Programmiertechnik 1 - dcl.hpi.uni-potsdam.de · Andreas Polze 4 Definition der Gesellschaft für Informatik • Informatik ist die Wissenschaft von der systematischen und automatisierten

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Programmiertechnik1

Unit1:Informatik– einÜberblick

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Ablauf

• WasistInformatik?• Algorithmenbegriff• TechnischeInformatik• TheoretischeInformatik• PraktischeInformatik• AngewandteInformatik• StudiumamHPI• EinordnungderLV• Bits,Bytes,Worte,Dateien• Informationvs.Daten• topdownvs.bottomup

Unit1:Informatik- einÜberblick,Programmiertechnik1

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WasistInformatik?

• Abgeleitetvon“Information”,“Automatik”,“Mathematik”(1960erJahre)– MaschinelleInformationsverarbeitung– Kybernetik– ElektronischeDatenverarbeitung(EDV)– Information(Communication)Technology(IT,ICT)

• Informatik– eineWissenschaft– ComputerScience,ComputerEngineering,SoftwareEngineering– Computerwissenschaften

• Organisationen– GesellschaftfürInformatik(GI)– AssociationforComputingMachinery(ACM),TuringAward


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DefinitionderGesellschaftfürInformatik

• InformatikistdieWissenschaftvondersystematischenundautomatisiertenVerarbeitungvonInformation.

• SieerforschtgrundlegendeVerfahrensweisenderInformationsverarbeitungundallgemeineMethodenihrerAnwendungindenverschiedenenBereichen.

• FürdieseAufgabenwendetdieInformatikvorwiegendformaleundingenieurmäßigorientierteTechnikenan.


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Informatik:VerschiedeneSichtennachBalzert

• Position1:Mathematisch-logischeOrientierung– ComputerarbeitennachformalenPrinzipien,Programmierermüssensichalsodie

FormalismenaneignenundrealeProblemeindenFormalismusübertragen.

• Position2:IngenieurwissenschaftlicheOrientierung– InformatikersolltenwieIngenieurearbeiten,alsosystematischeVorgehensweisen

(Planung,Modellierung)aufkonkretepraktischeProblemeanwenden.

• Position3:EvolutionäreOrientierung– EineexakteFormalisierungdespraktischenProblemsistoftnichtmöglich.Deshalbsind

Versucheformalen,geplantenVorgehensgescheitert.ManmussdasakzeptierenundinseinerArbeitvorhersehen.

• Position4:PartizipativeOrientierung– ComputererfüllenbestimmteFunktioneninnerhalbmenschlicherTätigkeitsbereiche.

DerInformatikermusssichalsomitdemsozialenKontextdesArbeitsplatzes,derArbeitsverteilungusw.beschäftigen.


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Algorithmenbegriff

• Rechnen– Zahlen– Grundrechenarten->trivial?– RömischeZahlenbisinsspäteMittelalter– AdamRiese,1524,Rechenbuch,Dezimalsystem(urspr.Indien)

(1492-1559,Annabergi.Erzgeb.)• Algorithmus

– mechanischausführbaresRechenverfahren– Al-Chwarizmi(780-850,Persien),BuchüberAlgebra

• EigenschafteneinesAlgorithmus– BestehtausmehrerenSchritten– Wiederholungen– Endlichkeit?,Komplexität?– SchattendaseininderMathematik(„Grundrechenarten“)

• GrundlagederInformatik– undderprogrammiertenInformationsverarbeitung


Al-Chwarizmi auf einer sowjetischen Briefmarke anlässlich seines 1200. Geburtstags (de.wikipedia.org)

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EigenschaftenvonAlgorithmen

• Abstraktion,Parameter– AlgorithmuslöstKlassevonProblemen

• Finitheit:BeschreibunghatendlichLänge– AlgorithmusbenötigtinjedemSchrittnur

endlichvielPlatz

• Terminierung– ResultatstehtnachendlichvielenSchrittenfest

• Determinismus(deterministischerAlg.)– ZujedemZeitpunktbestehthöchstenseine

MöglichkeitderFortsetzung

• Determiniertheit– gleicheResultatebeigleichenEingaben

• ZujedemAlgorithmusexistierenunendlichvieleverschiedeneäquivalenteAlgorithmen


Euklid(300v.Chr.)– ggT(p,q)(ältesternichttrivialerAlg.)

