Grundlagen der Computer-Hardware und -Software

Computer-Software und -Hardware

Ein Computer kann als eine Maschine definiert werden, die aus Hardware und Software besteht. Beide Komponenten benötigen eine Reihe von Befehlen (ein Programm), um zu funktionieren. Ein Programm kann jedoch nicht von selbst ausgeführt werden; hierfür ist ein Betriebssystem unerlässlich, damit Programme die Informationsverarbeitung durchführen können.

• Computer: Eine Maschine, die aus Hardware und Software besteht.
• Hardware: Die physischen Komponenten.
• Software: Die nicht-physischen Komponenten, die die Hardware steuern.
• Software: Eine Reihe von Befehlen oder Anweisungen.
• EDV-Anwendung: Eine Zusammenstellung verschiedener Programme.
• Betriebssystem: Die Software-Komponente, die die Informationsverarbeitung ermöglicht.

Physische Komponenten / Hardware

Die physischen Komponenten des Computers lassen sich wie folgt klassifizieren:

1. Zentraleinheit (CPU)
2. Zentral- / Arbeitsspeicher (RAM)
3. Ein-/Ausgabeeinheiten
4. Controller
5. Bussysteme
6. Peripheriegeräte

Zentraleinheit (CPU)

Auch als Prozessor bekannt, ist die CPU das Element, das für die Steuerung und Ausführung der Aktionen im Inneren des Computers verantwortlich ist. Der Prozessor überwacht alle Aufgaben und Prozesse, die ausgeführt werden (verfügbarer Speicher, Verarbeitung von Informationen usw.).

Für seine Arbeit muss der Prozessor den Arbeitsspeicher (RAM) nutzen.

Sie besteht aus der arithmetisch-logischen Einheit, eigenem Speicher und der Steuereinheit.

Steuereinheit (Control Unit)

Arithmetisch-logische Einheit.
Steuereinheit.

Steuereinheit: Der "denkende" Teil des Computers. Sie empfängt Informationen, interpretiert sie und führt Anweisungen in der korrekten Reihenfolge aus, damit diese verarbeitet werden können.

Sie ist verantwortlich für die Ausführung von Anweisungen aus dem RAM zur Programmausführung und Datenverarbeitung. Diese Anweisungen werden von externen Speichermedien (z. B. Festplatten) geladen.

Für die Durchführung dieser Aktionen nutzt die Steuereinheit (CU) folgende Hilfsmittel:

• Befehlsregister: Speichert den Befehl, der gerade ausgeführt wird.
• Befehlszähler (Programm Counter): Enthält die Speicheradresse des nächsten auszuführenden Befehls.
• Steuerwerk und Decoder: Interpretiert den Befehl für die weitere Verarbeitung.
• Sequenzer: Erzeugt die Mikrooperationen, die zur Ausführung des Befehls erforderlich sind.
• Taktgeber: Liefert eine Reihe von elektrischen Impulsen in regelmäßigen Abständen.

Rechenwerk (ALU)

Rechenwerk: Führt arithmetische (addieren, subtrahieren, multiplizieren etc.) und logische Operationen (Vergleiche) durch.
Die Elemente der arithmetisch-logischen Einheit sind:

• Eingangsregister: Enthält die Operanden der Operation.
• Operationsschaltkreis: Führt die Operationen mit den Daten durch.
• Akkumulatorregister: Speichert die Ergebnisse der Operationen.
• Statusregister: Zeichnet die Bedingungen der vorherigen Operation auf.

Zentral- / Arbeitsspeicher (RAM)

Der Speicher dient zur Ablage von Programmen und Daten, die verarbeitet werden sollen. Man unterscheidet zwei Hauptarten von Speicher:

Massenspeicher: Obwohl Festplatten physisch im Gehäuse verbaut sind, gelten sie als externer Speicher (im Gegensatz zum internen Speicher). Diese Speicher sind langsamer, aber die Informationen bleiben auch ohne Stromversorgung erhalten.

