Grundlagen der Computertechnik

Computertechnik oder auch Rechnertechnik ist der technische Bereich, der sich mit informationsverarbeitenden Anlagen und Geräten beschäftigt. In der Regel geht es um Computer. Die Grundlagen der Computertechnik bauen auf der Digitaltechnik und der Mikroelektronik auf.
Computertechnik besteht aus den Teilbereichen Rechnerarchitekturen, Prozessorarchitekturen, Speichertechniken und die Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine. Anwendung findet Computertechnik in Mikroprozessoren, Computern im allgemeinen und hardwarenaher Software.
Die Computertechnik oder Rechnertechnik ist ein Bestandteil vieler Studiengänge. Zum Beispiel Informatik, Elektrotechnik und Automatisierungstechnik.

Hardware

Hardware ist der Sammelbegriff für alle Geräte oder Teile in der Computertechnik. Dazu gehört alles, was "hart" ist, also sich anfassen lässt.

Software

Software steht in der Computertechnik für Programme und Betriebssysteme, die in einem digitalen Speicher abgelegt werden können.
Das Betriebssystem und die Anwendungsprogramme, die dem Mikrocomputer Leben einhauchen, sind im ROM (Festwertspeicher) fest und unlöschbar gespeichert. In der heutigen Zeit wird die Software eher auf einer Festplatte gespeichert. Wenn der Computer eingeschaltet wird, dann werden die Daten aus dem ROM oder von der Festplatte in den Arbeitsspeicher geladen und ausgeführt.
Die Firmware bezeichnet eine spezielle Software, die die Grundfunktionen der jeweiligen Hardware-Komponente steuern.

Software: Programme und Anwendungen

  • Büro-Anwendungen / Office
  • Bildbearbeitung
  • Videobearbeitung
  • CAD
  • Messtechnik
  • Steuerungstechnik
  • Spiele
  • Systemprogramme

Software: Betriebssystem

Ein Betriebssystem (Operating System, OS) ist eine Sammlung von Systemprogrammen, die die Verbindung zwischen Hardware und Anwendungs-Software herstellen. Das Betriebssystem ermöglicht das Starten und Ausführen von Anwendungsprogrammen. Das Betriebssystem ermöglicht auch den Zugriff auf die Hardware. Zum Beispiel den Zugriff auf Dateien, die auf einem Datenträger gespeichert sind, die Bilddarstellung auf einem Bildschirm und Daten- und Befehlseingabe über eine Tastatur.
Das Betriebssystem beinhaltet Funktionen für Anwendungsprogramme, die nicht für jedes Anwendungsprogramm neu programmiert werden müssen. Ein Betriebssystem ist also ein Ökosystem, in dem Anwendungsprogramme ausgeführt werden und arbeiten können.

Beispiele: Betriebssysteme

  • Windows (Microsoft)
  • Mac OS X (Apple)
  • OS/2 (IBM)
  • Linux
  • Unix

Rechner-Architekturen

Die verschiedenen Rechner-Architekturen orientieren sich üblicherweise an der technischen Entwicklung und verschiedenen Anwendungsfällen. So ist ein Computer für die private Nutzung anders aufgebaut, als ein Server oder ein Industrie-PC. Allerdings ist der Ursprung das Konzept des Von-Neumann-Rechners, der sich im PC-Konzept von IBM manifestiert hat.
Das PC-Konzept von IBM hat dafür gesorgt, dass sich Personal Computer (PC) als Arbeitsmittel schnell durchsetzen konnten. Modulare und standardisierte Hardware und weitgehend frei programmierbare und abwärtskompatible Software galten lange Zeit als geniales Konzept. Der Nachteil dieser flexiblen Architektur sind gewaltige Kompatibilitäts- und Stabilitätsprobleme. Zwar hat man das in der Regel ganz gut im Griff. Doch leider bremst insbesondere die hochgehaltene Kompatibilität das ganze System aus und der Anwender muss über eine lange Zeit mit gewachsenen technischen Krücken leben.
Im Gegensatz dazu ist der Plattform-Ansatz bei mobilen Geräten, wie Smartphones und Tablets, eine willkommene Alternative. Bei diesen Geräten hält ein einziger Hersteller alle Fäden in der Hand. Hardware und Software werden dabei von einem Hersteller kontrolliert und optimiert. Dabei wird auf eine komplizierte Hardware- und Software-Struktur verzichtet. So kann beim Start auf die Hardware-Erkennung verzichtet werden, weil das System hochintegriert und nicht erweiterbar ist. Auch das Nachladen von Treibern fällt weg, weil die Mechanismen von Erweiterungen bereits im Vorfeld festgelegt sind. Im Gegensatz dazu muss ein moderner PC mit allerlei Schnittstellen und externen Geräten umgehen, die auch im laufenden Betrieb angeschlossen oder entfernt werden.
Klassische PCs und Notebooks weisen eine hohe Flexibilität und Erweiterbarkeit auf. Dadurch müssen die Geräte größer sein, einen dickeren Akku besitzen und sind entsprechend teurer. Doch auch bei PCs geht die Reise in Richtung hochintegrierter Systeme. Auf- und Umrüsten wird man PCs in Zukunft, wie auch bei Notebooks, nur noch über USB 3.0 und Thunderbolt.

