📗 Theoretische Grundlagen Programmieren

Wie funktioniert ein Computerprogramm?

Ein Computerprogramm ist eine Reihe von Anweisungen, die einem Computer sagen, was er tun soll. Programme folgen dabe immer dem Muster Eingabe → Verarbeitung → Ausgabe (EVA-Prinzip):

Eingabe: Der Benutzer oder ein anderes System liefert Daten (z.B. über Tastatur, Maus, Geräte, Sensoren etc.)
Verarbeitung: Das Programm führt Schritt für Schritt die Anweisungen aus (Berechnungen, Vergleiche, Logik).
Ausgabe: Die Ergebnisse werden dargestellt, gespeichert oder an andere Systeme weitergegeben.

👉 Ein Programm funktioniert also wie ein Rezept: Es beschreibt präzise, welche Schritte in welcher Reihenfolge auszuführen sind, damit ein gewünschtes Ergebnis entsteht.

Hier ein kleines Beispiel in Python, das zeigt, wie ein Programm Eingaben verarbeitet und eine Ausgabe erzeugt:

# 1. Eingabe: Benutzer gibt seinen Namen ein
name = input("Wie heisst du? ")

# 2. Verarbeitung: Text zusammensetzen
begrüssung = "Hallo, " + name + "! Schön, dich zu sehen."

# 3. Ausgabe: Ergebnis anzeigen
print(begrüssung)

Algorithmus

Hinter jedem Programm steckt ein Algorithmus: eine präzise Abfolge von Schritten, um ein Problem zu lösen.
Beispiel: Ein Programm zum Sortieren von Zahlen nimmt unsortierte Zahlen und ordnet sie der Reihe nach.

Eigenschaften guter Algorithmen

Korrektheit (liefert richtige Ergebnisse)
Eindeutigkeit (klar definierte Schritte)
Endlichkeit (hört irgendwann auf)
Effizienz (benötigt vertretbare Zeit und Ressourcen)

Ablauf im Computer

Wenn ein Programm gestartet wird:

Laden: Das Programm wird vom Speicher (z. B. Festplatte) in den Arbeitsspeicher (RAM) geladen.
Ausführen: Die CPU liest nacheinander die Maschinenbefehle.
Beispiele: „Addiere Wert X zu Wert Y“, „Vergleiche A mit B“, „Springe zu Anweisung Z“.
Steuerung: Durch Kontrollstrukturen (z. B. Wenn–dann, Wiederhole bis) kann das Programm je nach Datenlage unterschiedlich reagieren.

Compiler vs. Interpreter

Programme werden in Programmiersprachen geschrieben.

Hochsprachen sind menschenlesbarer (z. B. Python, Java, C++).
Maschinensprache ist das, was der Computer wirklich versteht: eine Folge von 0 und 1 (Binärcode).
Damit der Computer ein Programm ausführen kann, wird es übersetzt (durch einen Compiler oder Interpreter) von der Programmiersprache in Maschinencode.

Ein Compiler und ein Interpreter sind also Programme, die Quellcode (den der Programmierer schreibt) in etwas übersetzen, das der Computer verstehen und ausführen kann.

Der Unterschied liegt vor allem in wann und wie die Übersetzung passiert.

Merkmal	Compiler	Interpreter
Arbeitsweise	Übersetzt den gesamten Quellcode auf einmal in Maschinencode (eine ausführbare Datei).	Liest und führt den Quellcode Schritt für Schritt direkt aus.
Geschwindigkeit	Ausführung ist meist schneller, da der Code vorher komplett übersetzt wurde.	Langsamer, da die Übersetzung während der Laufzeit passiert.
Fehlererkennung	Meldet Fehler erst nach der vollständigen Übersetzung.	Meldet Fehler sofort beim Ausführen der fehlerhaften Stelle.
Beispiele	C, C++ (meist kompiliert)	Python, JavaScript (meist interpretiert)
Ausgabe	Erstellt eine separate, ausführbare Datei (.exe, .out etc.).	Führt den Code direkt aus, ohne eine zusätzliche Datei zu erzeugen.

👉 Zusammengefasst: - Compiler = „Übersetzer im Voraus“ (macht ein fertiges Programm). - Interpreter = „Übersetzer in Echtzeit“ (führt direkt aus).

