Grundlagen - Hardware-Zone

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Das EVA-Prinzip
Computer bedienen sich bei der Erledigung einer Aufgabe einem ganz bestimmten Funktionsschema. Bereits 1945 beschrieb der in den USA lebende ungarische Mathematiker John von Neumann, wie eine elektronische Anlage zur Verarbeitung von Daten aufgebaut sein muss. Seine Theorien über den Aufbau und die Funktionsweise eines Computers wurden als "von-Neumann-Architektur"  zusammengefasst. Ein Computer soll demnach über die folgenden Einheiten  verfügen:

  • Eine Eingabeeinheit zur Kommunikation mit dem Computer (z.B. ein Tastenfeld)
  • Ein Rechenwerk, dass die eingegebenen Daten verarbeitet.   
  • Ein Steuerwerk, welches den Verarbeitungsprozess kontrolliert (z.B. Befehlszähler)
  • Einen Speicher zur temporären Speicherung der Eingaben bzw. Daten
  • Eine Ausgabeeinheit, die das Ergebnis anzeigt (z.B. Bildschirm).

Diesem Aufbau entsprechend muss ein Computer nacheinander eingegebene  Daten verarbeiten und die Ergebnisse über ein Ausgabegerät dem Benutzer  mitteilen. Deshalb wird das Funktionsprinzip eines Computers als  "EVA-Prinzip" bezeichnet, wobei EVA für Eingabe, Verarbeitung und  Ausgabe steht.
Was ist ein "Personal Computer"?
Computer gibt es in sehr vielen Ausführungen. Sie funktionieren alle nach dem EVA-Prinzip, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich Zielgruppe, Einsatzbereich, Leistung, Größe, Bedienung, Ausstattungsmerkmalen und Preis. Teils sind die Unterschiede klar erkennbar, teils sind die Übergänge fließend: Ein PC, der ausschließlich zuhause genutzt wird, kann auch als Heimcomputer bezeichnet werden; genauso kann ein besonders leistungsstarker PC aber auch als Workstation fungieren. Für "Personal Computer" gibt es keine allgemeingültige, eindeutige Definition, weshalb der Begriff anhand zweier Beispiele erklärt werden soll: Dem Apple I aus dem Jahr 1976, der gemeinhin als erster PC gilt, und dem IBM PC Modell 5150 von 1981.

Apple I

Der Apple I wurde von Steve Wozniak (dem legendären Mitbegründer der Firma) entwickelt und 1976 bei einem Treffen des Homebrew Computer Club, einer Vereinigung von Technikfreaks und Hobbybastlern, der auch Wozniak angehörte, erstmals vorgestellt. Auffällig an diesem Computer waren dessen geringe Größe und Kompaktheit. Die Zentraleinheit bestand nur aus einer einzigen Platine, auf der alle wichtigen Bauteile zu finden waren. Um den Preis gering zu halten (der Apple I kostete "nur" 666,66 Dollar), wurden möglichst wenige, preisgünstige Komponenten verwendet. Der verbaute Arbeitsspeicher war mit 4 KB trotzdem für die damalige Zeit recht großzügig bemessen. Auch Anschlüsse für einen einfachen Fernseher und eine Tastatur waren darunter, wodurch die Bedienbarkeit erheblich vereinfacht wurde. Das sogenannte "video terminal" konnte bis zu 960 Zeichen auf einmal darstellen. Viele selbst gebaute Computer benutzen damals noch Lämpchen. Als Zubehör war u.a. ein Kassettenabspielgerät erhältlich, das zusammen mit einer BASIC-Kassette (BASIC = Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Code, eine einfach zu erlernende Programmiersprache) verkauft wurde. Dadurch wurde man in die Lage versetzt, selbst Programme zu schreiben, zu speichern und mit anderen auszutauschen.

