Grundlagen der Informatik: Daten, Hardware und Geschichte

Einführung in die Informatik

Daten: Die kleinste Informationseinheit

Daten sind die kleinste Einheit der Information und können numerisch, alphabetisch oder alphanumerisch sein.

Datenverarbeitung: Transformation von Rohdaten

Datenverarbeitung (Data Processing) bezeichnet eine Reihe von Maßnahmen, die erforderlich sind, um ursprüngliche Daten in Informationen oder Ergebnisse zu verwandeln. Diese Operationen können das Sortieren, Addieren, Subtrahieren, Klassifizieren usw. umfassen.

Informationen: Das Ergebnis der Datenverarbeitung

Informationen sind das Ergebnis der Verarbeitung von Daten.

Computer und ihre Elemente

Informatik: Wissenschaft der Informationsverarbeitung

Die Informatik kann als Wissenschaft definiert werden, die für die Forschung und Entwicklung der automatischen Verarbeitung von Informationen verantwortlich ist.

Der Computer: Ein elektronisches Verarbeitungsgerät

Ein Computer ist ein elektronisches Gerät, das in der Lage ist, Daten mit hoher Geschwindigkeit zu verarbeiten. Seine Grundfunktion ist die Informationsverarbeitung.

Typen von Computern nach Größe und Leistung

• Supercomputer: Führen sehr viele Berechnungen mit extrem hoher Geschwindigkeit aus. Sie können die Leistung von Tausenden von PCs erreichen.
• Mainframe: Spezialisiert auf komplexe Berechnungen bei hohen Geschwindigkeiten, oft in großen Unternehmen eingesetzt.
• Minicomputer: Ähnlich wie Mainframes, aber mit geringerer Kapazität und Leistung.
• Mikrocomputer (PCs): Ursprünglich mit geringeren Vorteilen, aber ihre Rechenleistung, der Preis und die Multimedia-Funktionen haben sie zum Mainstream für Privatpersonen und KMU gemacht.
• Nanocomputer: Derzeit noch mit sehr wenigen Vorteilen, z.B. in Spielen, PSPs, Handys.

Klassifizierung nach Funktionsweise: Analog und Digital

• Analoge Computer: Beispiele sind programmierbare Waschmaschinen oder alte Registrierkassen.
• Digitale Computer: Dazu gehören programmierbare Rechner, moderne Waschmaschinen und alle heutigen digitalen Computer.

Geschichte des Computers: Von den Anfängen bis heute

1. Generation (1946-1954): Vakuumröhren-Computer

Der ENIAC war der erste elektronische digitale Computer und wurde Mitte des 20. Jahrhunderts in den USA in Betrieb genommen. Er belegte eine Fläche von 140 Quadratmetern. Ab 1951 begann die Serienproduktion von Computern, was den Beginn der Computerrevolution markierte. Diese Computer nutzten Vakuumröhren.

2. Generation (1955-1964): Der Aufstieg des Transistors

Diese neue Generation entstand durch die Einführung des Transistors, der die alten Vakuumröhren ersetzte. In dieser Zeit wurden auch höhere Programmiersprachen wie ALGOL, COBOL und FORTRAN entwickelt.

3. Generation (1965-1970): Integrierte Schaltkreise (Chips)

Die größte Neuerung war das Erscheinen der ersten integrierten Schaltkreise (Chips), die die Transistoren ersetzten. Mit Chips reduzierten sich die Kosten und Abmessungen der Computer erheblich. Ein Beispiel sind Mikroprozessor-Chips. Diese Generation ermöglichte auch Multiprogramming, um mehrere Programme gleichzeitig auszuführen.

4. Generation (1971-1981): Mikroprozessoren und PCs

In dieser Generation entstand der erste Mikroprozessor, was die weite Verbreitung von Computern in Serienfertigung ermöglichte. Ein Mikroprozessor besteht aus Millionen von Transistoren und Widerständen, die die heutige Miniaturisierung von Computern vorantrieben. Auch Time-Sharing-Betriebssysteme kamen auf.

5. Generation (ab 1982): Personal Computer und Multimedia

Ab 1982 erschienen die ersten Personal Computer (PCs) mit Betriebssystemen wie MS-DOS, gefolgt von Klon-Computern. Es wurden immer leistungsfähigere und schnellere PC-Modelle entwickelt. Auch tragbare PCs wurden populär. Das Potenzial der Computer erweiterte sich stark in den Bereich Multimedia.

Hardware-Elemente eines Computers

Einführung in die Hardware

Die Menge der Operationen, die in der Datenverarbeitung durchgeführt werden, führt zu Informationen. (Anmerkung: Der Originaltext enthielt hier einen Fehler, der korrigiert wurde.)

