Allgemeines/Definitionen Flashcards
Geschichte der Informatik
- Blaise Pascal (1623-1662)
• entwickelte Rechenmaschine, die bis zur Zahl 100.000 rechnen konnte
• Namensgeber der Programmiersprache PASCAL, die Niklaus Wirt 1970 an der ETH Zürich entwickelte - Gottfried Leibnitz (1646-1716)
• entwickelte das binäre Zahlensystem, das die Grundlage der theoretischen Informatik bildet
jede beliebige Information lässt sich als Sequenz von Nullen und Einsen darstellen - Alan Turing (1912-1954)
• stellte das Konzept der universellen Turingmaschine zur Berechenbarkeit von Problemen vor
• entwickelte eine Entschlüsselungsmaschine für die deutsche Enigma im 2. Weltkrieg - Konrad Zuse
• baute 1941 mit dem Z3 die erste deutsche funktionierende Rechenmaschine - Steve Jobs und Steve Wozniak
• schraubten 1971 in der elterlichen Garage den ersten Computer zusammen und gründeten mit einem Startkapital von 1300$ die Firma Apple - Bill Gates und Paul Allen
• gründeten im Jahr 1975 die Firma Microsoft, Verkauf und Weiterentwicklung des Betriebssystems DOS zu Windows 8 - Tim Berners-Lee
• entwickelte 1989 am Kernforschungszentrum CERN in Genf mit dem Ziel der besseren Vernetzung wissenschaftlicher Informationen das WorldWideWeb (WWW) - Larry Page und Sergey Brin
• entwickelten 1998 die Suchmaschine Google
Definition: Informatik
- „Informatik (engl. Computer Science oder inzwischen auch Informatics) ist die Wissenschaft von der systematischen Verarbeitung von Informationen, besonders der automatischen Verarbeitung mit Hilfe von Digitalrechnern“.
- „Informatik“ leitet sich aus den Worten „Information“ und „Automatik“ ab
- Wissenschaft der maschinellen Wissensverarbeitung
- Informatik = Verarbeitung von „Informationen“
- Idee hinter der Informatik: Maschine, die den Menschen von stupiden Aufgaben befreit
• Gottfried Wilhelm von Leibnitz
Bereiche der Informatik + Erläuterung
- Angewandte Informatik
• beschäftigt sich mit den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten für Rechensysteme (medizinische Informatik, Produktionsinformatik, Software in der Nautik bzw. Logistik etc.) -> Anwendungssoftware, z.B. Berechnung von Klimamodellen - Technische Informatik
• befasst sich mit den hardwaretechnischen Grundlagen der Informatik -> Mikroprozessortechnik (Konzeption von Rechnern); Rechnerarchitektur (Konzeption der CPU); Rechnerkommunikation (Datenübertragung in Rechnernetzen) - Praktische Informatik
• befasst sich mit der Programmierung von Rechnern -> (Programmiersprachen, Compiler und Interpreter, Algorithmen und Datenstrukturen, Betriebssysteme, Datenbanken) - Theoretische Informatik
• befasst sich mit den (mathematischen) Grundlagen der Informatik, die von den anderen Teilgebieten genutzt werden -> Automatentheorie u. formale Sprachen; Komplexitätstheorie, Berechenbarkeitstheorie
Defintion: Daten
- Unterscheidung zwischen analogen und digitalen Signalen oder Zeichen (Syntax)
- Zweck: Repräsentation und Darstellung von Informationen für Verarbeitung
- Erhalten der ersten Bedeutung durch Codierung
Definition: Informationen
- Kenntnis von Sachverhalten (Aussagen und Beschreibungen zu Eigenschaften und Struktur bestimmter Gegenstände oder Sachverhalte)
- kommuniziertes und formalisiertes Wissen
- Codierung durch Daten
Definition: binär System
(Dualsystem)
• nur 2 Zustände (Information „0“ = kein Signal, „1“ = Signal)
• Grund für Verwendung in Rechner = technisch einfach realisierbar, elektronische Elemente mit jeweils nur 2 Zuständen (0 = kein Signal, 1 = Signal liegt an) auszustatten
Definition: Bit
(binary digit)
kleinstmögliche Einheit mit nur 2 Zustände 2 („0“ oder „1“)
