Peripheriegeräte: Definitionen, Typen und Technik

Definition und Arten von Peripheriegeräten

Laufwerke oder Geräte, durch die der Computer mit der Außenwelt kommuniziert. Peripheriegeräte sind Systeme, die Informationen speichern oder archivieren, also als Hilfsspeicher außerhalb des Hauptspeichers dienen. Sie ermöglichen Ein- und Ausgabe (I/O) von Daten ergänzend zur Verarbeitung durch die CPU.

Peripheriegeräte lassen sich in fünf Kategorien einteilen:

• Peripherie-Eingang: Geräte, die Daten erfassen und an das System übergeben.
• Peripherie-Ausgang: Geräte, die Informationen anzeigen oder an den Benutzer übermitteln. Sie wandeln elektrische Impulse in lesbare Informationen um. Nicht alle Ausgabegeräte sind ausschließlich für den Benutzer bestimmt.
• Peripherie Ein-/Ausgabe (I/O): Geräte, die sowohl Eingaben entgegennehmen als auch Ausgaben liefern und so externen Datenaustausch mit der CPU ermöglichen.
• Speicherperipherie: Geräte, die Daten und Informationen für gewisse Zeit speichern. Der Arbeitsspeicher gilt nicht als dauerhaftes Speichermedium, da er flüchtig ist.
• Kommunikationsperipherie: Geräte, die für die Kommunikation mit anderen Maschinen oder Computern verantwortlich sind, z. B. zum Senden und Empfangen von Daten.

Webcam — Übersicht

Eine Webcam ist eine kleine digitale Kamera, die an einen Computer angeschlossen wird. Sie erfasst Bilder und kann diese live über das Internet übertragen. Webcams benötigen in der Regel einen Computer zur Übertragung, aber es gibt auch autonome Netzwerkkameras, die sich direkt per Ethernet oder WLAN in ein Rechnernetz einwählen lassen. Solche Kameras werden als Netzwerkkameras oder IP-Kameras bezeichnet.

Die Webcam-Software nimmt in regelmäßigen Abständen Einzelbilder (Frames) der Kamera auf (z. B. ein statisches Bild alle halbe Sekunde) und sendet diese zur Anzeige an einen entfernten Ort. Soll ein durchgehendes Video ohne Unterbrechungen erzeugt werden, muss die Webcam etwa 15 bis 30 Frames pro Sekunde liefern. Eine Webcam besteht aus Objektiv, Bildsensor und den notwendigen Schaltkreisen zur Signalverarbeitung. Es gibt verschiedene Linsentypen; Kunststofflinsen sind am häufigsten.

Scanner: Was ist das? Typen

Ein Scanner ist ein Peripheriegerät, das gedruckte Bilder mithilfe von Licht in ein digitales Format konvertiert. Scanner können mit Zubehör ausgestattet sein, z. B. mit automatischem Blattzuführer oder einem Adapter für Dias und Folien. Durch nachgelagerte Bildbearbeitung können Fehler korrigiert, bestimmte Bereiche zugeschnitten oder Texte mittels OCR-Techniken erkannt werden.

Es gibt verschiedene Scannerarten. Heute am verbreitetsten sind Flachbettscanner.

Flachbett

Ein Flachbettscanner hat eine flache Glasoberfläche, auf die das zu scannende Dokument gelegt wird. Unter dieser Oberfläche bewegt sich meist ein Arm mit Lichtquelle und Fotosensor (in der Regel ein CCD).

Orbitalscanner

Ein Orbitalscanner ist eine Scannerart, die zum Digitalisieren von Büchern oder empfindlichen Dokumenten eingesetzt wird. Diese Scans werden mit einer Kamera auf einem Arm erstellt, die Bilder des gewünschten Objekts aufnimmt. Der große Vorteil ist, dass die Bücher nicht vollständig geöffnet werden müssen, wodurch Beschädigungen vermieden werden.

