Informatik für Ingenieure

Prof. Dr. Peter Fischer-Stabel ist Professor für Angewandte Informatik, Umwelt- & Geoinformatik am Umweltcampus der Hochschule Trier.

Prof. Dr.-Ing. Klaus-Uwe Gollmer ist an der Hochschule Trier (Umweltcampus Birkenfeld) tätig. Er hält dort die Vorlesungen Informatik 1+2.

Vorwort5

Hinweise zum Buch 7

Abbildungsverzeichnis 15

Tabellenverzeichnis 19

1 Grundlagen 21

1.1 Informatik 21

1.1.1 Was ist Informatik? 21

1.1.2 Wozu Informatik-Kenntnisse? 22

1.1.3 Aufgaben der Informatik 23

1.1.4 Meilensteine der Datenverarbeitung 24

1.1.5 Gebiete der Informatik 26

1.2 Grundbegriffe der Informationstechnologie 29

1.2.1 Grundbegriffe 29

1.2.2 EVA-Grundprinzip der Datenverarbeitung 31

1.2.3 Informationsdarstellung 32

1.2.4 Logische Grundfunktionen 43

1.3 Literatur 46

2 Hardware 47

2.1 Grundelemente eines Rechnersystems 47

2.2 Elektrotechnische Grundlagen 51

2.2.1 Strom, Spannung und elektrische Leistung 52

2.2.2 Einfache Bauelemente und ihre Verknüpfung 54

2.3 Digitaltechnik 61

2.3.1 Schaltnetze 63

2.3.2 Schaltwerke 70

2.4 Rechnerarchitektur 82

2.4.1 Abarbeitung eines Maschinenbefehls 83

2.4.2 Zugriff auf Ein-/Ausgabebausteine 86

2.4.3 Cache 88

2.4.4 Leistungsbewertung 90

2.4.5 Befehlspipeline 92

2.4.6 Befehlssatzarchitekturen 94

2.4.7 Multithreading-Architektur 95

2.4.8 Rechnerklassifikation nach Flynn 97

2.5 Interfacetechnik Eingebetteter Systeme 99

2.5.1 Ein- und Ausgabe digitaler Signale 100

2.5.2 Analoge Ausgänge (Digital-Analog-Wandlung) 102

2.5.3 Analoge Eingänge (Analog-Digital-Wandlung) 104

2.5.4 Serielle Schnittstellen 108

2.6 Literatur 113

3 Software 115

3.1 Klassifikation von Software 115

3.2 Anwendungssoftware für Ingenieure 118

3.3 Betriebssysteme 120

3.3.1 Grundlagen 120

3.3.2 Betriebsmittelverwaltung 125

3.3.3 Marktgängige Betriebssysteme 129

3.3.4 Virtuelle Maschinen (VM) 129

3.4 Software Engineering 131

3.4.1 Klassisches Phasenmodell (Wasserfallmodell) 131

3.4.2 Spiralmodell 132

3.4.3 Anforderungsspezifikation (Lastenheft) 133

3.4.4 Pflichtenheft (Sollkonzept) 134

3.4.5 Software-Qualität 135

3.5 Literatur 137

4 Algorithmen 139

4.1 Eigenschaften von Algorithmen 140

4.2 Vom Problem zum Programm 141

4.2.1 Exkurs: Komplexität von Algorithmen 145

4.3 Beschreibung von Algorithmen 148

4.3.1 Umgangssprachliche (textuelle) Beschreibung 148

4.3.2 Graphische Beschreibungsformen 149

4.3.3 Beschreibung in einer Programmiersprache 153

4.4 Programmiersprachen 154

4.4.1 Grundelemente von Programmiersprachen 156

4.4.2 Syntax und Semantik 158

4.4.3 Strukturierte Programmierung 159

4.4.4 Objektorientierte Programmierung 161

4.5 Literatur 161

5 Grundlagen der Programmierung 163

5.1 Die Arduino-Plattform 165

5.1.1 Enwicklungsumgebung 166

5.1.2 Arduino UNO und kompatible Boards 168

5.1.3 NodeMCU Board 169

5.2 Grundlagen der C-Programmierung 170

5.2.1 Ein erstes Arduino Programm 172