Verwendung von Bitfolgen zur komplexerer Darstellungen („Fragen mit mehr als 2 Antworten“)
2^Nmögliche Bitfolgen der Länge N
Rechner operieren nie mit einzelnen Bits (viel zu langsam)
Verwendung von Gruppen von Bits (je nach Rechner (8Bit, 16 Bit, 32 Bit, 64 Bit = vielfaches von einem Byte = 8 Bit)
8 Bit = 1 Byte = 2^8 = 256 verschiedene Zustände
Beispiel Windrichtungen 000=Süd, 001=West, 010=Nord, 011=Ost 100=Südost, 101=Nordwest, 110=Nordost, 111=Südwest Größe einer Datei = darin enthaltene Anzahl von Bytes Größenangabe des Hauptspeichers und anderer Speichermedien = 2er Potenzen k = kilo = 1024 = 2^10 M = mega = 1024 x 1024 = 2^20 G = giga = 1024 x 1024 x 1024 = 2^30 Bedeutung von Bitfolgen in verschiedenen Tabellenwerken hinterlegt ASCII (8-Bit Codierung mit 256 Zeichen) Unicode/UCS (16 Bit Codierung mit 65536 Zeichen) Codierung eines fortlaufenden Textes = Codes der einzelnen Zeichen aneinandergereiht = Zeichenkette = string
Definition: Computer-Programm
- Anweisungen, die einen Rechner veranlassen, bestimmte Dinge zu tun, sind im Hauptspeicher oder auf externen Medien gespeichert
- Verwendung einer festgelegten Codierung (Programmiersprache) für Instruktionen des Programms
- zunächst Erstellen eines Textes in jeweiligen Programmiersprache Übersetzen des Texts in Reihe von Befehlen durch Compiler, die Rechner versteht (s.g. Maschinenbefehle)
Definition: Datentypen
- Datentypen
• Typ: byte Größe 8 Bit = Wertebereich -128 bis 127
• Typ: short Größe 16 Bit = Wertebereich -32768 bis 32767
• Typ: int Größe 32 Bit = Wertebereich -232 bis 232 - 1
• Typ: long Größe 64 Bit = Wertebereich -264 bis 264 - 1 - Fließkommazahlen in JAVA eingesetzt
• Typ: float Größe 4 Bytes = Wertebereich -3.40338 bis 3.40338
• Typ: double Größe 8 Bytes = Wertebereich -1.797308 bis 1.797308
Defintion: EVA-Prinzip + Informationsverarbeitung
- Informationsverarbeitung
- Abbildung der Information zunächst auf Daten
- Veränderung der Daten durch Rechner (arithmetisch/logisch)
- Abstraktion der neuen Informationen aus den entstandenen Daten
Defintion: Rechnerkategorien
- Personalcomputers (PCs)
• autonomes Computersystem
• dienen typsicherweise einer einzigen Person
• können in Netzwerk Dienste anbieten
• können für rechenintensive Aufgaben in Cluster zusammengefügt werden - Workstations
• leistungsfähiger, aber auch entsprechend teurer als PCs
• mehrere parallel arbeitende Hochleistungs-CPUs
• für rechenintensive Aufgaben - Mainframes
• Zentralrechner, der mit vielen Nutzern verbunden
• Verwendung als Zentralserver in Großunternehmen
• Verwaltung riesiger Datenmengen
• meist gut zu warten (auch im Betrieb) - Supercomputer
• schnellsten Computer der Welt
• hohe Leistungsfähigkeit durch Parallelisieren von Komponenten
• Verwendung für Forschungsaufgaben
• Leistung in FLOPS gemessen (Fließkommaoperationen pro Sekunde)
Defintion: Von-Neumann-Rechnerarchitektur
- Computer nicht alle identisch aufgebaut
• jedoch fast alle auf Grundlage der Von-Neumann-Rechnerarchitektur - basiert auf einem Vorschlag von Johann von Neumann aus dem Jahre 1946, der sich am biologischen Vorbild der menschlichen Informationsverarbeitung orientiere
- 5 Funktionseinheiten
• Steuerwerk
• Rechnerwerk
• Speicher
• Eingabewerk
• Ausgabewerk
Funktionseinheiten miteinander verbunden
Defintion: Speicher
• auch Hauptspeicher genannt
• Aufbewahrung von auszuführenden Programmen und Daten, die bei Ausführung benötigt bzw. berechnet werden
• heutzutage fast ausschließlich binäre Speicher
• Ort im Speicher an dem bestimmtes Datum abgelegt wird = Adresse
Vorgang den genaue Speicherplatz eines Datums zu finden und Wert des gespeicherten Daums abzufragen oder zu verändern = als Zugriff bezeichnet
