenschaftliche Orientierung zung von Anwen er nahe dungssoftware Position 3 Evolution re Orientierung Position 4 Partizipative Orientierung Entsprechend diesen Positionen wird der Begriff Informatik enger oder weiter gefasst und die Schwerpunkte der Informatik werden verschieden gesehen Die Gesellschaft f r Informatik Interessenvertretung der deut Definitionen der am schen Informatiker verwendet folgende Definitionen Informatik hA ww gi ev de 19 LE 1 1 Einf hrung Profil von Dipl Inform Alexander Klug Gr nder der Firma ProfiSoft zusammen mit Robert Neumann Pers nliche Angaben e Geboren in Bochum e Alter 24 Jahre Studium e Studium der Informatik e Schwerpunkt Software Technik e Diploma
15. altsverzeichnis sind die Na men aller gespeicherten Dateien enthalten Dateien k nnen zu Ordnern bzw Verzeichnissen zusammengefasst werden Ordner k nnen wiederum Ordnern zugeordnet werden Da durch ist es m glich Ordnerhierarchien aufzubauen z B Informatik Grundlagen LE1 doc wobei LE1 doc der Dateiname ist Grundlagen der zugeh rige Ordner Der Ordner Grundlagen geh rt wiederum zum Ordner Informatik Um eine Datei eindeutig von allen anderen Dateien in einem Com putersystem unterscheiden zu k nnen muss die gesamte Hierarchie Pfad genannt angegeben werden wie oben im Beispiel Oft gliedert man Dateinamen in zwei Teile Bei dem ersten Teil handelt es sich um den eigentlichen frei w hlbaren Namen wie LEI Der zweite Teil ist die Dateinamen Erweiterung Suffix oder extension genannt die den Typ der Datei angibt z B txt f r eine Textdatei doc f r ein Word Dokument wav f r eine Audio Datei wmf f r eine Grafik Datei bmp f r eine Bild Datei Der Dateinamen Suffix wird auch dazu verwendet um zu einer Datei automatisch die zugeh rige Anwen dungssoftware zu starten 1 1 5 Vernetzung Computersysteme sind heute in der Regel vernetzt d h sie k nnen mit anderen Computersystemen Informationen austauschen Damit Computersysteme elektronisch kommunizieren k nnen m ssen sie 14 1 1 5 Vernetzung im Allgemeinen physikalisch durch Kabel oder ber Funk mitein ander verbunden sein Die Kabel und die Funkstrecken di
16. auchsm glichkeiten dieser neuen Technik aber auf ein Minimum eingeschr nkt werden c mit der Entwicklung sowohl experimenteller als auch produktori entierter informationsverarbeitender Systeme moderner Konzep tion d mit den M glichkeiten der Strukturierung der Formalisierung und der Mathematisierung von Anwendungsgebieten in Form spezi eller Modelle und Simulationen und e mit der ingenieurm igen Entwicklung von Softwaresystemen f r verschiedenste Anwendungsbereiche unter besonderer Ber ck sichtigung der hohen Anpassungsf higkeit und der Mensch Com puter Interaktion solcher Systeme Die Informatik gliedert sich in die Teilbereiche Abb 1 2 3 m Kerninformatik und m Angewandte Informatik Die Kerninformatik besch ftigt sich mit den zentralen Forschungs gebieten der Informatik Unter Angewandter Informatik versteht man Anwendungen von Methoden der Kerninformatik in anderen Fachwissenschaften 23 Abb 1 2 2 Geschichtlicher Hintergrund der Informatik Abacus auf Dr hte aufgef delte Perlen LE 1 Informatikstudium Zitat Abb 1 2 3 Gliederung der Informatik Nachbar wissenschaften Schnittstellen Mathematik mathem Logik Systemtheorie Elektrotechnik Ger tetechno logie Nach richtentechnik Physik Halbleiter technik Fest k rperphysik 1 Einf hrung Schwerpunktbildungen innerhalb der Kerninformatik f hren zu den Teilgebieten m Theoretische Informat
17. e m deren S tze aus einer Aneinanderreihung von Zeichen eines fest gelegten Zeichenvorrates entstehen m deren S tze aufgrund einer endlichen Menge von Regeln gebildet werden m ssen Syntax und m die die Bedeutung jedes Satzes festlegt Semantik Ein Programm ist deshalb ein Algorithmus formuliert in einer Pro grammiersprache Der Prozessor verf gt zum Verarbeiten von Informationen ber folgende F higkeiten E Informationen aus dem Arbeitsspeicher in den Prozessor transpor tieren m Informationen vergleichen addieren subtrahieren multiplizieren dividieren verkn pfen m Informationen aus dem Prozessor in den Arbeitsspeicher transpor tieren Die prinzipielle Arbeitsweise der Zentraleinheit zeigt Abb 1 1 3 1 1 2 Bildschirm Tastatur und Maus Bildschirm Tastatur und Maus sind die wichtigsten Ger te ber die der Computerbenutzer mit dem Computersystem kommuniziert Abb 1 1 2 Auf einem Bildschirm k nnen Informationen angezeigt werden Heute blich sind gerasterte Grafikbildschirme Sie erm glichen die Darstellung von Zeichen Grafiken Bildern und Filmen Die kleinste Anzeigeeinheit ist hierbei ein Bildpunkt meist Pixel picture element genannt Wie fein d h mit welcher Aufl sung grafische Darstellungen angezeigt werden k nnen h ngt von der 8 1 1 2 Bildschirm Tastatur und Maus LEI Ein Programm besteht aus eine Reihe von Anweisungen Im folgenden Beispiel wird angenommen dass f r eine Rech
18. e Informatik m Software Entwicklung m Software Qualit ts sicherung m Software Management Elektrotechnik Maschinenbau Bauingenieur Informatik in den Ingenieurwissenschaften Ingenieurinformatik wesen m Software Werkzeuge m Betriebssysteme R T Medizin Datenbanken Kann tn m Informationssysteme m Computernetze Compilerbau Mathematik Informatik in den Linguistik Technische Informatik Geisteswissenschaften Psychologie Jurisprudenz m hardwarenahe Frage Soziologie stellungen P dagogik m Funktionsprinzipien der Ger te logische Struktur der Bauelemente Informatik in der Gesellschaft m logischer Rechnerentwurf 24 1 3 Gliederung und Aufbau dieses Buches Dem Diplom Informatiker steht ein sehr vielf ltiges T tigkeitsfeld offen Von ihm wird erwartet dass er in der Lage ist ingenieursm ig Methoden und Techniken zur Konstruktion gro er Informatik Syste me anzuwenden sich schnell in neue Problemstellungen und andere Gebiete einzuarbeiten und durch selbstst ndige Weiterbildung den Anschluss an die Entwicklung seines Faches zu halten Dazu ist eine breite Ausbildung in den methodischen Grundlagen und die Ver mittlung von ingenieurm igen Vorgehens und Verhaltensweisen erforderlich Die Gesellschaft f r Informatik GI 85 z hlt f r das Grund studium f r die Einf hrung in die Informatik ca 22 Semesterwo chenstunden f
19. e Informatik und insbesonde re die Software Technik heute eine gro e volkswirtschaftliche Bedeu tung haben BMFT 94 GI 87 Necker 94 Schmid Broy 00 Die Informatik zusammen mit der Informationstechnik bildet das zentrale Innovationsgebiet des 21 Jahrhunderts Sie wird Lebensweise Ausbildung Arbeit und Freizeit ver ndern indem sie die Methoden des Gesch ftslebens der Forschung und der Kommunikation revolutioniert Die Allgegenw rtigkeit der aus der Verschmelzung von Rechnern Telefon und Medien entstehenden multimedialen Kommunikationsplattformen befreit von Ortsbin dungen erm glicht kontinent bergreifende Kooperationen und macht neueste Erkenntnisse unmittelbar weltweit verf gbar Schmid Broy 00 m Die Informatik hat sich in weniger als drei Jahrzehnten aus einem kleinen wissenschaftlichen Kern zu einem entscheidenden und f r weite Teile unserer Wirtschaft und Gesellschaft bedeutenden Faktor entwickelt m Die Informatik ist zu einer Grundlagen und Querschnittsdisziplin f r die meisten Entwicklungen in Wissenschaft und Forschung in Wirtschaft und Technik geworden m Software entwickelt sich zu einem eigenst ndigen Wirtschaftsgut Sie ist Bestandteil der meisten hochwertigen technischen Produkte und Dienstleistungen In einigen Bereichen wie Banken und Ver sicherungen werden nahezu alle Dienstleistungen durch den Ein satz von Software erbracht m Der Software Anteil als integraler Produktbestandteil nimm
20. e Probleme der Spezifikation und der Qualit t Mit 25 LE 1 www ieee org www computer org LE 1 induktiv vs deduktiv Lernen durch Bei spiele Analogie und eigenes Tun gt gt gt Prinzip ai Methode Konzept m Notation E l Werkzeug gt Wechselwirkung 1 Einf hrung diesem Problembewusstsein ausgestattet ist der Lernende aufnah mebereit f r Themen wie Testen Verifikation Anforderungsmodel lierung Eigenschaften und Aufwand von Algorithmen Die didaktisch methodische Vorgehensweise orientiert sich da her vorwiegend am induktiven Vorgehen d h vom Speziellen zum Allgemeinen Ausgangspunkt k nnen mehrere Beispiele sein aus denen dann auf eine allgemeine Regel geschlossen wird Diese Vorge hensweise wird aber nicht dogmatisch gesehen Bei Bedarf wird auch deduktiv vorgegangen d h aus dem Allgemeinen wird der Einzelfall bzw das Besondere hergeleitet Lernen durch Beispiele Lernen durch Analogie und Lernen durch eigenes Tun f llt oft besonders leicht Daher werden diese Lernformen insbesondere durch die Aufgaben unterst tzt Da man am meisten lernt wenn man selbst etwas tut Merkf higkeit 90 Pro zent werden eigene Aktivit ten unterst tzt Zu vielen Lehreinheiten gibt es multimediale Unterst tzungen und Erg nzungen die auf der beigef gten CD ROM bzw ber das Internet zur Verf gung stehen