1)x=p/q,Restr2)r==0à ggT=q

Terminierungr!=0à p=q

q=x

Bsp:ggT(1071,1029)=21

1071=1*1029+421029=24*42+2142=2*21+0

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TeilgebietederInformatik

• TechnischeInformatik• PraktischeInformatik• TheoretischeInformatik• AngewandteInformatik

• “Bindestrich”-Informatiken:– Bio-Informatik,Geo-Informatik– Wirtschaftsinformatik,medizinischeInformatik– LinguistischeInformatik


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StichwortezurInformatik


TechnischeI. PraktischeI. TheoretischeI. AngewandteI.• Elektr.Schaltungen• Speicher,• Signalübertragung,• Schaltnetze,• Schaltwerke,• Prozessoren• Mikroprogrammierung• Rechnerarchitektur• Rechnernetze• Parallelrechner

• Algorithmen• Datenstrukturen• Programmiermethoden(strukturierteP.,objekt-orientierteP.)

• ProgrammiersprachenundCompiler

• Betriebssysteme(DOS,UNIX,Mach,Windows,Linux,MacOSX)

• Softwaretechnik• Mensch-Maschine-Kommunikation(HCI)

• Automatentheorie• TheoriederformalenSprachen

• Berechenbarkeit• Komplexitätstheorie• AlgorithmenanalyseTheoriederProgrammierung

• AutomatischePro-grammsynthese

• FormaleSemantik

• Informationssysteme• Grafik• KI• DigitaleSignalverarbeitung

• SimulationundModellierung

• Textverarbeitung,Büroautomatisierung

• ERP• AnwendungeninWirtschaft,Verwaltung,Medizin,Geisteswiss.,Kunst....

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TechnischeInformatik

• Rechnerarchitektur– KonstruktionvonRechnern– Prozessorarchitektur,-entwurf– Parallelisierung– Befehlssatz,Datenformate

• Rechnerkommunikation– Übertragungsmedien– Router,Switches,Firewalls– Netzwerkprotokolle– DefinitionundStandardisierung

• BindegliedzurElektrotechnik– Schaltungstechnik


Xilinx_S6-SP601board(de.wikipedia.org)

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Rechenmaschinen

• MechanischeRechenmaschinenfürGrundrechenarten– Schickard(1592-1635)– Pascal(1623-1662)– Leibniz(1646-1716)

• Problem:Fehleranfälligkeit– Feinmechaniknochnichtweitgenugfortgeschritten

• MechanischeBürorechenmaschineAnno1900– HermanHollerith(1860-1929),Lochkarte– SeineTabulatingMachineCompany...

• fusionierte1911mitderComputingScaleCorporationundderInternationalTimeRecordingCompany zurComputingTabulatingRecordingCorporation(CTR)

– CTRwurde1924umbenanntin

• VierfesteProgramme...Unit1:Informatik- einÜberblick,Programmiertechnik1

Nachbau der Rechenmaschine von Schickard (1623)

de.wikipedia.org

Maschinen nach Hermann Hollerith 1890Lochkartenleser, Zählwerk, Sortierer,

Locher; de.wikipedia.org

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Programmierbarkeit;Geschichte

• Computerfreiprogrammierbarà erfordertProgrammspeicher– Programmà Algorithmus– Prozeßà ausgeführtesProgramm

• 1805Jacquard-Webstuhl– Steuerung(Programmierung)durchgelochteHolzplättchen

• 1792-1871CharlesBabbage– MechanischeRechenmaschine– Idee:ProgrammenachJacquard-Prinzipspeichern(techn.Mängel)– Lochkartenmaschinensetztensichdurch(Sortieren,Tabellieren,Addieren)

• KonradZuse(1910-1995)– 1934Idee:dualesZahlensystemzumRechnennutzen

• bislang:fürjedeRechenstelle10mech.Positionen(Zahnräder,Zahnstangen)– RelaisrechnerZ3,Z4– Anfangder1940erJahre

• Programmiersprache:„Plankalkül“ (1945/46)

• 1944Aiken,USA– RöhrenrechnerMarkI,Dezimalsystem,Schaltzeitenvon0,1ms(Relais:100ms)

• 1946Eckert/Mauchly,Univ.ofPennsylvania– ElektronenrechnerENIAC18000Röhren,1500Relais(....bugs)– ElectronicNumericalIntegratorAndComputer


Zuse

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ArtderProgrammspeicherung?• Bislang:

– Zuse– Lochstreifen,Eniac– Steckbretter(wieTelefonvermittlung)

• JohnvonNeumann(1902-1957),Ungarn,USA

– ProgrammimSpeicherdesRechnersablegen– RechnerhattenohnehinSpeicherfür

Zwischenergebnisse

• 1949EDSAC– CambridgeUniversity,erster„von-Neumann-

Rechner“• StandderKunst1950:

