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Einige der zu behandelnden Fragen Was bedeutet eigentlich Zum

EinbettenHerunterladen
-
„echte 2,1 GHZ“
„800 MHz FSB, 2 x 1 MByte Level-2-Cache“
„GPU mit 128 MByte DDR3-RAM und 1500 MHz Shader Takt“
„64-Bit-Unterstützung“
„1024 MB DDR2-SDRAM“
„on board erweiterbar über 8x AGP Steckplatz“
...
Was bedeutet eigentlich ...
Wie sind Rechner technisch aufgebaut
- Wie funktioniert eine CPU?
- Wie speichert man Daten?
- Wie bewertet man die Leistung eines Computers?
Wie baut man programmierbare Rechner?
- Mikroprogramm, Maschinencode, Assembler
Nach welchen Prinzipien verarbeiten Computer Daten?
- z. B. Wie rechen Computer?
Was sind Codierungen?
- Wozu werden sie benötigt, wie geht man vor?
Was ist der Unterschied zwischen Information und Daten?
Einige der zu behandelnden Fragen
2
1
Mathematische Grundlagen, Notationen
•
Arithmetik im Binärsystem
•
Inhaltsverzeichnis (2)
Aufbau eines Mikrocomputers
Rechnerarchitekturen
•
•
Mikrocode, Maschinencode, Assembler
•
Vorlesung: Einführung und Überblick zum Stoff
Übungsblätter: Aufgaben zur Vertiefung und Lernkontrolle
Praktikum: Bearbeitung von Aufgaben, Vertiefung des Stoffs
Vorlesungsfolien + ergänzende Folien im Web: kowa.hs-augsburg.de/csa/
•
•
•
•
Vermittlung der Inhalte
Ebenen der Programmierung
•
Programmierung
Arithmetische-Logische Einheit
•
Teil IV
Speicherbausteine
Entwurf und Aufbau von Computern
•
Teil III
Schaltnetze und Schaltwerke
Logische Schaltfunktionen und Schaltungen
•
•
Boolesche Algebra
•
Entwurf logischer Schaltungen
Codierung von Ziffern und Zahlen
•
Teil II
Alphabete und digitale Codierung
•
Informationsdarstellung in Rechenanlagen
Grundlegende Begriffe
Teil I
Teilgebiete, Anwendungsfelder, Historisches
•
Informatik und Datenverarbeitung
•
•
Einführung
Zum Inhalt der Vorlesung
4
3
Daten
Interpretation
5. 5. 1961
01010111 01111111
01101100 01100110
01100111 01100001
01101110 ...
Geb.:
Name: Wolfgang
Datenverarbeitung (DV)
Daten
Interpretation
Dekodierung
Information
– 22 * 2 = 44 (Informationsverarbeitende Funktion: „im Kopf“ gerechnet)
– leftshift(10110, 1) = 101100 (DV-Funktion, vom Computer ausgeführt)
Beispiel
Daten
Repräsentation
Codierung
Information
Informationsverarbeitung (IV)
Will man eine informationsverarbeitende Operation auf einem
Rechner ausführen, so muss eine ihr entsprechende Operation
für die Daten gefunden werden, die die Informationen
repräsentieren.
Informations- und Datenverarbeitung
Repräsentation
Information
Zum Zwecke der (formalen) Bearbeitung (z.B. mit Hilfe eines
Rechners) werden Informationen durch Daten repräsentiert und als
solche gespeichert. Umgekehrt kann man Information aus Daten
zurückgewinnen, wenn man diese in geeigneter Weise interpretiert.
Als Information (v. lat.: in-form-are) bezeichnet man den
Bedeutungs-Gehalt von Zeichen, Nachrichten, Mitteilungen etc.
Information vs. Daten
6
5
7
– Algortihmen selbst müssen nicht unbedingt terminieren, d.h. in
endlicher Zeit beendet sein.