IBM PC 5150

Der erste IBM PC war keineswegs ein besonderes Produkt, die eigesetzte Hardware war eher durchschnittlich und der Preis für damalige Verhältnisse sehr hoch (in Deutschland 8.500 DM für die Grundkonfiguration). Dennoch war es der erste Computer, der als "Personal Computer" vermarktet wurde und den Begriff gewissermaßen als Standard für alle nachfolgenden Generationen ("IBM PC-kompatibel") etablierte. Der große Vorteil des IBM PC 5150 war sein einfacher, modularer Aufbau (fünf Steckplätze für Erweiterungskarten), der es auch weniger technikversierten Anwendern ermöglichte, neue Komponenten hinzuzufügen. Dadurch fanden die Geräte (auch als Nachbauten) rasche Verbreitung und konnten sich auf dem Markt durchsetzen.

Die typischen Merkmale eines PCs:

  • Einfacher und kompakter Aufbau
  • Einfache Bedien- und Erweiterbarkeit auch durch Personen ohne technische Vorkenntnisse
  • Vielseitige Einsetzbarkeit zu Hause und im Büro
  • Einzelplatzrechner

Die tragbare Ausführung eines PCs wird übrigens als Notebook oder Laptop bezeichnet.
Übersicht: Computertypen
Computertyp
Zielgruppe
Einsatzgebiet(e)
Leistung
Preis
Beispiele
Heimcomputer (wurden Anfang der 1990er vom PC verdrängt)Heimanwender
  • Computerspiele
  • Programmierung
geringgering
  • Apple II ()
  • C64 (Commodore, 1982)
  • Schneider CPC (Amstrad, 1984)
  • Atari ST (1985)
  • Amiga 500 (Commodore, 1987)
Embedded Systems (Eingebettete Systeme)Unternehmen
  • Steuerung, Regelung und Überwachung technischer Geräte, Anlagen und Maschinen
geringgering
  • Auto (Bordcomputer)
  • Fernseher
  • DVD-Player
  • Kühlschrank
  • Waschmaschine
KonsoleHeimanwender
  • Computerspiele
gering - mittelgering
  • Atari 2600 (1977)
  • Nintendo Entertainment System (1985)
  • Playstation (1994)
  • Xbox (2001)
  • Playstation 4 (2013)
ServerUnternehmen
  • stellen Dienstleistungen für andere Rechner in einem Netzwerk zur Verfügung, z.B. Mailserver, Fileserver, Cloudserver
gering - hochgering - hoch
  • HP-ProLiant-Serie
  • Dell-PowerEdge-Serie
  • Cisco UCS-Server
  • Lenovo-ThinkStation-Serie
WorkstationProfianwender
  • Audio-/Videobearbeitung
  • 3D-Modellierung/-Animation
  • Simulationen
hochmittel - hoch
  • HP-9000-Serie (1984 - 2008)
  • SGI Indy (Silicon Graphics, 1993)
  • Sun-Ultra-Serie (1995 - 2001)
  • Mac Pro (Apple, seit 2006)
  • HP-Z-Serie
Mainframe (Großrechner)Unternehmen (v.a. Versicherungen, Banken, öffentl. Verwaltungen)
  • Massendatenverwaltung (z.B. Kunden- oder Transaktionsdaten)
  • ERP-Systeme (Enterprise Resource Planning)
mittel - sehr hochsehr hoch
  • IBM 704 (1954)
  • IBM System/360 (1964)
  • IBM z Systems (seit 2000)
SupercomputerUnternehmen (v.a. Forschungseinrichtungen, Universitäten)
  • Simulationen (z.B. Klimaprognosen)
  • komplexe wissenschaftl. Berechnungen
sehr hochsehr hoch
  • Cray-1 (1976)
  • IBM Blue Gene
  • Summit
  • Sierra
  • SuperMUC
PC-Bauformen

Im Handel sind PCs mittlerweile in mehreren verschiedenen Bauformen erhältlich, die sich an den unterschiedlichen Anforderungen der Endanwender orientieren:

Desktop-PC

Die „klassischen“ PCs, bestehend aus separatem Rechnergehäuse, Bildschirm und Tastatur, werden heute oft noch unter der Bezeichnung „Desktop-PC“ angeboten, obwohl diese eigentlich technisch veraltet ist. Als Desktop-PC wurden die in den 1980ern weit verbreiten PCs bezeichnet, die in einem möglichst flachen Gehäuse untergebracht wurden, um sie auf einem Schreibtisch (engl. Desktop) aufstellen zu können. Für moderne PCs werden Midi-Tower- oder (seltener) High-Tower-Gehause, die sich in der Regel unter dem Schreibtisch befinden, eingesetzt.
Desktop-PCs bieten viel Platz für Erweiterungskarten (z.B. mehrere Grafikkarten, eine professionelle Soundkarte) und Massenspeicher (z.B. mehrere Festplatten im Verbund). Sie sind daher sehr vielfältig einsetzbar. Die Preise liegen zwischen 299 und mehreren tausend Euro.

