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Grundkurs Informatik 11 (D.Wolff)Kurshalbjahr 11/I
19.02.2013 1
Gliederung
1. Wissenschaft Informatik
2. Modularisierung
3. Grundstrukturen
6. Kommunikation in Netzen
4. Datenstrukturen
Gliederung
5. iterative & rek. Algorithmen
Grundkurs Informatik 11 (D.Wolff)Kurshalbjahr 11/I
19.02.2013 2
1. Wissenschaft Informatik1.1. Informatik, Information, Daten
1.2. Teilgebiete der Informatik
2. Modularisierung2.1. Grundprinzip
2.2. Parameterfreie Module
2.3. Module mit Parametern
2.4. Zusammenfassung
2.5. Funktionen
Gliederung
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19.02.2013 3
Gliederung
3. Grundstrukturen
6. Kommunikation in Netzen
4. Datenstrukturen4.1. Grundlagen
4.2. Array (Feld)
4.3. Record (Verbund)
4.4. Zusammenfassung
5. iterative & rek. Algorithmen
4.5. Höhere Datentypen
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19.02.2013 4
1.1. Informatik – Information - Daten
Wissenschaft Informatik | Gliederung
1. Wissenschaft Informatik
"computer science
Informatik ist ein Kunstwort aus Information und Automatik. Es ist die wissenschaftliche Lehre von der Informationsverarbeitung mit Hilfe von Computern. …"1
1 ITWissen, Das große Online-Lexikon für Informationstechnologie: Informatik.URL: http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Informatik-computer-science.html [Stand: 03.09.2012]
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19.02.2013 5
Wissenschaft Informatik | Gliederung
Automatische Informationsverarbeitung
InformationDatenInterpretation
Repräsentation
Analoge DatenDigitale Daten
im Allgemeinen alsbinär digitale Daten
1. Wissenschaft Informatik
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19.02.2013 6
Positionssysteme
Wissenschaft Informatik | Gliederung
Allgemeine Darstellung zn*bn+…+z2*b2+z1*b1+z0*b0
Dezimalsystem: Basis b = 1010 Ziffern (0, 1, 2, … , 9)
Dualsystem: Basis b = 22 Ziffern (0, 1)
Hexadezimalsystem: Basis b = 1616 Ziffern (0, 1, 2, … , 9, A, B, C, D, E, F)
Beispiel:42dez = 101010dual = 2Ahex
4*101+2*100 1*25+0*24+1*23+0*22+1*21+0*20 2*161+10*160
1. Wissenschaft Informatik
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19.02.2013 7
1.2. Teilgebiete der Informatik
1. Wissenschaft Informatik
Wissenschaft Informatik | Gliederung
1.2.1 Theoretische Informatik
Formale Methoden und mathematische Modelle fürFormulierung und Untersuchung von Algorithmen
Rechnerkonstruktion
Berechenbarkeit (Bsp: Halteproblem)Komplexität und Effizienz (Bsp: Potenzberechnung)
QUELLE: http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Architektur-der-informatik.png [20.09.2007]
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19.02.2013 8 1. Wissenschaft Informatik
Wissenschaft Informatik | Gliederung
1.2.2. Technische Informatik
Funktioneller Aufbau von Computern und peripheren Geräten
Prozessor (Rechen- und Steuerwerk) Interner Speicher/Arbeitsspeicher (ROM)Ein- und Ausgabegeräte (Tastatur, Maus, Monitor,
Drucker, Laufwerke/externe Speicher)Bussysteme
Logischer Aufbau von Geräten und Schaltungen (Hardware)
Von-Neumann-RechnerLogische Grundschaltungen
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19.02.2013 9 1. Wissenschaft Informatik
Wissenschaft Informatik | Gliederung
Logischer Aufbau von Geräten und Schaltungen (Hardware)
Von-Neumann-RechnerLogische Grundschaltungen
E1 E2 Ergebnis Übertrag
0 0 0 0
0 1 1 0
1 0 1 0
1 1 0 1
Binäre AdditionDezimal Binär
128 64 32 16 8 4 2 1
S1 1 2 3 0 1 1 1 1 0 1 1
S2 8 9 0 1 0 1 1 0 0 1
Ü 1 1 1 1 1 1 1 1
Erg 2 1 2 1 1 0 1 0 1 0 0
Dezimal Binär128 64 32 16 8 4 2 1
S1 1 2 3 0 1 1 1 1 0 1 1
S2 8 9 0 1 0 1 1 0 0 1
Ü 1 1
Erg 2 1 2
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19.02.2013 10
