Informatische Grundlagen

• Hardware (Computer, Ein-/ Ausgabegeräte)

• Software, Programme (Betriebssystem,

Anwendersoftware)

• Daten

• Vernetzte Systeme - verteiltes Arbeiten

Hardware

Computer gehören zu den sog. Automaten:

Ein (technischer) Automat = Maschine, die eine Eingabe entgegen nimmt und in Abhängigkeit von Eingabe und Zustand der Maschine eine Ausgabe erzeugt (z.B.Fahrkarten-, Getränkeautomat).

Ein Computer (Rechner, Datenverarbeitungs-anlage) ist ein durch ein Programm gesteuerter Automat, der Daten verarbeitet und durch Verwendung unterschiedlicher Programme universell einsetzbar wird.

Beispiel: Personal Computer (PC), Workstation

Computer mit seinen Komponenten

Prozessor:

Teil des Computers, der programmgesteuerte Verarbeitung durchführt (Central Processing Unit CPU).

Abarbeitung eines Programms im Computer heisst Prozess.

Ein Computer kann mehrere Prozessoren besitzen (z.B. parallel arbeitende Prozessoren, spezielle Grafikprozessoren).

Hauptspeicher (Arbeitsspeicher) enthält

auszuführendes Programm und Daten.

• Schnelle Zugriffszeiten

• Bei Stromausfall gehen Speicherinhalte verloren

• Nur die gerade benötigten Daten, Programmteile

und Zwischenergebnisse werden im

Hauptspeicher aufbewahrt

=> der Hauptspeicher ist Schreib-Lese-Speicher

(RAM = random access memory im Unterschied

zum Festwertspeicher ROM = read only

memory).

Externer Speicher zur dauerhaften Speicherung großer Datenmengen.

Ergänzend zum Hauptspeicher

Externe Speicher:– Diskettenlaufwerke,

– Festplatten

– CD-ROM

Einteilung von Computern

Einteilung von Computer hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Funktion (grobe Klassen, fließende Grenzen)

• Leistungsfähigkeit: Personal Digital Assistant (PDA), PC, Workstation, Großrechner (main frame), Supercomputer

• Funktion: In vernetzten SystemenServer (steuern das Netz, halten Daten und Programme bereit) Clients (einzelne Arbeitsplatzrechner, die auf Dienste von Servern zugreifen können)

Ein Programm = geordneten Menge von Anweisungen (Handlungsvorschriften) zum Eingeben, Verarbeiten und Ausgeben von Daten. Es beinhaltet einzelne Schritte, die nacheinander (sequentiell) oder auch parallel ausgeführt werden.

Programme, Software

Beispiele: Textverarbeitungsprogramme Datenbankverwaltungssysteme Graphikprogramme

Die Gesamtheit der Programme für Computer

bezeichnet man als Software

Unterscheidung:

• Anwendersoftware

• Systemsoftware

• Anwendersoftware (aufgabenbezogene und fachspezifische Programme)

• Systemsoftware (Software zum Betrieb des Computers, z.B. Betriebssystem, Treiber)

Die Systemsoftware stellt die Verbindung von Anwendersoftware und Hardware her (Computer, Peripherie-Geräte zur Eingabe und Ausgabe, Netzkomponenten).

Betriebssysteme

Aufgaben des Betriebssystem z.B. – Manipulation von Daten und Dateien (z.B. Kopieren,

Löschen) – Ansteuerung von Peripherie-Geräten (Tastatur,

Monitor, Disketten, Festplatten, Drucker)

Typen von Betriebssystemen

• MS-DOSin der Anfangsphase der PC-Nutzung 'das' Betriebssystem, keine graphische Oberfläche

• WindowsNachfolger von MS-DOS für PC und Workstation, graphische Oberfläche

• Unix Betriebssystem für leistungsfähige Workstations und Server

• LinuxPC-Variante von UNIX

Anwendersoftwarez.B. Geo-Informationssysteme (GIS)

GIS für• Forst (Baumkataster)

• Energieversorger (Planung, Dokumentation, Instandhaltung, Notfallmanagement der Leitungsnetze)

• Logistik-, Transportunternehmen (Flottenmanagement)

• Raum-, Stadtplanung (Bewertung von Planungsalternativen, Berechnung von Vorhaben)

• Immobilienmanagement (Immobilienverwaltung)

• Tourismus (mobile Stadtführer)

Algorithmus

Basis eines Programms = Algorithmus.

Die formale, präzise und eindeutige Beschreibung der Verarbeitungsvorschrift nennt man in der Informatik einen Algorithmus.

