GRUNDLAGEN DER AUTOMATISCHEN INFORMATIONSVERARBEITUNG
I EINFÜHRUNG
1.1 Der Begriff Informatik
• Erstmals 1957 von Karl Steiner verwendet; Zusammengefügt aus „Information“ und „Automatik“
• als Strukturwissenschaft einzuordnen
• Wurzeln in der Mathematik, Physik und Elektrotechnik
• bildet Gegenstände in abstrakte Strukturen ab und deren Prozesse in Algorithmen und ermöglicht maschinelle
Simulation realer Prozesse
• Unterscheidung zwischen Computersystem und Automaten
◦ Computersystem – Algorithmen veränderbar
◦ Automaten – Algorithmen fest ( nicht veränderbar )
• Aufteilung der Software in Anwendungs- & Systemsoftware
◦ Systemsoftware ( z.B. Betriebssystem ) ist notwendige Grundlage für Anwendungssoftware
1.2 Bereiche der Informatik
Technische Informatik • Im Bereich Rechnerarchitektur – technische Konstruktion von Computern
• Im Bereich Systemsoftware – Konzeption und Implementierung von Software,
die die Hardware steuert ( daher hardware-nah und anwendungs-unspezifisch )
Praktische Informatik • Gegenstand ist die Programmierung ( Programmiersprachen und Algorithmen )
• Methoden der Softwareentwicklung
Theoretische Informatik • Erforschen theoretischer Grundlagen
• Mathematische Formalisierung und Komplexitätsabschätzung
Angewandte Informatik • Anwendungsorientierter Einsatz von Rechnern
Disziplinübergreifende • Künstliche Intelligenz
Ausprägungen • Informatik und Gesellschaft
II HARDWARE
2.1 Historische Entwicklung der Hardware
2.1.1 Mechanische Geräte • Erste Rechenmaschinen waren ausschließlich mechanisch konstruiert
• erste Maschine, die alle Grundrechenarten beherrschte, wurde 1673 von Leibniz
vorgestellt
• Gemeinsames Problem dieser mechanischen Rechenmaschinen:
kein Zahlenspeicher
• wichtige Entwürfe waren die Difference Engine ( 1822 ) und
die Analytical Engine ( 1837 ) von Charles Babbage
◦ weitsichtiges Konzept, da frei programmierbar
◦ gilt hinsichtlich der Architektur als Vorläufer der heutigen Computer
2.1.2 Elektromechanische • Basierend auf dem Grundprinzip der Analytical Engine hat Konrad Zuse in den
Rechenmaschinen 30er Jahren mit der Entwicklung begonnen
• Zuse hat die Methode der Gleitkommaberechnung mit Mantisse und Exponent
theoretisch entwickelt und praktisch umgesetzt
• Erste Maschine, Z1 wurde 1937 entworfen und gebaut
• Z3 gilt als erster funktionstüchtiger Computer; Binärrechner mit begrenzter
Programmierfähigkeit, mit Speicher und einer Zentralrecheneinheit
• Der erste dokumentierte Bug ereignete sich am 9.9.1945 um 15:45, bei dem sich
eine Motto ( engl. Bug ) in einem Relais eines Mark II Rechners verklemmte und
eine Fehlfunktion verursachte
2.1.3 Voll-Elektronische • Erster voll-elektronischer Rechner war der ENIAC aus dem Jahre 1946
Rechenmaschinen • verfügte über keinen Befehlsspeicher; Neuprogrammierung erfolgte über neues
Verdrahten
2.1.4 Von-Neumann • Notwendigkeit eines Befehlsspeichers beim ENIAC
Architektur • Stored-Program-Computer besitzt Speicher mit wahlfreiem Zugang (Random
Access Memory)
◦ Daten, Befehle und Programm können hier drauf gespeichert werden
• Stored-Program-Computer wurde von John von Neumann weiter ausgearbeitet
, • Von-Neumann Architektur besitzt:
◦ Hauptspeicher (Memory) – Daten und Befehle / Programme
◦ Zentraleinheit CPU
▪ Steuerwerk – Befehlszeiger (BZ) und Befehlsregister (BR)
