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IMIT 1Informatik Grundlagen und Geschichte der Informatik Falls wir in unseren Studienheften auf Seiten im Internet verweisen/verlinken, haben wir diese nach sorgfältigen Erwägungen ausgewählt. Auf Inhalt und Gestaltung haben wir jedoch keinen Einfluss. Wir distanzieren uns daher ausdrücklich von diesen Seiten, soweit darin rechtswidrige, insbesondere jugendgefährdende oder verfassungsfeindliche Inhalte zutage treten sollten. 0713 K02 Autor: Christoph Siebeck Fachlektor: Norbert Heitkamp © ILS Institut für Lernsysteme GmbH, Hamburg Fernakademie für Erwachsenenbildung GmbH, Hamburg Alle Rechte vorbehalten. Das Studienhef und seine Teile sind urheberrectlic gescützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlic zugelassenen Fällen ist nict erlaubt und bedarf der vorherigen scriflicen Zustimmung des Recteinhabers. Dies gilt insbesondere für das öfentlice Zugänglicmacen via Internet, Vervielfältigungen und Weitergabe. Zulässig ist das Speicern (und Ausdrucen) des Studienhefes für persönlice Zwece. © Fernschulen Hamburg · Alle Rechte vorbehalten 0 7 1 3 K 0 2 Informatik Grundlagen und Geschichte der Informatik 0713 K02 Autor: Christoph Siebeck Fachlektor: Norbert Heitkamp Inhaltsübersicht Lerninhalte und Lernziele ..................................................................................... 5 1 Was ist Informatik? .................................................................................................. 7 1.1 Teilbereiche der Informatik......................................................................................... 8 1.2 Ausbildungen und Berufe............................................................................................ 11 2 Eine kleine Geschichte des Zählens und der Zahlen....................................... 17 2.1 Zählen, Zahlen und Ziffern.......................................................................................... 17 2.2 Zahlensysteme.............................................................................................................. 20 3 Geschichte der Informationstechnik................................................................... 27 3.1 Die Entwicklung der Rechenmaschinen..................................................................... 27 3.2 Vom Relais zum Chip................................................................................................... 38 3.3 Ideen und Konzepte ..................................................................................................... 41 4 Hard- und Software.................................................................................................. 46 4.1 Hardware...................................................................................................................... 47 4.2 Software........................................................................................................................ 48 5 Schlusswort................................................................................................................ 54 6 Anhang ........................................................................................................................ 55 6.1 Literaturverzeichnis .................................................................................................... 55 6.2 Lösungen der Aufgaben zur Selbstüberprüfung ........................................................ 55 6.3 Glossar .......................................................................................................................... 58 6.4 Sachwortverzeichnis .................................................................................................... 68 © F e r n s c h u l e n H a m b u r g © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 5 Lerninhalte und Lernziele Herzlich willkommen! Diese Studienhefte beschäftigen sich mit der Informatik. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den technischen, mathematischen und logischen Grundlagen. Sie werden sich unter anderem mit der Darstellung von Informationen, der Verschlüsselung, der Mengenlehre und der Modellierung auseinandersetzen. Dabei lernen Sie nicht nur die theoretischen Grundlagen, sondern Sie werden viele Beispiele auch prak- tisch mit der Programmiersprache C++ umsetzen. In diesem Studienheft beschäftigen wir uns zunächst einmal mit den Grundlagen und der Geschichte der Informatik. Im Einzelnen lernen Sie: • was Informatik überhaupt ist, • woher der Begriff Informatik stammt, • was Informatik, Informationstechnik und Informationstechnologie unterscheidet, • welche Teilbereiche die Informatik umfasst, • was diese Teilbereiche unterscheidet, • welche Wissenschaften eng mit der Informatik zusammenarbeiten, • was Real- und Formalwissenschaften unterscheidet, • welche Ausbildungen und Berufe im Informatik-Bereich möglich sind, • wie sich diese Ausbildungen und Berufe unterscheiden, • welche Regeln beim Zählen gelten, • welche Hilfsmittel früher beim Zählen eingesetzt wurden, • was Zahlen und Ziffern unterscheidet, • wofür ein Zahlensystem benutzt wird, • was ein Additionssystem ist, • wie die Römer Zahlen dargestellt haben, • was das Dezimalsystem ist, • wie ein Stellenwertsystem funktioniert, • warum die Null erfunden wurde, • was Kardinalzahlen und Ordinalzahlen unterscheidet, • was sich hinter dem Zaunpfahlproblem verbirgt, • wie sich Rechenmaschinen vom Abakus bis zum Computer entwickelt haben, • durch welche Bauelemente Schaltungen in Rechenmaschinen umgesetzt wurden und • welche Ideen und Konzepte für die Informatik besondere Bedeutung haben. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 6 Hinweis: In der Informatik werden viele Fachbegriffe aus der englischen Sprache benutzt. Wenn Sie nicht sicher sind, wie diese Fachbegriffe ausgesprochen werden, können Sie in Online-Wörterbüchern wie zum Beispiel www.dict.cc nach- schlagen. Dort finden Sie neben Übersetzungen in vielen Fällen auch Aus- sprachehinweise oder können sich die Wörter vorlesen lassen. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 7 1 Was ist Informatik? In dieser Lektion erfahren Sie, was Informatik überhaupt ist. Sehen wir uns zuerst einmal den Begriff an. Das Wort Informatik setzt sich zusammen aus Information und Automatik. Gemeint ist mit Informatik also im Wesentlichen die automatische Verarbeitung von Informationen. Eingeführt wurde der Begriff in Deutschland 1957 vom Inge- nieur Karl Steinbuch. Neben der Ableitung aus den Begriffen Information und Automatik gibt es aber auch andere Ableitungen des Begriffs Informatik – zum Beispiel aus den Wörtern Information und Mathematik, aus den Wörtern Information und Elektronik oder nur aus dem Wort Information. Auch was Informatik genau bedeutet, ist nicht eindeutig festgelegt. So finden sich zum Beispiel folgende Definitionen: Auch wenn es viele verschiedene Definitionen für den Begriff Informatik gibt, herrscht doch in einem Punkt Einigkeit: Informatik ist weit mehr als Computer- wissenschaft oder gar nur der Umgang mit Computern. Die Informatik als Wis- senschaft beschäftigt sich unter anderem auch mit theoretischen Grundlagen und komplexen mathematischen Modellen zur Verarbeitung von Informationen. Der Computer ist hier lediglich ein Werkzeug – wie mittlerweile in vielen anderen Bereichen auch. Der Begriff Information hat viele unterschiedliche Bedeutungen. Stark vereinfacht und verallgemeinert ist eine Information eine Nachricht beziehungsweise der Inhalt einer Nachricht. Information leitet sich vom lateini- schen Wort informare („bilden, eine Gestalt geben“) ab. Automatik bezeichnet verallgemeinert eine festgelegte Reaktion auf ein bestimmtes Ereignis. Wenn das Ereignis eintritt, erfolgt auch immer wieder die gleiche Reaktion. Diese Reaktion kann auch aus mehreren Schritten bestehen, die hintereinander ablaufen. Automatik ist aus dem Griechischen abgeleitet und bedeutet so viel wie „selbst ablaufend“. „Informatik: Wissenschaft von den elektronischen Datenverarbeitungsanla- gen und den Grundlagen ihrer Anwendung“ (Duden Fremdwörterbuch) „Informatik ist die Wissenschaft von der systematischen Verarbeitung von Informationen, insbesondere der automatischen Verarbeitung mithilfe von Rechenanlagen.“ (Wikipedia, de.wikipedia.org/wiki/Informatik) „Informatik ist die Wissenschaft von der maschinellen Informationsverarbei- tung.“ (Gumm/Sommer, S. 1) „Informatik … umfasst ganz allgemein die automatisierte Informationsver- arbeitung in Natur, Technik und Gesellschaft.“ (Herold/Lurz/Wohlrab, S. 24) © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 8 Exkurs: Informatik, Informationstechnik, elektronische Datenverarbei- tung und Informationstechnologie Die Begriffe Informatik, Informationstechnik, elektronische Datenverarbeitung und Informationstechnologie werden im Alltag oft mit ähnlicher Bedeutung verwendet, meinen aber verschiedene Sachen. Informatik ist die Wissenschaft von der maschinellen Informationsverarbeitung. Informationstechnik (IT) dagegen ist ein Oberbegriff für die Verarbeitung von Informationen und die dabei eingesetzte Hard- und Software. Elektronische Datenverarbeitung (EDV) meint ebenfalls die Verarbeitung von Daten mit Computern oder anderen elektronischen Geräten. Der Begriff wird heute aber nur noch selten verwendet und ist in vielen Fällen durch den Begriff Informationstechnik abgelöst worden. Der Begriff Informationstechnologie (IT) schließlich meint – streng genommen – die Lehre oder Wissenschaft von der Informationstechnik. Die Begriffe Techno- logie und Technik werden häufig aber gleichbedeutend benutzt. Das liegt nicht zuletzt an dem englischen Wort technology, das sowohl Technologie als auch Tech- nik bedeutet. Der englische Begriff information technology kann also sowohl mit „Informationstechnologie“ als auch mit „Informationstechnik“ übersetzt werden. Außerdem finden sich auch noch die Begriffe Datenverarbeitung (DV) und Informationsverarbeitung (IV). Sie beschreiben generell die Verarbeitung von Daten beziehungsweise Informationen – also zum Beispiel auch per Hand. 1.1 Teilbereiche der Informatik Da die Informatik als Wissenschaft einen sehr weiten Bereich umfasst, wird sie in vier Teilbereiche untergliedert: – die theoretische Informatik, – die technische Informatik, – die praktische Informatik und – die angewandte Informatik. Die theoretische Informatik bildet dabei die Basis. Sie liefert die abstrakten theoretischen und mathematischen Grundlagen für die anderen Bereiche. Zu den Themen der theoretischen Informatik gehören unter anderem formale Sprachen und Automatentheorien, Logik sowie Berechenbarkeits- und Komplexitätstheorien. „In der Informatik geht es genauso wenig um Computer, wie in der Astro- nomie um Teleskope.“ (Edsger W. Dijkstra – ein niederländischer Informati- ker) © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 9 Die technische Informatik beschäftigt sich vor allem mit der Hardware – also den Geräten. Themen sind unter anderem Schaltwerke, Mikroprozessoren oder Rechnerarchitekturen. Die technische Informatik arbeitet eng mit der Elektrotech- nik zusammen. Die praktische Informatik dagegen konzentriert sich auf die Software – also die Programme, die auf der Hardware eingesetzt werden. Hier geht es um Themen wie Programmierung, Software-Entwicklung, Compiler-Bau, Betriebssysteme und Datenbanken. Die angewandte Informatik schließlich beschäftigt sich mit dem praktischen Einsatz von Computern in anderen Wissenschaften und auch im Alltag. Dazu gehören auf der einen Seite Bereiche wie die Simulation, Multimedia und die gra- fische Darstellung von Informationen, auf der anderen Seite aber auch universell einsetzbare Lösungen wie eine Textverarbeitung oder eine Tabellenkalkulation. Hinweis: Die drei Bereiche theoretische, technische und praktische Informatik werden auch mit dem Begriff Kerninformatik zusammengefasst. Mehr zu Logik, formalen Sprachen und Automaten erfahren Sie in anderen Studienheften. Bei der Berechenbarkeitstheorie geht es darum, welche Probleme grund- sätzlich mit Algorithmen gelöst werden können. Die Komplexitätstheorie beschäftigt sich mit der Komplexität von Problemen, die durch Algorithmen gelöst werden können. Ein Algorithmus ist – vereinfacht ausgedrückt – eine Vorschrift zur Lösung eines Problems. Ein Compiler ist ein Programm, das Anweisungen einer Programmierspra- che in ein ausführbares Programm übersetzt. Mit Compilern werden Sie sich ebenfalls noch intensiver beschäftigen. In Simulationen werden reale Systeme modellhaft im Computer nachgebildet und können beliebig manipuliert werden. Aus den berechneten Daten lassen sich dann Rückschlüsse auf die Arbeitsweise des realen Systems ziehen. Simulationen werden vor allem benutzt, wenn ein tatsächliches Experi- ment entweder zu teuer, zu gefährlich oder zu langwierig ist. Der Begriff Multimedia steht für „viele Medien“. Gemeint ist damit die synchrone Präsentation von Inhalten durch die Kombination verschiedener Medien wie Text, Bild, Ton und Video in einer Anwendung. Der Ablauf der Präsentation wird unmittelbar durch den Anwender gesteuert. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 10 Abb. 1: Die Bereiche der Informatik Sowohl die einzelnen Bereiche als auch die Kerninformatik und die angewandte Informatik stehen in einer engen Wechselwirkung. Die Kerninformatik liefert auf der einen Seite die Voraussetzungen für die angewandte Informatik, wird aber auch selbst durch die angewandte Informatik beeinflusst – zum Beispiel durch neue Anforderungen aus der Praxis. So führt die Entwicklung neuer Techniken und Verfahren durch die Kerninformatik in vielen Fällen bereits nach kurzer Zeit in der angewandten Informatik zu neuen Wünschen, die eine noch leistungsfähi- gere Technik benötigen. Damit treibt sich die Informatik – wenn Sie so wollen – selbst voran. Neben den vier Bereichen, die direkt der Informatik zugeordnet werden, gibt es auch noch zahlreiche Gebiete der Informatik, die andere Fachbereiche berühren. Dazu gehören zum Beispiel • die Wirtschaftsinformatik, • die Bioinformatik und • die Medieninformatik. Bei der Wirtschaftsinformatik geht es im Wesentlichen um die Planung, die Entwicklung und den Einsatz der Informationstechnik in Unternehmen beziehungsweise die Optimierung von Geschäftsprozessen durch den Einsatz der Infor- mationstechnik. Die Wirtschaftsinformatik beschäftigt sich also mit Wirtschafts- wissenschaften auf der einen Seite und der Informatik auf der anderen Seite. Die Bioinformatik konzentriert sich auf den Einsatz der Informationstechnik in den Biowissenschaften. Ein wesentlicher Bereich ist zum Beispiel die Entschlüsse- lung des Erbgutes mithilfe von Computern. Die Medieninformatik beschäftigt sich mit dem Zusammenspiel von Computern und Medien. Dabei geht es zum einen um den Einsatz von Computern beim Erstellen von Medien, zum anderen aber auch um die Gestaltung von Medien selbst. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 11 Die Zusammenarbeit findet sich auch in vielen anderen Bereichen – zum Beispiel bei den Ingenieurwissenschaften, der Medizin oder auch den Geisteswissenschaf- ten. Hinweis: Die interdisziplinären Gebiete der Informatik werden teilweise auch der angewandten Informatik zugerechnet. So wird zum Beispiel die Wirtschaftsinforma- tik nicht immer als eigenständiger Bereich betrachtet. Exkurs: Real- und Formalwissenschaften Abhängig vom Forschungsgegenstand wird zwischen Real- und Formalwissenschaf- ten unterschieden. Eine Realwissenschaft beschäftigt sich mit tatsächlich existierenden Dingen. Eine Formalwissenschaft dagegen konzentriert sich auf abstrakte logische Zusammenhänge. Zu den Realwissenschaften gehören zum Bei- spiel die Naturwissenschaften Biologie, Chemie und Physik. Mathematik dagegen ist eine klassische Formalwissenschaft. Die Informatik lässt sich nicht eindeutig zuordnen. Die theoretische Informatik zum Beispiel ist eine Formalwissenschaft, die angewandte oder praktische Infor- matik dagegen eine Realwissenschaft. 1.2 Ausbildungen und Berufe Da die Informatik sehr viele unterschiedliche Bereiche abdeckt, gibt es auch ent- sprechend viele unterschiedliche Ausbildungen und Berufe. Ein Ausbildungsberuf ist zum Beispiel der Fachinformatiker. Hier erfolgt eine zwei- bis dreijährige Ausbildung im dualen System – also sowohl in der Berufs- schule als auch in einem Betrieb. Fachinformatiker werden für die Bereiche „Anwendungsentwicklung“ und „Systemintegration“ ausgebildet. Beim Bereich „Anwendungsentwicklung“ liegt der Schwerpunkt auf dem Programmieren und Pflegen von Software-Systemen. Der Bereich „Systemintegration“ dagegen konzentriert sich mehr auf die Administration von Rechnern und Netzwerken. Weitere staatlich anerkannte Ausbildungsberufe sind der Informatikkaufmann, der IT-Systemkaufmann und der IT-Systemelektroniker. Beim Informatikkauf- mann liegt der Schwerpunkt auf dem kaufmännischen Bereich – zum Beispiel in Die Zusammenarbeit mehrerer Wissenschaften wird Interdisziplinarität genannt. Die Wirtschaftsinformatik ist damit ein interdisziplinäres Gebiet der Informatik und der Wirtschaftswissenschaften. Der Begriff Administration meint im IT-Umfeld die Pflege und Verwaltung eines Systems. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 12 der Kosten-Nutzen-Analyse oder in der Organisation. IT-Systemkaufleute orga- nisieren und betreuen kundenspezifische Lösungen. Der IT-Systemelektroniker kümmert sich im Wesentlichen um die Hardware. Zusätzlich zu den Ausbildungen im dualen System gibt es auch Ausbildungen beziehungsweise Studiengänge an Fachhochschulen und Universitäten. Neben einem allgemeinen Informatik-Studium ohne weitere Spezialisierung werden auch Studiengänge wie Wirtschaftsinformatik, Medizinische Informatik, Bioin- formatik, Medieninformatik, angewandte Informatik oder technische Informatik angeboten. Abgeschlossen werden die Studiengänge in vielen Fällen mit dem akademischen Grad Bachelor beziehungsweise Master. Diese Titel haben den alten Diplom-Abschluss weitgehend abgelöst. Ein weiterer Abschluss ist der staatlich geprüfte Informatiker. Es handelt sich entweder um eine berufliche Weiterbildung oder eine schulische Ausbildung. Wie die Ausbildung genau erfolgt, ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich. Ausbildungen im Informatikbereich sind auch als Fort- und Weiterbildungen möglich. Nach einer Ausbildung in einem staatlich anerkannten IT-Ausbildungsbe- ruf kann man sich zum Beispiel über das IT-Weiterbildungssystem APO-IT (arbeitsprozessorientierte Weiterbildung im IT-Bereich) weiter spezialisieren. Ins- gesamt werden dabei über 30 Profile in mehreren Stufen angeboten – zum Bei- spiel IT-Trainer, Systemanalytiker oder IT-Sicherheitskoordinator. Die Qualifika- tionen werden durch eine international anerkannte Zertifizierung nachgewiesen. Das IT-Weiterbildungssystem steht auch Quer- und Seiteneinsteigern offen, die keine anerkannte Ausbildung im IT-Bereich haben, aber über Berufserfahrung verfügen. Auch im Fernunterricht gibt es eine ganze Reihe von Ausbildungen – zum Bei- spiel diesen Kurs, Programmierer-Kurse und Kurse zum Netzwerk- oder Daten- bank-Administrator. Diese Kurse werden in der Regel mit einem institutseigenen Zertifikat abgeschlossen. Schauen wir uns nun einige typische Berufe im Informatikbereich an. Beginnen wir mit dem Programmierer. Die akademischen Grade Bachelor (engl. „Junggeselle“) und Master (engl. „Meister“) bilden ein abgestuftes Ausbildungssystem. Der Bachelor ist dabei der erste Grad und der Master der zweite Grad. Ein Master-Studiengang kann nur dann abgeschlossen werden, wenn der Bachelor-Studiengang erfolgreich absolviert wurden. Die Bachelor- und Master-Studiengänge sollen einen europaweiten Standard sicherstellen. Mehr zu APO-IT finden Sie im Internet zum Beispiel auf den Seiten www.apo-it.de. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 13 Ein Programmierer erstellt Computerprogramme. Dabei setzt er in der Regel konkrete Vorgaben aus der Entwicklung mit einer Programmiersprache um. Die eigentliche Entwicklung von Computerprogrammen ist Aufgabe von Soft- ware-Entwicklern oder Software-Ingenieuren. Sie analysieren ein System zunächst und entwerfen Lösungen. Die praktische Umsetzung dieser Lösungen ist dann Aufgabe der Programmierer. Abb. 2: Die Aufgabenteilung bei der Entwicklung von Software Neben Programmierern, die mehr oder weniger universell für verschiedene Berei- che eingesetzt werden, gibt es auch Spezialisten – zum Beispiel den Systempro- grammierer, den Anwendungsprogrammierer oder den Organisationsprogrammie- rer. Ein Systemprogrammierer arbeitet vor allem an Betriebssystemen und systemnahen Dienstprogrammen. Ein Anwendungsprogrammierer dagegen ist an der Erstellung von Anwendungsprogrammen wie zum Beispiel einer Textverarbei- tung beteiligt. Ein Organisationsprogrammierer ist vor allem für die Erweite- rung und Anpassung von Software zuständig, die von einem anderen Unterneh- men gekauft wurde. Schauen wir uns die drei Bereiche an einem konkreten Beispiel an. Ein Unter- nehmen möchte eine Textverarbeitung einsetzen. Der Systemprogrammierer ist dann für die Erstellung des Betriebssystems zustän- dig. Das Betriebssystem ist erforderlich, damit die Textverarbeitung überhaupt eingesetzt werden kann. Der Anwendungsprogrammierer würde die eigentliche Textverarbeitung – also das Programm – umsetzen. Der Organisationsprogram- mierer schließlich erweitert dann die Textverarbeitung in dem Unternehmen, in dem sie eingesetzt wird – zum Beispiel um Sonderfunktionen, die nur dieses Unternehmen benötigt. Mit der Entwicklung umfangreicher und komplexer Software-Systeme beschäftigt sich ein eigenes Teilgebiet der Informatik – das Software-Engi- neering. Engineering bedeutet übersetzt so viel wie „Ingenieurswesen“. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 14 Eine weitere Spezialisierung eines Programmierers beziehungsweise Entwicklers ist der Datenbank-Entwickler. Er entwirft und programmiert Datenbanken beziehungsweise Datenbank-Systeme. Für die Programmierung werden dabei in nahezu allen Fällen spezielle Programmier- und Abfragesprachen verwendet. Ein Datenbank-Entwickler ist also – wenn Sie so wollen – ein Software-Entwickler, der sich ausschließlich mit Datenbanken beschäftigt. Ein Datenbank-Administrator kümmert sich vor allem um die Verwaltung und Pflege von Datenbanken. Er sorgt zum Beispiel für die Datensicherung und achtet darauf, dass die Daten permanent zur Verfügung stehen. Zum Teil übernehmen Datenbank-Administratoren aber auch Aufgaben von Datenbank-Entwicklern und umgekehrt. Weitere Berufe, bei denen der Betrieb und die Verwaltung eines Computers beziehungsweise eines Systems im Vordergrund stehen, sind der Netzwerk-Administra- tor und der System-Administrator. Ein Netzwerk-Administrator kümmert sich um die Verwaltung, Konfiguration und Pflege von Netzwerken, ein System-Admi- nistrator dagegen um die Computer an sich. Eine typische Aufgabe eines Sys- tem-Administrators ist zum Beispiel die Verwaltung der Benutzerrechte. Neben Berufen, die direkt mit dem Computer arbeiten, gibt es im Informatik- Bereich auch Berufe, die vor allem im Management angesiedelt sind. Dazu gehört zum Beispiel der CIO (Chief Information Officer 1 ). Er ist sowohl für die Planung als auch für den Betrieb der Informationstechnik in einem Unternehmen verantwortlich. Statt CIO finden sich auch die Bezeichnungen IT-Leiter, Leiter Infor- mationstechnik oder – mittlerweile schon ein wenig betagt – EDV-Leiter. In vielen Fällen sind die Berufsbezeichnungen im IT-Bereich nicht eindeutig festgelegt beziehungsweise die Grenzen zwischen den einzelnen Berufsbildern sind fließend. So hängt das genaue Aufgabengebiet eines CIO durchaus von dem Unternehmen ab, in dem er arbeitet. Vor allem in kleineren Unternehmen über- nimmt ein Mitarbeiter häufig auch Tätigkeiten, die eigentlich zu zwei unterschiedlichen Berufsbildern gehören. Es kann also sein, dass ein Software- Entwickler selbst programmiert beziehungsweise ein Programmierer auch am Ent- wurf einer Software beteiligt ist. So viel zu den Ausbildungen und Berufen. In der nächsten Lektion werden wir uns mit dem Zählen und den Zahlen beschäftigen. Mehr zur Hard- und Software und dem Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten erfahren Sie am Ende dieses Studienheftes. Über Benutzerrechte wird geregelt, welcher Anwender Zugriff auf ein Sys- tem hat und welche Aktionen er genau mit dem System durchführen darf. 1. Die Bezeichnung stammt aus dem englischsprachigen Raum. Wörtlich übersetzt bedeutet Chief Information Officer so viel wie „Oberster Informationsdirektor“. Die deutsche Übersetzung wird aber nie verwendet. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 15 Zusammenfassung Informatik ist im Wesentlichen die automatische Verarbeitung von Informationen. Die Informatik als Wissenschaft beschäftigt sich unter anderem auch mit theoretischen Grundlagen und komplexen mathematischen Modellen zur Verarbeitung von Informationen. Die Informatik wird in vier Teilbereiche untergliedert. Die einzelnen Bereiche stehen in enger Wechselwirkung. Es gibt zahlreiche interdisziplinäre Bereiche der Informatik – zum Beispiel die Wirtschaftsinformatik oder die Bioinformatik. Im Informatikumfeld gibt es viele Berufsbilder. Neben einer Ausbildung im dualen System können auch Abschlüsse an einer Hochschule gemacht werden. Außer- dem gibt es zahlreiche Angebote im Bereich Fort- und Weiterbildung – zum Beispiel über das IT-Weiterbildungssystem APO-IT oder als Fernunterricht. Neben Berufen, die direkt mit Computern zu tun haben, gibt es im IT-Bereich auch Berufe, die vor allem im Management angesiedelt sind. Dazu gehört zum Beispiel der CIO (Chief Information Officer). Die Berufbezeichnungen und auch die Tätigkeitsfelder im IT-Bereich sind nicht immer eindeutig voneinander abgegrenzt. I. Aufgaben zur Selbstüberprüfung Überprüfen Sie nun bitte Ihr neu erworbenes Wissen. Lösen Sie die Aufgaben zunächst selbstständig und vergleichen Sie anschließend Ihre Lösungen mit den Angaben im Anhang. 