Leitfaden der technischen Informatik und Kommunikationstechnik

278 Pages·2004·12.146 MB·German

by  Univ-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Dr. mult. h.c. Peter Kopacek, Dipl.-Ing. Dr. techn. Martin Zauner M.Sc. (OU) EM (auth.)

Peter Kopacek
Martin Zauner
Leitfaden
der technischen Informatik und Kommunikationstechnik
Springer-Verlag Wien GmbH
Univ-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techno Dr. mult. h.c. Peter Kopacek
Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik
Technische Universität Wien, Wien, Österreich
Dipl.-Ing. Dr. techno Martin Zauner, M.Sc. (OU) EM
Fachhochschul-Studiengang Medizintechnik
Fachhochschul-Studiengänge Oberösterreich, Linz, Österreich
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© 2004 Springer-Verlag Wien
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Wien New York 2004
Satz: Reproduktionsfertige Vorlage der Autoren
Gedruckt auf säurefreiem, chlorfrei gebleichtem Papier - TCF
SPIN 10920053
Mit 106 Abbildungen
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über hUp://dnb.ddb.de abrufbar.
ISBN 978-3-211-00765-5 ISBN 978-3-7091-0600-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-0600-6
Vorwort
Das Buchsolldem technischorientiertenNutzereinepraxisorientierteEinfuhrungindie
moderne lnformations- und Kommunikationstechnik geben. Es entstand aus lang
jahrigen Lehrveranstaltungen der Autoren an Technischen Universitaten, Fachhoch
schulenund HTLs bzw.anderenAus-undWeiterbildungsinstitutionen.
Die Theorie wird nur insofern gestreift, als dies fur das Verstandnis unbedingt er
forderlichist.Angestrebt wurdeeineumfassendeund anwendungsorientierte Darstellung
der Grundlagen. Das Buch soll damit nicht nur ein Lehrbuch, sondern auch ein
Handbuchund Nachschlagewerkfurtechnischlnteressierte sein.
Das SchwergewichtliegtaufderpraktischenAnwendbarkeit und der Darstellungder
derzeit modernsten Technologien und Verfahren fur viele Beispieleaus den lngenieur
wissenschaften. Wir versuchen zu zeigen, wie weit die technische lnformatik und
Kommunikation bereits unsere Lebensbereiche erfasst hat und wohin die weitere
Entwicklung fiihrenwird.Wirhaben dazuneben den "klassischen" technischen Anwen
dungsgebieten auch dieAnwendung derlnformations- und Kommunikationstechnik fur
die Medizintechnik mit aufgenommen. Fur den speziell lnteressierten wurde fur die
MoglichkeitderweiterenVertiefungeineLiteraturlisteangeschlossen.
Wir rnochten uns bei allen,die zum Gelingen diesesBuches beigetragen haben, be
danken, insbesondere bei Dipl.-lng. K.Daichendt fur seine fachlichen Hinweise, bei
Frau 1. Nemetz und M.Miner fur die Schreibarbeiten und bei den Mitarbeitern des
VerlagesfurihreKooperationund Geduld.
