Grundlagen der Computertechnik
Die Computertechnik oder auch die Rechnertechnik ist der technische Bereich, der sich mit datenverarbeitenden Anlagen und Geräten beschäftigt. Die Grundlagen der Computertechnik bauen auf der Digitaltechnik und der Mikroelektronik auf. In der Regel geht es dabei um Funktionsweise von Computern.
Die 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 ist ein Bestandteil vieler Studiengänge. Zum Beispiel Informatik, Elektrotechnik und Automatisierungstechnik.
Hardware und Software
Hardware ist der Sammelbegriff für alle Geräte oder Teile in der Computertechnik. Dazu gehört alles, was "hart" ist, also sich anfassen lässt.
Software steht in der Computertechnik für Programme und Betriebssysteme, die in einem digitalen Speicher in Form von Zuständen abgelegt sind.
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)
- macOS (Apple)
- OS/2 (IBM)
- Linux (Kernel und zahlreiche Distributionen)
- Unix
Rechner-Architekturen
Eine Rechner-Architektur bildet das Fundament eines Computers und beeinflusst maßgeblich dessen Leistung und Effizienz. Die verschiedenen Rechner-Architekturen orientieren sich üblicherweise an der technischen Entwicklung und unterschiedlichen Anwendungsfällen. So ist ein Computer für die private Nutzung anders aufgebaut, als ein Server zur Datenverarbeitung oder ein Industrie-PC, der eine Maschine steuert.
Das Konzept des Von-Neumann-Rechners findet sich in fast allen Computern wieder. Als Personal Computer, kurz PC, von IBM hat sich dieses Konzept manifestiert.
Durch den PC von IBM haben sich Computer als Arbeitsmittel schnell durchsetzen können. 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-, Stabilitäts- und Sicherheitsprobleme. 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 hat sich bei mobilen Geräten, wie Smartphones und Tablets, ein geschlossener Ansatz durchgesetzt. Bei diesen Geräten hält der Hersteller alle Fäden in der Hand. Hardware und Software werden dabei von wenigen Herstellern 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 nachträgliche Nachladen von Treibern fällt weg, weil das Anschließen externer Geräte nur begrenzt vorgesehen ist.
Prozessor / Mikroprozessor
Der Prozessor oder Mikroprozessor ist ein komplexer digitaler Schaltkreis, der in der Regel in einem einzigen Gehäuse untergebraucht ist. Der Prozessor übernimmt Berechnungs- und Steuerungsaufgaben im Computer.
Speicher
Die Speicherarchitektur in der Computertechnik unterscheidet zwischen Primär- und Sekundärspeicher. Primärspeicher (Cache, RAM) dient der kurzfristigen Datenverarbeitung, während Sekundärspeicher für dauerhafte Speicherung zuständig ist.
Ein typischer Primärspeicher ist der Arbeitsspeicher, der dazu dient Programme und Daten im laufenden Betrieb für die Verarbeitung verfügbar zu halten.
Der Arbeitsspeicher ist zwar schnell, verliert jedoch Daten bei Stromausfall. Deshalb wird noch ein Sekundärspeicher benötigt.
Ein idealer Sekundärspeicher vereint hohe Kapazität, Geschwindigkeit und Langlebigkeit, was jedoch oft nicht gleichzeitig erreichbar ist.
Ein oder mehrere Sekundärspeicher dienen der langfristigen Speicherung von Software und Daten. Es gibt verschiedene Arten wie elektronische, magnetische oder optische Speicher, die typischerweise physikalische Effekte als Speicher nutzen.
Schnittstellen und Bussysteme
Computer besitzen interne und externe Schnittstellen für die Verbindung von Komponenten.
Schnittstellen verbinden Systeme mit unterschiedlichen Eigenschaften und sind entscheidend für die Interoperabilität zwischen elektronischen Systemen. Sie ermöglichen Kommunikation und Datenaustausch. Zur einfachen Nutzung sind die meisten Schnittstellen standardisiert.
Laufwerke und externe Geräte
Laufwerke und externe Geräte ermöglichen es, Daten von externen Quellen in einen Computer zu übertragen oder dort zu speichern. Umgekehrt können auch Daten von einem Computer auf ein externes Gerät oder ein Speichermedium gesichert oder in ein Netzwerk übertragen werden.
Hauptplatine
Die meisten Computer enthalten wichtige System-Komponenten wie ein Hauptprozessor, Arbeitsspeicher, ein Massenspeicher, verschiedene Schnittstellen und ein internes Bussystem. Das alles ist auf einer Hauptplatine, auch Mainboard genannt, miteinander verbunden. Der Chipsatz, manchmal auch nur ein Chip, verbindet die Komponenten auf der Hauptplatine logisch miteinander.
Betriebssystem
Das Betriebssystem haucht einem Computer erst Leben ein und schafft eine Umgebung, in der Software ausgeführt und genutzt werden kann.
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.
Trends und Treiber in der IT
Die IT-Branche ist geprägt von Trends, die durch technische Entwicklungen und Marktaktivitäten entstehen und auch wieder gehen. Politische Vorgaben und Unternehmensstrategien können ebenfalls Trends beeinflussen. Anforderungen an die IT, wie Integration, Vernetzung und Automatisierung, können Trends verstärken oder abschwächen.
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.
- Smart Computing
- Cloud Computing
- Big Data
- Internet der Dinge / Internet of Things (IoT)
- Künstliche Intelligenz (KI) / Artificial Intelligence (AI)
Neben den technischen Trends, gibt es übergeordnete Trends, die nicht zwangsläufig technischer Natur sind, sondern viel tiefgreifender und langanhaltender.
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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- Informatik
- Computer
- Computersysteme
- Geschichte der Computertechnik
- Computer-Architektur
- Schichtenmodell in der Computertechnik
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Die Computertechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Computertechnik, Prozessortechnik, Halbleiterspeicher, Schnittstellen, Datenspeicher, Laufwerke und wichtige Hardware-Komponenten.
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