Grundlagen der Computertechnik: Hardware und Netzwerke

1. Der Personal Computer (PC)

Der Betrieb eines Computers folgt einer einheitlichen Struktur: Über Eingabe-Peripheriegeräte empfangene Informationen werden in einer zentralen Einheit verarbeitet, und die Ergebnisse werden über Ausgabe-Peripheriegeräte angezeigt. Damit Computer Informationen verarbeiten und speichern können, müssen diese in numerische Daten codiert werden. Die kleinste Einheit ist das Bit (binary digit), das nur die Werte 1 und 0 kennt. Elektronische Schaltungen übersetzen diese Werte in elektrische Spannungen. Elektronische Geräte bieten hohe Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Hochgeschwindigkeitsverarbeitung. Die physischen Komponenten werden als Hardware bezeichnet, während die logischen Programme die Software bilden.

Das Motherboard

Das Motherboard umfasst folgende Elemente:

• Mikroprozessor: Das Herzstück, verantwortlich für alle Operationen.
• Chipsatz: Steuert den Datenverkehr und die Nutzung der Ein- und Ausgabegeräte.
• BIOS: Ein ROM-Speicher (Read-Only Memory), der grundlegende Informationen über Ein- und Ausgänge enthält.
• Anschlüsse: Schnittstellen für Speicher und Erweiterungskarten (Grafik, Sound, Netzwerk, Modem).

2. Prozessor und Hauptspeicher

Ein Computer ist eine Maschine, die mit elektronischem Speicher und Verarbeitungsmethoden ausgestattet ist.

Der Mikroprozessor (CPU)

Die Central Processing Unit (CPU) führt Anweisungen aus, steuert arithmetisch-logische Operationen und verwaltet den Datenaustausch mit dem Hauptspeicher. Bekannte Hersteller sind Intel, AMD und Apple (in Kooperation mit IBM/Motorola). Wichtige Charakteristika sind die Taktfrequenz (in Hertz), die Wortbreite (in Bits), die Anzahl der Transistoren, der Stromverbrauch und die Rechenleistung (MIPS/MFLOPS).

Hauptspeicher

Der Hauptspeicher speichert Informationen für den Mikroprozessor. Er unterteilt sich in:

• ROM-BIOS: Nur lesbar.
• RAM: Lese- und Schreibspeicher.
• CMOS-RAM: Ein kleiner, energieeffizienter, aber flüchtiger Speicherbereich.

3. Ein- und Ausgabesysteme

Die Kommunikation mit externen Geräten erfolgt über Kommunikationsports. Diese können spezifisch für ein Gerät oder generisch (flexibel einsetzbar) sein. Ein Beispiel für drahtlose Kommunikation ist der Infrarot-Port (IR).

4. Erweiterungskarten

Erweiterungskarten steigern die Funktionalität des PCs:

• Grafikkarte: Vermittelt zwischen Motherboard und Monitor. Wichtige Faktoren sind RAM-Größe, Farbtiefe und 3D-Beschleunigung.
• Soundkarte: Ermöglicht Aufnahme und Wiedergabe von Audio.
• Netzwerk- und Modemkarten: Dienen der Kommunikation über Telefonleitungen oder Netzwerke.

5. Peripheriegeräte

Eingabegeräte

Die Standardeingabe erfolgt über Tastatur und Maus. Weitere Multimedia-Eingabegeräte sind Mikrofone, Joysticks, Gamepads und digitale Camcorder. Professionelle Eingabegeräte umfassen Barcode-Scanner, Grafiktabletts und Dokumentenscanner.

Ausgabegeräte

• Monitor: Zeigt Informationen visuell an. Die Qualität hängt von der Auflösung (Pixelanzahl) und der Bildschirmdiagonale ab.
• Drucker: Überträgt digitale Dokumente auf Papier. Die Qualität wird in dpi (dots per inch) und die Geschwindigkeit in Seiten pro Minute (ppm) gemessen.

Bidirektionale Geräte

Geräte wie Modems, Touchscreens oder Multifunktionsdrucker (Drucker, Scanner und Fax in einem) ermöglichen sowohl die Ein- als auch die Ausgabe von Daten.

6. Massenspeicher

• Magnetische Speicherung: Disketten, Wechselbänder und Festplatten nutzen magnetisierte Schichten, um Daten durch elektrische Impulse zu lesen und zu schreiben.
• Optische Speicherung: CDs, DVDs und Blu-rays nutzen Laser, um Daten auf einer reflektierenden Oberfläche zu lesen oder zu brennen.
• Elektronische Speicherung (Flash): Speichert Informationen in Halbleitermaterialien (z. B. USB-Sticks, SSDs) ohne bewegliche Teile.

7. Computernetzwerke

Netzwerke werden nach ihrer Reichweite klassifiziert:

• LAN (Local Area Network): Privater Gebrauch, lokale Reichweite.
• MAN (Metropolitan Area Network): Deckt ein Stadtgebiet ab.
• WAN (Wide Area Network): Verbindet Städte, Länder oder Kontinente.

Netzwerkkomponenten

In einer Stern-Topologie werden Geräte zentral verbunden:

• Hub: Verteilt Daten an alle Ports.
• Switch: Intelligente Verteilung der Daten an den spezifischen Zielport, was die Geschwindigkeit erhöht.

8. Übertragungsmedien

Die Verbindung in Netzwerken erfolgt über:

• Twisted-Pair-Kabel: Besteht aus verdrillten Adernpaaren.
• Koaxialkabel: Geschirmtes Kabel mit einem zentralen Leiter.
• Lichtwellenleiter: Überträgt Daten mittels Lichtimpulsen durch Glas- oder Kunststofffasern, was hohe Geschwindigkeiten und Störsicherheit ermöglicht.