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1. Was ist Informatik? - Fakultät für Mathematik und Informatik

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Geschichte der elektronischen Datenverarbeitung
H.P.
Fakult¨at f¨ur Mathematik und Informatik
¨ INFORMATIK
INSTITUT FUR
Prof. E.G. Schukat-Talamazzini
Mooresches Gesetz:
Each new chip contains roughly twice as much capacity
Vorlesung im Sommersemester
as its predecessor, and each chip is released within 18–24
months of the previous chip.
Gordon Moore
TRUKTURIERTES
ROGRAMMIEREN
1. Was ist Informatik?
Machronesches Gesetz:
• Geschichte der elektronischen Datenverarbeitung
The machine you want always costs $5,000. Bill Machrone
• Computer · Informatik · Information
• Informationsverarbeitungssysteme:
Nachricht · Interpretation · Information ·
Rechnen“
”
• Wozu Software Engineering“?
”
Rocksches Gesetz:
The cost of capital equipment to build semiconductors
will double every four years.
Was ist Informatik? – I.1
Vorlesung im Sommersemester
STRUKTURIERTES PROGRAMMIEREN
1956–60
HARDWARE
Rechner auf R¨ohrenbasis
Magnetband, Kernspeicher, Transistorschaltkreise
1961–65
Rechnerfamilien,
gnetplatten
1966–70
Minicomputer, Mikroprogrammierung,
integrierte Schaltkreise
1971–75
Mikrocomputer,
Minicomputer
etabliert,
kleiner
Massenspeicher, Halbleiter- statt
Kernspeicher
kommerz. Mikrocomputer,
großer Massenspeicher,
verteiltes Rechnen
1976–80
1981–85
1986–90
1991–96
1996–??
Ma-
PCs, Arbeitsplatzrechner, Videospiele, LAN,
Arpanet
Zeit d. Mikrocomputer,
Ingenieur-WS,
RISCArchitektur, Internet
schnelle und preiswerte
PC und WS, massivparallele Rechner
Audio, Video, Fax; Multimedia; Smartcard
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Erstellt am 15. April 2009
Geschichte der elektronischen Datenverarbeitung
1951–55
Arthur Rock
Was ist Informatik“ ?
”
H.P.
METHODEN
Assemblersprachen,
Unterprogramme, Datenstrukturen
fr¨uhe Kompiler, BNFGrammatiken,
CodeOptimierung,
Interpreter,
dynamische
Speicherverwaltung
MultiprogrammingBetriebssysteme, syntaxorientierte Kompiler
Timesharing-Systeme,
interaktive
Systeme,
¨
autom. Ubersetzerbau
Programmverifikation,
strukturiertes Programmieren, SW engineering
Datenabstraktion,
formale
Semantik,
Nebenl¨aufigkeit, eingebettete und Echtzeitsysteme
objektorientierte Programmierung,
interaktive
Umgebungen,
syntaxgesteuerte Editoren
Client/Server-Prinzip
SPRACHEN
Kompilation
arithmetischer
Ausdr¨ucke
FORTRAN, ALGOL 58/60, COBOL, LISP
SNOBOL, JOVIAL;
APLNotation
APL, FORTRAN
66, ALGOL 68,
BASIC, PL/1, SIMULA 67
Pascal, C, Scheme, Prolog
Was ist ein
H.P.
Computer“ ?
”
(aus Webster’s Dictionary )
1. one who or that which computes.
2. an electronic apparatus that can
receive, process, store, and retrieve data, can carry out mathematical and logical operations at high
speed and display the results, and
can be programmed.
Smalltalk, Ada,
FORTRAN 77,
ML
Turbo
Pascal,
Prolog boomt!,
Ada 83, Postscript
⇒ Daten
FORTRAN
C++
⇒ Operationen auf Daten
(mathematisch/logisch)
90,
offene Systeme,
Datenautobahn
Ada 95, TCL,
Perl, HTML, ...
⇒ Speicherung
CORBA, Hypertext
Java, VRML, ...
⇒ Eingabe / Ausgabe
⇒ Programmierbarkeit
Was ist Informatik? – I.2
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Was ist Informatik? – II.1
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Was ist Informatik“ ?