Defintion: Rechenwerk
- Ausführen von Operationen auf Daten
- Unterstützung von arithmetischen (z.B. Addition/Subtraktion) und logischen (boolesche) (z.B. Konjunktion/Disjunktion/Negation) Operationen
Defintion: Ein-/Ausgabewerk
- Ein-/Ausgabewerke = Schnittstellen des Computers
- Eingabewerk = Eingabe von Daten z.B. über die Tastatur
- Ausgabewerk = Ausgabe von Daten z.B. auf Bildschirm
- über Ein-/Ausgabewerke auch Zugriff auf Festspeicher geregelt, wo Programme und Daten dauerhaft gespeichert werden
Definition: Steuerwerk
• „Herz“ des Computers
• für Gesamtsteuerung (Koordination der anderen Komponenten) zuständig
• Hauptaufgabe = Bearbeitung von Befehlen (Anweisungen) des auszuführenden Programms
Steuerwerk und Rechenwerk unter Bezeichnung Prozessor zusammengefasst
Merkmale des Von-Neumann-Rechners
- 5 Funktionseinheiten
- ein Speicher für Programme, Daten, Zwischen- und Endergebnisse
- Speicher in gleichgroße Zellen unterteilt
- sequentielle Abarbeitung des Programms aus dem Speicher
- binäre Codierung aller Daten
- Struktur des Rechners unabhängig vom Problem
Befehle des Von-Neumann-Rechners
• arithmetische Befehle • logische Befehle • Datentransportbefehle • Programmsteuerbefehle - Befehlszyklus
Aufbau von PCs: Mainboard
• Darstellen der physischen Verbindung zwischen den einzelnen Bauelementen
• Integration einer Vielzahl von Controllern
• Slots untereinander und mit Hauptplatine durch ein BUS-System verbunden
• Steckplätze
- Arbeitsspeicher = Steckplätze für Speicherriegel (DDR4; (8 Gbyte wünschenswert)
- PCI Express = als Standard-Kommunikationsweg benutzt (Punkt-zu-Punkt-Verbindungen)
- Plattform Controller Hub = Verbindung CPU mit Laufwerken, Erweiterungsslots und dem Gros der externen Anschlüsse
- Treiber = für Vielzahl von Komponenten, wobei die meisten von den aktuellen Windows-Versionen gestellt werden
Aufbau von PCs: Prozessor
• Kernstück des Computers
• Steuerung der Funktionseinheiten und Verarbeitung von Daten
• Hauptbestandteile: Register, Rechenwerk, Steuerwerk, Speichermanager
• Aufgabe des CPU:
Befehle verarbeiten, typische Befehle:
o LOAD: Laden eines CPU-Registers mit einem Wert aus dem Speicher
o STORE: Speichern eines Registerinhalts in einem Speicherplatz des Speichers
o ADD, SUB, MUL, DIV: arithmetische Operationen auf Registern
o NOT, OR, AND: logische Befehle auf Registern
o COMPARE: Vergleich des Inhalts zweier Register
o OUT, IN: Ein- und Ausgabe von Daten an Register der Peripheriegeräte
Aufbau von PCs: Arbeitsspeicher
- Ablegen von Programmen und Daten
- Inhalt = flüchtig (verliert Inhalt beim Ausschalten)
- Anbindung des Speichers an CPU über Adressleitungen und einen Datenbus
Aufbau von PCs: Speichermedien
• langfristige Speicherung
• Kenngrößen: Speicherkapazität und Zugriffszeit
• Festplatten
wichtigste Speichermedium = Magnetplatte = Festplatte
o 1956: IBM stellt erstes magnetisches Festplattenlaufwerk mit 5 MB Speicherkapazität vor, bestehend aus 50 Speicherplatten mit 61cm Durchmesser
o 1973: IBM entwickelt im „Winchester Projekt“ erste rotierende Speicherplatten ohne Lademechanismus mit 30 MB Kapazität
o 1979: IBM stellt erste 8“ Festplatte vor, Preis für 5 MB = 10.000DM
o 1980: Seagate bringt erste 5,25“ Festplatte mit 6 MB auf den Markt
o 1995: Kapazität der 5,25“ Festplatte hat sich auf 540 MB erhöht und 3,5“ Laufwerke mit 540 MB kommen auf den Markt
o 1997: die ersten 2,5“ Laufwerke kommen auf den Markt
o 2000: die Kapazität der 3,5“ Laufwerke hat sich auf 75 GB erhöht
o 2002: Einführung S-ATA Schnittstelle
Größe der Festplatte in Zoll (heutzutage 3,5“ = Standardgröße für Desktop-PCs, 2,5“ für Notebooks und Spezialrechner)
Aufbau