Prozessor / Mikroprozessor

Der Prozessor oder Mikroprozessor ist ein komplexer digitaler Schaltkreis, der in einem einzigen Gehäuse untergebraucht ist. Der Prozessor übernimmt Berechnungs- und Steuerungsaufgaben in einem Computer.

Halbleiterspeicher

Halbleiterspeicher dient der zeitlich begrenzten oder unbegrenzten Aufbewahrung von Daten, Zuständen und Programmen in Form von digitalen Signalen.

Schnittstellen und Bussysteme

Zum Anschließen von externen Geräten an einen Computer sind Schnittstellen erforderlich. Eine Schnittstelle definiert die Festlegung für die physikalischen Eigenschaften der Schnittstellenleitungen.

System-Komponenten

Wichtige System-Komponenten sind der Hauptprozessor, der Arbeitsspeicher, ein Datenspeicher, verschiedene Schnittstellen und ein internes Bussystem, dass alle System-Komponenten miteinander verbindet.

Laufwerke und externe Geräte

Laufwerke und externe Geräte dienen dazu, Daten von außen in einen Computer zu laden oder zu speichern. Ebenso geht auch der andere Weg, um Daten vom Computer auf ein externes Gerät oder ein Speichermedium zu sichern.

Virtualisierung

Eine Virtualisierungs-Software oder Virtualisierer ist ein Programm, das komplette PCs inklusive BIOS, CPU, Grafikkarte, Festplatten und so weiter in Software nachbildet. Man bezeichnet diese virtuellen PCs als virtuelle Maschinen (VM). Darauf lassen sich Betriebssysteme wie auf einem echten PC installieren. Sie laufen dann aber in einem Programmfenster des Wirts-Betriebssystems. Auf diese Weise können verschiedene Programmen von unterschiedlichen Betriebssystemen gleichzeitig installiert sein und ausgeführt werden.

Standards in der Computertechnik

Standards in der Computertechnik, die von einem Industrie- oder Normungsgremium umfassend spezifiziert wurden, haben grundsätzlich bessere Chancen in der Breite zur Anwendung zu kommen, als proprietäre Komponenten oder Schnittstellen.
Im IT-Bereich werden Dateiformate und Protokolle als "proprietär" bezeichnet, die nicht allgemein anerkannten Standards entsprechen. Es handelt sich sozusagen um "hauseigene" Entwicklungen, die nicht quelloffen und meist lizenzpflichtig sind.
Während in der Anfangszeit der Computertechnik einzelne Firmen, allen voran IBM und Intel, für Industrie-Standards gesorgt haben, schließen sich heute viele Unternehmen zu Gruppierungen zusammen, um Standards gemeinsam zu entwickeln und voranzutreiben.
Standards bieten den Käufern mehr Auswahl, Kompatibilität und Investitionssicherheit. Die Hardware-Hersteller leiden allerdings darunter, dass sie sich kaum vom Wettbewerb absetzen können. Ständig sinkende Preise bei gleichzeitiger Leistungssteigerung ist für die Kunden gut. Dafür entsteht ein Marktumfeld, in dem sich Hersteller und Händler sehr schwer tun. Die Computer-Branche gilt als der Markt mit der geringsten Marge. Der Preisverfall bei Standard-Komponenten erfolgt extrem schnell.

Kompatibilität in der Computertechnik

Kompatibilität bedeutet soviel wie Vereinbarkeit oder Verträglichkeit. Wenn zwei Geräte zueinander kompatibel sind, das eine Gerät aber verbessert oder erweitert ist, dann spricht man von abwärts- bzw. aufwärtskompatibel. Abwärtskompatibel ist etwas, wenn es auch mit einer älteren Komponente zusammenarbeitet. Aufwärtskompatibel ist etwas, wenn es auch mit einer neueren Komponente zusammenarbeitet.
Zwei Programme sind zueinander datenkompatibel, wenn sie gleichartige Eingangsdaten entgegennehmen und gleichartige Ausgangsdaten liefern können. Sie sind zueinander funktionskompatibel, wenn sie aus den gleichen Eingangswerten die gleichen Ausgangswerte erzeugen.
Zwei Geräte sind zueinander anschluss- oder steckerkompatibel, wenn sie an dieselben Anschlüsse bzw. Schnittstellen passen. Sie sind zueinander funktionskompatibel, wenn sie dieselben Funktionen ausführen können. Laufwerke für Wechsel- und Massenspeicher sind zum Beispiel funktionskompatibel. Aber, sie gibt es in externer und interner Ausführung. Das bedeutet, obwohl sie zueinander nicht anschlusskompatibel sind, ist ihre Funktion die gleiche.
Zwei Computer sind zueinander programmkompatibel, wenn beide dieselben Programme ausführen können.

Innovationen in der Computertechnik

Es haben sich vorwiegend die Innovationen in der Computertechnik durchgesetzt, die auf der großen Mehrzahl aller Systeme nutzbar sind. Das bedeutet, Innovationen, die auf Standards und Kompatibilität setzen haben ein große Chance sich durchzusetzen.

Maßeinheiten: Bit und Byte

Die gebräuchlichsten Maßeinheiten in der Computertechnik sind Bit und Byte. Wobei Byte ein Vielfaches von Bit ist. 1 Byte sind 8 Bit. Oder 8 Bit sind 1 Byte. Beide Einheiten bekommen zusätzlich Präfixe vorangestellt, wenn die Werte 1.000er oder 1.024er überschreiten.

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