”
Was ist
H.P.
Was ist Informatik“ ?
”
Was ist
Informatik“ ?
”
• Wissenschaftliche Lehre von der Informationsverarbeitung
(Bauer, Zemanek; Dresden 1968)
• Wisenschaft, Technik und Anwendung
der maschinellen Verarbeitung und
¨ bermittlung von Informationen
U
(Lexikon der Informatik und DV, 1991)
H.P.
Information“ ?
”
• [auf Anfrage erteilte]
u
¨ber alles Wissenswerte in Kenntnis setzende offizielle, detaillierte Mitteilung u
¨ber jemanden/etwas
(Duden)
• [Kybernetik]
Gehalt einer Nachricht, die aus Zeichen eines
Codes zusammengesetzt ist
(Duden)
• Kenntnis u
¨ber bestimmte Sachverhalte in einem
Teil der wahrgenommenen Realit¨
at. Informationen sind mitgeteilte und aufgenommene Wissensbestandteile. Sie werden aus (sprachlich artikulierbarem) Wissen abgeleitet und mit Hilfe
von (sprachlichen) Ausdrucksmitteln mitgeteilt.
• Wissenschaft von den elektronischen
Datenverarbeitungsanlagen und den
Grundlagen ihrer Anwendung
(Duden)
Damit repr¨
asentieren sie einerseits ein (subjektives) Wissen (des Mitteilenden) und k¨
onnen andererseits ein (subjektives) Wissen (des Adressaten) aktualisieren oder erweitern.
(Lexikon der Informatik und DV)
• Kenntnisse u
¨ber Sachverhalte und Vorg¨
ange
(DIN 44300)
⇒ Information
⇒ Mitteilung, Nachricht
⇒ Daten
⇒ Wissen, Kenntnis
⇒ sprachliche Ausdrucksmittel
⇒ Verarbeitung
Was ist Informatik? – II.2
⇒ Subjektivit¨
at, Kontextabh¨
angigkeit
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Daten
H.P.
Was sind
Was ist Informatik? – II.3
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Daten
H.P.
Datenarten — anwendungsorientiert
Daten“ ?
”
• Zeichen
• Zahlen
• Gebilde aus Zeichen oder kontinuierlichen
Funktionen, die aufgrund bekannter oder unterstellter Abmachungen Informationen darstellen,
vorrangig zum Zweck der Verarbeitung oder als
deren Ergebnis.
(DIN 44300 TI.2 November 1988)
ANMERKUNG:
Verarbeitung umfaßt die Durchf¨
uhrung mathematischer,
umformender, u
¨bertragender und speichernder Operationen.
• durch Beobachtungen, Messungen, statistische
Erhebungen u.a. gewonnene (Zahlen)werte; auf
[s.o.] beruhende Angaben oder formulierbare
Befunde
(Duden)
’A’, ’a’, ’7’, ’ ?’, ’@’, ♠, ...
10, 1.5, 3.7 · 106 , ...
• Texte
Das ist ein Text.“
”
• Formulare
lfdnr:
1
2
Zuname:
Schiffer
Merkel
const pi = 3.1415926535;“
”
Vorname:
Claudia
Angela
Geb.datum:
23.11.69
...
Geb.ort:
Krefeld
...
Gewicht:
56 kg
...
• Vektoren und Matrizen
(10, 20, 30)
bzw.

1,2,3
 6,5,8 
3,6,9

• Bilder, Zeitsignale
⇒ diskrete Zeichen(reihen)
⇒ kontinuierliche Funktionen
⇒ Informationsdarstellung
Was ist Informatik? – III.1
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Was ist Informatik? – III.2
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Daten
H.P.
Einige Grundbegriffe der Informationsverarbeitung
H.P.
Datenarten — maschinenorientiert
Definitionsversuch
(nach Gerhard Goos: Informatik 1, Springer 1995)
Im Rechner werden alle Daten als Bitfolgen dargestellt.
—
Bit:
kleinstes Element eines Speichers
erlaubt die Speicherung zweier verschiedener Werte
z.B. 0/1 oder O/L oder Ja/Nein oder true/false
—
Alle problembezogenen Daten lassen sich durch
geeignete Codierung als Bitfolgen repr¨
asentieren!