Trommelscanner

Trommelscanner liefern die genauesten Reproduktionen des Originals, da sie sehr hochauflösende Scans (bis zu 4000 dpi optisch) und eine exzellente Qualität erzeugen. Nachteile sind die lange Scanzeit, die ungeeignete Behandlung spröder Papiere und der hohe Bedienungsaufwand; zudem sind Trommelscanner teuer.

Handscanner

Handscanner werden über die Oberfläche des zu scannenden Bildes gezogen. Das Scannen erfordert eine ruhige Hand; ungleichmäßige Bewegung kann zu Verzerrungen führen. Bei zu schneller Bewegung ist zudem oft zu wenig Licht vorhanden, wodurch die Scanqualität leidet.

Scanqualität und wie sie bestimmt wird

Die Farbtiefe hängt von den Eigenschaften des Scanners ab (eines der grundlegenden Qualitätsmerkmale). Üblich sind mindestens 24 Bit; mit 48 Bit erhält man eine bessere Qualität und größere Farbtiefe. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Auflösung, gemessen in Pixel pro Zoll (DPI). Hersteller geben oft interpolierte Auflösungen an, die durch Software-Interpolation höher erscheinen als die tatsächliche optische Auflösung des Scanners.

Ein dritter wichtiger Parameter ist der Dichtebereich. Hat ein Scanner einen großen Dichtebereich, kann er Schatten und Lichter in einem einzigen Durchgang detailliert wiedergeben. Scans können in Graustufen oder Farbe erfolgen. Viele Dokumentenscanner sind für doppelseitiges Scannen optimiert und erreichen hohe Durchsatzraten (z. B. 20 bis 150 Seiten pro Minute). Moderne Geräte bieten Firmware-Funktionen zur Entfernung zufälliger Artefakte. Gescannte Daten werden oft "on the fly" komprimiert. Zur Umwandlung gescannter Dokumente in editierbare Dateien wird meist OCR-Technologie eingesetzt. Mithilfe von ISIS- und TWAIN-Treibern werden Dokumente im TIFF-Format erzeugt, die dann an eine Texterkennungs- oder Textverarbeitungssoftware übergeben werden.

Digital-Analog-Wandler und Digitalisierung

Ein Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler, ADC) ist ein elektronisches Bauteil, das analoge Signale in digitale Signale umwandelt. Wandler haben in der Regel Referenzeingänge (Vref+ und Vref-), die den Bereich und die Umwandlungsgeschwindigkeit bestimmen.

Die A/D-Wandlung stellt eine Beziehung zwischen Eingangsgröße (analog) und Ausgangswert (digital) her, abhängig von der Auflösung des Wandlers. Die Digitalisierung erfolgt durch periodische Messung der Amplitude (Spannung) eines Signals (z. B. vom Mikrofon, Seismographen oder Oszilloskop), Rundung der Werte auf eine endliche Menge vorgegebener Spannungsstufen (Quantisierungsstufen) und Speicherung dieser Werte als ganze Zahlen.

Touchscreen: Was ist das und wofür wird er verwendet?

Ein Touchscreen ist ein Bildschirm, der die direkte Berührung der Oberfläche zur Eingabe von Daten und Befehlen ermöglicht. Er fungiert zugleich als Ausgabegerät, das Ergebnisse anzeigt. Touchscreens sind in Industrieanwendungen beliebt und werden häufig in interaktiven Ausstellungen oder Informationsstationen eingesetzt, wo Tastatur und Maus ungeeignet sind. Sie bieten eine intuitive, schnelle und präzise Bedienung.

Grafikkarte, GPU, Videospeicher und Schnittstellen

Eine Grafikkarte ist eine Erweiterungskarte, die Daten von der CPU verarbeitet und in Informationen umwandelt, die auf einem Ausgabegerät wie Monitor oder Fernseher dargestellt werden können. Besonders verbreitet sind Grafikkarten für IBM-kompatible PCs, es gibt sie aber auch für andere Architekturen.

