Grundlagen der Computertechnik

Beginnen wir mit der Frage, was ein Computer ist. In einfachen Worten: Ein Computer oder Rechner ist ein elektronisches Gerät, das Dateneingaben wie Zahlen, Text und Bilder empfängt und diese mithilfe einer Reihe von Anweisungen (einem Programm) verarbeitet und als sinnvolle Informationen in verschiedene Formate bündelt.

Die Komponenten, mit denen ein Computersystem funktioniert, werden im Wesentlichen in zwei Gruppen unterteilt: Hardware und Software.

Hardware bezeichnet die physischen Komponenten eines Computers oder elektronischen Systems, d. h. die Apparate des Computers selbst oder externes Zubehör. Tastatur, Bildschirm und elektronische Teile im Prozessor sind allesamt Hardware.

Software hingegen steht für die „nicht physischen“ Komponenten, d. h. die Anweisungen, die dem Computer mitteilen, was er zu tun hat. So können wir mit dem Computer „sprechen“, ohne die Computersprache zu kennen. Die wichtigsten Bestandteile der Computer-Software sind das Betriebssystem (engl. Operating System, OS) und die Programme.

• Das Betriebssystem fungiert als Schnittstelle zwischen der Hardware und den Programmen. Da für gewöhnlich mehrere Programme gleichzeitig laufen und alle auf die Ressourcen des Computers zugreifen müssen, dient das Betriebssystem als Koordinator, um sicherzustellen, dass jedes Programm die nötigen Ressourcen erhält.

• Programme oder Anwendungen führen bestimmte Aufgaben im System aus, so gibt es z. B. Textverarbeitungsprogramme, Musikplayer, Webbrowser usw.

Hardware und Software sind eng miteinander vernetzt. Ohne Software würde die Hardware eines Computers nicht funktionieren. Ohne die Hardware, um die Anweisungen der Software durchzuführen, wäre die Software wiederum nutzlos.

Hardwarekomponenten müssen bestimmte Eigenschaften haben, damit die Software richtig funktioniert. Die Komponenten eines Computers interagieren miteinander, um bestimmte Aufgaben durchzuführen. Um das zu verstehen, muss man den gesamten Prozess begreifen, da sie voneinander abhängen. Üblicherweise wird diese Verbindung in Schichten veranschaulicht.

• Die oberste Schicht des Computersystems sind die Software-Anwendungen, also die Programme, mithilfe derer wir mit dem Computer interagieren können.

• Als nächste Schicht folgt das Betriebssystem, das als Übersetzer zwischen Programmen und Hardware fungiert, damit diese sich verstehen.

• Die unterste Schicht ist die Hardware, d. h. alle Komponenten, die physisch greifbar sind. Das Betriebssystem muss mit spezifischer Hardware eingerichtet werden, damit es korrekt funktioniert.

Dieser Prozess ist allen Computern gemein, ob zur persönlichen oder industriellen Nutzung.

Hardware im Detail

Sehen wir uns die wichtigsten Hardwarekomponenten eines Computers und deren Rolle an. Es ist wichtig, die Komponenten und ihre Eigenschaften zu kennen, da davon abhängt, wie gut der Computer Aufgaben ausführt. Wenn man einen neuen Computer oder Ersatzteile für den alten kauft, sollte man die Eigenschaften der Hardware kennen, damit der Computer sich für den gewünschten Zweck wie Arbeiten, Surfen im Internet oder Computerspiele einsetzen lässt.

Obwohl wir den Schwerpunkt auf Personal Computers (PCs) – als eine der üblichsten Computerarten – und übliche Peripheriegeräte legen, gelten für alle Computer dieselben Prinzipien.

Die Komponenten eines handelsüblichen Computers können in zwei Kategorien unterteilt werden: intern und extern. Interne Computerhardware bezeichnet Komponenten, die für die Verwendung im Computer entworfen wurden und wichtige Funktionen erfüllen. Externe Komponenten werden von außen an den Computer angeschlossen. Der Computer läuft auch ohne sie, doch sie verbessern oder erleichtern die Nutzererfahrung.

Zu den Komponenten eines Computers gehören:

Prozessor

• Der Prozessor, auch Zentraleinheit oder CPU (Central Processing Unit) genannt, führt Anweisungen aus, die von Programmen (Software) erteilt werden und dem Computer mitteilen, welche Daten er wie verarbeiten soll. Ohne den Prozessor laufen keine Programme auf dem Computer.

• Er wird oft als Gehirn des Computers bezeichnet, da er alle nötigen Kreisläufe enthält, um Informationen zu verarbeiten, Daten zu speichern und Ergebnisse anzuzeigen.

• Die Geschwindigkeit, mit der der Prozessor Informationen verarbeitet, wird in Gigahertz (GHz) gemessen. Allgemein gilt, je höher der Wert, desto schneller arbeitet der Computer.