Definition 1.1
Die Darstellung einer Mitteilung durch die zeitliche Ver¨
anderung einer physikalischen Gr¨
oße heißt Signal.
Die Eigenschaften des Signals, z.B. die Frequenz oder
Amplitude einer Welle, die sich dabei ¨
andern, heißen Signalparameter.
Die Weitergabe von Mitteilungen auf dieser Ebene heißt
Signal¨
ubertragung.
Definition 1.2
Die dauerhafte Darstellung einer Mitteilung auf einem
physikalischen Medium heißt schriftliche Darstellung oder
Inschrift.
Zahlen:
110 ❀ 0001, 210 ❀ 0010, 710 ❀ 0111
Felder:
linearisiert als Zahlenfolgen
Zeichen:
k¨
onnen durchnumeriert werden, z.B.
A ❀ 65, B ❀ 66, ... (ASCII-Code)
Texte:
zeichenweise Codierung
Farben:
drei Zahlenwerte f¨
ur die Intensit¨
at der
Grundfarben rot, gr¨
un und blau (RGBCode)
Wenn wir bei der Darstellung und Weitergabe einer Mitteilung vom verwandten Medium und den Einzelheiten der
Signale und Signalparameter abstrahieren, nennen wir die
Mitteilung eine Nachricht.
Schall:
quantisierte Signalabtastwerte erfassen
(CD)
Definition 1.3
Die Kenntnisse, die man/frau ben¨
otigt, um einer Nachricht eine Bedeutung zuzuordnen, nennen wir ein Bezugssystem.
Bilder:
Rasterbildgrauwerte oder Farbcodes als
Matrix abspeichern
Die einer Nachricht zugeordnete Bedeutung heißt eine Information.
Information wird durch Interpretation einer Nachricht auf
Grundlage eines Bezugssystems gewonnen.
Was ist Informatik? – III.3
Einige Grundbegriffe der Informationsverarbeitung
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
H.P.
Definition 1.4
Das Paar bestehend aus einer Nachricht und
der ihr zugeordneten Information nennen wir ein
Datum.
Was ist Informatik? – IV.1
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Informationssysteme
H.P.
Repräsentation
Interpretation
äußere Form der Darstellung
einer Nachricht, Aussage,
Anweisung, Mitteilung, ...
Information
abstrakter Gehalt
einer Nachricht, Aussage,
Anweisung, Mitteilung, ...
("Deutung")
INFORMATIONSSYSTEM
Definition 1.6
Sei R eine Menge von Nachrichten und A eine Menge von
Informationen. Eine Abbildung
Wir unterscheiden zwischen
• Datum,
R → A
r →
[r]
:
• Information,
• Umdeutung der Information als Verarbeitungsvorschrift,
• Ergebnis der Anwendung der Interpretationsvorschrift.
heißt Interpretation(sfunktion) oder Bedeutungszuordnung f¨
ur R auf A.
Das Tripel (A, R, ) nennen wir dann ein Informationssystem.
Definition 1.5
Eine Verarbeitung von Nachrichten ist zugleich
eine Datenverarbeitung, sofern die Verarbeitung bedeutungstreu ist, d.h., wenn ihr Ergebnis auf der Ebene der Informationen Bedeutung
hat.
Was ist Informatik? – IV.2
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
<01>
<1>
<02>
<001>
<0001>
<00001>
1
Was ist Informatik? – V.1
<2>
<03>
<002>
<0002>
<00002>
2
<3>
<04>
<003>
<0003>
<00003>
3
<4>
<004>
<0004>
<00004>
4
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Informationssysteme
H.P.
Definition 1.7
Die Abbildung
: R → A heißt surjektiv, wenn es zu
jedem a ∈ A ein r ∈ R gibt mit
[r] = a. Informationssysteme mit surjektiver Bedeutungszuordnung heißen
vollst¨
andig.
Definition 1.8
Die Abbildung
r, r ∈ R gilt:
Informationssysteme
H.P.