Ein Algorithmus ist eine allgemeine, von der gewählten Programmiersprache unabhängige Vorschrift zur Lösung eines Problems.

Beispiel für einen Algorithmus:

Addiere zwei Zahlen und gib das Resultat aus.

1. Lies Wert x

2. Lies Wert y

3. Addiere y zu x

4. Weise z die Summe von x und y zu

5. Gib z als Resultat aus

Erstellung von Programmen(Programmierung)

Erfolgt mit Hilfe von Programmiersprachendie jeden Schritt des Algorithmusin eine Anweisung (Instruktion)umsetzen

Höhere Programmiersprachen

fassen viele kleine Befehls-Schritte in einer komplexen Anweisung zusammen

=> praxisgerechte Anweisungen (z.B. spezielle Sortier-Befehle);

=> leicht und schnell zu nutzen

Allerdings: werden vom Prozessor nicht mehr direkt verstanden;

=> vor der Ausführung Übersetzung eines Hochsprachen-Programms mit Hilfe eines Compilers (Übersetzers) in ein entsprechendes Maschinensprachen-Programm

Maschinensprachen

erlauben sehr direkte Art der Programmierung des Prozessors.

sind jedoch kompliziert in der Programmierung, werden daher kaum noch eingesetzt

Softwareentwicklung

• Softwareentwicklung = Prozess wie industrielle Fertigung eines Produktes (z.B. Auto).

• Zur Modellierung des realen Prozesses gibt es unterschiedliche Prozessmodelle (Vorgehens-modelle). – Wasserfall-Modell

– Interatives Vorgehensmodell.

Wasserfall-Modell

Prinzip:

Abfolge von abgegrenzten Entwicklungsphasen,

wobei die jeweils nächste Phase erst nach

vollständiger Bearbeitung der aktuellen Phase in

Angriff genommen werden soll.

Entwicklungsphasen :

• Anforderungsanalyse: Formulierung und Analyse von use cases, Identifikation der fachlichen Probleme und Anforderungen; Analyse der Arbeitsabläufe (Geschäftsprozesse)

• Softwaredesign: Entwurf von SW-Komponenten und Systemabläufen; Entwurf von Schnittstellen; Planung der weiteren Entwicklung

• Entwicklung: Programmierung der Komponenten, Synchronisation der verschiedenen Komponenten, Prüfung

• Test und Systemeinführung: Integration des Softwaresystems in die Systemumgebung des Auftraggebers; Tests zur Funktionalität und zum Laufzeitverhalten; Optimierungen in der Systemumgebung; Abnahme durch den Auftraggeber

Wasserfall-Modell

Strenge Abfolgevon Problem-Definition über Systemspezifikation und Programmierung bis zur Implementierung eines lauffähigen und fehlerfreien Systems

In der Praxis problematisch. Warum?

Iteratives Vorgehensmodell

Prinzip:

Mehrfache Wiederholung der Entwicklungsphasen.

Jeder Iterationsschritt erzeugt ein lauffähiges (aber noch nicht optimales, vollständiges) System.

Entwicklung erfolgt schrittweise, wobei von Schritt zu Schritt das Softwaresystem weiter ausgebaut wird.

Vorteil: ?

Prototyp entwickeln

Nutzungs-anforderungenableiten

Use cases beschreiben

Prototypen prüfen

erfüllt Anforderungen

Iteratives Vorgehensmodell

Daten

Phänomene der realen Welt sind meist sehr komplex

=> können in der Datenverarbeitung nur in vereinfachter, generalisierter Form bearbeitet werden.

=> durch Abstraktion muß ein vereinfachtes Modell des realen Systems gebildet werden.Der jeweilige Systemzustand wird durch eine strukturierte Menge von Attributen (Merkmalen) mit jeweiligen Attributwerten dargestellt.

Beispiel: Beschreibung der klimatischen Verhältnisse einer Region durch einige ausgewählte Klima-Merkmale (Attribute):

Klima einer Region Thermische Aspekte

Lufttemperatur am Boden [Grad Celsius] in 2 Meter Höhe [Grad Celsius]

Bodentemperatur . . .

Hygrische Aspekte Luftfeuchte

Druck [hPa] Relative Feuchte [%]

Niederschlag Niederschlagshöhe [mm] Niederschlagsintensität [mm/h]

Datum - Information

• Datum = strukturierte, nach bestimmten Regeln (Syntax) aufgebauten Folgen von Zeichen.

• Information = Verbindung von Datum und der diesem Datum zugeordneten Bedeutung (Semantik).