1. Wann wurde der Begriff Informatik in Deutschland eingeführt? __________________________________________________________________________ 2. Was unterscheidet die Informatik von der Informationstechnik? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ A © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 16 3. In welche vier Teilbereiche wird die Informatik untergliedert? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 4. Was verstehen Sie unter dem Begriff „Kerninformatik“? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 5. Nennen Sie zwei staatlich anerkannte Ausbildungsberufe im Informatik- bereich. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 6. Was unterscheidet einen Programmierer von einem Software-Ingenieur? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7. Welche Aufgaben hat ein Datenbank-Administrator? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ A © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 17 2 Eine kleine Geschichte des Zählens und der Zahlen In dieser Lektion lernen Sie, was Zahlen überhaupt sind und welche Regeln für das Zählen gelten. Zahlen benutzen wir ständig – sei es beim Zählen von Gegenständen, beim Rech- nen oder bei der Hausnummer oder der Postleitzahl in einer Adresse. Allerdings macht sich kaum jemand Gedanken, wie das Zählen eigentlich genau funktioniert. Sehen wir uns daher zunächst einmal an, was beim Zählen passiert. 2.1 Zählen, Zahlen und Ziffern Beim Zählen werden – ein wenig kompliziert ausgedrückt – Objekte einer endli- chen Menge nacheinander in geeigneter Art und Weise markiert, bis alle Objekte verarbeitet wurden. Dazu werden in der Regel Zahlen nach bestimmten Regeln benutzt. In unserem Zahlensystem – dem Dezimalsystem – beginnt die Zählung zum Beispiel normalerweise bei 1, dann folgen die Zahlen 2, 3, 4 und so weiter. Allerdings kann man auch ohne Zahlen „zählen“. So können Säuglinge zum Bei- spiel kleinere Mengen bis zu drei Elementen auseinanderhalten. Auch Tiere wie Raben können vermeintlich „zählen“ – wie die folgende Geschichte vermuten lässt: Ein Schlossherr wollte einen Raben, der in einem Turm des Schlosses sein Nest gebaut hatte, erschießen. Doch immer, wenn er sich dem Nest näherte, brachte sich der Vogel in Sicherheit und kehrte erst zurück, wenn die Bedrohung verschwunden war. Also versuchte es der Schlossherr mit einem Trick. Er ließ zwei Bedienstete in den Turm gehen. Der eine verließ den Turm wie gewohnt nach kurzer Zeit, der andere blieb, um den Raben zu überraschen. Der Trick funktionierte allerdings nicht. Der Rabe kehrte erst zurück, nachdem auch die zweite Person den Turm verlassen hatte. Auch bei drei und vier Personen konnte der Rabe offensichtlich „zählen“, ob alle Menschen den Turm wieder verlassen hatten. Erst, als der Schlossherr fünf Personen in den Turm schickte, verlor der Rabe beim „Zählen“ den Überblick. Als vier Personen den Turm verlassen hatten, kehrte der Rabe zurück und wurde erschossen. 1 Mit „echtem Zählen“ haben diese Phänomene aber nichts zu tun – auch wenn manch dressiertes Zirkuspferd den Eindruck vermittelt, es könne rechnen. Men- schen und wohl auch einige Tiere wie Raben verfügen offensichtlich über ein angeborenes Zahlengefühl, das für kleinere Mengen ausreicht – ohne mit Zahlen arbeiten zu müssen. Das können Sie mit einem kleinen Experiment sehr einfach selbst ausprobieren. Sehen Sie sich die folgende Abbildung an und versuchen Sie, die Anzahl der Gegenstände in den verschiedenen Gruppen festzustellen. Mit Zahlen und Zahlensystemen beschäftigen wir uns in diesem und auch dem nächsten Studienheft noch sehr ausführlich. 1. nach: Ifrah, S. 21. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 18 Abb. 3: Ein kleines Experiment Bei den kleinen Gruppen mit zwei, drei oder vier Gegenständen werden Sie wahrscheinlich gar nicht „gezählt“ haben. Hier reicht oft ein kurzer Blick aus, um die Menge zu erfassen. Denn Mengen bis vier oder maximal fünf Objekten kann der Mensch auch ohne einen konkreten Zahlenbegriff handhaben. So zählen zum Bei- spiel einige Naturvölker oder auch kleine Kinder bis drei oder vier. Danach folgen dann Begriffe wie „viele“ oder „unzählige“. Auch bei der römischen Darstellung von Zahlen, die auf Zeichen wie I oder V basiert, finden sich immer nur maximal drei Zeichen hintereinander. III steht zum Beispiel für 3. Die Zahl 4 dagegen wird nicht durch IIII, sondern durch IV dargestellt. Um größere Menge zu erfassen, werden Hilfsmittel benötigt. Aber diese Hilfsmit- tel müssen ebenfalls noch keine Zahlen sein. So lassen sich Mengen bis 10 ohne Probleme auch mit den Fingern „zählen“. Bei Mengen bis 20 müssen andere Kör- perteile zur Hilfe genommen werden – zum Beispiel die Zehen. Aber auch für grö- ßere Mengen gibt es Techniken, die ein „Zählen“ ohne Zahlen ermöglichen. So können zum Beispiel Kerben in einen Stock – das Kerbholz – gemacht werden oder Knoten in eine Schnur. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 19 Abb. 4: Ein Kerbholz (Quelle: Wissenschaftsmuseum Brüssel) Kerbhölzer wurden auch benutzt, um zum Beispiel Schulden aufzuschreiben. Dazu wurden Markierungen in das Kerbholz gemacht, das anschließend geteilt wurde. Die beiden Parteien erhielten je einen Teil mit den identischen Markierungen. Durch einen Vergleich der beiden Teile ließ sich dann sofort feststellen, ob eine Partei eine Markierung entfernt oder hinzugefügt hatte. Abb. 5: Zwei Kerbhölzer mit „Notizen“ (schematische Darstellung) Hinweis: Von dieser Technik stammt auch der Ausdruck „etwas auf dem Kerbholz haben“. Er stand ursprünglich für „Schulden haben“, wurde im Laufe der Zeit aber immer weiter ausgedehnt. Heute meint der Ausdruck, dass jemand Unrecht oder sogar ein Verbrechen begangen hat. Eine andere Technik zum „Zählen“ ohne Zahlen sind Striche auf einem Blatt Papier. Wenn die Striche dabei gruppiert werden, ist die Darstellung recht über- sichtlich und erlaubt auch einen einfachen Vergleich von Mengen. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 20 Abb. 6: Eine Strichliste (links ungruppiert, rechts in 5er-Gruppen) Auch rechnen lässt sich mit dieser Art des „Zählens“. So können Sie zum Beispiel mit den Fingern ohne Probleme 9 – 3 rechnen. Sie strecken erst 9 Finger aus und beugen dann 3 Finger wieder zur Hand. Als Ergebnis bleiben 6 Finger übrig. Auch 3 + 4 lässt sich ohne Schwierigkeiten mit den Fingern rechnen. Sie strecken erst 3 Finger aus und danach noch einmal 4. Das Ergebnis sind dann 7 Finger. Irgendwann sind allerdings mit diesen Hilfsmitteln Grenzen erreicht. Bei sehr großen Mengen müssen so viele Stöcke mit Kerben oder so viele Schnüre mit Knoten benutzt werden, dass das „Zählen“ sehr lange dauert und auch unüber- sichtlich wird. Noch komplizierter und aufwendiger wird es, wenn Sie zum Bei- spiel versuchen, mit Knoten in Schnüren Berechungen mit mehreren großen Zahlen durchzuführen. Der Mensch begann daher, für die Zahlen abstrakte Symbole zu verwenden – die Zahlzeichen oder Ziffern. Wie diese Symbole aussehen, ist dabei mehr oder weniger beliebig. Die Römer verwendeten zum Beispiel Symbole wie C, I oder D. Wir benutzen heute die Symbole 1, 2, 3 und so weiter. Wenn für die Symbole auch noch entsprechende Zahlwörter wie „eins“, „zwei“ oder „drei“ eingeführt werden, können Zahlen sowohl mündlich als auch schriftlich ohne Schwierigkeiten dargestellt werden. 2.2 Zahlensysteme Die Verwendung der Symbole allein hilft allerdings nicht weiter. Es müssen auch eindeutige Regeln für die Verwendung der Symbole festgelegt werden – zum Bei- spiel, welches Symbol für welchen Wert benutzt wird und wie die verschiedenen Symbole kombiniert werden dürfen. Diese Festlegung erfolgt durch das Zahlen- system. Ein mögliches Zahlensystem besteht zum Beispiel darin, die Werte der verschiedenen Symbole zu addieren. Auf solch einem Additionssystem beruhen unter anderem die römischen Zahlen. Sie verwenden die folgenden Symbole: Die Begriffe Zahl und Ziffer werden umgangssprachlich oft gleichbedeutend benutzt. Eine Ziffer im eigentlichen Sinn ist aber genau ein Zeichen, das für die Darstellung von Zahlen benutzt wird – also zum Beispiel 1 oder 2. Eine Zahl dagegen besteht aus einem Zahlzeichen oder einer Kombination von Zahlzeichen. 12 wäre zum Beispiel eine Zahl. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 21 Tabelle 1: Symbole für römische Zahlen Die Ziffern werden einfach hintereinander geschrieben und addiert. Ein Beispiel: DCLX steht für 500 (D), 100 (C), 50 (L) und 10 (X). Die Addition ergibt dann 660. Da jede Ziffer einen festen Wert hat, spielt die Position in der Zahl grundsätzlich keine Rolle. Die römische Zahl XLCD steht ebenfalls für 660. Üblicherweise werden die Ziffern aber von links nach rechts absteigend aufgeschrieben. Ganz links steht der größte Wert und ganz rechts der kleinste. Größere Werte werden durch mehrfache Angabe einer Ziffer dargestellt. Auch dazu ein Beispiel: MMXX steht für 1 000 (M), 1 000 (M), 10 (X) und 10 (X). Die Addition ergibt 2020. Wenn mehr als drei identische Ziffern für die Darstellung einer Zahl erforderlich sind, wird häufig mit einem Subtraktionsverfahren gearbeitet. Dazu wird vor die Zahl der Wert gestellt, der abgezogen werden muss. Die Zahl 9 wird also nicht als VIIII (5 + 1 + 1 + 1 + 1) dargestellt, sondern als IX (10 – 1). Diese Darstellung funktioniert aber nur dann, wenn eindeutig festgelegt wird, dass die Zahlen von links nach rechts gelesen werden müssen und die größeren Werte links stehen. Denn sonst könnte IX ja auch für den Wert 11 stehen (1 + 10). Additionssysteme sind für kleinere Zahlen durchaus sehr gut zu gebrauchen, werden aber bei größeren Werten sehr sperrig. Überlegen Sie einmal… Welchen Wert stellt die folgende römische Zahl dar? MMMDCCLIX MMM steht für 3 000, D für 500, CC für 200, L für 50 und IX für 9. Das Ergeb- nis ist 3 759. Die Römer konnten auch größere Zahlen wie 100 000 oder 1 000 000 darstellen. Welche Techniken dabei eingesetzt wurden, wollen wir uns hier aber nicht ansehen. Bei Interesse finden Sie weitere Informationen in dem Buch von Georges Ifrah. Symbol Zahlenwert I 1 V 5 X 10 L 50 C 100 D 500 M 1 000 © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 22 Eine Ziffer für den Wert 0 brauchten die Römer übrigens nicht. Denn bei einem Additionssystem hat die 0 keinerlei Nutzen. Wichtig wird sie bei einer anderen Art von Zahlensystem, die wir uns jetzt ansehen werden. Überlegen Sie einmal… Nach welchen Regeln werden Zahlen im bei uns gebräuchlichen System dargestellt? Die Antwort ist eigentlich verblüffend einfach. Unser Zahlensystem – das Dezi- malsystem – ist ein Stellenwertsystem und basiert auf den folgenden Regeln: • Es verwendet die Basiszahl 10 und die Ziffern 0 bis 9. • Die Position innerhalb der Zahl – der Stellenwert – bestimmt den Wert der Ziffer. • Als Stellenwerte werden Potenzen der Basiszahl 10 benutzt. Die ganz rechte Ziffer einer Zahl hat immer den Wert 10 0 (1). Dann wird die Potenz nach links um den Wert 1 erhöht. Der zweite Stellenwert ist also 10 1 (10), dann folgen 10 2 (100), 10 3 (1 000) und so weiter. • Der Wert einer Ziffer wird mit ihrem Stellenwert multipliziert. • Anschließend werden die Ergebnisse der Multiplikationen addiert und so die endgültige Zahl ermittelt. Die Zahl 12 345 wird im Dezimalsystem zum Beispiel so aufgegliedert: 1 ϫ 10 4 + 2 ϫ 10 3 + 3 ϫ 10 2 + 4 ϫ 10 1 + 5 ϫ 10 0 = 1 ϫ 10 000 + 2 ϫ 1 000 + 3 ϫ 100 + 4 ϫ 10 + 5 ϫ 1 = 10 000 + 2 000 + 300 + 40 + 5 = 12 345 Anders als ein Additionssystem, das vor allem für große Zahlen sehr viele unterschiedliche Ziffern benötigt, lassen sich bei einem Stellenwertsystem mit den vor- handenen Ziffern beliebig große Zahlen bilden. Die Zahl 123 456 789 steht zum Beispiel für 1 ϫ 10 8 + 2 ϫ 10 7 + 3 ϫ 10 6 + 4 ϫ 10 5 + 5 ϫ 10 4 + 6 ϫ 10 3 + 7 ϫ 10 2 + 8 ϫ 10 1 + 9 ϫ 10 0 = 1 ϫ 100 000 000 + 2 ϫ 10 000 000 + 3 ϫ 1 000 000 + 4 ϫ 100 000 + 5 ϫ 10 000 + 6 ϫ 1 000 + 7 ϫ 100 + 8 ϫ 10 + 9 ϫ 1 = 100 000 000 + 20 000 000 + 3 000 000 + 400 000 + 50 000 + 6 000 + 700 + 80 + 9 Neben den eigentlichen Ziffern, die einen Wert angeben, wird in einem Stellen- wertsystem auch noch die Ziffer 0 benötigt. Überlegen Sie einmal… Warum ist die Ziffer 0 in einem Stellenwertsystem