Grundlagen der Informatik

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1 Lerneinheit 1: Begriffe und Grundlagen 0 Grundlagen der Informatik Sie stehen in einem Computerladen vor einem nahezu unüberblickbaren Angebot. Für welches Gerät sollen Sie sich entscheiden? Was bedeuten Begriffe wie Megabyte, Gigabyte, Taktfrequenz, Mikroprozessor, RAM, DVD, Firewire oder USB? In diesem Kapitel erläutern wir wichtige Begriffe der Informatik. Sie sehen sich an, wie ein Computer arbeitet, aus welchen Bestandteilen er sich zusammensetzt und wie Sie mit Bit und Byte rechnen können. Nach dem Durcharbeiten dieses Kapitels kennen Sie die wichtigsten Bezeichnungen rund um das Thema Hardware und Sie werden die Begriffe auf den technischen Datenblättern im Computergeschäft verstehen. 0 Grundlagen der Informatik In diesem Kapitel beschäftigen Sie sich mit den Datenverarbeitungsprozessen, den Begriffen Orgware, Hardware und Software, Bit und Byte sowie dem binären und hexadezimalen Zahlensystem, den Zeichencodierungen ASCII, ISO-Latin und Unicode, den Vorsilben Kilo, Mega, Giga und Tera für Maßeinheiten sowie den Bestandteilen eines PCs und deren Funktionen. Lerneinheit 1: Begriffe und Grundlagen Lerneinheit 2: Personal Computer Lernen Computertechnik heute Datenverarbeitungsprozesse Verarbeitungsschichten Bit und Byte Zahlensysteme Zeichencodierung Vorsilben für Maßeinheiten Expertenwissen: Binärpräfixe Lerneinheit 3: Anschaffungsplanung Lernen Preis- versus Kostenvergleich Entscheidungsmatrix Total Costs of Ownership Expertenwissen: Return on Investment 50 4 Ausschreibungen Lernen Arten von Computersystemen Bestandteile eines PCs Mainboard und Prozessor Expertenwissen: Aufbau eines Mikroprozessors Speicher Datenbus und Grafikkarte Expertenwissen: Grafikschnittstellen Schnittstellen Expertenwissen: USB und Firewire Massenspeicher Expertenwissen: Hochauflösendes Fernsehen Ausgabegeräte Informieren Sie sich mit dem ergänzenden Material im SbX, trainieren Sie mit Online-Übungen und wenden Sie Ihr an! Achtung! In diesem Kapitel teile ich mein Expertenwissen mit besonders Interessierten! Ms. Check Mr. Expert Angewandte Informatik HTL 1

2 Lernen Lerneinheit 1 Begriffe und Grundlagen Alle SbX-Inhalte zu dieser Lerneinheit finden Sie unter der ID: In dieser Lerneinheit erarbeiten Sie grundlegende Begriffe rund um die Computertechnik und Sie erfahren, wie ein Computer intern arbeitet. Mithilfe verschiedener Größenordnungsbegriffe können Sie Speichervolumen umrechnen und damit z. B. die technischen Angaben in Prospekten vergleichen. Lernen Ü ID: 1011 Eine Bildschirmpräsentation mit allen Abbildungen zum Schritt LERNEN finden Sie unter der ID: Computertechnik heute Der Computer als zentrales Multimediagerät Fotos und Videofilme werden am Notebook oder PC bearbeitet, über das Handy, Wireless-LAN oder das Internet an andere Benutzer versendet, um schließlich am Fernseher in hochauflösender Qualität betrachtet zu werden: Herzlich willkommen in der multimedialen Welt! Die Formen der Vernetzung von PC und Unterhaltungselektronik, Internet-Telefonie (Voice-over-IP) und Foto-/Videobearbeitung sind zentrale Multimedia-Anwendungen. Personal Computer PDA Video Foto HDTV WLAN Die Intel ViiV-Technologie (gesprochen Weif ) integriert sämtliche Services für den Wohnzimmer-PC. Notebook Handy Internet Der PC als zentrales Multimediagerät Elemente von Multimedia Sony Vaio VA Mediacenter-PC Wireless-LAN (WLAN) ist ein Funknetzwerk. 1 Der Personal Computer (PC) ist das zentrale Gerät. Der PC dient als Bearbeitungsinstrument und Datenspeicher. Er steht im Zentrum des Multimediazeitalters. Wir können einen mit unserer Digitalkamera aufgenommenen Film bearbeiten und auf eine DVD speichern, eine MP3-Datei aus dem Internet herunterladen, über das Internet telefonieren, mit Freunden spielen und am PC fernsehen. 2 Netzwerke verbinden Geräte und Benutzer. Wie kommunizieren unsere Geräte zu Hause miteinander? Der einfachste Weg ist Wireless- LAN (WLAN). Das Mediacenter im Wohnzimmer lädt z. B. einen Film von der Festplatte des Büro-PCs, der Personal Digital Assistant (PDA) synchronisiert die Termine mit Outlook, mit dem Handy surfen wir im Internet und bestellen uns eine Pizza. Das Internet stellt die Verbindung zur Außenwelt her. Es ist die Schlüsseltechnologie für die weltweite Vernetzung. 2 Angewandte Informatik HTL

3 Lerneinheit 1: Begriffe und Grundlagen Ein Peripheriegerät ist ein Zusatzgerät zum PC. 3 Multimediale Peripheriegeräte bieten ungeahnte Möglichkeiten. Digitale Fotografie und Digital Video ermöglichen die Nachbearbeitung von Fotos und Videos durch den Benutzer. Optische Datenträger (CD, DVD, HD-DVD, Blu-ray) sind leistungsfähige Speichermedien. In den letzten Jahren wurden die analogen Technologien (wie Schallplatte, Tonbandkassette, VHS) durch digitale abgelöst (CD, MP3, DVD). 0 Grundlagen der Informatik Mr. What und Ms. Check Gordon E. Moore gründete 1968 gemeinsam mit Andy Grove und Robert Noyce die Firma Intel. Warum ist der PC heute auch im Bereich der Unterhaltungselektronik das Die Digitalisierung von Bildern (Digitalkamera), Musik zentrale Gerät? (CD, MP3) und Film (DVD, HD-DVD, Blu-ray) erlaubt die Veränderung von Inhalten durch den Konsumenten mittels Home-Computer. Der PC dient als Zentrale für alle multimedialen Anwendungen und öffnet überdies das Tor ins Internet. Welche Trends lassen sich für die nächsten Jahre erkennen? Viele Hollywood-Filme haben schon vor Jahren Trends vorgegeben (z. B. Flachbildschirme oder Mobilkommunikation), die heute zum Alltag gehören. Diese Entwicklungen werden sich fortsetzen. Starre Bilder auf Plakaten werden z. B. durch bewegte Bilder oder holografische 3D-Projektionen ersetzt werden. Welche Rolle wird der Computer in den nächsten Jahren spielen? das Navigationssystem im Auto, die Spielkonsole im Handy oder den Computertechnologie ist schon heute allgegenwärtig. Denken wir an digitalen Satellitenreceiver und den DVD-Rekorder im Wohnzimmer. Ein Handy um ein paar Euro bietet deutlich mehr Rechenleistung als die Computersysteme der Saturn-5-Mondrakete aus dem Jahr Das Moor'sche Gesetz aus dem Jahr 1965 besagt, dass sich die Leistungsfähigkeit der Mikroprozessoren alle 24 Monate verdoppelt. Tatsächlich konnte diese Entwicklung in den letzten Jahrzehnten beobachtet werden. Clayton M. Christensen ist Professor an der Harvard Business School. Erhaltende und ablösende Technologien 1997 erforschte Clayton Christensen die Auswirkungen von Innovationen auf den Markt und veröffentlichte seine Forschungsergebnisse unter dem Titel The Innovator's Dilemma. Danach vollziehen sich technologische Innovationen in Form von erhaltenden Technologien, welche die Marktposition verbessern (z. B. Fotohandy), und in Form von ablösenden Technologien, die etablierte Produkte verdrängen (z. B. Schallplatte CD MP3). L 0.1: Ablösung der VHS-Videokassette durch die DVD Den Unterschied zwischen erhaltender und ablösender Technologie können Sie am Beispiel der VHS-Videokassette leicht erkennen. Um die VHS-Videokassette länger am Markt zu halten, wurde durch Super-VHS eine Verbesserung der Qualität erreicht. Die DVD löste schließlich die Videokassette ab und verdrängte sie mit der Zeit vollständig vom Markt. Ü 0.1: Erhaltende und ablösende Technologien Überlegen Sie sich weitere Beispiele für erhaltende und ablösende Technologien! Frau Hauer bearbeitet einen selbst gedrehten Urlaubsfilm mit einem Videoschnittprogramm am PC und brennt ihn auf eine DVD. Das Ergebnis zeigt sie ihren Freundinnen und Freunden. Sehen Sie sich Schritt für Schritt an, wie sie bei der Bearbeitung des Videos vorgeht. Angewandte Informatik HTL 3

4 Lernen 2 Datenverarbeitungsprozesse Die Verarbeitung von Daten am Computer Frau Hauer hat mit einer Kamera ein Video aufgenommen. Dieser Prozess wird als Eingabe (Input) bezeichnet. Das Bearbeiten der Videodaten am PC bezeichnen wir als Verarbeitung (Processing). Das Speichern (Storage) des fertigen Videos auf eine DVD ermöglicht dessen spätere Verwendung. Im letzten Schritt präsentiert Frau Hauer das fertige Video ihren Freundinnen und Freunden. Die Ausgabe (Output) der Videodaten erfolgt auf einem Computermonitor oder Fernseher. Mr. What und Ms. Check Wie funktioniert der Datenverarbeitungsprozess beim Schreiben einer ? Nachricht schreiben (Input) Senden-Knopf anklicken (Processing) Versenden über das Internet (Output) Speichern der im Postausgang (Hilfsprozess) EVA = Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe Datenverarbeitungsprozesse können wir also in vier Teilprozesse zerlegen. Die Kernprozesse sind Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe. Die Datenspeicherung unterstützt die Verarbeitung als Hilfsprozess. Input Processing Output Storage Datenverarbeitungsprozesse Die Teilprozesse der Datenverarbeitung Die Datenverarbeitungsprozesse finden bei jedem elektronischen Gerät Anwendung, das über einen Mikroprozessor verfügt, z. B. PC, Mobiltelefon und Navigationssystem. 1 Input (Eingabe) Die Eingabe von Daten in ein Datenverarbeitungssystem kann z. B. über die Tastatur, die Maus, den Scanner, den Fotoapparat oder die Videokamera erfolgen. 2 Processing (Verarbeitung) In diesem Schritt werden die eingegebenen Daten verarbeitet, indem z. B. Bilder nachbearbeitet, Videos geschnitten, Dokumente oder Kundendaten aktualisiert werden. 3 Output (Ausgabe) Das Ergebnis der Bearbeitung wird z. B. am Monitor oder Drucker ausgegeben. 4 Storage (Datenspeicherung) Damit die bearbeiteten Daten nicht verlorengehen, werden diese z. B. auf einer Festplatte, CD, DVD, MemoryCard oder einem USB-Stick gespeichert. Multimediageräte, wie PC, Videokamera, Fernseher und Handy, sind komplex in ihrem Aufbau. Daher unterscheiden wir bei der Entwicklung und Benutzung solcher Geräte drei Schichten. 4 Angewandte Informatik HTL

5 Lerneinheit 1: Begriffe und Grundlagen Der Begriff Orgware bezeichnet Organisationstools wie Diagramme und Benutzerhandbücher. 3 Verarbeitungsschichten Hardware, Software und Daten Anhand des Videofilms von Frau Hauer haben wir gesehen, dass bei der Datenverarbeitung verschiedene Teilprozesse unterschieden werden können. Nun überlegen wir uns, aus welchen Schichten Datenverarbeitungsgeräte bestehen und wie wir diese Schichten sinnvoll unterscheiden können. Für das organisierte Vorgehen bei der Planung von Hard- und Software werden Tools benutzt. Solche organisatorischen Tools bezeichnen wir als Orgware. 0 Grundlagen der Informatik Hardware Software Daten Begriffe Hardware, Software, Daten Zur Software zählen Betriebssysteme, Programme und deren Daten. Hardware, Software und Daten 1 Als Hardware bezeichnen wir alle Geräte, aus denen ein Computersystem besteht. Zur Hardware zählen z. B. Zentraleinheit, Tastatur, Maus, Monitor, Drucker und Scanner, aber auch CD, DVD oder USB-Stick. 2 Als Software bezeichnen wir Programme und ihre Bestandteile. Software im engeren Sinn sind Programme wie das Betriebssystem, die Textverarbeitung, die Tabellenkalkulation, die Datenbank oder das Videoschnittprogramm. Im weiteren Sinn zählen auch die Daten zur Software. 3 Daten sind das Ergebnis des Verarbeitungsprozesses. Um Daten zu produzieren, verwenden wir Programme. Wenn wir mit unserem Videoschnittprogramm ein Video bearbeitet haben, erhalten wir als Ergebnis einen Videofilm. Dieser gehört zur Datenschicht. Briefe, Rechnungen, erfasste Kunden oder Musik sind Daten, die ohne ein Programm nicht nutzbar wären. Ein Programm (Software) ist Voraussetzung, um Daten nutzen zu können. Die Software benötigt Hardware, um laufen zu können. Daten werden auf Speichermedien (z. B. CD, DVD, Festplatte, USB-Stick, Flash-Speicherkarten) abgelegt. Mr. What und Ms. Check Welche Hard- und Software verwenden wir in der Schule? Als Hardware verwenden wir einen PC mit Tastatur, Maus und Drucker, als Software das Betriebssystem und Anwenderprogramme. Welche Formen von Daten gibt es? Wir unterscheiden Konfigurations-, Stamm- und Bewegungsdaten. Angewandte Informatik HTL 5