– Die elementaren Arbeitsschritte müssen dagegen in endlicher Zeit
durchgeführt werden können.
Definition:
Definition:Programmiersprache
Programmiersprache
Eine
Programmiersprache
Eine Programmiersprachedient
dientzur
zurNiederschrift
Niederschriftvon
vonAlgorithmen,
Algorithmen,
die
dieauf
aufRechenanlagen
Rechenanlagenlaufen
laufensollen.
sollen.
Definition:
Definition:Algorithmus
Algorithmus
Unter
Untereinem
einemAlgorithmus
Algorithmusversteht
verstehtman
maneine
eineendliche
endlicheVorschrift,
Vorschrift,
bestehend
bestehendaus
ausjeweils
jeweilsininendlicher
endlicherZeit
Zeitausführbaren
ausführbaren
Einzelschritten,
Einzelschritten,zur
zurLösung
Lösungeines
einesProblem.
Problem.
Algorithmus
8
Von Interesse sind insbesondere Systeme mit flexibler Programmsteuerung:
programmierbare Systeme = „Universal“-Rechner
Datenverarbeitungssysteme (DVS, Synonyme: Rechner, Computer,
EDV-Anlagen ...) dienen zur Verarbeitung von numerischen und nichtnumerischen Daten.
- Durchführung mathematischer, transformierender, präsentierender,
übertragender und speichernder Operationen.
- DVS können hinsichtlich unterschiedlicher Merkmale charakterisiert
werden: u. a.
Art der Daten, die sie verarbeiten
Aufbau und Leistungsfähigkeit
...
Informationsverarbeitung (IV) steht für das Erfassen und Übermitteln,
die Aufbereitung und Auswertung sowie für die Speicherung und
Wiedergewinnung von Information.
=> Tätigkeit der Menschen
Datenverarbeitung (DV) steht für das Erfassen, Modifizieren, Löschen
und Übermitteln, die Verarbeitung sowie für die Speicherung, Wiedergewinnung und Präsentation von Daten. => Tätigkeit der DV-Systeme
Information und Daten
10
9
Grobe Einteilung:
Groß-Computer (DV-Anlagen, „Mainframe“): Rechner für große
wissenschaftliche und kommerzielle Problemstellungen (z.B.
Wettervorhersage).
Numeric Control von Produktionsmaschinen
Mini-Computer: Laborrechner, Prozessrechner für wissenschaftliche
und technische Anwender (z.B. auch NC-Steuerungen) oder
Systeme der mittleren Datentechnik (MDT) im kommerziellen
Bereich.
PC/Mikro-Computer: kompakte Systeme (Einplatinen-Computer, EinChip-Computer) für allgemeine und spezielle DV-Anwendungen
(z. B. Steuerung, Regelung, Home-Office, Spiele).
Eingebettete Computer: Kleinst-Rechner, die in Alltagsgegenstände
integriert werden, um diese mit der Fähigkeit der
Informationsverarbeitung und Fernkommunikation auszustatten (z.B.
Mobiltelefone, Armbanduhr mit Internet-Zugang etc.).
Im Zusammenhang mit Datenverarbeitung versteht man unter einem
„System“ praktisch immer die Kombination aus „Hardware“ (Computer)
und „Software“ (auf Computern ablaufende Programme).
Computersysteme
1. Alle Seiten des Lexikons werden als initialer
Seitenstapel gewählt.
2. Schlage den aktuellen Seitenstapel ca. in
der Mitte auf, sofern dies noch möglich ist.
Anderenfalls fahre mit 6. fort.
3. Ist das gesuchte Wort kleiner als das Wort
in der linken oberen Ecke, nimm den linken
Teilstapel als neuen Seitenstapel und fahre
mit 2. fort.
4. Ist das gesuchte Wort größer als das Wort
in der rechten unteren Ecke, nimm den
rechten Teilstapel als neuen Seitenstapel
und fahre mit 2. fort.