Die GPU (Graphics Processing Unit) ist ein dedizierter Prozessor für Grafikberechnungen. Sie entlastet die CPU, ist häufig für Fließkomma-Berechnungen optimiert und besonders wichtig für 3D-Funktionen. Viele Spezifikationen einer Grafikkarte beziehen sich auf die GPU, da sie das zentrale Bauteil ist.

Der Videospeicher (VRAM) dient der Speicherung von Grafikdaten. Größen reichen typischerweise von 128 MB bis zu mehreren Gigabytes. Es wurden verschiedene Speichergenerationen verwendet, z. B. DDR, DDR2, GDDR3, GDDR4, GDDR5. Die Taktfrequenzen liegen beispielsweise zwischen einigen hundert MHz und mehreren GHz. Ein wichtiger Bestandteil des Grafikspeichers ist der Z-Buffer, der die Tiefenkoordinaten in 3D-Grafiken verwaltet.

API für Grafiken und grafische Effekte

APIs abstrahieren die Komplexität der Grafikhardware und stellen Grafikprimitive bereit. Die beiden wichtigsten sind:

• Direct3D: Von Microsoft 1996 veröffentlicht, Teil der DirectX-Bibliothek. Läuft nur unter Windows und wird von den meisten Windows-Spielen genutzt.
• OpenGL: Ursprünglich von Silicon Graphics in den frühen 1990er-Jahren entwickelt. OpenGL ist frei, plattformübergreifend und wird oft in CAD-, Virtual-Reality- und Flugsimulationsanwendungen eingesetzt. In Spielen konkurrierte es häufig mit Direct3D.

Techniken und Effekte, die von Grafikkarten erzeugt werden können, sind unter anderem:

• Antialiasing: Glättung von Treppeneffekten an Kurven und schrägen Linien.
• Shader: Pixel- und Vertex-Programme zur Darstellung von Licht, Naturphänomenen und Oberflächen.
• HDR: Darstellung eines großen Helligkeitsumfanges realer Szenen (von sehr hellen zu sehr dunklen Bereichen).
• Texture Mapping: Abbildung detaillierter Oberflächen auf Modelle ohne Erhöhung der Geometriekomplexität.
• Motion Blur: Verwischungseffekt durch Bewegungsgeschwindigkeit eines Objekts.
• Depth of Field (Tiefenunschärfe): Verwischung abhängig von der Entfernung zum Objekt.
• Lens Flare: Simulation von Lichtreflexionen im Kameraobjektiv.
• Fresnel-Effekt: Winkelabhängige Betrachtung von Reflexionen an Oberflächen.

Monitore: Zusammenfassung und Beispiele

Monitore geben die vom Computer verarbeiteten Informationen visuell wieder. Seit den ersten grünen Phosphor-Bildschirmen hat sich die Technologie stark weiterentwickelt; heute ist ein Computer ohne Farbmonitor kaum vorstellbar. Typische Monitorarten sind:

CRT

CRT-Monitore (Kathodenstrahlröhren) wandeln die Signale der Grafikkarte in sichtbare Bilder um. Im Inneren befindet sich eine Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronenkanone, die einen Elektronenstrahl auf die phosphorbeschichtete Bildschirmoberfläche schießt.

LCD

LCD-Displays (Flüssigkristallanzeigen) bestehen aus einer Matrix farbiger oder monochromer Pixel vor einer Hintergrundbeleuchtung oder einem Reflektor.

TFT-LCD

TFT-LCDs sind eine Variante des LCD mit Thin-Film-Transistoren (TFT) zur Verbesserung der Bildqualität. TFT-LCDs sind eine Form der Aktivmatrix-LCDs und werden in Monitoren, Fernsehern und Projektoren eingesetzt.