6 Lernen 4 Bit und Byte So arbeitet ein Computer Eine Linkliste zu den Begriffen und Grundlagen der Informatik finden Sie unter der ID: Ein Computer arbeitet mit Binärzahlen, den Bits 1 und 0. 1 Byte = 8 Bit In den 1980er-Jahren war die kleinste Informationseinheit eines Computers, das Bit, als Robot im Disneyfilm Tron zu sehen. Das Bit unterstützte den Hauptdarsteller Kevin Flynn (Jeff Bridges) bei der actionreichen Navigation durch die digitale Welt eines Computers. Informationseinheiten 1 Ein Bit ist die kleinste vorstellbare Informationseinheit und unterscheidet True und False (1 und 0). Mit einem Bit können wir z. B. darstellen, ob es regnet oder nicht. Oder wir können speichern, ob jemand verheiratet ist oder nicht. Kombinieren wir mehrere Bit, können wir eine größere Anzahl unterschiedlicher Informationen speichern. 2 Ein Byte besteht aus 8 Bit. Damit ergeben sich 256 mögliche Werte, welche mit einem Byte dargestellt werden können. Kombinieren wir 8 Bit, so ergeben sich daraus 2 hoch 8 oder 256 darstellbare Werte. Im Dezimalsystem gibt es 10 Ziffern (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9). Die Basis für das Dezimalsystem ist daher 10. Im Binärsystem gibt es nur 2 Ziffern (0 und 1). Die Basis ist 2. Im Dezimalsystem kann mit 4 Stellen ein Zahlenwert zwischen 0 und 9999 dargestellt werden. Das ergibt mögliche Zahlenkombinationen. Die Anzahl der möglichen Kombinationen wird mit der Formel Basis Stellenanzahl berechnet, z. B = Die Formel gilt auch für das Binärsystem. L 0.2: Bit kombinieren Wie viele mögliche Kombinationen können mit 3 Bit dargestellt werden? 2 3 = 8, folgende Kombinationen sind möglich: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Ü 0.2: Bitkombinationen Wie viele Kombinationen sind mit a) 8, b) 16, c) 24 und d) 32 Bit darstellbar? Sie wissen nun, dass Computer nur mit Binärzahlen, also Kombinationen aus Bit, rechnen können. Doch wie rechnen wir eine Binärzahl in eine Dezimalzahl um? Dez 0 Bin 000 Dez 1 Bin 001 Dez 2 Bin 010 Dez 3 Bin 011 Dez 4 Bin 100 Dez 5 Bin 101 Dez 6 Bin 110 Dez 7 Bin 111 L 0.3: Umwandlung einer Binärzahl in eine Dezimalzahl Jede Stelle einer Binärzahl entspricht einer Zweierpotenz. In der Abbildung sehen Sie die Zweierpotenzen rechts beginnend mit 2 0, dann 2 1 usw. bis 2 7. Die Dezimalzahl erhalten Sie, indem Sie jene Zweierpotenzen addieren, an deren Stelle in der Binärzahl eine 1 steht. In unserem Beispiel sind dies die folgenden Zweierpotenzen: = = Ein Beispiel für die Anwendung von Binärzahlenberechnungen ist die Programmierung von digitalen Modelleisenbahnen Angewandte Informatik HTL

7 Lerneinheit 1: Begriffe und Grundlagen Mr. What und Ms. Check Welche Dezimalzahl wird mit der Binärzahl dargestellt? = Grundlagen der Informatik Ü 0.3: Binärzahlen in Dezimalzahlen umwandeln Wandeln Sie die Binärzahlen a) , b) und c) in Dezimalzahlen um! 5 Zahlensysteme Menschen, Computer und ihre Art zu rechnen 1 Hexziffer = 1 Nibble = 4 Bit Hex A Dez 10 Hex B Dez 11 Hex C Dez 12 Hex D Dez 13 Hex E Dez 14 Hex F Dez 15 Das für uns Menschen gebräuchliche Dezimalsystem mit den Ziffern 0 bis 9 ist für einen Computer nicht direkt verwendbar. Wie wir schon gesehen haben, benutzen Computer zur Verarbeitung und Speicherung von Werten binäre Zahlen, bestehend aus den Ziffern 0 und 1. Es wäre jedoch sehr unpraktisch, wenn wir eine Zahl z. B. als eingeben müssten. Die Umrechnung von Binär- in Dezimalzahlen ist aber auf den ersten Blick schwer durchschaubar. Hexadezimales Zahlensystem Zur Darstellung von Zahlen wird häufig das hexadezimale Zahlensystem verwendet. Dabei werden jeweils 4 Bit zu einer Hexziffer zusammengefasst. Eine solche Ziffer kann 16 verschiedene Werte annehmen: die Ziffern 0 bis 9 sowie die Buchstaben A bis F (für dezimal 10 bis 15). Die Gruppierung in Nibbles (4-Bit-Gruppen) erfolgt von rechts nach links. Jede Hexadezimalziffer kann mit 4 Bit (Nibbles) dargestellt werden. Daher ist die Umwandlung vom Binär- in das Hexadezimalsystem wesentlich einfacher als vom Binär- in das Dezimalsystem. L 0.4: Umwandlung einer Binärzahl in eine Hexadezimalzahl C 6 Hex C6 a) Welcher Hexadezimalzahl entspricht die Binärzahl ? Die Abbildung zeigt die Umrechnung der Binärzahl in die Hexadezimalzahl C6, indem jeweils 4 Bit (rechts beginnend) gruppiert und anschließend in eine Dezimalzahl umgerechnet werden. Bin 1100 Dez = 12 Hex C Bin 0110 Dez = 6 Hex 6 Bin = Hex C6 b) Welcher Binärzahl entspricht ACE4 hex? Hex A Dez 10 = Bin 1010 Hex C Dez 12 = Bin 1100 Hex E Dez 14 = Bin 1110 Hex 4 Dez 4 Bin 0100 Hex ACE4 = Bin Ü 0.4: Binärzahlen in Hexadezimalzahlen umwandeln Wandeln Sie die Binärzahlen a) , b) und c) in Hexadezimalzahlen um! Ü 0.5: Hexadezimalzahlen in Binärzahlen umwandeln Wandeln Sie die Hexadezimalzahlen a) FEE, b) CAFE und c) AFFE in Binärzahlen um! Ein Beispiel für die Verwendung von Hexadezimalzahlen ist die Darstellung des Zeichencodes von Windows-Schriftarten, wie z. B. Arial und Times New Roman. Angewandte Informatik HTL 7

8 Lernen 6 Zeichencodierung So kann ein Computer Buchstaben und Zahlen darstellen Ein Computer bedient sich einer Codierung, also eines Systems von Zeichen, die mit mehreren Bit dargestellt werden kann. Die Codierung wird auch Zeichensatz genannt und repräsentiert für jede Binärzahl ein Zeichen. Welche wichtigen Zeichensätze für einen PC gibt es? ASCII, ISO-Latin und Unicode ASCII = American Standard Code for Information Interchange Die ANSI (= amerikanische Normungsorganisation) hat 1968 den ASCII-Zeichencode genormt, weshalb häufig auch der Begriff ANSI- anstelle von ASCII-Code verwendet wird. UTF-7 ist kompatibel zu ASCII. 1 ASCII verwendet 7 Bit zur Zeichendarstellung und hat demnach einen Umfang von 128 darstellbaren Zeichen (2 hoch 7). So hat der Buchstabe A den Code 65, B den Code 66, C den Code 67 usw. Mit ASCII sind deutsche Sonderzeichen wie Ä, Ö und Ü nicht darstellbar. Daher wird dieser Zeichensatz heute kaum mehr eingesetzt. Er bildet aber die Basis für andere Zeichencodierungen. 2 ISO-Latin-1 verwendet 8 Bit zur Zeichendarstellung. Er baut auf dem ASCII-Code auf und ergänzt ihn um die wichtigsten sprachspezifischen Sonderzeichen. ISO-Latin-1 (ISO/IEC ) enthält alle Sonderzeichen der gängigsten Sprachen wie Deutsch, Französisch, Spanisch, Portugiesisch, Dänisch, Finnisch etc. Dieser Zeichensatz wurde früher in Microsoft Windows verwendet, jedoch mittlerweile durch Unicode abgelöst. 3 Unicode verwendet 16 Bit (UCS-2) bzw. 32 Bit (UCS-4) zur Zeichendarstellung und ist ein internationaler Standard, der alle bekannten Schriftzeichen beinhaltet. Die Speicherung und Übertragung von Unicode-Zeichen erfolgt im UTF (Unicode Transformation Format). UTF-8 (z. B. Internet, Linux, NTFS-Dateisystem in Windows) bzw. UTF-16 (z. B. Microsoft.NET) sind heute die gängigsten Zeichensatz-Formate. Die Windows- Zeichentabelle stellt alle Zeichen einer Truetype-Schrift mit ihrem Unicode-Wert dar. Andere Schriften, wie z. B. Courier, enthalten 8-Bit-Zeichensätze. Font bedeutet Schriftart. Das ausgewählte Zeichen Alpha wird mit seinem Hexadezimalwert dargestellt. L 0.5: Zeichencodierung in MS Windows Windows-Zeichentabelle mit einem Unicode-Zeichen Welche Form der Zeichencodierung verwendet eigentlich MS Windows? MS Windows verwendet den Unicode-Zeichensatz. Wenn wir die Zeichentabelle unter Start Alle Programme Zubehör Systemprogramme aufrufen, wird das nebenstehende Fenster angezeigt. In der Statuszeile erkennen wir die Form der Zeichencodierung: für das Alpha Unicode 03B1. Aber nicht alle Schriftarten verwenden Unicode. Die Schriften Courier und System verwenden z. B. nur 8 Bit zur Darstellung. Sie müssen den Windows-7-Rechner im Menü Ansicht auf Programmierung umstellen! Ü 0.6: Unicode Welchen Unicode haben die Zeichen a) Ü, b) &, c) # und d) (Pfund)? Geben Sie die Zeichencodes als Hexadezimalzahlen und als Dezimalzahlen an und verwenden Sie zum Umrechnen den Windows-Rechner! Um mehrstellige Zahlen besser lesen zu können, werden diese durch Vorsilben für Maßeinheiten, wie z. B. Kilo, Mega, Giga oder Tera, ergänzt. 8 Angewandte Informatik HTL

9 Lerneinheit 1: Begriffe und Grundlagen Die Präfixe (Vorsilben) Kilo, Mega, Giga, Tera, Peta und Exa entstammen dem SI-System der IEC: 7 Vorsilben für Maßeinheiten Kilo, Mega, Giga, Tera, Peta, Exa Wenn Sie Bit oder Byte in großer Zahl kombinieren, z. B. wenn Sie große Datenmengen speichern, wäre es unpraktisch zu schreiben, dass der Umfang der Daten 5,3 Millionen Byte beträgt. Kürzer und verständlicher ist 5,3 Megabyte. Die Vorsilben, z. B. Kilo, Mega oder Giga, entstammen dem SI-System. Darin sind weltweit die gültigen Vorsilben festgelegt, die wir auch im täglichen Leben verwenden. Beispiele dafür sind Kilogramm, Megawatt oder Gigahertz. Die Vorsilben Kilo, Mega, Giga, Tera, Peta und Exa werden auch für die Größenordnungen von Bit und Byte verwendet. 0 Grundlagen der Informatik Das Präfix k steht für Kilo und wird klein geschrieben. Ein großes K bedeutet Kelvin. Ein großes M wird als Abkürzung für Mega verwendet. Ein kleines m bedeutet milli. Weitere bekannte Abkürzungen sind z. B. g (Gramm) und t (Tonnen). Giga und Tera werden mit Großbuchstaben abgekürzt. Vorsilbe Abkürzung Potenz Zahl Kilo k 10 3 Tausend Mega M 10 6 Million Giga G 10 9 Milliarde Tera T Billion Peta P Billiarde Exa E Trillion Diese Vorsilben (Präfixe) können sowohl für Byte als auch für Bit in gleicher Weise benutzt werden. Kilobyte wird z. B. mit kbyte oder kb abgekürzt. Üblicherweise werden Byte mit Groß- und Bit mit Kleinbuchstaben dargestellt. Die Abkürzung für Kilobit ist demnach kb. Wie in der Physik ist der Umrechnungsfaktor zwischen den einzelnen Größen 1000 (10 3 ). Die Abkürzung für Bit ist ein kleines b. L 0.6: Speichergrößen Rechnen Sie die folgenden Speichergrößen in Byte um! Speichergröße Byte Umrechnung 1 kb MB GB TB kb : 8 1 Mb : 8 Hinweis: 1 kb = 1000 Bit : 8 = 125 Byte, 1 Mb = Bit : 8 = Byte = 125 kb Die folgende Abbildung veranschaulicht die Größeneinheiten am Beispiel von Textdaten. 1 Byte = 1 Zeichen 1 Kilobyte = 1 Seite 1 Megabyte = 1 Buch 1 Gigabyte = 1 Bibliothek 1 Terabyte = Das Weltwissen Angewandte Informatik HTL 9

10 Lernen Expertenwissen für besonders Interessierte Der Umrechnungsfaktor für Binärpräfixe beträgt Eine Linkliste zu den Begriffen und Grundlagen der Informatik finden Sie unter der ID: KibiByte = Kilobinary- Byte Achtung! Expertenwissen: Binärpräfixe Wie Sie bereits erfahren haben, spielt das binäre Zahlensystem mit seinen Zweierpotenzen in der Informatik eine große Rolle. Dieser Umstand führte in der Vergangenheit häufig zu Missverständnissen im Zusammenhang mit den SI-Vorsilben, da z. B. die Vorsilbe Kilo einmal für 1000, ein anderes Mal für 1024 (2 10 ) verwendet wurde. Daher wurden im Jahr 1999 die Binärpräfixe mit der Norm IEC weltweit geregelt und in das SI-System übernommen. Vorsilbe Abkürzung Potenz Zahl Kibi Ki Mebi Mi Gibi Gi Tebi Ti Pebi Pi Exbi Ei Der Unterschied zwischen Kilo und Kibi ist die Zahl, der die Vorsilbe entspricht: Kilo = 1000, Kibi = Je nachdem, welche Einheit verwendet wird, wird unterschiedlich gerechnet, z. B. 1 KiB = 1024 Byte, 1 kb = 1000 Byte. L 0.7: Gigabyte versus Gibibyte Wie viele Byte sind 45 GB bzw. 45 GiB? 45 GB 10 9 = Byte 45 GiB 2 30 = Byte Ü 0.7: Binärpräfixe a) In einem Verkaufsprospekt eines PCs ist die Größe der Festplatte mit 1 TB angegeben. Geben Sie die Größe der Festplatte in GiB an! b) Die Speicherkapazität einer DVD beträgt 4,7 GB, jene einer CD 700 MiB. Geben Sie die Größe beider Speichermedien in MB an! L 0.8: Nettokapazitäten von Speichermedien Wie viele Byte passen auf ein USB-Gerät? Rechnen Sie die Speicherkapazität eines USB-Sticks von 8 GB in GiB um! 8 GB : 1024 : 1024 : 1024 = 7,45 GiB Rechnen Sie die Speicherkapazität einer externen Festplatte von 2 TB in TiB um! USB-Stick 2 TB : = 1,82 TiB Wie groß sind die Unterschiede zwischen Brutto- und Nettokapazitäten in Prozent? 8 GB USB-Stick: 7,45 : 8 = 93,13 % 2 TB Festplatte: 1,82 : 2 = 91 % Je größer die Maßeinheit ist, desto größer ist der Unterschied zwischen Brutto- und Nettokapazität. Speicherkapazitäten optischer Datenträger: CD: 700 MiB DVD: 4,7 GB Die Nichtbeachtung der Unterschiede zwischen den Binärpräfixen und den herkömmlichen SI- Präfixen kann zu verwirrenden Informationen über die Größe eines Speichermediums führen. Die Speicherkapazität einer CD beträgt z. B. 700 MiB, jene der DVD 4,7 GB, das sind aber nur 4482 MiB. Tatsächlich wird in der Praxis die Größe einer CD sehr häufig mit 700 MB angegeben, was streng genommen falsch ist. 10 Angewandte Informatik HTL