Definition 1.10
Die nachrichtenverarbeitende Abbildung ρ : R → R eines
Informationssystems (A, R, ) heißt informationstreu, falls
¨
sie mit der semantischen Aquivalenz
≡ vertr¨
aglich ist,
d.h. es gilt f¨
ur alle Nachrichten r, r ∈ R:
ρ(r) ≡ ρ(r )
r≡ r
ur alle
: R → A heißt injektiv, wenn f¨
[r] =
r
BEMERKUNG:
ρ informationstreu, wenn ∀r, r ∈ R gilt:
r=r
Informationssysteme mit injektiver Bedeutungszuordnung
heißen eindeutig.
[r] =
[ρ(r)] =
r
ρ(r )
R
m
gram t
Dia
r
utie
m
m
ko
ρ
surjektiv
injektiv
A
bijektiv
ρ
R
Definition 1.9
Zwei Repr¨
asentationen r, r ∈ R eines Informatiaquionssystems (A, R, ) heißen semantisch ¨
valent, geschrieben r ≡ r oder r ≡ r , falls die
Identit¨
at [r] =
r gilt.
A
Definition 1.11
Eine informationstreue Abbildung ρ : R → R eines Informationssystems (A, R, ) definiert in eindeutiger Weise eine informationsverarbeitende Abbildung ρ : A → A durch
die Vereinbarung
def
ρ ( [r]) =
[ρ(r)] ,
r∈R
uglich (A, R, ).
ρ heißt Abstraktion von ρ bez¨
Was ist Informatik? – V.2
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Normalformen
H.P.
Definition 1.12
Die nachrichtenverarbeitende Abbildung ρ : R →
¨
R eines Informationssystems (A, R, ) heißt Aquivalenztransformation, wenn f¨
ur alle Nachrichten r ∈ R die Gleichheit
[ρ(r)] =
[r]
Was ist Informatik? – V.3
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Informationsverarbeitende Softwaresysteme
H.P.
¨
AUFGABENSTELLUNGEN FUR
INFORMATIONSVERARBEITENDE
SYSTEME
• Berechnung von Funktionen:
Berechne eine Funktion f : A → B, die einen Definitionsbereich A in einen Wertebereich B abbildet.
gilt.
• Prozeߨ
uberwachung:
Definition 1.13
Eine ausgezeichnete Teilmenge RNf ⊆ R von (besonders
einfach strukturierten) Nachrichten eines Informationssystems (A, R, ) heißt Normalformsystem.
RNf heißt vollst¨
andig, falls es f¨
ur jedes r ∈ R eine Normalform r ∈ RNf mit r ≡ r gibt.
RNf heißt eindeutig, falls f¨
ur alle semantisch ¨
aquivalenten
(r ≡ r ) Nachrichten r, r ∈ RNf schon die Gleichheit r = r
gilt.
Konstruiere ein (endlos laufendes) System, das Daten
a von anderen Systemen empf¨
angt und Daten b an
solche Systeme sendet.
(lokale Datenspeicherung: Prozeßhistorie)
• Eingebettete Systeme:
Konstruiere ein System, das im Verbund mit Bausteinen, die nicht der Datenverarbeitung dienen, eine
gegebene Aufgabenstellung l¨
osen.
Lemma 1.1
Ist (A, R, ) vollst¨
andig und RNf ein vollst¨
andiges und eindeutiges Normalformsystem, so herrscht
eine 1–1 Korrespondenz (bijektive Zuordnung)
zwischen den Mengen A und RNf .
Was ist Informatik? – VI.1
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
(technische Apparaturen, Menschen, betriebliche Organisation)
• Adaptive Systeme:
Konstruiere ein eingebettetes System, das sich ver¨
anderten Bedingungen der Wirklichkeit anpaßt.
(dynamische Umgebung; das System ver¨
andert seine Umwelt)
Was ist Informatik? – VII.1
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Wozu Software Engineering“ ?
”
H.P.
Wozu Software Engineering“ ?
”
Der
RECHNER
H.P.
