Computer

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Einleitung

Computer, elektronisch arbeitende Maschine, mit der sich verschiedene Arten von Daten verarbeiten lassen.

Computer können Befehlssätze oder Programme entgegennehmen und die in den Programmen enthaltenen Befehle ausführen. Dazu nimmt der Computer Berechnungen numerischer Daten oder eine Auswertung und Verarbeitung von Informationen vor. Die wesentlichen Grundelemente, die einen Computer ausmachen, sind die Eingabeeinheit (z. B. Tastatur), eine Vorrichtung zur Verarbeitung der Daten (z. B. Mikroprozessor), eine oder mehrere Ausgabeeinheiten (z. B. Bildschirm, Drucker) sowie ein Speicherelement (z. B. Festplatte). Diese Bausteine, den Computer inbegriffen, fasst man auch unter dem Begriff Hardware zusammen. Im Gegensatz dazu steht die so genannte Software, die alle möglichen Arten von Programmen beinhaltet.

Die moderne Welt der Hochtechnologie ist ohne die Entwicklung des Computers kaum noch vorstellbar. Computer verschiedener Typen und Größen finden im Bereich der Speicherung und Verarbeitung von Daten weite Verbreitung in der Gesellschaft, angefangen von beispielsweise geheimen Regierungsdaten, über Transaktionen der Banken bis hin zu privaten Haushaltskonten. Computer haben durch die Techniken der Automation ein neues Zeitalter der Fabrikation eröffnet und moderne Kommunikationssysteme erheblich verbessert. Sie sind grundlegende Hilfsmittel in fast jedem Gebiet der Forschung und angewandten Technik, wie z. B. für die Aufstellung von Modellen, die man für Wettervorhersagen benutzt. Datenbankanbieter und Computernetzwerke offerieren eine große Auswahl von Informationsquellen.

In Deutschland hat sich die Zahl der PC-Besitzer in dem Zeitraum 1993 bis 1998 von 8,3 Millionen (1993) auf nahezu 16,8 Millionen (1998) etwas mehr als verdoppelt.

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Computertypen

Computer lassen sich in zwei Haupttypen einteilen: in analoge und in digitale Computer. Meistens ist jedoch mit dem Begriff Computer der digitale Typ gemeint. Der Unterschied zwischen einem analogen oder digitalen Computer liegt in der Verarbeitungsweise der Daten. Bei Analogcomputern wird die zu verarbeitende Originalgröße beispielsweise entsprechend ihrer jeweiligen Werte in physikalische Größen, wie elektrische Ströme oder Spannungen, umgesetzt. Im Gegensatz dazu rechnen die Verarbeitungseinheiten von Digitalcomputern die Originalgröße vor der eigentlichen Bearbeitung in Folgen von Binärzahlen um. Der Vorteil bei dieser Vorgehensweise: Um manche Ausgangsgrößen originalgetreu zu behandeln und wiederzugeben, benötigt man häufig nur einen gewissen Bruchteil von digitalen Daten, also nicht die komplette Anzahl. Dadurch gewinnt man gegenüber der analogen Verarbeitung eine gewisse Zeitersparnis und benötigt außerdem auch weniger Speicherkapazität.

Computeranlagen, die sowohl digitale als auch analoge Komponenten enthalten, werden Hybridcomputer genannt. Sie kommen meist für Probleme mit einer hohen Anzahl komplexer Gleichungen – wie bei Zeitintegralen – zum Einsatz. Daten in analoger Form können mit einem Analog-Digital-Wandler auch Digitalcomputern zugänglich gemacht werden. Ebenso dienen Digital-Analog-Wandler für den umgekehrten Vorgang.

2.1

Analogcomputer

Ein Analogcomputer ist im Prinzip ein Rechenautomat, bei dem die einzelnen Rechenschritte durch analog verlaufende physikalische Prozesse dargestellt werden. Heutzutage realisiert man diese Prozesse durch elektronische Bauteile. Früher verwendete man auch mechanische, pneumatische oder auch elektromechanische Elemente. Ein typischer elektromechanischer Analogcomputer wandelt z. B. Eingaben in Spannungen um, die mit speziellen Schaltelementen addiert oder multipliziert werden. Die resultierenden Ergebnisse werden in einem fortlaufenden Prozess erzeugt und an einen Bildschirm weitergeleitet. Für andere Zwecke lassen sich diese Ergebnisse auch in eine andere Form umwandeln.

2.2

Digitalcomputer

Alle Handlungen, die ein Digitalcomputer vornimmt, basieren im Prinzip auf einer Grundoperation: der Fähigkeit zu erkennen, ob ein Schalter bzw. ein „Gatter” geöffnet oder geschlossen ist. Ein Computer kann also nur zwei Zustände in seinen mikroskopisch kleinen Schaltungen erkennen: an oder aus, hohe oder niedrige Spannung bzw. die Zahlen 0 oder 1. Die Geschwindigkeit, mit der ein Computer diesen einfachen Akt bewältigt, macht ihn jedoch zu einem Wunderwerk der modernen Technologie. Computergeschwindigkeiten werden in Megahertz gemessen, also in Millionen Zustandsänderungen (Takten) pro Sekunde. Ein Computer mit einer „Taktrate” von 100 Megahertz – einer typischen Geschwindigkeit für Mikrocomputer – ist in der Lage, hundert Millionen einzelne Arbeitsschritte in jeder Sekunde durchzuführen. Normale Mikrocomputer erreichen 66 bis 200 Millionen Operationen pro Sekunde, während Supercomputer in der Forschung Geschwindigkeiten von Milliarden Zustandsänderungen in der Sekunde erreichen.

Die Geschwindigkeit und Rechenleistung eines Digitalcomputers wird natürlich durch den Umfang der Daten beeinflusst, der in einem Takt bearbeitet werden kann. Mit einem Schalter kann man nur zwei Befehle oder Zahlen wiedergeben: AN würde eine Instruktion oder Zahl symbolisieren und AUS die andere. Durch die Zusammenfassung ganzer Gruppen von Schaltern, die als gesamte Einheiten geprüft werden können, lässt sich die Anzahl der Operationen steigern, die in jedem Takt erkannt werden können. Wenn ein Computer beispielsweise zwei Schalter gleichzeitig ausliest, kann er vier Zahlen (0 bis 3) darstellen oder einen von vier Befehlen in jedem Takt ausführen: AUS-AUS (0), AUS-EIN (1), EIN-AUS (2) oder EIN-EIN (3).