▪ Rechenwerk (ALU – Arithmetic Logic Unit) – Ausführung arithmetischer
Operationen
◦ Ein-/Ausgabe – (Input/Output IO)
• Harvard-Archietktur:
◦ Trennung der Speicher für Daten und Programme
◦ Vorteil – Schreiben von Daten kann nicht aus Versehen Code verändern
Von-
Von-Neumann-Architektur Neumann-Zyklus
• Von-Neumann-Zyklus beschreibt, wie die Befehle abgearbeitet werden:
◦ 1) Befehl holen ( fetch ) - aus dem Befehlsregister
◦ 2) Befehl dekodieren ( decode ) - Bereitstellen der Instruktionen für die ALU
▪ 3) Operanden holen
◦ 4) Befehl ausführen ( execute ) - ALU führt die Operation aus
◦ Wenn Ergebnis = Sprunganweisung
▪ 5) Befehlszeiger auf den nächsten Befehl ausgegeben
◦ Wenn Ergebnis =! Sprunganweisung
▪ Abspeichern des Ergebnisses ( store )
▪ 6) Befehlszeiger erhöhen
2.1.5 Entwicklung bis heute • 1950 – 1955
◦ Entwicklung von Röhrenschaltkreisen und Trommelspeichern
• 1955 – 1960
◦ Übergang zu Transistorschaltkreise und Ferritspeicher
• 1960 – 1970
◦ Entwicklung erster integrierter Schaltkreise und Festplatten heutiger Bauart
• 1970 – heute
◦ Einsatz hochintegrierter Schaltkreise, Halbleiterspeicher
2.2 Codierung
• Abbildung des Zeichenvorrats einer Darstellung in den einer anderen Darstellung
• Zeichenvorrat bzw. Code ist die Menge der Zeichen / Symbole die ein Signale annehmen kann
• Codierung selbst ist die Vorschrift der Abbildung; und sollte in der Regel umkehrbar sein
2.2.1 Elementare • Bits ( Binary Digits ) - Elementare Informationseinheit; kann exakt zwei
Dateneinheiten mögliche Werte annehmen
• Byte ( Stück / Biss ) - eine bestimmte Anzahl an Bits; heute üblich 8 Bits
◦ 1KB = 1024 Bytes = 2^10 Bytes : binäres Kilo
◦ 1MB = 1024² Bytes = 2^20 Bytes : binäres Mega
◦ 1GB = 1024³ Bytes = 2^30 Bytes : binäres Giga
◦ etc.
• Word ( Wort ) - nächstgrößere Einheit nach Bytes
◦ grundlegende Dateneinheit zur Organisation eines Computersystems
◦ ein Word kann in einem Operationsschritt/Takt vom Prozessor verarbeitet
werden
◦ Wortlänge definiert den maximal adressierbaren Speicher
, 2.2.2 Elementare Datentypen • Integer ( Ganze Zahl )
◦ short – 2 Byte
◦ long – 4 Byte
• Float ( Gleitkomma Zahl )
◦ Darstellung reeller Zahlen mit endlich vielen Ziffern, daher approximativ
◦ W =V Z * M * b E ; im technischen Bereich mit der Basis b=10, bei der
Computerorientieren Darstellung in der Regel mit Basis b=2
◦ Normalisierte Mantisse liegt vor wenn 1≤M <b
◦ float ( 4 Bytes / 32 Bits )
◦ double ( 8 Bytes / 64 Bits )
◦ Abschneidefehler
▪ Bei Denormalisierung müssen Stellen der Mantisse verschoben werden,
die jedoch aufgrund der begrenzten Stellen abgeschnitten werden
◦ Auslöschungsfehler
▪ Bei der Subtraktion können bei Zahlen, deren ersten k-Stellen identisch
sind, nur p-k Stellen vertrauenswürdig sein
◦ Rundungsfehler
▪ Multuplikation zweier Gleitkommazahlen erfolgt durch Addition der
Exponenten und Multiplikation der Mantissen. Aufgrund einer begrenzten
Stellenzahl werden überschüssige Stellen des Ergebnisses gekürzt,
wodurch ein Rundungsfehler entsteht
◦ Kumulation von Rechenfehlern
▪ Abschneide- und Rundungsfehler kumulieren bei mehreren
nachfolgenden Operationen zu größeren Fehlern
◦ Vergleich von Gleitkommazahlen
▪ Aufgrund von Darstellungsungenauigkeiten können Gkeitkommazahlen
