Grundlagen der Informatik PDF

Grundlagen der Informatik Studiengang Digital Commerce Management – DHBW Heilbronn Dozentin: M.Sc. Carina Pfeifer  09.10.24...

Grundlagen der Informatik Studiengang Digital Commerce Management – DHBW Heilbronn Dozentin: M.Sc. Carina Pfeifer  09.10.24 Grundlagen der Informatik Vorstellung 2010 bis 2014 B.Sc. Medizinische Informatik an der OTH Regensburg 2014 bis 2016 M.Sc. Medizinische Informatik an der HS Heilbronn und Universität Heidelberg Seit 2016 Wissenschaftliche Mitarbeiterin am GECKO Institut der HS Heilbronn im Bereich E-learning in der Medizin Angestrebte Promotion „Gamification von Virtuellen Patienten“ Verheiratet, 2 Kinder (3 Jahre und 6 Monate) 2  09.10.24 Grundlagen der Informatik Organisatorisches Termine: Mo. 14.10., Mi. 30.10., Mo. 11.11., Mi. 20.11., Mi. 27.11., Mo. 02.12. Jeweils 9:00 bis 12:15 Uhr mit 15 Minuten Pause Ersatztermin: 04.12. von 09:00 bis 12:15 Uhr Prüfung: 120 Minuten ohne Hilfsmittel Kontakt: [email protected] 3  09.10.24 Grundlagen der Informatik Inhalt I Einführung – Kurze Historie – Definitionen – Darstellung von Informationen – Boolesche Logik Rechnerarchitekturen – Einschub Grundverständnis – Von Neumann-Architektur – Parallel-Architektur – Einführung in die wichtigsten Komponenten – Speicher 4  09.10.24 Grundlagen der Informatik Inhalt II Systemsoftware/ Betriebssysteme – Definition – Betriebssystem – Betriebsarten von Rechnern Datenorganisation – Dateisysteme – Datenbanken – Big Data 5  09.10.24 Grundlagen der Informatik Inhalt III (vorläufig) Rechnernetzte – Grundlagen – Topologien – ISO/OSI – Schichtenmodell – Verteilte Systeme Anwendungssysteme - Webentwicklung Systementwicklungsprozess – SCRUM 6  09.10.24 Grundlagen der Informatik Einführung Kurze Historie Definitionen Darstellung von Informationen – Alphabete Boolesche Logik 7  09.10.24 Grundlagen der Informatik Historie Pascals Rechenmaschine 1642 Quelle: Wikipedia Mechanische Rechner Abakus Quelle: Wikipedia – Abakus – verschiedene Rechenmaschinen 1884 erste elektrische Lochkartenmaschine - Ada Lovelace als erste Programmiererin Erste elektrische Lochkartenmaschine Quelle: Wikipedia 8  09.10.24 Grundlagen der Informatik Historie Ca. 1945 - 1956: 1. Generation Computer (Zuse Z1 – Z3) – Vakuumröhren für das Rechenwerk – Lochkarten für Ein- und Ausgaben 1956 - 1964: 2. Generation – Einsatz von Programmiersprachen 1959 - 1969: 3. Generation Zuse Z3: erster Digitalrechner Quelle: Wikipedia – Entstehung kleinerer Computer 1970 - 1980: 4. Generation – Entwicklung von Mikroprozessoren Seit 1980: 5.Generation – Verwendung hochintegrierter Schaltkreise Seite 9  09.10.24 Grundlagen der Informatik Historie Frauen in der Informatik – Ada Lovelace entwickelt 1842 ersten Algorithmus - gilt als erste Programmiererin - Algorithmus um Bernoulli-Zahlen mit Analytical Engine zu berechnen - im 2. Weltkrieg Programmierung fast ausschließlich durch Frauen - Gertrude Blanch erarbeitet Grundlagen für Abkehr von handgesteuerten Rechnern Ada Lovelace Quelle: Wikipedia - Grace Hopper entwickelt 1952 ersten Compiler - prägte Begriffe wie „bug“ und „debugging“ durch Vorarbeiten an Programmiersprache COBOL - Katherine Johnson, Dorothy Vaughan und Mary Jackson maßgeblich an NASA Programmen beteiligt (siehe auch Film „Hidden Figures“) Seite 10  09.10.24 Grundlagen der Informatik Informatik Kunstwort aus - Präfix Information - Suffix Mathematik Informatik ist die Wissenschaft von der systematischen Darstellung, Speicherung, Verarbeitung und Übertragung von Informationen, besonders der automatischen Verarbeitung mithilfe von Digitalrechnern (Computer). 