21. e Schichten geh ren dazu GI 87 m Hardware m Software m Organisationsstrukturen m Benutzer und Anwender Basierend auf einem eng gefassten Informatikbegriff definiert die Gesellschaft f r Informatik GI 85 den Gegenstandsbereich fol genderma en Die Informatik befa t sich daher a mit den Strukturen den Eigenschaften und den Beschreibungs m glichkeiten von Information und Informationsverarbeitung b mit dem Aufbau der Arbeitsweise und den Konstruktionsprinzipi en von Rechnersystemen 22 1 2 Die Informatik LE 1 Die geschichtliche Entwicklung zeigt dass es dem Menschen im Laufe der Zeit gelungen ist sich seine Arbeit zu erleichtern So entstanden von der einfachen Steinaxt ber Handwerkzeuge aller Art die heutigen energieverarbeitenden Maschinen wie Motoren Bagger Fahrzeuge Kr ne Diese Maschinen haben dem Menschen im physischen Bereich fast berall die routinem ige Arbeit abgenommen Die menschliche T tigkeit kann sich auf die Planung und berwachung konzentrieren Neben der Erleichterung k rperlicher Arbeit war der Mensch von Anfang an auch bem ht sich geistige Arbeit durch geeignete Hilfsmittel leichter zu machen Abacus Rechenschieber Tabellen Das L sen von Problemen oder allgemeiner das Verarbeiten von Informationen bedeutet geistige Arbeit Von einer gewissen Komplexit t an lassen sich Probleme nur noch mit Hilfsmitteln l sen Im Laufe der Wissenschaftsgeschichte sind die zu l
22. e die Ver bindung herstellen werden in ihrer Gesamtheit als Netz bezeichnet Zu dem Kabel als Hardware bzw den Sende und Empfangsstationen bei Funk kommt noch die Netz Software hinzu die mit daf r sorgt dass die elektronische Informations bermittlung stattfinden kann Zwei wichtige Netze sind sw das Intranet und m das Internet Ein Intranet verbindet Computersysteme eines Unternehmens oder einer Organisation Das Internet verkn pft weltweit Intranets oder einzelne Computer systeme miteinander Auf das Internet wird ausf hrlich im Kapitel 1 4 eingegangen Es gibt mehrere technische M glichkeiten um Netzwerke zu realisieren In Abh ngigkeit von der notwendigen bertragungsge schwindigkeit der Informationen k nnen folgende bertragungs medien benutzt werden Telefon oder ISDN Leitungen f r geringe bertragungsgeschwin digkeiten zwischen 14 400 Bit s und 64 000 Bit s Das entspricht 1 800 Zeichen s bzw 8 000 Zeichen s ADSL Zugang ber Telefon oder ISDN Kupfer Leitungen f r Ge schwindigkeiten zwischen 768 KBit s und 3072 KBit s zum Her unterladen sowie 128 KBit s und 384 KBit s zum Heraufladen Verdrillte Zweidrahtleitungen twisted pair oder Koaxialkabel f r mittlere bertragungsgeschwindigkeiten Die Geschwindigkeiten liegen zwischen 10 MBit s das entspricht etwa 1 25 Millionen Zeichen s und 100 MBit s Lichtwellenleiter bzw Glasfasern f r hohe bertragungsgeschwin digkeiten 100 MBit
23. e oder logikorientierte Sprachen sind in ihren Konzepten und Anwendungsbereichen zu spezialisiert um als erste Sprache vermittelt zu werden Betrachtet man wichtige objektorientierte Sprachen wie Java C C Smalltalk Eiffel Oberon dann stellt sich die Frage welche Spra che f r die Ausbildung am besten geeignet ist F r mich sind folgende Kriterien am wichtigsten In der Praxis weit verbreitet und eingesetzt Unterst tzung allgemein anerkannter Konzepte Innovationsgrad der Sprache Grad der Normung Einfachheit und Eleganz der Sprache Anwendungsspektrum der Sprache Eine Bewertung der Sprachen anhand dieser Kriterien f hrt zur Ver wendung der Sprachen Java C und C in diesem Buch Java steht als Sprache im Mittelpunkt die speziellen C und C Konzepte werden erg nzend behandelt Die jeweils verwendete Programmiersprache beeinflusst nat rlich stark die Reihenfolge der vorgestellten Konzepte und die Auswahl der Beispiele Wegen der gro en Bedeutung der Objektorientierungin der Software Technik habe ich mich dazu entschlossen von Anfang an die objektorientierte Sichtweise einzuf hren und nicht zuerst die prozedurale Sicht zu verwenden Bei jeder Einf hrung in ein Wissensgebiet sollte der Lernende nicht mit zu vielen Konzepten No tationen und Begriffen auf einmal konfrontiert werden Bei dem hier gew hlten ganzheitlichen Einstieg in die Objektorientierung werden 27 LE 1 roter Faden UML LE 1
24. ede Wissenschaft und jede Sparte praktischer T tigkeiten Obwohl diese Eigenarten der Informatik allgemein anerkannt sind gibt es jedoch unterschiedliche Ansichten ber das Selbstverst ndnis der Informatik Es lassen sich folgende vier Positionen unterscheiden Abb 1 2 1 18 1 2 Die Informatik LE 1 Installation 1 Kauft man ein Software Produkt dann erh lt man in der Regel ein Benutzerhandbuch sowie eine CD ROM oder Disketten die die Anwendungssoftware enthalten Auf die Bereitstellung ber das Netz wird im Kapitel 2 eingegangen 2 Damit das Software Produkt benutzt werden kann muss die Software installiert werden Installieren bedeutet in der Regel dass die gesamte Software oder zumindest einige Teile vom Datentr ger Diskette oder CD ROM auf die Festplatte kopiert werden Dies geschieht deshalb weil die Software von der Festplatte schneller in den Arbeitsspeicher geladen werden kann als von der CD ROM oder der Diskette 3 Das Kopieren bernimmt das Betriebssystem d h es liest die Dateiinhalte vom Datentr ger legt Dateien auf der Festplatte an und tr gt dort die Inhalte wieder ein Die Anweisung zum Installieren muss vom Benutzer ber die Tastatur Maus an das Betriebssystem ge Prozessor Instal Betriebssystem Arbeits geben werden LA speicher lations gt In der Regel besitzt jede Anwendungssoftware ein en Installationsprogramm meist setup genannt das u durch Doppelklick mi
25. ei cher f r Program me und Daten wodurch sich das Programm selbst ver ndern kann 1946 so aufge baute Computer mit einem Prozes sor bezeichnet man heute als von Neumann Compu ter bzw von Neu mann Architektur wesentliche Bei tr ge zu den Com putern Harvard Mark I ASCC und ENIAC Studium der Mathematik in Budapest 1928 Habilitation in Berlin danach in Berlin und Ham burg t tig ab 1929 in Princeton N J seit 1933 dort Pro fessor f r Mathe matik zahlreiche Auszeichnungen LE 1 1 Einf hrung 1 Einf hrung Die Begriffe Computer Internet Web Software und Infor matik sind t glich in den Medien zu finden Untersuchungen haben Folgendes ergeben BDB 03 IKT Report 03 TNS Emnid 03 m Jeder zweite Besch ftigte in Deutschland verrichtet seine Arbeit berwiegend am Computer m Jeder zweite Arbeitsplatz in Deutschland ist inzwischen ver netzt 93 Prozent der Unternehmen in Deutschland haben einen Internet Zugang 75 Prozent pr sentieren sich im Internet m Mangelnde IT Kenntnisse von 1 3 der Mitarbeiter erweisen sich als Wachstumshindernis m 50 1 Prozent aller Deutschen ber 14 Jahre sind 2003 online das sind 32 1 Millionen Menschen m Fast 30 Millionen Konten wurden Ende 2002 in Deutschland online gef hrt Damit stieg deren Zahl im Vergleich zum Vorjahr um 50 Prozent u Jeder zweite Arbeitslose nutzt das Internet Diese Zahlen deuten bereits an dass di
26. elbstverst ndnis der Informatik eingegangen Aufbauend auf diesen beiden Kapiteln werden dann die Gliede rung und der Aufbau dieses Buches beschrieben 1 1 Aufbau und Funktionsweise eines Computersystems Computer sind technische Ger te die umfangreiche Informationen mit hoher Zuverl ssigkeit und gro er Geschwindigkeit automatisch verarbeiten und aufbewahren k nnen Computer sind nicht vergleichbar mit Automaten denen man im t glichen Leben begegnet Kaffeeautomaten Fahrkartenautomaten Zigarettenautomaten Solche Automaten erf llen nur eine festge legte Funktion die durch die Konstruktion bestimmt ist Ein Zigaret tenautomat kann z B keinen Kaffee ausgeben Im Gegensatz zu einem Automaten mit festgelegten Aktionen hat ein Computer einen wesentlichen Vorteil Man kann ihm die Vor schrift nach der er arbeiten soll jeweils neu vorgeben Beispiels weise kann man ihm einmal eine Arbeitsanweisung zur Berechnung der Lohnsteuer eingeben Der Computer kann dann die Lohnsteuer berechnen Oder man kann ihm eine Handlungsanleitung zur Steu erung von Verkehrsampeln angeben Er ist dann in der Lage den 3 LE 1 Die Bezeichnung Algorithmus geht zur ck auf den arabischen Schrift steller Abu Dshafar Muham med Ibn Musa al Khwarizmi Er lebte um 825 n Chr in der Stadt Khiva im heutigen Usbekistan die damals Khwarizm hie und als Teil des Namens ver wendet wurde Er beschrieb die Erbschaftsver h ltnisse die s