5. Suche das Wort auf der aufgeschlagenen
Adam Ries: Rechenbüchlein
Seite (z.B. mit Bisektion). ENDE
6. Das gesuchte Wort ist nicht im Lexikon
Zweiter Algorithmus: Selbst machen!
enthalten. ENDE
Suche ein Wort im Lexikon.
Bisektionssuche
Algorithmen
IBM Roadrunner (2008)
Liste der leistungsfähigsten Computer: www.top500.org
Der derzeit leistungsfähigste Computer ist der IBM Roadrunner:
- Führte im 2 Stunden über eine Billiarde (1.000.000.000.000.000)
Rechenoperationen durch; im Fachjargon „1 PFlop/s“ (2009: 1,105).
- Aufgebaut aus 6 948 Dual-Core-Prozessoren plus 12.960
Multi-Core-Prozessoren = 122.400 Prozessorkerne (laut top500.orgRechung) und verfügt über 80 Terabytes Speicher.
- Belegt eine Fläche von ca 560 qm und wiegt ca. 225 Tonnen.
- 6 Jahre Entwicklungszeit, ca. 100.000.000 US-Dollar Kosten.
IBM Blue Gene 2006
Supercomputer: Stand der Kunst im Sommer 2009
Ausgabewerk
12
11
Verständlichkeit?
Daten
Programme
Bedarf an
Speicher?
Arbeitsspeicher
„iPhone“
2008
(Bildschirm, Lautsprecher, etc.)
Bus
„Aldi PC“
2007
Eingabewerk
Rechenwerk
Steuerwerk
Prozessor
(CPU, ALU)
Commodore
PET, 1977
(Tastatur, Maus, Kamera etc.)
Bedienbarkeit?
Bedarf an
Rechenzeit?
Zuse Z3, 1941
Schematischer Aufbau eines Computers nach der
Von-Neumann-Architektur
ENIAC
CDC Cyber 76
CRAY 2
ASCI Red
IBM Roadrunner
??? ??????
1946
1969
1985
1996
2008
20??
?,?
1,026
1,068
1,952
7,2
100
Flop/s
EFlop/s
PFlop/s
TFlop/s
GFlop/s
MFlop/s
Leistung
4
1
1
???
Exa
Peta
Tera
Giga
Mega
Abk.
Millionen
Milliarden
Billionen
Billiarden
Trillionen
109
1012
1015
1018
Einheit
106
Anzahl
Die Wissenschaft von der systematischen Verarbeitung von
Informationen – insbesondere deren maschinelle Bearbeitung,
Speicherung und Übertragung durch Digitalrechner (Computer).
Bedeutung des (deutschen) Begriffs „Informatik“:
Nicht akzeptierte Vorschläge waren u.a. Computer-Theorie,
Komputor-Theorie und Theorie der Informationsverarbeitung;
Er wurde 1968 (III. Internationales Kolloquium über aktuelle
Probleme der Rechentechnik, Dresden) als deutschsprachige
Bezeichnung für Computer Science festgelegt.
Der Begriff Informatik ist ein Kunstwort, das vermutlich auf die
Begriffe Information und Mathematik oder Automatik zurückgeht.
„Computerwissenschaft“ - Informatik
14
13
Quelle: Wußing, 6000 Jahre Mathematik, Springer Verlag
122.400
7.284
CPUs
Hochleistungs-Grafikkarten (für Spiele) kommen heutzutage auf
Leistungen im Tera-Flop-Bereich.
Rechner
Jahr
Entwicklung der Leistungsfähigkeit
Ende 18./ Anf. 19. Jh.: Formalisierung der logischen und mathematischen Grundlagen durch Frege
(„Begriffschrift“, 1879), Russell und Whitehead („Prinicipia mathematica“, 1910-13), Peano etc.