– ZweiwertigeZuständeanstellezehnwertigerDaten

– ElektronikersetztMechanik– ProgrammimSpeicherdesRechners


Rechnergenerationen

1 Bis1960.;Pionierzeit,ElektronenröhrenAddition:100-1000MikrosekundenSpeicher:<1000ZahlenPraktischkeineSoftware

2 Bis1970.;Transistoren,Ferritkern-,Band-,Trommel-,PlattenspeicherFORTRAN,Cobol,maschinenunabhängigeBetriebssysteme,Stapelbetrieb.10000Instruktionen/sec

3 Bis1980.;TeilweiseintegrierteSchaltkreise(LSI),Timesharing,Terminals,Bildschirme,grafischeDatenverarbeitung,Großrechner,Einchip-Prozessoren,8-bitArchitektur(Z80)500000Instruktionen/sec

4 heutige.;HochintegrierteSchaltungen(VLSI),16/32/64-bitArchitekturen,MultiCore/ManyCore,Netzwerke,Parallelrechner,TBSpeicher>1000000Instruktionen/sec

5 Optische,biologischeSysteme,Quantencomputer,hochparalleleSysteme

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PraktischeInformatik

• ProgrammesteuernRechner– Software,leichtveränderbar(?)– MaschinennaheProgrammierung,Assembler– HöhereProgrammiersprachen,Compiler– AbstrakteDatenstrukturen,Algorithmen

• Softwaretechnik– Modellierung,GenerierungvonProgrammen– Compilerbau,Interpreter,Laufzeitumgebungen– Versionierung,Wartung,Refaktorisierung,Lebenszyklus

• Programmiersprachen- Portabilität– Imperativ:FORTRAN,ALGOL,Basic,Cobol,Pascal,C,Modula-2,Javascript,

Ruby,Python,Perl– Objekt-Orientiert:Simula,Smalltalk,Objective-C,C++,Eiffel,Java,C#– Logisch(deklarativ)/Funktional:Prolog,Lisp,Scheme,ML


infoworld.com

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Programmiersprachen

• Amhäufigstenbenutzt:C,Java,C++,PythonUnit1:Informatik- einÜberblick,Programmiertechnik1

aboutprogrammers.org

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TheoretischeInformatik

• AutomatentheorieundformaleSprachen– EndlicheAutomaten,fiktiveMaschinen

• endlicheMengeinternerZustände• „Eingabewort“ zeichenweiseeinlesen,ZustandsübergangbeijedemZeichen• BeiZustandsübergang„Ausgabesymbol“ ausgeben,Eingabewortakzeptieren

– AutomatenmitSpeicher• Kellerautomaten,Turingmaschine

– Church-Turing-These:alleberechenbarenFunktionendarstellbar– HalteproblemderTuring-Maschinenichtentscheidbar

• Berechenbarkeitstheorie– WelcheProblemesindmitMaschinenlösbar?

• Komplexitätstheorie– RessourcenbedarfvonalgorithmischbehandelbarenProblemenauf

verschiedenenmathematischdefiniertenformalenRechnermodellen– Speicherbedarf,Laufzeit,O(1),O(n),O(n3)


Turing-Maschine

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Turing-Maschine• Bestandteile:

– unendlichlangesSpeicherbandmitunendlichvielensequentiellangeordnetenFeldern• JedesFeldspeichertgenaueinZeichen• Blanksymbolbedeutet„leeresFeld“• BlanksymbolgehörtnichtzuderMengederEingabezeichen.

– programmgesteuerterLese- undSchreibkopf,dersichaufdemSpeicherbandfeldweisebewegtundZeichenverändert

• EingabeaufdemBandwirdnachProgrammmodifiziert– StartpositionistamAnfangdesEingabeworts– MankannbestimmteZuständealsEndzuständedefinieren

Turingmaschinebleibtdannstehen

• Arbeitsweise:– Lese-Schreib-KopfliestaktuellesZeichen,

• überschreibtdiesesmiteinemanderen(oderdemgleichen)Zeichen• bewegtsichdanneinFeldnachlinksoderrechtsoderbleibtstehen.

