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University of ZurichDepartment of Informatics software evolution & architecture lab
Emanuel Giger, Giacomo Ghezzi, Michael Würsch, and Harald Gall
University of Zurich, Switzerland
Vorkurs in InformatikEine Einführung ins Informatikstudium an der Universität Zürich
1Monday, September 13, 2010
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Zielsetzung
Sanfter Einstieg ins Studium der Informatik.
Kleinsten gemeinsamen Nenner schaffen.
Socializing.
2Monday, September 13, 2010
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Ablauf
1. Tag: Grundlagen
2. Tag: Software Engineering by Example
3. Tag: Einführung in die Programmierung
3Monday, September 13, 2010
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Ablauf: Tag 1
09:30 bis 12:00• Was ist ein Computer?• Wie ist ein Computer aufgebaut?• Das Rechnen mit Wahrheitswerten• Zahlensysteme• Wie bringe ich den Computer dazu, für mich
Probleme zu lösen?
13:00 bis 16:00• Eine Einführung in die Programmierung mit
Scratch
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Ablauf: Tag 2
09:30 bis 12:00• Eine Einführung in das systematische Entwickeln
von Software (aka. Software Engineering)
• Beginn Gruppenarbeiten: Ein kleines eigenes Projekt mit Scratch
13:00 bis 16:00• Fortsetzung vom Morgen
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Ablauf: Tag 3
09:30 bis 12:00• Kurzpräsentationen der Gruppenarbeiten vom
Vortag
• Eine Einführung in die Programmierung mit Groovy
13:00 bis 16:00• Fortsetzung vom Morgen
6Monday, September 13, 2010
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Das Institut für Informatik (ifi)
software evolution & architecture lab
7Monday, September 13, 2010
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Wer sind wir?
software evolution & architecture lab
8Monday, September 13, 2010
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Was sind unsere Forschungsschwerpunkte?
• Software Evolution
• Software Wartung und Reengineering
• Software Architekturen
• Produkt-/Programmfamilien
• Verteilte Software Engineering Prozesse
• Methodologien und Paradigmen für Software Entwicklung
• Semantic Web Engineering & Recommender Systems
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Programmieren in der Assessment-/Bachelorstufe
1. Semester: Einführung in die Programmierung (Informatik I, Java)
2. Semester: Algorithmen und Datenstrukturen (C++)
3. Semester: ??
4. Semester: Software Praktikum(aka. SoPra, Java)
10Monday, September 13, 2010
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Was ist ein Computer?
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Wie ist ein Computer aufgebaut?
CPU
Bus
Ausgabe
EingabeHauptspeicher
Kommunikation
Sekundärspeicher
12Monday, September 13, 2010
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(C)entral (P)rocessing (U)nit
Rechenwerk
Steuerwerk
=AND
OR
NOT
XNOR
NOR
AND
OR
NOT
XNOR
NOR
13Monday, September 13, 2010
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Bool’sche Algebra
wahr oder falsch?
Bsp: Eine Bestellung kann nur in Auftrag gegeben werden, wenn der Kunde bereits ein Kundenkonto besitzt und eine gültige Kreditkarte angegeben hat.
Bestellungok = KontoExistiert und Kreditkartegültig
14Monday, September 13, 2010
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Bool’sche Algebra: AND
A B
Lampeon = Aon ^ Bon
15Monday, September 13, 2010
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Wahrheitstabelle: AND
AND T F
T
F
T F
F F
16Monday, September 13, 2010
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Bool’sche Algebra: OR
A
Lampeon = Aon v Bon
B
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Wahrheitstabelle: OR
OR T F
T
F
T T
T F
18Monday, September 13, 2010
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Aufgabe: Bool’sche Ausdrücke
Wann sind die folgenden Ausdrücke wahr?
