Heinz-Peter Gumm - Informatik

Heinz-Peter Gumm, Manfred Sommer

Informatik

Band 1: Programmierung, Algorithmen und Datenstrukturen

De Gruyter Studium

Informatik, Band 2: Rechnerarchitektur, Betriebssysteme, Rechnernetze

H.P. Gumm, M. Sommer, 2017

ISBN 978-3-11-044235-9, e-ISBN 978-3-11-044236-6, e-ISBN (EPUB) 978-3-11-043442-2

Informatik, Band 3: Formale Sprachen, Compilerbau, Berechenbarkeit und Verifikation

H.P. Gumm, M. Sommer, 2018

ISBN 978-3-11-044238-0, e-ISBN 978-3-11-044239-7, e-ISBN (EPUB) 978-3-11-043405-7

Rechnerorganisation und Rechnerentwurf, 5. Auflage

D. Patterson, J.L. Hennessy, 2016

ISBN 978-3-11-044605-0, e-ISBN 978-3-11-044606-7, e-ISBN (EPUB) 978-3-11-044612-8

Datenbanksysteme, 10. Auflage

A. Kemper, 2015

ISBN 978-3-11-044375-2

IT-Sicherheit, 9. Auflage

C. Eckert, 2014

ISBN 978-3-486-77848-9, e-ISBN 978-3-486-85916-4, e-ISBN (EPUB) 978-3-11-039910-3

Autoren

Prof. Dr. Heinz-Peter Gumm

Philipps-Universitt Marburg

Fachbereich Mathematik

und Informatik

Hans-Meerwein-Strae

35032 Marburg

Prof. Dr. Manfred Sommer

Elsenhhe 4B

35037 Marburg

ISBN 978-3-11-044227-4

e-ISBN (PDF) 978-3-11-044226-7

e-ISBN (EPUB) 978-3-11-044231-1

Library of Congress Cataloging-in-Publication Data

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Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen

Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet ber

http://dnb.dnb.de abrufbar.

2016 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston

Druck und Bindung: CPI books GmbH, Leck

Gedruckt auf surefreiem Papier

Printed in Germany

www.degruyter.com

Dieses dreiteilige Buch versteht sich als allgemeine Einfhrung in den Umgang mit Computern. Es ist damit gleichermaen geeignet fr Leser, die sich einen berblick ber das Thema Informatik verschaffen wollen, als auch fr solche, die in das Thema einsteigen und mit Computern professionell arbeiten wollen. In erster Linie richtet es sich an Studenten, die Informatik im Haupt- oder Nebenfach studieren. Es ist gedacht als Begleitlektre fr die Vorlesungen des Grundstudiums und zur Einfhrung in die weiteren Themen der Informatik.

Der vorliegende erste Teil des Buches ist den Grundlagen der Programmierung gewidmet, insbesondere den Themen Programmierung, Algorithmen und Datenstrukturen. Im geplanten zweiten Band werden die Themen Rechnerarchitektur, Betriebssysteme, Rechnernetze und das Internet behandelt und der dritte Band wird sich mit der Theoretischen Informatik befassen.

Dieser Band beginnt mit einer Einfhrung in allgemeine Themen der Informatik. Dazu gehren grundlegende Fragen wie die Informationsdarstellung durch Bits und Bytes, die Darstellung und die Arithmetik von ganzen Zahlen und Dezimalzahlen. Nach einem kurzen Einschub zur geschichtlichen Entwicklung erklren wir den prinzipiellen Aufbau von Computersystemen von ihrer Architektur bis zu Betriebs- und Bediensystemen.

In vielen Bereichen, auch an Schulen und Universitten, wird mittlerweile Python als erste Programmiersprache eingesetzt. Python ist leicht zu erlernen und unkompliziert, ist aber dennoch praxistauglich und vielfltig einsetzbar. Daher widmen wir einer Einfhrung in die Grundlagen der Programmierung anhand dieser Sprache. Im Folgekapitel stellen wir beispielhaft noch einige kleine Programmierprojekte in Python vor, die die Alltagstauglichkeit dieser Sprache unterstreichen. Beispielhaft demonstrieren wir die Turtlegraphik, die automatisierte Gewinnung von Informationen aus dem Internet und deren Darstellung mit Hilfe von Google-Karten, sowie das Messen und Steuern von Sensoren und Alarmgerten basierend auf der Python-Schnittstelle des aktuellen Kleinrechners Raspberry.

Im folgenden Kapitel wenden wir uns der statisch typisierten objektorientierten Sprache Java zu, die fr grere Programmierprojekte und fr die Zusammenarbeit von Teams von Programmierern geeignete Untersttzung bietet. Diese Sprache ist fr solche Anforderungen de fakto zum Industriestandard geworden. Nach einer umfassenden Einfhrung in Java werden auch die in der aktuellen Version 8 eingefhrten Neuerungen, Lambdas und Strme, ausfhrlich behandelt.

Das letzte Kapitel ist den grundlegenden Datenstrukturen der Informatik, wie Stacks, Listen, Bumen und Graphen gewidmet, sowie den wichtigsten Algorithmen, die mit diesen Datenstrukturen arbeiten. Durch geeignete Wahl von Datenstrukturen lt sich die Komplexitt von Programmieraufgaben beurteilen und beherrschen. Statt einer rein theoretischen Diskussion zeigen wir auch, wie die diskutierten Datenstrukturen und ihre Algorithmen konkret in Java implementiert werden knnen.

Die Beispielprogramme zu diesem Buch, Errata, etc. werden wir auf der Webseite www.informatikbuch.de bereitstellen.

Marburg an der Lahn, im Juli 2016

Heinz-Peter Gumm

Manfred Sommer

In diesem Kapitel werden wir wichtige Themen der Informatik in einer ersten bersicht darstellen. Zunchst beschftigen wir uns mit dem Begriff Informatik, dann mit fundamentalen Grundbegriffen wie z.B. Bits und Bytes. Danach behandeln wir die Frage, wie Texte, logische Werte und Zahlen in Computern gespeichert werden. Wir erklren den Aufbau eines PCs und das Zusammenwirken von Hardware, Controllern, Treibern und Betriebssystem bis zur benutzerfreundlichen Anwendungssoftware. Viele der hier eingefhrten Begriffe werden in den spteren Kapiteln noch eingehender behandelt. Daher dient dieses Kapitel als erster berblick und als Grundsteinlegung fr die folgenden.

Der Begriff Informatik leitet sich von dem Begriff Information her. Er entstand in den 60er Jahren. Informatik ist die Wissenschaft von der maschinellen Informationsverarbeitung. Die englische Bezeichnung fr Informatik ist Computer Science , also die Wissenschaft, die sich mit Rechnern beschftigt. Wenn auch die beiden Begriffe verschiedene Blickrichtungen andeuten, bezeichnen sie dennoch das Gleiche. Die Spannweite der Disziplin Informatik ist sehr breit, und demzufolge ist das Gebiet in mehrere Teilgebiete untergliedert.

Die Technische Informatik beschftigt sich vorwiegend mit der Konstruktion von Rechnern, Speicherchips, schnellen Prozessoren oder Parallelprozessoren, aber auch mit dem Aufbau von Peripheriegerten wie Festplatten, Druckern und Bildschirmen. Die Grenzen zwischen der Technischen Informatik und der Elektrotechnik sind flieend. An einigen Universitten gibt es den Studiengang Datentechnik, der gerade diesen Grenzbereich zwischen Elektrotechnik und Informatik zum Gegenstand hat.