Plasma

Plasmabildschirme sind Flachbildschirme, die meist in großen Fernsehern (ca. 37 Zoll und größer) verwendet werden. Sie bestehen aus vielen kleinen Zellen zwischen zwei Glasscheiben, die mit einer Edelgas-Mischung (z. B. Neon, Xenon) gefüllt sind.

OLED

OLEDs (Organic Light-Emitting Diodes) beruhen auf einer Elektrolumineszenzschicht aus organischen Verbindungen, die bei elektrischer Anregung Licht erzeugen. Vorteile von OLEDs sind geringerer Energieverbrauch, größerer Betrachtungswinkel, hoher Kontrast, schnellere Ansprechzeiten und potenzielle Flexibilität. Einschränkungen sind derzeit noch Materialalterung und damit begrenzte Lebensdauer in bestimmten Anwendungen.

Soundkarte: Was sind sie? Intern oder extern?

Eine Soundkarte ist eine Erweiterungskarte, die Audio-Ein- und -Ausgabe unter Kontrolle von Treibern und Anwendungen ermöglicht. Die Klangqualität hängt nicht ausschließlich davon ab, ob die Karte intern oder extern ist, sondern von der Qualität der verwendeten Bauteile und der Signalverarbeitung. Integrierte Audiochips auf Mainboards haben sich deutlich verbessert; externe Soundkarten bieten dennoch oft höhere Qualität und bessere Anschlüsse, besonders bei höherem Budget.

Wichtigste technische Merkmale von Soundkarten: Bits, kHz etc.

Soundchips enthalten meist Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandler, die die zentrale Funktion der Übersetzung zwischen digitalen Samples und analogen Wellenformen übernehmen. Soundproben werden häufig mit 16 Bit aufgenommen. Mehr Bits bedeuten mehr darstellbare Pegel und damit potenziell bessere Klangqualität.

Die Abtastrate wird in kHz angegeben. Viele Consumer-Soundkarten arbeiten mit 44,1 kHz (CD-Standard) oder 48 kHz; semi-professionelle Karten nutzen oft 48 kHz oder 50 kHz, professionelle Systeme können deutlich höhere Abtastraten (z. B. 96 kHz oder mehr) unterstützen.

Interne Struktur und Logik einer Festplatte

• Platter: Jede der Scheiben im Inneren der Festplatte.
• Surface (Fläche): Jede Seite einer Platte.
• Head (Kopf): Anzahl der Leseköpfe.
• Track (Spur): Ein Kreis auf einer Fläche; Spur 0 liegt am äußeren Rand.
• Cylinder: Eine Gruppe von Spuren über den Plattenstapeln hinweg, die vertikal ausgerichtet sind (je eine Spur pro Platte/Seite).

Sektor: Jede Spur ist in Sektoren unterteilt. Die Sektorgröße ist nicht festgelegt; ein aktueller Standard sind 512 Byte. Früher war die Anzahl der Sektoren pro Spur fest vorgegeben, was zu interner Fragmentierung führte.

Im Inneren einer Festplatte finden sich zudem:

• Der Master Boot Record (im Bootsektor), der die Partitionstabelle enthält (logische Aufteilung einer Festplatte in mehrere Bereiche mit gleichen oder unterschiedlichen Dateisystemen).
• Partitionsstrukturen, die für verschiedene Dateisysteme wie FAT, NTFS, UNIX-Dateisysteme etc. notwendig sind.

Hard-Drive-Interfaces: IDE, SATA, SCSI

Ein Interface oder eine Schnittstelle regelt den Datenfluss zwischen System und Festplatte, beeinflusst das Format der Datenspeicherung, die Übertragungsrate, die Geschwindigkeit und weitere Faktoren. Wichtige Standards sind:

IDE (PATA)

Der traditionelle Parallel-IDE-Standard implementierte Steuerungsfunktionen direkt auf der Festplatte. Er ermöglichte Übertragungsraten im Bereich weniger Megabyte pro Sekunde und vereinfachte damals Installation und Konfiguration.