Interner Speicher: Er speichert Informationen vorübergehend für die Verarbeitung. Es gibt verschiedene Arten.

RAM (Random Access Memory)

Im RAM ist es möglich, Informationen zu speichern und zu verändern.

Er ist ein Schlüsselelement, da alle Informationen, die verarbeitet werden sollen, vor oder nach der Verarbeitung den RAM passieren müssen.

Der Arbeitsspeicher besteht aus:

• Adressregister: Enthält die Adresse der Zelle, auf die zugegriffen wird.
• Datenregister: Empfängt die gelesenen Daten und speichert die Daten bei Schreibvorgängen.
• Speicherselektor: Wird bei jedem Lese- oder Schreibzugriff aktiviert und verbindet die Zelle mit dem Datenregister.
• Steuersignal: Gibt an, ob es sich um einen Lese- oder Schreibvorgang handelt.

Im Speicher müssen die Programme und die zu verarbeitenden Daten abgelegt werden. Wenn ein Programm ausgeführt wird, wird es von einem Speichermedium in den Hauptspeicher geladen.

Neben dem normalen RAM verwenden Computer auch einen Cache-Speicher. Diese Art von Speicher speichert Informationen, die am häufigsten verwendet werden, um den Zugriff zu beschleunigen.

Jede RAM-Zelle besteht aus Flip-Flops, die Informationen in Form von Nullen und Einsen speichern können. Die Informationen werden in Blöcken von 8 Bit gespeichert. Da sich die Flip-Flops mit der Zeit entladen, müssen sie ständig wieder aufgeladen werden. Dieser Vorgang wird als Speicherauffrischung (Refresh) bezeichnet.

Arten von RAM

• DRAM: Große Speicherkapazität, muss zyklisch aufgefrischt werden.
• SRAM: Teurer und mit geringerer Kapazität, aber schneller. Benötigt keine Auffrischung.
• SDRAM: Große Kapazität und hohe Geschwindigkeit. Benötigt Auffrischung.
• DDRAM: Überträgt Daten zweimal pro Taktzyklus und ist dadurch doppelt so schnell.

ROM (Read-Only Memory)

Ein Nur-Lese-Speicher, der Hardware-Informationen kodiert enthält und zum Starten des Systems verwendet wird. Die im ROM integrierte Software wird als BIOS bezeichnet.

Später kamen BIOS-Chips vom Typ PROM (Programmable Read-Only Memory) auf, die nur einmal programmierbar sind.

Heute werden Speicher vom Typ EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) verbaut. Sie sind nichtflüchtig, d.h., die Informationen bleiben auch ohne Stromversorgung erhalten, um die Konfiguration zu speichern.

Die aus dem BIOS gelesenen Informationen werden in den CMOS-Speicher geladen (nichtflüchtig, enthält eine kleine Batterie, die die Daten bei ausgeschaltetem Computer erhält).

Das BIOS kann über das Setup-Programm konfiguriert werden.

Sonstige Speicherarten

• VRAM: Videospeicher.

Speicherzugriff

Für den Zugriff auf den Speicher ist das Konzept der Speicheradresse entscheidend. Diese Adresse besteht aus einem Status von Bits (0 oder 1).

Es gibt verschiedene Adressierungsarten:

• Unmittelbare Adressierung
• Direkte Adressierung
• Indirekte Adressierung
• Relative Adressierung

Ein-/Ausgabeeinheiten

Die Ein-/Ausgabeeinheit wird verwendet, damit der Prozessor und andere Komponenten des Computers mit den peripheren Ein-/Ausgabegeräten kommunizieren können.

Controller

Controller sind für die Verwaltung und Konfiguration von Peripheriegeräten zuständig.

Bussysteme

Ein Bus ist die Gesamtheit der Hardware-Leitungen, die für die Datenübertragung zwischen den Komponenten genutzt werden.

