Einführung in die Informatik für Naturwissenschaftler und Ingenieure

Vorwort

Inhalt

Übersicht über den Inhalt des Buches

1 Einführung

1.1 Bedeutung der Informatik

1.2 Geschichte der Informatik

1.2.1 Entstehung der Zahlensysteme

1.2.2 Mechanisierung des Rechnens

1.2.3 Rein mechanische Rechenmaschinen

1.2.4 Datenspeicherung und Programmsteuerung

1.2.5 Elektromechanische Rechenmaschinen

1.3 Rechnergenerationen: Entwicklung elektronischer Rechenmaschinen

1.4 Technologische Entwicklung moderner Mikrorechner

1.5 Architekturen von Einzel- und Netzwerkrechnern

1.5.1 Architektur eines Einzelrechners

1.5.2 Architektur eines Netzwerkrechners

2 Grundlagen der Informatik

2.1 Information und Kodierung

2.1.1 Darstellungen, Zeichen, Worte und Sprachen

2.1.2 Binäre Kodierung

2.1.3 Dualzahlen und ihre rechnerinternen Darstellungen

2.1.4 Informationstheorie

2.1.5 Semantik: Effekt der Information

2.2 Algorithmen, Berechenbarkeit und Komplexität

2.2.1 Algorithmen, Berechenbarkeit und Entscheidbarkeit

2.2.2 Datentypen

2.2.3 Komplexität und NP-Vollständigkeit

2.2.4 Parallelität und Algorithmen

2.3 Mathematische Logik

2.3.1 Syntax und Semantik der Aussagenlogik

2.3.2 Syntax und Semantik der Prädikatenlogik

2.4 Boolesche Funktionen, Terme und Schaltwerke

2.4.1 Boolesche Funktionen und Ausdrücke

2.4.2 Boolesche Algebra

2.4.3 Normalformen

2.4.4 Schaltnetze und Schaltwerke

2.5 Grundbegriffe der Automatentheorie

2.5.1 Deterministische endliche Automaten

2.5.2 Erkennende und übersetzende endliche Automaten

2.5.3 Akzeptierte Sprachen

2.5.4 Zelluläre Automaten

2.6 Grammatiken und formale Sprachen

2.6.1 Grammatik

2.6.2 Formale Sprache

2.6.3 Chomsky-Grammatiken

2.6.4 Sprachklassen und Automaten

2.7 Graphen und Bäume

2.7.1 Graphen

2.7.2 Bäume

2.7.3 Ähnlichkeiten von Graphen

2.8 Petri-Netze und nebenläu. ge Prozesse

2.8.1 Petri-Netze

2.8.2 Prozesse und Nebenläu. gkeit

3 Datenstrukturen

3.1 Konstruktion zusammengesetzter Datenstrukturen: Feld und Verbund

3.2 Statische Stapel und Schlangen

3.3 Einfache dynamische Datenstruktur: Lineare Liste

3.4 Adjazenzlisten für Graphen

3.5 Nichtlineare Listen für Bäume und Graphen

3.5.1 Rekursive De.nition von Bäumen und Graphen

3.5.2 Suchbäume

3.6 Relationale Dateien und B-Bäume

3.6.1 Relationale Dateien

3.6.2 B-Bäume

4 Algorithmen und Prozesse

4.1 Algorithmen, Programme und Prozesse

4.2 Prozessdeklaration und Synchronisation nebenläu . ger Prozesse

4.3 Rekursive Programme

4.4 Sortieralgorithmen für lineare Felder

4.4.1 Sortieren durch Austausch

4.4.2 Sortieren durch Einfügen

4.4.3 Sortieren durch Verschmelzen

4.5 Suchalgorithmen für lineare Felder

4.5.1 Sequentielles Suchen

4.5.2 Binäres Suchen

4.6 Binäre Suchbäume

4.7 Operationen auf relationalen Datenbanken

4.7.1 Relationenalgebra

4.7.2 Assoziative Anfragen

4.8 Genetische Algorithmen

4.8.1 Grundbegriffe und Operatoren genetischer Algorithmen

