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Okay, hier sind die detaillierten Studiennotizen basierend auf den Inhalten der bereitgestellten Bilder, geschrieben auf Deutsch:

C++ Grundlagen: Variablen und Datentypen

• In C++ sind Variablen Speicherorte, die einen Wert eines bestimmten Datentyps speichern.
• char: Wird genutzt, einzelne Buchstaben zu speichern.
• char[]: Ein Array von char-Variablen, auch bekannt als Zeichenkette oder String. Durch #include <string> können Strings zudem als Objekte der Klasse std::string verwendet werden.
• int: Dient zum Speichern von ganzzahligen Werten.
• float: Wird verwendet, um Gleitkommazahlen (Kommazahlen) mit einer Genauigkeit von 4 Byte zu speichern.
• double: Ermöglicht das Speichern von Gleitkommazahlen mit doppelter Genauigkeit (8 Byte).
• bool: Ein Datentyp, der entweder true (wahr) oder false (falsch) speichern kann.
• void: Gibt an, dass eine Funktion keinen Wert zurückgibt oder keine Argumente akzeptiert.
• getline(cin,...): Erlaubt die Erfassung einer Textzeile, die über die Konsole eingegeben wurde.
• to_string(): Konvertiert Zahlen in Text.
• IEEE 754: Ein Standard für die Darstellung von Gleitkommazahlen, der Exponenten verwendet.

Von-Neumann-Architektur

• John von Neumann (1903-1975) entwickelte theoretische Überlegungen zum Aufbau eines Rechners.
• Das Grundprinzip ist die Basis für General-Purpose-Computer (PCs, Server).
• Parallelrechner und moderne Dual- oder Multicore-CPUs stellen Ausnahmen von diesem Prinzip dar.
• Grundprinzipien:
• Problemunabhängigkeit: Ein Programm steuert den konkreten Ablauf.
• Programme bestehen aus einer Sequenz von binären Entscheidungen.
• Programme werden wie Daten im Speicher abgelegt.
• Im Speicher sind Daten, Adressen und Programme nicht voneinander zu unterscheiden.
• Komponenten eines Von-Neumann-Rechners:
• Steuerwerk: Kontrolliert den Ablauf des gesamten Systems.
• Rechenwerk (Arithmetic & Logic Unit, ALU): Führt arithmetische und logische Operationen durch.
• Arbeitsspeicher: Enthält maschinenlesbare Programme und Daten.
• Ein-/Ausgabeeinheit: Ermöglicht die Bereitstellung und Speicherung von Daten auf externen Geräten.
• Verbindungssystem (Bussystem): Verbindet die verschiedenen Komponenten.
• Prinzipieller Aufbau moderner Rechner:
• Adressbus: Überträgt Speicheradressen.
• Steuerbus: Überträgt Steuerbefehle vom Steuerwerk an andere Verarbeitungseinheiten.
• Datenbus: Dient zur Übertragung von Daten oder Programmbefehlen.
• CPU (Central Processing Unit): Zentrale Verarbeitungseinheit, interpretiert und führt Anweisungen aus.
• ROM (Read Only Memory): Festwertspeicher, aus dem nur gelesen werden kann.
• RAM (Random Access Memory): Speicher, auf den lesend und schreibend zugegriffen werden kann.
• Ein-/Ausgabe: Schnittstellen zu externen Geräten.
• Daten, Adressen und Befehle werden einheitlich durch binäre Einheiten repräsentiert.
• 1 Bit: Elementares Ja/Nein-Signal (0/1).
• 1 Byte: 8 Bit.
• 1 Wort: Definiert durch die Breite des Datenbusses (16, 32 oder 64 Bit), oft aber nach Konvention: 2 Byte = 16 Bit.
• 1 Langwort: 4 Byte = 32 Bit.

Central Processing Unit (CPU)

• Aufgabe der CPU ist es, Befehle zu interpretieren und auszuführen.
• Im einfachsten Fall wird zu jedem Zeitpunkt 1 Befehl ausgeführt, der 1 Datenwert berechnet (SISD, Single Instruction Single Data).
• Speicherplätze auf der CPU:
• Register: Sehr schneller Speicher, direkt am Rechenwerk, speichert Elementardaten (Zahl, Adresse, Befehl). Häufige Beispiele sind Datenregister D0-D7 und Adressregister A0-A7.
• Cache: Zwischenspeicher mit schnellem Zugriff und geringerer Kapazität.
• Weitere Register und Mikroprogrammspeicher (als ROM).
• Steuerwerk: Steuert die an der Befehlsausführung beteiligten Einheiten, insbesondere Auswahl der Operationen für die ALU. Es beinhaltet den Befehlsdekodierer und die Adressberechnung.
• Rechenwerk (Arithmetic Logical Unit, ALU): Führt Operationen (+, -, *, /, ∧, ∨, ...) aus Verknüpfung von höchstens zwei Operanden, von denen mindestens einer ein Register sein muss.
• Ein-Adress-Maschine: Einer der Operatoren muss ein festes Register sein, der Akkumulator.
• Zwei-Adress-Maschinen: Ein Register dient als Akkumulator.
• Drei-Adress-Maschine: Das Ergebnis wird in eine dritte Speicherstelle geschrieben und nicht in den Akkumulator zurück.
• Maschinensprache: Ausführbares Programm im Speicher, Befehle sind durchnummeriert (OP-Code).
• Assembler-Sprache: Nahezu äquivalent zur Maschinensprache, aber leichter lesbar, verwendet Kürzel (mnemonics) für Befehle und Register.
• Das Steuerwerk und seine Funktion:
• Das Steuerwerk enthält ein Befehlsregister und einen Befehlszähler.
• Ein Dekodierer entschlüsselt den Befehl.
• Eine Mikroprogrammeinheit interpretiert den Befehl als Folge von Operationen für das Rechenwerk.
• Die Adressberechnung lokalisiert die Daten im Speicher.
• Operanden und Adressen werden zerlegt.
• Adresswerte sind relativ und nicht absolut; eine Adressberechnung ist nötig ist.
• Der Befehlszählregister hält die Adresse des nächsten Befehls.