11 Lerneinheit 1: Begriffe und Grundlagen Ms. Check und Mr. Expert Eine CD fasst 700 MiB. Wie viele MB sind das? = = Byte = 734 MB 0 Grundlagen der Informatik Brutto- und Nettokapazität unterscheiden sich aus verkaufstechnischen Gründen. Festplatte Das Lehrbeispiel L 0.8 zeigt Ihnen, dass bei der Umrechnung von Vorsilben nicht immer der Faktor 1024 verwendet wird. Es werden zahlreiche Produkte angeboten, deren angegebene Speicherkapazität (Bruttokapazität) deutlich über der Nettokapazität liegt. Warum ist das so? Festplattenhersteller geben aus verkaufstechnischen Gründen möglichst hohe Kapazitäten für ihre Laufwerke an. Eine 1-TB-Festplatte könnte somit Byte speichern. Errechnen Sie die Nettokapazität, so erhalten Sie als tatsächlich nutzbare Speicherkapazität für Ihr Laufwerk im Rechner lediglich 0,909 TiB. Die Nettokapazität liegt um 9 % unter der Bruttokapazität. In der Praxis finden Binärpräfixe kaum Beachtung. Sie werden de facto nicht verwendet. Wir verzichten in weiterer Folge auf den Einsatz von Binärpräfixen und geben Speichergrößen ausschließlich in kb, MB, GB, TB usw. mit dem Umrechnungsfaktor 1000 an. Zur Umrechnung zwischen Größeneinheiten dienen die SI-Präfixe. Zusätzlich müssen wir beachten, ob die Größe in Bit oder Byte angegeben ist (1 Byte = 8 Bit). L 0.9: WLAN-Bandbreitenberechnung Die Datenübertragungsrate einer WLAN-Verbindung beträgt 54 Megabit/s. Wie viele Kilobyte bzw. Kibibyte können pro Minute übertragen werden? 54 Mb : = kb 54 Mb : : 2 10 = KiB Eine 3,6 MB große MP3-Datei soll aus dem Internet heruntergeladen werden. Der Internetzugang hat eine Bandbreite von 768 kb/s. Wie lange dauert die Übertragung? 3, : 768 = ca. 38 s Ü 0.8: Downloaddauer berechnen Wie lange dauert der Download eines 45 MB großen Videos aus dem Internet, wenn eine Bandbreite von 56 Kibibit/s zur Verfügung steht? Ü 0.9: Speicherplatzbedarf berechnen Ein Einzelbild eines Hollywoodfilms auf einer DVD hat eine Auflösung von Bildpunkten. Pro Bildpunkt werden 24 Bit für die Farbinformation benötigt. Pro Sekunde werden 25 Einzelbilder dargestellt. Wie groß ist der Speicherplatzbedarf für einen Film mit einer Spieldauer von zwei Stunden? (Annahme: unkomprimierte Speicherung) GB: GiB: Angewandte Informatik HTL 11

12 Lernen Ü ID: 1012 Übungsbeispiele Sie finden diese Übungsbeispiele mit automatischer Aufgabenkontrolle unter der ID: erledigt: w Ü 0.10: w Ü 0.11 Ü 0.15: w Ü 0.17: w Ü 0.10: Begriffe Ordnen Sie die folgenden Begriffe durch Ankreuzen zu: Begriff Hardware Software Daten Zentraleinheit Microsoft Word Auf dem PC geschriebener Brief Digitalkamera Mikrofon MP3-Musikdateien Bildbearbeitungsprogramm Internet Explorer CD Scanner Windows Ü 0.11: Binärzahlen umwandeln Wandeln Sie folgende Binärzahlen in Dezimalzahlen bzw. Hexadezimalzahlen um: Binärzahl Dezimalzahl Hexadezimalzahl Ü 0.12: Binärzahlen in Hexadezimalzahlen umwandeln Wandeln Sie folgende Binärzahlen in Hexadezimalzahlen um: Binärzahl Hexadezimalzahl Ü 0.13: Hexadezimalzahlen in Binärzahlen umwandeln Wandeln Sie folgende Hexadezimalzahlen in Binärzahlen um: Hexadezimalzahl F6 A145 FC88 Binärzahl Ü 0.14: Bit/Byte Wie viele Bit sind 56 Byte? Ü 0.15: Speicherkapazität berechnen Die Speicherkapazität einer DVD beträgt 4,7 GB. Ein MP3-Titel benötigt durchschnittlich 3700 Kilobyte. Wie viele Musiktitel passen auf eine DVD? 12 Angewandte Informatik HTL

13 Lerneinheit 1: Begriffe und Grundlagen Ü 0.16: Zeichencodierung Schreiben Sie den Satz Ich gehe in die 1. Klasse als ASCII-Code! Beispiele:! = 21, + = 2B; A = 41; a = 61 ASCII-Code (hexadezimal): 0 Grundlagen der Informatik ASCII-Zeichentabelle Ü 0.17: Speicherplatzbedarf berechnen Ein Standardbrief von einer A4-Seite umfasst ungefähr 30 Zeilen mit durchschnittlich jeweils 50 Unicode-Zeichen. Wie viel Speicherplatz wird für den Brief benötigt? Berechnen Sie die Dateigröße in den Größeneinheiten kb und MB! Kilobyte: Megabyte: Ü 0.18 zum Expertenwissen: Größe einer Musikdatei berechnen Sie laden eine Musikdatei mit einer Größe von 3 MB aus dem Internet herunter. Sie haben allerdings nur ein 56k-Modem, d. h., pro Sekunde werden 56 Kibibit Daten übertragen. Wie lange müssen Sie warten, bis der Song vollständig auf Ihre Festplatte kopiert wurde? ID: 1012 Musterunternehmen Weitere Übungen im SbX Ü 0.19: Größeneinheiten Bearbeiten Sie das Übungsbeispiel Größeneinheiten! Ü 0.20: Bandbreitenberechnung Bearbeiten Sie das Übungsbeispiel Bandbreitenberechnung der H2Ö GmbH! Angewandte Informatik HTL 13

14 Lernen Ü ID: 1013 In dieser Lerneinheit haben Sie wichtige Begriffe rund um die Computertechnik sowie Zahlensysteme und Größeneinheiten kennengelernt. Computertechnik heute Zusätzlich zu dieser Zusammenfassung finden Sie im SbX eine Audio-Wiederholung zur Wiedergabe mit dem Audio-Player und als MP3-Datei sowie eine Bildschirmpräsentation. Datenverarbeitungsprozesse Hardware, Software und Daten Bit und Byte Zeichencodierung Zahlensysteme Vorsilben für Maßeinheiten Binärpräfixe Brutto- und Nettokapazität Der Personalcomputer ist das zentrale Gerät für multimediale Anwendungen. Computertechnik und Unterhaltungselektronik sind miteinander verschmolzen. Die Kernprozesse der Datenverarbeitung sind Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe (EVA). Sie werden durch den Hilfsprozess der Speicherung unterstützt. Computer und Geräte der Unterhaltungselektronik, wie Handy, DVD-Player oder HDTV, verfügen über Hard- und Softwarekomponenten, welche aufeinander abgestimmt sind. Mithilfe von Programmabläufen generiert ein Benutzer Daten. Ein Byte besteht aus 8 Bit. Die Speicherung von Zahlen erfolgt im Computer in Binärform. Ein Bit kann die Werte True und False annehmen, die mit den Binärziffern 1 und 0 dargestellt werden. Der ASCII-Zeichensatz verwendet zur Darstellung 7 Bit und enthält keine länderspezifischen Zeichen wie Umlaute. Er ist die Basis für wichtige Zeichensätze wie ISO-Latin und Unicode. Das Internet, Linux und Windows verwenden Unicode zur Zeichencodierung. Zur einfacheren Darstellung von Binärzahlen wird in der Computerindustrie häufig das hexadezimale Zahlensystem verwendet. Es besteht aus 16 Ziffern (0 bis 9 und A bis F). Eine Hexziffer ist ein Nibble, das sind 4 Bit. Der Umrechnungsfaktor zwischen den Größenordnungen Kilo, Mega, Giga, Tera, Peta und Exa beträgt 1000 (10 3 ). Der Umrechnungsfaktor zwischen den Binärpräfixen Kibi, Mebi, Gibi, Tebi, Pebi und Exbi beträgt 1024 (2 10 ). Aus verkaufstechnischen Gründen wird bei Speicherkapazitäten meist die Bruttokapazität angegeben. Für die Angabe der Nettokapazitäten werden die Binärpräfixe verwendet. ID: 1013 Ü ID: 1014 Kontrollfragen und -aufgaben 1. Nennen Sie mindestens fünf Hardware-Elemente für den Multimedia-Einsatz zu Hause! 2. Beschreiben Sie den Datenverarbeitungsprozess anhand einer Kundenverwaltung mit Rechnungsdruck! 3. Welchen Datenverarbeitungsprozessen ist das Schreiben eines Briefes mit einem Textverarbeitungsprogramm zuzuordnen? 4. Benennen Sie die Begriffe Hardware, Software und Daten in Zusammenhang mit Mobiltelefon, SMS und Adressbuch! 14 Angewandte Informatik HTL

15 Lerneinheit 1: Begriffe und Grundlagen Sie finden die Aufgaben 4 bis 16 mit automatischer Aufgabenkontrolle unter der ID: erledigt: w Aufgaben 4 15: w Aufgabe 16: w 5. Ordnen Sie die Begriffe Hardware, Software und Daten der Film-DVD Avatar Aufbruch nach Pandora zu! 6. Wie viele Bit werden benötigt, um die Zahl 4000 darstellen zu können? 7. Wie viele Zahlenkombinationen sind mit einem 128-Bit-Passwort möglich? 8. Worin unterscheiden sich die Zeichencodierungen ASCII, Latin und Unicode? 9. Welche Dezimalzahl steht für die Binärzahl ? 0 Grundlagen der Informatik 10. Welche Binärzahl steht für die Hexadezimalzahl FACE? 11. Welche Dezimalzahl steht für die Hexadezimalzahl BADBEE? 12. Wandeln Sie die Binärzahl in eine Hexadezimalzahl um! 13. Wie viel Speicherkapazität (in MB) wird benötigt, wenn ein Dokument 7 Mio. Zeichen im Unicode-Format enthält? 14. Eine Videothek lagert 2500 Filme auf DVD. Eine Film-DVD fasst rund 8,5 GB. Wie groß ist die Speicherkapazität aller DVDs zusammen (in TB)? 15. Wandeln Sie die Dezimalzahl 255 in das binäre und das hexadezimale Zahlensystem um! ID: 1014 Weitere Aufgabe im SbX 16. Stellen Sie sich einem Quiz mit fünf Fragen! Ein kurzer s-check bevor s weitergeht! s-check Ich kann Datenverarbeitungsprozess erklären. Ich kann die Begriffe Hardware, Software, Bit und Byte erklären. Ich kann Dezimal-, Binär- und Hexadezimalzahlen umrechnen. Ich kann Kilo, Mega, Giga und Tera zur Darstellung von Datenmengen verwenden. Angewandte Informatik HTL 15

16 Lernen Lerneinheit 2 Personal Computer Alle SbX-Inhalte zu dieser Lerneinheit finden Sie unter der ID: Laufend flattern Prospekte mit PC-Angeboten ins Haus. In dieser Lerneinheit beschäftigen Sie sich mit den Komponenten eines PCs, damit Sie die Angebote anhand der Leistungsdaten vergleichen können und die richtige Kaufentscheidung treffen. Lernen Ü ID: Arten von Computersystemen Vom PDA bis zum Großrechner Eine Bildschirmpräsentation mit allen Abbildungen zum Schritt LERNEN finden Sie unter der ID: Heute sind unterschiedliche Arten von Computersystemen erhältlich. Das Angebot reicht vom kleinen PDA, mit dem wir unsere Adressen und Termine verwalten können, über Desktop-PCs, Notebooks, Server für kleine und große Netzwerke bis hin zu leistungsfähigen Großrechnern bzw. Supercomputern. Als Mainframe werden extrem leistungsfähige Großrechner bezeichnet. Leistung Netzwerkserver Mainframe Der Server ist das zentrale Gerät in einem Computernetzwerk. Desktop-PC Notebook PDA = Personal Digital Assistant PDA Preis Arten von Computersystemen nach Leistung und Preis Wir konzentrieren uns auf jene Geräte, die derzeit den größten Marktanteil haben: Personalcomputer. Sehen wir uns an, aus welchen Teilen ein moderner PC besteht. Ü 0.21: Desktop-PCs versus Notebooks Welche Vor- und Nachteile haben Desktop-PCs gegenüber Notebooks? Einen Artikel über die Geschichte des PCs finden Sie unter der ID: Ü 0.22: Geschichte des IBM PCs Lesen Sie den Artikel über die Geschichte des PCs im SbX und beantworten Sie die folgenden Fragen: a) Wann hat IBM den ersten PC der Öffentlichkeit vorgestellt und verkauft? b) Wie groß war der Hauptspeicher des ersten PCs? c) Auf welchen Medien wurden die Daten gespeichert und wie groß war deren Kapazität? 16 Angewandte Informatik HTL

17 Lerneinheit 2: Personal Computer 2 Bestandteile eines PCs Die Teile eines Multimedia-Desktops Jeder PC bietet Anschlussmöglichkeiten für diverse Zusatzgeräte, wie z. B. für Speichermedien, DVD- und BD-Laufwerke, Videokameras, Fotoapparate, Drucker, Netzwerkkomponenten, Internet usw. Wer seinen PC immer bei sich haben möchte, kann ebenfalls aus verschiedenen Angeboten auswählen. 0 Grundlagen der Informatik Monitor Zentraleinheit Lautsprecher Tastatur Maus Bestandteile eines Multimedia-Desktops Der Suspend schaltet den PC automatisch ab, wenn dieser nicht benutzt wird, und ermöglicht das rasche Weiterarbeiten, wenn der Benutzer eine beliebige Taste drückt. Notebook Tablet-PCs Varianten mobiler Personalcomputer PDAs Mobile Geräte stehen den Desktop-PCs in puncto Leistungsfähigkeit keineswegs nach. Die Herausforderung bei der Entwicklung besteht vor allem im Erzielen einer möglichst langen Akkulaufzeit. Neben Stromsparfunktionen (Suspend- Modi) werden Notebooks mit speziellen Mobilvarianten von Mikroprozessoren ausgestattet, die sich auch während des Betriebes abschalten können, wenn nicht die volle Rechenleistung benötigt wird. Durch ihre geringere Leistungsaufnahme entwickeln sie weniger Hitze und benötigen weniger Strom. Mr. What und Ms. Check Welche Vorteile bietet ein Desktop- PC gegenüber einem Notebook? Welche Vorteile bietet ein Notebook gegenüber einem Desktop-PC? Der Desktop-PC kann leicht mittels Steckkarten oder Festplatten erweitert werden. Außerdem sind Zentraleinheit und Monitor getrennt, sodass man bei einem PC-Neukauf den Monitor weiterverwenden kann. Mit einem Notebook kann man überall arbeiten. Die Stromversorgung erfolgt über einen Akku, der auch gegen Stromausfall schützt. Ü 0.23: PDA Ein Freund/Eine Freundin möchte sich einen PDA kaufen. Erkläre ihm/ihr den Unterschied zwischen einem PDA, einem Tablet-PC und einem Notebook. Recherchiere im Internet und nenne zu jeder Variante ein konkretes Modell und einen Preis! Angewandte Informatik HTL 17