– WelchesZeichengeschriebenwirdundwelcheBewegungausgeführtwird,wirddurcheinezuderTuringmaschinegehörendeFunktiondefiniert

• ZuBeginnbefindetsichdieTuringmaschineineinemvorgegebenenStartzustandundgehtbeijedemSchrittineinenneuenZustandüber

• Turing-MaschinehatendlichvieleZustände


Turing-Maschine

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Beispielprogramm

• ProgrammschreibtaufinitialleeresBandzweiEinsen• FunktionderTuring-Maschineisttabellarischgegeben(Quelle:RosarioVanTulpe)


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AngewandteInformatik

• EinsatzvonRechnernimLeben– Textverarbeitung,Tabellenkalkulation– Email,online-banking,Web

• NeueAnwendungsgebietefürneueWerkzeuge– Smartphone,Organizer,Pablet-PCs– MobileLagerhaltung,intelligenterTerminkalender

• „Schnittstellen-Disziplin“ (bspw.Wirtschaftsinformatik)– ZuWirtschaftswissenschaften,Betriebswirtschaftslehre– AbbildungvonGeschäftsprozessen– BuchhaltunginrelationalenDatenbanksystemen– Enterprise-Resource-Planning-Systemen– InformationEngineering,Informationsmanagement


Transforming cutting-edge research into innovation!

SAPEntwicklung

Unternehmen

Forschung & Wissenschaf

t

Partner

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IT-SystemEngineeringInformatikamHPI

• BachelorofScience(6Semester)• MasterofScience(4Semester)• Doktorandenprogramm:

– Forschungskollegon„Service-OrientedSystemsEngineering“


Vertiefungsgebiete

•BusinessProcess&EnterpriseTechnologies•HumanComputerInteraction&ComputerGraphicsTechnology•Internet&SecurityTechnology•OperatingSystems&InformationSystemsTechnology•SoftwareArchitecture&ModelingTechnology

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9:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

Mo Di Mi Do Fr

ab 21.10.

Lehrveranstaltungen BachelorWintersemester 2017/18

(Vorlesungszeitraum 16.10.2017 - 09.02.2018)

Stand: Stand 10.08.20171. Sem. 3. Sem.

9.00 Uhr:

Internet Security –

Weak-nesses and Targets

MeinelGarwon

HS 2

Wirtschaft-liche

Grundlagen HölzleHS 1

Wirtschaft-liche

Grundlagen HölzleHS 1

D-School Advanced

Track

- Zu terminlichen und räumlichen Abweichungen an einzelnen Veranstaltungstagen beachten Sie bitte die HPI-Website (Lehrinhaltsbeschreibungen, Verlegungsplan) -

HPI - Kolloquium

HS 1

D-School Advanced

Track

Soft-Skills-Kolloquium

KrohnHS 1

D-School Basic Track

D-School Basic Track

5. Sem.

Software-architekturHirschfeld

HS 2

Web-Program-

mierung und Web-Frame-

worksMeine/Bauer

H-E.51

Mathematik I – Diskrete Strukturen und LogikMeinel/Tietz

HS 1Bitte HPI-Website beachten

Recht für Ingenieure II

Krohn HS 2

16.10/23.10/06.11/13.11/

20.11.

Fachspez. Englisch Level

2MeierA-1.2

Einführung in die Program-miertechnik I

PolzeHS 1

POIS (Prozess-orientierte Informat.-Systeme)

Weske HS 3

Übung Software-technik II (Raum nach Absprache)

Software-architekturHirschfeld

HS 2

Betriebs-systeme I

PolzeHS 3

Übung Theor. Inf. I

A-1.2

Übung Internet

Security -Weaknesses and Targets

H E.51

Übung Mathe I

A-1.2 A-1.1

ÜbungMod I

A-2.1

Fachspez. Englisch Level 1MeierA-1.2

Betriebs-systeme I

PolzeHS 3

Freiwillige Übung

Grundlagen digitaler SystemeWollowski

HS 1

Einführung in das Design Thinking Siehe web seite d school

Weinberg/Nicolai D-School

Projektentwicklung und Management Durchgänge: Göttel

05./06./07.Mrz;08./09./10.Mrz; 12./13./14.Mrz. 2018 H E.51

Durchgänge: Schmitz/Kulesza05./06./14.Mrz;07./08./15.Mrz;09./10./16.Mrz;

A 1.1 (Zuordnungen und Räume s. auch HPI-Website)

Big Data Analytics

MüllerHS 2

Software-technik II

UflackerHS 3

Software-technik II

UflackerHS 3

ÜbungModel-

lierung I

A 1.1

Übung Internet


H E.51

HCI Project Seminar on Robotics,

Haptics, and 3D PrintingBaudisch H-2.57

Grafikpro-grammierung mit OpenGL

und C++ Döllner,

Limberger, Buschmann

H 2.57

Sonder-termineRecht für Ing.