27. en Externe Speicher dienen zur langfristigen Aufbewahrung von umfangreichen Informationsbest nden Die Informationen werden in Form von Da teien files auf externen Speichern abgelegt Die Gr e eines Spei chers wird als dessen Speicherkapazit t bezeichnet Die Ma einheit f r die Speicherkapazit t ist das Byte das wiederum aus acht Bits besteht Die Zentraleinheit besteht aus dem Prozessor in dem die Pro gramme Anweisung f r Anweisung ausgef hrt werden und dem Arbeitsspeicher RAM in dem Programme und Informationen die zur momentanen Programmausf hrung ben tigt werden kurzfristig aufbewahrt werden Externe Speicher und der Arbeitsspeicher bilden zusammen den Speicher des Computers Programme teilen dem Computer mit welche Aufgaben auszu f hren sind Das Betriebssystem selbst ein spezielles Programm steuert und koordiniert das Computersystem mit seinen Kompo nenten Programme werden in einer Programmiersprache formuliert die festlegt nach welchen Regeln Syntax die Programme geschrieben werden m ssen und welche Bedeutung Semantik die einzelnen Pro grammkonstrukte haben Bevor ein Programm in einer Programmiersprache geschrieben wird wird die allgemeine Probleml sung oft als Algorithmus meist in verbaler Form formuliert Software auch Software System oder Software Produkt genannt gliedert man in Anwendungssoftware application software z B Multimedia Anwendungen und Systemsoftware Beide bilden zu sa
28. endung aktivieren In der Regel geschieht dies durch einen Doppelklick mit der Maus auf das entsprechende Piktogramm Die Anwendung ffnet dann ein Anwen dungsfenster auf der Arbeitsoberfl che Ein Fenster entspricht einem Ausschnitt aus der Arbeitsum gebung des Benutzers und erm glicht die Bearbeitung entsprechender Objekte Beispielsweise k nnen nach dem Start eines Textsystems Textobjekte Briefe Memos Dokumente bearbeitet werden Der Benutzer kann mehrere Anwendungen aktivieren sodass meh rere Anwendungsfenster auf der Arbeitsoberfl che sichtbar sind An wendungsfenster stellen die Benutzungsoberfl che der jeweiligen Anwendung dar Ein Anwendungsfenster kann wiederum aus mehre ren Fenstern bestehen Die Verwaltung der Arbeitsoberfl che die Bereitstellung einer an wendungsorientierten Grundfunktionalit t sowie die Koordination mit den verschiedenen Anwendungen bernimmt ein GUI System Das verwendete GUI System beeinflusst ganz wesentlich die Gestal tung der Anwendungsoberfl chen Die auf der Arbeitsoberfl che verf gbaren Elemente Fenster und Piktogramme m ssen vom Benutzer manipuliert werden k nnen damit er seine Aufgaben erledigen kann Wenn auf der Arbeitsober fl che bereits versucht wird eine physikalische Arbeitsumgebung nachzubilden dann liegt es nat rlich nahe auch die Arbeitsweise auf der elektronischen Arbeitsoberfl che der physikalischen Arbeitswei se in bertragener Form anzupassen Abb
29. eren und f hrt jede Programmanweisung mit den im Arbeitsspeicher aufbewahrten Informationen aus Zwischenergebnisse und Ergebnisse werden vom Prozessor im Arbeitsspeicher abgelegt Die Idee Programme und Informationen in einem gemeinsamen Speicher aufzubewahren stammt von Johann von Neumann siehe Kurzbiografie am Kapitelanfang Computer mit einem Prozessor bezeichnet man ihm zu Ehren als von Neumann Computer Anzahl der Pixel ab Gute Grafikeigenschaften erh lt man ab 800 mal Abb 1 1 3 600 Bildpunkten SVGA Aufl sung Prinzipielle Eine Computertastatur besteht aus Tasten f r die Eingabe von gt entraleinheit Informationen Buchstaben Ziffern Sonderzeichen sowie einigen Sondertasten zur Computerbedienung Tastatur Die wichtigsten sind Ausl se oder Eingabe Taste carriage return enter j Sie dient dazu eine Informationseingabe abzuschlie en Steuerungs Taste control CTRL oder STRG LE 1 Maus GUI graphical user interface Arbeitsoberfl che desktop Piktogramme icons 1 1 Aufbau und Funktionsweise eines Computersystems Diese Taste zusammen mit anderen Tasten gleichzeitig gedr ckt bewirkt bestimmte Aktionen Beispiel CTRL und p Taste bewirkt bei manchen Systemen den Ausdruck von Informationen Am oberen Rand einer Computertastatur befinden sich oft so genannte frei programmierbare Funktionstasten meist be zeichnet mit Fl bis F12 Derjenige der ein Programm schreibt kann jede dieser Ta
30. ersystem befindlichen Text vorlesen zu lassen In mehre ren Schritten wird aus einem vorliegenden Text eine Sprachausgabe aufgebaut und synthetisiert ohne dass vorher eine menschliche Stimme als Vorlage oder Referenz vorhanden war Zunehmend an Bedeutung gewinnen Multimedia Anwendungen die Texte Daten Grafiken Bilder Filme T ne und gesprochene Spra che kombinieren 1 1 4 Externe Speicher Arbeitsspeicher besitzen sowohl aus technischen als auch aus Kos tengr nden eine Kapazit t in der Gr enordnung von vier MB bis zu mehreren hundert MB Es ist daher nicht m glich umfangreiche Informationsbest nde und eine Vielzahl von Programmen im Arbeits speicher ber l ngere Zeit hinweg aufzubewahren Au erdem gehen alle Informationen im Arbeitsspeicher verloren wenn der Computer ausgeschaltet wird Im Arbeitsspeicher befinden sich daher nur die Programme und Informationen mit denen gerade gearbeitet wird F r die langfristige Aufbewahrung von Programmen und Informationen hat man beson dere Speicher die externen Speicher entwickelt die wesent lich preiswerter als Arbeitsspeicher sind und eine h here Speicher 13 LE 1 Sprachspeicherung Spracherkennung Sprachausgabe Multimedia externe Speicher LE 1 Dateien Ordner Verzeichnisse Hinweis Der Aufbau von Da teinamen h ngt vom verwendeten Betriebssystem siehe Abschnitt 1 1 6 ab Die hier beschriebene Zweiteilung ist in dem Betriebs system
31. eschlossen werden Ein Server ist ein Ger t das festgelegte Dienstleistungen auf An forderung f r die Teilnehmer im Netz erbringt Die im Netz befind lichen Computer k nnen dann Druckauftr ge an den Druck Server es handelt sich dabei z B um einen schnellen Laserdrucker sen den Umfangreiche Informationsbest nde k nnen auf einem gemein samen Archiv Server abgelegt werden Die Computersysteme meist handelt es sich dabei um die am Arbeitsplatz verwendeten Computer die Dienstleistungen von Ser vern in Anspruch nehmen bezeichnet man als Clients In manchen F llen kann ein Computersystem gleichzeitig Client in Bezug auf eine Dienstleistung A und Server f r andere Clients in Bezug auf eine Dienstleistung B sein 1 1 6 Das Betriebssystem Zur Steuerung und Verwaltung der einzelnen Komponenten eines Computersystems dient ein so genanntes Betriebssystem Das Betriebssystem erledigt unter anderem folgende Aufgaben Voreinstellung der Hardware nach dem Einschalten auf definierte Anfangswerte bootstrapping Er ffnen des Dialogs zwischen Benutzer und Computer ber Bild schirm Tastatur und Maus console driver Interpretation und Ausf hrung der Kommandos des Benutzers an das Betriebssystem command interpreter Zuweisung verf gbarer Arbeitsspeicherbereiche an die einzelnen Programme memory manager Behandlung der Ein Ausgabe Anforderungen I O manager Verwaltung der Peripherie resource manager
32. h viele Speicherzellen Die Informationsmenge die in einem Speicher aufbewahrt wer den kann wird als dessen Speicherkapazit t bezeichnet Die Ma einheit f r Kapazit t hei t Byte In einem Byte kann bei Texten in der Regel ein Zeichen gespeichert werden Ein Byte wird zu folgenden Einheiten zusammengefasst 1KB 1Kilo Byte 1 024 Bytes 1MB 1Mega Byte 1 024 KB 1 048 576 Bytes 1 Million Bytes 1 GB 1 Giga Byte 1 024 MB 1 Milliarde Bytes Ein Byte besteht wiederum aus acht Bin rzeichen abgek rzt Bit binary digit genannt Ein Bit kann einen zweielementigen Zeichen vorrat darstellen z B Markierung keine Markierung wahr falsch eins null In Abh ngigkeit von der Gr e eines Computers hat ein Arbeits speicher heute in der Regel eine Kapazit t zwischen acht MB und mehreren hundert MB Externe Speicher haben folgende Speicherkapazit ten m Diskette 1 44 MB w Speicherstick 64 512 MB CD ROM 650 MB m DVD 4 7 GB bis 40 GB w Festplatte 2 GB bis ca 10 GB an einen Computer k nnen meh rere Festplatten angeschlossen werden sodass Speicherkapazit ten bis 200 GB und mehr erreicht werden Um einen Eindruck von der Gr enordnung der Speicherkapazit t zu bekommen sei ein Rechenbeispiel angegeben Eine maschinengeschriebene DIN A4 Text Seite fasst rund 3 000 Zei chen einschlie lich der Leerzeilen und Leerzeichen ben tigte Spei cherkapazit t 3 KB F r ein Buch mit 1 000 Seiten wird also e