4.8.2 Ablauf und Anwendung genetischer Algorithmen

4.8.3 Konvergenz genetischer Algorithmen: Schemata

4.9 Parallelität in Programmen

4.9.1 Vektorisierung einer Zählschleife

4.9.2 Parallelisierung einer Zählschleife

5 Programmiersprachen und -systeme

5.1 Einleitung

5.2 Maschinennahe Programmiersprachen

5.2.1 Aufbau einer Zentraleinheit

5.2.2 Maschinensprache

5.2.3 Assemblersprache

5.3 Höhere Programmiersprachen

5.3.1 Imperative Programmiersprachen

5.3.2 Logische Programmiersprachen

5.3.3 Funktionale Programmiersprachen

5.3.4 Objektorientierte Programmiersprachen

5.4 Struktur eines Assemblers

5.4.1 Aufgaben eines Assemblers

5.4.2 Struktur eines Assemblers

5.5 Compiler

5.5.1 Ablauf der Compilation

5.5.2 Lexikalische Analyse

5.5.3 Syntaktische Analyse und Aufbau des Syntaxbaumes

5.5.4 Semantische Analyse

5.5.5 Codegenerierung

5.5.6 Codeoptimierung

5.6 Interpreter

6 Softwareengineering

6.1 Einleitung

6.1.1 Was ist Softwareengineering?

6.1.2 Notwendigkeit einer systemtechnischen Softwarekonstruktion

6.2 Softwarephasenmodell

6.2.1 Konventionelles Phasenmodell

6.2.2 Re-Engineering

6.2.3 Das Spiralmodell

6.3 Modellierung für die Softwareerstellung

6.3.1 Das Modell

6.3.2 Datenmodellierung

6.3.3 Modellierung von Prozessen

6.3.4 Modellierung der Benutzerschnittstelle

6.4 Qualitätsanforderungen an eine systematische Softwarekonstruktion

6.5 Softwarewerkzeuge

6.5.1 Allgemeine Betrachtungen

6.5.2 SADT

6.5.3 SARS, ein Werkzeug zur Anforderungsspezi. kation

6.5.4 EPOS

6.5.5 Objektorientiertes Design

6.5.6 Modell-basierte Spezi. kation

6.6 Ein Softwarelebenszyklus

6.6.1 Phasen der Softwarekonstruktion

6.6.2 Analyse des Ist- und Sollzustandes

6.6.3 De.nition der Anforderungen

6.6.4 Grobentwurf

6.6.5 Feinentwurf

6.6.6 Codierung

6.6.7 Integrationstest

6.6.8 Wartung und Betrieb

6.7 Software-Qualitätssicherung

6.7.1 Allgemeine Betrachtungen

6.7.2 Lösungsmöglichkeiten zur Qualitätssicherung

6.8 Organisation von Softwareprojekten

6.8.1 Begriffe

6.8.2 Formen des Projektmanagements

6.8.3 Hilfsmittel für das Projektmanagement

6.8.4 Dokumentation

7 Rechnerarchitekturen und digitale Speichermedien

7.1 Rechnerstrukturen

7.2 Operationsprinzip eines Rechners

7.3 Von-Neumann-Rechnerarchitektur

7.3.1 Von-Neumann-Operationsprinzip

7.3.2 Strukturen eines Von-Neumann-Rechners

7.4 Mikroprogrammierung

7.5 CISC-, RISC-Prozessoren und deren Nachfolger

7.5.1 CISC- und RISC-Prozessoren

7.5.2 Kombination von CISC- und RISC-Architekturen

7.6 Allgemeine Speichermerkmale und Speicherorganisation

7.6.1 Allgemeine Speichermerkmale

7.6.2 Speicherorganisation

7.7 Halbleiterspeicher

7.7.1 ROM-Speicher

7.7.2 RAM-Speicher

7.8 Optische Plattenspeicher

7.9 Magneto-optische Plattenspeicher

8 Architektur verteilter Systeme

8.1 Verteilte Systeme und verteilte Anwendungen

8.2 Verteilte Systeme und Anwendungen