Der Befehlsausführungszyklus

• Das Programm ist eine Folge von Befehlen.
• Der Zyklus umfasst die Ausführung eines einzelnen Befehls.
• Konkreter Ablauf:
  1. Die aktuelle Befehlsadresse wird aus dem Befehlszählregister in den Adressbus gelegt.
  2. Der Befehl wird in das Befehlsregister geladen.
  3. Der Befehlszählregister wird erhöht oder bei einem Sprungbefehl mit einer neuen Adresse geladen.
  4. Der Befehl wird dekodiert und interpretiert.
  5. Für jede Elementaroperation werden die Operanden bereitgestellt, die Operationen ausgeführt und die Ergebnisse im Akkumulator gespeichert
  6. Das Gesamtergebnis wird vom Akkumulator in den Datenbus gestellt.

Speicherhierarchie

• Die Speicherhierarchie besteht aus drei Ebenen: Primärspeicher, Sekundärspeicher und Tertiärspeicher.
• Im Primärspeicher gibt es sehr schnelle Register, Caches geringer Kapazität und RAM.
• Der Lokalitätsprinzip besagt, dass der nächste Befehl wahrscheinlich auf Daten zugreift, die sich in der Nähe der zuletzt verwendeten Daten befinden.
• Die konkrete Lage der Daten im Speicher hat Auswirkungen auf die Performance.
• Auf Daten in der Nähe der zuletzt geladenen Daten kann schneller zugegriffen werden, während der Zugriff auf weiter entfernte Daten langsamer ist

Bussysteme

• Bussysteme dienen zur Verbindung von Rechnerkomponenten für den Datenaustausch.
• Anstelle der sehr aufwändigen direkten Verkabelung nutzen mehrere Geräte einen gemeinsamen Datenübertragungsweg.
• Ein Steuerbus, ein Adressbus und ein Datenbus bilden zusammen einen Systembus
• Es treten serielle und parallele Busse auf. Dabei werden Daten seriell im Binärformat übertragen oder parallel über mehrere Leitungen gleichzeitig.
• PCI Bus (Peripheral Component Interconnect), USB (Universal Serial Bus) und andere Busse verbinden Peripheriegeräte.

Probleme der Von-Neumann-Architektur

• Der Von-Neumann-Flaschenhals beschreibt die relativ geringe Bandbreite des Datenbusses im Verhältnis zur CPU-Leistung, die durch Programmabläufe ausgebremst wird.
• Ein beliebiger Datenzugriff ist dadurch erschwert, dass die Datenbereitstellung erst nach der Befehlsdekodierung möglich ist.
• Caches versuchen dieser Verlangsamung entgegenzuwirken.

Wichtige Begriffe

• Ein Datum ist die Einzahl von Daten.
• Daten, Adressen, und Befehle sind einheitlich durch binäre Einheiten repräsentiert.
• Ein Programm ist eine Folge von einzelnen Befehlen, die von der CPU verarbeitet werden und es ist eine konkrete Umsetzung (Implementierung) eines Algorithmus.
• Compiler, Interpreter und Assemblierer sind Programme, die Quellcode in Maschinencode übersetzen.
• Das Betriebssystem ist ein Programm zum Ausführen von Programmen.
• GUI = Graphical User Interface, graphische Benutzeroberfläche.
• Der Begriff Shell bezieht sich auf Kommandozeileninterpreter.
• MS Windows: 1990: Windows 3.0 1995: Windows 95, erstes multitasking-fähiges Version. • Unix/Linux: 1970er: Entwicklung von Unix als multi-tasking, multi-user BS auf Basis von C 1980er: Entwicklung von X-Windows als graphische Benutzeroberfläche (GUI), auch für Remote User

Betriebssysteme

• Benutzer können einen Rechner in verschiedenen Formen nutzen.
• Ein Single-User-System erlaubt nur einem Nutzer die gleichzeitige Nutzung, während Multi-User-Systeme die quasigleichzeitige Nutzung durch mehrere Nutzer ermöglichen.
• Weitere Aufgaben des Betriebssystems sind:
• Die Verwaltung in einer hierarchischen Dateisystemstruktur und die Rechteverwaltung ("Wer darf was?").
• Die Datensicherheit, z. B. durch den Schutz vor Datenverlust bei Systemabstürzen.
• Multi-Tasking durch die Zuteilung von Ressourcen in Zeitscheiben.

