Vorlesungsnotizen: Verstehen, wie Computer funktionieren

Grundlagen von Computern

• CPU (Central Processing Unit):

  • Aus Silizium mit Milliarden von Transistoren, die als Schalter fungieren (An/Aus-Zustände: 1 & 0).
  • Bit: Wert eines einzelnen Transistorschalters.
  • Byte: Gruppe von 8 Bits, kann 256 verschiedene Kombinationen haben.

• Binärsystem:

  • Binär ist ein Zahlensystem zur Basis 2, das Potenzen von 2 verwendet.
  • Hexadezimal ist ein lesbares Format als Binär und verwendet die Ziffern 0-9 und Buchstaben A-F.

Logikgatter und Berechnungen

• Logikgatter:

  • Aus Transistoren hergestellt, führen Berechnungen in der Booleschen Algebra durch.

• Zeichencodierung:

  • ASCII weist Zeichen binäre Zahlen zu, um für Menschen lesbare Anzeigen zu schaffen.

Computerumgebung

• Betriebssystem-Kerne:

  • Verwalten Hardware und Anwendungen, beinhalten Gerätetreiber.

• RAM (Random Access Memory):

  • Temporärer Speicher für Daten und Befehle, während "Maschinenzyklen" (holen, dekodieren, ausführen, speichern) vom CPU abgerufen.

• Taktgeschwindigkeit:

  • Gemessen in Gigahertz, zeigt die Geschwindigkeit der CPU an.
  • Übertakten kann die Leistung verbessern, birgt jedoch das Risiko der Überhitzung.

• Mehrkern-Prozessoren:

  • Mehrere Kerne führen Anweisungen parallel aus; jeder Kern kann mehrere Threads verarbeiten.

Programmiersprachen und Codeausführung

• Maschinencode:

  • Binäre Anweisungen für die CPU.

• Programmiersprachen:

  • Interpreter (z.B. Python): Führt Code zeilenweise aus.
  • Compiler (z.B. C, Go): Konvertiert Code in Maschinencode vor der Ausführung.

• Grundlegende Programmierkonstrukte:

  • Variablen und Datentypen: Ganzzahlen, Gleitkommazahlen, Zeichenfolgen.
  • Pointer und Speicher: Speicheradressen, Zeigerarithmetik.
  • Speicherverwaltung: Manuell (z.B. C) vs. Garbage Collection (z.B. Python).

Datenstrukturen

• Arrays: Feste Größe, fortlaufender Speicherplatz.
• Verkettete Listen: Dynamisch, Knoten mit Zeigern.
• Stapel und Warteschlangen: LIFO- und FIFO-Datenmanagement.
• Hash-Maps: Schlüssel-Wert-Paare mit potenziellen Kollisionen.
• Graphen und Bäume: Knoten verbunden durch Kanten, mit speziellen Strukturen (z.B. binäre Bäume).

Algorithmen und Komplexität

• Funktionen und Rekursion: Algorithmen als Schritt-für-Schritt-Anleitungen.
• Big O Notation: Misst Zeit- und Raumkomplexität.
• Suchalgorithmen: Binäre Suche, Divide-and-Conquer-Strategien.

Programmierparadigmen

• Deklarativ vs. Imperativ: Verschiedene Ansätze beim Codieren.
• Objektorientierte Programmierung: Klassen, Objekte, Vererbung und Polymorphismus.

Maschinelles Lernen

• Überblick: Verwendung von Daten zur Trainierung von Algorithmen für Aufgaben wie Bilderkennung.
• Modelltraining und Bewertung: Verwendung von Trainings- und Testdaten zur Verfeinerung von Modellen.

Internet und Web

• Internet-Grundlagen: Netzwerk verbundener Computer unter Verwendung von IP-Adressen und TCP/IP.
• World Wide Web: Zugegriffen über Browser unter Verwendung von HTTP für den Datenaustausch.
• Datenbanken: Relationale Datenbanken mit SQL für die Datenmanipulation.

Sicherheit

• SQL-Injection: Ein häufiger Angriff auf Datenbanken durch Manipulation von SQL-Anfragen.

Lernen und Bildung

• Interaktives Lernen: Plattformen wie Brilliant bieten interaktive Lektionen, um das Verständnis komplexer Themen zu verbessern.