(A v B) ^ B
(A v B) ^ ¬B
19Monday, September 13, 2010
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Hauptspeicher
2000 01001010 Kodierung für Buchstabe ‘J’
2001 01100001 Kodierung für Buchstabe ‘a’
2002 01110110 Kodierung für Buchstabe ‘v’
2003 01100001 Kodierung für Buchstabe ‘a’
2004 00000011 Kodierung für Zahl 3
20Monday, September 13, 2010
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Zahlensysteme
Dezimal0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Binär0, 1
Hexadezimal0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A , B, C, D, E, F
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Konversion: Dezimal nach Binär
Quotient → 61 30 15 7 3 1 0
2 123 2 61 2 30 2 15 2 7 2 3 2 1
122 60 30 14 6 2 0
Rest → 1 1 0 1 1 1 1
Leserichtung
Beispiel: 12310
Resultat: 1111011222Monday, September 13, 2010
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Aufgabe: Dezimal nach Binär
Aufgabe: 1710 nach Binär
23Monday, September 13, 2010
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Aufgabe: Dezimal nach Binär
Quotient → 8 4 2 1 0
2 17 2 8 2 4 2 2 1
16 8 4 2 0
Rest → 1 0 0 0 1
Aufgabe: 1710 nach Binär
23Monday, September 13, 2010
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Aufgabe: Dezimal nach Binär
Quotient → 8 4 2 1 0
2 17 2 8 2 4 2 2 1
16 8 4 2 0
Rest → 1 0 0 0 1
Aufgabe: 1710 nach Binär
Resultat: 100012
23Monday, September 13, 2010
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Konversion: Binär nach Dezimal
Beispiel: 11110112
Resultat: 12310
1 1 1 1 0 1 1
Sum: 1 x 26 1 x 25 1 x 24 1 x 23 0 x 22 1 x 21 1 x 20
Sum: 64 32 16 8 0 2 1 →123
24Monday, September 13, 2010
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Aufgabe: Binär nach Dezimal
Aufgabe: 101012 nach Dezimal
25Monday, September 13, 2010
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Aufgabe: Binär nach Dezimal
Aufgabe: 101012 nach Dezimal
1 0 1 0 1
Sum: 1 x 24 0 x 23 1 x 22 0 x 21 1 x 20
Sum: 16 0 4 0 1 → 21
25Monday, September 13, 2010
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Aufgabe: Binär nach Dezimal
Aufgabe: 101012 nach Dezimal
Resultat: 2110
1 0 1 0 1
Sum: 1 x 24 0 x 23 1 x 22 0 x 21 1 x 20
Sum: 16 0 4 0 1 → 21
25Monday, September 13, 2010
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Addieren von Binärzahlen
1 1 1 1 0 1 1
+ 1 0 1 1 0 1 11 1 1 1 1 1
1 1 0 1 0 1 1 0
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Addieren von Binärzahlen
1 1 1 1 0 1 1
+ 1 0 1 1 0 1 11 1 1 1 1 1
1 1 0 1 0 1 1 0
Kann zu einem Überlauf führen!
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Aufgabe: Addition
1 0 1 1
+ 1 0 1 1
27Monday, September 13, 2010
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Aufgabe: Addition
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Aufgabe: Addition
1 0 1 1
+ 1 0 1 11 1 1
1 0 1 1 0
28Monday, September 13, 2010
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Sekundärspeicher
29Monday, September 13, 2010
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Software
30Monday, September 13, 2010
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Gängige Vorurteile/Ausreden
“Computer sind intelligent.”
“Der Computer ist abgestürzt.”
“Der Computer erlaubt das nicht.”
“Der Computer hat die Datei verloren/kaputt gemacht.”
31Monday, September 13, 2010
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Computer...
...sind universelle Maschinen. Sie führen das Programm aus, das man ihnen eingibt.