5.2.2 Ausgabe mit printf 177

5.2.3 Wiederholungsschleifen (for, while) 180

5.2.4 Fallunterscheidungen (if … else) 187

5.2.5 Mehrfach-Fallunterscheidungen (switch) 188

5.2.6 Elementare Datentypen und Ausdrücke 189

5.2.7 Mathematische Standardfunktionen 194

5.2.8 Modularisierung (Funktionen) 195

5.2.9 Lebensdauer und Geltungsbereich 203

5.2.10 Rekursion 205

5.2.11 Höhere Datenstrukturen 208

5.3 Interfacetechnik: Arduino-Befehle 216

5.3.1 Digital I/O 218

5.3.2 Analog I/O 219

5.3.3 Serielle Protokolle 221

5.4 Literatur 223

6 Rechnernetze 225

6.1 Netzwerktopologie 226

6.2 Netzwerkprotokolle 228

6.2.1 Das OSI-Referenzmodell 228

6.2.2 Das TCP/IP-Referenzmodell 230

6.2.3 Feldbusprotokolle 237

6.3 Drahtlosnetzwerke 241

6.3.1 Wireless Personal Area Network (WPAN) 242

6.3.2 Wireless Local Area Network (WLAN) 243

6.3.3 Wireless Wide Area Network (WWAN) 245

6.4 Literatur 246

7 Internet 247

7.1 Grundlagen 247

7.2 Web-Technologien 248

7.2.1 URL: Uniform Resource Locator 248

7.2.2 HTML und XML 251

7.2.3 Skriptsprachen und CGI-Programmierung 254

7.3 Dienste und Anwendungen im Internet 255

7.3.1 World Wide Web (WWW) 255

7.3.2 eMail-Dienste 259

7.3.3 Weitere Internetdienste 260

7.4 Literatur 261

8 Information Retrieval 263

8.1 Einführung 263

8.2 Internet-Suchmaschinen 265

8.2.1 Potential webbasierter Informationssysteme 265

8.2.2 Suchmaschinen 265

8.2.3 Bildersuchmaschinen 271

8.2.4 Deep Web 271

8.2.5 Bewertung von Internetressourcen 272

8.3 Digitale Bibliothek und Fachdatenbanken 273

8.3.1 Kataloge 273

8.3.2 Fachdatenbanken 274

8.4 Web2.0-Werkzeuge 274

8.4.1 Social Bookmarking 274

8.4.2 Plattformen für Videos und Präsentationen 275

8.4.3 MindMapping 277

8.4.4 Allgemeine Kriterien 277

8.4.5 Quellen für Informatiker und Ingenieure 278

8.4.6 Maschinenlesbare Datenquellen 279

8.5 Literatur 280

9 IT-Sicherheit 281

9.1 Einführung IT-Sicherheit 281

9.1.1 Grundlagen 281

9.1.2 Datenschutz personenbezogener Daten 284

9.2 Gefährdungsklassen / Schutzmaßnahmen 285

9.2.1 Gefährdungsklassen IT-Sicherheit 285

9.2.2 Schutzmaßnahmen 287

9.3 Erstellung eines IT-Sicherheitskonzeptes 288

9.4 IT-Sicherheit und Datenschutz im Home Office 290

9.4.1 Allgemeine Regeln 290

9.4.2 HTTPS (Hypertext Transfer Protocol Secure) 292

9.4.3 Vermeidung von Datenspuren 293

9.4.4 Smartphone und Sensory Malware 297

9.5 Literatur 298

10 Anwendung: Internet der Dinge 299

10.1 Messdatenerfassung 299

10.1.1 Sensorik und Kalibrierung 299

10.1.2 Datenmodell 301

10.1.3 Programmtechnische Umsetzung 303

10.2 Machine to Machine Kommunikation (M2M) 305

10.3 Web-Server 307

10.3.1 Server-Homepage 307

10.3.2 WLAN Zugang (Access-Point Modus) 309

10.4 Thingspeak Web-Client 311

10.4.1 Internet Zugang WLAN (Station Mode) 314

10.4.2 Sichere Verbindung mit HTTPS-Protokoll 315

10.4.3 Reaktionen: Tweets auslösen 316

10.5 Zugriff auf aktuelle Wetterdaten 317

Index 321