nicht direkt verglichen werden; Verwendung einer ε-Schranke
◦ Schnelligkeit und Genauigkeit
▪ Sofern Schnelligkeit und Genauigkeit eine Rolle spielen, sollten
Gleitkommazahlen vermieden und Integer genutzt werden
• Char ( Zeichen )
◦ wird für betragskleine Zahlen oder Zeichen verwendet (i.d.R. 8 Bits)
◦ Zeichensatz definiert die visuelle Darstellung
▪ EBCDIC – Extended Binary Coded Decimals Interchange Code
• 8 Bit Zeichensatz; vorwiegend auf Großrechnern
▪ ASCII – American Standard Code for Information Interchange
• ISO-7 Bit Zeichensatz
▪ ISO / IEC 8859-1 ( gleichwertig zu latin1 )
• 8 Bit Erweiterung zum ASCII
▪ Unicode ISO 10646
• Ursprünglich 16 Bit, mittlerweile 32 Bit ( UTF )
• Byte-Reihenfolge – Byte-Ordering
◦ Hardwaretechnisch relevant und i.d.R. prozessorabhängig
◦ Little Endian – niedrigstwertigste Byte wird an der niedrigsten
Speicheradresse abgelegt ( A4 B3 C2 D1 )
◦ Big Endian – höchtswertigstes Byte wird an der niedrigsten Speicheradresse
abgelegt ( D1 C2 B3 A4 )
2.3 Architektur-Elemente
2.3.1 Register-Architektur • Daten befinden sich im Hauptspeicher und müssen zur Durchführung in die CPU
geholt werden
• Register dienen als Zwischenspeicher, für kleine Daten ( i.d.R. für ein Word ),
und schnellen Zugriff
• Registersatz - Zusammenfassung aller Register eines Prozessors
• Akkumulator-Register – ermöglicht das Speichern eines Ergebnisses innerhalb
der CPU zur weiteren Verwendung
• Register-Register
◦ Für Operationen wird nur auf Register zugegriffen
◦ schnelle Ausführung, jedoch Load/Store-Architektur benötigt Transfer
I EINFÜHRUNG
1.1 Der Begriff Informatik
• Erstmals 1957 von Karl Steiner verwendet; Zusammengefügt aus „Information“ und „Automatik“
• als Strukturwissenschaft einzuordnen
• Wurzeln in der Mathematik, Physik und Elektrotechnik
• bildet Gegenstände in abstrakte Strukturen ab und deren Prozesse in Algorithmen und ermöglicht maschinelle
Simulation realer Prozesse
• Unterscheidung zwischen Computersystem und Automaten
◦ Computersystem – Algorithmen veränderbar
◦ Automaten – Algorithmen fest ( nicht veränderbar )
• Aufteilung der Software in Anwendungs- & Systemsoftware
◦ Systemsoftware ( z.B. Betriebssystem ) ist notwendige Grundlage für Anwendungssoftware
1.2 Bereiche der Informatik
Technische Informatik • Im Bereich Rechnerarchitektur – technische Konstruktion von Computern
• Im Bereich Systemsoftware – Konzeption und Implementierung von Software,
die die Hardware steuert ( daher hardware-nah und anwendungs-unspezifisch )
Praktische Informatik • Gegenstand ist die Programmierung ( Programmiersprachen und Algorithmen )
• Methoden der Softwareentwicklung
Theoretische Informatik • Erforschen theoretischer Grundlagen
• Mathematische Formalisierung und Komplexitätsabschätzung
Angewandte Informatik • Anwendungsorientierter Einsatz von Rechnern
Disziplinübergreifende • Künstliche Intelligenz
Ausprägungen • Informatik und Gesellschaft
II HARDWARE
2.1 Historische Entwicklung der Hardware
2.1.1 Mechanische Geräte • Erste Rechenmaschinen waren ausschließlich mechanisch konstruiert
• erste Maschine, die alle Grundrechenarten beherrschte, wurde 1673 von Leibniz
vorgestellt
• Gemeinsames Problem dieser mechanischen Rechenmaschinen:
kein Zahlenspeicher
• wichtige Entwürfe waren die Difference Engine ( 1822 ) und