Die guten Neuigkeiten:
1. Der Computer wird genau das tun, was das Programm ihm vorschreibt.
2. Er wird es sehr schnell tun.
Die schlechten Neuigkeiten:
1. Der Computer wird genau das tun, was das Programm ihm vorschreibt.
2. Er wird es sehr schnell tun.
32Monday, September 13, 2010
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Software schreiben ist schwierig
Programme stürzen ab
Programme, die nicht abstürzen, funktionieren aber auch nicht unbedingt richtig
Programmierer sind verantwortlich für das korrekte Funktionieren ihrer Programme
33Monday, September 13, 2010
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Beispiel: Ariane 5
4. Juni 1996: Millionen Dollar Schaden wegen einfachem Programmierfehler:
64-bit float -> 32-bit int
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Weitere Beispiele
28. July, 1962 - Mariner I space probe.Eine mit Bleistift niedergeschriebene Formel wird falsch abgeschrieben. Resultat: Die Sonde muss gesprengt werden.
1982 - Soviet gas pipeline.Die CIA lies absichtlich einen Fehler in eine Steuerungssoftware einbauen. Resultat: Die grösste nicht-nukleare Explosion in der Geschichte der Menschheit.
1985-1987 - Therac-25 medical acceleratorGerät zur Strahlentherapie dessen Betriebssystem von einem unerfahrenen Programmierer zusammengebastelt worden war. Resultat: Mindestens 5 Patienten sterben, mehrere werden schwer verletzt.
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Software schreiben macht Spass
Ein Programmierer entwirft und baut eigene Maschinen
Er kann kreativ sein und seine Vorstellungskraft gebrauchen
Es ist faszinierend, wenn ein selbstgeschriebenes Programm läuft und vielleicht sogar seinen Benutzern den Alltag erleichtert
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Wie bringe ich den Computer dazu, das zu tun, was ich will?
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Maschinensprache vs. Assembler
Addieren in Maschinensprache:
1101101010011010
Addieren in Assembler:
ADDF3 R1, R2, R3
Ass
embl
er
ADDF3
R1,
R2,
R3
Mas
chin
ensp
rach
e
1101101010011010
Ass
embl
er
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Höhere Programmiersprachen
• Java• COBOL (COmmon Business Oriented Language)• FORTRAN (FORmula TRANslation)• BASIC (Beginner All-purpose Symbolic Instructional Code)• Pascal (benannt nach Blaise Pascal)• Ada (benannt nach Ada Lovelace)• C• Visual Basic• Delphi• C++• ...
Code-Beispiele:float area = 5 * 5 * 3.1415;new Window(“This is the title”).setVisible(true);
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Der Kompiliervorgang
CompilerSource File Object File
Linker
Executable File
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Virtuelle Maschinen
Bytecode
VM
AnyComputer
Compiler
Source File
Object File
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Das Betriebssystem
• Controlling und Monitoring von Systemaktivitäten
• Allokation und Zuweisung von Systemressourcen
• Scheduling von Prozessen
Applikation
Betriebssystem
Hardware
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Algorithmisches Denken
Vom Rezept zum ausführbaren Computerprogramm
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Der Risotto-Algorithmus
1 dl Weinca. 8 dl Rinderbouillon
1x kleine Zwiebel1-2 Knoblauchzehe(n)
2 Esslöffel Olivenöl150 g Rundkorn Reis50 g Parmesan
eine Messerspitze Safranfäden
Zutaten für 2 Personen: 1. Das Olivenöl erhitzen, die Zwiebel und den Knoblauch fein würfeln und darin anschwitzen.
2. Den Reis beigeben und 3-4 Minuten unter Rühren glasig werden lassen.
3. Mit dem Wein ablöschen und solange köcheln lassen, bis die Flüssigkeit verdunstet ist.
4. Den Safran beigeben.
5. Die Rinderbouillon aufkochen und eine Kelle voll zum Reis hinzugeben und verdunsten lassen.
6. Diesen Vorgang solange wiederholen, bis sämtliche Bouillon aufgebraucht ist.
7. Den Parmesan unterrühren und heiss servieren.
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Weitere Algorithmen im Alltag
Prozess Ausführender Algorithmus typische Anweisung
Kuchen backen Bäcker Rezept nimm 1/2 kg Mehl...