EIDE

Enhanced IDE (EIDE) brachte mehr Flexibilität und Leistung, erhöhte Kapazitäten (z. B. bis mehrere GB) und bot einen höheren Datendurchsatz abhängig vom verwendeten Transfermodus. Übersetzungssysteme ermöglichten den Zugriff auf größere Kapazitäten.

SATA

Serial ATA (SATA) ist ein seit den 2000er-Jahren verbreiteter serieller Anschlussstandard. SATA ist schneller und effizienter als IDE. Es gibt mehrere Versionen, z. B. SATA I (~150 Mb/s), SATA II (~300 Mb/s) und weitere Weiterentwicklungen.

SCSI

Die SCSI-Schnittstelle (Small Computer System Interface) ist traditionell in professionellen Umgebungen verbreitet, in denen Leistung, Flexibilität und Zuverlässigkeit gefragt sind. SCSI verwendet einen separaten Bus, vermeidet so Engpässe des PC-Systembusses und erlaubt in einfachen Konfigurationen den Anschluss mehrerer Geräte (typischerweise bis zu 7 oder 15, abhängig vom Controller). SCSI-Geräte zeichnen sich durch hohe Leistung aus und können verschiedene Peripheriegeräte wie Scanner, CD-ROM-Laufwerke, Wechselplatten etc. ansprechen.

CD: Wie wird eine CD gebrannt?

Eine CD ist ein digitales optisches Speichermedium zur Archivierung verschiedener Informationen. Beim Brennen einer CD wird die Oberfläche lokal verändert und die Struktur irreversibel. Daten werden so abgelegt, dass der CD-Leser das Format interpretiert und dekodiert, um Audiosignale, Daten, Bilder oder Texte auszulesen.

Der Brenner erzeugt Pits (Gruben) und Lands (Flächen) durch Änderung des Reflexionsgrades der Oberfläche. Pits sind Bereiche, die mit höherer Leistung gebrannt wurden und daher eine geringere Reflexion aufweisen. Zum Erzeugen einer Grube wird die Oberfläche stark erhitzt (z. B. über 250 °C).

Unterschiede zwischen CD-, DVD- und Blu-ray-Technologie; Kapazitäten

CDs verwenden einen Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von etwa 780 nm. DVD-Player verwenden meist rote Laser mit rund 635–650 nm, und Blu-ray verwendet blaue Laser mit etwa 405 nm, wodurch kleinere Strukturen und höhere Datendichten möglich werden. Unterschiedliche Lasertypen und Linsenoptiken führen zu verschiedenen Fokussierungsparametern und Datendichten.

CD

Standard-CDs haben 120 mm Durchmesser und können 74–80 Minuten Audio oder etwa 650–700 MB Daten speichern. Es gibt auch 80 mm Mini-CDs (etwa 21 Minuten Audio oder 210 MB Daten), auch bekannt als Mini-CD oder Pocket-CD.

DVD

Beispiele für DVD-Kapazitäten: DVD-5 ~4,7 GB, DVD-9 ~8,5 GB, DVD-10 ~9,4 GB, DVD-17 ~18 GB (je nach Format und Layer).

Blu-ray

Blu-ray-Discs bieten deutlich höhere Kapazitäten, z. B. 25 GB pro Layer; Dual-Layer-Discs erreichen beispielsweise 50 GB.

Flash-Speicher: Was ist das und wofür wird er verwendet?

Flash-Speicher ist eine Weiterentwicklung des EEPROM und erlaubt das Löschen oder Beschreiben ganzer Speicherbereiche in einem Schritt (Flash-Operation), statt nur einzelne Zellen zu bearbeiten. Durch paralleles Lesen und Schreiben ist Flash-Speicher wesentlich schneller als ältere Technologien und eignet sich daher für viele Anwendungen. Hauptanwendungsgebiete sind batteriebetriebene Kleingeräte wie Mobiltelefone, PDAs, Digitalkameras, tragbare Audioplayer und ähnliche Geräte.

