Grundlagen der Computerarchitektur und Programmierung

Digitalisierung

Digitalisierung: Dies ist der Prozess, bei dem Informationen so umgewandelt werden müssen, dass ein Computer sie verarbeiten kann, beispielsweise um Klänge oder Fotos anzuzeigen. Grundsätzlich handelt es sich dabei um Datenreihen aus 1 und 0. Diese Umstellung erfolgt aufgrund der Hardware oder der physikalischen Komponenten des Computers, meist integrierte Schaltungen. Digital gibt es nur zwei Zustände: An oder Aus. Die resultierende Codierung wird als binäre Codierung bezeichnet, da sie auf zwei Zuständen basiert. Die Werte für Ein- und Ausschalten entsprechen den Werten 0 und 1, wodurch jede Zahl oder Zeichenkette als eine Folge von Nullen und Einsen codiert wird.

Das Bit

Bit: Dies sind die binären Ziffern (0 oder 1), aus denen die Informationen gebildet werden. Ein Satz von 8 Bit bildet eine grundlegende Einheit, das Byte. Im Computer kann ein Byte 256 verschiedene Werte darstellen (2⁸ = 256).

Grundlegende Architektur eines Computers

Die Central Processing Unit (CPU)

Die CPU ist das Gehirn des Computers. Sie ist für die Ausführung von arithmetischen und logischen Operationen sowie für die Steuerung des Informationstransfers verantwortlich. Die CPU besteht aus spezialisierten Elementen, darunter:

• Arithmetisch-logische Einheit (ALU) und Registersatz: Die ALU führt die mathematischen Operationen und die Datenverarbeitung durch, während der Registersatz als interner Speicher für die Daten dient, die die CPU benötigt.
• Steuereinheit (UC): Die UC kontrolliert die Vorgänge innerhalb der CPU.

Der Speicher

Der Speicher enthält die Instruktionen des Programms, das gerade in der CPU ausgeführt wird. Zudem werden dort Variablen und Daten temporär gespeichert, einschließlich aller Zwischenergebnisse.

Eingabe- und Ausgabe-Einheit

Diese Einheit ist verantwortlich für die Kommunikation der Maschine mit der Außenwelt. Sie bietet den Benutzern die Möglichkeit, sowohl Computerprogramme einzugeben als auch die erzielten Ergebnisse zu erhalten.

Das Bussystem

Diese drei Teile sind miteinander verbunden, wobei das Konzept des Bus eine zentrale Rolle spielt. Ein Bus ist ein Satz von Leitungen, die die verschiedenen Komponenten des Computers miteinander verbinden, um die Übertragung von Daten zwischen den Elementen zu ermöglichen. Es gibt drei Arten von Bussen:

• Steuerbus (Control Bus): Wählt den Teil aus, von dem Informationen gesendet oder empfangen werden sollen, und markiert die Sequenz der Übertragung.
• Datenbus: Überträgt die Daten zwischen den verschiedenen Teilen des Computersystems (bidirektional).
• Adressbus: Enthält die Leitungen, um den Speicherort oder das E/A-Gerät auszuwählen, von dem gelesen oder an das gesendet werden soll.

Programm und Algorithmus

Programm: Die Beschreibung eines Algorithmus in einer Programmiersprache, die der Computer interpretieren kann.

Algorithmus: Ein Rezept zur Lösung eines Problems oder, formaler ausgedrückt, eine Sequenz von Operationen, die es ermöglicht, ein Ergebnis aus einer Reihe von Eingangsdaten zu erhalten. Eine Programmiersprache ist eine künstliche Sprache mit präzise definierten und strengen Regeln zum Schreiben von Algorithmen.

Assemblersprache und Assembler

Assemblersprache (Assembly Language): Das Schreiben von Programmen ausschließlich mit 1 und 0 würde sehr viel Zeit in Anspruch nehmen und die Wahrscheinlichkeit von Fehlern erhöhen. Die Assemblersprache verwendet mnemonische Codes, um der Hardware mitzuteilen, welche Operationen sie ausführen soll. Ein mnemonischer Code ist ein Wort oder eine Abkürzung, die leicht zu merken ist und für eine Aufgabe steht, die der Prozessor des Computers ausführen muss.

Assembler: Ein Programm, das die Assemblersprache in Maschinensprache (Binärcode) übersetzt, wird als Assembler bezeichnet. Diese Software nimmt unser Quellprogramm in Assemblersprache entgegen und wandelt es in Maschinensprache (0 und 1) um, die der Computer ausführen kann.

Hochsprachen und Compiler

Hochsprachen: Dies sind die heute am häufigsten verwendeten Sprachen. Sie nutzen eine leichter verständliche Terminologie, die der menschlichen Sprache näherkommt. In diesem Fall erfolgt die Übersetzung durch ein Programm namens Compiler. Das in einer Hochsprache geschriebene Quellprogramm wird vom Compiler in Maschinensprache übersetzt, damit es auf dem Computer ausgeführt werden kann.