33. ich ergaben wenn ein wohlhabender Araber starb der bis zu vier Frauen in unterschied lichem Stand und eine Vielzahl von Kindern besa Dazu verwendete er algebraische Methoden und schrieb ein Lehr buch mit dem Titel Kitab al jabr w almugabalah Regeln zur Wie derherstellung und zur Reduktion wobei die bertra gung von Gliedern einer Gleichung von einer zur an deren Seite des Gleichheitszei chens gemeint ist Der Begriff Algebra leitete sich aus dem Titel des Lehr buchs ab Aus dem Namen des Schrift stellers wurde algorism und dar aus Algorithmus LE 1 Die 500 schnells ten Computer www top500 org Software 1 1 Aufbau und Funktionsweise eines Computersystems Verkehrsfluss einer Stadt zu regeln Solche Vorschriften Arbeitsan weisungen oder Handlungsanleitungen bezeichnet man als Algo rithmen Singular Algorithmus Damit ein Computer Algorithmen ausf hren kann m ssen sie in einem eindeutigen und pr zisen Formalismus beschrieben werden Ist dies der Fall dann bezeichnet man solche Algorithmen als Pro gramme Da ein Computer ohne ein Programm nicht arbeiten kann spricht man von Computersystemen wenn das technische Ger t Computer und die Programme zur Steuerung des Computers gemeint sind Alle materiellen Teile eines Computersystems bezeichnet man auch als Hardware harte Ware alle immateriellen Teile z B Pro gramme eines Computersystems als Software weiche Ware Ana logien
34. ie Ergebnisse der Anwendungs software oder liefern Daten die Computersystem die Anwendungssoftware ben Software tigt Benutzer sind nur diejenigen BE Personen die ein Computersys Br tem unmittelbar einsetzen und bedienen oft auch Endbenutzer Computer oder Endanwender genannt Abb 1 1 1 zeigt nochmals gra DEZ fisch die Zusammenh nge 1 1 1 Die Zentraleinheit Ein Computer besteht aus m einer Zentraleinheit central unit und m einer Ein Ausgabesteuerung In der Zentraleinheit werden die Programme abgearbeitet Sie besteht aus sw dem Prozessor auch CPU central processing unit genannt und m dem Arbeitsspeicher Abb 1 1 2 LE 1 Systemsoftware Anwendungs software Computersystem Anwender Benutzer Abb 1 1 1 Begriffe und ihre Zusammenh nge LE 1 Zentraleinheit Eingabeger te Ausgabeger te externe zB z B Speicher z B m Tastatur m Bildschirm m Festplatte m Maus m Lautsprecher m Speicherstick u Mikrofon m Drucker m CD ROM m Scanner m DVD m digitaler m Diskette Fotoapparat m Videokamera Peripherieger te Be Scanner Drucker CD ROM Diskette Abb 1 1 2 Aufbau und Die Zentraleinheit kommuniziert ber eine Ein Ausgabesteuerung Komponenten eines Computers Arbeitsspeicher Netzanschluss z B m Modem m ISDN Karte m Netzwerk Karte Fenster r Tastatur 1 1 Aufbau und Funktionswe
35. ik m Praktische Informatik und m Technische Informatik Die schnell wachsende Bedeutung der Informatik sowie die zuneh mende Nachfrage nach ausgebildeten Fachleuten auf diesem Gebiet f hrte Ende der 60er Jahre zur Schaffung des Studiengangs Infor matik an Universit ten und Fachhochschulen Die Rahmenordnung f r die Diplompr fung im Studiengang In formatik an Universit ten und gleichgestellten Hochschulen Rah menordnung 95 sagt Folgendes zum Informatikstudium Die Informatik ist zentral mit der Entwicklung und Beherrschung komplexer Informatik Systeme befasst Sie hat sich unbeschadet ih rer strukturwissenschaftlichen Grundlagen zu einer ingenieurm i gen Disziplin im Sinne konstruierender T tigkeiten entwickelt Diese Entwicklung wird sich verst rkt fortsetzen In Bezug auf Umfang und Struktur ist der Diplomstudiengang In formatik daher den Studieng ngen in den klassischen Ingenieurwis senschaften gleichzusetzen Fachwissen schaften die die Informatik als Hilfswissenschaft y Y verwenden Kerninformatik g Angewandte Wechselwirkungen Informatik Theoretische Informatik Informatik in den Volkswirt schaftslehre Betriebswirt schaftslehre Wirtschaftswissenschaften mAutomateniheone Wirtschaftsinformatik m formale Sprachen m Codierungstheorie E heon ge nee Informatik in den Physik alSchaltwerkstheorie Naturwissenschaften Physiologie Chemie Praktisch
36. ine Speicherkapazit t von 3 MB ben tigt LE 1 Speicherzelle Speicherkapazit t Byte Im Unterschied zum normalen Kilobegriff der 1 000 bedeutet hat Kilo hier den Faktor 1 024 Die Ursache daf r ist dass Bytes im Bin r bzw Dual system dargestellt werden 2 ergibt 1 024 und nicht 1 000 Beispiel LE 1 Prozessor Programmier sprache Programm Bildschirm Pixel 1 1 Aufbau und Funktionsweise eines Computersystems Heutige Gro plattenspeicher haben eine Kapazit t von bis zu 200 GB oder mehr Auf solch einem Speicher kann daher eine ganze Biblio thek bestehend aus 70 000 B chern abgespeichert werden Die zweite Komponente der Zentraleinheit ist der Prozessor Der Prozessor eines Computers ist in der Lage Programme abzuar beiten Bei Programmen handelt es sich um Algorithmen die stark formalisiert sind Algorithmen dagegen k nnen umgangssprachlich formuliert sein F hrt ein Mensch einen Algorithmus aus dann wei er durch seine Erfahrung auch bei nicht detaillierten Formulierungen meist wie der Algorithmus zu verstehen ist Bei dem Prozessor eines Computers handelt es sich dagegen um ein technisches Bauteil dem in einem pr zisen Formalismus mitge teilt werden muss was es tun soll Den Formalismus den ein Pro zessor versteht bezeichnet man als Programmiersprache genauer gesagt als Maschinensprache Im Gegensatz zur Umgangssprache ist eine Programmiersprache eine formalisierte Sprach
37. ion unabh ngiger Medien gew nschte Funktionen bereit gestellt werden Es sollten mindestens drei Medien integriert sein wobei zu mindest ein Medium zeitabh ngig sein sollte Piktogramm Grafisch abstrakte Dar stellung von Objekten Funktionen Anwendungen Ger ten Hilfsmitteln und Prozessen auf dem Bildschirm Bei Anwendungssoftware im B robereich z B Ordner Papierblatt Papierkorb usw auch Ikone icon genannt Programm Streng formalisierter ein deutiger und detaillierter gt Algorith mus der maschinell ausgef hrt werden kann Programmiersprache Formalisier te Sprache zum Schreiben von Algorithmen die automatisch ausge f hrt werden sollen Prozessor Der Teil der gt Zentraleinheit der Programmanweisungen aus dem Arbeitsspeicher liest ihre Ausf hrungen vornimmt zu verarbeitende Informa tionen aus dem Arbeitsspeicher liest sowie Zwischenergebnisse und Ergeb nisse im gt Arbeitsspeicher ablegt RAM Random Access Memory d h Speicher mit direktem Zugriff auf alle Speicherzellen andere Bezeichnung Arbeitsspeicher interner Speicher Scanner Abtastger t das es erm glicht Informationen auf Papier in Bitmuster umzuwandeln gt Bit Dadurch ist es z B m glich Fotos Grafiken handschrift liche Skizzen in elektronische Informa tionen zu wandeln Server Vernetztes gt Computersystem das Clients Dienstleistungen zur Ver f gung stellt Software SW Programme zu geh rige I
38. ise eines Computersystems andere Computer Bildschirm Lautsprecher integriert Netzan schluss mit den Peripherieger ten Ein Ausgabeger te externe Speicher Netzanschluss Der Arbeitsspeicher auch RAM random access memory Di rektzugriffsspeicher genannt dient dazu Informationen kurzfristig aufzubewahren und bei Bedarf wieder zur Verf gung zu stellen Die Aufbewahrung von Informationen erfolgt nur kurzfristig da die In formationen nach dem Ausschalten des Computers d h nach dem Abschalten der Stromzufuhr wieder verloren gehen Dies h ngt mit dem technischen Aufbau von Arbeitsspeichern zusammen 6 1 1 1 Die Zentraleinheit F r die langfristige Aufbewahrung von Informationen werden des halb externe Speicher siehe Abschnitt 1 1 2 verwendet die die Informationen hnlich wie bei einem Tonband oder einer CD aufbe wahren Der Hauptvorteil des Arbeitsspeichers liegt darin dass Informa tionen wesentlich schneller hineingegeben und wieder herausgeholt werden k nnen als bei externen Speichern Die kleinste Einheit eines Arbeitsspeichers bezeichnet man als Speicherzelle Eine Speicherzelle kann im Allgemeinen eine Zahl oder mehrere Zeichen aufbewahren Jede Speicherzelle besitzt ei nen Namen Adresse Durch die Angabe des Namens wird genau die dem Namen zugeordnete Speicherzelle angesprochen Der Arbeits speicher eines Computers ist nicht unendlich gro d h er verf gt nicht ber unendlic