Unterschiedliche Arten von (Geo-)Daten(z.B. Niederschlags-, Luftfeuchte-,Temperaturdaten)

=> Daten auf einem allgemeineren Abstraktionsniveau betrachten.

Die Modellierung von Daten durch Abstraktion und Strukturierung ist eine Aufgaben der Informatik und - in Bezug auf raumbezogene Daten - auch der Geoinformatik.

Weitere Ausführungen zu Datenmodellen in den folgenden Kapiteln

hier: Grundlegende Datenstrukturen

Datenstrukturen

• Listenstrukturen

• Baumstrukturen

Listenstrukturen

Eine Lineare Liste ist eine geordnete Folge von Datenobjekten mit einem Anfangselement und einem Endelement.

Beispiel: Koordinatenliste x1,y1; x2,y2;.... xn,yn

Baumstrukturen

• Baum = ein zusammenhängender, schleifenfreier, gerichteter Graph, (speziell Wurzelbäume)

• Unterscheidung zu Liste: jedes Element des Baums kann zwei oder mehr Nachfolger haben kann. Bäume sind die wichtigsten nicht-linearen Datenstrukturen. Sie werden insbesondere verwendet zur Modellierung hierarchischer Beziehungen zwischen Datenobjekten

Beispiel: Strukturierung von Verkehrswegen

Verkehrswege

Auto Bahn Schiff

Auto-bahn

Bundes-straßen

Kreis-straßen

Haupt-strecke

Neben-strecke

Gewässer 1. Ordn.

Gewässer 2. Ordn.

Begriffe:• Datensatz (record): Fachlich zusammengehörige Daten.

• Datei (file): Eine nach inhaltlichen Kriterien zusammengestellte Menge von gleichartigen Datensätzen. Beispiel?

• Datenbank (DB): Mehrere fachlich zusammengehörige Dateien

• Datenbank-Managementsystem (DBMS) Software zur Verwaltung der Dateien einer DB

• Datenbanksystem (DBS): DBMS und fachspezifische DBDatenbanksysteme sind wiederum Bestandteile übergeordneter Informationssysteme, z.B. Geo-Informationssysteme (GIS).

Begriffe und Zusammenhang am Beispiel klimatologischer Daten

Geo-Informationssystem

Vernetzte Systeme - verteiltes Arbeiten

Viele Rechner in Unternehmen, Verwaltungen und Universitäten miteinander vernetzt.

Vorteil: Möglichkeit zum verteilten Arbeiten im Netz (distributed computing)

d.h. Nutzung der Ressourcen (z.B. Programme, Daten,

Drucker, Speichermedien) anderer Computer und Geräte im Netz vom eigenen Arbeitsplatz

Neuer Anwendungsbereich des distributed computing ist CSCW = Computer Supported Cooperative Work (z.B. Katastrophenmanagement)

Client-Server-Netzarchitektur

Komponeten einer Client-Server-Architektur:

Server: spezielle Rechner, die anderen Rechnern auf Anforderung spezielle Dienste zur Verfügung stellen, z.B. Datenbank-Server, Print-Server.

Client: Rechner, die Serverdienste nutzen. Arbeitsplatz-Computer sind in der Regel clients;

Unterscheidung nach Arbeitsaufteilung zwischen Server und Client:

thin client - thick client

Netze

• Local Area Network (LAN)lokal begrenztes Netz, z.B. Geograph. Institut

• Wide Area Network (WAN)räumlich weiter gefasstes Netz, z.B. Humboldt Uni

• Internet Weltumspannendes Netz, das verschiedene Diensteanbietet

• Intranet„begrenztes Internet“,nutz Internettechnologie, allerdings innerhalb kleinerer funktionaler Einheiten

Netzdienste I

• World Wide Web (WWW) dezentrales Informationssystem mit Zugriff (=> Surfen) auf textliche und audio-visuelle Informationen, die auf Web-Servern gespeichert sind.

• Electronic Mail (e-mail) zum Austausch von Informationen über das Internet

• FTP (file transfer protocol) zum Herunterladen (download) oder aufspielen (upload) von Daten bei Rechnern im Internet.

Netzdienste II

• Web-Portal: speziell konfigurierte Website,Angebot von Ressourcen und Dienstleistungenmeist für spezielles Interessensgebiet z.B. Diskussionsforen, Suchmaschinen, on-line-shopping usw.

• Beispiel: Geo-Portale ermöglichenräumliches, zeitliches und/oder thematisches Suchen nach geeigneten Geodaten und Geodiensten