1646-1716: Gottfried Willhelm Leibniz entwickelt das Dualsystem (1703) und skizziert eine mechanische
Rechenmaschine, die auf diesem Prinzip basiert (Bau eines Modells: 1971).
Er selbst baute mehrere mechanische Rechenmaschinen für das Zehnersystem, die allerdings nicht
vollkommen korrekt funktionierten. Ein Nachbau der letzten Maschine zeigte, dass es sich nur um
einen kleinen Fehler handelte.
Pascal, Schickard und andere entwickelten ebenfalls mechanische Rechenmaschinen.
1492-1559: Adam Ries: drei Rechenbücher basierend auf Arbeiten von al-঩wƗrizmƯ,
legendärer Ruhm im deutschsprachigen Raum
al-÷abr ĺ Algebra
al-঩wƗrizmƯ / al-Choresmi (aus Choresmien; heute Chiwa, Usbekistan) + arithmos (grch. Zahl) ??
ĺ liber algorithmi (lat.) ĺ Algorithmiker vs. Abakisten ĺ Algorithmus
780?-850?: persisch-arabischer Mathematiker Muতammad ibn MnjsƗ al-঩wƗrizmƯ (Bücher: u.a. „Über
das Rechnen mit indischen Ziffern“, „$O.LWÃE DOPXૡWDଙDU Ií ૛LVÃE DOáDEU ZDȽOPXTÃEDOD“ = „Ein kurz
gefasstes Buch über die Rechenverfahren durch Ergänzen und Ausgleichen“)
360? -290? v. Chr: Euklid: Hauptwerk: „Elemente“ enthält Verfahren zur Bestimmung des größten
gemeinsamen Teilers (ggT). Dieser Algorithmus war vermutlich schon früher bekannt.
Die Wurzeln der Informatik reichen bis ins Altertum zurück:
Geschichte der Informatik (2)
1953: erster Transitorrechner in Großbritannien
1947: Erster funktionierender Bipolar-Transitor
1946: ENIAC von J. P. Eckert, jr. (elektronisch, Röhrentechnik)
1942: ABC – Atanasoff Berry Computer (elektronisch, Röhrentechnik)
1941: Z3 von K. Zuse (1. funktionierende Rechenanlage, elektromechanisch)
Informatik im Sinne von Computer Science gibt es seit fast 70 Jahren:
Geschichte der Informatik (1)
16
15
Konrad Zuse baut erste Computer (Z1) und entwickelt seinen
„Plankalkül“ (eine Art Programmiersprache).
C. Shannon entwickelte seine „Informationstheorie“.
J. v. Neumann entwickelt den nach ihm benannten Rechnertyp:
Daten und Befehle werden gemeinsam im Rechner gespeichert und
ähnlich behandelt.
J. McCarthy entwickelt die funktionale Programmiersprache LISP
und begründet die „Artificial Intelligence“.
1948:
1949:
1959:
Informatikstudium in Deutschland (F.L. Bauer).
Objektorientierte Sprachen und Systeme.
ab 1970:
ab 1980:
Technologie-Generationen
Entwicklung von Java.
1. Generation (ab 1946)
– Schaltelemente: Elektronenröhren
– Speicher: wenige Register, extern: Lochkarte
– Leistung: 10-3 Sek/Operation
2. Generation (ab 1953)
– Schaltelemente: Transistoren
– Speicher: Magnetkernspeicher, extern: Trommel, Platte, Band
– Leistung: 10-4 Sek/Operation
3. Generation (ab 1964)
– Schaltelemente: integrierte Schaltkreise
– Speicher: wie 2. Generation
– Leistung: 10-6 Sek/Operation
4. Generation (ab 1970)
– Schaltelemente: Mikroprozessoren, VLSI (Very Large Scale Integration)
– Speicher: Halbleiter, Winchester-Platten
– Leistung: 10-11 Sek/Operation, Graphik- u. Multimedia, Vernetzung
5. Generation (ab 1980)
– Rasante Steigerung der Integrationsdichte (Millionen Transistoren auf einem
Chip). Übergang von der Daten- zur Wissensverarbeitung, intuitive MenschMaschine Interaktion etc.
ab 1995:
seit 1969: Internet – weite Verbreitung durch WWW ab 1993.