18 Lernen 3 Mainboard und Prozessor Wir machen einen Blick unter die Haube des Desktops. DVD-RW Festplatte Prozessor mit Kühler Mainboard Asus P5K3 Netzteil Mainboard Speichersockel Bestandteile eines Desktop-PCs Bestandteile der Zentraleinheit Andere Begriffe für Mainboard sind Motherboard und Hauptplatine. Installierter DDR3- Hauptspeicher am Mainboard 1 Das Mainboard enthält Prozessor-Sockel, Chipset, Steckplätze für Hauptspeicher und für Erweiterungskarten sowie I-/O-Schnittstellen für Ein- und Ausgabegeräte. Das Mainboard ist eine Platine, die mit zahlreichen hochintegrierten Schaltkreisen bestückt ist. Es enthält Anschlussmöglichkeiten (Schnittstellen) für Tastatur, Maus, USB-Geräte, Lautsprecher, Netzwerkkabel, Monitor usw. Erweiterungskarten können in freie Steckplätze (z. B. PCI-Express) eingebaut werden. 2 Die Hauptspeichermodule werden in die dafür vorgesehenen Sockel gesteckt. Beim Einbau von Speichermodulen ist darauf zu achten, dass der richtige Modulstandard gewählt wird, z. B. DDR2, DDR3, SODIMM, und dass der Hauptspeicher die Busgeschwindigkeit des Mainboards unterstützt. Diese wird in MHz angegeben, z. B. DDR3: 1333 MHz. 3 Über Flachbandkabel werden die Massenspeicher an einen Controller am Mainboard angeschlossen. Das Mainboard enthält Anschlüsse für Massenspeicher wie Festplatten, DVD- oder BD-Laufwerke sowie Controller für diese Geräte. Das Netzteil versorgt alle Bauteile des PCs mit Strom. Netzteil 4 Alle Geräte der Zentraleinheit werden mit Strom aus dem Netzteil versorgt. Alle Teile des PCs befinden sich in einem Gehäuse, das mit einem Netzteil ausgerüstet ist und den Strom aus der Steckdose in eine Wechselspannung von 5 V und 12 V umwandelt. Die Leistungsfähigkeit des Netzteils wird in Watt angegeben und muss größer als die Gesamtleistung aller angeschlossenen Komponenten des PCs sein. 18 Angewandte Informatik HTL

19 Lerneinheit 2: Personal Computer Ü 0.24: PC-Bestandteile Öffnen Sie Ihren PC, indem Sie die Abdeckung abnehmen. Suchen Sie die bezeichneten Teile und benennen Sie sie richtig. Erstellen Sie eine Skizze auf einem Blatt Papier! 0 Grundlagen der Informatik I-/O-Schnittstellen Mikroprozessor mit Kühler Steckplätze Chipset Speicher- Steckplätze CPU bedeutet Central Processing Unit und ist der englische Fachbegriff für Mikroprozessor. Mikroprozessor Die wichtigsten Hersteller für PC-Mikroprozessoren sind die beiden kalifornischen Firmen Intel und AMD. Hergestellt werden Prozessoren in Reinräumen, also in partikelfreier Umgebung, auf sogenannten Wafern. Ein Wafer ist eine ca. 1 mm dicke Scheibe aus Silizium, auf der Chips hergestellt werden. Jeder Wafer enthält Cores (Kerne) für mehrere Prozessoren. AMD Athlon 64 FX Prozessor Mikroprozessor Wafer Die Produktion von Mikroprozessoren erfolgt in staubfreier Umgebung. Das Bild zeigt die Produktionsumgebung bei Intel. Wafer und Prozessor-Cores Core Angewandte Informatik HTL 19

20 Lernen Expertenwissen für besonders Interessierte ALU = Arithmetic Logical Unit (Rechenwerk) XOR bedeutet entweder...oder. OR ist eine Kombination aus XOR und AND. NOT dreht alle Bit in ihr Gegenteil um. Intel-kompatibel bedeutet, dass der Prozessor die x86-maschinensprache benutzt, die heute z. B. von Windows oder Linux unterstützt wird. Die Sony Playstation 3 hat einen IBM-Cell- Prozessor (RISC). Cache ist ein sehr schneller Zwischenspeicher, der Speicherzugriffe beschleunigt. Pipelining ermöglicht die Parallelverarbeitung von Befehlen. Achtung! Expertenwissen: Aufbau eines Mikroprozessors Die Architektur eines Prozessors wurde von dem Mathematiker und Physiker John von Neumann im Jahr 1945 erstmals beschrieben. Nach ihr ist auch heute noch jeder Prozessor aufgebaut. Von-Neumann-Rechnermodell 1 Das Rechenwerk (ALU) ist für arithmetische und logische Funktionen zuständig. Die arithmetische Einheit des Rechenwerks kann z. B. zwei Binärzahlen addieren. Durch wiederholtes Addieren in einer Schleife wird eine Multiplikation ausgeführt: z. B. 2 5 = Eine häufig benutzte logische Operation ist die AND-Operation (logisches Und): z. B AND 1100 = Nur wenn beide Bit 1 sind, ist das Ergebnis der Operation 1, sonst 0. Weitere logische Operationen sind OR, XOR und NOT. 2 Das Steuerwerk führt Befehle in Maschinensprache aus. Jeder Prozessor kennt seine eigene Maschinensprache. Wir unterscheiden bei der Befehlsverarbeitung zwei grundsätzlich verschiedene Code-Sets: CISC (Complex Instruction Set Code) verwendet eine große Zahl an fix im Prozessor gespeicherten Befehlen. PC-Prozessoren von Intel und AMD sind CISC-Prozessoren. RISC (Reduced Instruction Set Code) benutzt eine sehr kleine Zahl an fixen Prozessorbefehlen, die dafür aber sehr schnell abgearbeitet werden können. Vorteile sind u. a. kurze Entwicklungszyklen durch den einfacheren Aufbau und günstigere Produktionskosten. RISC-Prozessoren werden IBM-Cell-Prozessor z. B. von Sony in der Playstation 3 (IBM-Cell-Prozessor siehe Bild) oder Sun (Sun Sparc) verwendet. 3 Register sind kleine, extrem schnelle Speichereinheiten für Zwischenergebnisse, z. B. von Rechenoperationen. Zur Erhöhung der Rechengeschwindigkeit werden Prozessoren mit Caches und zusätzlichen Fließkommarechenwerken ausgestattet. Für die effizientere Bearbeitung von Befehlen wird das Pipelining verwendet. Die Taktfrequenz gibt den Rhythmus der Verarbeitung in MHz oder GHz an. ALU Arithmetic Logical Unit Peripherie-Bus Die Geschwindigkeit eines Prozessors ist nicht nur von der Taktfrequenz abhängig. János Neumann alias John von Neumann, geboren 1903 in Budapest, gestorben 1957 in Washington, war der Begründer des Von- Neumann-Rechnermodells. Steuerwerk Prozessor Von-Neumann-Rechnermodell Register RAM ROM Der von Intel im Jahr 1978 vorgestellte 8086-Mikroprozessor war der Urgroßvater aller PC- Prozessoren und verwendete erstmals den x86-befehlssatz. Folgende Architekturen haben sich im Lauf der Zeit entwickelt: 20 Angewandte Informatik HTL

21 Lerneinheit 2: Personal Computer Der Intel Core2 Extreme QuadCore-Die (QX6850) fasst 582 Mio. Transistoren. Die Gatelänge eines Transistors beträgt 65 Nanometer. Mikrostruktur eines Intel Core-2-Prozessors Architektur eines Mikroprozessors 1 16-Bit-Architektur 1978 stellte Intel die und 8088-Prozessoren für den IBM-PC vor. Wie der etwas später entwickelte verfügten diese Prozessoren über einen 16-Bit-x86-Befehlssatz. Die Zeit der 8-Bit-Prozessoren ging damit zu Ende Bit-Architektur 1985 kam der Intel Prozessor auf den Markt. Er begründete eine neue Ära, die bis zum Pentium 4 andauerte. Der ia32-befehlssatz erweiterte den x86-befehlssatz der 16-Bit- Architektur und war vollständig abwärtskompatibel Bit-Architektur 2003 begann für den x86 das dritte Zeitalter. AMD brachte einen zu x86 kompatiblen 64-Bit-Befehlssatz mit dem Namen AMD64 im Athlon-64-Prozessor auf den Markt. Intel musste wenig später den Erfolg von AMD anerkennen und mit dem EM64T-Befehlssatz nachziehen. Der von Intel favorisierte ia64-befehlssatz für die Itanium-Prozessoren konnte sich mangels Kompatibilität zu x86 gegen AMD nicht durchsetzen. Der neue Befehlssatz AMD64/EM64T wurde von Linux und Windows XP Professional x64 Edition unterstützt. Eine breite Akzeptanz von x64 begann mit der Markteinführung von Windows Vista im Jahr Grundlagen der Informatik Ms. Check und Mr. Expert Welche Prozessoren werden in Notebooks verwendet? Bei Notebooks werden zur Erzielung möglichst langer Akkulaufzeiten stromsparende Mobilprozessoren benutzt. Stimmt es, dass die Geschwindigkeit eines Prozessors nur von der Taktfrequenz abhängt? Nein, das stimmt nicht. Die Taktfrequenz ist nur ein Faktor, der für die Rechenleistung eines Prozessors ausschlaggebend ist. Andere Faktoren sind Architektur (16 Bit, 32 Bit, 64 Bit), Code-Set (CISC, RISC), Größe der Caches, Anzahl der Cores usw. Was bedeutet Quad-Core? Core steht für den Prozessorkern. Quad-Core bedeutet, dass in einem Prozessor vier Kerne enthalten sind. Dadurch kann bei gleicher Taktfrequenz die Leistung eines Prozessors gesteigert werden. Die Anzahl der Kerne ist noch weiter steigerbar (Multi-Core). Der Front Side Bus verbindet den Prozessor mit der Northbridge des Chipsets. AMD hat beim Athlon 64 einen Teil der Northbridge bereits im Prozessor integriert. Chipset und Front Side Bus Das Chipset steuert die Datenströme zwischen Prozessor, Hauptspeicher und Grafikkarte (Northbridge) sowie den Steckplätzen für Peripheriegeräte (Southbridge). Front Side Bus Serial-ATA I/O USB Ethernet Bestandteile des Chipsets Prozessor Southbridge Northbridge PCI/PCIe Speicher Grafikkarte Steckplätze Das Chipset verbindet den Prozessor mit den restlichen Teilen eines PCs. Die Northbridge stellt eine besonders schnelle Verbindung zu Grafikkarte und Hauptspeicher her. Die Southbridge ist für die Verbindung zu anderen Geräten, wie Festplatte, USB und Steckkarten, zuständig. AMD ging beim Athlon 64 erstmals dazu über, die Speicheranbindung der Northbridge direkt in den Prozessor zu integrieren. Angewandte Informatik HTL 21

22 Lernen 4 Speicher Die große Schreibtischlade für den Prozessor Der Prozessor hat mit seinen Registern nur ein sehr begrenztes Speichervolumen. Ein Computer benötigt daher einen vom Prozessor getrennten Arbeitsspeicher. Speicherkosten in Euro pro MB Arbeitsspeicher 1973: : : : : : : : 0, : 0,01 (Computer Bild) RAM Random Access Memory ROM Read Only Memory Prozessor RAM SODIMM-Hauptspeichermodul für Notebooks Arbeitsspeicher RAM und ROM am Beispiel des Personalcomputers Basic Input Output System (BIOS) Speicherarten Als Refresh wird das ständige Versorgen des RAM mit Strom bezeichnet. 1 Der Hauptspeicher (RAM) wird als schneller Arbeitsspeicher für den Prozessor verwendet. Eine Speicherstelle kann vom Prozessor direkt adressiert werden. Im RAM werden Programme und Daten während der Arbeit mit dem PC abgelegt und laufend verändert. Diese Form des Speichers benötigt eine ständige Stromversorgung, um Daten halten zu können. DDR3-Hauptspeichermodul BIOS = Basic Input Output System EEPROMs werden unter dem Namen Flash-Speicher verbreitet eingesetzt, z. B. bei Memory-Sticks und Speicherkarten. 2 Persistente Speicher (ROM) benötigen keine Stromversorgung zur Datenhaltung. Der Zugriff auf die Daten erfolgt blockweise. Zum Betrieb eines PCs ist eine Betriebssoftware (BIOS) erforderlich, die den Start des Betriebssystems bewirkt. Das BIOS wird aus einem a) ROM (Read Only Memory), b) EPROM (Eraseable Programmable Read Only Memory) oder c) EEPROM (Electrically Eraseable Programmable Read Only Memory) geladen. Bei den ROM-Speichern handelt es sich generell um persistente Speicher, die Daten auch ohne Stromversorgung halten. Im Gegensatz zum RAM kann aber der Inhalt des Speichers nicht direkt adressiert, sondern nur blockweise gelesen werden. Deshalb ist der Zugriff deutlich langsamer als beim RAM. Der Gegenwert für 1 MB Arbeitsspeicher betrug im Jahr 1973 ein Haus, im Jahr 1984 ein Fahrrad, im Jahr 1990 ein Brathuhn und im Jahr 2010 ein Gummibärchen. 22 Angewandte Informatik HTL