Logische Grundschaltungen
1. Wissenschaft Informatik
Wissenschaft Informatik | Gliederung
&E1
E2
A
E1 E2 A
0 0 10 1 11 0 11 1 04 Transistoren
NAND - Glied
&E1
E2
A
E1 E2 A
0 0 00 1 01 0 01 1 18(6) Transistoren
AND - Glied
³1E1
E2
A
E1 E2 A
0 0 00 1 11 0 11 1 18(6) Transistoren
OR - Glied
³1E1
E2
A
E1 E2 A
0 0 10 1 01 0 01 1 04 Transistoren
NOR - Glied
&E A
1E A
E A
0 11 02 Transistoren
NOT - Glied
E1 E2 Erg Ü
0 0 0 0
0 1 1 0
1 0 1 0
1 1 0 1
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19.02.2013 11 1. Wissenschaft Informatik
Wissenschaft Informatik | Gliederung
&E1
E2
A
E1 E2 A
0 0 00 1 01 0 01 1 18(6) Transistoren
AND - GliedE1 E2 Erg Ü
0 0 0 0
0 1 1 0
1 0 1 0
1 1 0 1
E1 E2 AND NAND OR NOR … ???
0 0 0 1 0 1 … 0
0 1 0 1 1 0 … 1
1 0 0 1 1 0 … 1
1 1 1 0 1 0 … 0
Bei zwei Eingängen sind insgesamt 16 logische Schaltungen möglich!
Additions-ergebnis:
XOR
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19.02.2013 12
Binäre Addition
1. Wissenschaft Informatik
Wissenschaft Informatik | Gliederung
E1 E2 Ergebnis Übertrag
0 0 0 0
0 1 1 0
1 0 1 0
1 1 0 1
=1E1
&E2
A2 (Übertrag)
AND
XOR
A1 (Ergebnis)
Umsetzung über logische Grundschaltungen(Halbadder)
VolladderAddition zwei einstelliger (…!) Binärzahlenmit einlaufendem Übertrag
WIKIPEDIA, Die freie Enzyklopädie: Volladdierer,2010.URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Volladder [Stand: 09.09.2010]
Die Abbildung wurde an der angegebenen Stelle unter der Lizenz„Creative Commons Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen Deutschland“in Version 2.0 (abgekürzt „CC-by-sa 2.0/de“) veröffentlicht. (siehe Seite Lizenzbedingungen dieser Präsentation)
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19.02.2013 13 1. Wissenschaft Informatik
Wissenschaft Informatik | Gliederung
1.2.3. Praktische Informatik
Lösung von konkreten Problemen der Informatik, wie Entwicklung von
BetriebssystemenTreibern für periphere GeräteProgrammiersprachen und entsprechenden CompilernSoftware inclusive der Implementierung (Programmierung)
1.2.4. Angewandte Informatik
beschäftigt sich mit Anwendungen von Methoden der Kerninformatik in anderen Wissenschafts- und Gesellschafts- bereichen wie Wirtschafts-, Bio-, Chemo-, Medien- oder Geoinformatik sowie Computerlinguistik
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19.02.2013 14
2.1. Grundprinzip
2. Modularisierung
Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
"Modularisierung ist ein allgemeines Prinzip aus den Ingenieurwissenschaften und dient insbesondere der Erzeugung überschaubarer Systeme, deren Komponen-ten unter Umständen auch in anderen Systemen wieder verwendet werden können."1
1) Hartmut Härtl:SoftwareEngineering,2006.URL: http://oszhdl.be.schule.de/gymnasium/faecher/informatik/softwareprojekte/prinzipien.htm [Stand: 04.10.2007]
Problem / Aufgabenstellung
Teilproblem 1 Teilproblem 2 Teilproblem n…
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19.02.2013 15 2. Modularisierung
Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
"Auf die Softwareentwicklung angewandt fordert dieses Prinzip die Aufteilung des Systems in überschaubare Teile, mit klar definierten Schnittstellen."1
1) Hartmut Härtl:SoftwareEngineering,2006.URL: http://oszhdl.be.schule.de/gymnasium/faecher/informatik/softwareprojekte/prinzipien.htm [Stand: 04.10.2007]
Modul 1INTERFACE
IMPLEMEN-TATION
Modul 2INTERFACE
IMPLEMEN-TATION
Modul 3INTERFACE
IMPLEMEN-TATION
Schnittstelle Interface
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19.02.2013 16
2.2. Parameterfreie Module
2. Modularisierung
Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
procedure TFStart.Bu… begin
eingabe; …
ausgabeend.