IIKrohn HS 2

23.11.201730.11.201707.12.201714.12.2017

Big Data Analytics

MüllerHS 2

Theoretische Informatik I

FriedrichHS 2

Programmier-sprachen:

Entwurf und Implementierung

HirschfeldA 1.1

POIS (Prozess-orientierte Informat.-Systeme)Weske HS 2

Einführung in die Program-miertechnik I

PolzeHS 1

Modellierung IGieseHS 1

Algorithmic Problem SolvingFriedrich/Lenzner

HS 2

Übung Modellie-

rung IH 2.58

Übung Mathematik I

A-1.2A-1.1


HS 1

Übung Theoret.

Informatik IA-1.1A-1.2

3D-Computer-grafik ITrappHS 2

Überzeugend Präsentieren – Der erste Eindruck zählt (Einsteiger)

Dieball27./28.Feb; 20./11.Feb. 2018

A-1.1

Lerntechniken und Strategien zur Prüfungsvorbereitung

Potzner15.-17.Mrz 2018

A-1.1

Modellierung IGieseHS 1

Mathematik I – Diskrete

Strukturen und Logik

Meinel/TietzHS 1

Bitte HPI-Website beachten


HS 1

3D-Computer-grafik ITrapp HS 2

InformationVisualization

Techniques for Industry 4.0

Döllner, Hagedorn,

Klimke A 2.1

Übung Modellierung I

A-2.1Und A-2.2

Übung PT IA-2.2

Studienbe-gleitendes SeminarH 2.58H-E.52A 1.1

Business Process

SimulationWeske/ Pufahl

A 2.2

Business Process

SimulationWeske/ Pufahl

A 2.2

Building Physical Devices Baudisch H 2.57

Übung Theoretische Informatik I

A-1.2

Datenbank-systeme II

NaumannHS 2

Datenbank-systeme II

NaumannHS 3

Beautiful Data

Naumann G 3.E 15/16

Big Data SecurityAnalytics

ChengH-2.57

Identitäts-managementMeinel/Tietz

A-1.1

Test-Driven Learning

AssignmentMeinel/StaubitzH-2.57

Graphen-theorie

Friedrich, Lagodzinski

A-1.2

Studienbe-gleitendes Seminar

A 2.1A 1.1A 2.2

Building Physical Devices Baudisch H 2.57

Übung Theor. Inf. I

A-2.2.

Übung PT I

A-1.1A-1.2A-2.1

ÜbungMod I

A-1.1

Übung PT I

A-2.1.

Studien-begleitendes

Seminar

A-2.2

Übung Internet


H E.51

LehreindiesemSemester


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LehreindiesemSemester


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AblaufProgrammiertechnik1

• Vorlesung:– Di13:30-15:00,HS1– Do09:15-10:45,HS1

• Übung:– Zweiwöchentlich,Do09:15-10:45– Übungsgruppenbilden(2Mitglieder)– Übungsaufgaben

• 50%derPunktejederAufgabenseriemüssenzurPrüfungszulassungerreichtwerden(einAufgabenblattdarfignoriertwerden)

• Aufgabenabgabesystem:https://www.dcl.hpi.uni-potsdam.de/submit/(AnmeldungmitHPI-NutzerkontoundHPI-OpenID-Provider)

• Prüfung:– KlausuramSemesterende


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Kursziele

• Ziel:Erwerb/VertiefungderFertigkeitenzurProgrammentwicklung(Programmierung)

• ErlernenvonFertigkeit(nachWikipedia):– nichtnurabhängigvonBegabung/Talenten,sondernauchÜbung– bereitsErlerntem(Kenntnisse,Erfahrungen,Reife,Kompetenz)– weitereninnerenVoraussetzungen(Motivation,Wille)

• KonkreteZiele:Verinnerlichungvon– KonzeptenderstrukturiertenProgrammierung– BegriffdesabstraktenDatentyps– UmgangmitProgrammierwerkzeugen– SyntaxundSemantikvonC,PrologundJava


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Literatur

• BrianW.Kernighan,DennisM.RitchieTheCProgrammingLanguage,PrenticeHall,1988

• AxelT.SchreinerSystemProgrammierunginUNIX,Band1,Teubner-VerlagStuttgart,1986.

• Gumm,SommerEinführungindieInformatik.OldenburgVerlag,2004

• Barnes,MichaelKöllingObjectsFirstwithJava- APracticalIntroductionusingBlueJ.PrenticeHall,2004

• BroyInformatik- EinegrundlegendeEinführung.Band1,Springer1998

• BalzertLehrbuchGrundlagenderInformatik.Elsevier2005


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InhaltderLehrveranstaltung

• Unit1:InformatikalsFachgebiet– TechnischeInformatik– TheoretischeInformatik– PraktischeInformatik– AngewandteInformatik– StudiumamHPI,EinordnungderLV– Bits,Bytes,Worte,Dateien– Informationvs.Daten– topdownvs.bottomup

• Unit2:Rechnerarchitektur– Aussagenlogik– Schaltnetze,Schaltwerke– Register– vonNeumannRechner– CPU,ALU,CU– Instruktionsverarbeitung– OpCode-Formate,RTL– Instruktionsarten– Ein- undAusgabe


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InhaltderLehrveranstaltung(contd.)