Phasen der Datenverarbeitung

Die drei Säulen eines Computers: Hardware, Software, Humanware

• Hardware: Der physische, materielle Teil des Computers, d.h. alle materiellen Elemente, die ihn zusammensetzen.
• Software: Der immaterielle Teil des Computers, der nur über Ein- und Ausgabegeräte zugänglich ist. Sie besteht aus der Menge der Anwendungen und Programme zur Bearbeitung und Steuerung der verschiedenen Hardware-Elemente.
• Humanware (Menschliches Element): Gebildet von Computer-Profis, die sich der Forschung und Programmierung von Computern widmen. Dazu gehören auch die Benutzer, die Endnutzer der Software.

Die Zentraleinheit (CPU)

Die CPU (Central Processing Unit) ist das Herzstück des Computers, da sie für die Verarbeitung der Informationen verantwortlich ist. Sie besteht aus mehreren Komponenten:

• Steuereinheit (CU): Verantwortlich für die Verwaltung des gesamten Betriebs des Computers. Diese Einheit steuert alle anderen Elemente des Computers.
• Arithmetisch-logische Einheit (ALU): Auch als Recheneinheit bekannt. Die ALU empfängt die zu verarbeitenden Daten von der Steuereinheit und liefert nach Durchführung der jeweiligen Operation die Ergebnisse an die Steuereinheit zurück.
• Arbeitsspeicher (RAM): Auch Hauptspeicher oder interner Speicher genannt. Er ist für die Speicherung der Programme und der für den Systembetrieb notwendigen Daten verantwortlich.

Das Motherboard und seine Komponenten

Das PC-Gehäuse enthält eine große Leiterplatte aus Metall, die als Motherboard (Hauptplatine) bezeichnet wird. Ihre Aufgabe ist es, alle Elemente des PCs miteinander zu verbinden. Zu den wichtigsten Komponenten gehören:

• CPU
• Erweiterungssteckplätze
• RAM-Speichermodule
• BIOS-Chip
• System-Busse (zur Verbindung der Komponenten)
• Anschlüsse für externe Peripheriegeräte
• Elektrische Anschlüsse (Stromversorgung)
• CD-/DVD-Laufwerk-Anschlüsse
• Festplatten-Anschlüsse
• Lüfter-Anschlüsse

Busse: Die Kommunikationswege im PC

Busse sind eine Reihe von parallelen elektrischen Leitungen, die die verschiedenen Elemente eines PCs miteinander verbinden. Man unterscheidet:

• Adressbus: Überträgt Speicheradressen.
• Datenbus: Überträgt die Daten, mit denen der PC arbeitet. Er hat eine größere Breite (mehr Leitungen) als der Adressbus.
• Steuerbus: Überträgt Steuersignale und Informationen über den Status von Peripheriegeräten.

Es gibt interne Busse (innerhalb des Prozessors) und externe Busse (außerhalb des Prozessors).

Speicher: Datenhaltung im Computer

Der Zweck des Speichers ist es, Informationen aufzunehmen, zu speichern und bei Bedarf wieder auszugeben.

• RAM (Random Access Memory): Ein flüchtiger Speicher, dessen Inhalt beim Ausschalten des Computers verloren geht. Er dient als Arbeitsspeicher.
• ROM (Read-Only Memory): Enthält fest gespeicherte Konfigurationsdaten des Systems, wie das BIOS (Basic Input/Output System), das die notwendigen Informationen zum Starten des PCs enthält.

Weitere Speichertypen

• Festplatte (HDD/SSD): Ein Hilfsspeichersystem mit hoher Kapazität zur dauerhaften Speicherung von Informationen.
• Cache-Speicher: Ein sehr schneller Speicher, der dazu dient, den Zugriff auf den Hauptspeicher zu beschleunigen.
• VRAM (Video RAM): Spezieller Speicher für Grafikkarten. Je mehr VRAM vorhanden ist, desto höhere Auflösungen und Detailgrade können auf dem Bildschirm dargestellt werden.

Peripheriegeräte: Schnittstelle zur Außenwelt

Peripheriegeräte sind Geräte, die an den Computer angeschlossen werden, um Daten ein- oder auszugeben oder zu speichern. Sie werden in folgende Kategorien unterteilt:

• Eingabegeräte: Z.B. Tastatur, Maus, Mikrofon.
• Ausgabegeräte: Z.B. Monitor, Drucker, Lautsprecher.
• Speichergeräte: Z.B. USB-Sticks, externe Festplatten.