39. iskomponenten ausgerichteten von Nachrichten und Elektrotechnik bzw Elektronik gepr gten Heran gehen der IT heranziehen Mayr Maas 02 S 178 Wegen des universellen Charakters der Informatik l sst sich ihr Gebiet schwer eingrenzen Aufgaben Gegenst nde und Methoden der Informatik werden stark von den Natur Ingenieur und Geisteswis senschaften beeinflusst Die Informatik selbst liegt zwischen diesen Disziplinen Von den Naturwissenschaften unterscheidet sich die In formatik da ihr Forschungsgegenstand von Menschen geschaffene Systeme und Strukturen sind von den Ingenieurwissenschaften un terscheidet sie sich ebenfalls da ihre Betrachtungsgegenst nde meist immateriell sind und von den Geisteswissenschaften unterscheidet sich die Informatik da sie sich nicht auf Erkenntnisgewinn und Be schreibung von Sachverhalten beschr nkt sondern praktisch anwend bare Ergebnisse erzielt Zusammenfassend kann man sagen dass die Informatik eine Strukturwissenschaft ist Dynamik ist f r mich ein charakteristisches Merkmal der Infor matik Ohne das Verstehen der Abl ufe in Programmen ist das We sen und die Faszination der Informatik nicht zu begreifen Dies er schwert aber auch dem Lernenden den Einstieg in die Informatik Auf der beiliegenden CD ROM werden daher wichtige Abl ufe animiert dargestellt um die Vorstellung zu unterst tzen Der Gegenstandsbereich der Informatik ist vielschichtig Min destens vier miteinander eng verzahnt
40. m Mittelpunkt stehen daher die allt glichen Aufgaben von Menschen die die Software nutzen Software Systeme sind Bestandteil einer funktionierenden Organisation Der Informatiker muss deshalb den sozialen Kontext des Arbeitsplatzes die Aufgabenverteilung zwischen Mensch und Computer innerhalb des Arbeitsprozesses verstehen lernen Software Systeme sind so zu entwickeln dass sie einfach benutzbar und arbeitsunterst tzend sind Ziel der Ausbildung muss es sein Informatiker zu bef higen Ger te Programme und Prozesse zu spezifizieren und zu entwerfen die den gestellten Anforderungen gen gen Es werden akzeptable L sungen gesucht nicht optimale und perfekte Informatik l t sich also kennzeichnen durch die drei Begriffe Intelligenz Formalismen Technik oder als Intelligenzformalisie rungstechnik Etwas allgemeiner k nnte man sagen Informatik ist die Ingenieur Wissenschaft von der theoretischen Analyse und Konzeption der organisatorischen und technischen Gestaltung sowie der konkreten Realisierung von komplexen Systemen aus miteinander und mit ihrer Umwelt kommunizierenden in gewissem Ma intelligenten und autonomen Agenten oder Akteuren die als Unterst tzungssysteme f r den Menschen in unsere Zivilisation eingebettet werden m ssen mit Agenten Akteuren sind Software Module Maschinen zum Bei spiel Staubsauger oder roboterartige Ger te gemeint Langenheder M ller Schinzel 92 charakterisieren Infor
41. matik als Legierung aus Formalwissenschaft Naturwissenschaft Technik und Geisteswissenschaften 21 Abb 1 2 1 Zum Selbstver st ndnis der In formatik Das Wort Informa tik wurde 1968 vom damaligen Bundes forschungsminister Stoltenberg anl sslich der Er ffnung einer Tagung in Berlin verwendet Mit Infor matik wurde dabei der wissenschaftliche Hintergrund eines Forschungsprogram mes des Bundes auf dem Gebiet Daten verarbeitung be zeichnet 1967 war in Frankreich das Wort informatique auf gekommen und hat sich inzwischen auch im Holl ndischen informatika Italieni schen informatica Polnischen informa tyka Tschechischen und Russischen eingeb rgert In den Vereinigten Staaten entstand Anfang der 60er Jahre der Ausdruck computer science Teilweise scheint sich sowohl im Angels chsischen informatics als auch im internationalen Gebrauch der Wort stamm Informatik durchzusetzen LE 1 Informatik vs IT Dynamik Gegenstands bereich 1 Einf hrung Freytag 93 betrachtet Informatik hnlich wie Architektur als Gestaltungswissenschaft Form und Kontext plus Methoden Der geschichtliche Hintergrund der Informatik wird in Abb 1 2 2 skizziert Als grobe Abgrenzung der Informatik gegen ber der Informa tionstechnologie k nnte man den st rker logisch abstrahierenden softwareorientierten Blickwinkel der Informatik gegen ber dem mehr auf die technischen Bas
42. mmen mit der Hardware ein Computersystem Benutzer bedienen Computersysteme direkt Anwender liefern Informationen f r Com putersysteme und nutzen ihre Ergebnisse Jeder Benutzer kommuniziert ber eine elektronische Arbeits oberfl che desktop mit dem Computersystem 31 LE 1 LE 1 Zitierte Literatur Zusammenh nge Literatur Die grafische Benutzungsoberfl che GUI besteht aus Pikto grammen icons und Fenstern Mithilfe der direkten Manipulation k nnen Objekte auf dem Bildschirm selektiert und Aktionen darauf angewandt werden Die Verwaltung der Arbeitsoberfl che bernimmt ein GUI System In Unternehmen und Verwaltungen sind Computersysteme in der Regel vernetzt Intranet Solche Netze k nnen wiederum unterein ander verbunden sein Internet Computersysteme diein derartigen Netzen Dienstleistungen f r andere Computersysteme zur Verf gung stellen bezeichnet man als Server Computersysteme die sol che Dienstleistungen in Anspruch nehmen sind Clients Die Wissenschaft die sich mit Computersystemen und insbe sondere der Theorie und Praxis ihrer Software besch ftigt bezeich net man als Informatik computer science Balzert 98 Balzert H Lehrbuch der Software Technik Band 2 Heidelberg Spektrum Aka demischer Verlag 1998 Balzert O1 Balzert H Lehrbuch der Software Technik Band 1 2 Auflage Heidelberg Spek trum Akademischer Verlag 2001 BDB 03 Fast 30 Millionen Online Konten in Deutschland
43. n auf diesem Gebiet unumg nglich um die M glichkeiten Grenzen und Probleme der Realisierung von Software richtig einsch tzen zu k n nen 26 eo ML 1 3 Gliederung und Aufbau dieses Buches Die Aktivit ten Definition und Entwurf werden ansatzweise bereits mitbetrachtet siehe dazu auch GI 97 Diese Thematik ge h rt aber in eine Vorlesung ber Software Technik siehe z B Lehr buch der Software Technik Balzert 98 O1 Der rote Faden dieses Buchs sind die Konzepte der Program mierung und Algorithmik Die wichtigsten Konzepte der Software Entwicklung und der Programmierung sind heute die Konzepte der Objektorientierung wie Objekte Klassen Vererbung Diese Kon zepte werden in diesem Buch immer zuerst vorgestellt Die entspre chenden Kapitel berschriften lauten dazu Zuerst die Theorie Anstelle von Zuerst die Theorie k nnte auch stehen Zuerst die Konzepte Konzepte werden durch eine oder mehrere Notationen beschrieben Als grafische Notation f r die Beschreibung objektorientierter Kon zepte hat sich die UML unified modeling language durchgesetzt die in diesem Buch eingef hrt und benutzt wird Zur Programmierung werden Programmiersprachen benutzt Sowohl von den unterst tzten Konzepten als auch von der Bedeu tung her halte ich objektorientierte Programmiersprachen heute f r die Grundlagenausbildung am geeignetsten Andere Programmier sprachen wie deklarative funktional
44. nalytische _ tersystemen berechnen k nnen Muss Aufgabe a Gegeben seien folgende Dateien eines Software Projektes 20 Minuten Index htm 10 kB Bild1 gif 100 kB Bild2 jpg 30 kB Musik au 25 kB Wie viel Zeit ben tigen ein Modem mit 14 400 Bits pro Sekunde und eine ISDN Karte eines PC mit 64 000 Bits Sekunde mindestens um das Software Projekt von einem Server auf einen Client zu bertragen b Wie viel Zeit ben tigen Sie zus tzlich wenn Sie ein eingescanntes Bild aus Ihrem letzten Urlaub mit der Gr e 989 KB einf gen 33 LE 1 Aufgaben Konstruktive 2 Lernziel Software installieren und benutzen k nnen Muss Aufgabe a Verfassen Sie einen kurzen Text in dem Sie sich vorstellen Verwenden 30 Minuten Sie ein Textverarbeitungssystem Ihrer Wahl Orientieren Sie sich an der Fallstudie von Abschnitt 1 1 7 b Scannen Sie ein Sie darstellendes Foto ein und platzieren Sie es in den Text aus a c Sprechen Sie einen Begr ungstext und nehmen Sie ihn mit einer geeig neten Software auf Integrieren Sie ihn in den Text aus a 34