Datenspeicher

• Der Datenspeicher ermöglicht es dem Computer, Daten und Informationen festzuhalten. Ähnlich wie beim Menschen gibt es einen Kurzzeitspeicher (RAM) und einen Langzeitspeicher (die Festplatte).

• Arbeitsspeicher oder RAM (Random Access Memory) und ROM (Read-only Memory) werden genutzt, um Daten zu speichern, auf die der Prozessor direkt zugreifen kann.

• RAM wird verwendet, um vorübergehend Informationen zu speichern, die gerade vom Computer verwendet werden.

• ROM wird genutzt, um dauerhaft Anweisungen zu speichern, durch die der Computer weiß, wie er hochfahren soll. Vom ROM wird auch das Betriebssystem geladen.

• Die Festplatte (intern oder extern) wird genutzt, um dauerhaft Daten und Programme zu speichern, solange man sie benötigt.

Das Motherboard

• Die Hauptplatine, auf Englisch Motherboard oder Mainboard, ist die zentrale Schaltstelle, über die alle Komponenten und Peripheriegeräte verbunden sind.

• Die Hauptplatine weist Strom zu, wo er benötigt wird, kommuniziert mit allen anderen Komponenten und koordiniert diese, was sie zu einem der wichtigsten Teile des Computers macht.

• Alle anderen Komponenten sind am Motherboard angeschlossen, entweder direkt (auf der Platine selbst) oder indirekt (per USB-Anschluss) und bilden zusammen das Computersystem.

Grafikkarte

• Die Grafikkarte oder Videokarte ist ein Hardwaregerät, das am Motherboard angeschlossen wird und es dem Computer ermöglicht, Bilder auf dem Monitor darzustellen.

• Der Grafikprozessor oder GPU (Graphics Processing Unit) ähnelt dem Hauptprozessor des Computers, ist jedoch speziell dafür konzipiert, die komplexen mathematischen und geometrischen Berechnungen durchzuführen, die für die Grafikausgabe erforderlich sind.

Soundkarte

• Soundkarten oder Audiokarten sind interne Hardwaregeräte, die am Motherboard angeschlossen sind und dem Computer ermöglichen, Töne zu produzieren. Zudem können so Mikrofone angeschlossen werden, um Töne in den Computer einzugeben.

Netzteil

• Durch das Netzteil gelangt Strom von einer externen Stromquelle in den Computer, der vom Motherboard auf die verschiedenen Hardwarekomponenten verteilt wird.

Eingabegeräte

• Mithilfe dieser Geräte werden Daten und Anweisungen in den Computer eingegeben.

• Eingabegeräte werden in zwei Kategorien unterteilt: manuelle Eingabegeräte (Maus, Tastatur, Touchscreen, Scanner), die von einem Menschen bedient werden müssen, um Information einzugeben, und automatische Eingabegeräte (Strichcodelesegerät, Kartenlesegerät), die eigenständig Informationen eingeben können.

Ausgabegeräte

• Wenn die eingegeben Daten verarbeitet werden, werden sie zu nutzbaren Informationen, die dem Benutzer über Ausgabegeräte angezeigt werden.

• Ausgabegeräte wie ein Bildschirm oder ein Drucker ermöglichen es, das Ergebnis der Verarbeitung zu sehen.

In einem Laptopcomputer sind alle Hardwarekomponenten integriert. Smartphones gehen noch einen Schritt weiter, da sie dieselben Komponenten in einem noch kleineren Gerät bündeln.

Bei einem Computer denken die meisten an den PC zuhause oder den Desktop-PC am Arbeitsplatz. Computer gibt es heute jedoch in vielen verschiedenen Formen und für verschiedenste Zwecke. Sie können Daten verarbeiten und produzieren, aber auch aktivere Tätigkeiten wie die Steuerung von Systemen und Robotern übernehmen.

Beispiel

Die Datenspeicher-Revolution

Ein digitaler Computer stellt Daten mit dem Binärsystem dar. Jegliche Form von Information, ob Zahlen, Text, Bilder oder Ton, kann in binäre Zahlen konvertiert werden, von denen jede einen Wert von 1 oder 0 hat. Die üblichste Speichereinheit ist das Byte, das 8 Bit entspricht. Eine Information kann von jedem Computer oder Gerät verarbeitet werden, dessen Speicherplatz genug Platz für die binäre Darstellung dieser Information bietet.

Das Speichern digitaler Daten stellt eine der Hauptfunktionen eines Computers dar. Diese Funktion erscheint uns heute selbstverständlich, doch Computer-Datenspeicher haben sich seit ihren Anfängen stark entwickelt.

Zu Beginn wurden Computer programmiert, indem man sie mit Papierkarten mit Befehlen und anderen Daten fütterte, die darauf durch ein Lochsystem dargestellt wurden. Diese Karten wurden später durch Rollen mit Magnetband ersetzt, da diese einfacher und praktischer zu lagern waren als Stapel von Karten, doch auch mit den Rollen blieb das Programmieren eine mühsame, aufwändige Angelegenheit.