• Unit3:Informationsdarstellung– UniversalitätbinärerDaten– Abtasttheorem– ganzeZahlen– 1erKomplement,2erKomplement– Gleitkommaformate– ASCII,EBCDIC– Unicode

– Unit4:Programmiersprachen– Spezifikation,Algorithmen,Programme– ImperativeProgrammierung:

• Modula-2,C– ObjektorientierteProgrammierung:

• Smalltalk,C++,Objective-C,Java– Logische&FunktionaleProgrammierung:

• Prolog,Lisp– FormaleBeschreibungvonProgrammiersprachen:EBNF– EinerstesBeispielinC


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• Unit5:WerkzeugeundTechnologien– Interpreter,Compiler– Technologieprogramme:make– Quellcodeverwaltung:sccs,cvs,subversion,git– Debugger:gdb– Test:Check,CUnit– Betriebssysteme

• Unit6:ProgrammierspracheC– IntegraleDatentypen– Operatoren– Ausdrücke– Typdefinitionen– Vorrangregeln


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• Unit7:Kontrollfluss– AnweisungenundBlöcke– if-else,else-if,switch– Schleifen:whileandfor,do-while,breakandcontinue– gotoandlabels

• Unit8:FunktionenundProgrammstruktur– Grundlagen,PrinzipFunktionsaufruf,Stack– call-by-value,call-by-ref,call-by-copy– Rückgabewerte– externeVariablen,Scope– headerfilesundÜbersetzungseinheiten– Initialisierung– Rekursion– CPräprozessor


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• Unit9:ZeigerundFelder– HeapundStack– ZeigerundAdressen,ZeigerundFunktionen(-argumente)– ZeigerundArrays,Adreßarithmetik

– Beispiel:mallocundAlgorithmenzurSpeicherallokation– MehrdimensionaleFelder– InitialisierungvonFeldern– Kommandzeilenbearbeitung– Funktionszeiger– KomplizierteDeklarationen

– Unit10:Strukturen– Grundlagen– StrukturenundFunktionen– FeldervonStrukturen– ZeigeraufStrukturen– SelbstreferentielleStrukturen– Unions,typedefs,bit-fields– Objekte


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• Unit11:Ein- undAusgabe(libc)– StandardEin- undAusgabe– stdio– FormatierteAusgabe– printf– ArgumentlistenvariablerLänge– varargs– FormatierteEingabe– scanf– Dateizugriff- Fehlerbehandlung– stderrundexit– ZeilenweiseEin- undAusgabe– WeitereFunktionen

• Unit12:Betriebssystemschnittstellen– filedescriptors– low-levelI/O– readandwrite– open,creat,close,unlink– lseek– Standardlibrary


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• Unit13:ObjektorientierteProgrammierung:Java– VirtuelleMaschinen– Klassen,Objekte,abstrakteDatentypen– Vererbung,virtuelleMethoden– Pakete,Programmeinheiten– Ausnahmebehandlung

• Unit14:LogischeProgrammierung:Prolog(gprolog)– BoolescheLogik– ClosedWorldAssumption– Fakten,Prädikate– Regeln– Listen


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InformationundDaten

• TrennungzwischenäußererDarstellungeinerNachrichtunddemInhaltderNachricht– „Esregnet“– «Дождьидёт»– 下雨

• InformationnennenwirdenabstraktenGehalt(„Bedeutungsinhalt“,„Semantik“)einesDokuments,einerAussage,Beschreibung,Anweisung,NachrichtoderMitteilung.

• DieäußereFormderDarstellungnennenwirdieRepräsentation(konkreteFormderNachricht).


AndreasPolze 35

WastuteigentlicheinComputer?

• FüllevonAnwendungen(aufzählen)– Wettervorhersage– Steuerungssysteme– Schachspiel– Musik,Kinoeffekte

• WiemachteinComputerdas?– WiewirddasSchachspielbedient?– WieistdasProgrammaufgebaut?– WiesinddieInformationenzumSpielstandgespeichert?

(imHauptspeicher,aufderFestplatte)– WiesindNullenundEinseninSpeicherzellenorganisiert?– WelcheelektrischenSignalebeeinflussenTransistorenundWiderständeausdenen

ProzessorundSpeicheraufgebautsind?