All-In-One-PC

Diese Bauform orientiert sich am Design des Apple Macintosh, bei dem erstmalig Bildschirm und Zentraleinheit in ein Gehäuse integriert wurden. Da in der Regel Hardware-Komponenten verbaut werden, die auch in besonders stromsparenden Laptops eingesetzt werden, reicht die Leistung nur für Büro-/Internetprogramme. Preislich liegen sie deutlich unter 1.000 €.

Mini-PC

Bei Mini-PCs, auch als Barebones ("blanker Knochen") bezeichnet, wurden  Ausstattung als auch Funktionalität auf das Wesentliche reduziert. Es gibt oft keine separate Grafikkarte, nur ein Laufwerk (SSD oder normale Festplatte) und einige wenige Standard-Anschlüsse. Statt Leistung stehen minimaler Platzbedarf und geringe Anschaffungskosten (weniger als 300€) im Vordergrund.

Tablet-PC

Tablet- PCs nutzen keine herkömmliche Tastatur, sondern einen berührungsempfindlichen Bildschirm als Eingabegerät. Da die Zentraleinheit in den Bildschirm integriert ist, sind Tablet-PCs zwar sehr kompakt, aber nicht so leistungsfähig wie ein Desktop-PC und auch relativ teuer.

Laptop/Notebook

Laptops als auch Notebooks sind PCs, die speziell für den mobilen Gebrauch entwickelt wurden. Sie verfügen über einen integrierten Akku, der auch eine längere Nutzung ohne externe Energiequelle ermöglicht. Leistungsmäßig sind sie mittlerweile einem Desktop-PC fast ebenbürtig. Laptops sind dafür um einiges teurer und lassen sich nur begrenzt erweitern.
 
Subnotebook

Bei einem Subnotebook handelt es sich um eine besonders leichte und kompakte Variante des Notebooks. Bildschirm und Tastatur sind im Vergleich um einiges kleiner. Vorteil gegenüber Standard-Notebooks ist die längere Akkulaufzeit aufgrund der Verwendung äußerst stromsparender Prozessoren.
Das Binärsystem
Damit ein Computer die Eingaben des Benutzers (Zahlen, Buchstaben) verarbeiten kann, benötigt er maschinenlesbare Codes, die durch Stromimpulse realisiert werden können. Diese Impulse bestehen aus zwei Zuständen: Strom fließt oder Strom fließt nicht. Deshalb hat man für den Computer ein eigenes Zahlensystem entwickelt, das ebenfalls auf zwei Zuständen beruht: Das Binärsystem, welches im Gegensatz zum gebräuchlichen Dezimalsystem auf der Basis 2 basiert. Stellvertretend für die beiden Zustände "Strom fließt" oder "Strom fließt nicht" steht bei diesem System die "1" oder die "0".
Eine Stelle im Binärsystem kann also zwei Zustände annehmen. Sie wird deshalb auch als binäre Einheit oder Bit (für engl. binary digit) bezeichnet. Je mehr Stellen verwendet werden, desto mehr Kombinationen bzw. Zustände können dargestellt werden. Mit einem Bit, also einer 0 oder 1 lassen sich zwei Zustände oder die beiden Dezimalzahlen 0 und 1 darstellen. Mit zwei Bit lassen sich bereits vier Zustände oder die Zahlen 0 bis 3 darstellen. Mit drei Bit lassen sich acht Zustände oder die Zahlen 0 bis 7 darstellen.
Die Anzahl möglicher Kombinationen kann durch einfache Exponentialrechnung festgestellt werden: 2^3 = 2 x 2 x 2 = 8; d. h. mit drei Bit (Exponente 3) lassen sich die Zahlen 0 bis 8 darstellen und mit vier Bit die Zahlen 0 bis 16, weil 2^4 = 2 x 2 x 2 x 2 = 16. Die Anzahl der darstellbaren Werte steigt mit der Anzahl der verwendeten Stellen exponentiell an.
Binär
Dezimal
0
0
1
1
1 0
2
1 1
3
1 0 0
4
1 0 1
5
1 1 0
6
1 1 1
7
1 0 0 0
8
1 0 0 1
9
1 0 1 0
10
1 0 1 1
11
1 1 0 012
Die Zahlen werden durch Auffüllen mit Einsen von rechts gebildet.
Die kleinste Informationsmenge, die ein Computer verarbeiten kann, umfasst 8 Bit.