procedure TFStart.eingabe;begin z1 := StrToInt ( EdZahl1.Text );
z2 := StrToInt ( EdZahl2.Text ) end.
…
procedure TFStart.ausgabebegin EdErgebnis.Text := IntToStr ( erg )end.
Implementationvar z1 , z2 , erg : integer; Globale Variable
(bezüglich dieser Unit!)
Aufruf der Module
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19.02.2013 17
2.3. Module mit Parametern
2. Modularisierung
Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
procedure TFStart.Bu… Var z1 , z2 : integer;begin
…eingabe(z1 , EDZahl1);eingabe(z2 , EDZahl2)
…end.
procedure eingabe ( var was:integer ; woher:TEdit )begin was := StrToInt ( woher.Text );end.
Aufruf der Module
Umsetzung der Module
Um eine Kommunikation der Moduleuntereinander zu ermöglichen, müssen diese Schnittstellen besitzen, damit sie Daten austauschen können.
Dies wird über Parameter realisiert!
Damit können die Module gleichzeitig vom Programm unabhängig werden.
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19.02.2013 18 2. Modularisierung
Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
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19.02.2013 19
2.4. Zusammenfassung
2. Modularisierung
Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
Module bieten eine Kapselung (encapsulation) durch die Trennung von Schnittstelle (Interface) und Implementierung:
Die Schnittstelle eines Moduls definiert die Datenelemente, dieals Eingabe und Ergebnis der Verarbeitung durch das Modul benötigt werden. Die Implementierung enthält den tatsächlichen Programmcode.
ParameterlisteINTERFACE
IMPLEMEN-TIERUNG
lokale VariableProgrammcode (Quelltext) des Moduls
Variablen-parameter
Wert-parameter
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19.02.2013 20 2. Modularisierung
Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
Keine Wiederverwendbarkeit!
Wiederverwendbarkeit möglich!
Modularisierung
ohne Parameter mit Parameter
programmabhängigeModule
reine Programm-
strukturierung
programmunabhängigeModule
Programm-strukturierungund Kapselung
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19.02.2013 21
2.5. Funktionen
2. Modularisierung
Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
function name ( … ) : Ergebnistyp
……result := Ergebniswert
INTERFACE
IMPLEMENTATION
Umsetzung als Funktion
Häufig liefern Module genau einen Ergebniswert zurück und entsprechen somit dem aus der Mathematik bekannten Funktionsbegriff y = f ( a , b , … ). Derartige Module lassen sich in DELPHI als Prozedur mit einem Variablenparameter oder auch als Funktion mit reiner Wertparameterliste umsetzen.
Aufruf: ergebnisvariable := name ( … );
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19.02.2013 22 2. Modularisierung
Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
function eingabe (woher:TEdit) : integer;var wert : integer;begin wert := StrToInt ( woher.Text );
result := wertend.
function summe(wert1,wert2 : integer) : integer; var summe : integer;begin summe := wert1 + wert2;
result := summeend.
procedure ausgabe(wert:integer ; wohin:TEdit);begin wohin.Text := IntToStr ( wert )end.