Es gibt zwei Hauptarten:

Einzelner Bus
Dedizierter Bus:

• Datenbus
• Adressbus
• Steuerbus

Peripheriegeräte

Peripheriegeräte sind Hardware-Geräte, mit denen der Benutzer mit dem Computer interagieren kann.

Die Peripheriegeräte werden über Anschlüsse (Ports) mit dem Computer verbunden und von der Ein-/Ausgabeeinheit verwaltet.

Software-Komponenten / Software

Software besteht aus Programmen, die zu EDV-Anwendungen zusammengefasst sind.

Das Betriebssystem ist die Software-Komponente, die sicherstellt, dass Daten von Anwendungen verarbeitet werden können.

Datentypen

Eine erste Klassifizierung von Daten kann wie folgt vorgenommen werden:

• Eingabedaten: Werden von Peripheriegeräten geliefert.
• Zwischenergebnisse: Entstehen während der Verarbeitung.
• Ausgabedaten: Werden an Peripheriegeräten angezeigt.

Bezogen auf ihre Veränderbarkeit während eines Prozesses können Daten klassifiziert werden in:

• Feste Daten (Konstanten): Bleiben unverändert.
• Variable Daten: Können sich während des Prozesses ändern.

Zahlensysteme

Der Computer ist über sein Betriebssystem und seine Hardware-Komponenten dafür verantwortlich, geschriebene und gespeicherte Daten in elektrische Impulse (Bits) umzuwandeln.

Dezimal zu Binär

Beispiel: Umwandlung von 93 (dezimal). Man teilt wiederholt durch 2 und liest die Reste von unten nach oben.

Binär zu Dezimal

Beispiel: 1010 (binär) = (1 * 2³) + (0 * 2²) + (1 * 2¹) + (0 * 2⁰) = 8 + 0 + 2 + 0 = 10 (dezimal). Man multipliziert jede Ziffer mit der entsprechenden Potenz von 2.

Dezimal zu Hexadezimal

Beispiel: Umwandlung von 141 (dezimal). Man teilt wiederholt durch 16.

Binär zu Hexadezimal

Man gruppiert die Binärziffern in 4er-Blöcke (von rechts nach links) und wandelt jeden Block in die entsprechende Hexadezimalziffer um. Bei Bedarf werden führende Nullen ergänzt.
Beispiel: 0111 0001 1001

Hexadezimal zu Dezimal

Beispiel: 43 (hexadezimal) = (4 * 16¹) + (3 * 16⁰) = 64 + 3 = 67 (dezimal).

Hexadezimal zu Binär

Um eine Hexadezimalzahl in eine Binärzahl umzuwandeln, wird jede Hexadezimalziffer durch ihre 4-stellige Binärdarstellung gemäß der Umrechnungstabelle ersetzt.

Binär zu Oktal

Man gruppiert die Binärziffern in 3er-Blöcke (von rechts nach links).
Beispiel: 000 000 000

Umrechnungstabelle (Auszug)

• 0 - 0000
• 1 - 0001
• 2 - 0010
• 3 - 0011
• 4 - 0100
• 5 - 0101
• 6 - 0110
• 7 - 0111
• 8 - 1000
• 9 - 1001
• A - 1010
• B - 1011
• C - 1100
• D - 1101
• E - 1110
• F - 1111

Alphanumerische Codes

Die wichtigsten alphanumerischen Codierungssysteme sind:

• ASCII: Verwendet eine Kombination von 7 oder 8 Bits, um jedes Zeichen darzustellen (Ziffern 0-9, Buchstaben A-Z etc.).
• EBCDIC: Jedes Symbol wird durch eine Kombination von 8 Bits dargestellt, die in zwei 4-Bit-Blöcke unterteilt sind.
• Fieldata: Verwendet Blöcke von 6 Bits, um jedes Symbol darzustellen.
• Unicode: Ein universeller Zeichensatz, der auf jedem Betriebssystem funktioniert und spezifische Tabellen für verschiedene Sprachen und Länder bietet.