Computer

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Hardware

Moderne Digitalcomputer sind unabhängig von ihrer Größe konzeptionell ähnlich. Trotzdem können sie aufgrund der Faktoren Kosten und Leistung in verschiedene Kategorien unterteilt werden: Der Personal Computer (abgekürzt: PC) ist ein verhältnismäßig kostengünstiges Gerät, das auf dem Schreibtisch Platz findet. Mobile PCs werden Laptops genannt und passen in die Aktentasche – die leistungsfähigeren Nachfolger der Laptops sind die Notebooks. Das Besondere der Mitte der achtziger Jahre entwickelten Macintosh-Computer war die in das Betriebssystem integrierte graphische Benutzeroberfläche. Bei der Workstation handelt es sich, wie beim PC und Macintosh-Computer, um einen so genannten Mikrocomputer. Früher hatten die Workstations wesentlich bessere Graphik- und Kommunikationseigenschaften, als die anderen Mikrocomputer. Mit der zum Teil galoppierenden Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Personal- und den Macintosh-Computern verschwimmen jedoch die Grenzen zwischen den Workstations und diesen Computertypen. Alle drei Geräteformen eignen sich besonders für die Arbeit im Büro.

Beim Minicomputer handelt es sich um einen Computer etwa von der Größe einer Waschmaschine, der normalerweise zu teuer für den privaten Einsatz ist. Er fand daher in erster Linie in Betrieben, Schulen oder Laboratorien Verwendung. Im Prinzip ist der Minicomputer eine Maschine, die sich zwischen den Großrechnern und den Mikrocomputern ansiedeln lässt. Zu den Minicomputern zählt man beispielsweise die leistungsfähigen Vax-Stations der Firma Digital Equipment (kurz: DEC), die, um eine noch höhere Leistung zu erreichen, zu so genannten Vax-Clustern kombinierbar sind.

Schließlich gibt es den Großrechner (Mainframe), eine große und teure Anlage, die den Bedürfnissen von größeren Firmen, Behörden und wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen und ähnlichen Institutionen gerecht wird (die größten und schnellsten unter ihnen sind die so genannten Supercomputer). Nachdem sich insbesondere in den achtziger Jahren die Workstations und Mikrocomputer durchsetzten, kamen die Großrechner immer weniger zum Einsatz.

Mitte der neunziger Jahre entwickelte man den so genannten Netzcomputer (abgekürzt: NC). Er sollte insbesondere in Konkurrenz mit den PCs treten. In groben Zügen entsprechen sich beide Gerätetypen. So enthält der NC wie der PC einen Mikroprozessor, Hauptspeicher, eine Graphikkarte, einen Netzwerkanschluss, sowie Anschlüsse für Eingabe- und Ausgabegeräte. Jedoch verfügt der NC als wesentlichen Gegensatz zum PC weder über eine Festplatte noch über Disketten- oder CD-ROM-Laufwerke. Der Netzcomputer bezieht die notwendige Software entweder über ein lokales Netzwerk (LAN) oder über das bis in die neunziger Jahre erheblich weiterentwickelte Internet. Für die Kommunikation zwischen dem Netz und dem Computer entwarf der Softwarehersteller Sun die Programmiersprache Java, die unabhängig von Betriebssystemen (z. B. Windows, DOS, Unix) arbeitet.

Allgemein setzt sich ein Computer (bis auf den erwähnten Netzcomputer), wie eingangs bereits erwähnt, meist aus fünf Hauptelementen zusammen: (1) eine Zentrale Verarbeitungseinheit (Zentraleinheit); (2) Eingabegeräte; (3) Speicher; (4) Ausgabegeräte und (5) ein Kommunikationsnetzwerk, der so genannte Bus, der alle Elemente des Systems verbindet und Anschlüsse zu Geräten außerhalb des Systems anbietet.

4.1

Zentrale Verarbeitungseinheit (CPU)

Die CPU (Central Processing Unit) kann aus einem einzelnen Chip oder einer Reihe von Chips bestehen, die arithmetische und logische Berechnungen sowie die zeitliche Abstimmung und Kontrolle der anderen Elemente des Systems übernehmen. Miniaturisierungs- und Integrationstechniken führten zur Entwicklung des CPU-Chips. Diesen bezeichnet man auch als Mikroprozessor, der außerdem weitere Schaltungen sowie eigene Speichereinheiten enthält. Mikroprozessoren ermöglichten den Bau kleinerer Computer. Außerdem verringert ihr Einsatz den Bedarf an zusätzlichen Schaltungen. Die meisten der heutzutage hergestellten Computer arbeiten mit Mikroprozessoren.

Die meisten CPU-Chips und Mikroprozessoren setzen sich aus vier funktionalen Teilen zusammen: (1) einer arithmetisch-logischen Einheit, (2) Registern, (3) einer Steuerungseinheit und (4) einem internen Bus. Die arithmetisch-logische Einheit verhilft dem Chip zu seinen Rechenfähigkeiten und gestattet arithmetische und logische Operationen. Die Register sind kurzzeitige Speicherbereiche, die Daten sowie Anweisungen vorhalten und die Orte im Speicher sowie Ergebnisse dieser Operationen aufnehmen. Die Steuerungseinheit besitzt drei prinzipielle Aufgaben. Sie übernimmt die zeitliche Abstimmung und Regulierung des gesamten Computersystems, ihr Anweisungsdekodierer liest die Datenmuster der Register und setzt diese Muster in Aktionen wie beispielsweise Addieren oder Vergleichen um. Schließlich bestimmt die Unterbrechungseinheit der Steuerung, in welcher Reihenfolge einzelne Arbeitsschritte die CPU in Anspruch nehmen und wie viel CPU-Zeit sie verbrauchen dürfen.