8.2.1 Internet

8.2.2 Intranet

8.2.3 World Wide Web

8.2.4 Mobiles und allgegenwärtiges Rechnen

8.3 Entwurfskriterien und Bewertung verteilter Systeme

8.3.1 Entwurfskriterien für verteilte Systeme

8.3.2 Vor- und Nachteile verteilter Systeme

8.4 Architekturen verteilter Systeme

8.4.1 Operationsprinzipien verteilter Systeme

8.5 Strukturen verteilter Systeme

8.5.1 Hardware-Strukturen und Hardware-Komponenten verteilter Systeme

8.5.2 Software-Struktur verteilter Systeme

9 Spezielle Netzwerkdienste und Middleware- Unterstützungen für verteilte Anwendungen

9.1 Namendienste

9.1.1 Namenraum

9.1.2 Namenresolution

9.2 Zeitdienste

9.2.1 Zeit in verteilten Systemen

9.2.2 NTP: Zeitdienst zur externen Uhrensynchronisation im Internet

9.3 Sicherheitsdienste

9.3.1 Sicherheitskriterien, Bedrohungen und Attacken

9.3.2 Sicherheitslücken und Sicherheitsmechanismen

9.3.3 Kryptogra. sche Algorithmen

9.3.4 Authenti.zierung und Zerti. zierung

9.4 Java: verteilte objektorientierte Programmiersprache

9.4.1 Netzwerkkonzepte von Java

9.4.2 Java-Struktur

9.5 CORBA: Architektur für Middleware

9.5.1 Netzwerkkonzepte, Merkmale und Terminologie

9.5.2 CORBA-Struktur

9.6 Exemplarische Anwendungen von Netzwerkdiensten und ihre Auswirkungen

9.6 Exemplarische Anwendungen von Netzwerkdiensten

9.6.1 Anwendungsfelder und Perspektiven

9.6.2 Auswirkungen von Netzwerkdiensten

10 Betriebssysteme

10.1 Funktionen eines Betriebssystems

10.1.1 Betriebsmittel und Betriebsarten

10.1.2 Verwaltung und Betrieb

10.1.3 Zentrale Betriebssysteme und Betriebssysteme für verteilte Systeme

10.2 Operationsprinzip der impliziten, asynchronen Parallelität

10.2.1 Funktionseinheiten und ihre Interaktionsmechanismen

10.2.2 Synchronisation der Informationsinteraktionen

10.2.3 Interaktionsmodell und Interaktionsmuster

10.2.4 Kontrollmodell und Parallelität

10.2.5 Implizite, asynchrone Parallelität

10.3 Grundstrukturen von Betriebssystemen

10.3.1 Funktionseinheitenbereich

10.3.2 Infrastrukturbereich

10.4 Prozesse: Verwaltung und Betrieb

10.4.1 Prozesszustände

10.4.2 Schwer- und Leichtgewichtprozesse

10.4.3 Prozess-Scheduling

10.5 Prozessinteraktionen (Interaktionsverwaltung)

10.5.1 Synchronisation konkurrierender Prozesse in zentralen und verteilten Systemen

10.5.2 Kooperation und synchronisierte Kommunikation in zentralen und verteilten Systemen

10.6 Speicherverwaltung

10.6.1 Adressräume und Mehrprogrammbetrieb

10.6.2 Virtuelle Speicherverwaltung und Seitenadressierung

10.6.3 Strategien der Speicherverwaltung

10.6.4 Cache-Verwaltung

10.6.5 Speicherschutz

10.7 Dateisysteme

10.7.1 Aufgaben und Grundstruktur eines Dateisystems

10.7.2 Logische Organisationsformen von Dateien

10.7.3 Reale indexsequentielle Dateiorganisation

10.7.4 Datenstrukturen der Dateiverwaltung

10.7.5 Verteilte Dateisysteme

Literatur

Online-Zitate

Namen- und Stichwortverzeichnis