zwingend erforderlich? © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 23 Auch hier ist die Antwort schnell gefunden. Versuchen Sie einfach einmal die römischen Zahlen X und C im Dezimalsystem darzustellen – und lassen Sie dabei die 0 weg. Das Ergebnis ist in beiden Fällen 1. Ein Stellenwertsystem muss also – anders als ein Additionssystem – kennzeichnen können, dass ein Stellenwert nicht besetzt ist. Ein einfaches Weglassen geht nicht, da sich ja sonst die Stellenwerte der anderen Ziffern verändern. Daher wird die 0 verwendet. Für ein Stellenwertsystem können auch beliebige andere Basiszahlen benutzt werden – zum Beispiel die 2, die 3 oder die 5. Die Zahl 1 234 in einem Stellenwert- system mit der Basiszahl 5 lässt sich dann so umrechnen: 1 ϫ 5 3 + 2 ϫ 5 2 + 3 ϫ 5 1 + 4 ϫ 5 0 = 1 ϫ 125 + 2 ϫ 25 + 3 ϫ 5 + 4 ϫ 1 = 125 + 50 + 15 + 4 = 194 Auch Werte größer als 10 können als Basiszahl verwendet werden. Es müssen lediglich Möglichkeiten gefunden werden, Werte größer als 9 durch Ziffern darzustellen. Dazu können zum Beispiel Buchstaben benutzt werden. A steht für 10, B für 11, C für 12, D für 13, E für 14, F für 15 und so weiter. Die Umrechnung einer Zahl FF in einem Stellenwertsystem mit der Basiszahl 16 in das Dezimal- system sieht dann so aus: F ϫ 16 1 + F ϫ 16 0 = 15 ϫ 16 + 15 ϫ 1 = 240 + 15 = 255 Die Zeichen 0 bis 9 für die Ziffern sind übrigens mehr oder weniger willkürlich festgelegt worden. Genauso gut hätten auch andere eindeutige Zeichen verwendet werden können. Auch für die Basiszahl 10 unseres Zahlensystems gibt es im Wesentlichen nur einen wichtigen Grund: Der Mensch kann seine 10 Finger einfach als Rechenhilfe oder zum Zählen benutzen. Die Ziffern in einem Stellenwertsystem beginnen bei 0 und enden beim Wert Basiszahl – 1. Ein Stellenwertsystem mit der Basiszahl 5 arbeitet also mit den Ziffern 0, 1, 2, 3 und 4. Im IT-Bereich spielen neben dem Dezimalsystem noch das Dualsystem mit der Basiszahl 2, das Oktalsystem mit der Basiszahl 8 und das Hexadezi- malsystem mit der Basiszahl 16 eine Rolle. Diese Zahlensysteme werden wir uns im nächsten Studienheft noch genauer ansehen. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 24 Durch die feste Ordnung eignet sich ein Zahlensystem nicht nur zum Zählen oder Rechnen, sondern auch zum Ordnen und Sortieren. So ist zum Beispiel mit der Bezeichnung „das Erste“, „das Zweite“ oder „das Dritte“ genau klar, an welcher Position in einer Reihe sich ein Element befindet. Exkurs: Das Zaunpfahlproblem Auch wenn Zahlensystem feste Regeln haben, gibt es doch einige Probleme, für die weitere Vereinbarungen nötig sind. So ist zum Beispiel bei der Angabe von Zahlenräumen wie 1 bis 5 nicht unbedingt klar, ob die beiden Grenzwerte am unteren und oberen Ende mit dazu gehören oder nicht. Der Zahlenraum 1 bis 5 könnte also folgende Zahlen umfassen: • 2, 3, 4, • 1, 2, 3, 4 oder • 1, 2, 3, 4, 5. Damit ist auch nicht klar, wie viele Werte in dem Zahlenraum 1 bis 5 liegen. Es können entweder 3, 4 oder 5 sein – je nachdem, ob die Grenzwerte mitgezählt werden. Ähnliche Verwirrungen können bei der Nummerierung von Wochentagen, Geburts- tagen und Etagen auftreten. Werden die Wochentage nämlich von 1 an durch- nummeriert, kann beim Durchzählen von Montag bis Montag der Eindruck entstehen, eine Woche habe 8 Tage. Tatsächlich sind es aber nur 7. Bei Geburtstagen dagegen wird in der Regel bei der Nummerierung nicht bei 1 begonnen. Der eigentliche Tag der Geburt wird – wenn Sie so wollen – mit 0 markiert. Danach werden alle folgenden Jahrestage fortlaufend nummeriert. Der 5. Geburtstag leitet damit also das 6. Lebensjahr ein – und nicht wie vielleicht zu vermuten das 5. Deshalb heißt es auch „Ich bin an meinem 5. Geburtstag 5 Jahre alt geworden.“. Die Zahlen, über die die Größe einer Menge angegeben wird, heißen auch Kardinalzahlen. Die Zahlen, über die eine Ordnung angegeben wird, hei- ßen Ordinalzahlen. Eins, Zwei und Drei sind zum Beispiel Kardinalzahlen. Erstes, Zweites und Drittes dagegen sind Ordinalzahlen. Abb. 7: 8 Tage von Montag bis Montag © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 25 Abb. 8: Die Geburtstage Für dieses Problem der abweichenden Zählung gibt es sogar einen Namen – das Zaunpfahlproblem. Es beschreibt eine Verschiebung um genau den Wert 1. Überlegen Sie einmal ganz spontan, … wie viele Pfosten Sie für einen 10 Meter langen geraden Zaun benötigen, wenn die Pfosten genau 1 Meter Abstand haben. Die Rechnung 10 : 1 und das Ergebnis 10 liegen zwar nahe, sind aber falsch. Denn sowohl am Anfang als auch am Ende des Zauns wird je ein Pfosten benö- tigt – insgesamt also 11. Abb. 9: Das Zaunpfahlproblem Das Zaunpfahlproblem hat beim Programmieren von Computern besondere Bedeu- tung, da zum Beispiel in vielen Programmiersprachen Aufzählungen gleicher Ele- mente mit 0 als Nummerierung beginnen. Mehr dazu erfahren Sie im weiteren Verlauf des Lehrgangs. Zusammenfassung Beim Zählen werden Zahlen nach festen vorgegebenen Regeln benutzt. Kleinere Mengen kann der Mensch auch ohne „Zählen“ auseinanderhalten. Für größere Mengen benötigt der Mensch Hilfsmittel – zum Beispiel die Finger. Bei sehr großen Mengen müssen Symbole wie Zahlen eingesetzt werden. Ein Zahlensystem regelt die Verwendung von Symbolen zur Darstellung von Zah- len. Bei einem Additionssystem werden die Werte der verschiedenen Symbole addiert. Bei einem Stellenwertsystem dagegen entscheidet die Position der Ziffer in der Zahl auch über den Wert. Die Ziffer 0 wird in einem Stellenwertsystem benötigt, um anzuzeigen, dass ein Stellenwert nicht besetzt ist. Beim Verarbeiten von Zahlenbereichen muss geregelt werden, ob die Grenzwerte mitgezählt werden. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 26 II. Aufgaben zur Selbstüberprüfung Überprüfen Sie nun bitte Ihr neu erworbenes Wissen. Lösen Sie die Aufgaben zunächst selbstständig und vergleichen Sie anschließend Ihre Lösungen mit den Angaben im Anhang. 1. Wie viele Elemente kann der Mensch auch ohne „Zählen“ direkt erfassen? _________________________________________________________________________ 2. Was unterscheidet eine Zahl und eine Ziffer? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 3. Wie wird üblicherweise die Zahl 4 mit römischen Zahlen dargestellt? Warum? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 4. Was entscheidet bei einem Stellenwertsystem über den Wert einer Ziffer in einer Zahl? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 5. Was unterscheidet Kardinal- und Ordinalzahlen? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ A A © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 27 3 Geschichte der Informationstechnik In dieser Lektion unternehmen wir einen Ausflug in die Geschichte der Informa- tionstechnik. 3.1 Die Entwicklung der Rechenmaschinen Die Informatik als Wissenschaft ist noch sehr jung. In Deutschland begann die Ausbildung von Diplom-Informatikern zum Beispiel erst im Wintersemester 1969/ 1970. Hilfsmittel zum Rechnen werden aber bereits seit ungefähr 1100 v. Chr. eingesetzt. Diese Hilfsmittel wurden im Laufe der Zeit immer weiter verbessert, bis schließlich der universell einsetzbare Computer entstand. Schauen wir uns einige wichtige Meilensteine bei der Entwicklung der Rechen- maschinen etwas genauer an. • Abakus (um 1100 v. Chr.) Der Abakus – abgeleitet vom griechischen Wort abax („Platte“) – ist ein Rechen- brett, auf dem Zahlen mithilfe von Perlen oder Steinen dargestellt werden. Grundsätzlich ermöglicht er neben den Grundrechenarten auch komplexe Rechen- operationen wie das Ziehen von Wurzeln. Bei den Grundrechenarten Addition und Subtraktion ist ein geübter Anwender mit einem Abakus unter Umständen sogar schneller als mit einem Taschenrech- ner. Andere Rechenoperationen dauern dagegen in der Regel länger, da sie auf die Grundrechenarten Addition und Subtraktion zurückgeführt werden müssen. In Asien sind der Abakus und Varianten des Abakus heute noch in Gebrauch. Abb. 10: Ein Abakus (hier ein japanischer Soroban, Quelle: www.joernluetjens.de) Wie die Grundrechenarten Multiplikation und Division durch Additionen und Subtraktionen abgebildet werden können, lernen Sie im nächsten Stu- dienheft. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 28 • Der Mechanismus von Antikythera (um 80 v. Chr.) Der Mechanismus von Antikythera – auch Computer von Antikythera genannt – ist ein mechanischer Apparat mit Zahnrädern. Er wurde wahrscheinlich eingesetzt, um die Bewegung von Himmelskörpern zu berechnen. • Rechenstäbchen von John Napier (1617) Im Jahr 1617 veröffentlichte der schottische Mathematiker John Napier ein Buch, in dem er ein Hilfsmittel zur Multiplikation und Division von Zahlen beschreibt – die Napierschen Rechenstäbchen. John Napier gilt auch als einer der Erfinder des Logarithmus. • Rechenschieber von William Oughtred (1621) Im Jahr 1621 oder 1622 entwickelte der englische Mathematiker William Ought- red einen Rechenschieber, der neben den einfachen Grundrechenarten wie Addi- tion und Subtraktion auch komplexere Rechenoperationen wie Potenzieren oder Wurzelziehen unterstützte. Die Rechenschieber wurden im Laufe der Zeit immer weiter entwickelt und erst gegen 1970 langsam durch die Taschenrechner verdrängt. Abb. 11: Ein typischer Rechenschieber (Quelle: www.joernluetjens.de) • Rechenmaschine von Wilhelm Schickard (1623) Im Jahr 1623 konstruierte der deutsche Astronom und Mathematiker Wilhelm Schickard eine mechanische Rechenmaschine, die Zahlen mit mehreren Stellen addieren und subtrahieren konnte. Für die Multiplikation und Division waren auf der Maschine Napiersche Rechenstäbchen angebracht. Der Logarithmus gehört zu den elementaren mathematischen Funktionen. Über die Logarithmenrechnung kann der Exponent in einer Gleichung ermittelt werden. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 29 Abb. 12: Die Rechenmaschine von Wilhelm Schickard (Bild von Herbert Klaeren) • Addiermaschine von Blaise Pascal (1642) Im Jahr 1642 oder 1643 stellte der französische Physiker und Mathematiker Blaise Pascal eine mechanische Rechenmaschine vor, die mehrstellige Zahlen addieren konnte. Diese Maschine – Pascaline oder „roue Pascal“ 1 genannt – arbeitete mit einer mechanischen Steuerung, die per Hand über eine Kurbel in Betrieb genommen wurde. Dieses Prinzip fand sich auch noch lange Jahre später bei mechanischen Registrierkassen. Abb. 13: Eine Pascaline (Bild von David Monniaux) 1. roue kommt aus dem Französischen und bedeutet übersetzt „Rad“. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 30 • Rechenmaschine von Gottfried Wilhelm Leibniz (1673) 1673 stellte der deutsche Wissenschaftler Gottfried Wilhelm Leibniz in London eine Rechenmaschine vor, die mit Staffelwalzen und einer aufwendigen Mechanik arbeitete. Die Maschine konnte die vier Grundrechenarten durchführen, war allerdings mechanisch wohl sehr anfällig. Leibniz schuf mit der Konstruktion die Grundlage für viele weitere mechanische Rechenmaschinen. Außerdem setzte er sich bei der Konstruktion intensiv mit dem Dualsystem auseinander. Es ist auch heute noch die Basis für die Arbeit vieler Computer. Abb. 14: Eine Rechenmaschine von Leibniz (Quelle: Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Bibliothek Hannover) • Rechenmaschine von Philipp Matthäus Hahn (1774) Die Rechenmaschine von Leibniz wurde von dem deutschen Pfarrer Philipp Mat- thäus Hahn weiterentwickelt. Er konnte um 1774 erstmals eine alltagstaugliche mechanische Rechenmaschine präsentieren. Mehr zum Dualsystem erfahren Sie im nächsten Studienheft. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 31 Abb. 15: Die Rechenmaschine von Philipp Matthäus Hahn (Quelle: www.buchegger.de) • Lochstreifen von Joseph-Marie Jacquard (1805) Im Jahr 1805 setzte der französische Erfinder Joseph-Marie Jacquard lange Strei- fen mit gelochten Holzplättchen zur Steuerung von Webstühlen ein. Über die Löcher in den Plättchen wurde dabei ein Muster vorgegeben, das der Webstuhl mechanisch abtastete. Die Streifen konnten ausgetauscht werden und ein Web- stuhl damit verschiedene Muster produzieren. Die Webstühle von Jacquard gelten als die ersten programmierbaren Maschinen. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 32 Abb. 16: Ein Jacquard-Webstuhl (Bild von Rama) • Die analytische Maschine von Charles Babbage (1833) Die Idee der Lochkarten beziehungsweise Lochstreifen wurde von dem englischen Mathematiker und Erfinder Charles Babbage in seiner Analytic Machine – der analytischen Maschine – weiterverfolgt. Er wollte Lochkarten zur Steuerung von Operationen benutzen. Dazu sollten mehrere Lochkarten nacheinander eingegeben werden, die von der Maschine abgearbeitet wurden. Außerdem verfügte die analytische Maschine über einen Speicher und verschiedene Ausgabemöglichkeiten. Babbage entwickelte die Maschine allerdings vor allem in der Theorie. Ein wirk- lich funktionierendes Exemplar konnte er nie bauen. Spätere Nachbauten haben aber ergeben, dass die Maschine durchaus funktioniert hätte. Die analytische Maschine gilt als Vorläufer der modernen Computer. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 33 Abb. 17: Ein Nachbau der analytischen Maschine von Charles Babbage (Bild von Marcin Wichary) • Lochkartenmaschine von Hermann Hollerith (1888) Im Jahr 1888 setzte der amerikanische Ingenieur Hermann Hollerith zum ersten Mal ein elektromechanisches System ein, das Lochkarten lesen, sortieren und aus- werten konnte. Diese Lochkarten basierten auf der Erfindung des Franzosen Joseph-Marie Jacquard und wurden von Hollerith perfektioniert. Die Karten – auch Hollerith-Karten genannt – bestanden aus einem Stück recht- eckigen Karton. Durch Löcher an vorgegebenen Positionen konnten Informationen auf den Karten „gespeichert“ werden. Dazu wurden spezielle Stanzen verwendet. Durch Lochkartenleser ließen sich die Informationen wieder zurücklesen. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 34 Abb. 18: Eine typische Lochkarte Die Maschinen von Hollerith wurden 1890 bei der 11. Volkszählung in den USA erstmals in größerem Umfang eingesetzt. Dadurch konnten der Aufwand und auch die Zeit für die Auswertung drastisch reduziert werden. Zum Teil finden sich Nachfolger der Lochkartenmaschinen immer noch im Einsatz – zum Beispiel in chemischen Reinigungen. Hermann Hollerith gründete 1896 die Firma Tabulating Machine Company, die nach verschiedenen Übernahmen und Fusionen 1924 zum Unternehmen Interna- tional Business Machines Corporation (IBM) wurde. IBM gehört auch heute noch zu den führenden Unternehmen im IT-Bereich. • Z3 von Konrad Zuse (1941) 1941 entwickelte der Deutsche Konrad Zuse zusammen mit Helmut Schreyer seine erste elektromechanische Rechenmaschine mit circa 2 600 Relais – die Z3. Die Maschine gilt heute als erster funktionsfähiger programmgesteuerter Rechen- automat. Sie konnte verschiedene Rechenoperationen durchführen. Die Anweisun- gen für die Berechnungen wurden mit Lochstreifen kodiert und eingelesen. Die Zahlen, die verarbeitet werden sollten, wurden über eine Art Tastatur mit der Hand eingegeben. Ein Relais ist ein elektromagnetischer Schalter. Mehr zu Relais erfahren Sie gleich. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 35 Abb. 19: Die Zuse Z3 (Bild von Venusianer) Der Name Z3 leitet sich aus dem Namen Zuse und einer fortlaufenden Nummer ab. Die erste Maschine – die Z1 – arbeitete komplett mechanisch. Die zweite Maschine – die Z2 – dagegen war vor allem für den Test von Relais gedacht. Nach der Z3 folgten später noch weitere Rechner – zum Beispiel die Z4 oder die Z22. Nach der Vorstellung der Z3 ging es Schlag auf Schlag. • Atanasoff-Berry-Computer von John Atanasoff und Clifford Berry (1941) Der Atanasoff-Berry-Computer gilt erster elektronischer Digitalrechner. Er war allerdings nicht frei programmierbar, sondern wurde ausschließlich für das Lösen großer Gleichungssysteme eingesetzt. Ein Digitalrechner arbeitet mit eindeutigen Zuständen. In der Regel werden lediglich zwei Zustände unterschieden – „Strom fließt“ und „Strom fließt nicht“ beziehungsweise 1 und 0. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 36 • Colossus (1943) Die Colossus-Rechner wurden im 2. Weltkrieg in England zum Entschlüsseln von geheimen Nachrichten der deutschen Wehrmacht eingesetzt. Sie waren ebenfalls nicht frei programmierbar, sondern konnten nur für das Dechiffrieren der Nach- richten genutzt werden. Die grundlegenden Ideen zur Konstruktion der Colossus-Rechner gehen auf den englischen Mathematiker Alan Turing zurück. Er gilt als einer der Vorreiter der theoretischen Informatik. Von ihm stammt auch das Modell der Turing-Maschine, mit der Sie sich in einem späteren Studienheft beschäftigen werden. • Mark I von Howard Aiken (1944) In den Jahren 1943 und 1944 entwickelte der Mathematik Howard H. Aiken in den USA einen elektromechanischen Rechner – den Automatic Sequence Cont- rolled Computer (ASCC) oder Mark I. Die Maschine bestand aus über 700 000 Einzelteilen und hatte enorme Ausmaße. Sie war 15 Meter lang, 2,50 Meter hoch und wog stolze 35 Tonnen. Abb. 20: Der Mark I von Howard Aiken • ENIAC von John Presper Eckert und John William Mauchly (1946) Im Jahr 1946 stellten die Amerikaner John Presper Eckert und John William Mauchly den ersten elektronischen Computer vor – den ENIAC (Electronic Nume- rical Integrator and Computer). Er arbeitete mit Elektronenröhren und war dadurch deutlich schneller als zum Beispiel die Z3. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 37 • TRADIC (1955) Im Jahr 1955 wurde der erste transistorgesteuerte Computer fertig – der TRADIC (Transistorized Airborne Digital Computer). Er gilt als der erste Rechner der 2. Computergeneration. • Der erste PC (1973) 1973 schließlich brachte XeroxPARC (Xerox Palo Alto Research Center) den Com- puter Xerox Alto auf den Markt. Er arbeitete mit einem Mikroprozessor und gilt als der erste PC. Eingesetzt wurde er aber vor allem in der Forschung. Für den Massenmarkt war das Gerät zu groß und auch zu teuer. Abb. 21: Der Xerox-Alto-Computer Der eigentliche Siegeszug der PCs begann 1978 mit der Vorstellung des Mikropro- zessors 8086 der Firma Intel. Er wurde unter anderem in den PCs der Firma IBM verbaut. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 38 So viel zu der Entwicklung der Rechenmaschinen. 3.2 Vom Relais zum Chip Wie Sie ja bereits wissen, werden alle Prozesse innerhalb eines herkömmlichen Computers über die Zustände „Strom fließt“ beziehungsweise „Strom fließt nicht“ dargestellt. Um diese beiden Zustände abbilden zu können, wurden in den ersten digitalen Rechnern wie der Z3 oder dem MARK I Relais verwendet. Abb. 22: Ein modernes Relais (Quelle: de.digikey.com) Ein Relais ist ein elektromagnetischer Schalter, bei dem durch einen Elektro- magneten ein Stromkreis geöffnet oder geschlossen wird. Im Gegensatz zu einem einfachen Schalter, der von Hand betätigt werden muss, öffnet und schließt beim Relais der Strom selbst den Stromkreis. Relais sind vergleichsweise langsam und auch sehr wartungsintensiv, da sich die Kontakte im Laufe der Zeit abnutzen und verschmutzen. Außerdem nehmen Relais sehr viel Platz in Anspruch. Sie wurden daher bei Computern zunächst durch die Elektronenröhren abgelöst – ein elektronisches Bauelement ohne mechanische Teile. Es arbeitet sehr viel schneller als die trägen Relais. PC steht für Personal Computer (engl.: „persönlicher Computer“). Damit wurden ursprünglich Computer bezeichnet, die direkt am Arbeitsplatz von einer Person eingesetzt werden konnten. Heute sind damit aber auch mobile Varianten wie zum Beispiel Notebooks gemeint. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 39 Abb. 23: Eine Elektronenröhre Allerdings erzeugen Elektronenröhren sehr viel Wärme und sind recht störanfäl- lig. Außerdem sind sie – genau wie Relais – vergleichsweise groß. Der erste große Schritt auf dem Weg zu kleineren und gleichzeitig schnelleren Computer war daher die Erfindung des Transistors – eines Halbleiterbauelements. Er wurde 1948 von den Amerikanern John Bardeen, Walter Brittain und William Shockley in den Bell-Laboratorien vorgestellt. Ein Transistor gleicht in seiner Funktion einer Elektronenröhre, ist aber erheblich kleiner. Er benötigt nur wenig Energie und gibt kaum Wärme ab. Außerdem erlaubt ein Transistor hohe Schaltgeschwindigkeiten und ist nahezu unbegrenzt haltbar. Damit ist er das ideale Schaltelement für eine mikroelektronische integrierte Schaltung – auch IC (Integrated Circuit) oder Chip 1 genannt. Die erste integrierte Schaltung wurde im Jahr 1958 vom Amerikaner Jack Kilby vorgestellt. Sie bestand aus lediglich zwei Transistoren. Heute befinden sich auf modernen ICs mehrere Milliarden Schaltelemente auf einigen wenigen Quadrat- zentimetern. Unter einem Halbleiter versteht man – allgemein ausgedrückt – einen Stoff, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen Leitern wie Metallen und Nichtleitern wie Kunststoffen liegt. Halbleiterstoffe sind Silizium, Germa- nium, Selen und Galliumarsenid. 1. Chip bedeutet übersetzt so viel wie „Span, Splitter“. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 40 Abb. 24: Ein Chip (hier ein Prozessor von Intel, Quelle: www.intel.com) Nach dem Mooreschen Gesetz 1 ist davon auszugehen, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle 18 Monate verdoppeln lässt. Damit werden die ICs immer kleiner beziehungsweise immer leistungsfähiger. Die Speicherkapazität der Computer vervierfacht sich alle 3 Jahre, gleichzeitig verzehnfacht sich die Geschwindigkeit alle 3 ½ Jahre. Exkurs: Die Herstellung eines Chips Die Herstellung eines Chips erfolgt in einem mehrstufigen Prozess. Die Grundlage bildet dabei ein sogenannter Wafer (engl. „Waffel“) – eine circa ein Zentimeter dicke Scheibe aus Silizium. Auf den Wafer werden die Schaltungsmuster von zum Teil mehreren Hundert Chips aufgebracht. Dabei werden auch mehrere Schichten übereinandergelegt. Im letzten Schritt der Herstellung werden die einzelnen Chips auf dem Wafer wieder getrennt. 1. Das Mooresche Gesetz geht auf Gordon Earle Moore zurück. Er ist Mitbegründer der Firma Intel, die zu den größten Herstellern von PC-Mikroprozessoren gehört. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 41 Abb. 25: Ein Wafer in der Chipherstellung (Quelle: www.intel.com) 3.3 Ideen und Konzepte Kommen wir zum Abschluss dieser Lektion noch zu den grundlegenden Ideen und Konzepten, die für die Entwicklung der Informationstechnik und Informatik wichtig waren. Ein wesentlicher Schritt war die Beschreibung des Dualsystems durch Gott- fried Wilhelm Leibniz im Jahr 1703. Dieses System mit genau zwei Zuständen bildet die Grundlage der digitalen Rechentechnik. Im Jahr 1847 wurde durch den englischen Mathematiker George Bool die Aus- sagenlogik – auch Boolsche Algebra genannt – begründet. Sie erlaubt die Ver- knüpfung von logischen Aussagen und arbeitet ebenfalls nur mit zwei Zuständen – nämlich wahr und falsch. Die Aussagenlogik ist eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung von Schaltnetzen und Schaltwerken, die zum Beispiel für die elektronische Addition von Zahlen benötigt werden. Ein weiterer Schritt war die Konzeption der Turing-Maschine durch den englischen Mathematiker Alan Turing im Jahr 1936. Sie bildet eine wichtige Grund- lage für die maschinelle Lösbarkeit von Problemen. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 42 Eine weitere Grundlage für die Entwicklung moderner Computer ist die Von- Neumann-Architektur. Sie wurde 1945 von dem Amerikaner John von Neu- mann entwickelt und beschreibt den Aufbau eines Rechners mit folgenden Kom- ponenten: • Prozessor mit Rechen- und Steuerwerk, • Speicher sowie • Ein- und Ausgabewerk. Der Prozessor führt Berechnungen aus. Außerdem steuert und überwacht er die Verarbeitung. Die Berechnung übernimmt das Rechenwerk. Die Steuerung und Überwachung erfolgen dagegen durch das Steuerwerk. Der Speicher sichert Befehle und Daten während der Verarbeitung. Er stellt sie auf der einen Seite dem Prozessor zur Verfügung, nimmt auf der anderen Seite aber auch Ergebnisse von Berechnungen auf. Das Ein- und Ausgabewerk kümmert sich um die Kommunikation mit der Umwelt. Es nimmt zum Beispiel Eingaben entgegen und leitet Ausgaben weiter. Die Verbindung der Komponenten untereinander wird über einen Bus hergestellt. Mit dem Dualsystem, der Aussagenlogik und der Turing-Maschine werden Sie sich in anderen Studienheften noch intensiv beschäftigen. Die gemeinsame Speicherung von Befehlen und Daten in ein und demselben Speicher ist ein wesentliches Merkmal der Von-Neumann-Architektur. Ein Bus ist – allgemein ausgedrückt – ein System zur Datenübertragung. Alle angeschlossenen Komponenten nutzen denselben Übertragungsweg. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 43 Abb. 26: Die Von-Neumann-Architektur Bei der Ausführung eines Programms merkt sich das Steuerwerk zunächst die Adresse im Speicher, an der die erste Anweisung des Programms steht. Dazu wird ein spezieller Bereich des Steuerwerks verwendet – der Befehlszähler. Nach der Ausführung einer Anweisung wird der Befehlszähler erhöht und die nächste Anweisung gelesen. Diese Schritte wiederholen sich so lange, bis das Pro- gramm vollständig ausgeführt wurde. Die Grundstruktur der Von-Neumann-Architektur findet sich heute bei nahezu allen Personal Computern wieder. Zusammenfassung Hilfsmittel zum Rechnen werden bereits seit langer Zeit eingesetzt. Zu den ältes- ten Hilfsmitteln gehört zum Beispiel der Abakus – ein Rechenbrett. Bekannte mechanische Rechenmaschinen wurden von Wilhelm Schickard, Blaise Pascal und Gottfried Wilhelm Leibniz konstruiert. 