• Festlegenauf_eine_Erklärungsebene– Null/Eins– niedrigsteEbenederInformationsverarbeitung– Informationen==Daten


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DarstellungvonInformationen

• VieleFormenderRepräsentation– verabredeteZeichen(„Signale“)– gesprochenesWort(„akustischeDarstellung“)– taktileReize,Wärmewahrnehmung– Zeichnungen– Zeichenfolgen(geschriebenes„Wort“,„Text“)

• Den(häufignurgedanklichen)ÜbergangvonderRepräsentationzurabstraktenInformation,dieDeutungderRepräsentation,nennenwirInterpretation.

• ProzessderInterpretationimGehirn:Verstehen– formalschwierigerfassbar– deshalb:mathematisch-logischeSichtbegnügtsichmitderAbbildungder

RepräsentationaufmathematischesModell– VerständnisdesModellsmussunabhängigerworbenwerden


Information

Daten

Repräsentation Abstraktion

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Bits

• kleinstmöglicheEinheitderInformation• AntwortaufFrage,diezweiMöglichkeitenzulässt

– jaodernein– wahroderfalsch– schwarzoderweiß– helloderdunkel– linksoderrechts

• KodierungderInformation:– FestlegungeinerRepräsentation(einesCodes)– DarstellungvonBits:Binärcode– ZweiZeichen:oft0und1(auch:0undL)

• RepräsentationimComputer:oftdurchLadungen– 0=ungeladen,1=geladen– 0=0Volt,1=5Volt– 0=unmagnetisiert,1=magnetisiert


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Bitfolgen

• RepräsentationvonmehralszweiAntworten:mehrereBits– AuswelcherHimmelsrichtung(Ost,Süd,Nord,West)wehtderWind?– 1.WehtderWindauseinerderRichtungenNordoderOst(ja/nein)?– 2.WehtderWindauseinerderRichtungenWestoderOst(ja/nein)?– 00:Süd,01:West,10:Nord,11:Ost

• MitjedemBitverdoppeltsichdieZahlderAntworten– 3Bits:WindrichtungmitZwischenrichtungen– 000=Süd,001=Südwest,010=West,011=Nordwest,– 100=Nord,101=Nordost,110=Ost,111=Südost– Esgibtgenau2n möglicheBitfolgenderLängen


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Hexziffern

• LangeBitfolgenfürdenMenschenschwererfassbar– Konvention:BitfolgenwerdenzuVierergruppenzusammengefasst

• Statt0100111101100001kannmandann4F61schreiben• 1AF3=6899:

– 1*163 +A*162 +F*161 +3*160

– 1*4096+10*256+15*16+3


0000=0 0001=1 0010=2 0011=3

0100=4 0101=5 0110=6 0111=7

1000=8 1001=9 1010=A 1011=B

1100=C 1101=D 1110=E 1111=F

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Allgemein:ZahlendarstellungineinemPositionssystem

• VerallgemeinerungdesDezimalsystems• ZahlensystemzurBasisN:

– NZiffernmitWertenvon0..N-1– Ziffer:SymbolauseinerSymbolmenge

• Seiamam-1am-2...a2a1a0 eineZiffernfolgezurBasisN,dannistdiedurchdieZiffernfolgedargestellteZahl:am Nm+am-1Nm-1+am-2Nm-2+...+a2 N2+a1 N+a0

• Problem:– DarstellungvonZahlenmitverschiedenerBasisineiner

Programmiersprache– 0xF8(HexinC),21h(HexinModula-2),077(OktalinC)– DarstellungmitunteremIndex9710 =6116 =011000012


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ÜblichePositionssysteme

• Dezimalsystem:– Basis10,Ziffern0,1,2,3,4,5,6,7,8,9

• Binärsystem:– Basis2,Ziffern0,1

• Oktalsystem:– Basis8,Ziffern0,1,2,3,4,5,6,7

• Hexadezimalsystem:– Basis16,Ziffern0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F– oftstattGroßbuchstabenauchKleinbuchstabenverwendet


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BytesundWorte

• RechnerverarbeitenBitsimmerinGruppen:– üblicheGruppengröße:8Bits,16Bits,32Bits,64Bits– heutzutageüblicherweiseVielfachevon8

• Byte:Zusammenfassungvon8Bit– exakteBegriffsdefinitionvariiert– C-Standard:„Byte“ ==„Datenmenge,dieinWertvonTypchargespeichert

wird“– ZurKlarstellungwirdauchderBegriff„Oktett“ (octet)verwendet

• Worte:„Natürliche“ GruppierungvonBitsimRechner– Historisch(16-Bit-Rechner):Wort=2Byte,Doppelwort=4Byte,– Quadwort=8Byte

