Summary
Zusammenfassung Grundlagen der Automatischen Informationsverarbeitung
- Course
- Institution
Zusammenfassung Grundlagen der Automatischen Informationsverarbeitung
[Show more]
Seller
Follow
owil
Content preview
GRUNDLAGEN DER AUTOMATISCHEN INFORMATIONSVERARBEITUNGI 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
The benefits of buying summaries with Stuvia:
Guaranteed quality through customer reviews
Stuvia customers have reviewed more than 700,000 summaries. This how you know that you are buying the best documents.
Quick and easy check-out
You can quickly pay through credit card or Stuvia-credit for the summaries. There is no membership needed.
Focus on what matters
Your fellow students write the study notes themselves, which is why the documents are always reliable and up-to-date. This ensures you quickly get to the core!
Frequently asked questions
What do I get when I buy this document?
You get a PDF, available immediately after your purchase. The purchased document is accessible anytime, anywhere and indefinitely through your profile.
Satisfaction guarantee: how does it work?
Our satisfaction guarantee ensures that you always find a study document that suits you well. You fill out a form, and our customer service team takes care of the rest.
Who am I buying these notes from?
Stuvia is a marketplace, so you are not buying this document from us, but from seller owil. Stuvia facilitates payment to the seller.
Will I be stuck with a subscription?
No, you only buy these notes for $6.47. You're not tied to anything after your purchase.
Can Stuvia be trusted?
4.6 stars on Google & Trustpilot (+1000 reviews)
67096 documents were sold in the last 30 days
Founded in 2010, the go-to place to buy study notes for 14 years now