Wien,Linz,Oktober2003 P.Kopacek,M.Zauner
Inhaltsverzeichnis
I.Ubersichtiiberdie GebietederInformatik 1
II. Grundlagen 3
A.Informationsdarstellung 3
1.Analogeund digitaleDarstellung 3
2.Vom analogenSignalzumdigitalenWert 4
3.LogischeWerte 6
B.Numerische und nichtnumerischeInformationund derenDarstellung 7
1.Der Aufbauvon Zahlensystemen 7
2.ZahlendarstellungeninZahlensystemen 8
3.RechnenmitDualzahlen 11
4.NegativeganzeZahlenund Zahlenbereiche 12
5.GebrocheneZahlen 15
6.Einteilungvon Codes 17
7.Eigenschaften von Codes 18
8.InformationstheoretischeGrundlagenderCodierung 20
9.Zahlencodes und zeichenabbildendeCodes 23
10.Fehlererkennendeund fehlerkorrigierendeCodes 27
11.Optimale Codierung 30
12.Verschliisselung 32
C.Algorithmen 33
1.Problemtypen, Effizienz 33
2.Beurteilungvon Algorithmen 35
D.Zusammenfassung 36
III.RechnerarchitekturenundKommunikation 37
A.Aufbau undWirkungsweisevon Rechnern 37
1.Klassifikationvon Rechnersystemen 37
2.Rechnerarchitekturen 38
3.Rechnerkomponenten 38
4.Rechnerinterne Bussystemeund Dateniibertragung 47
5.Erweiterungen desvon-Neumann-RechnerszurHarvard-Architektur 54
6.Sicherheitssteigerungdurch redundante Festplattenkonfigurationen 55
B.Rechnerkommunikation und Rechnernetzwerke 56
1.Das ISO/OSI-Referenzmodell(7-Schichten-Modell) 56
2.LAN-Topologien und Zugriffsverfahren 57
VIII Inhaltsverzeichnis
3.DieVerbindungskomponentenvonNetzwerksegmenten 61
4.Netzwerkdatentransport- TCP/IP-Protokoll-Familie 65
5.DasIP-Protokoll 68
C.Internet 69
1.DieArchitekturdesInternets 70
2.DieVerwaltungdesInternets 70
3.AnschlussandasInternet 71
4.DieDienstedesInternets 71
5.Nutzen desInternetsinderMedizin 72
D.Netzwerksicherheit 74
1.Gefahrenpotenziale 74
2.SchutzmalinahmendurchFirewalls 75
E.MobileKommunikation 79
1.Definition 79
2.Mobilfunk 79
3.GPRS-Technologie- GeneralPacketRadioService 82
4.HSCSD- HighSpeedCircuitSwitchedData 82
5.UMTS- UniversalMobileTelecommunicationSystem 82
6.WirelessLAN- drahtloselokaleNetze 84
7.Bluetooth 86
8.HiperLAN/2- HighPerformanceRadioLocalAreaNetwork 86
F. Zusammenfassung 87
IV. Programmierung 89
A.Ebenen desSoftwareeinsatzes 89
B.ProgrammiibersetzunginMaschinencode 91
1.Assembler 94
2.Compiler,Linker,Interpreterund Debugger 94
C.Hohere Programmiersprachen 96
D.StrukturierteProgrammierung 99
1.Struktogrammeund Flussdiagramme 99
2.KomplexeBedingungen 101
3.DieCodierungderProblernlosunginderProgrammierspracheC 102
4.DatentypenundBezeichner 105
5.KomplexeDatenstrukturen 106
6.ZeigerunddynarnischeAllokation 109
7.FunktionenundRekursion 111
8.GlobaleundlokaleVariablennutzung 114
E.Objektorientierung 114
F.Zusammenfassung 115
Inhaltsverzeichnis IX
V.Software-Engineering 117
A.VonderAufgabe zumAlgorithmus:Top-Down 117
1.Grundlagen 117
2.Der Systembegriff 118
3.VorgehensweisebeiderSoftwareentwicklung 122
4.VorgehensmodelleinderSoftwareentwicklung 123
5.MethodenubersichtzurSoftwaresystementwicklung 126
B.Qualitatskriterien und Qualitiitssicherung 126
1.Qualitat und der BegriffFehlerinSoftwaresystemen 126
2.TestenvonSoftware 129
3.Produktqualirat 130
4.Prozessqualitat 131
5.FehlertoleranzinSoftwaresystemen 133
6.ComputerAidedSoftwareEngineering 134
C.Software Reengineering 134
D.Zusammenfassung 136
VI. Betriebssysteme 137
A.DerAufbauvon Betriebssystemen 137
1.Grundlagen 137
2.Klassifikation von Betriebssystemen 139
B.Arbeitsspeicherverwaltung 141
1.Adresseninausfuhrbaren Programmen 141
2.OrganisationdesArbeitsspeichers 142
3.VirtualMemory 143
4.Laden 144
5.Linken 145
C.Prozesse 145
1.Scheduling 145
2.Prozessbeschreibung 146
