Grundlagen der Computertechnologie: Hardware und Software

Grundlagen der Computertechnologie

Definitionen

Wissen (Kenntnis)

Eine durch Beobachtung und Argumentation gewonnene, systematisch strukturierte Menge an Erkenntnissen, die allgemeine Prinzipien und Gesetze umfasst (SAR).

Daten

„Tatsachen“ als grundlegende Elemente für Analyse, Berechnung oder die Verwendung in einem nachfolgenden Prozess. Daten werden durch Symbole dargestellt.

Information

Ein geordneter Datensatz, der Wissen oder Fähigkeiten vermittelt, das Verständnis erweitert oder klärt, um Entscheidungen zu treffen und Unsicherheiten oder Bedenken zu reduzieren.

Was ist ein Computer?

Ein Computer ist eine elektronische Maschine mit einer oder mehreren Verarbeitungseinheiten und Peripheriegeräten, die von in ihrem Speicher gespeicherten Programmen (Software) gesteuert wird und die in kurzer Zeit viele Aufgaben erledigen kann.

Der Prozessor (CPU)

Physisch sind Prozessoren kleine Chips, die als Mikroprozessoren bezeichnet werden.

• Er ist das „Gehirn“ des Computers.
• Hier werden Daten manipuliert, Anweisungen interpretiert und ausgeführt.
• Er besteht aus zwei Hauptelementen:
  • Steuereinheit (Control Unit, CU)
  • Arithmetisch-Logische Einheit (UAL)

Die Steuereinheit (CU)

Die Steuereinheit verwaltet die Computerressourcen, d.h. Speicher, Eingabe-, Ausgabe- und Speichereinheiten.

• Sie wählt und interpretiert die Anweisungen des geladenen Programms, die ausgeführt werden sollen.
• Sie übermittelt Daten zur Verarbeitung an die Arithmetisch-Logische Einheit.

Die Arithmetisch-Logische Einheit (UAL)

Die Steuereinheit gibt an, welche Operation (arithmetisch oder logisch) ausgeführt werden soll.

• Sie verfügt über eine Operationsschaltung (Ausführer) und drei ergänzende Register (32, 64 Bit):
  • RE (Register of Entry): Enthält die Daten für die Operation.
  • RS (Statusregister): Enthält Bits, die den Status der letzten Operation anzeigen.
  • RA (Akkumulatorregister): Enthält das Ergebnis der einzelnen Operationen.

Hauptspeicher

Physisch sind Hauptspeicher kleine Chips, die mit der Hauptplatine des Computers verbunden sind. Er speichert Informationen, die für den Betrieb des Computers und die Datenverarbeitung entscheidend sind.

Hauptspeichertypen

ROM (Read-Only Memory)

• Enthält werkseitig vorinstallierte Informationen, die die Ausführung von Betriebssystembefehlen erleichtern.
• Sein Inhalt kann nicht gelöscht oder geändert werden.

RAM (Random Access Memory)

• Ist ein temporärer Speicher und dient als notwendiger Zwischenschritt für den Zugriff des Prozessors.
• Ermöglicht schnellen Zugriff.
• Er ist flüchtig (wenn der Computer heruntergefahren wird, gehen seine Inhalte verloren).
• Seine Kapazität kann durch das Hinzufügen weiterer Speicherchips erweitert werden.

Eingabegeräte

Eine Gruppe von Komponenten oder Geräten eines Computersystems, die es ermöglichen, Daten in digitaler Form einzugeben, die vom Computer verarbeitet und gespeichert werden können.

• Tastatur
• Maus
• Scanner
• Joystick
• Optischer Leser
• Mikrofon

Ausgabegeräte

Eine Gruppe von Komponenten oder Geräten eines Computersystems, die Daten (nach einem Verarbeitungsprozess) in einer für den Benutzer verständlichen Weise darstellen können.

• Monitor
• Drucker
• Plotter
• Lautsprecher

Sonstige Komponenten

Speicher-Cache

Ein temporärer Speicherbereich von sehr hoher Geschwindigkeit, der Daten und Anweisungen speichert, die mit hoher Wahrscheinlichkeit bei der Verarbeitung wiederverwendet werden. Sein Ziel ist die Verbesserung der Verarbeitungsgeschwindigkeit des Hauptspeichers.

Puffer (Buffer)

Ein Puffer, der verwendet wird, um Geschwindigkeitsunterschiede im Datenfluss zwischen zwei Geräten auszugleichen. Er kann sich innerhalb eines Peripheriegeräts (z.B. Drucker, Festplatte) oder innerhalb der CPU befinden.

Das Bussystem

Dies sind Gruppen von Leitern, die die CPU mit allen anderen Komponenten des Computers verbinden: Speicher, E/A-Laufwerke usw.

Software

Software besteht aus einem oder mehreren Programmen, die in einer Programmiersprache entwickelt wurden.

Programmiersprachen

• Maschinensprache: Geräteabhängig.
• Hochsprachen: (z.B. C, C++, Java, Cobol, Pascal, Fortran)

Übersetzer

• Compiler
• Interpreter

Die tatsächliche Ausführung der Software erfolgt durch das Betriebssystem.

Programmiersprache

Eine Programmiersprache ist eine künstliche Sprache, in der eine Abfolge von Anweisungen zur Verarbeitung durch einen Computer definiert wird.

Maschinencode

Auf einer sehr niedrigen Ebene verarbeiten Mikroprozessoren nur binäre elektronische Signale. Eine Anweisung an einen Mikroprozessor ist tatsächlich eine Abfolge von Einsen und Nullen, die zeitlich in einer bestimmten Weise ausgebreitet werden. Diese Signal-Sequenz wird als Maschinencode bezeichnet.

Compiler

Ein Compiler ist ein Softwaresystem, das den in einer Hochsprache geschriebenen Quellcode in Maschinencode übersetzt.

Algorithmus

Ein Algorithmus ist eine geordnete Reihe von Operationen, die die Lösung eines Problems ermöglicht.

Die Aufgabe des Programmierers ist es, den Algorithmus in ein Programm zu konvertieren, indem Details hinzugefügt, schwierige Punkte überwunden, Testverfahren angewendet, Fehler korrigiert und Mehrdeutigkeiten beseitigt werden. Das Entfernen von Mehrdeutigkeiten ist eine der wichtigsten Quellen zur Fehlervermeidung in der Computerprogrammierung.