45. nformationen und not wendige Dokumentation die es zusammengefasst erlauben mithilfe eines gt Computersystems Aufgaben zu erledigen Software Produkt Produkt das aus Software besteht Software System System dessen Sys temkomponenten und Systemelemente aus Software bestehen Speicher Medium zur Aufbewahrung von Informationen Arbeitsspeicher externer Speicher Speicherkapazit t Umfang der Infor mationen die in einem Speicher auf bewahrt werden k nnen gemessen in KB MB GB gt Byte Systemsoftware Software die f r eine spezielle gt Hardware oder Hard warefamilie entwickelt ist um den Be trieb und die Wartung dieser Hardware zu erm glichen sowie ihre funktionellen F higkeiten zu erg nzen Glossar Zusammenh nge Tastatur Eingabeger t zum manuellen Eintippen von Zeichen besteht aus ei nem Eingabeteil f r Zeichen speziellen Sondertasten Cursortasten evtl Zeh nerblock und frei programmierbaren Funktionstasten Zentraleinheit Teil eines gt Computers in der die eigentliche Informationsver arbeitung stattfindet besteht aus Pro zessor und Arbeitsspeicher Ein Computersystem besteht aus dem materiellen Computer Hard ware und den immateriellen Programmen Software Der Computer selbst setzt sich aus der Zentraleinheit und der Peripherie Eingabe ger te wie Tastatur Maus und Scanner Ausgabeger te wie Bildschirm und Drucker externe Speicher Netzanschluss zusamm
46. nonym zu Software werden oft auch die Begriffe Software System und Software Produkt ver wendet Software gliedert man oft in Anwendungssoftware und System software 1 1 1 Die Zentraleinheit Systemsoftware auch Basissoftware genannt ist Software die f r eine spezielle Hardware oder eine Hardwarefamilie entwickelt wurde um den Betrieb und die Wartung dieser Hardware zu erm g lichen bzw zu erleichtern Zur Systemsoftware z hlt man immer das Betriebssystem in der Regel aber auch Compiler Datenbanken Kommunikationsprogramme und spezielle Dienstprogramme siehe unten Systemsoftware orientiert sich grunds tzlich an den Eigen schaften der Hardware f r die sie geschaffen wurde und erg nzt normalerweise die funktionalen F higkeiten der Hardware Anwendungssoftware auch Applikationssoftware application software genannt ist Software die Aufgaben des Anwenders mit hilfe eines Computersystems l st Beispiele daf r sind Textverar beitungs Software Tabellenkalkulation Zeichenprogramme An wendungssoftware setzt in der Regel auf der Systemsoftware der verwendeten Hardware auf bzw benutzt sie zur Erf llung der ei genen Aufgaben Anwendungssoftware Systemsoftware und Hardware bilden zu sammen ein Computersystem Als Anwender werden alle Angeh rigen einer Institution oder organisatorischen Einheit be zeichnet die ein Computersystem zur Erf llung ihrer fachlichen BEnNIzEr RR Anwender Aufgaben einsetzen Sie benutzen d
47. nungserstellung der Warenwert pro Artikelposition aus Menge und Preis zu berechnen ist Fakturierung Es wird angenommen dass der Benutzer ber die Tastatur bereits die Menge und den Preis eingegeben hat und dass diese Werte sich bereits im Arbeitsspeicher befinden Sowohl das Programm zur Fakturierung als auch die Eingabe und Ausgabeinformationen die bei der Ausf hrung des Programms ben tigt bzw erzeugt werden werden im Arbeitsspeicher aufbewahrt Der Prozessor steuert die Informationsverarbeitung und f hrt arithmetische logische und Transportoperationen aus Transportoperationen sind die Operationen die den Transport der Informationen aus dem Arbeitsspeicher in den Prozessor und umgekehrt bewirken Prozessor Arbeitsspeicher 2 Anweisung entschl sseln 7 Menge einlesen bE 3 Anweisung ausf hren Programm Preis einlesen anweisung 3a Informationen aus Arbeits 3a lesen Warenwert Menge x Preis speicher lesen 10 e j4 Programm 23 10 e 3a 3b Verarbeitung durchf hren fas 10 x 23 10 3c Ergebnisse im Arbeits speicher abspeichern 231 00 Informationen Menge 10 4 n chste Anweisung lesen weiter bei 2 Preis 23 110 EI 231 00 Warenwert Informationen Summe Warenwert Rabattbetrag Zwischensumme Rabatt jeweils mehrere Speicherzellen Der Prozessor liest eine Programmanweisung nach der and
48. olgende Themen auf w Grundbegriffe m Methoden und Modelle der Informatik Algorithmen m Konzepte der Programmierung und ihre Anwendung usw Im Computing Curricula 91 der internationalen Informatikorga nisationen ACM und IEEE Institute of Electrical and Electronics En gineers Curricula 91 werden f r das Gebiet Algorithmen und Datenstrukturen 47 Vorlesungsstunden folgende Themen vorge schlagen Grundlegende Datenstrukturen Abstrakte Datentypen Rekursive Algorithmen Komplexit tsanalyse Komplexit tsklassen Sortieren und Suchen Berechenbarkeit und Unentscheidbarkeit Probleml sungsstrategien Parallele und verteilte Algorithmen 1 3 Gliederung und Aufbau dieses Buches Die Curricula zur Grundlagenausbildung in der Informatik bieten dem Lehrenden gen gend Spielraum f r eigene inhaltliche Schwerpunkte und methodisch didaktische Konzepte Inhaltlich orientiert sich die ses Buch mehr an den in Abb 1 2 1 dargestellten Positionen 3 und 4 als an den Positionen 1 und 2 Jahrelange Unterrichtserfahrung haben mir gezeigt dass ein theoretischer deduktiver Einstieg in die Grundla gen der Informatik ohne Computerbenutzung wie es die Positionen l und 2 fordern demotivierend und realit tsfern ist Nur eigene Praxiserfahrungen mit Computersystemen von Anfang an geben dem Lernenden ein Gef hl f r die M glichkeiten der Programmierung zeigen ihm aber auch deutlich die Probleme der Programmierpraxis insbesondere di
49. orientierte Konzepte m Java Notation m C amp C Notationen Java Compiler m C amp C Compiler kaufm nnisch m technisch Grafik Multimedia Algorithmen Algorithmus Algorithmus Plural Algorithmen Probleml sungsbeschreibung die fest legt wie ein Problem gel st werden soll Programm Anwender Mitglieder einer Institution oder Organisationseinheit die zur Erf l lung ihrer fachlichen Aufgaben gt Com putersysteme einsetzen Benutzer Anwendungssoftware Software die Aufgaben des Anwenders mithil fe eines gt Computersystems l st Setzt in der Regel auf der Systemsoftware der verwendeten Hardware auf bzw benutzt sie zur Erf llung der eigenen Aufgaben Arbeitsoberfl che Teil einer grafischen Benutzungsoberfl che die dem Benutzer quasi als Ersatz f r die Schreibtischoberfl che dient Es k nnen Objekte Hilfsmittel Ger te und Anwen dungen auf ihr repr sentiert werden Mithilfe der direkten Manipulation k nnen Funktionen ausgef hrt werden ber Fenster erfolgt die Kommuni kation des Benutzers mit den Anwen dungen Arbeitsspeicher Medium zur kurzfris tigen Aufbewahrung nicht zu umfang reicher Information Bestandteil der Zentraleinheit siehe auch externer Speicher Benutzer Personen die ein gt Compu tersystem unmittelbar einsetzen und selbst bedienen gt Anwender Betriebssystem Spezielles Programm eines gt Computersystems das alle Kom
50. ponenten eines gt Computersystems ver waltet und steuert sowie die Ausf hrung von Auftr gen veranlasst Bildschirm Ausgabeger t zum An zeigen von Informationen Bit binary digit Bin rzeichen das nur jeweils einen von zwei Zust nden darstellen bzw speichern kann z B null oder eins Acht Bits fasst man zu einem Byte zusammen Byte Ma einheit f r die gt Speicherka pazit t In einem Byte kann ein Zeichen gespeichert werden siehe auch Bit Client Vernetztes gt Computersystem das Dienstleistungen von Servern in Anspruch nimmt Computer Technische Ger te die um fangreiche Informationen mit hoher Zuverl ssigkeit und gro er Geschwin digkeit automatisch gesteuert von Programmen verarbeiten und aufbe wahren k nnen auch Rechner oder elektronische Datenverarbeitungsanla gen genannt computer science gt Informatik Computersystem gt Computer gt Hard ware und gt Programme Software 29 LE 1 Abb 1 3 1 Struktur des Buches LE 1 Glossar Datei Logisch zusammenh ngender In formationsbestand z B Kundenstamm datei vergleichbar mit einer Kartei bei der manuellen Informationsver arbeitung desktop elektronische Arbeitsober fl che Direkte Manipulation Bedienungs form bei der analog zu einem physika lischen Vorgang Objekte mit der gt Maus auf der Arbeitsoberfl che selektiert bewegt und losgelassen werden pick drag amp drop In Abh ngigkeit von der