Spielen einer Klaviersonate
Pianist Partitur ♫♬♩♪
Bedienung eines Handys Anrufer Bedienungsanleitung drücken sie die # Taste
Bau eines Radios Bastler Schaltplan und Montageanleitung
verbinde Transistor T1 mit T5
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Der Euklidische Algorithmus
Der Euklidische Algorithmus (um 300 v. Chr. beschrieben dient zur Ermittlung des grössten gemeinsamen Teilers (ggT) zweier natürlicher Zahlen A und B.
1. Sei A die grössere der beiden Zahlen A und B (entsprechend vertauschen, falls dem noch nicht so ist)
2. Setze A = A - B
3. Wenn A und B ungleich sind, dann fahre fort mit Schritt 1. Wenn sie gleich sind, dann beende den Algorithmus: Diese Zahl ist der ggT
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Beispiel: ggT von 14 und 8
Schritt A B A - B
1. 14 8 6
2. 8 6 2
3. 6 2 4
4. 4 2 2
5. 2 2 gleich
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Nassi-Shneiderman Diagramme
Statement
Decision
Yes No
While (condition)
Until (condition)
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Aufgabe: Der Risotto-Algorithmus als NSD
1 dl Weinca. 8 dl Rinderbouillon
1x kleine Zwiebel1-2 Knoblauchzehe(n)
2 Esslöffel Olivenöl150 g Rundkorn Reis50 g Parmesan
eine Messerspitze Safranfäden
Zutaten für 2 Personen: 1. Das Olivenöl erhitzen, die Zwiebel und den Knoblauch fein würfeln und darin anschwitzen.
2. Den Reis beigeben und 3-4 Minuten unter Rühren glasig werden lassen.
3. Mit dem Wein ablöschen und solange köcheln lassen, bis die Flüssigkeit verdunstet ist.
4. Den Safran beigeben.
5. Die Rinderbouillon aufkochen und eine Kelle voll zum Reis hinzugeben und verdunsten lassen.
6. Diesen Vorgang solange wiederholen, bis sämtliche Bouillon aufgebraucht ist.
7. Den Parmesan unterrühren und heiss servieren.
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Lösung: Der Risotto-Algorithmus als NSD
Zwiebel und Knoblauch schneiden
Reis, Zwiebel und Knoblauch in heissem Olivenöl andünsten
Mit Wein ablöschen
Until (Bouillon verbraucht)
Genug Flüssigkeit?
Yes No
Bouillon nachgiessen
Parmesan hinzufügen
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Aufgabe: Der Euklidische Algorithmus als NSD
Der Euklidische Algorithmus (um 300 v. Chr. beschrieben dient zur Ermittlung des grössten gemeinsamen Teilers (ggT) zweier natürlicher Zahlen A und B.
1. Sei A die grössere der beiden Zahlen A und B (entsprechend vertauschen, falls dem noch nicht so ist)
2. Setze A = A - B
3. Wenn A und B ungleich sind, dann fahre fort mit Schritt 1. Wenn sie gleich sind, dann beende den Algorithmus: Diese Zahl ist der ggT
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While (a > 0 and b > 0)
a > b?
Yes No
a = a - b b = b - a
b == 0?
Yes No
Print a Print b
Lösung: Der Euklidische Algorithmus als NSD
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Algorithmen in Scratch: Statements
Statement
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Algorithmen in Scratch: Decisions
Decision
Yes No
a b
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Algorithmen in Scratch: Loops
While (condition)
Until (condition)
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2000 01001010 Kodierung für Buchstabe ‘J’2001 01100001 Kodierung für Buchstabe ‘a’2002 01110110 Kodierung für Buchstabe ‘v’2003 01100001 Kodierung für Buchstabe ‘a’2004 00000011 Kodierung für Zahl 3
Variablen in einem Programm
jString
myNumber
var:
var:
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Variablen in Scratch
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