23 Lerneinheit 2: Personal Computer Ü 0.25: Speicheraufrüstung Die Tischlerei Holzwurm plant für die Installation von Windows 7 eine Speicheraufrüstung aller vorhandenen PCs. Insgesamt müssen 10 PCs von 512 MB auf 2 GB Hauptspeicher aufgerüstet werden. Welche Informationen benötigen Sie, um ein Angebot erstellen zu können? 5 Datenbus und Grafikkarte Ein PC kann jederzeit erweitert werden. 0 Grundlagen der Informatik Der Datenbus verbindet das Chipset und den Prozessor mit Peripheriegeräten, wie z. B. Grafikkarte, Netzwerkkarte oder Festplatten. Dem standardisierten Datenbus hat der PC seinen enormen Markterfolg zu verdanken. PCI, AGP und PCI-Express PCI = Peripheral Component Interconnect AGP = Accelerated Graphics Port PCIe PCI-Express ist skalierbar von x1 bis x stellte Intel den PCI-Bus vor. Gemeinsam mit dem AGP beherrschte diese Technologie den PC-Markt zehn Jahre lang. PCI arbeitete mit 32 oder 64 Bit und einer Taktrate von 33 oder 66 MHz. Die maximale Datentransferrate betrug 528 MB/s. Der AGP ermöglichte eine Hochgeschwindigkeitsverbindung zwischen Prozessor und Grafikkarte. Als maximale Datenübertragungsrate konnten mit 8x-AGP 2133 MB/s erzielt werden. PCI und AGP gelten mittlerweile als überholt. Aus Gründen der Abwärtskompatibilität befindet sich dennoch ein PCI-Steckplatz in vielen PCs. 2 PCI-Express (PCIe) ist der Nachfolger von PCI. Er bietet einen höheren Datendurchsatz und mehr Flexibilität. Bei PCI-Express beträgt der Datendurchsatz für jede 32 Bit breite Verbindung (= Lane) 250 MB/s pro Richtung. Durch die Koppelung von Lanes kann ein Vielfaches PCI dieses Datendurchsatzes erzielt werden (z. B MB/s bei PCIe-x16 für eine Grafikkarte). In Consumer-PCs werden PCIe-x16- und PCIe-x1-Slots eingebaut (siehe Bild). Für Netzwerkserver sind zusätzlich x2, x4, x8 und x32 PCIe vorgesehen. PCI-Express und PCI Pro Lane kann in einem Taktzyklus 1 Bit übertragen werden. Bei x16 werden demnach in einem Taktzyklus 16 Bit übertragen. PCI-Express Links und Lanes PCIe-Karte x1 PCI-Express-Bandbreiten 250 MB/s x MB/s x MB/s Durch die Verwendung von zwei Lanes kann die Bandbreite verdoppelt werden. PCIe-Datentransfer x MB/s PCIe-Bandbreiten pro Richtung Angewandte Informatik HTL 23

24 Lernen Mr. What und Ms. Check Kann eine PCIe-x1-Karte auch in einen x2- oder x4-slot gesteckt werden? Ja, PCIe-Steckplätze sind abwärtskompatibel. Eine x1- Karte kann daher in jeden PCIe-Slot gesteckt werden. Aber eine x16-karte passt nur in einen x16- oder x32-slot. Ü 0.26: Bandbreite für HDTV berechnen Berechnen Sie die erforderliche Bandbreite für das Abspielen eines Films mit 25 Vollbildern pro Sekunde in einer Auflösung von Pixel (HDTV) und einer Farbtiefe von 24 Bit. Wie viele PCI-Express-Lanes werden dafür benötigt? Grafikkarte Ausgänge von Grafikkarten: Die Grafikkarte steuert die Anzeige auf dem Monitor. Moderne Grafikkarten sind selbst ein kleiner Computer, denn sie besitzen ihren eigenen Prozessor sowie ihren eigenen Speicher. DVI VGA DVI und HDMI sind digitale Ausgänge für Flachbildschirme mit hoher Auflösung. PCIe-Grafikkarte Grafikprozessor VGA ist ein analoger Ausgang für alle Monitortypen. PCI-Express-Grafikkarte mit eigenem Grafikprozessor Die Auflösung wird in Bildpunkten (Pixel) angegeben: XGA HD WXGA SXGA SXGA UXGA WSXGA HD WUXGA WQXGA QSXGA Die Farbtiefe wird in Bit angegeben: 8 Bit 256 Farben 16 Bit Farben 24 Bit ~16 Mio. Farben 32 Bit ~4 Mrd. Farben Typen von Grafikkarten 1 Onboard-Chips sind auf dem Mainboard integriert und sehr günstig, da keine eigene Karte benötigt wird. Diese Variante ermöglicht zwar die Darstellung hochauflösender 2D-Bilder mit bis zu Pixel bei 32 Bit Farbtiefe, aber für Windows 7 und schnelle 3D-Spiele ist sie nicht geeignet. 2 Business-Karten liefern gestochen scharfe Bilder und unterstützen die Ausgabe auf mehreren Monitoren. Business-Karten haben relativ wenig Grafikspeicher und nur eingeschränkte 3D-Funktionen, bieten dafür aber gestochen scharfe Bilder, einen TV-Ausgang und meist die Möglichkeit zum Anschluss von mehreren Monitoren. Marktführer bei diesen Karten ist die Firma Matrox. 3 Game-Karten sind für Computerspiele und 3D-Darstellungen optimiert und in allen Preisklassen verfügbar. Grafikkarten für Computerspiele kosten oft so viel wie ein ganzer PC. Die beiden Marktführer ATI und NVidia kommen laufend mit Neuerungen auf diesen heißumkämpften Markt. Ü 0.27: Speicherplatzbedarf berechnen Wie viel Speicherplatz belegt ein 32-Bit-Farbbild mit einer Auflösung von Pixel? 24 Angewandte Informatik HTL

25 Lerneinheit 2: Personal Computer Mr. What und Ms. Check Für welche Grafikkarte soll ich mich entscheiden, wenn ich meine privaten Urlaubsfilme schneiden und bearbeiten möchte? Für diese Art von Anwendung ist heute jede Grafikkarte sehr gut geeignet. Eine teure Game-Karte ist dafür nicht nötig. Kann ich mit einer Grafikkarte auch fernsehen? Eigentlich nicht, aber viele Karten haben einen TV-Ausgang. Über diesen Ausgang kann ein TV-Gerät mit dem PC verbunden werden. Über das DVD-Laufwerk am PC können dann Filme auf dem Fernseher angesehen werden. Will man allerdings TV-Programme sehen, benötigt man zusätzlich einen TV-Tuner. Tunerkarten sind als PCI- bzw. PCIe-Versionen erhältlich und verarbeiten Antennen- (DVB-T) bzw. SAT-Signal (DVB-S). 0 Grundlagen der Informatik Den Betriebsmodus der Grafikkarte kann man in Windows 7 in den Anzeigeeinstellungen auswählen: Rechtsklick auf den Desktop Bildschirmauflösung Verwendung mehrerer Monitore für die Ausgabe, z. B. Monitor und Videobeamer Schieberegler für die Änderung der Bildschirmauflösung Bildschirmeinstellungen in Windows 7 Die Grafikkarte erstellt das Bild und sendet dieses Signal an den Monitor. Zur Erzeugung des Bildes bedient sich die Grafikkarte ihres eigenen Grafikprozessors und Videospeichers. L 0.10: Speicherkapazität berechnen Herr Maurer hat mit seinem 2-Megapixel-Fotohandy ein Foto aufgenommen und möchte dieses nun mit einer Farbtiefe von 24 Bit am Bildschirm darstellen. Wie viel Videospeicher wird für die Darstellung des Bildes in der Grafikkarte benötigt? Pixel 24 Bit : 8 = Byte = 6 MB Ü 0.28: Grafikleistung berechnen Ein Actionspiel arbeitet mit einer Auflösung von Pixel und 32 Bit Farbtiefe. Pro Sekunde werden 25 Bilder dargestellt. Welches Datenvolumen muss die Grafikkarte in zehn Minuten Spielzeit bewältigen? Mr. What und Ms. Check Local Area Network (LAN) steht für lokales Netzwerk. Was ist eine LAN-Party? Bei einer LAN-Party treffen sich spielbegeisterte Leute, um gegeneinander Computerspiele zu spielen. Zur Standardausrüstung eines Gamers gehören neben einem getunten PC auch ein Netzwerkanschluss und ein Headset, damit sich die Gamer während des Spielens unterhalten können. Angewandte Informatik HTL 25

26 Lernen Expertenwissen für besonders Interessierte Achtung! Expertenwissen: Grafikschnittstellen Vor 1995 mussten Computerspiele die Grafikkarte direkt ansprechen, da es damals noch keine Softwareschnittstellen für Grafikkarten gab. Spielehersteller konnten mit ihren Spielen auch nur bestimmte Grafikkarten unterstützen. Mit einer falschen Karte konnte man das Game nicht spielen. Dies war für die Anwender/innen sehr mühsam. Eine Schnittstelle (engl. Interface) ermöglicht die Verbindung von zwei Systemen. DirectX OpenGL DirectX und OpenGL unterstützen verschiedene Betriebssysteme. Die Grafikschnittstellen DirectX und OpenGL API (Application Program Interface) ist eine Verbindung von zwei Softwaresystemen. 1 DirectX wurde 1995 von Microsoft für das Betriebssystem Windows eingeführt. Es handelt sich um ein API für Spieleprogrammierer. DirectX bietet eine Softwareschnittstelle (API) zur 2D- und 3D-Grafikprogrammierung für Windows und die Xbox, ohne auf die speziellen Eigenheiten der jeweiligen Grafikhardware Rücksicht nehmen zu müssen und unter teilweiser Umgehung der Kontrolle durch das Betriebssystem. Ein Teil von DirectX ist Direct3D, das einen schnellen Zugriff auf 3D-Funktionen der Grafikkarte ermöglicht. Weitere Schnittstellen sind DirectSound (für Klangwiedergabe), DirectMusic (für Musikwiedergabe), DirectInput (z. B. für Joysticksteuerung), DirectPlay (für Netzwerkspiele im Multiplayerbetrieb) oder DirectShow (für Videowiedergabe). 2 OpenGL ist ein betriebssystemunabhängiger Schnittstellen-Standard für 3D- Grafikanwendungen. Etwa 250 Befehle erlauben 3D-Darstellung in Echtzeit. OpenGL wurde ursprünglich von Silicon Graphics (SGI) entwickelt. Die Umsetzung übernimmt bei OpenGL der Grafiktreiber. Unterstützt die Grafikkarte den Befehl nicht, so wird dieser über den Hauptprozessor ausgeführt. Spiele, die OpenGL benutzen, sind z. B. Doom und Quake. Ms. Check und Mr. Expert Ich habe eine DirectX-fähige Grafikkarte. Kann ich damit jedes beliebige Computerspiel spielen, auch wenn es schon 20 Jahre alt ist? Nein, ältere Spiele haben DirectX noch nicht unterstützt, da es erst 1995 von Microsoft mit Windows 95 eingeführt wurde. Davor mussten Spiele mühsam händisch konfiguriert werden. 26 Angewandte Informatik HTL

27 Lerneinheit 2: Personal Computer 6 Schnittstellen Anschluss externer Geräte Über Input- und Output-Schnittstellen können beliebige Geräte mit dem PC verbunden werden. Die Schnittstellen befinden sich am Mainboard und sind auf der Rückseite des Gehäuses der Zentraleinheit über verschiedene Anschlussbuchsen zugänglich. 0 Grundlagen der Informatik Videokamera Lautsprecher Tastatur Maus Digitalkamera Mikrofon Schnittstellen Drucker Netzwerk Typen von Schnittstellen PS/2-Schnittstelle Parallele Schnittstelle Serielle Schnittstelle USB und Firewire Netzwerk-Schnittstelle 1 Die PS/2-Buchsen ermöglichen den Anschluss von Tastatur und Maus. Tastatur und Maus sind nach wie vor häufig über einen PS/2-Anschluss mit dem PC zu verbinden. Viele Geräte haben aber auch einen USB-Anschluss. 2 Parallele Buchsen ermöglichten früher den Anschluss eines Druckers. Am Drucker wurde diese Schnittstelle als Centronics bezeichnet. Heute werden Drucker über USB- oder Netzwerkkabel angeschlossen. 3 Serielle (9-/25-polige) Stecker ermöglichten früher den Anschluss langsamer Geräte, wie z. B. eines Modems. Geräte mit seriellem Anschluss findet man heute kaum noch. Es gibt aber im Bereich der industriellen Fertigung noch einige Spezialmaschinen, Prüf- und Messgeräte, die über serielle Anschlüsse verfügen. 4 Firewire und USB sind die Schnittstellen für die meisten heute verfügbaren Peripheriegeräte. Firewire wird meist für Video-Datenübertragung, USB für PC-Peripheriegeräte eingesetzt. 5 Mittels einer RJ45-Netzwerkbuchse können andere Computer oder ein Router zur Internetverbindung angeschlossen werden. Moderne Mainboards haben einen Netzwerkanschluss mit 100 Mbit/s oder 1000 Mbit/s bereits eingebaut. 6 Soundbuchsen ermöglichen die Klangein- und -ausgabe. Über Soundbuchsen können Lautsprecher, Mikrofon oder eine Hi-Fi-Anlage angeschlossen werden. Audio-Schnittstellen Während PS/2, parallele und serielle Schnittstellen bereits veraltete Technologien darstellen, gewinnen USB und Firewire zunehmend an Bedeutung. Sehen wir uns diese wichtigen Schnittstellen etwas genauer an. Angewandte Informatik HTL 27

28 Lernen Achtung! Expertenwissen: USB und Firewire Die Multimedia-Talente unter den Schnittstellen Expertenwissen für besonders Interessierte USB = Universal Serial Bus USB 3.0 Stecker Firewire wird auch als IEEE 1394 oder i.link bezeichnet. Die wichtigsten Standards für die Übertragung von Daten zu externen Geräten sind USB und Firewire. Unterschiede und Gemeinsamkeiten von USB und Firewire 1 USB wird zum Anschluss von externen Peripheriegeräten verwendet. Es gibt drei Steckertypen: Mini-USB, USB-A und USB-B. Jeder moderne Computer bietet Anschlussmöglichkeiten für bis zu 127 USB-Geräte. Die Geräte werden automatisch erkannt USB-mini-B, USB-A- und -B-Stecker und installiert (Plug&Play) und können während des PC-Betriebes an- und abgesteckt werden (hot plug/unplug). Wer mehr USB-Geräte anschließen möchte, als der PC Buchsen hat, kann dieses Problem mittels USB-Hub lösen. Es ist auch möglich, mehrere USB-Hubs aneinander anzuschließen, was als Kaskade bezeichnet wird. 2 Firewire wird zur Übertragung von Multimediadaten, wie z. B. Videos, benutzt. Firewire wurde zur Übertragung von Videos entwickelt und ist heute in jeder digitalen Videokamera vorhanden. Im Gegensatz zu USB benötigt Firewire keinen Host, der die Geräte verwaltet (bei USB ist das der PC). Es 1394a 6-polig, 1394a 4-polig und 1394b-Stecker können also auch zwei Firewiregeräte direkt miteinander verbunden werden (z. B. Videokamera und DVD-Rekorder). Die Tabelle verdeutlicht die Unterschiede und Gemeinsamkeiten beider Technologien: Wireless USB ermöglicht Datentransferraten von 11 bis 480 Megabit/s und eine Reichweite bis 70 m. USB On-the-Go erlaubt die direkte Verbindung von zwei USB- Geräten ohne einen PC als Hostcontroller. Eigenschaft USB Firewire Maximale Anzahl an Geräten Maximale Übertragungsrate 12 Mb/s (USB 1.1) 480 Mb/s (USB 2.0) 2,4 Gb/s (USB 3.0) Mb/s (Wireless USB) 400 Mb/s (IEEE 1394a) 3200 Mb/s (IEEE 1394b) Plug&Play-Unterstützung ja ja Hot Plug-/Unplug-Unterstützung ja ja Integrierte Stromversorgung 5 Volt 8 40 Volt Maximale Kabellänge 5 Meter 4,5 Meter (Kupferkabel) 100 Meter (Glasfaserkabel) Topologie Baum Stern Host-Controller nötig ja nein Ms. Check und Mr. Expert Welche Schnittstellen verwenden Maus, Videokamera und ADSL-Router? Soll ich meine Festplatte über USB oder Firewire anschließen? Die Maus verwendet eine PS/2- oder eine USB- Schnittstelle, die Videokamera nutzt Firewire oder USB. Ein ADSL-Router kann über USB oder RJ45 angeschlossen werden. Ich würde die Festplatte über USB anschließen, da Firewire eine niedrigere Datenübertragungsrate aufweist. 28 Angewandte Informatik HTL