die Analytical Engine ( 1837 ) von Charles Babbage
◦ weitsichtiges Konzept, da frei programmierbar
◦ gilt hinsichtlich der Architektur als Vorläufer der heutigen Computer
2.1.2 Elektromechanische • Basierend auf dem Grundprinzip der Analytical Engine hat Konrad Zuse in den
Rechenmaschinen 30er Jahren mit der Entwicklung begonnen
• Zuse hat die Methode der Gleitkommaberechnung mit Mantisse und Exponent
theoretisch entwickelt und praktisch umgesetzt
• Erste Maschine, Z1 wurde 1937 entworfen und gebaut
• Z3 gilt als erster funktionstüchtiger Computer; Binärrechner mit begrenzter
Programmierfähigkeit, mit Speicher und einer Zentralrecheneinheit
• Der erste dokumentierte Bug ereignete sich am 9.9.1945 um 15:45, bei dem sich
eine Motto ( engl. Bug ) in einem Relais eines Mark II Rechners verklemmte und
eine Fehlfunktion verursachte
2.1.3 Voll-Elektronische • Erster voll-elektronischer Rechner war der ENIAC aus dem Jahre 1946
Rechenmaschinen • verfügte über keinen Befehlsspeicher; Neuprogrammierung erfolgte über neues
Verdrahten
2.1.4 Von-Neumann • Notwendigkeit eines Befehlsspeichers beim ENIAC
Architektur • Stored-Program-Computer besitzt Speicher mit wahlfreiem Zugang (Random
Access Memory)
◦ Daten, Befehle und Programm können hier drauf gespeichert werden
• Stored-Program-Computer wurde von John von Neumann weiter ausgearbeitet
, • Von-Neumann Architektur besitzt:
◦ Hauptspeicher (Memory) – Daten und Befehle / Programme
◦ Zentraleinheit CPU
▪ Steuerwerk – Befehlszeiger (BZ) und Befehlsregister (BR)
▪ Rechenwerk (ALU – Arithmetic Logic Unit) – Ausführung arithmetischer
Operationen
◦ Ein-/Ausgabe – (Input/Output IO)
• Harvard-Archietktur:
◦ Trennung der Speicher für Daten und Programme
◦ Vorteil – Schreiben von Daten kann nicht aus Versehen Code verändern
Von-
Von-Neumann-Architektur Neumann-Zyklus
• Von-Neumann-Zyklus beschreibt, wie die Befehle abgearbeitet werden:
◦ 1) Befehl holen ( fetch ) - aus dem Befehlsregister
◦ 2) Befehl dekodieren ( decode ) - Bereitstellen der Instruktionen für die ALU
▪ 3) Operanden holen
◦ 4) Befehl ausführen ( execute ) - ALU führt die Operation aus
◦ Wenn Ergebnis = Sprunganweisung
▪ 5) Befehlszeiger auf den nächsten Befehl ausgegeben
◦ Wenn Ergebnis =! Sprunganweisung
▪ Abspeichern des Ergebnisses ( store )
▪ 6) Befehlszeiger erhöhen
2.1.5 Entwicklung bis heute • 1950 – 1955
◦ Entwicklung von Röhrenschaltkreisen und Trommelspeichern
• 1955 – 1960
◦ Übergang zu Transistorschaltkreise und Ferritspeicher
• 1960 – 1970
◦ Entwicklung erster integrierter Schaltkreise und Festplatten heutiger Bauart
• 1970 – heute
◦ Einsatz hochintegrierter Schaltkreise, Halbleiterspeicher
2.2 Codierung
• Abbildung des Zeichenvorrats einer Darstellung in den einer anderen Darstellung
• Zeichenvorrat bzw. Code ist die Menge der Zeichen / Symbole die ein Signale annehmen kann
• Codierung selbst ist die Vorschrift der Abbildung; und sollte in der Regel umkehrbar sein
2.2.1 Elementare • Bits ( Binary Digits ) - Elementare Informationseinheit; kann exakt zwei
Dateneinheiten mögliche Werte annehmen
• Byte ( Stück / Biss ) - eine bestimmte Anzahl an Bits; heute üblich 8 Bits
◦ 1KB = 1024 Bytes = 2^10 Bytes : binäres Kilo
◦ 1MB = 1024² Bytes = 2^20 Bytes : binäres Mega
◦ 1GB = 1024³ Bytes = 2^30 Bytes : binäres Giga
◦ etc.