51. rbeit Erstellung eines Java Labors f r die Informatikausbildung mit Auszeichnung e Dauer 10 Semester e W hrend des Studiums Praktika in verschiedenen Softwareh usern e 4 Semester lang Hilfsassistent am Lehrstuhl f r Software Technik Arbeitsschwerpunkte in der Firma ProfiSoft e Innovative Seminare und Trainings auf dem Gebiet der Software Technik e Konzeption und Erstellung von multimedialen Firmenpr sentationen e Konzeption und Erstellung von e learning Kursen Hobbies e Segeln e Fischen Abb 1 1 8 Profil von Alex www acm org Computer Science Informatik vs Computer Science Informatik ist die Wissenschaft von der systematischen und automatisierten Verarbeitung von Information Sie erforscht grund s tzliche Verfahrensweisen der Informationsverarbeitung und allge meine Methoden ihrer Anwendung in den verschiedensten Bereichen F r diese Aufgaben wendet die Informatik vorwiegend formale und ingenieurm ig orientierte Techniken an Durch Verfahren der Mo dellbildung sieht sie beispielsweise von den Besonderheiten speziel ler Datenverarbeitungssysteme ab sie entwickelt Standardl sungen f r die Aufgaben der Praxis GI 85 Informatik ist die Wissenschaft Technik und Anwendung der maschinellen Verarbeitung und bermittlung von Informationen G1 87 Die ACM Association for Computing Machinery gr te interna tionale wissenschaftliche Organisation der Informatiker benutzt folgende Defini
52. ren Ziel ist die Vermittlung der F higkeit korrekte Programme zu schreiben d h gegebene Spezifikationen korrekt in maschinell ausf hrbare Formeln umzusetzen Position 2 Ingenieurwissenschaftliche Orientierung Parnas 90 These Informatiker arbeiten de facto wie Ingenieure weil sie technische Artefakte herstellen Es fehlt ihnen aber eine Ingenieursausbildung die fundamentale Methoden wie z B Zuverl ssigkeitsanalysen komplexer Systeme enth lt Es sollte daher eine Ingenieursausbildung angestrebt werden die aus mathematischen und ingenieur wissenschaftlichen Kursen besteht Die Programmierung realer Maschinen sollte im Grundstudium ignoriert werden Position 3 Evolution re Orientierung Brooks 87 These Anforderungen an ein Software System k nnen bei realen Systemen nicht eindeutig formuliert werden Spezifikationen erfassen h ufig veraltete Anforderungen und verhindern so die rasche und flexible Anpassung an die sich st ndig ndernden organisatorischen Strukturen und Aufgaben Daher hat keine der bisher entwickelten formalen Methoden algebraische Spezifikation formale Verifikation automatische Programmierung zu einem qualitativen Sprung in der Software Erstellung gef hrt Kontinuierliche Verbesserungen sind die einzige Hoffnung Position 4 Partizipative Orientierung Bonsiepen Coy 92 These Computer sind Ger te die bestimmte Funktionen innerhalb menschlicher T tigkeitsbereiche erf llen Sie sind Mittel zum Zweck I
53. riff CASE steht f r Computer Aided Software Engineering Er dr ckt aus dass Software Entwicklung mithilfe von Software Werkzeugen erfolgt Man spricht daher auch oft von CASE Werkzeugen um zu betonen dass der Ein satz von Software Werkzeugen zum Zwecke der Software Entwick lung gemeint ist In diesem Buch wird davon ausgegangen dass CASE Werkzeuge eingesetzt werden Auf der beigef gten CD ROM befinden sich eine Reihe entsprechender Werkzeuge Die Struktur des Buches zeigt Abb 1 3 1 Globales Ziel des Buches ist es einen systematischen berblick ber Prinzipien Methoden Konzepte und Notationen des Program mierens im Kleinen und seine Einordnung in die verschiedenen Kontexte zu geben Dieses Wissen verbunden mit den praktischen bungen am Computersystem soll den Leser bef higen professionell effiziente Programme problemgerecht zu entwickeln zu analysieren zu berpr fen ad quat in der UML zu beschreiben und in Java zu transformieren zu bersetzen und auszuf hren Do TEn 28 Definition objektorientierte Konzepte UML Notation m CASE Werkzeuge Glossar Software Technik Prinzipien Produktverbesserung m Prozessverbesserung Checklisten Richtlinien Algorithmik objektorientierte Konzepte UML Notation m CASE Werkzeuge a Eigenschaften Verifikation m Aufwand Listen und B ume m Suchen und Sortieren Programmierung Anwendungsbereiche objekt
54. s bis hin zu 500 MBit s Solche Lichtwellen leiter werden zunehmend f r die Verkabelung von Telekommuni kations Netzen und lokalen Netzen verwendet Die bertragung von Informationen in Netzen erfolgt paketweise d h die zu bertragenden Informationen werden in ein oder mehrere Pakete Abb 1 1 6 fester oder variabler L nge aufgeteilt Die Pakete werden dann ber das Netz transportiert Die Gr e eines Paketes wird blicherweise beschr nkt sodass die bertragungsdauer eine bestimmte Zeit nicht berschreitet meist im Bereich von tausendstel Sekunden Bei bertragungsgeschwindigkeiten im MBit s Bereich ergeben sich Paketgr en im KBit Bereich Beispielsweise k nnen T Legende Zu bertragende Informationen K Kopfd ten header enthalten Empf nger und Absenderadresse K K K K Nummer des Paketes Paket 1 Paket 2 Paket 3 Paket 4 Fehler Code 15 LE 1 Kapitel 1 4 ISDN steht f r integriertes digitales Fernmel denetz integra ted services digital network ADSL steht f r Asymmetric Digital Subscriber Line Abb 1 1 6 Zum Prinzip der Informations bertragung mit Paketen LE 1 Netzanschluss System Hinweis Der hier benutzte Begriff Karte bezeichnet eine technische Komponente eines Computers die in das Geh use eines Computers nachtr glich ein gebaut werden kann daher auch Einsteckkarte oder Einschubkarte genannt Die Be zeichnung
55. sten mit einer bestimmten Bedeutung belegen Wird das Programm vom Computer ausgef hrt und die Taste wird gedr ckt dann wird eine entsprechende Funktion ausgel st Mit der Funkti onstaste Fl wird im Allgemeinen eine Hilfefunktion aufgerufen Zus tzlich enth lt jede Computertastatur so genannte Cursor Tas ten Ein Cursor L ufer auch Schreibmarke genannt ist eine oft blinkende Markierung meist ein senkrechter Strich auf dem Bild schirm der die momentane Bearbeitungsposition anzeigt Gibt man ein Zeichen mit der Tastatur ein dann wird es im Allgemeinen an der Stelle eingef gt an der der Cursor steht Mithilfe der Cursor Tasten kann der Cursor auf dem Bildschirm bewegt werden Da Grafikbildschirme aus mehreren hunderttausend Bildpunkten bestehen ist ein schnelles und genaues Positionieren mit Cursor Tasten nicht m glich Als Alternativen wurden so genannte Zeigeinstrumente entwi ckelt die es erm glichen schnell direkt oder indirekt auf Bildpunkte oder Bildbereiche zu zeigen Am h ufigsten wird hierf r heute die so genannte Maus verwendet Eine Maus ist ein kleines handliches K stchen mit einer zwei oder drei Drucktasten auf der Oberfl che und einer Rollkugel auf der Unterseite Abb 1 1 2 Die Maus wird auf eine glatte Oberfl che gelegt und kann dann leicht hin und herbewegt werden Die Bewegung der Maus wird dabei von einem Maus Zeiger meist durch einen Pfeil dargestellt auf dem Bildschirm nachvollzogen Durch Bet
56. t st ndig zu z B in der Telekommunikationsindustrie im Auto 1 1 Aufbau und Funktionsweise eines Computersystems mobilbau im Maschinen und Anlagenbau in der Medizintechnik oder der Haushaltselektronik m Anlagen und Ger te werden von Software gesteuert Sie pr gt da mit zunehmend sowohl die Funktionalit t als auch die Qualit t der Erzeugnisse sw In exportorientierten Branchen der deutschen Wirtschaft ber steigt der Software Anteil an der Wertsch pfung der Produkte h ufig die 50 Prozent Marke In der digitalen Vermittlungstechnik entfallen bis zu 80 Prozent der Entwicklungskosten auf Software E Information Highways werden einen gr eren Einfluss auf die zuk nftige Entwicklung von Wirtschaft und Gesellschaft haben als es die physikalische Infrastruktur wie Schienen Elektrizit ts oder Telefonnetze hatten E Information wird noch viel st rker zum entscheidenden Pro duktionsfaktor und entscheidet ber die zuk nftige Wettbe werbsf higkeit der wichtigsten Industriebranchen Um eine intuitive Vorstellung von Computersystemen zu vermitteln und um auf klar definierten Begriffen aufzusetzen werden im fol genden Kapitel zun chst der Aufbau die Funktionsweise und die Terminologie von Computersystemen eingef hrt und erkl rt Anschlie end wird versucht eine Vorstellung von der Informatik als Wissenschaft zu vermitteln Insbesondere wird auf Definitionen Gegenstandsbereiche Teildisziplinen und das S