29 Lerneinheit 2: Personal Computer Einen Artikel zu den elektronischen Datenspeichern finden Sie unter der ID: rpm (revolutions per minute): Der Wert gibt an, wie oft pro Minute sich die Platte um die eigene Achse dreht. 7 Massenspeicher Magnetische Datenspeicher Die Festplatte ist das wichtigste Speichermedium eines PCs. Sie speichert Betriebssystem, Anwenderprogramme und Daten. Ü 0.29: Festplatte oder elektronischer Speicher? Welche der folgenden Geräte haben eine Festplatte bzw. einen elektronischen Speicher eingebaut? a) ipod, b) USB-Stick, c) HDD-Videokamera, d) Navigationssystem Schreib-/ Lesekopf Schrittmotor Antrieb Platten Der Antrieb bringt die Platte auf eine Geschwindigkeit von 7000 bis rpm. Der Schreib-/Lesekopf wird vom Schrittmotor angetrieben und kann punktgenau über der Plattenoberfläche positioniert werden. Doch Vorsicht, bereits die kleinste Erschütterung kann die Oberfläche der Platte bei einem Leseoder Schreibzugriff zerstören. 0 Grundlagen der Informatik Festplatte mit ihren Bestandteilen Rampe Headcrash bezeichnet das Aufsetzen des Schreib-/ Lesekopfes auf der Plattenoberfläche. Die Übertragungsrate gibt an, wie viele MB pro Sekunde von der Platte gelesen bzw. auf die Platte geschrieben werden können. Die Zugriffszeit gibt die durchschnittliche Zeitspanne an, bis die gewünschte Information auf der Platte gefunden wird. Parkposition Wenn keine Lese- oder Schreibzugriffe stattfinden, befindet sich der Kopf in einer Parkposition. Dies verhindert einen Headcrash bei plötzlichen Erschütterungen (z. B. bei Notebooks). Schreib-/Leseköpfe parken Parkposition Funktionsweise Eine Festplatte besteht aus mehreren einzelnen Scheiben, die in einem Stapel übereinander angeordnet sind. Dieser Plattenstapel dreht sich permanent mit gleichbleibender Geschwindigkeit. Der Platz auf jeder Platte wird in Kopfbewegung Spuren und Sektoren unterteilt, wobei jeder sich dadurch ergebende Bereich Schreib-/Lesekopf gleich viele Byte aufnimmt. Eigentlich wird dadurch viel Speicherplatz vergeudet, denn außen würde viel mehr Raum für Daten zur Verfügung stehen als im Achse Zentrum der Scheibe. Durch die Einteilung in Spuren und Sektoren ergibt sich Antrieb jedoch der Vorteil einer sehr niedrigen Zugriffszeit. Der Lese- bzw. Schreibvorgang beginnt, sobald der Schrittmotor Schrittmotor den Kopf auf der richtigen Spur positioniert hat und sich der richtige Sektor Funktionsweise einer Festplatte unter dem Kopf befindet. L 0.11: Mittlere Zugriffszeit Wie kann die mittlere Zugriffszeit für eine Festplatte ermittelt werden? Im ungünstigsten Fall muss der Schreib-/Lesekopf eine ganze Plattenumdrehung lang warten. Im günstigsten Fall befindet sich der gesuchte Sektor unter dem Kopf. Durchschnittlich muss für jeden Zugriff eine halbe Plattenumdrehung gewartet werden. Daher gilt: Je schneller sich die Platte dreht, desto kürzer ist die mittlere Zugriffszeit. Angewandte Informatik HTL 29

30 Lernen Artikel zu den verschiedenen Festplattenstandards sowie zu USBund Flashspeichern finden Sie unter der ID: Ü 0.30: Festplattenstandards Bearbeiten Sie den Artikel im SbX und erstellen Sie eine übersichtliche Präsentation oder ein Referat, in der/dem Sie die verschiedenen Festplattenstandards vergleichen! Speicherkapazitäten von Festplatten Die Speicherkapazitäten von Festplatten sind seit der Markteinführung des IBM-PCs enorm gestiegen: Jahr, Hersteller und Typ Baugröße Kapazität 1980, Seagate ST506 5,25" 5 MB 1983, IBM PC XT 5,25" 20 MB 1991, IBM/Fujitsu 3,5" 145 MB 1998, Seagate Barracuda 3,5" 50 GB 2007, Hitachi Deskstar 3,5" 1 TB Eine Linkliste zu den externen Peripheriegeräten finden Sie unter der ID: Pit Land Daten befinden sich in Form von Vertiefungen (Pits) auf der reflektierenden Oberfläche (Land). CD-DA = Compact Disc Digital Audio Optische Datenspeicher Egal um welches Format es sich handelt, z. B. CD, DVD oder Blu-ray Disc, die Form der Informationsaufzeichnung ist immer die gleiche. Ein Laserstrahl tastet die Information ab, die von Pits und Lands unterschiedlich reflektiert wird. Das Lesen eines optischen Datenträgers beginnt beim Lead-in auf der Innenseite und endet beim Lead-out am Rand. Datenbereich Dazwischen befindet sich der Datenbereich. Die Lead-in Abtastung erfolgt in Spiralform unter optimaler Lead-out Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Aufbau optischer Datenträger Platzes. Compact Disc (CD) Die CD wurde 1982 von den Firmen Philips und Sony auf dem Markt eingeführt. In den folgenden Jahren erfreute sich zunächst die Audio-CD immer größerer Beliebtheit. Dies führte am Beginn der 1990er-Jahre zu einer nahezu vollständigen Verdrängung der Schallplatte und später mit der Entwicklung beschreibbarer CDs auch zur Ablösung der Kompaktkassette und der Diskette. CD-Standards 1 Der Red-Book-Standard definiert das Format für die Audio-CD (CD-DA). Die Audio-CD (Compact Disc Digital Audio, kurz CD-DA) löste die Schallplatte ab. Die Moving Picture Experts Group (MPEG) wurde 1988 gegründet und entwickelt seither Kompressionsformate für Video und Audio, wie z. B. MPEG1, MPEG2 und MPEG4. 2 Der Yellow-Book-Standard legt das Format für die Daten-CD (CD-ROM) fest. Eine CD-ROM fasst eine Datenmenge von 650 MB (74 min), 700 MB (80 min) oder 800 MB (90 min). 3 Der White-Book-Standard definiert das Format für die Video-CD (VCD). SVCD wurde als IEC Standard festgelegt und ist in China weit verbreitet. Eine VCD enthält bis zu 74 min MPEG1-komprimiertes Video mit einer Auflösung von Pixel. Eine SVCD fasst bis zu 70 min MPEG2-komprimiertes Video mit einer Auflösung von Pixel. 30 Angewandte Informatik HTL

31 Lerneinheit 2: Personal Computer Mr. What und Ms. Check Das Fehlerkorrektursystem CIRC (Cross Interleaved Reed-Solomon Code) kommt bei der CD und der DVD zum Einsatz. Es ermöglicht das Lesen von zerkratzten Datenträgern. Kann ich eine zerkratzte CD noch lesen? Eine zerkratzte CD kann gelesen werden, da die Daten mittels Paritätsbits gesichert werden. Mit der CIRC-Technik können Kratzer bis zu einer Länge von 2,4 cm bei CD-ROMs und 8,5 cm bei CD-DAs ausgeglichen werden. Wie lange hält eine CD? Eine CD weist eine Haltbarkeit von etwa zehn bis fünfzig Jahren auf. 0 Grundlagen der Informatik Die zunehmende Beliebtheit der CD für den Audiobereich führte auch zu einem Nachdenken über das Speichern von Videos. Die CD mit ihren Standards VCD und SVCD setzte sich für das Speichern von Videos aufgrund ihrer zu geringen Speicherkapazität und der mangelhaften Bildqualität weltweit nicht durch. Daher wurde eine gleich große Scheibe entwickelt, die in der Lage ist, deutlich mehr Daten auf der gleichen Fläche zu speichern die DVD. CD 700 MB DVD 4.7 GB Die dichtere Anordnung von Pits auf einer DVD ermöglicht eine größere Speicherkapazität als eine CD. DVD DVD stand früher für Digital Versatile Disc. Heute steht DVD als Wortmarke für sich selbst. Der Durchmesser der Scheibe beträgt wie bei der CD 12 cm. Jedoch ist der Spurabstand deutlich geringer: 0,74 µm bei der DVD im Vergleich zu 1,6 µm bei der CD. DVDs können doppelseitig (Double-Side) bespielt werden. Außerdem können auf jeder Seite zwei Schichten vorhanden sein (Double-Layer). Daraus ergeben sich vier Formate: Single-Side Double-Side Mikrometer (µm) Der Durchmesser eines menschlichen Haares beträgt ca. 70 µm. Der Spurabstand der DVD dagegen nur 0,74 µm. Ein Haar kann demnach 100 DVD-Spuren abdecken. Single-Layer Double-Layer DVD-Formate: DVD-5, DVD-9, DVD-10 und DVD-18 Film-DVD Die Abbildung zeigt den Inhalt einer Video-DVD. Die Namen der Dateien sind standardisiert und haben die Endungen BUP, IFO und VOB. Eine VOB- Datei darf maximal 1 GiB groß sein. Wird eine Video-DVD in einen DVD- Player eingelegt, so sucht der Player nach der Startdatei, die in der Regel das Menü beinhaltet. Inhalt einer Video-DVD Angewandte Informatik HTL 31

32 Lernen DVD-Standards begann mit DVD-Video die Verdrängung der VHS-Kassette. Auf Druck der Filmindustrie einigten sich die Firmen Philips, Sony, Toshiba und Time Warner auf das DVD-Format. Es gibt drei DVD-Typen: DVD-Video, DVD-Audio und DVD-ROM Eine Hybrid-DVD enthält mehrere DVD-Typen. 2 Bei der DVD gibt es drei Typen: DVD-Video, DVD-Audio und DVD-ROM. Ein DVD-Typ ist anhand des Inhalts der DVD erkennbar. Bei DVD-Video befinden sich Videodateien im Ordner VIDEO_TS, bei DVD-Audio befinden sich Musikdateien im Ordner AUDIO_ TS und bei einer DVD-ROM können Dateien in beliebigen Ordnern gespeichert sein. 3 Eine Hybrid-DVD beinhaltet Video-, Musik- und Computerdaten. Eine Hybrid-DVD spielt im DVD-Player einen Spielfilm ab. Legen wir die DVD in das DVD-Laufwerk des Computers ein, können wir ein Spiel spielen oder eine Webseite aufrufen. Blu-ray Disc (BD) Anfang 2008 wurde die Weiterentwicklung der HD-DVD eingestellt, nachdem große Filmproduzenten ins Bluray-Lager gewechselt waren. Die Weiterentwicklung der DVD führte zu zwei Formaten, die beide blaue Laserdioden mit einer kürzeren Wellenlänge verwenden und eine deutlich höhere Speicherkapazität anbieten: 25 GB Single-Layer 50 GB Double-Layer 15 GB Single-Layer 30 GB Double-Layer PC-Kombiplayer für Blu-ray und HD-DVD HD-DVD und Blu-ray Disc im Vergleich Die Sony Playstation 3 wurde von Anfang an mit einem Blu-ray-Laufwerk ausgeliefert. Für die XBox 360 hat Microsoft bis 2008 ein HD-DVD-Laufwerk angeboten. Blu-ray Disc und HD-DVD im Vergleich präsentierte die Blu-ray-Disc-Association die Blue-ray Disc als Nachfolger der DVD. Die Firmen Sony, Philips, Matsushita, Pioneer, LG, Hitachi, Sharp, Samsung, Dell, HP und Apple arbeiteten an der Blu-ray Disc (BD) mit einer Speicherkapazität von 25 GB je Layer für les- und beschreibbare Medien. Unterstützende Firmen aus der Filmindustrie waren 20th Century Fox, Disney, Warner Brothers und ab Anfang 2008 auch Time Warner, die Universal Studios und Constantin stellte das DVD-Forum die HD-DVD als Nachfolger der DVD vor. Die Weiterentwicklung der HD-DVD wurde im Februar 2008 eingestellt. Die HD-DVD mit einer Speicherkapazität von 15 GB je Layer für lesbare und 20 GB je Layer für beschreibbare Medien konnte sich nicht durchsetzen. Ü 0.31: Datensicherungsmedien Welches Format ist für Datensicherungen besser geeignet: a) DVD oder b) Blu-ray? Begründen Sie Ihre Antwort! 32 Angewandte Informatik HTL

33 Lerneinheit 2: Personal Computer Beschreibbare optische Datenträger Ein moderner Multimedia-PC ist in der Regel mit einem Brenner ausgerüstet. Wir unterscheiden CD- und DVD-Brenner: Brenner und Rohlinge Das Beschreiben eines Rohlings wird als Brennen bezeichnet. Mit einem Laserstrahl werden die Pits auf der speziellen Beschichtung der Oberfläche des Rohlings erzeugt. Auf diese Weise brennt der Laserstrahl die Daten in Form von Bit und Byte auf die Scheibe. 0 Grundlagen der Informatik CD-R-Rohling: Compact Disc Recordable CD-RW-Rohling: Compact Disc ReWriteable DVD R und DVD RW werden vom DVD- Forum, einer Vereinigung von mehr als 230 Firmen, unterstützt. DVD+R und DVD+RW werden von Firmen wie Dell, HP, Mitsubishi, Philips, Ricoh, Sony, Thomson und Yamaha unterstützt. DVD-RAM speichert Daten in Spuren und Sektoren. Beschreibbarer HD- DVD-Rohling mit einer Schicht. 1 CD-Brenner können CD-R- und CD-RW-Medien beschreiben. Es gibt zwei Formen von beschreibbaren CD-Medien: Die einmal beschreibbare CD-R und die mehrmals beschreibbare CD-RW. Eine CD-RW kann 50- bis 100-mal gelöscht und erneut beschrieben werden. CD-Rohlinge werden als CD-R74 (650 MB), CD-R80 CD-R-Spindel (700 MB) und CD-R90 (800 MB) angeboten. Dies gilt auch für CD-RW-Rohlinge. Aufgrund des rasanten Preisverfalls von DVD- Rohlingen und der deutlich geringeren Kapazität von CDs gehen die Marktanteile der CD-R und CD-RW ständig zurück. Auch Softwarehersteller und Fachzeitschriften bieten mittlerweile DVDs statt CDs an (z. B. Microsoft, SUSE, Chip, c't). 2 DVD-Brenner werden in vier Typen eingeteilt: DVD-minus-, DVD-plus-, DVD-RAMund Multiformat-Brenner. Bei den beschreibbaren DVDs gibt es ebenso wie bei der CD einmal (DVD+R, DVD R) und mehrmals beschreibbare Rohlinge (DVD+RW, DVD RW, DVD-RAM). Multiformat-Brenner können alle Formate beschreiben. Das Lesen ist in der Regel mit allen DVD-Geräten, auch DVD-Playern, problemlos möglich (Ausnahme: DVD- DVD+R-DL- Rohling DVD-RAM-Rohling DVD RW-Spindel RAM). Bei DVD±R und DVD±RW erfolgt die Aufzeichnung wie bei der CD spiralförmig. Einzig die DVD-RAM stellt eine Ausnahme dar. Wie eine Festplatte wird die DVD-RAM beim Beschreiben in Spuren und Sektoren eingeteilt. Betrachten wir eine DVD-RAM, so können wir diese Einteilung sogar mit freiem Auge erkennen. 3 HD-DVD- und Blu-ray-Disc-Brenner ermöglichen das Schreiben auf mehrere Layer (Multilayer). Im Gegensatz zur DVD, die maximal zwei Schichten (Layer) pro Seite unterstützt, können bei einer HD-DVD und bei einer BD mehrere Schichten pro Seite beschrieben werden, wodurch sich die Speicherkapazität vervielfacht. Beim Kauf von Rohlingen ist die Anzahl der Schichten angegeben. Eine HD-DVD speichert 15 GB, eine Blu-ray Disc 25 GB pro Schicht. BD-RE-Rohling mit zwei Schichten Mr. What und Ms. Check Wofür eignen sich DVD-RAM- Medien besonders? DVD-RAM-Medien eignen sich zur Datensicherung, da nach dem Beschreiben automatisch eine Überprüfung stattfindet. Bei anderen Rohlingen (R, RW) ist dies nicht der Fall. Angewandte Informatik HTL 33