Aufruf der Module:
Beispiel für den Einsatz von Funktionen
procedure TFStart.Bu… var z1,z2,erg : integer;begin
z1 := eingabe(EdZahl1);z2 := eingabe(EdZahl2);
erg := summe(z1,z2);ausgabe(erg,EdErgebnis)
end.
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19.02.2013 23
3. Grundstrukturen
3. Grundstrukturen
Grundstrukturen | Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
SEQUENZ
ALTERNATIVE (BEDINGUNG)zweiseitige Alternativeeinseitige Alternativemehrseitige Alternative
ZYKLUS (SCHLEIFE)
WiederholzyklusSolangezyklus
Zählzyklus Genaueres in „Grundstrukturen.pptx“(Dateien müssen sich im selben Ordner befinden!)
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19.02.2013 24
4.1. Grundlagen
4. Datenstrukturen
Datenstrukturen | Grundstrukturen | Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
Zur Umsetzung gefundener Algorithmen benötigt man neben der Algorithmenstruktur auch eine dem Problem entsprechende Datenstruktur (Von uns bisher als Variablentyp bezeichnet!).
"In der Informatik ist eine Datenstruktur ein mathematisches Objekt zur Speicherung von Daten. Es handelt sich um eine Struktur, weil die Daten in einer bestimmten Art und Weise angeordnet und verknüpft werden."1
1) WIKIPEDIA,Die freie Enzyklopädie:Datenstruktur,2007.URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Datenstruktur [Stand: 01.01.2008]
Dabei lassen sich viele Probleme mit den elementaren Datentypen (integer, real, char, boolean, …) nicht bzw. nicht effektiv lösen.
PROBLEMDATENSTRUKTUR
ALGORITHMENSTRUKTUR
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19.02.2013 25
4.2. Array/ Feld
4. Datenstrukturen
Datenstrukturen | Grundstrukturen | Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
In einem Array lassen sich mehrere Werte identischer Typen (Zahlen, Zeichen, logische Werte,…) speichern. Der Zugriff auf die einzelnen Werte wird über Indizes realisiert. Beispiel: mehrmaliges Würfeln, bei dem die Anzahlen der gewürfelten
Augenzahlen gezählt werden
über elementare Datentypen sechs Variablen eins .. sechs
über Array eine Variable feld
eins zwei drei vier fuenf sechs
feld
feld[3]feld[1] feld[2] feld[6]feld[4] feld[5]
TYPE TWuerfel = ARRAY [1..6] OF integer; VAR feld = TWuerfel;
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19.02.2013 26 4. Datenstrukturen
Datenstrukturen | Grundstrukturen | Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
Arrays lassen sich auch über mehrere Dimensionen vereinbaren.
"Im eindimensionalen Fall wird das Array häufig als Vektor und im zweidimensionalen Fall als Tabelle oder Matrix bezeichnet. Arrays sind aber keinesfalls nur auf zwei Dimensionen beschränkt, sondern werden beliebig mehrdimensional verwendet. "1
1) WIKIPEDIA,Die freie Enzyklopädie:Datenstruktur,2007.URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Datenstruktur [Stand: 01.01.2008]
Beispiel: zweidimensionales Array für Texte
TYPE TTabelle = ARRAY [1..3,1..10] OF string; VAR feld = TTabelle;
feld feld[3,2]
… … …
feld[2,1]1
1
2
2
10
3
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19.02.2013 27
Strukturierte Komponente StringGrid
4. Datenstrukturen
Datenstrukturen | Grundstrukturen | Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
Um eine effektive Ausgabe der in strukturierten Variablen abgelegten Daten zu ermöglichen, bietet DELPHI die strukturierte Komponente StringGrid in der Komponentenpalette Zusätzlich an.