11  09.10.24 Grundlagen der Informatik Daten Daten im informationstechnischen Sinne sind Rohdaten, die Zahlen, Zeichen, Fakten, Ereignisse in abstrakten Einheiten repräsentieren und noch in einer für Menschen unverständlichen und nicht verwendbaren Form dargestellt sind. Daten sind eine korrekte Zeichenfolge innerhalb eines vorgegebenen Codes. (Zeichen + Syntax => Daten) 12  09.10.24 Grundlagen der Informatik Information Informationen sind eine Zeichenfolge mit einer spezifischen Bedeutung für Sender und Empfänger (Daten + Semantik => Information) Informationen sind Daten, die in eine Form gebracht wurden, die für Menschen bedeutungsvoll und nützlich ist. 13  09.10.24 Grundlagen der Informatik Wissen Wissen bezeichnet die Fähigkeit zu zielgerichtetem Handeln. (Information + Pragmatik => Wissen) Im Rahmen des Wissensmanagements wird Wissen als eine Ressource betrachtet, die nicht nur von Individuen, sondern auch von anderen Systemen wie Gruppen und Organisationen erzeugt bzw. ausgehend von implizitem Wissen explizit gemacht wird. 14  09.10.24 Grundlagen der Informatik Daten, Informationen, Wissen 15  09.10.24 Grundlagen der Informatik Syntax In der allgemeinen Zeichentheorie (Semantik) bedeutet Syntax die formale Ordnung (die Kombinatorik, den rein formalen Zusammenhang, die Beziehungen) der Zeichen bzw. Zeichenformen eines Zeichensystems bzw. die Lehre/Theorie davon. Unter der Syntax einer formalen Sprache (formale Syntax) (z. B. Programmiersprachen in der Informatik; Kalküle in der Logik) versteht man ein System von Regeln, nach denen erlaubte Konstruktionen bzw. Ausdrücke aus einem grundlegenden Zeichenvorrat (“Alphabet“) gebildet werden 16  09.10.24 Grundlagen der Informatik Semantik Die Semantik einer Sprache ist die Definition der den zulässigen Aussagen [Anm.: definiert durch Syntax] zugeordneten Bedeutungen. Semantik, auch Bedeutungslehre, nennt man die Theorie oder Wissenschaft von der Bedeutung der (sprachlichen) Zeichen. 17  09.10.24 Grundlagen der Informatik Darstellung von Informationen Kontextabhängig – Rechner à Binäre Darstellung – Software à Programmiersprachen – Mensch à Alphabet Alphabete – ASCII – Unicode 18  09.10.24 Grundlagen der Informatik Rechnerinterne Darstellung - Binärzeichen Binärzeichen oder Bit (engl.: binary digit) - jedes der Zeichen aus einem Zeichenvorrat von zwei Zeichen - zur Darstellung der Bits können beliebige Zeichen benutzt werden - wir verwenden die Zeichen 0 (binäre Null) und 1 (binäre Eins) Rechnerintern (Physikalisch) werden die zwei verschiedenen Zeichen durch Zustände mit unterschiedlicher Stromspannung realisiert 19  09.10.24 Grundlagen der Informatik Binärzeichen Anzahl Bits Bitkombinationen Darstellkapazität 1 0 1 21 = 2 2 00 01 10 11 22 = 4 3 000 001 010 011 23 = 8 100 101 110 111 Organisationseinheit für rechnerische Darstellung: 1 Byte = 8 Bits 20  09.10.24 Grundlagen der Informatik Maßgrößen für Kapazitätswerte 1 Kilobit 1 kbit = 210 = 1.024 Bits 1 Megabit 1 Mbit = 220 = 1.048.576 Bits 1 Kilobyte 1 kB = 210 = 1.024 Bytes 1 Megabyte 1 MB = 220 = 1.024 kB = 1.048.576 Bytes 1 Gigabyte 1 GB = 230 = 1.024 MB = 1.073.741.824 Bytes 1 Terabyte 1 TB = 240 = 1.024 GB = 1.099.511.627.776 Bytes 21  09.10.24 Grundlagen der Informatik Binär- und Dezimalpräfixe 22  09.10.24 Grundlagen der