34 Lernen Achtung! Expertenwissen: Hochauflösendes Fernsehen High Definition Television (HDTV) Expertenwissen für besonders Interessierte Full-HD: LCD- und Plasma-Bildschirme der neuesten Generation ermöglichen Darstellungen mit einer Auflösung von Pixel. Das HD-ready-Logo kennzeichnet HDTVfähige Geräte. HDTV bietet gestochen scharfe Bilder in den Formaten 720p, 1080i und 1080p. Bei 720p und 1080p sehen wir Filme in der Vollbilddarstellung (Progressive Scan). Die Auflösungen betragen Pixel (720p) bzw Pixel (1080p). Bei 1080i beträgt die Auflösung zwar Pixel, jedoch erfolgt die Übertragung in Halbbildern (Interlaced). In der Praxis wird die Bildqualität von 720p und 1080i als etwa gleichwertig empfunden. Der technische Durchbruch von HDTV hat längst begonnen. Zahlreiche europäische Fernsehsender senden ihre Programme in HD, darunter auch ORF, ARD und ZDF. Alle modernen LCD-TV- und Plasmageräte sind für Full-HD vorbereitet und auch mit einem entsprechenden HDTV-Panel mit Surround-Sound-System (LG) Logo gekennzeichnet. Die folgende Abbildung zeigt einen Größenvergleich zwischen HDTV und einer herkömmlichen DVD anhand eines Bildes aus dem Film Harry Potter von Warner Bros. Pictures. HDTV 1080p (Full-HD) Pixel Bei einem HDTV- Fernsehbild lassen sich bei gleicher Bildschirmgröße deutlich mehr Details ausmachen. HDTV 720p Pixel PAL 576i (DVD) Pixel HDTV im Vergleich zur DVD Filmszene aus Harry Potter und der Feuerkelch 2005 Warner Bros. Ent. Harry Potter Publishing Rights J.K.R. Ms. Check und Mr. Expert Welche Bedeutung hat HDTV für die Computertechnik? Kann ein PC mit einem HD-DVD- oder Blu-ray-Gerät nachgerüstet werden? Die zunehmende Verschmelzung von Unterhaltungselektronik und Computertechnik führt dazu, dass z. B. auch auf einem PC Kinofilme in hervorragender HDTV-Qualität betrachtet werden können. Ja, die Industrie bietet auch Kombigeräte an, die beide Formate abspielen können. Ü 0.32: HDTV Auf welchen Geräten lässt sich ein HDTV-Film darstellen: a) Röhrenfernseher, b) Plasma-TV, c) LCD-TV, d) Computer-LCD-Monitor? 34 Angewandte Informatik HTL

35 Lerneinheit 2: Personal Computer 8 Ausgabegeräte Flachbildschirm, Videoprojektor und Drucker Der Flachbildschirm war noch vor wenigen Jahren Science-Fiction. Mittlerweile gehört er zum täglichen Leben. Flachbildschirme finden wir heute in Autos, auf Kühlschränken und Videokameras sowie als Fernseher und Computermonitore. Im Jahr 2003 wurden erstmals mehr Flachbildschirme als CRT-Monitore verkauft. 0 Grundlagen der Informatik Organic Light-Emitting Diode (OLED) bezeichnet eine Leuchtdiode, die einen organischen Farbstoff verwendet. OLED Liquid Chrystal Display (LCD) bezeichnet eine Bildschirmtechnologie, die zur Darstellung Flüssigkristalle verwendet. Plasma LCD Einsatzmöglichkeiten verschiedener Formen von Flachbildschirmen Typen von Flachbildschirmen 108-Zoll-LCD-Panel von Sharp mit Pixel (Sharp) 150-Zoll-Plasma-Panel von Panasonic (CES Las Vegas 2008) 1 TFT-LCDs werden vor allem für kleine Displays verwendet und können auch für höhere Auflösungen sehr gut eingesetzt werden. TFT-LCDs finden wir als Minidisplays in Foto- und Videokameras, PDAs, GPS-Navigationssystemen in Autos sowie als Notebook- und Computerdisplays. Bei Computerdisplays sind heute Bilddiagonalen von 19 bis 24 Zoll Standard. Die Auflösungen reichen von bis Pixel (im Widescreen-Format 16:10). 2 LCD-TVs ermöglichen es, den Fernseher als Bild an die Wand zu hängen. Der enorme Preisverfall bei den LCD-TVs macht diese durchwegs HDTV-fähigen Geräte auch für den Massenmarkt erschwinglich. Großbildgeräte sind derzeit bis zu einer Bilddiagonale von 108 Zoll, das entspricht 2,7 m, erhältlich. 3 Plasmabildschirme eignen sich vor allem für den Einsatz in Geräten mit großen Bilddiagonalen bis 150 Zoll, das entspricht 3,8 m. Allerdings sind Stromverbrauch und Hitzeentwicklung sehr groß. Wer Kinofeeling im Wohnzimmer haben will, greift zu einem Plasmafernseher. Diese Technik eignet sich gut für sehr große Displays mit brillanter Farbdarstellung. 4 OLEDs sind organische Flachbildschirme. Sie sind wesentlich günstiger in der Herstellung als TFT-Displays und benötigen keine aktive Hintergrundbeleuchtung. Derzeit gibt es Displays bis zu einer Größe von 40 Zoll (siehe Bild). Auf der Consumer Electronics Show 2007 stellte Sony das erste Full-HD-OLED mit einer Bilddiagonale von 27 Zoll und einer Auflösung von Pixel vor. Das Display ist nur 1 cm dick. 40-Zoll-OLED-Panel von Samsung mit Pixel (Samsung) Angewandte Informatik HTL 35

36 Lernen Mr. What und Ms. Check Kann eigentlich jeder LCD- und Plasmafernseher HDTV darstellen? Nein. HDTV-fähige Geräte sind mit dem HD-Ready-Logo gekennzeichnet. Aber fast alle modernen Geräte unterstützen mittlerweile HDTV, die teuren Geräte sogar Full-HD (1080p). Kann ich die Auflösung bei einem TFT-LCD ändern? Ja, aber Sie sollten immer die für das Gerät optimale Auflösung einstellen, da andernfalls Skalierfehler entstehen und die Darstellung von Grafik und Text unscharf ist. Skalierfehler bei verschiedenen Auflösungen auf einem TFT-LCD Kann ich meinen PC auch an einen LCD- oder Plasma-Fernseher anschließen? Ja, sofern das Gerät einen VGA-, HDMI- oder DVI-Anschluss hat. Doch in der Regel sind die Auflösungen von LCD- und Plasma-TV-Geräten kleiner als jene von Computermonitoren. Videoprojektor Ein Videoprojektor (Beamer) ist ein Bildprojektor für einen PC oder DVD-Player. Mit einem Beamer machen Sie Ihr Wohnzimmer zum Kinosaal oder Sie projizieren eine Firmenvorstellung bei einem Geschäftstreffen. Mühelos erreichen Beamer Bilddiagonalen von mehreren Metern, sofern Sie den Raum abdunkeln oder ein entsprechend lichtstarkes Gerät verwenden. Liquid Chrystal Display (LCD) bezeichnet eine Bildschirmtechnologie, die zur Darstellung Flüssigkristalle verwendet. Digital Light Processor (DLP) wurde von Texas Instruments entwickelt und verwendet mikroskopisch kleine Spiegel auf einem DMD-Chip. Desktopgerät LCD Kompaktgerät Typen von Videoprojektoren DLP Digital Micromirror Device (DMD) wurde von Dr. Larry Hornbeck 1987 bei Texas Instruments entwickelt und besteht aus bis zu 2 Millionen mikroskopisch kleinen Spiegeln. Direct Driven Image Light Amplifier (D-ILA) wurde von JVC für den High-End-Markt entwickelt. Beamer-Technik 1 Bei einem LCD-Beamer wird das Bild auf einem transparenten LCD-Panel erzeugt und mit einer extrem hellen Halogenlampe projiziert. LCD-Beamer sind preiswert und sehr gut zur Darstellung von Texten und Bildern geeignet. 2 DLP-Beamer erzeugen das Bild auf einem DMD-Chip mittels mikroskopisch kleiner Spiegel und eines Farbrads. Bei hochwertigeren Geräten wird das Bild auf drei Chips erzeugt, sodass kein Farbrad erforderlich ist. Die DLP-Technik ermöglicht brillante Bilder mit hohem Kontrastverhältnis. Daher eignen sich diese Beamer vor allem zur Darstellung bewegter Bilder. DMD-Chips werden auch in Rückprojektions-TV-Geräten und digitalen Projektoren in Kinos eingesetzt. 3 D-ILA-Beamer kombinieren die Vorteile der LCD- und DLP-Technik. Die Qualitäten von D-ILA-Projektoren liegen in einer rasterfreien Projektion mit großem Farbumfang. Die HD-Geräte haben allerdings auch ihren Preis. 36 Angewandte Informatik HTL

37 Lerneinheit 2: Personal Computer Mr. What und Ms. Check Einen Link zu einer Animation über die Funktionsweise von DLP finden Sie in der Linkliste unter der ID: Sind Standbilder schädlich für einen LCD-Beamer? Bei langer Anzeigedauer von Standbildern kann ein Memoryeffekt entstehen, den Sie löschen können, indem Sie ein weißes Bild darstellen. Soll ich mir für mein Wohnzimmer einen LCD- oder einen DLP-Beamer kaufen? Filme werden mit einem DLP-Beamer besser dargestellt, da das Nachleuchten kürzer ist. 0 Grundlagen der Informatik Der erste Tintenstrahldrucker der Welt war der HP 2225A mit einer Auflösung von 96 dpi. Plotter sind Großformatdrucker und ermöglichen Ausdrucke in Fotoqualität bis zur Größe DIN-A0. Tintenstrahldrucker Tintenstrahldrucker sind vor allem im Heimbereich sehr weit verbreitet. Die Möglichkeit, mit günstigen Druckern qualitativ hochwertige Fotoausdrucke in Farbe zu erstellen, ist vor allem zu einer Digitalkamera eine optimale Ergänzung. Doch sind die Druckkosten je Seite aufgrund der teuren Tintenpatronen relativ hoch. Ein Vergleich der Druckkosten pro Seite bei unterschiedlichen Geräten lohnt sich daher auf jeden Fall. Tintenstrahl- und Fotodrucker 1 Tintenpatronen kosten zum Teil fast so viel wie ein neuer Drucker. Der Wettbewerb hat bei Tintenpatronen zu einer sonderbaren Preispolitik geführt. Oft kommt es vor, dass eine Tintenpatrone fast so viel wie der ganze Drucker kostet. Für viele Hersteller sind Tintenstrahldrucker nur durch den Verkauf der Patronen ein Geschäft. Eine Alternative bieten Nachbaupatronen oder Nachfüllsets. Doch Vorsicht: Zuvor sollte geprüft werden, dass bei der Verwendung von Alternativpatronen die Herstellergarantie nicht verfällt. 2 Je nach Druckermodell gibt es unterschiedlich viele Patronen. Wer viel in Farbe druckt, benötigt öfter eine neue Farbpatrone. Bei früheren Druckermodellen gab es zum Teil nur zwei Patronen, eine schwarze und eine farbige. Die farbige Patrone beinhaltete die Grundfarben Magenta, Cyan und Gelb. War eine Farbe aufgebraucht, musste die Patrone gewechselt werden, auch wenn die Tanks der beiden anderen Farben noch nicht leer waren. Bei modernen Fotodruckern gibt es bis zu acht Patronen, die je nach Verbrauch der entsprechenden Farbe einzeln ausgetauscht werden können. William R. Hewlett und David Packard vor der Gründungsgarage von Hewlett Packard in Palo Alto, Kalifornien. Mit der Gründung von HP am 1. Jänner 1939 wurde der Grundstein für die Entstehung des Silicon Valley gelegt. Mr. What und Ms. Check Farbtintenstrahldrucker, HP Photosmart 8250 Kann ich ein Foto auf jedes beliebige Papier drucken? Ich möchte mit einem Tintenstrahldrucker eine Overheadfolie bedrucken. Kann ich dafür einfach die Folien für Kopierer bzw. Laserdrucker verwenden? Um wirklich gestochen scharfe und brillante Bilder zu drucken, sollten Sie ein spezielles Fotopapier verwenden, das eine hochglänzende Oberfläche hat. Nein, das wird nicht funktionieren. Folien für Tintenstrahldrucker haben eine ganz spezielle Oberflächenbeschichtung, die eine rasche Trocknung der Tinte ermöglicht. Bei normalen Folien trocknet die Tinte nicht bzw. verwischt sofort. Angewandte Informatik HTL 37