Ausgewählte Attribute:
ColCountSpaltenzahl (gesamt)
DefaultColWidthSpaltenbreite (Standard)
DefaultRowHeigthZeilenhöhe (Standard)
FixedColsAnzahl der "Kopfspalten"
FixedRowsAnzahl der "Kopfzeilen"
RowCountZeilenzahl (gesamt)
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19.02.2013 28
4.3. Record (Verbund)
4. Datenstrukturen
Datenstrukturen | Grundstrukturen | Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
In einem Record lassen sich im Unterschied zum Array mehrere Werte verschiedener Typen (Zahlen, Zeichen, logische Werte,…) speichern. Der Zugriff auf die einzelnen Werte wird über die Komponentennamen des Records realisiert.
Beispiel: Personendaten
Nachname Vorname Groesse verheiratet …Komponenten-name
Müller Max 1,78 nein …Inhalt(Beispiel)
string string real boolean …Komponenten-typ
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19.02.2013 29 4. Datenstrukturen
Datenstrukturen | Grundstrukturen | Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
Die Typ- und Variablenvereinbarung hätte im genannten Beispiel folgendes Aussehen:
TYPE TPerson = RECORDnachname : string;vorname : string;groesse : real;verheiratet : boolean;
END;
DELPHI (Personendaten):
VAR person : TPerson;
Der Zugriff auf die Komponenten erfolgt durch Punktnotation:
Beispiel: person.vorname := 'Max';
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19.02.2013 30
4.4. Zusammenfassung
4. Datenstrukturen
Datenstrukturen | Grundstrukturen | Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
Datentypen
Dynamische Typen müssen nicht vor der Laufzeit festliegen
Statische Typen müssen vor der Laufzeit festliegen
Einfache Typen Strukturierte Typen
Kontinuier-liche Typen (REAL)
DiskreteTypen (BYTE, INTEGER,CHAR,BOOLEAN)
Feldtyp (ARRAY)IdentischeKomponenten-typen
Verbundtyp (RECORD)VerschiedeneKomponenten-typen
DIESE ÜBERSICHT IST NICHT VOLLSTÄNDIG!
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19.02.2013 31
4.5. Höhere Datentypen
4. Datenstrukturen
Datenstrukturen | Grundstrukturen | Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
Dynamische Typen Datenteil Adressteil
(Zeigerteil)
R E C O R DListen
Beispiel: Datenlisten, Aufbau ganzer Zahlen
Bäume
Beispiel: Stammbäume,Hierachien
Anker
NIL
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19.02.2013 32 4. Datenstrukturen
Datenstrukturen | Grundstrukturen | Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
Schlangen
enqueue
Prinzip: FiFo (first in - first out)
dequeue
Beispiel: Warteschlangen
Stapel push pop
Prinzip: LiFo (last in - first out)
Beispiel: Kellerspeicher (Stack)
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19.02.2013 33 3. Grundstrukturen
Grundstrukturen | Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
ENDE
Grundkurs Informatik 11 (D.Wolff)Kurshalbjahr 11/I
19.02.2013 34 ENDE
Datenstrukturen | Grundstrukturen | Modularisierung | Wissenschaft Informatik | Gliederung
Lizenzbedingungen„Creative Commons Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen Deutschland“Den rechtsverbindlichen Lizenzvertrag finden Sie unterhttp://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/de/legalcode
Zusammenfassung des Vertrags in allgemeinverständlicher Sprache ohne juristische Wirkung.Es ist gestattet: das Werk zu vervielfältigen, zu verbreiten und öffentlich zugänglich zu machen sowie Abwandlungen und Bearbeitungen des Werkes anzufertigen, Namensnennung: Sie müssen den Urheber bzw. den Rechteinhaber in der von ihm festgelegten Weise, die URI
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Lizenzangabe: Sie müssen anderen alle Lizenzbedingungen mitteilen, die für dieses Werk gelten. Am einfachsten ist es, wenn Sie dazu einen Link auf den Lizenzvertrag (siehe oben) einbinden.1)
1) WIKIPEDIA, Die freie Enzyklopädie: Datei:Volladdierer Aufbau DIN40900.svg, 2009.URL: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Volladdierer_Aufbau_DIN40900.svg&filetimestamp=20061107192017[Stand: 09.09.2010]
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