o eine oder mehrere drehbar gelagerte Scheiben
o bewegliche Schreib- und Leseköpfe
o Antrieb für Scheiben und Köpfe
o Steuerelektronik
o Schnittstelle zum PC
o Festplattencache
Scheibenplatten aus Aluminium oder Legierungen und mit magnetischen Eisenoxid- oder Kobaltschicht überzogen
durch Anlegen von Strom wird unter Magnetkopf ein Magnetfeld induziert, das dauerhaft auf Plattenoberfläche bestehen bleibt
vor ersten Inbetriebnahme = Formatieren der Festplatte (Aufbringen eines magnetischen Musters, das Spuren und Sektoren festlegt)
Aufbau von PCs: Schnittstellen
- Verbindungsmöglichkeit des Rechners mit „Außenwelt“
- Anschluss an Peripherie des Rechners
- elektrischer Übergabepunkt zur Anpassung von Audio-, Video- oder Steuerdaten zwischen zwei oder mehreren Geräten
• unidirektionale Schnittstellen
Datenstrom nur in eine Richtung
• bidirektionale Schnittstellen
Datenstrom in beide Richtungen
• parallele Schnittstellen
gleichzeitige Übertragung von Bits, wobei keine grundsätzliche Regel, wie viele Bits übertragen werden
meistens bidirektional
Vorteile
o äußerst schnell
o minimaler technischer Aufwand
Nachteile
o viele Kabel
o lange Kabel führen häufig zu Datenübertragungsfehlern (Transformatoreffekt)
• serielle Schnittstellen
Datenübertragung in Serie
heutzutage kaum noch an normalen Desktop-PCs zu finden, aber in Industrie noch intensiv für Datenübertragung bzw. Gerätesteuerung eingesetzt
Vorteile
o Verbindungskabel nur aus wenigen Leitungen
o lange Übertragungsstrecken möglich
Nachteile
o erst Aufbereitung von Daten vor Übertragung, anschließend Rückübertragung in altes Format
o keine hohe Übertragungsraten
Definition: USB
(Universal Serial BUS)
serieller Bus, bei dem übertragenden Bits in einzelnen Datenpaketen nacheinander übertragen werden
Datenkommunikation = differential über 2 verdrillte Leitungen
o eine überträgt das unveränderte Datensignal, andere das invertierte Signal
o Folge: erhöhte Differenzspannung beider Signale = erhöhte Übertragungssicherheit
Vorteile:
o hohe Übertragungsraten
o kleine Abmessungen der Stecker
o Möglichkeit Geräte mit Strom zu versorgen
o 127 verschiedene Geräte gleichzeitig anschließbar
o Hot-Plugging Funktion wird unterstützt
Defintion: VGA
(Video Graphics Array)
Übertragung von analogen Signalen für Farben (Rot, Grün, Blau) und horizontale und vertikale Synchronisationssignale für Abbildung auf Bildschirm auf 15 Leitungen
Erzeugen des VGA-Signals durch RAMDAC (Random Access Memory Digital/Analog Converter) auf Grafikkarte
o Umwandlung von digitalen in analoge Bildsignale
Definition: DVI
(Digital Visual Infertace)
Übertragung von digitlen und analogen Video- und Grafiksignalen
Standard für Flachbildschirme
hohe Auflösung bei größeren Kabellängen
TMDS (Transition-Minimized Differential Signaling) Standard für digitale Datenübertragung
Definition: HDMI
(High Definition Multimedia Interface)
Übertragung von Video- und Audiodaten mit Frequenz von bis zu 192 kHz über 19-poligen Stecker
Definition: kabellose Schnittstellen
IrDa (Infrared Data Association)
o Datenübertragung mittels infrarotem Licht (850-900nm Wellenlänge) über kurze Stecken (max. 100cm) zwischen Geräte mit Sichtverbindung
Bluetooth
o Industriestandard gemäß IEEE 802.15.1 für drahtlose (Funk-) Vernetzung über kurze Distanzen
o Übertragung von bis zu 2,1 MBit/s
o bis zu 7 Verbindungen gleichzeitig
WLAN (Wireless Local Area Network)
o lokales Funknetz, meistens Standard der IEEE 802.11-Familie
o Aufbau:
o spezielle Basisstation (Access Point) übernimmt Koordination aller anderen Netzknoten (Clients)
o Basisstation sendet in einstellbaren Intervallen kleine Datenpakete s.g. Beacons an alle Stationen im Empfangsbereich