• Word ( Wort ) - nächstgrößere Einheit nach Bytes
◦ grundlegende Dateneinheit zur Organisation eines Computersystems
◦ ein Word kann in einem Operationsschritt/Takt vom Prozessor verarbeitet
werden
◦ Wortlänge definiert den maximal adressierbaren Speicher
, 2.2.2 Elementare Datentypen • Integer ( Ganze Zahl )
◦ short – 2 Byte
◦ long – 4 Byte
• Float ( Gleitkomma Zahl )
◦ Darstellung reeller Zahlen mit endlich vielen Ziffern, daher approximativ
◦ W =V Z * M * b E ; im technischen Bereich mit der Basis b=10, bei der
Computerorientieren Darstellung in der Regel mit Basis b=2
◦ Normalisierte Mantisse liegt vor wenn 1≤M <b
◦ float ( 4 Bytes / 32 Bits )
◦ double ( 8 Bytes / 64 Bits )
◦ Abschneidefehler
▪ Bei Denormalisierung müssen Stellen der Mantisse verschoben werden,
die jedoch aufgrund der begrenzten Stellen abgeschnitten werden
◦ Auslöschungsfehler
▪ Bei der Subtraktion können bei Zahlen, deren ersten k-Stellen identisch
sind, nur p-k Stellen vertrauenswürdig sein
◦ Rundungsfehler
▪ Multuplikation zweier Gleitkommazahlen erfolgt durch Addition der
Exponenten und Multiplikation der Mantissen. Aufgrund einer begrenzten
Stellenzahl werden überschüssige Stellen des Ergebnisses gekürzt,
wodurch ein Rundungsfehler entsteht
◦ Kumulation von Rechenfehlern
▪ Abschneide- und Rundungsfehler kumulieren bei mehreren
nachfolgenden Operationen zu größeren Fehlern
◦ Vergleich von Gleitkommazahlen
▪ Aufgrund von Darstellungsungenauigkeiten können Gkeitkommazahlen
nicht direkt verglichen werden; Verwendung einer ε-Schranke
◦ Schnelligkeit und Genauigkeit
▪ Sofern Schnelligkeit und Genauigkeit eine Rolle spielen, sollten
Gleitkommazahlen vermieden und Integer genutzt werden
• Char ( Zeichen )
◦ wird für betragskleine Zahlen oder Zeichen verwendet (i.d.R. 8 Bits)
◦ Zeichensatz definiert die visuelle Darstellung
▪ EBCDIC – Extended Binary Coded Decimals Interchange Code
• 8 Bit Zeichensatz; vorwiegend auf Großrechnern
▪ ASCII – American Standard Code for Information Interchange
• ISO-7 Bit Zeichensatz
▪ ISO / IEC 8859-1 ( gleichwertig zu latin1 )
• 8 Bit Erweiterung zum ASCII
▪ Unicode ISO 10646
• Ursprünglich 16 Bit, mittlerweile 32 Bit ( UTF )
• Byte-Reihenfolge – Byte-Ordering
◦ Hardwaretechnisch relevant und i.d.R. prozessorabhängig
◦ Little Endian – niedrigstwertigste Byte wird an der niedrigsten
Speicheradresse abgelegt ( A4 B3 C2 D1 )
◦ Big Endian – höchtswertigstes Byte wird an der niedrigsten Speicheradresse
abgelegt ( D1 C2 B3 A4 )
2.3 Architektur-Elemente
2.3.1 Register-Architektur • Daten befinden sich im Hauptspeicher und müssen zur Durchführung in die CPU
geholt werden
• Register dienen als Zwischenspeicher, für kleine Daten ( i.d.R. für ein Word ),
und schnellen Zugriff
• Registersatz - Zusammenfassung aller Register eines Prozessors
• Akkumulator-Register – ermöglicht das Speichern eines Ergebnisses innerhalb
der CPU zur weiteren Verwendung
• Register-Register
◦ Für Operationen wird nur auf Register zugegriffen
◦ schnelle Ausführung, jedoch Load/Store-Architektur benötigt Transfer