1941 stellten Konrad Zuse und Helmut Schreyer die Z3 vor. Sie gilt als erster funktionsfähiger programmgesteuerter Rechenautomat. Der Atanasoff-Berry-Computer aus dem Jahr 1941 gilt erster elektronischer Digi- talrechner. Er war allerdings nicht frei programmierbar. Der Eniac aus dem Jahr 1946 war der erste Computer, der mit Elektronenröhren arbeitete. Im Jahr 1973 kam der erste PC auf den Markt. Ein wesentlicher Schritt hin zu kleinen kompakten Computern war die Erfindung des Transistors. Er ist sehr klein und damit das ideale Schaltelement für integrierte Schaltungen. Wichtige Ideen und Konzepte für die Entwicklung der Informationstechnik und Informatik waren unter anderem die Beschreibung des Dualsystems, die Boolsche Algebra, die Turing-Maschine und die Von-Neumann-Architektur. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 44 III. Aufgaben zur Selbstüberprüfung Überprüfen Sie nun bitte Ihr neu erworbenes Wissen. Lösen Sie die Aufgaben zunächst selbstständig und vergleichen Sie anschließend Ihre Lösungen mit den Angaben im Anhang. 1. Was sind die Napierschen Rechenstäbchen? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 2. Wann wurde der Rechenschieber erfunden? Bis wann wurde er eingesetzt? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 3. Welche Besonderheiten wiesen die Webstühle von Joseph-Marie Jacquard auf? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 4. Welche Maschine gilt als Vorgänger moderner Computer? Von wem wurde diese Maschine entwickelt? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 5. Mit welchen Schaltelementen arbeitete die Z3 von Konrad Zuse? _________________________________________________________________________ 6. Warum schaltet eine Elektronenröhre schneller als ein Relais? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ A © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 45 7. Was ist das Mooresche Gesetz? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ A © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 46 4 Hard- und Software Zum Abschluss dieses Studienheftes wollen wir uns noch einige grundlegende Begriffe ansehen, die für den Lehrgang von Bedeutung sind. Moderne Computeranlagen bestehen immer aus zwei Komponenten: 1. der Hardware und 2. der Software. Hard- und Software sind direkt aufeinander angewiesen: Ohne Hardware können die Befehle nicht ausgeführt werden, ohne Software weiß die Hardware nicht, was sie erledigen soll. Diese Abhängigkeit ist ähnlich wie bei einem CD-Spieler in der Unterhaltungselektronik: Mit dem Gerät alleine können Sie nicht viel anfangen, da die Musik auf den CDs gespeichert ist. Haben Sie dagegen nur die CDs, aber keinen CD-Spieler, können Sie die CDs nicht abspielen. Abb. 27: Zusammenspiel von Hard- und Software Die Hardware – wörtlich übersetzt „Eisenwaren“ – umfasst die Geräte der Informationstechnik. Die Software – wörtlich übersetzt „weiche Waren“ – liefert vor allem die Anweisungen, die die Geräte ausführen sollen. Die Anweisungen werden dabei zu Programmen zusammengefasst. Anders als die Hardware ist die Software nicht greifbar. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 47 4.1 Hardware Die Hardware einer Computeranlage besteht normalerweise aus mehreren Gerä- ten, die unterschiedliche Aufgaben haben. Abb. 28: Geräte einer Computeranlage (mit freundlicher Genehmigung von Dell Inc.) Das Herzstück bildet die Systemeinheit. Hier erfolgt vor allem die Verarbeitung der Daten. An die Systemeinheit angeschlossen beziehungsweise in die Systemein- heit eingebaut werden die Peripheriegeräte wie Tastatur, Drucker, Bildschirm und externe Speicher. Die Peripheriegeräte übernehmen vor allem die Ein- und Aus- gabe sowie die Speicherung und Übertragung der Daten. Tabelle 2: Die Aufgaben der Systemeinheit und der Peripheriegeräte Die Systemeinheit und die Peripheriegeräte stehen in direkter Abhängigkeit und ergänzen sich gegenseitig. Ohne Ein- und Ausgabegeräte ist die Systemeinheit nutzlos, da Sie weder Daten oder Befehle eingeben können noch die Ergebnisse der Verarbeitung sichtbar werden. Genauso nützt ein Ausgabegerät wenig, wenn keine Systemeinheit Daten zur Ausgabe liefert. Aufgabe Geräte Eingabe Eingabegeräte wie Tastatur und Maus Verarbeitung Zentraleinheit (Bestandteil der Systemeinheit) Ausgabe Ausgabegeräte wie Beispiel Drucker und Bildschirm Speicherung Speichergeräte wie Festplatte und optische Speicher Übertragung Übertragungsgeräte wie Netzwerkkarten © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 48 So viel zur Hardware. Kommen wir nun zur Software. 4.2 Software Grundsätzlich lässt sich Software in zwei große Gruppen unterteilen: 1. die Systemsoftware und 2. die Anwendungssoftware. Die Systemsoftware ist immer konkret für eine spezielle Hardware beziehungsweise Hardware-Familie entwickelt – zum Beispiel für Personal Computer oder einen bestimmten Großrechner-Typ. Der wichtigste Teil der Systemsoftware sind die Betriebssysteme. Sie steuern interne Prozesse wie die Verwaltung der Datenträger und die Koordination der Ein- und Ausgabe. Dazu gehört auch die Behandlung von eventuell auftretenden Fehlern. Außerdem stellen sie Anwendungsprogrammen wichtige Funktionen wie Laden, Speichern oder Drucken zur Verfügung und bieten dem Anwender eine Schnittstelle zur Bedienung des Computers. Zur Systemsoftware werden außerdem Programme gezählt, die Hilfe bei der Nut- zung und Wartung eines Computers anbieten – zum Beispiel Anwendungen zur Pflege und Verwaltung von Datenträgern wie Festplatten, Anwendungen zum Sichern von Daten oder Anwendungen zum Anzeigen von Systeminformationen. Diese Dienstprogramme gehören bei vielen modernen Betriebssystemen mit zum Lieferumfang. Ein weiterer Bestandteil der Systemsoftware sind Anwendungen zur Entwick- lung von Computerprogrammen. Dazu gehören zum Beispiel die Programmier- sprachen. Anwendungssoftware wird für die Lösung bestimmter Aufgaben eingesetzt – zum Beispiel für das Erfassen und Bearbeiten von Texten oder für Berechnungen in Tabellen. Anwendungssoftware setzt dabei in der Regel auf die Systemsoftware auf. Das heißt, sie benutzt Funktionen, die zum Beispiel das Betriebssystem zur Verfügung stellt. Computeranlagen bestehen daher in der Regel mindestens aus der Syste- meinheit mit verschiedenen externen Speichern, Tastatur und Maus für die Dateneingabe sowie Bildschirm und Drucker für die Datenausgabe. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 49 Abb. 29: Zusammenspiel von System- und Anwendungssoftware Anwendungssoftware lässt sich weiter untergliedern in: • Standardprogramme, die für einen großen Markt produziert werden und universell einsetzbar sind, • Branchenprogramme, die speziell auf die Bedürfnisse einer bestimmten Branche – zum Beispiel den Betrieb eines Krankenhauses oder einer Drucke- rei – zugeschnitten sind, und • Individualprogramme, die speziell für einen Auftraggeber zur Lösung eines spezifischen Problems – zum Beispiel die Steuerung einer ganz bestimmten Maschine – erstellt werden. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 50 Abb. 30: Gliederung von Software Neben den eigentlichen Programmen werden häufig auch die Daten, die von einem Programm verarbeitet werden und die Dokumentationen, die für den Ein- satz eines Programms benötigt werden, zur Software gezählt. Balzert definiert Software zum Beispiel so: „Software sind Programme, zugehörige Daten und notwendige Dokumentati- onen, die es zusammengefasst erlauben, mithilfe eines Computers Aufgaben zu erledigen.“ (Balzert, S. 4) © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 51 Abb. 31: Der Begriff „Software“ weiter gefasst Zusammenfassung Computeranlagen bestehen aus der Hardware und der Software. Die Hardware umfasst sämtliche Geräte. Eine Computeranlage besteht in der Regel aus mehreren unterschiedlichen Geräten, die verschiedene Aufgaben über- nehmen. Software liefert vor allem die Anweisungen, die die Geräte ausführen sollen. Soft- ware lässt sich in Systemsoftware und Anwendungssoftware untergliedern. Hard- und Software sind aufeinander angewiesen. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 52 IV. Aufgaben zur Selbstüberprüfung Überprüfen Sie nun bitte Ihr neu erworbenes Wissen. Lösen Sie die Aufgaben zunächst selbstständig und vergleichen Sie anschließend Ihre Lösungen mit den Angaben im Anhang. 1. Welche Geräte müssen in einer Computeranlage vorhanden sein, damit die Anlage sinnvoll eingesetzt werden kann? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 2. Was sind Peripheriegeräte? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 3. Nennen Sie mindestens drei Beispiele für Programme, die zur Systemsoft- ware gezählt werden. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 4. In welche drei großen Bereiche wird die Anwendungssoftware untergliedert? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ A © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 53 5. Kann Anwendungssoftware ohne Systemsoftware eingesetzt werden? Begrün- den Sie bitte Ihre Antwort. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ A © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 54 5 Schlusswort In diesem Studienheft haben Sie sich vor allem mit der Geschichte der Informatik und der Zahlen beschäftigt. Sie kennen jetzt wichtige Entwicklungen auf dem Weg zum Computer und haben sich auch schon kurz mit einigen Grundideen und Konzepten beschäftigt. Außerdem wissen Sie, warum Zahlen erfunden wurden und welche Regeln beim Einsatz von Zahlen gelten. Mehr zu Themen wie Binärsystem, Boolsche Algebra oder Turing-Maschine erfahren Sie in den folgenden Studienheften. Im nächsten Studienheft geht es zum Beispiel unter anderem um Zahlensysteme und die Umrechung zwischen verschiedenen Zahlensystemen. Außerdem erfahren Sie, wie Rechenoperationen von einem Computer intern abgebildet werden. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 55 6 Anhang 6.1 Literaturverzeichnis Balzert, Helmut Lehrbuch Grundlagen der Informatik. Konzepte, Notationen in UML, Java, C++, Algorithmik und Software-Technik Spektrum Akademischer Verlag, 1999 ISBN 3-8274-0358-0 Duden – Das Fremdwörterbuch (CD-ROM) 9. Auflage, Mannheim 2007 Gumm, Heinz-Peter/ Sommer, Manfred Einführung in die Informatik Verlag, 8., vollständig überarbeitete Auflage, Oldenbourg, 2008 ISBN 978-3-4865-8724-1 Herold, Helmut/ Lurz, Bruno/ Wohlrab, Jürgen Grundlagen der Informatik Pearson Studium, 2007 ISBN 978-3-8273-7305-2 Ifrah, Georges Universalgeschichte der Zahlen. Sonderausgabe Campus, 1998 ISBN 3-88059-956-4 6.2 Lösungen der Aufgaben zur Selbstüberprüfung Vergleichen Sie Ihre eigenen Lösungen mit den folgenden Antworten. Bei freier Formulierung kommt es nicht auf wörtliche Übereinstimmung an, sondern auf inhaltliche. Sind Sie zu einem anderen Ergebnis gekommen, sollten Sie das entsprechende Kapitel dieses Studienheftes wiederholen und die zuge- hörige Aufgabe nach einer Pause noch einmal schriftlich lösen. Gegebenenfalls berichtigen Sie Ihr Ergebnis nach einem erneuten Vergleich. Lassen Sie kein fal- sches Ergebnis stehen. I. 1. Der Begriff Informatik wurde 1957 in Deutschland eingeführt. 2. Informatik ist die Wissenschaft von der maschinellen Informationsverarbei- tung. Informationstechnik dagegen ist ein Oberbegriff für die Verarbeitung von Informationen und die dabei eingesetzte Hard- und Software. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 56 3. Die Informatik wird in folgende Teilbereiche untergliedert: • theoretische Informatik, • technische Informatik, • praktische Informatik und • angewandte Informatik. 4. Der Begriff „Kerninformatik“ fasst die theoretische, die technische und die praktische Informatik zusammen. 5. Zu den staatlich anerkannten Ausbildungsberufen im IT-Bereich gehören: • Fachinformatiker für die Bereiche „Anwendungsentwicklung“ oder „Sys- temintegration“, • Informatikkaufmann, • IT-Systemkaufmann und • IT-Systemelektroniker. Für die richtige Lösung reicht es, wenn Sie zwei Berufe genannt haben. 6. Ein Software-Ingenieur entwickelt Computerprogramme. Dazu analysiert er ein System zunächst und entwirft eine Lösung. Die Umsetzung dieser Lösung mit einer Programmiersprache erfolgt durch den Programmierer. 7. Ein Datenbank-Administrator kümmert sich vor allem um die Verwaltung und Pflege von Datenbanken. II. 1. Der Mensch kann kleine Mengen mit bis zu vier oder fünf Elementen ohne Zählen direkt erfassen. 2. Eine Ziffer ist genau ein Zeichen, das für die Darstellung von Zahlen benutzt wird – also zum Beispiel 1 oder 2. Eine Zahl dagegen besteht aus einem Zahlzeichen oder einer Kombination von Zahlzeichen. 