• Begriffsdefinitionstarkuneinheitlich;– aufeinem32-Bit-Rechnermeintmanoftmit„Wort“ 4Byte(Halbwort:2Byte)


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Dateien

• FolgenvonBytesaufeinemSpeichermedium– (Festplatte,CD-ROM,USB-Stick...)– „Folge“ nurimeinfachsten(weitverbreitetem)Fall– FlexiblereGruppierunganstellesequentiellerFolgenmöglich

(Records,Blöcke,Index-sequentiellerZugriff)

• OrganisationvonmehrerenDateienineinemComputerüblicherweisedurchhierarchischeDateinamen

• InterpretationdesInhaltseinerDateidurchProgrammoderNutzer– ErkennungderArtderDatendurchNamenskonventionen(etwa:

Dateinamensanhänge)oderDateiformat(FestlegungspezifischerBytesetwaamDateianfang)


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Dateigrößen

• Üblich:ZählungderBytes„in“ einerDatei– ohneZählungderBytesinDateinamenundsonstigenDateiattributen

• AbkürzungBfürBytes:245B• GroßeZahlen(z.B.:460146819B)schlechthandhabbar

– Lösungsidee:metrischesSystem(kB=1000B,MB=1000000B)

• Aber:SpeicheristoftinZweierpotenzenorganisiert– SektorgrößeaufFestplatten:512B– GrößeeinesmodernenSpeichermoduls:1073741824B


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Dateigrößen(contd.)

• Lösung:210 =1024≈1000=103

• EinheitenpräfixeähnlichdemmetrischenSystem– 210 =1024=k=kilo (ki=kibi)– 220=1024*1024=M=mega (Mi=Mebi)– 230 =1024*1024*1024=G=giga (Gi=Gibi)– 240 =1024*1024*1024*1024=T=tera (Ti=Tebi)– 250 =1024*1024*1024*1024*1024=P=peta (Pi=Pebi)– 260 =1024*1024*1024*1024*1024*1024=E=Exa (Ei=Exbi)

• DiemathematischfalscheVerwendungistnachwievorüblich– kBalswirdKilobyteausgesprochenundals1024Byteverstanden– Wirdmanchmalauchmetrischrichtigverwendet(etwabeiFestplattengrößen:1GBdann

109B)

• DieIEC(InternationalElectrotechnicalCommission)schlug1996vor,diezweierpotenz-basiertenGrößenordnungenmiteinem„i“ zukennzeichnen

– Verwendung:kiB(Kibibyte),MiB(Mebibyte),GiB(Gibibyte)(AddendumzuIEC60027-2)


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GängigeGrößenordnungen

AnhaltspunktefürdasSpeichernvonDatenaufGeräten:– 200B -Textnotiz– 4kB - dafürbenötigterFestplattenplatz– 100kB - formatierterBrief,Excel-Datei,pdf-Dokument– 1,4MB - KapazitäteinerDiskette– 4MB - Musiktitelimmp3-Format,WindowsProgramm– 40MB - Musiktitelimwav-Format– 700MB - CD-ROMKapazität– 4GB - HauptspeicherimPC,DVD– 16GB - USBStick,SD-Karte– 25GB - Blu-rayDisc(dual-layer:50GB)– 2TB - aktuelleFestplatte

• Komprimierung?,Codierung?


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Ausblick

• DarstellungspeziellerInformationen– Zahlen– Text– Programme– BilderundMusik


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Topdownvs.Bottomup

• Top-down:– EntwurfbeginntmitabstrahiertenObjekten,diedannkonkretisiertwerden– Spezifikation,Modell,abstrakteBeschreibung– SchrittweiseVerfeinerung– Codierung,Test

Versus• Bottom-up:

– EswirdvonDetail-Aufgabenausgegangen,diezurErledigungübergeordneterProzessebenötigtwerden

– Proof-of-concept– SchrittweiseVerallgemeinerung

• RisikodesScheiterns


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Zusammenfassung

• WasistInformatik?– Algorithmenbegriff– TechnischeInformatik– TheoretischeInformatik– PraktischeInformatik– AngewandteInformatik

• StudiumamHPI– FokusSoftwaretechnik– EinordnungderLehrveranstaltung

• Informationsverarbeitung– Bits,Bytes,Worte,Dateien– Informationvs.Daten– Topdownvs.bottomup


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Programmiertechnik 1 - dcl.hpi.uni-potsdam.de · Andreas Polze 4 Definition der Gesellschaft für Informatik • Informatik ist die Wissenschaft von der systematischen und automatisierten