Grundlagen der Computer-Hardware: Architektur, Evolution und Komponenten

Grundlagen der Elektronischen Medientechnik

Die Elektronische Medientechnik umfasst den Einsatz von Komponenten in der Mikroelektronik zur Erfassung, Speicherung, Abrufung und Berichterstattung von Informationen.

Evolution der Computertechnik und Hardware-Grundlagen

Die Entwicklung der Computertechnik basiert auf grundlegenden elektronischen Komponenten:

• Widerstände: Behindern den Stromdurchgang.
• Kondensatoren: Speichern elektrische Ladung.
• Vakuumröhren (Ventile): Metallzylinder, die in einem Glasrohr eingeschlossen sind und den Fluss von Elektronen regulieren.

Historische Generationen der Computer

Die Entwicklung der Computer lässt sich in Generationen unterteilen, basierend auf der verwendeten Technologie:

• 1940er Jahre: 1. Generation (Vakuumröhren): Große, energieintensive Computer.
• 1950er Jahre: 2. Generation (Transistoren und Halbleiter): Kleinere, schnellere und effizientere Systeme.
• Zwischen 1950 und 1960: 3. Generation (Integrierte Schaltkreise, ICs): Weitere Miniaturisierung und Leistungssteigerung.
• 1960: ARPANET entsteht (Vernetzung von Computern).
• 1970er Jahre: 4. Generation (Mikroprozessoren): Die CPU wird auf einem einzigen Chip integriert.
• 1972: Das Internet beginnt sich zu entwickeln.
• 1980er Jahre: Multi-User-Systeme und ISDN.
• 1990er Jahre: Verbreitung des Internets und drahtloser Technologien.
• 2002: Einführung von WIFI (Wireless Fidelity).

Kernkomponenten der Computer-Hardware

Als Hardware bezeichnen wir alle physischen Komponenten, aus denen ein Computer besteht.

Wichtige Hardware-Einheiten

CPU (Central Processing Unit):

Die zentrale Verarbeitungseinheit. Sie steuert und verarbeitet alle Systeminformationen.

Speicher (Memory):

Speichert Informationen (Befehle und Daten).

E/A-Einheit (Ein-/Ausgabe-Einheit):

Geräte, die die Kommunikation zwischen dem internen und externen Bereich ermöglichen.

Externe Peripheriegeräte:

Geräte wie Mäuse, Tastaturen, Monitore usw.

Motherboard (Hauptplatine):

Eine gedruckte Schaltung, auf der alle Komponenten montiert werden.

Chip:

Ein integrierter Schaltkreis, meist in Halbleiter-Kapselung.

Das Bussystem

Busse sind Routen oder Leiterbahnen, über die Informationen im System zirkulieren. Man unterscheidet typischerweise:

• Datenbus: Überträgt die eigentlichen Daten.
• Adressbus: Gibt an, wo die Daten gespeichert oder abgerufen werden sollen (Speicheradressen).
• Steuerbus: Kontrolliert den Informationsfluss und die Richtung.

Schematische Darstellung des Informationsflusses:

BUS (Steuerung) <--> Speicher
BUS (Daten) <--> E/A-Einheit <--> Externe Peripheriegeräte

Der Mikroprozessor (CPU) und seine Funktion

Der Mikroprozessor verarbeitet Daten und steuert die Geräte. Er besteht hauptsächlich aus zwei Teilen:

1. Arithmetisch-Logische Einheit (ALU): Führt arithmetische und logische Operationen durch. Enthält Register, Flags usw.
2. Steuereinheit (Control Unit): Dekodiert die Anweisungen, die sie aus dem Speicher erhält, und generiert die notwendigen Steuersignale (Mikrobefehle).

Die Prozessorgeschwindigkeit wird in Frequenz gemessen (Zyklen pro Sekunde). 1 Hertz (Hz) entspricht einem Zyklus pro Sekunde (1 Hz = 1/s).

Speichersysteme: ROM, RAM und Cache

Speicher sind Geräte, die Informationen (Befehle, Adressen und Daten) speichern.

ROM (Read Only Memory)

Speichert Informationen, die vom Hersteller erfasst wurden. Die Daten bleiben auch nach dem Ausschalten der Stromversorgung erhalten (nicht-flüchtig). Varianten sind EEPROM, PROM und UVPROM.

• BIOS (Basic Input Output System): Ein Teil des ROM, der beim Start die CPU, die Bussysteme, den RAM und die Peripheriegeräte (z. B. Tastatur) überprüft.
• CMOS-Uhr: Speichert Systemkonfigurationen und die Echtzeituhr.

RAM (Random Access Memory)

Speicher mit wahlfreiem Zugriff (Lesen und Schreiben). RAM ist volatil, d. h., die Daten gehen verloren, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird.

Cache-Speicher

Der Cache (z. B. SRAM) ist ein schneller Speicher, der dazu dient, Daten zu speichern, die die CPU häufig benötigt, um den Zugriff auf den langsameren Hauptspeicher zu minimieren (z. B. L1-, L2-Cache).

Schnittstellen und Anschlüsse (Ports)

Interne Anschlüsse

Ermöglichen den Anschluss interner Komponenten an das Motherboard (z. B. Steckplätze für RAM oder Erweiterungskarten).

Externe Ports

Dienen der Verbindung mit externen Geräten:

• Serieller Port: Ermöglicht die Verbindung mit Geräten, überträgt Informationen sequenziell (Bit für Bit).
• Paralleler Port: Ermöglicht die gleichzeitige Übertragung mehrerer Bits. Die Übertragungsdistanz ist oft begrenzt.
• USB-Anschluss (Universal Serial Bus): Ein serieller Hochgeschwindigkeitsanschluss, der Plug-and-Play ermöglicht (einfaches Einstecken und Verwenden).
• IEEE 1394 (FireWire) oder ähnliche Hochgeschwindigkeitsschnittstellen: Bieten oft eine höhere Geschwindigkeit als ältere USB-Ports.
• Infrarot-Port: Drahtlose Schnittstelle, die hohe Geschwindigkeiten erreichen kann.