8 Bit = 1 Byte

Für alle abgeleiteten Einheiten gibt es zwei Schreibweisen:
Zehnerpotenzen



Zweierpotenzen
1 KB (Kilobyte)
= 10^3
= 1.000 Byte
1 KiB (Kibibyte)
= 2^10= 1.024 Byte
1 MB (Megabyte)
= 10^6
= 1.000.000 Byte
1 MiB (Mebibyte)
= 2^20= 1.048.576 Byte
1 GB (Gigabyte)= 10^9= 1.000.000.000 Byte1 GiB (Gibibyte)= 2^30= 1.073.741.824 Byte
1 TB (Terabyte)= 10^12= 1.000.000.000.000 Byte1 TiB (Tebibyte)= 2^40= 1.099.511.627.776 Byte
In der Regel wird die Zehnerpotenz-Schreibweise benutzt, obwohl sie den tatsächlichen Wert nur annähernd darstellt.

  • Die Speicherkapazität (z.B. Arbeitsspeicher, Festplatten) wird meist in GB und TB angegeben.
  • Die Breite von Registern und die Befehlslänge einer CPU werden üblicherweise in Bit (z.B. 32 Bit) angegeben.
Darstellung von Zeichen
Damit der Computer neben Zahlen auch Buchstaben und Sonderzeichen (z. B. $, &, %) darstellen kann, verwendet er eine Zeichentabelle, den sogenannten Zeichencode. Darin wird jedem Zeichen eine Dezimalzahl zugewiesen, die einfach in den entsprechenden Binärwert umgewandelt werden kann. Die Anzahl an Zeichen, die in der Tabelle enthalten sein können, wird in Bit angegeben. Ein n-Bit-Zeichencode kann 2^n Zeichen darstellen.

Beispiel ASCII-Zeichencode (American Standard Code for Information Interchange): Bei Verwendung dieses weit verbreiten Zeichencodes wird ein 7-Bit-Code zur Darstellung 128 verschiedener Zeichen (2^7 = 128) angewendet.
Binärcode
ASCII-Code
Zugeordnetes Zeichen
1000000
64
@
1000001
65
A
1000010
66
B
1000011
67
C
1000100
68
D
1000101
69
E
1000110
70
F
1000111
71
G
1001000
72
H
Auszug aus der ASCII-Zeichentabelle
Das Hexadezimalsystem
Das Hexadezimalsystem wird in der elektronischen Datenverarbeitung ebenfalls häufig eingesetzt, da es eine kompaktere Darstellung von Binärzahlen ermöglicht und sich Hexadezimalwerte sehr einfach in Binärzahlen umwandeln lassen (und umgekehrt). Hexadezimalwerte werden z.B. bei der Angabe von Farbwerten auf Webseiten oder Speicheradressen verwendet. Das hexadezimale Zahlensystem beruht auf der Basis 16, die Zahlen 0-9 werden wie im Dezimalsystem dargestellt und die Zahlen 10-15 mit den Buchstaben A-F. Um deutlich zu machen, dass es sich um einen Hexadezimalwert handelt, setzt man kleines h dahinter, z.B. Fh für 15.

Für eine einfache Umwandlung von Binär- in Hexadezimalzahlen bildet man Gruppen zu je 4 Bit und berechnet jeweils den Hex-Wert. Die letzte Gruppe wird ggf. mit Nullen aufgefüllt. Beispiel:
Binär1100101011111110

1100
1010
11111110
HexadezimalCAFE

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