Codierung

• Codierung beschäftigt sich mit der binären Repräsentation von Daten.

Zahlensysteme

• Symbole (Ziffern) für bestimmte (Grund-)Zahlen.
• Dezimalsystem für elektronische Rechner ungeeignet.
• Basen 8 und 16 sind 2er-Potenzen; Umrechnungen zwischen diesen Systemen besonders einfach.
• Wichtige Beispiele: Dezimalsystem (b=10), Duodezimalsystem (b=12), Dualsystem (Binärsytem, b=2), Hexadezimalsystem (b=16), Oktalsystem (b=8)

Zahlentypen

• Zahlentypen sind eingeschränkte Darstellungen von Zahlenarten.
• Natürliche Zahlen, ganze Zahlen, Fließkommazahlen und Festkommazahlen.
• Die Interpretation von Werten, die Genauigkeit der Darstellung und die minimal/maximal darstellbare Zahl bestimmt der Zahlentyp.
• Wichtige Begriffe:
• Additionssystem
• Stellenwertsystem
• Vorzeichen-Betrag-Darstellung
• Zweierkomplement
• Bias

Binäre Operationen

• Reihenfolge der Ziffern im Ergebnis wird oft falsch angenommen!
• Modulo-Rechnung
• Addition বিন্যার
• Multiplikation Binärer Zahlen

###Maschinensprache und Assembler-Sprache

• Op-Code
• Operand

Zeichenkodierung

• ASCII: American Standard Code for Information Interchange
• Basierend auf lateinischem Alphabet und arabischen Zahlen, mind. 7 bit notwendig (128 Zeichen).
• Unicode und UTF: Legt einheitliche Codes für alle sinntragenden Zeichen aller Kulturen fest
• UTF: Unicode Transformation Format
• Codierung von Sonderfällen wie ∞ oder ) (Div. durch 0)

Informations-Codierung

• Die Übertragung und Speicherung von Daten erfordert Effizienz.
• Algorithmen und Datenstrukturen können verlustfrei und verlustbehaftete sein.
• Wie läßt sich daraus Nutzen ziehen, um Daten kompakt darzustellen (zu komprimieren)?
• Was ist Information und Wahrscheinlichkeit?
• Algorithmus: Handlungs- bzw. Berechnungsvorschrift zur Lösung eines Problems
• Exakt festgelegter Ablauf, mit dessen Hilfe ein bestimmtes Ziel erreicht werden kan
• Abstraktes Gegenstück zu der Umsetzung in Form eines konkreten Programms

Komprimierung

• Speicherung der Anzahl wiederholter Zeichen, z.B. Runlength-Codierung
• Im Morsecode bekommen häufige Buchstaben einen kurzen Code.
• Huffman-Codierung
• Steuerung der an Befehlsausführung beteiligten Einheiten, Prof. Dr. Volker Blanz

Programmiersprache C++ Grundlagen

• Entwicklung Anfang 80er Jahre unter Leitung von Bjarne Stroustrup bei AT & T
• C ++ ist eine hybride Programmiersprache und unterstützt
• Prozedurale (imperative) Programmierung
• Maschinennahe Programmierung
• Modulare Programmierung
• Generische Programmierung (parametrisierte Typen, Templates)
• Objektorientierte Programmierung
• Basiert auf der Programmiersprache C
• Software- Begriffe:
• Das Program
• Betriebsystem
• Sprachen C, Assembler, Hochsprachen
• Compiler , Assemblern

Operatoren

• Der Rest der Division ist der Modulo
• Die Berechnung befolgt die Klammerregeln Punkt vor Strich.
• Zusammengesetzte Operatoren == += usw.
• Es kann aber muss nicht Weiterrücken der Binärstellen erfolgen
• Zuweisung von Variablen unterschiedlichen Typs

Algorithmen in C++

• Syntax für Zuweisung ist (Wert-)result = result *i.
• Mit Datentypen kann gerechnet werden
• Operatoren können überschrieben werden
• Es gibt While, if, switch

Wozu sind Zahlensysteme notwendig

• Zahlenwerte (verschiedener Zahlensysteme), Zeichen oder Bilder kodiert
• Bit = elementares Ja/Nein Signal 0/1
• 1 Byte 8 Bit
• Rechner stellt nur zwei Zustände dar (Bit): Spannung liegt an oder nicht

Strukturen

• Verwendung von Klassen
• Deklaration der Member
• Objekt kann von eine Klasse implementier werden
• Was ist in einer Vererbung und was sind Klassen
• Daten mit Algorithmen kombinieren

Zusammenfassung über Daten Strukturen und Speicher

• Drei Speicherebenen für Daten & Programme
• Speicher-Hierarchie
• Caches speichern
• zuletzt genutzte Daten
• zuletzt berechnete Ergebnisse Prof. Dr. Volker Blanz
• Daten sind einheitlich repräsentiert durch binäre Einheiten

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