Modem: Was ist das?

Ein Modem ist ein Peripheriegerät, das digitale Signale eines Computers in analoge Tonsignale für die Übertragung über Telefonleitungen umwandelt und umgekehrt. Diese Umwandlung heißt Modulation bzw. Demodulation (daher der Name Modem). Für die bidirektionale Übertragung ist an beiden Enden der Leitung jeweils ein Modem erforderlich, das die empfangenen Tonsignale wieder in binären Code zurückverwandelt.

ADSL-Modem

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) ist eine DSL-Technologie zur digitalen Datenübertragung über herkömmliche Kupfer-Telefonleitungen. ADSL kann hohe Datenraten bieten, solange die Distanz zum Vermittlungszentrum nicht zu groß ist (typischerweise einige Kilometer). Der Datentransport erfolgt in Frequenzbändern oberhalb der Sprachfrequenzen (300–3800 Hz). ADSL-Verbindungen werden über spezielle Router oder ADSL-Modems realisiert.

Netzwerkkarte: Allgemeine Zusammenfassung

Eine Netzwerkkarte ermöglicht die Kommunikation und gemeinsame Nutzung von Ressourcen (z. B. Festplatten, CD-ROMs, Drucker) zwischen mehreren Computern. Netzwerkadapter werden auch Network Interface Card (NIC) genannt. Es gibt verschiedene Adaptertypen, die an unterschiedliche Kabeltypen und Architekturen angepasst sind. Heute ist Ethernet über RJ-45 die häufigste Form.

Gängige Übertragungsgeschwindigkeiten umfassen 100 Mbit/s, 1000 Mbit/s (Gigabit Ethernet) und in einigen Server- oder Rechenzentrumsumgebungen auch 10 Gbit/s. Übertragungsmedien sind verdrillte Kupferleitungen (Twisted Pair, z. B. Kategorie 5e/6/6a/7) oder Glasfaser.

Drahtlose (Wireless) Netzwerkadapter

Drahtlose Netzwerkadapter (WLAN-Karten) erfüllen Standards wie 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n oder neuere. Beispiel: 802.11b überträgt bis zu 11 Mbit/s, 802.11g bis zu 54 Mbit/s (theoretische Werte) und hat typischerweise Reichweiten im Bereich von zehn bis hundert Metern, abhängig von Umgebung und Antennen.

Bluetooth-Karten

Bluetooth-Karten ermöglichen eine einfache und kostengünstige drahtlose Verbindung zwischen PC und Bluetooth-fähigen Peripheriegeräten und -geräten.

Scanqualität und wie sie bestimmt wird (Duplikat)

Die Farbtiefe hängt von den Eigenschaften des Scanners ab (ein grundlegendes Qualitätsmerkmal). Üblich sind mindestens 24 Bit, mit 48 Bit erreicht man bessere Qualität und größere Farbtiefe. Ein weiteres zentrales Merkmal ist die Auflösung in DPI (dots per inch). Hersteller geben oft interpolierte Auflösungswerte an, die höher sind als die tatsächliche optische Auflösung.

Der Dichtebereich ist ein dritter wichtiger Parameter. Ein großer Dichteumfang erlaubt es, Schatten und Lichter in einem Durchgang differenziert wiederzugeben. Scans können in Graustufen oder Farbe erfolgen. Viele Geräte ermöglichen Duplex-Scans (beidseitiges Scannen) mit hoher Geschwindigkeit (z. B. 20 bis 150 Seiten pro Minute). Moderne Firmware kann zufällige Zeichen entfernen. Gescannte Daten werden häufig „on the fly“ komprimiert. Zur Umwandlung gescannter Dokumente in editierbare Dateien wird OCR-Technologie eingesetzt. Mit ISIS- oder TWAIN-Treibern werden Dokumente z. B. im TIFF-Format erzeugt, die dann an Textverarbeitungsprogramme übergeben werden.