Binärcode

Binärcode ist die Sprache, die ein Computer direkt versteht. Sie besteht nur aus zwei Zeichen: 0 und 1. Jede Zahl oder jedes Zeichen wird damit dargestellt.

Grundprinzip:

Jeder Bit (binary digit) kann entweder 0 oder 1 sein.
Mehrere Bits zusammen bilden Bytes (meist 8 Bits = 1 Byte).
Alles im Computer – Zahlen, Texte, Bilder, Musik – wird in Binärform gespeichert und verarbeitet.

Beispiel:

Dezimalzahl 5 → Binär: 0101
Buchstabe „A“ → ASCII-Binär: 01000001

🔎 Erklärung: - Ein Computer kann nur elektrische Signale ein (1) oder aus (0) unterscheiden. - Durch Kombination vieler Bits können komplexe Informationen codiert werden.

👉 Zusammengefasst: Binärcode ist die Grundsprache der Computer, auf der alle Programme und Daten letztlich basieren.

Umrechnungsarten von Dezimal zu Binär

Um eine Dezimalzahl wie 44 in eine Binärzahl umzuwandeln, gibt es grundsätzlich zwei gängige Rechenarten:

1️⃣ Division durch 2 (Restmethode)

Hier teilst du die Dezimalzahl wiederholt durch 2 und notierst die Reste. Danach liest du die Reste von unten nach oben, um die Binärzahl zu erhalten.

Dezimalzahl	÷2	Ergebnis	Rest
44	2	22	0
22	2	11	0
11	2	5	1
5	2	2	1
2	2	1	0
1	2	0	1

2️⃣ Subtraktion der Zweierpotenzen

Hier zerlegst du die Dezimalzahl in Summe von Zweierpotenzen (1, 2, 4, 8, 16, 32, …) und setzt an der jeweiligen Stelle eine 1, sonst 0.

32	16	8	4	2	1
1	0	1	1	0	0

Erklärung:

Wir prüfen jede Potenz von links nach rechts, ob sie in die Zahl passt, bzw. ob die Zahl - Potenz >=0 ist.
Wenn ja, schreiben wir 1 und subtrahieren die Potenz, sonst 0. In unserem Beispiel also:
- 44 - 32 = 12 (wir notieren eine 1 bei 32 und merken uns den Rest von 12)
- dann 12 - 16 = -4 (wir notieren eine 0 bei 16 und fahren mit 12 weiter)
- dann 12 - 8 = 4 (wir notieren eine 1 bei 8 und merken uns den Rest von 4)
- ...
So ergibt sich für 44: 101100

Wichtige Begriffe

Begriff	Erklärung
IDE (Integrated Development Environment)	Eine Softwareumgebung zum Schreiben, Testen und Debuggen von Programmen, oft mit Editor, Compiler und Debugger integriert.
Quellcode	Der vom Menschen lesbare Programmtext, den Programmierer schreiben, z. B. in Python oder C.
Algorithmus	Eine klar definierte Schritt-für-Schritt-Anleitung, um ein Problem zu lösen oder eine Aufgabe zu erfüllen.
Syntax	Die Regeln einer Programmiersprache, die bestimmen, wie Programme korrekt geschrieben werden müssen. Fehler in der Syntax führen zu Fehlermeldungen.
Datentyp	Gibt an, welche Art von Daten eine Variable speichern kann, z. B. Zahl, Text oder Wahr/Falsch.
Variable	Ein benannter Speicherplatz für Daten, dessen Inhalt sich ändern kann.
Compiler / Interpreter	Ein Compiler übersetzt den Quellcode komplett in Maschinencode, bevor das Programm läuft, ein Interpreter führt den Quellcode direkt Zeile für Zeile aus.
Assembler	Ein Programm, das Assemblersprache (näher am Maschinencode) in Maschinencode übersetzt.
Maschinencode	Direkt ausführbare Befehle für die CPU, meist als Binärzahlen codiert.
CPU (Central Processing Unit)	Die zentrale Recheneinheit eines Computers, die Befehle ausführt und Berechnungen durchführt.
Speicher (RAM)	Temporärer Arbeitsspeicher eines Computers, in dem Programme und Daten während der Ausführung gespeichert werden; flüchtig, also gehen Daten beim Ausschalten verloren.
Output / Hardware	Das Ergebnis wird angezeigt, gespeichert oder an andere Hardware ausgegeben.