Informatik Umrechnung Binärsystem - Dezimalsystem Binärzahl à Dezimalzahl – Umrechnung durch Potenzschreibweise Beispiel: 1101 = 1 * 23 + 1* 22+ 0* 21+ 1* 20= 13 Dezimalzahl à Binärzahl – Umrechnung durch Division durch 2 mit Rest Beispiel 13 / 2 = 6 Rest 1 6 / 2 = 3 Rest 0 3 / 2 = 1 Rest 1 1 / 2 = 0 Rest 1 23  09.10.24 Grundlagen der Informatik Übung Binärzahl => Dezimal – 2 = [?]10 – 2 = [?]10 – 2 = [?]10 Dezimalzahl => Binärzahl – 10 = [?]2 – 10 = [?]2 – 10 = [?]2 24  09.10.24 Grundlagen der Informatik Alphabete Ein Alphabet ist eine endliche nichtleere Menge sogenannter Zeichen oder Symbole Zeichen – elementare Bausteine, aus denen Inschriften zusammengesetzt sind Beispiele: A = {a; b; c} A = {0; 1} 25  09.10.24 Grundlagen der Informatik ASCII ASCII: American Standard Code for Information Interchange – „Alle“ in der Programmierung verwendeten Buchstaben, Zahlen und Sonderzeichen – Beispiel: Emailadresse Umfasst insbesondere eine Liste von 94 druckbaren und einem unsichtbaren Zeichen Es fehlen Buchstaben aus nicht-englischen Alphabeten, z.B. ä, ü, ß, é, è usw., (kyrillisch, chinesisch etc.) 26  09.10.24 Grundlagen der Informatik ASCII Zeichensatz Jedes Zeichen hat eine Nummer aus dem Bereich der natürlichen Zahlen zwischen 32 und 126 27  09.10.24 Grundlagen der Informatik Unicode Unicode: http://www.unicode.org – definiert viele Dinge, im Zentrum: - ein sehr großes Alphabet – rund 100 000 Zeichen – siehe http://www.unicode.org/charts/ weitere Aspekte: – jedes Zeichen hat einen Namen - z.B. latin small letter c with cedilla für ç – es existiert eine Zuordnung von Groß- zu Kleinbuchstaben und umgekehrt – Sortierreihenfolge von Buchstaben (im Schwedischen: ö nach z, im Deutschen: ö vor z) und vieles mehr... 28  09.10.24 Grundlagen der Informatik Boolesche Logik Verallgemeinert Eigenschaften und Rechenregeln verschiedener logischer Operatoren – Kommutativgesetz, Assoziativgesetz – De-Morgansche Gesetze Logische Operatoren – NOT Operator, Negation (“!”) (an anderen Stellen wird auch “~” oder “¬” verwendet) – AND/UND Operator (“&”) – OR/ODER Operator (“|”) – XOR (Exklusiv Oder) Operator (“^”) *Angabe der Operatoren für Java 29  09.10.24 Grundlagen der Informatik Aussagen Häufig setzt man aus einfachen Aussagen (A und B) kompliziertere Aussagen auf eine der folgenden Arten zusammen: – logische Negation: "Nicht A“ kurz : !A. – logisches Und: "A und B“ kurz: A & B. – logisches Oder: "A oder B“ kurz: A | B. Ob eine so zusammengesetzte Aussage wahr oder falsch ist, hängt dabei nicht vom konkreten Inhalt der Aussagen ab! Wesentlich ist nur, welche Wahrheitswerte die Aussagen A und B haben. Logisches 20/30 30  09.10.24 Grundlagen der Informatik Wahrheitswerte aussagenlogischer Formeln – nach obigen Regeln zusammengesetzt und statt elementarer Aussagen einfach Aussagevariablen, die als Werte wahr oder falsch annehmen können A B !A A&B A|B falsch falsch wahr falsch falsch falsch wahr wahr falsch wahr wahr falsch falsch falsch wahr wahr wahr falsch wahr wahr 31  09.10.24 Grundlagen der Informatik Beispiele AND Verknüpfung 8-Bit Variable 32  09.10.24 Grundlagen der Informatik Beispiele OR Verknüpfung 8-Bit Variable 33  09.10.24 Grundlagen der Informatik Beispiele XOR Verknüpfung 8-Bit Variable 34  09.10.24 Grundlagen der Informatik Übung Werte sind in 8-bit Variablen (positive ganze Zahlen) gespeichert – 2 & 2 = [?]2 – 2 | 2 = [?]2 – 2 ^ 2 = [?]10 – 10 & 10 = [?]2 – 10 & 10 = [?]10 – 10 & 10 = [?]10 35