Die ersten PCs (Personal Computers) hatten keinen internen Datenspeicher (Festplatte), sodass Software, die damals noch sehr simpel war und wenig Daten in Anspruch nahm, über Disketten geladen wurde. Dies änderte sich mit der Weiterentwicklung der Hardware. Als interne Festplatten zum Standard wurden, konnte Software auf dem Computer installiert werden. Dies bedeutete, dass Unternehmen Computer mit vorinstalliertem Betriebssystem und Anwendungen verkaufen konnten. Man musste nicht mehr die Diskette wechseln, um eine andere Software zu laden, wodurch die Computer effizienter und effektiver arbeiteten.

Es folgten weitere Verbesserungen: Erst kamen CD-ROMs, dann CDs, dann DVDs und immer größere Festplatten. Durch die Erfindung des Internet ist es nicht mehr nötig, Software auf CDs zu kaufen, da man Programme herunterladen oder sogar direkt in der Cloud (Online-Speicher) nutzen kann.

Arten von Computern

Sehen wir uns an, welche Arten von Computern es heute gibt und welchem Zweck sie dienen.

Personal Computer

Ein Personal Computer (PC) ist ein Computer, der zur allgemeinen Verwendung durch einen einzelnen Nutzer gedacht ist. Daran angeschlossen sind Monitor, Tastatur und Prozessor. PCs wurden zu einem praktischen, flexiblen Werkzeug, das eigenständig oder als Teil eines organisierten Netzwerkes arbeiten kann. Heute gibt es PCs in vielen verschiedenen Formen und Größen, von Desktopcomputern über Laptops bis hin zu Tablets und Smartphones. Im nächsten Abschnitt beschäftigen wir uns im Detail mit den Arten von PCs.

Server

Server sind Computer, die dafür optimiert wurden, Dienste für andere Computer in einem Netzwerk anzubieten. Sie haben üblicherweise leistungsstarke Prozessoren, sehr viel Arbeitsspeicher und große Festplatten. Beispiele sind Home-Media-Server, Webserver und Druckerserver. Es gibt auch Datenserver und Datenbankserver. Unternehmen setzen auf Server, um Informationen zu liefern, Bestellungen zu verarbeiten, Sendungen zu verfolgen, wissenschaftliche Formeln zu berechnen und vieles mehr.

Großrechner

Großrechner (engl. Mainframes) haben eine besonders hohe Kapazität und Prozessorgeschwindigkeit. Sie führen viele Programme gleichzeitig aus und können hunderte oder gar tausende Nutzer zur selben Zeit bedienen. Großrechner habe eine sehr robuste Architektur, was sie äußerst zuverlässig und sicher macht. Diese Maschinen sind stets verfügbar und laufen oft jahrelang ohne Unterbrechung, da Reparaturen und Hardwareupgrades während des Normalbetriebs möglich sind und sie selbst bei Ausfall einer Komponente weiter funktionieren.

Daher werden sie insbesondere von Regierungen und großen Organisationen für die Verarbeitung großer Datenmengen und kritische Anwendungen genutzt. Zudem dienen sie unter anderem zur Sicherung sensibler Transaktionen und zur Erstellung von Statistiken für Industrie und Verbraucher.

Supercomputer

Supercomputer sind sozusagen die Rennwagen unter den Computern. Sie verfügen über die höchstmögliche Prozessorleistung, insbesondere in Bezug auf die Rechengeschwindigkeit. Sie bestehen entweder aus einer kleinen Anzahl sehr leistungsstarker Komponenten oder einer größeren Anzahl weniger leistungsstarker Teile und werden für spezialisierte Anwendungen genutzt, die eine gewaltige Zahl an mathematischen Berechnungen erfordern. Supercomputer finden sich beispielsweise in Wissenschaftsinstituten oder Wetterstationen, wo die Rechengeschwindigkeit ausschlaggebend ist.

Eingebettete Computersysteme

Eingebettete Systeme oder Embedded-PCs sind nicht eigenständig, sondern in andere Geräte integriert und erledigen spezifische Aufgaben. Beispiele sind Digitalkameras, Musikplayer und fast jegliche Art von Industrie- oder Heimkontrollsystem. Tatsächlich enthalten die meisten modernen Mobiltelefone mehrere einzelne Computer: Neben der SIM-Karte haben sie einen anderen Mikroprozessor für die Verarbeitung der Funksignale und einen zweiten Computerchip für grafikhungrige Anwendungen wie Spiele. Selbst Waschmaschinen haben heutzutage einen Mikroprozessor, um den Waschzyklus zu berechnen und den Betrieb des Motors zu optimieren.

Fazit: Moderne Computer sind sehr vielseitig und ihre Flexibilität und ihr großes Potenzial sprechen dafür, dass die Computerrevolution weiter anhält.