Grundlagen der Computertechnologie und -architektur

Computergenerationen

1. Generation: Vakuumröhren und Lochkarten

Die erste Generation der Computer basierte auf Vakuumröhren. Sie zeichnete sich durch eine große Bauweise, hohen Wartungsaufwand und eine fest verdrahtete Programmierung aus. Diese Computer nutzten die Von-Neumann-Architektur und wurden hauptsächlich für wissenschaftliche und militärische Zwecke eingesetzt. Die Programmierung erfolgte in Maschinensprache, und die Dateneingabe erfolgte über Lochkarten.

2. Generation: Transistoren und Hochsprachen

Die zweite Generation verwendete Transistoren als grundlegende Bauelemente, was zu einer erheblichen Verringerung der Größe, einer erhöhten Geschwindigkeit, Leistung und Zuverlässigkeit führte. In dieser Ära entstanden Hochsprachen wie COBOL, ALGOL und FORTRAN. Als Speichermedien dienten Ferritkernspeicher und Magnetbänder.

3. Generation: Integrierte Schaltkreise und Betriebssysteme

Die dritte Generation basierte auf integrierten Schaltkreisen (ICs), was eine weitere Miniaturisierung der Computer ermöglichte, bis hin zu den ersten Personal Computern (PCs). Die Geschwindigkeit nahm weiter zu, und es kam zur Entwicklung von Betriebssystemen (OS). In dieser Zeit wurden Magnetplatten und Halbleiterspeicher eingeführt.

4. Generation: Mikroprozessoren und Netzwerke

Die vierte Generation war geprägt von der Einführung von Mikroprozessoren und Bussystemen. Minicomputer und Personal Computer (PCs) wurden weit verbreitet. Die Diskette wurde als Speichermedium populär, und die Entwicklung von Computernetzwerken begann.

Pipeline-Architektur

Die Pipeline ist eine Technik, bei der die Ausführung einer einzelnen Instruktion in mehrere Phasen unterteilt wird. Jede Phase dauert mindestens einen Taktzyklus. Je länger die Pipeline, desto mehr Zyklen sind erforderlich, um eine Instruktion vollständig zu durchlaufen. Es ist wichtig zu beachten, dass nicht alle Instruktionen alle Phasen einer Pipeline durchlaufen; einige benötigen nur einen Teil davon, und ungenutzte Phasen bleiben inaktiv.

Im Gegensatz zur sequenziellen Ausführung, bei der jede Instruktion nacheinander in einem Zyklus abgearbeitet wird, kann eine Pipeline mehrere Instruktionen gleichzeitig in verschiedenen Phasen bearbeiten. Jede Instruktion kann mehrere Mikroinstruktionen enthalten, sodass die Prozessorleistung nicht direkt einem Instruktionszyklus entspricht. Moderne Prozessoren wie der Pentium können mehrere Instruktionen gleichzeitig verarbeiten.

Hyper-Threading-Technologie

Die Hyper-Threading-Technologie ist ein Design von Intel Corporation, das es der Software ermöglicht, mehrere Threads parallel auf einem einzigen physischen Prozessor auszuführen. Dies führt zu einer verbesserten Auslastung der Prozessoreinheiten. Die Technologie lässt das Betriebssystem glauben, dass zwei logische Prozessoren in einem einzigen physischen Prozessor vorhanden sind. Dies ist das Ergebnis einer optimierten Prozessor-Auslastung. Kurz gesagt, Hyper-Threading simuliert ein Motherboard mit zwei montierten Mikroprozessoren, obwohl nur ein einziger Mikroprozessor vorhanden ist, und kann die Leistung um bis zu 20 Prozent verbessern.

Stromschwankungen

Stromschwankungen sind Veränderungen im Spannungspegel, die in den Stromleitungen auftreten können. Computersysteme müssen darauf vorbereitet sein, solche Schwankungen zu tolerieren oder sich davor zu schützen.

Computerumgebungen

Uniprozessor- und Multitasking-Umgebung

In einer Uniprozessor-Multitasking-Umgebung kann das System zwar nur einen Prozess gleichzeitig ausführen, aber es kann gleichzeitig auf verschiedene Anfragen von unterschiedlichen Benutzern reagieren. Dies geschieht, indem es nacheinander auf die Anfragen reagiert und jedem Prozess abwechselnd ein wenig Rechenzeit zuweist, ohne eine Aufgabe vollständig zu beenden, bevor es zur nächsten übergeht.

Verteilte Umgebung

Eine verteilte Umgebung ist ein System, in dem die Rechenleistung auf verschiedene Teile des Systems verteilt ist, die miteinander kommunizieren und zusammenarbeiten.