Die letzte Komponente des CPU-Chips oder Mikroprozessors ist sein interner Bus. Dieses Netz von Kommunikationsleitungen verbindet die internen Elemente miteinander und führt außerdem zu externen Anschlüssen, die den Prozessor mit den übrigen Komponenten des Computers verbinden. Die drei Arten von CPU-Bussen sind (1) ein Steuerbus aus zwei Leitungen, von denen eine Eingabesignale empfängt und die andere Steuersignale aus dem Inneren der CPU erzeugt; (2) der Adressbus, eine unidirektionale Leitung vom Prozessor, die die Orte verwaltet, an denen sich Daten im Speicher befinden; und (3) der Datenbus, eine bidirektionale Übertragungsleitung, die sowohl Daten aus dem Speicher liest, als auch neue Daten in den Speicher schreibt.

4.2

Eingabegeräte

Diese Geräte dienen dem Computeranwender zur Eingabe von Daten, Befehlen und Programmen für die CPU. Das gebräuchlichste Eingabegerät ist die Tastatur. Über die schreibmaschinenähnliche Tastatur eingetippte Daten werden vom Computer in erkennbare Muster übersetzt. Andere Eingabegeräte sind z. B. Lichtgriffel, die graphische Informationen von elektronischen Tabletts in den Computer übertragen, Joysticks und die Maus, die physikalische Bewegung in Bewegungen auf dem Computerbildschirm umsetzt. So genannte Lichtscanner „lesen” die Wörter oder Symbole von einer gedruckten Seite ab und übersetzen sie in elektronische Muster, die der Computer verändern und speichern kann. Wie schon ihr Name andeutet, erkennen Spracherkennungsmodule gesprochene Wörter und wandeln sie in digitale Signale für den Computer um. Speichergeräte lassen sich ebenfalls als Eingabegeräte für die Zentraleinheit einsetzen.

4.3

Speicher

Computer können Daten intern (im Arbeitsspeicher) oder extern (auf Speichermedien) speichern. Interne Anweisungen oder Daten können temporär in RAM-Siliciumchips (RAM: Random Access Memory, wahlfreier Zugriffsspeicher) direkt auf der Hauptplatine des Computers oder auf Speichersteckkarten abgelegt werden. Diese RAM-Chips bestehen aus bis zu einer Million Schaltern, die auf Veränderungen des elektrischen Stromes reagieren. So genannte statische RAM-Chips behalten ihre Daten, solange elektrischer Strom durch die Schaltung fließt. Dynamische RAM-Chips (DRAM) benötigen dagegen in regelmäßigen Intervallen hohe oder niedrige Spannungen (etwa alle zwei Millisekunden), um ihre Informationen nicht zu verlieren.

Eine andere Art von internem Speicher besteht aus Siliciumchips, deren Schalter schon alle eingestellt sind. Die Muster in diesen ROM-Chips (Read-Only Memory: Nur-Lese-Speicher) bilden die Befehle, Daten und Programme, die der Computer für eine korrekte Funktionsweise benötigt. RAM-Chips sind im Prinzip wie Papierseiten, die beschrieben, wieder radiert und neu verwendet werden können. ROM-Chips dagegen sind wie Bücher, bei denen bereits alle Wörter auf den Seiten gedruckt stehen. Sowohl RAM- als auch ROM-Chips sind über Schaltungen mit der CPU verbunden.

Externe Speichermedien, die sich im Computergehäuse befinden können, stehen aber außerhalb der Hauptplatine. Diese Geräte speichern Daten z. B. durch Ladungen auf einem magnetisch reagierenden Medium wie einem Magnetband oder häufiger einer Platte, die mit einer dünnen Schicht metallischer Partikel überzogen ist. Die gebräuchlichsten externen Speichermedien sind die so genannten Disketten und Festplatten – in den meisten großen Computeranlagen (z. B. Großrechner) nutzte man Magnetbandeinheiten. Disketten können mehrere hunderttausend Bytes bis hin zu über einer Million Datenbytes enthalten – je nach verwendetem System. Auf den Festplatten ist die Elektronik zum Auslesen und Schreiben der Daten auf der magnetischen Plattenoberfläche enthalten (Wechselplatten werden mit Laufwerksgehäuse ausgewechselt). Festplatten haben eine Speicherkapazität von mehreren Millionen bis zu einigen Milliarden Bytes. Im Bereich der CD-ROM wird die gleiche Lasertechnik wie bei der Audio-CD verwendet, so dass eine CD Datenmengen bis zu 800 Megabyte aufnehmen kann.

Eine neuere Entwicklung in der Speichertechnik basiert auf der Speicherung in magnetisch ausgerichteten Zellen. Jede einzelne Zelle setzt sich aus zwei magnetischen und einer Zwischenschicht zusammen, wobei die Schichten extrem dünn sind – nur wenige Nanometer.

4.4

Ausgabegeräte

Diese Geräte setzen den Anwender in die Lage, die Ergebnisse der Computerberechnungen oder Datenverarbeitung anzusehen. Das häufigste Ausgabegerät ist der Bildschirm, der Zeichen und Graphiken wie auf einem Fernsehschirm anzeigt. Der klassische Bildschirm enthält wie ein Fernseher eine Kathodenstrahlröhre. Kleine, tragbare Computer sind heutzutage allerdings mit Flüssigkristallanzeigen (LCD: Liquid Crystal Displays) oder elektronischen Leuchtschirmen ausgerüstet. Andere Standardausgabegeräte stellen beispielsweise Drucker und Modems dar. Ein Modem verbindet zwei oder mehr Computer durch die Übersetzung von digitalen in analoge Signale zur Übertragung von Daten über Telekommunikationsleitungen.