Entwicklung universaler Programmiersprachen wie Algol 68
und PL/I.
1969-70:
Um 1960: Fortran, Cobol und Algol werden als erste „höhere
Programmiersprachen“ eingeführt.
Theorie der Berechenbarkeit, Vollständigkeits- und Entscheidbarkeitssätze (Gödel, Turing, Church, Kleene, Post, Markov etc.).
1930-40:
Geschichte der Informatik (3)
18
17
2006
Informatik ist oft eng mit Anwendungen in anderen Fachgebieten
verknüpft. Daraus ergeben sich die „Bindestrich-Informatiken“.
- Informatik und Gesellschaft
Informatik hat als Querschnittsfach mit allen Bereichen der Gesellschaft
zu tun. Damit befasst sich ein weiteres Teilgebiet:
o Praktische/Angewandte Informatik
o Technische Informatik
o Theoretische Informatik
Die übliche Einteilung der Informatik in verschiedene Teilgebiete ist:
Teilgebiete der Informatik
künftige Generationen (??)
– „nach organischen Prinzipen arbeitende Computer“
– Quantencomputer
– ...
9. Generation (heute)
– verteilte Systeme, Aufgaben werden auf mehrere Prozessoren verteilt
– viele Rechner werden zu Cluster oder Grids zusammengeschaltet
– z.B. IBM Blue Gene L mit 131072 Prozessoren, 10-13 Sek/Operation,
8. Generation (ab 2000)
– mobile u. portable Computer (Laptop, Palm, Smartphones usw.)
– „eingebettete“ Computer, z.B. in Fahrzeugen
7. Generation (ab 1993)
– multimediales Internet
– vernetzte PCs
6. Generation (ab 1985)
– Desktop Computer, Grafische Interaktion (Fenster, Maus, Tastatur)
– Multimedia-PCs
Technologie-Generationen
20
19
Beispiel: Wettervorhersage /
Klimasimulation
Optimierung des
Luftwiderstandes
-simulierte
Crashtests
Beispiel: Autoindustrie
Wozu braucht man eigentlich Supercomputer?
- ....
- Informatik in der Betriebswirtschaft, E-Commerce, B2B, …
- Wirtschafts-Informatik
- Entwicklung von Verfahren zur Bearbeitung, Verbreitung und
Speicherung medialer Information (Grafik, Video, Sound, Web, ...)
- Medien-Informatik
- Entwurf medizinischer Geräte: Computertomograph,
Chirurgieunterstützung, „Roboterchirurgie“, ...
- medizinische Informatik
- Informatikanwendungen in der Geographie; Geoinformationssysteme
- Geo-Informatik
- Verwaltung großer biologische und genetischer Datenmengen,
Molekülanalyse und -synthese, ...
- Bio-Informatik
Beispiele für „Bindestrich-Informatiken“
22
21
Design von sog. Glyphen
zur grafischen Notation
komplexer
Molekülstrukturen
ad
ho
c
Beispiel: Mobilität & Kommunikation
http://3d-alignment.eu/
Analyse und Visualisierung von
Molekülstrukturen
Beispiel: Bio-Informatik
23
Übersetzung gesprochener
Sprache (Deutsch <-> Englisch)
Quelle: Projekt Verbmobil
Mobiler multimedialer Tourguide
Quelle: Projekt SmartKom
Komplexe Mensch-Maschine Schnittstellen:
Multimodale Mensch-Maschine-Interaktion
Beispiel: Informationstechnik im Auto
26
25
PUC: Personal Universal
Controller
(universelle Fernbedienung)
Pebbles Project 2000
Universeller
Informationsvisualisierer
in 2010 ?