3.SequentielleundparalleleProzesse 146
4.Prozesskommunikation und Client/Server-Modell 147
5.Long-TermundShort-TermScheduling 149
6.Scheduling-Algorithmen 150
D.DasEin-undAusgabekonzept 153
E.Dateisysteme 153
1.Dateistrukturen 153
2.Zugriffsmethoden 154
3.Dateiattribute 155
4.Verzeichnisstrukturen 155
F.Ubersichttiber Betriebssysteme 156
1.StationareRechner- undNetzwerkbetriebssysteme 156
2.Betriebssystemefur mobileSystemeundSmartDevices 156
X Inhaltsverzeichnis
G.Zusammenfassung 157
VlI. Datenbanken 159
A.Schichtenmodell 159
B.Terminologie 159
C.StruktureinerrelationalenDatenbank 161
1.Relationen 161
2.DasunnormalisierteRelationenmodell 164
3.BeispielevonAnomalienineinerunnormalisiertenRelation 164
4.Normalformen 164
5.BeispielfiirdieNormalisierungbiszurdrittenNormalform 167
6.MerkmalevonrelationalenDatenbanksystemen 170
7.PraktischeAspektebeimEinsatzrelationalerDatenbanksysteme 173
8.VerteilteDatenbanken 174
9.Datenbankarchitekturen 175
10.DieAbfragespracheSQL 176
11.UbersichttiberDatenbanksysteme 179
12.LinkszuMedizinischenDatenbanken 179
D.Zusammenfassung 179
VIII. System- unciEinsatzplanung 181
A.Der systemtechnischePlanungsprozess 181
1.EvolutionareVorgehensweise 182
2.AkrivitatenorientiertePlanungsmorphologie 182
B.Wirtschaftlichkeit 182
C.Entscheidungsfmdung- Nutzwertanalyse 183
1.ErmitclungdesZielsystems 184
2.ErstellungdesKriterienkataloges 185
3.ErmitclungderZielertrage 186
4.ErmitclungderZielwerteundBestimmungdesSkalenniveaus 187
5.Durchfuhrung derWertsynthese 187
D.EinsatzvonStandards 189
1.OffeneSysteme 189
2.Gremien 190
E.Projektmanagement 192
1.Projektorganisation 192
2.Projektstrukturplanung 194
3.Projektplanungund-steuerung 196
F.BetrieblicheEinfUhrung 203
G.Beispiele 205
1.AuswahlundEinfuhrungvonKrankenhausinformationssystemen 205
2.SchemaeinesKrankenhausinformationssystems 206
Inhaltsverzeichnis XI
H. Zusammenfassung 207
IX.Modellbildungund Simulation 209
A.Grundlagen 209
B.SimulationsverfahrenundihrEinsatz 210
C.KontinuierlicheSimulation 211
D. DiskreteSimulation 212
E. Zusammenfassung 212
X.Kiinstliche Intelligenz 213
A.Grundlagen 213
B.Methoden derKunstlichen Intelligenz 214
C.AnwendungsgebietederKunstlichenIntelligenz 215
D.Expertensysteme 216
E. Zusammenfassung 218
XI.AusgewahlteAnwendungenin denIngenieurwissenschaften 219
A.Bildverarbeitung,Bilderkennung 219
1.InformationeninBildern 220
2.InformationenausBildern 220
3.Industriel1eBildverarbeitung 221
4.BildverarbeitunginderMedizin 222
B.Mikro-und Nanosysteme 223
1.Mikrosystemtechnik 223
2.Nanotechnologie 226
C.Automatisierungstechnik 229
1.EinillustrativesBeispiel 229
2.Geratetechnik 232
3.RegelunginUbertragungsnetzwerkenund derInformationstechnik 233
4.Automatisierungstechnik fiirnichttechnischeSysteme 233
5.RegelungsprinzipieninderSoftwaretechnik 234
6.Kontinuierlicheund diskreteSysteme 235
7.AutomatisierunginderMedizintechnik 235
8.Fertigungsautomatisierung 237
9.Robotertechnik- Robotik 240
10.Produktionsleitsysteme 244
11.Zusammenfassungund Entwicklungstendenzen 245
D.Mechatronik 246
1.Waschmaschine 247
2.Automatische Kamera 248
3.Zusammenfassung 249
XII Inhaltsverzeichnis
E.Adaptronik 249
F.Infotronik,Infotainment,Edutainment 251
XII.Ausblick 255
A.Softwareentwicklungstrends 255
B.DistanceEducation- VirtuelleUniversitat 255
1.FonnendesE-Learning 255
2.Software furE-Learning,Lernplattformen 256
C.Teleworking 257
D.Telemedizin 257
Anhang 259
A.Boolesche Algebra 259
1.Axiome 259
2.Theoreme fureineboolesche Variable 259
3.Theoreme furmehrere boolesche Variable 260
Literatur 261
Sachverzeichnis 265