57. t der Maus auf dem Daten Z Anzeige t kopieren tr ger gestartet werden muss Dieses Programm Ein Ausgabesteuerun bernimmt dann unter Inanspruchnahme des en j g Betriebssystems die Installation Das Installations f IH ii programm erledigt folgende Aufgaben i z a Festlegen des Funktionsumfangs der genutzt Tastatur Bild CD Fest werden soll Maus schirm ROM platte b Abstimmung der Software auf die vorhandene Hardware c Integration in bestehende Programme z B um Daten auszutauschen d Anlegen eines anwendungsspezifischen Piktogramms auf der Arbeitsoberfl che desktop das nach dem Starten des Computersystems jeweils angezeigt wird 4 Bei Lexika Telefonb chern usw enth lt die CD ROM nicht nur die Software sondern auch die Informationen die verarbeitet werden sollen In der Regel wird nur die Software auf die Festplatte kopiert die Informationen bleiben auf der CD ROM Will man auf die Informationen zugreifen muss die entsprechende CD ROM in das Laufwerk eingelegt werden Benutzung 5 Um Anwendungssoftware zu nutzen muss sie PCRS b Betriebssystem Arbeits gestartet werden Dies geschieht in der Regel c Q aaa Speicher durch einen Doppelklick auf das entsprechende 5 tee gt Anv z oftware Piktogramm Doppelklick auf A Informationen In der Zentraleinheit l uft nun Folgendes ab Piktogramm Anzeige t A
58. tigen einer Taste Anklicken kann man bestimmte Aktionen ausl sen Durch die Verwendung eines Grafikbildschirms ist es auch m g lich die Informationsdarstellung auf dem Bildschirm so zu gestalten dass die Bedienung des Computers besonders einfach wird Der Benutzer sieht eine grafische Benutzungsoberfl che GUI die einer physikalischen Arbeitsoberfl che eines Schreibti sches nachgebildet ist Man spricht auch von einer elektronischen Arbeitsoberfl che desktop genannt Auf dieser Arbeitsoberfl che k nnen Objekte Auftr ge Bestel lungen Rechnungen Memos usw Hilfsmittel Bleistift Radier gummi B roklammern usw Ger te Telefon Posteingangs und ausgangskorb und Anwendungen Adressverwaltung Textverarbei tungssystem usw die die Bearbeitung der Objekte erm glichen in Form von Piktogrammen bzw Ikonen icons dargestellt werden Ein Piktogramm ist eine grafisch abstrakte Darstellung von Ob jekten Ger ten Funktionen Anwendungen oder Prozessen auf dem 10 1 1 2 Bildschirm Tastatur und Maus LE 1 Piktogramme f r Fenster A Dies ist ein Beispiel f r das Anwendimgsfenster eines Textverarbeitungssystems Mauszeiger Bildschirm Abb 1 1 4 zeigt die Analogie zwischen einem klassi schen Schreibtisch Arbeitsplatz und der Arbeitsoberfl che eines Computer Arbeitsplatzes Der Benutzer kann auf der elektronischen Arbeitsoberfl che eine durch ein Piktogramm repr sentierte Anw
59. tion Denning et al 89 Computer science and engineering is the systematic study of algorithmic processes their theory analysis design efficiency im plementation and application that describe and transform informa tion The fundamental question underlying all of computing is What can be efficiently automated Der Begriff Computer Science schlie t n mlich im Gegensatz zu Informatik u a den ganzen Bereich der betrieblichen Anwendungs systeme und ihres organisatorischen Umfeldes also der Wirtschafts informatik und der ihr verwandten Gebiete aus die zumindest in den USA vorwiegend unter dem Oberbegriff Information Systems fir miert Mayr Maas 02 S 178 Im Studien und Forschungsf hrer Informatik Brauer M nch 96 wird Informatik aus einer anderen Perspektive betrachtet 20 Quelle Bonsiepen Coy 92 1 2 Die Informatik LE 1 Position 1 Mathematisch logische Orientierung Dijkstra 89 These Computer k nnen nur Symbole manipulieren Sie tun dies mittels Programmen Programme sind maschinell ausf hrbare Formeln Aufgabe der Programmierer ist es Formeln durch die Manipulation von Symbolen herzuleiten Informatik befasst sich also mit dem Wechselspiel von maschineller und menschlicher Symbol Manipulation Die Informatik Grundausbildung muss daher stringent mathematisch logisch sein Es ist ohne Verwendung von Computern die formale Manipulation einer einfachen imperativen Programmiersprache zu leh
60. udium in Informatik Spektrum Oktober 1997 S 302 306 IKT Report 03 IKT Report Zentrum f r Europ ische Wirtschaftsforschung Mannheim Juni 2003 www zew de Langenheder M ller Schinzel 92 Langenheder W M ller G Schinzel B Hrsg Informatik cui bono Berlin Springer Verlag 1992 Mayr Maas 02 Mayr H C Maas J Perspektiven der Informatik in Informatik Spektrum 20 6 2002 S 177 186 Necker 94 Necker T Informations und Kommunikationstechnik in Deutschland Visionen und Realit ten in Informatik Spektrum 1994 S 339 341 Parnas 90 Parnas D C Education for Computer Professionals in IEEE Computer 23 1 1990 pp 17 22 Rahmenordnung 95 Rahmenordnung f r die Diplompr fung im Studiengang Informatik an Univer sit ten und gleichgestellten Hochschulen 1995 in Brauer M nch 96 Schmid Broy 00 Schmid D Broy M noch nicht zu sp t Das Walberg Memorandum zur F rde rung der IT Forschung in Informatik Spektrum 23 2 S 109 117 2000 TNS Emnid 03 Absolute Mehrheit Die Deutschen sind online N Onliner Atlas 2003 TSN Emnid 2003 www tns emnid com Alle Wissens und Verstehens Aufgaben befinden sich als Multiple Choice Tests in dem e learning Kurs zu diesem Buch Diese Tests sollten Sie zun chst zufriedenstellend l sen bevor Sie die folgenden analytischen und konstruktiven Aufgaben bearbeiten 1 Lernziel Anhand von Beispielen bertragungszeiten bei vernetzten Compu A
61. um Diese Umwandlung hei t Modulation Beim Empf nger werden akustische Signale in digitale umgesetzt Demodulation E Ein DSL Modem wird ben tigt um einen ADSL Zugang zu erm g lichen E Eine ISDN Karte wird ben tigt wenn das Computersystem an ein digitales Telefonnetz angeschlossen werden soll An einen ISDN Basisanschluss k nnen bis zu acht unterschiedliche Endger te angeschlossen werden von denen wiederum zwei Ger te gleich zeitig benutzt werden k nnen Beim Schmalband ISDN sind ber tragungsgeschwindigkeiten bis zu 64 KBit s erlaubt Langfristig wird ein Breitband ISDN angestrebt das ein Vielfaches dieser ber tragungsgeschwindigkeit erm glicht Eine Netzwerk Karte wird ben tigt wenn das Computersystem an ein lokales Netzwerk LAN local area network angeschlossen werden soll Lokale Netzwerke verbinden Computersysteme ber kurze Entfernungen von einigen Metern bis maximal wenigen Kilometern meist innerhalb einer Institution oder eines Unter nehmens Als bertragungsmedium werden keine ffentlichen Leitungen verwendet Ein Netzwerk kann nicht nur dazu dienen Informationen zwischen den angeschlossenen Computern auszutauschen Informationsver bund sondern auch dazu Ressourcen gemeinsam zu nutzen Res sourcen k nnen beispielsweise Drucker und externe Speicher sein 16 1 1 6 Das Betriebssystem Da diese Peripherieger te relativ teuer sind k nnen sie als so ge nannte Server an das Netz ang
62. zu nutzen um f r Kunden Software zu entwickeln Kunden zu schulen und zu beraten Um bei Gespr chen mit potenziellen Kunden einen guten Eindruck zu hinterlassen entwirft jeder ein pers nliches Qualifikationspro fil Abb 1 1 8 zeigt das Profil von Alex Es enth lt zus tzlich eine gesprochene Begr ung falls das Profil als Datei an den Kunden gesandt wird 1 2 Die Informatik Parallel zur st rmischen Entwicklung der Computer und Software Technik entstand die Wissenschaftsdisziplin Informatik Zun chst wurde die Informatik als Spezialgebiet innerhalb anderer wissen schaftlicher Disziplinen betrieben Seit 1960 wird sie nicht mehr nur als eine Ansammlung von aus anderen Wissenschaften z B Lo gik Mathematik Elektrotechnik entliehenen Methoden und Regeln aufgefasst Die Informatik hat sich vielmehr zu einem zusammen h ngenden theoretisch fundierten Geb ude also zu einer neuen Grundlagenwissenschaft entwickelt auf die andere Wissenschaften zur ckgreifen Die Informatik ist in mehrfacher Hinsicht eine grunds tzlich neu artige Wissenschaft Brauer M nch 96 S 12 ff Die Hauptprodukte der Informatik sind immateriell n mlich Software im Unterschied zu den traditionellen Ingenieurwissen schaften m Die Produkte der Informatik sind im Allgemeinen erst in Verbin dung mit materiellen Objekten praktisch nutzbar m Die Informatik ist potenzielle und meist auch schon tats chliche Kooperationspartnerin f r j

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