•
27
•
MM5-Projekt „Urmel
lebt“ (WS 03/04)
28
MM5-Projekt des Dipl. Studiengangs Multimedia:
„Faust“ - ein interaktives Hörabenteuer (WS 2003/04)
Studienschwerpunkt: „Mobile Expierence“
Star Trek Tricoder +
Communicator
ab 1966 (von Gene
Roddenberry)
Von StarTrek-Tricoder zur universellen mobilen
multimodalen Mensch-Maschine-Schnittstelle
Quelle: Univ. Calagary, CA
Tabletop Displays mit Interface Currents
Quelle: Phillips Research
„Ambient Intelligence“ im Wohnzimmer
30
29
Computerspiel „Yonic“
(MM5-Projekt 2006)
Jesus Christ Superstar (MM5-Projekt 2006)
Mediale Installationen des MM-Studiengangs der HSA
Quelle: DFKI
Zwei virtuelle Charakteren kommentieren den Fortgang einer
Konstruktionsaufgabe.
Mediale Installationen (Autostadt Wolfsburg):
32
31
MM-Diplomarbeit
„IMEM – Interface für motorisch
eingeschränkte Menschen“
MM-Diplomarbeit sensisphere
Berührungslose Interaktion mit
einer halbkugelförmigen
Displayfläche
Mediale Installationen des MM-Studiengangs der HSA
MM-5 Projekt sonus
Navigationsspiel ohne grafisches
Interface.
Umgebung wird mittels
Kraftrückkopplung und
3D-Raumklang vermittelt.
MM-7 Projekt Piu!Piu!
Shooter im Retro-Look mit
Wii- und „Laut-“ Steuerung
Entwicklung von Computerspielen
34
33
Lab30 13-15 November im Abraxas
ZKM Karlsruhe,
ARS Electronica Linz,
http://iap07.multimedia.fh-augsburg.de/
http://www.lab30.de/
http://www.zkm.de/
http://www.aec.at/
• Gesellschaft für Informatik (GI) eV
www.gi-ev.de/
• Elektronik-Kompendium http://www.elektronik-kompendium.de/
• Computer-Lexikon www.computerlexikon.com/
• Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Kategorie:Informatik
• ITWissen www.itwissen.info/
nützliche Online-Quellen:
Märtin, Christian: Einführung in die Rechnerarchitektur.
Prozessoren und Systeme. Fachbuchverlag Leipzig. 2003
Kelch, Rainer: Rechnergrundlagen. Vom Rechenwerk zum
Universalrechner. Fachbuchverlag Leipzig. 2003
Kelch, Rainer: Rechnergrundlagen. Von der Binärlogik zum
Schaltwerk. Fachbuchverlag Leipzig. 2003
(www.fachbuch-leipzig.hanser.de)
Bücher zur Vorlesung
interaktive Medienkunst
36
35
... viele weitere stehen zur Auswahl!
Siemers & Sikora (Hrsg.) Taschenbuch Digitaltechnik, 2- Auflage 2007.
Rechenberg, Peter: Was ist Informatik?
Hanser Verlag; 2000; 3. Auflage.
Schneider Uwe, Werner Dieter: Taschenbuch der Informatik.
Fachbuchverlag Leipzig. 6. Auflage 2007.
Rechenberg, Peter; Pomberger, Gustav: Informatik-Handbuch
Carl Hanser Verlag; 2006; 4. Auflage; (1251 Seiten)
Herold, H., Lurz, B., Wohlrab, J.: Grundlagen der Informatik
Praktisch - Technisch – Theoretisch, Pearson Studium, 2006.
Gumm, H.-P., Sommer M.: Einführung in die Informatik, OldenburgVerlag, 2006, 7. Auflage (877 Seiten)
Literatur – weitere Lehrbücher der Informatik
37
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