12 wäre zum Beispiel eine Zahl. 3. Die Zahl 4 wird mit römischen Zahlen als IV dargestellt. Eigentlich wäre die Darstellung in einem Additionssystem IIII. Mehr als drei identische Zeichen werden aber bei den römischen Zahlen nicht benutzt. Die Darstellung erfolgt dann mit einem Subtraktionsverfahren. Vom Wert V (5) wird I (1) abgezogen. 4. Über den Wert einer Ziffer in einer Zahl entscheidet bei einem Stellenwert- system die Position. Sie legt fest, mit welcher Potenz der Basiszahl die Ziffer multipliziert wird. 5. Kardinalzahlen geben die Größe einer Menge an. Ordinalzahlen dagegen geben eine Ordnung an. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 57 III. 1. Die Napierschen Rechenstäbchen sind ein Hilfsmittel zur Multiplikation und Division. Sie wurden 1617 von dem Schotten John Napier vorgestellt. 2. Der Rechenschieber wurde um 1620 erfunden. Er wurde erst gegen 1970 langsam vom Taschenrechner verdrängt. 3. Die Webstühle von Joseph-Marie Jacquard wurden über lange Streifen mit gelochten Holzplättchen gesteuert. Die Streifen konnten ausgetauscht werden und die Maschine so verschiedene Muster erstellen. Die Webstühle von Jacquard gelten als erste programmierbare Maschine überhaupt. 4. Als Vorgänger moderner Computer gilt die Analytical Machine – die analytische Maschine. Sie wurde 1833 von Charles Babbage vorgestellt. 5. Die Z3 von Konrad Zuse arbeitete mit Relais – elektromagnetischen Schal- tern. 6. Eine Elektronenröhre hat – anders als ein Relais – keine mechanischen Teile. 7. Das Mooreschen Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle 18 Monate verdoppeln lässt. IV. 1. Damit eine Computeranlage sinnvoll eingesetzt werden kann, müssen neben der Systemeinheit mindestens noch Ein- und Ausgabegeräte vorhanden sein. 2. Peripheriegeräte sind Geräte, die an die Systemeinheit angeschlossen werden – zum Beispiel eine Tastatur oder ein Drucker. 3. Zur Systemsoftware gehören • Betriebssysteme, • Dienstprogramme wie Anwendungen zum Sichern von Daten, • Werkzeuge zur Entwicklung von Programmen – zum Beispiel Program- miersprachen. 4. Anwendungssoftware wird untergliedert in • Standardsoftware, • Individualsoftware und • Branchensoftware. 5. Nein. Anwendungssoftware setzt in der Regel auf die Systemsoftware auf. Ohne Systemsoftware kann Anwendungssoftware daher nicht eingesetzt werden. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 58 6.3 Glossar Abakus Der Abakus ist ein Rechenbrett, auf dem Zahlen mithilfe von Perlen oder Steinen dargestellt werden. Grundsätzlich ermöglicht er neben den Grundrechen- arten auch komplexe Rechenoperationen wie das Ziehen von Wurzeln. Additionssystem Ein Additionssystem ist ein Zahlensystem, bei dem jede Ziffer einen festen Wert hat. Die einzelnen Ziffern werden hintereinander geschrieben und addiert. Ein Addi- tionssystem wird zum Beispiel bei den römischen Zahlen eingesetzt. Administration Der Begriff Administration meint im IT-Umfeld die Pflege und Verwaltung eines Systems. Algorithmus Ein Algorithmus ist – vereinfacht ausgedrückt – eine Vorschrift zur Lösung eines Problems. Analytical Machine Die Analytical Machine – die analytische Maschine – war eine Idee des englischen Mathematikers und Erfin- ders Charles Babbage. Sie sollte über Lochkarten gesteuert werden. Die Maschine verfügte außerdem über einen Speicher und verschiedene Ausgabemöglich- keiten. Auch wenn Babbage die Maschine selbst nie bauen konnte, gilt sie als Vorläufer der modernen Com- puter. Analytische Maschine Siehe Analytical Machine. Angewandte Informatik Die angewandte Informatik ist ein Teilgebiet der Infor- matik. Sie beschäftigt sich mit dem praktischen Einsatz von Computern in anderen Wissenschaften und auch im Alltag. Anwendungs- programmierer Ein Anwendungsprogrammierer ist an der Erstellung von Anwendungsprogrammen wie zum Beispiel einer Textverarbeitung beteiligt. Anwendungssoftware Unter dem Begriff Anwendungssoftware werden alle Programme zusammengefasst, die für die Lösung kon- kreter Aufgaben verwendet werden – zum Beispiel eine Textverarbeitung oder eine Tabellenkalkulation. Die Spannbreite reicht dabei von sehr einfachen bis zu sehr komplexen Anwendungsbereichen. Anwendungssoft- ware setzt in der Regel auf die Systemsoftware auf. APO-IT APO-IT (arbeitsprozessorientierte Weiterbildung im IT- Bereich) ist ein IT-Weiterbildungssystem. Es bietet zahlreiche Profile in mehreren Stufen an. Die Qualifi- kationen werden durch international anerkannte Zerti- fizierungen nachgewiesen. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 59 Atanasoff-Berry- Computer Der Atanasoff-Berry-Computer aus dem Jahr 1941 gilt als erster elektronischer Digitalrechner. Er war allerdings nicht frei programmierbar, sondern wurde aus- schließlich für das Lösen großer Gleichungssysteme eingesetzt. Aussagenlogik Die Aussagenlogik erlaubt die Verknüpfung von logischen Aussagen und arbeitet mit zwei Zuständen – nämlich wahr und falsch. Die Aussagenlogik ist eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung von Schaltnetzen und Schaltwerken. Automatik Der Begriff Automatik bezeichnet verallgemeinert eine festgelegte Reaktion auf ein bestimmtes Ereignis. Bachelor Bachelor (engl. „Junggeselle“) ist ein erster akademischer Grad in einem abgestuften Ausbildungssystem. Befehlszähler Der Befehlszähler ist ein spezieller Bereich des Steuer- werks. Er merkt sich bei der Ausführung eines Pro- gramms die Adresse im Speicher, an der die nächste Anweisung des Programms steht. Benutzerrechte Über Benutzerrechte wird geregelt, welcher Anwender Zugriff auf ein System hat und welche Aktionen er genau mit dem System durchführen darf. Berechenbarkeits- theorie Bei der Berechenbarkeitstheorie geht es darum, welche Probleme grundsätzlich mit Algorithmen gelöst werden können. Betriebssystem Ein Betriebssystem ist ein spezielles Programm, das für die Arbeit mit dem Computer zwingend erforderlich ist. Es hat folgende wichtige Aufgaben: • Es steuert interne Prozesse wie die Verwaltung der Datenträger und die Koordination der Ein- und Ausgabe. Dazu gehört auch die Behandlung von eventuell auftretenden Fehlern. • Es stellt Anwendungsprogrammen wichtige Funkti- onen wie Laden, Speichern und Drucken zur Ver- fügung. • Es bietet dem Anwender eine Schnittstelle zur Bedienung des Computers. Bioinformatik Die Bioinformatik konzentriert sich auf den Einsatz der Informationstechnik in den Biowissenschaften. Boolsche Algebra Siehe Aussagenlogik. Branchenprogramm Branchenprogramme stellen eine Mischform zwischen Standardprogrammen und Individualprogrammen dar. Branchenprogramme werden speziell auf die Bedürf- nisse einer bestimmten Branche – zum Beispiel dem © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 60 Betrieb eines Krankenhauses – zugeschnitten, berück- sichtigen aber nicht die Erfordernisse eines einzelnen Unternehmens. Bus Ein Bus ist – allgemein ausgedrückt – ein System zur Datenübertragung. Alle angeschlossenen Komponenten nutzen denselben Übertragungsweg. Chief Information Officer Siehe CIO. Chip Siehe IC. CIO Ein CIO (Chief Information Officer) ist für die Planung und für den Betrieb der Informationstechnik in einem Unternehmen verantwortlich. Compiler Ein Compiler ist ein Programm, das Anweisungen einer Programmiersprache in ein ausführbares Programm übersetzt. Computer von Antikythera Siehe Mechanismus von Antikythera. Computernetzwerk Ein Computernetzwerk ist – sehr allgemein ausge- drückt – ein verteiltes System von Computern und Peripheriegeräten, die untereinander verbunden sind. Datenbank Eine Datenbank ist die elektronische Entsprechung des Karteikastens. In einer Datenbank werden Informatio- nen strukturiert abgelegt und verwaltet. Häufig wird der Begriff Datenbank auch synonym zum Begriff Datenbank-System beziehungsweise Datenbank-Manage- ment-System benutzt. Datenbank- Administrator Ein Datenbank-Administrator kümmert sich vor allem um die Verwaltung und Pflege von Datenbanken. Datenbank-Entwickler Ein Datenbank-Entwickler entwirft und programmiert Datenbanken beziehungsweise Datenbank-Systeme. Datenbank-Manage- ment-System (DBMS) Ein Datenbank-Management-System (DBMS) ist ein Programm zum Zugriff auf Datenbanken. Datenbank- Management-Systeme werden auch Datenbank-Systeme genannt. Datenbank-System Datenbank-System ist eine verkürzte Bezeichnung für Datenbank-Management-System. Datenverarbeitung (DV) Der Begriff Datenverarbeitung beschreibt generell die Verarbeitung von Daten – also zum Beispiel auch per Hand. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 61 DBMS DBMS ist die Abkürzung für Datenbank-Management- System. Dienstprogramm Dienstprogramme sind Programme, die Hilfe bei der Nutzung und Wartung eines Computers anbieten – zum Beispiel Anwendungen zur Pflege und Verwaltung von Datenträgern wie Festplatten, Anwendungen zum Sichern von Daten oder Anwendungen zum Anzeigen von Systeminformationen. Dienstprogramme gehören bei vielen modernen Betriebssystemen mit zum Liefer- umfang. Digitalrechner Ein Digitalrechner arbeitet mit eindeutigen Zuständen. In der Regel werden lediglich zwei Zustände unterschieden – „Strom fließt“ und „Strom fließt nicht“ beziehungsweise 1 und 0. Dualsystem Das Dualsystem ist ein Stellenwertsystem mit der Basiszahl 2. DV DV ist die Abkürzung für Datenverarbeitung. EDV EDV ist die Abkürzung für Elektronische Datenver- arbeitung. EDV-Leiter EDV-Leiter ist eine andere Bezeichnung für CIO. Der Begriff ist mittlerweile ein wenig betagt. Ein- und Ausgabewerk Das Ein- und Ausgabewerk ist ein Teil der Von-Neu- mann-Architektur. Es kümmert sich um die Kommuni- kation mit der Umwelt und leitet zum Beispiel Ausgaben weiter. Elektronenröhre Eine Elektronenröhre ist ein elektronisches Bauelement ohne mechanische Teile. Elektronische Daten- verarbeitung (EDV) Elektronische Datenverarbeitung meint die Verarbei- tung von Daten mit Computern oder anderen elektronischen Geräten. Der Begriff wird heute nur noch selten verwendet und ist in vielen Fällen durch den Begriff Informationstechnik abgelöst worden. ENIAC Der ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Com- puter) aus dem Jahr 1946 ist der erste elektronische Rechner. Er arbeitete mit Elektronenröhren. Fachinformatiker Fachinformatiker ist ein Ausbildungsberuf im dualen System. Unterschieden werden die Bereiche „Anwen- dungsentwicklung“ und „Systemintegration“. Formalwissenschaft Eine Formalwissenschaft konzentriert sich auf abstrakte logische Zusammenhänge. Eine klassische For- malwissenschaft ist die Mathematik. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 62 Halbleiter Unter einem Halbleiter versteht man – allgemein aus- gedrückt – einen Stoff, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen Leitern wie Metallen und Nichtleitern wie Kunststoffen liegt. Halbleiterstoffe sind Silizium, Ger- manium, Selen und Galliumarsenid. Hardware Die Hardware umfasst die Geräte der Informationstech- nik. Hardware bedeutet wörtlich übersetzt „Eisen- waren“. Hexadezimalsystem Das Hexadezimalsystem ist ein Stellenwertsystem mit der Basiszahl 16. Hollerith-Karte Siehe Lochkarte. IC Ein IC (Integrated Circuit) ist eine mikroelektronische integrierte Schaltung. Individualprogramm Ein Individualprogramm ist ein Programm, das speziell für die Lösung einer ganz konkreten Aufgabe erstellt wird. Individualprogramme sind in der Regel sehr teuer und können häufig auch nur in einem einzigen Unter- nehmen eingesetzt werden. Informatik Informatik ist die Wissenschaft von der maschinellen Informationsverarbeitung. Informatikkaufmann Informatikkaufmann ist ein staatlich anerkannter Aus- bildungsberuf im IT-Bereich. Der Schwerpunkt liegt im kaufmännischen Bereich. Information Stark vereinfacht und verallgemeinert ist eine Informa- tion eine Nachricht beziehungsweise der Inhalt einer Nachricht. Informationstechnik (IT) Informationstechnik ist ein Oberbegriff für die Ver- arbeitung von Informationen und die dabei eingesetzte Hard- und Software. Informations- technologie (IT) Der Begriff Informationstechnologie meint – streng genommen – die Lehre oder Wissenschaft von der Informationstechnik. Die Begriffe Technologie und Technik werden häufig aber gleichbedeutend benutzt. Informationstechnologie und Informationstechnik werden daher umgangssprachlich oft mit der gleichen Bedeutung benutzt. Informations- verarbeitung (IV) Der Begriff Informationsverarbeitung beschreibt generell die Verarbeitung von Informationen – also zum Beispiel auch per Hand. Integrated Circuit Siehe IC. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 63 Interdisziplinarität Interdisziplinarität ist die Zusammenarbeit mehrerer Wissenschaften. IT IT ist die Abkürzung für Informationstechnik oder Informationstechnologie. IT-Leiter IT-Leiter ist eine andere Bezeichnung für CIO. IT-Systemelektroniker IT-Systemelektroniker ist ein staatlich anerkannter Ausbildungsberuf im IT-Bereich. Der Schwerpunkt liegt im Bereich Hardware. IT-Systemkaufmann IT-Systemkaufmann ist ein staatlich anerkannter Aus- bildungsberuf im IT-Bereich. Der Schwerpunkt liegt auf kundenspezifischen Lösungen. IV IV ist die Abkürzung von Informationsverarbeitung. Kardinalzahlen Über Kardinalzahlen wird die Größe einer Menge angegeben. Kardinalzahlen sind zum Beispiel Eins, Zwei und Drei. Kerbholz Ein Kerbholz ist ein Hilfsmittel zum Zählen. Für jedes zu zählende Objekt wird eine Kerbe in einen Holzstab gemacht. Kerbhölzer wurden auch benutzt, um zum Beispiel Schulden aufzuschreiben. Dazu wurden Markierungen in das Kerbholz gemacht, das anschließend geteilt wurde. Die beiden Parteien erhielten je einen Teil mit den identischen Markierungen. Kerninformatik Der Begriff Kerninformatik fasst die drei Teilbereiche theoretische, technische und praktische Informatik zusammen. Komplexitätstheorie Die Komplexitätstheorie beschäftigt sich mit der Kom- plexität von Problemen, die durch Algorithmen gelöst werden können. Leiter Informationstechnik Leiter Informationstechnik ist eine andere Bezeichnung für CIO. Lochkarte Eine Lochkarte ist eine Pappkarte mit Löchern. Über die Position der Löcher können Informationen transportiert werden. Im großen Umfang wurden Lochkarten vom Amerika- ner Hermann Hollerith eingesetzt. Die Karten werden daher auch Hollerith-Karten genannt. Nachfolger von Lochkarten sind zum Teil heute noch im Einsatz. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 64 Lochstreifen Ein Lochstreifen ist ein Papierstreifen mit Löchern. Über die Position der Löcher können Informationen transportiert werden. Dazu werden die Löcher beziehungsweise die Streifen von einem Mechanismus abge- tastet. Lochstreifen wurden unter anderem für die Steuerung von Webstühlen verwendet und gaben das Muster vor. Master Master (engl. „Meister“) ist der zweite akademische Grad in einem abgestuften Ausbildungssystem. Ein Master-Studiengang kann nur dann abgeschlossen werden, wenn der Bachelor-Studiengang erfolgreich absolviert wurde. Mechanismus von Antikythera Der Mechanismus von Antikythera ist ein mechanischer Apparat mit Zahnrädern. Er wurde wahrscheinlich eingesetzt, um die Bewegung von Himmelskörpern zu berechnen. Medieninformatik Die Medieninformatik beschäftigt sich mit dem Zusam- menspiel von Computern und Medien. Dabei geht es zum einen um den Einsatz von Computern beim Erstel- len von Medien, zum anderen aber auch um die Gestal- tung von Medien selbst. Mooresches Gesetz Das Mooresche Gesetz beschreibt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle 18 Monate verdoppeln lässt. Es geht auf Gordon Earle Moore zurück, einen Mitbegründer der Firma Intel. Multimedia Mit dem Begriff Multimedia ist die synchrone Präsenta- tion von Inhalten durch die Kombination verschiedener Medien wie Text, Bild, Ton und Video in einer Anwen- dung gemeint. Der Ablauf der Präsentation wird unmittelbar durch den Anwender gesteuert. Netzwerk Siehe Computernetzwerk. Netzwerk- Administrator Ein Netzwerk-Administrator kümmert sich um die Ver- waltung, Konfiguration und Pflege von Netzwerken. Oktalsystem Das Oktalsystem ist ein Stellenwertsystem mit der Basiszahl 8. Ordinalzahlen Über Ordinalzahlen wird eine Ordnung angegeben. Ordinalzahlen sind zum Beispiel Erstens, Zweitens und Drittens. Organisations- programmierer Ein Organisationsprogrammierer ist für die Erweite- rung und Anpassung von Software zuständig, die von einem anderen Unternehmen gekauft wurde. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 65 PC PC steht für Personal Computer (engl.: „persönlicher Computer“). Damit wurden ursprünglich Computer bezeichnet, die direkt am Arbeitsplatz von einer Person eingesetzt werden konnten. Heute sind damit aber auch mobile Vari- anten wie zum Beispiel Notebooks gemeint. Personal Computer Siehe PC. Praktische Informatik Die praktische Informatik ist ein Teilgebiet der Infor- matik. Sie beschäftigt sich vor allem mit der Software – also den Programmen. Programm Ein Programm ist eine Zusammenfassung verschiedener Befehle, die vom Computer ausführt werden können. Programmierer Ein Programmierer erstellt Computerprogramme. Dabei setzt er in der Regel konkrete Vorgaben aus der Ent- wicklung mit einer Programmiersprache um. Programmiersprache Programmiersprachen werden verwendet, um Software zu erstellen und in eine für den Computer ausführbare Form zu übersetzen. Programmiersprachen sind selbst ebenfalls Programme. Prozessor Der Prozessor ist ein Teil der Von-Neumann-Architek- tur. Er führt Berechnungen aus. Außerdem steuert und überwacht der Prozessor die Verarbeitung. Realwissenschaft Eine Realwissenschaft beschäftigt sich mit tatsächlich existierenden Dingen. Zu den Realwissenschaften gehö- ren zum Beispiel die Naturwissenschaften Biologie, Chemie und Physik. Rechenwerk Das Rechenwerk ist Teil des Prozessors in der Von- Neumann-Architektur. Es übernimmt die Berechnung. Relais Ein Relais ist ein elektromagnetischer Schalter. Simulation In Simulationen werden reale Systeme modellhaft im Computer nachgebildet und können beliebig manipuliert werden. Software Unter dem Begriff Software werden alle Computerpro- gramme zusammengefasst. Wörtlich übersetzt bedeutet Software „weiche Waren“. Etwas weiter gefasst gehören auch Daten und Dokumentationen zur Software. Software-Engineering Das Software-Engineering ist ein Teilgebiet der Infor- matik. Es beschäftigt sich mit der Entwicklung umfangreicher und komplexer Software-Systeme. Software-Entwickler Ein Software-Entwickler kümmert sich um die Ent- wicklung von Computerprogrammen. Er analysiert ein System und entwirft Lösungen. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 66 Software-Ingenieur Siehe Software-Entwickler. Speicher Der Speicher ist ein Teil der Von-Neumann-Architek- tur. Er sichert Befehle und Daten während der Ver- arbeitung. Die gemeinsame Speicherung von Befehlen und Daten in ein und demselben Speicher ist ein wesentliches Merkmal der Von-Neumann-Architektur. Standardprogramm Standardprogramme werden für einen großen Markt produziert und berücksichtigen keine besonderen Anfor- derungen, sondern decken das Aufgabengebiet allgemein ab. Zu den Standardprogrammen gehören zum Beispiel Textverarbeitung, Tabellenkalkulation und Datenbank-Systeme. Stellenwertsystem Ein Stellenwertsystem ist ein Zahlensystem, bei dem der Wert einer Ziffer von der Position in der Zahl abhängt. Das bei uns gebräuchliche Dezimalsystem ist zum Beispiel ein Stellenwertsystem. Steuerwerk Das Steuerwerk ist ein Teil des Prozessors in der Von- Neumann-Architektur. Es steuert und überwacht die Verarbeitung. System-Administrator Ein System-Administrator kümmert sich um die Ver- waltung, Konfiguration und Pflege von Computern. Systemprogrammierer Ein Systemprogrammierer arbeitet vor allem an Betriebssystemen und systemnahen Dienstprogrammen. Systemsoftware Systemsoftware wird immer für eine bestimmte Hard- ware beziehungsweise eine bestimmte Hardware-Fami- lie entwickelt. Zur Systemsoftware gehören zum Bei- spiel Betriebssysteme und Dienstprogramme. Technische Informatik Die technische Informatik ist ein Teilgebiet der Infor- matik. Sie beschäftigt sich vor allem mit der Hardware – also den Geräten. Die technische Informatik arbeitet eng mit der Elektrotechnik zusammen. Theoretische Informatik Die theoretische Informatik ist ein Teilbereich der Informatik. Sie bildet die Basis und liefert die abstrakten theoretischen und mathematischen Grundlagen für die anderen Bereiche. TRADIC Der TRADIC (Transistorized Airborne Digital Compu- ter) aus dem Jahr 1955 ist der erste transistorgesteuerte Computer. Transistor Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement. Er gleicht in der Funktion einer Elektronenröhre, ist aber deutlich kleiner und benötigt auch erheblich weniger Ener- gie. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 67 Von-Neumann- Architektur Die von-Neumann-Architektur beschreibt den Aufbau eines Rechners mit den Komponenten • Prozessor mit Rechen- und Steuerwerk, • Speicher sowie • Ein- und Ausgabewerk. Sie wurde 1945 vom Amerikaner John von Neumann entwickelt und bildet auch heute noch die Basis der meisten Computer. Wafer Ein Wafer ist eine Siliziumscheibe. Er bildet die Grundlage bei der Chipherstellung. Wirtschaftsinformatik Bei der Wirtschaftsinformatik geht es im Wesentlichen um die Planung, die Entwicklung und den Einsatz der Informationstechnik in Unternehmen beziehungsweise die Optimierung von Geschäftsprozessen durch den Ein- satz der Informationstechnik. Z3 Die Z3 ist eine elektromechanische Rechenmaschine. Sie wurde 1941 von Konrad Zuse zusammen mit Hel- mut Schreyer entwickelt. Die Z3 arbeitet mit circa 2 600 Relais und gilt als erster funktionsfähiger programmgesteuerter Rechenauto- mat. Zahl Eine Zahl besteht aus einem Zahlzeichen – einer Ziffer – oder einer Kombination von Zahlzeichen. Zahlensystem Ein Zahlensystem regelt, welche Zahlzeichen wie genutzt werden. Beispiele für Zahlensysteme sind Addi- tionssystem oder Stellenwertsysteme. Aber auch das Dual- oder das Dezimalsystem werden als Zahlensys- tem bezeichnet. Ziffer Eine Ziffer ist genau ein Zeichen, das für die Darstel- lung von Zahlen benutzt wird – also zum Beispiel 1 oder 2. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 68 6.4 Sachwortverzeichnis A Abakus 27 Addiermaschine 29 Additionssystem 20 Algorithmus 9 analytische Maschine 32 Anwendungsprogrammierer 13 Anwendungssoftware 48 APO-IT 12 Atanasoff-Berry-Computer 35 Aussagenlogik 41 Automatik 7 B Befehlszähler 43 Berechenbarkeitstheorie 9 Betriebssysteme 48 Bioinformatik 10 Branchenprogramme 49 Bus 42 C Chip 39 CIO 14 Colossus 36 Compiler 9 D Datenbank-Administrator 14 Datenbank-Entwickler 14 Datenverarbeitung 8 Dezimalsystem 22 Dienstprogramme 48 Digitalrechner 35 Dualsystem 23 E Ein- und Ausgabewerk 42 Elektronenröhren 38 Elektronische Datenverarbeitung 8 ENIAC 36 F Fachinformatiker 11 Formalwissenschaft 11 H Hahn 30 Halbleiter 39 Hardware 46 Herstellung eines Chips 40 Hexadezimalsystem 23 Hollerith-Karten 33 I IC 39 Individualprogramme 49 Informatik 7 angewandte 9 praktische 9 technische 9 theoretische 8 Informatiker staatlich geprüfter 12 Informatikkaufmann 11 Information 7 Informationstechnik 8 Informationstechnologie 8 Informationsverarbeitung 8 Interdisziplinarität 11 IT-Leiter 14 IT-Systemelektroniker 12 IT-Systemkaufleute 12 K Kardinalzahlen 24 Kerbholz 19 Kerninformatik 9 Komplexitätstheorie 9 L Leibniz 30 Lochkarten 33 Lochkartenmaschine 33 Lochstreifen 31 M Mark I 36 Mechanismus von Antikythera 28 Medieninformatik 10 Mikroprozessor 8086 37 Mooresches Gesetz 40 Multimedia 9 N Netzwerk-Administrator 14 O Oktalsystem 23 Ordinalzahlen 24 Organisationsprogrammierer 13 © F e r n s c h u l e n H a m b u r g 69 P Pascaline 29 PC 37 Peripheriegeräte 47 Programme 46 Programmierer 13 Prozessor 42 R Realwissenschaft 11 Rechenmaschine 28 Rechenschieber 28 Rechenstäbchen 28 Rechenwerk 42 Relais 38 S Simulationen 9 Software 46 Software-Engineering 13 Software-Entwickler 13 Software-Ingenieur 13 Speicher 42 Standardprogramme 49 Stellenwertsystem 22 Steuerwerk 42 System-Administrator 14 Systemeinheit 47 Systemprogrammierer 13 Systemsoftware 48 T TRADIC 37 Turing 36 Turing-Maschine 41 V Von-Neumann-Architektur 42 W Wafer 40 Wirtschaftsinformatik 10 Z Z3 34 Zahl 20 Zählen 17 Zahlensystem 20 Zaunpfahlproblem 24 Ziffer 20 Zuse 34 © F e r n s c h u l e n H a m b u r g © F e r n s c h u l e n H a m b u r g So kennzeichnen Sie bitte Ihre Lösungen EINSENDEAUFGABEN DES STUDIENHEFTES Vergessen Sie bitte nicht, auf jedem Lösungsbogen neben der oben angeführten Kurzbezeichnung auch Namen und Vertragsnummer anzugeben! IMIT 1 / 0713 K02 1. Worauf konzentriert sich die Wirtschaftsinformatik besonders? 2. Ordnen Sie die folgenden Bereiche beziehungsweise Anwendungen den vier Infor- matikbereichen zu. a) Hardware-Entwicklung b) Programmierung einer Anwendung c) mathematische Grundlagen d) Datenbankentwicklung e) Simulation einer chemischen Reaktion f) Berechenbarkeits- und Komplexitätstheorie 3. Rechnen Sie die römische Zahl MMCCLIV in das Dezimalsystem um. Beschreiben Sie dabei auch, wie Sie zu dem Ergebnis kommen. 4. Stellen Sie den dezimalen Wert 1 891 als römische Zahl dar. Beschreiben Sie auch hier bitte, wie Sie zu dem Ergebnis kommen. 5. Kann es ein Stellenwertsystem mit der Basiszahl 1 geben? Begründen Sie bitte Ihre Antwort. 6. Wie viele Elemente kann der Zahlenbereich 1 bis 10 enthalten? Begründen Sie auch hier Ihre Antwort. 7. Was ist die Von-Neumann-Architektur? Beschreiben Sie bitte auch kurz die einzelnen Komponenten. © F e r n s c h u l e n H a m b u r g © F e r n s c h u l e n H a m b u r g

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