INFORMATIK-TURM“
”
ANWENDUNGSMETHODIK:
PROGRAMM
PROZESSOR
Stark zeitabh¨
angig: heute, unter Linux / Windows NT!“
”
z.B. Konfiguration eines CAX f¨
ur konkrete F¨
alle
Eine L¨
osung verkaufen“
”
SYSTEMREALISIERUNG:
Das Programm wird
vom Prozessor ausgeführt
Software
Entwurf und Implementation (Hardware & Software)
allgemein verwendbarer Systeme.
z.B. Betriebs-, Reservierungs- oder Textsystem.
Programmieren im Großen“
”
Der Prozessor ist eine
Universalmaschine,
die beliebige Programme
ausführen kann
ALGORITHMIK:
Entwurf, Analyse, Optimierung, Testen
von Standardabl¨
aufen. — z.B. Bibliotheksprogramme.
Programmieren im Kleinen“
”
Hardware
Die Funktionalität des Rechners
wird durch die ausgeführten Programme bestimmt.
THEORIE:
abstrakt, mathematisch, allgemein, objektiv;
zeitlose Resultate — z.B. geht oder geht nicht“
”
Analogie: Grundgesetze der Naturwissenschaften
Einundderselbe Prozessor kann
viele verschiedene Programme ausf¨
uhren.
Theoretische Informatik
Algorithmen · Berechenbarkeit · Aufwand
Betriebssystem · Datenbank · Textverarbeitung · Compiler
Erst die Software erm¨
oglicht
die hohe Flexibilit¨
at des Rechnereinsatzes.
Technische Informatik
Bau und Organisation der Rechnerhardware
Praktische Informatik
Umsetzung in praktisch nutzbare Softwaresysteme
Angewandte Informatik
Informatikmethoden f¨
ur andere Wissenschaften
Was ist Informatik? – VIII.1
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Wozu Software Engineering“ ?
”
Was ist
H.P.
Engineering“ (Ingenieurst¨
atigkeit)
”
Was ist Informatik? – VIII.2
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Wozu Software Engineering“ ?
”
H.P.
Das Mariner-I Ungl¨
uck
Fehlerhafter FORTRAN-Code:
[...] die sch¨
opferische Anwendung wissenschaftlicher
Prinzipien auf Entwurf und Entwicklung von Strukturen, Maschinen, Apparaten oder Herstellungsprozessen im Hinblick auf eine gew¨
unschte Funktion,
Wirtschaftlichkeit und Sicherheit von Leben und Ei-
3
DO 3 I=1.3
...
...
...
CONTINUE
mit der Konsequenz
(Encyclopedia Britannica)
gentum [...]
(statt:
DO 3 I=1,3)
(Beschreibung der Aktion)
DO3I ← 1.3
• ... und in der Programmiersprache “C“:
Was ist
Software Engineering“
”
FOR (i=1; i<=3; ++i)
f(i);
[...] die Anwendung eines systematischen, diszipli-
• ... und in Pascal:
nierten, quantifizierbaren Ansatzes auf Entwicklung,
Betrieb und Wartung von Software, d.h. die Anwendung der Ingenieurskunst auf Software.
(IEEE Standard Glossary of S.E. Terminology)
• ... und in Modula:
FOR i := 1 TO 3 DO
f(i)
END;
Qualit¨
atseigenschaften:
Zuverl¨
assigkeit • Korrektheit • Robustheit • Stabilit¨
at •
Datensicherheit • Wiederherstellbarkeit • Wartbarkeit •
Anpaßbarkeit • Lesbarkeit • Modularit¨
at • Normengerechtigkeit •
¨
Kompatibilit¨
at • Wirtschaftlichkeit • Ubertragbarkeit
• Effizienz •
Konsistenz • Verf¨
ugbarkeit • Kontrollierbarkeit • Transparenz •
Flexibilit¨
at • Ausfallsicherheit • Benutzerfreundlichkeit ... ... ...
Was ist Informatik? – VIII.3
FOR i := 1 TO 3 DO
f(i);
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
Stabilit¨
at und Effizienz wiedersprechen einander;
der zu w¨
ahlende Kompromiß h¨
angt von der geplanten Anwendung ab.
(neudeutsch: ’trade-off’)
Was ist Informatik? – VIII.4
E.G. Schukat-Talamazzini, FSU Jena
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