38 Lernen Laserdrucker Laserdrucker sind im Businessbereich aufgrund der niedrigen Druckkosten und ihrer hohen Druckgeschwindigkeit sehr verbreitet. Der erste Laserdrucker wurde 1971 von der Firma Xerox entwickelt. Kopierer arbeiten nach demselben technischen Prinzip. Gary Starkweather entwickelte 1971 bei Xerox den ersten Laserdrucker. Dots per inch (dpi) bedeutet Punkte pro Zoll, 1 Zoll = 25,4 mm. Der HP Laserjet war der erste erfolgreiche Laserdrucker am Markt. Der Toner ist der vor allem in Fotokopierern und Laserdruckern verwendete Farbstoff. Bei einem Laserdrucker werden die Bilddaten des gewünschten Ausdrucks mittels Laserstrahl auf die Belichtungstrommel übertragen, wo der Toner haften bleibt und auf das Papier aufgebracht wird. Die Fixiereinheit brennt den Toner unter großer Hitze in das Papier ein. Technische Daten von Laserdruckern 1 Die Auflösung bestimmt die Druckqualität bei einem Laserdrucker. Sie wird in der Einheit dpi angegeben. Laserdrucker bieten derzeit Auflösungen zwischen 600 und 2400 dpi. 2 Laserdrucker sind Seitendrucker. Die Druckgeschwindigkeit wird in Seiten/Minute (pages per minute, ppm) angegeben. Geschwindigkeit ist eine Preisfrage je schneller, desto teurer. Vor allem bei Farblaserdruckern müssen wir für schnellere Geräte deutlich tiefer in die Tasche greifen. Monochromlaserdrucker bieten relativ hohe Druckgeschwindigkeiten von 25 ppm und mehr. Farblaserdrucker werden mit Geschwindigkeiten von mindestens 8 bis über 20 ppm angeboten. 3 Die Druckkosten werden wesentlich von den Kosten für den Toner beeinflusst. Der Toner wird in Cartridges geliefert. Ist der Toner leer, wird das ganze Cartridge gewechselt. Neben den Originaltonern gibt es ein breites Angebot an Nachbau-Cartridges, die zum Teil deutlich billiger sind. Gesundheitliche Beeinträchtigung Farblaserdrucker (HP Laserjet) Der Toner von Laserdruckern und Kopierern enthält als schwarzes Farbpigment Ruß und bei bestimmten Sorten auch die Schwermetalle Blei und Cadmium. Ausgetretener Toner kann Schleimhäute, Atemwege und die Haut gesundheitlich beeinträchtigen. Laserdrucker und Kopierer sollten stets in gut durchlüfteten Räumen stehen, da technisch bedingt Ozon freigesetzt wird. Wird der Laserdrucker nicht gebraucht, sollte er stets ausgeschaltet sein, um die Ozonbelastung so gering wie möglich zu halten. Ü 0.33: Druckkosten Für einen Farblaserdrucker sollen die Druckkosten je Seite ermittelt werden. Ein schwarzes Cartridge kostet 90 Euro, Cartridges für die Farben Magenta, Cyan und Gelb kosten jeweils 105 Euro. Mit jedem Cartridge können durchschnittlich 2500 Ausdrucke produziert werden. Wie hoch sind die Druckkosten pro Seite in Schwarzweiß und in Farbe? Mr. What und Ms. Check Was bedeutet die Eigenschaft netzwerkfähig bei einem Laserdrucker? Laserdrucker werden in Betrieben meist von mehreren Personen einer Abteilung gemeinsam benutzt. Netzwerkfähige Geräte können direkt mit einem Netzwerkkabel in das Netzwerk integriert werden. Sie fungieren als Druckserver (engl. Printserver). 38 Angewandte Informatik HTL

39 Lerneinheit 2: Personal Computer Barcode-Scanner zum Einlesen des EAN-Codes an der Supermarktkassa Multifunktionsgeräte Multifunktionsgeräte (All-in-one-Geräte) vereinen die Funktionen von Scanner, Drucker, Kopierer und Fax. Mit diesen Geräten können Dokumente, Bücher und Bilder in den Computer eingelesen, bearbeitet und ausgedruckt werden. Scanner Fax Drucker Multifunktionsgerät (Hewlett Packard) Kopierer Die Geräte basieren entweder auf Laser- oder Tintenstrahldrucktechnik und enthalten einen Flachbett- oder Einzugsscanner sowie eine Druckeinheit. In der Regel werden die Geräte mittels USB mit dem PC verbunden, wobei die Kopierfunktion auch bei ausgeschaltetem PC verfügbar ist. Die Bedienung erfolgt über eine Menüsteuerung. Manche Geräte haben zusätzlich zu Scan-, Kopier- und Druckfunktion auch ein integriertes Fax. Sie werden an die Telefonbuchse angeschlossen und verfügen über eine Zifferntastatur für die Eingabe der Faxnummer. Neben den Flachbett- und Einzugsscannern, die für das Einlesen von Texten und Bildern verwendet werden, gibt es auch Scanner zur Erkennung von Barcodes. 0 Grundlagen der Informatik Mr. What und Ms. Check Sind All-in-one-Geräte wesentlich teurer als normale Drucker? All-in-one-Geräte liegen in der gleichen Preisklasse wie vergleichbare Drucker ohne Scan- und Faxfunktion. Sie sind ab einem Preis von 150 Euro erhältlich. Ü ID: 1022 Übungsbeispiele Ü 0.34: Begriffe zuordnen Ordnen Sie die Begriffe den Abbildungen mittels Verbindungslinien zu: Server PDA Notebook Desktop-PC Smartphone Angewandte Informatik HTL 39

40 Lernen Ü 0.35: Begriffe erklären Auf einem Flugzettel ist zu lesen: Multimedia-PC mit Dualcore-Prozessor, 2 GB RAM und 1 TB Festplatte. Erklären Sie diese Begriffe! Sie finden diese Übungsbeispiele mit automatischer Aufgabenkontrolle unter der ID: erledigt: w Ü 0.36 Ü 0.43: w Ü 0.36: Aussagen beurteilen Kreuzen Sie die richtigen Aussagen an: w Das BIOS enthält alle Programme. w Persistente Speicher behalten die Daten auch ohne Stromzufuhr. w Der RAM-Speicher wird auch Arbeitsspeicher genannt. w ROM bedeutet Release Once Memory. Ü 0.37: Schnittstellen Ordnen Sie die Geräte mittels Verbindungslinien den richtigen Schnittstellen zu und schreiben Sie die Bezeichnung der Schnittstelle zum jeweiligen Gerät: Ü 0.38 zum Expertenwissen: USB und Firewire Kreuzen Sie an, zu welcher der beiden Schnittstellen die Aussagen passen: Aussage USB Firewire 127 Geräte anschließbar 8 40 V integrierte Stromversorgung Kabellänge bis 5 m maximal 3200 Mbit/s Datenübertragung leicht erweiterbar durch Hubs wird von Sony i.link genannt PC wird zur Geräteverwaltung benötigt wird auch IEEE-1394 genannt Ü 0.39: Brenndauer berechnen Ein externer Brenner mit USB-Anschluss hat beim Schreiben eine Datentransferrate von 4800 kb/s. Wie lange dauert das Brennen von 4,7 GB auf eine DVD? Ü 0.40: Sicherungsdauer berechnen Auf eine externe Festplatte mit einer Datentransferrate von 20 MB/s sollen über USB GB Daten kopiert werden. Wie lange dauert es, bis die Daten auf der Festplatte gesichert sind? 40 Angewandte Informatik HTL

41 Lerneinheit 2: Personal Computer Ü 0.41 zum Expertenwissen: Stecker beschriften Beschriften Sie die Stecker mit den richtigen Bezeichnungen: 0 Grundlagen der Informatik Ü 0.42: Festplattenbestandteile beschriften Beschriften Sie die Bestandteile der Festplatte: Ü 0.43: Speichertypen Ordnen Sie zu, ob es sich um magnetische, optische oder elektronische Datenträger handelt: Merkmale magnetisch optisch elektronisch Magnetband CD-ROM Compact-Flash-Card Blu-ray Disc Festplatte USB-Stick DVD-Video Ü 0.44 zum Expertenwissen: Speicherkarte a) In einer Digitalkamera befindet sich eine Speicherkarte mit 1 GB Speicherplatz. Für ein Foto in maximaler Auflösung benötigt die Kamera durchschnittlich 2500 kb. Wie viele Fotos passen auf den Speicher? b) Wie lange dauert es, bis alle Fotos auf einer Festplatte gesichert sind, wenn ein USB-1.1- Anschluss verwendet wird? Sie können davon ausgehen, dass die maximale Übertragungsrate erzielt wird und die Karte voll mit Bildern ist. Angewandte Informatik HTL 41

42 Lernen Ü 0.45: Druckkosten Wie hoch sind die Druckkosten für eine Seite bei einem Schwarzweiß-Ausdruck bzw. bei einem Farbausdruck auf einem Laserdrucker? Die Kosten für das schwarze Cartridge betragen 70 Euro und für jeden Farbtoner 110 Euro (Magenta, Cyan und Gelb). Mit einer Tonerfüllung können ca Ausdrucke gemacht werden. In der Anschaffung kostet der Laserdrucker 350 Euro. Gehen Sie davon aus, dass Schwarzweiß-Ausdrucke und Farbausdrucke gemacht werden. Ü 0.46: Internetrecherche Führen Sie eine Internetrecherche durch und vergleichen Sie einen Farbtintenstrahldrucker und einen Farblaserdrucker hinsichtlich folgender Merkmale: Merkmale Laserdrucker Tintenstrahldrucker Hersteller und Modellbezeichnung Druckgeschwindigkeit in Seiten pro Minute Druckauflösung in dpi Pufferspeicher (Größe des Zwischenspeichers im Drucker) Geräuschpegel in db Druckvolumen (Anzahl der Seiten pro Monat) Blattkapazität der Papierlade Kosten pro Seite für Toner oder Patrone Anschaffungskosten Welches Gerät würden Sie kaufen, wenn Sie pro Monat 1000 Seiten drucken? Sie finden Ü 0.50 mit automatischer Aufgabenkontrolle unter der ID: erledigt: w Ü 0.50: w Weitere Übungen im SbX Ü 0.47: Chipset Bearbeiten Sie das Übungsbeispiel Chipset! Ü 0.48: Interne Peripheriegeräte Bearbeiten Sie das Übungsbeispiel Interne Peripheriegeräte! Ü 0.49: Druckeranschaffung Bearbeiten Sie das Übungsbeispiel Druckeranschaffung! Ü 0.50: Interne Peripheriegeräte Stellen Sie sich einem Quiz mit fünf Fragen zum Thema interne Peripheriegeräte! Ü ID: 1023 In dieser Lerneinheit haben Sie wichtige Bestandteile von Computern und deren Funktionen kennengelernt: Netzteil Mainboard Chipset Das Netzteil versorgt die Komponenten des PCs mit Strom. Die Leistungsfähigkeit des Netzteils muss größer als die Gesamtleistung aller angeschlossenen Komponenten sein. Das Mainboard integriert alle Komponenten eines PCs. Es enthält den/die Sockel für Prozessoren sowie Steckplätze für den Arbeitsspeicher und Erweiterungskarten. Das Chipset besteht aus Prozessor, Northbridge und Southbridge. Alle Komponenten des Chipsets sind optimal aufeinander abgestimmt. 42 Angewandte Informatik HTL

43 Lerneinheit 2: Personal Computer BIOS Prozessor Speicher Das Basic Input Output System ist die Basis-Betriebssoftware für das Mainboard und die angeschlossenen Komponenten. Über ein Setup-Programm kann der PC konfiguriert werden. Das BIOS startet das Betriebssystem. Der Prozessor verarbeitet Befehle in Maschinensprache, kann Berechnungen durchführen und deren Ergebnisse speichern. Der Arbeitsspeicher (RAM) ergänzt die sehr geringe Speicherkapazität des Prozessors. Daten können direkt adressiert werden. Persistente Speicher (ROM) gibt es in verschiedenen Ausführungen. Sie unterscheiden sich vom RAM dadurch, dass sie Daten ohne Stromversorgung halten können und nur einen blockweisen Zugriff auf die Daten ermöglichen. 0 Grundlagen der Informatik Datenbus Grafikkarte USB Firewire Festplatte Flachbildschirm Beamer Tintenstrahldrucker Laserdrucker Multifunktionsgeräte Der Datenbus bindet Erweiterungskarten in den PC ein. PCI-Express ist der aktuelle Standard. Bei PCIe können mehrere Datenleitungen (Lanes) zum Erzielen höherer Datentransferraten kombiniert werden, woraus sich die Bezeichnungen x1, x2, x4, x8, x16 und x32 ergeben. Die Grafikkarte erzeugt das Bild, welches am Monitor ausgegeben wird. Flachbildschirme werden entweder über VGA oder DVI angeschlossen. Der Universal Serial Bus ist eine universelle Schnittstelle zum Anschluss von bis zu 127 Geräten, wobei diese von einem Host-Controller verwaltet werden. Firewire wurde für die Übertragung großer Datenmengen im Multimediabereich entwickelt. Bis zu 63 Geräte können direkt miteinander verbunden werden. Ein Host-Controller wird nicht benötigt. Eine Festplatte speichert Daten auf Scheiben mit magnetisierbarer Oberfläche. Die Einteilung der Scheiben erfolgt in Spuren und Sektoren. Um Beschädigungen zu vermeiden, bewegt sich der Schreib-/Lesekopf nach dem Datenzugriff in eine Parkposition. LCD-Flachbildschirme werden vorwiegend für Computer, Notebooks und Fernseher eingesetzt. Sie bieten eine hohe Auflösung und haben einen geringen Platzbedarf. Plasma-Displays werden für sehr große Bilddiagonalen im TV-Bereich verwendet. Organische Displays werden derzeit für sehr kleine Bildschirme, wie z. B. in Digitalkameras und MP3-Playern, eingesetzt. LCD-Videoprojektoren benutzen zur Darstellung des Bildes ein transparentes TFT-LCD. DLP- Videoprojektoren arbeiten mit einem DMD-Chip, der von Texas Instruments entwickelt wurde und aus Millionen von mikroskopisch kleinen Spiegeln besteht. D-ILA-Projektoren verbinden die Vorteile der LCD- und DLP-Technik und eignen sich für die Darstellung qualitativ hochwertiger HD-Filme. Ein Tintenstrahldrucker bringt mithilfe eines Druckkopfes Tinte aus einem Tintentank auf das Papier auf, auf dem die Tinte innerhalb weniger Sekunden trocknet. Tintenstrahldrucker verfügen über bis zu acht getrennte Tintentanks unterschiedlicher Farbe und eignen sich für fotorealistische Ausdrucke. Der Vorteil des geringen Anschaffungspreises wird meist durch sehr hohe Kosten für Tintenpatronen aufgewogen. Nachbaupatronen oder Refillservice gleichen diesen Nachteil teilweise aus. Bei einem Laserdrucker wird das Tonerpulver auf eine von einem Laserstrahl vorbehandelte Rolle aufgebracht und in der Fixiereinheit mittels Hitze in das Papier eingebrannt. Wichtige technische Daten von Laserdruckern sind Auflösung (dpi) und Druckgeschwindigkeit. Multifunktionsgeräte integrieren verschiedene Funktionen wie Drucken, Scannen, Kopieren und Faxen in einem Gerät. ID: 1023 Zusätzlich zu dieser Zusammenfassung finden Sie im SbX eine Audio-Wiederholung zur Wiedergabe mit dem Audio-Player und als MP3-Datei sowie eine Bildschirmpräsentation. Angewandte Informatik HTL 43

44 Lernen Ü ID: 1024 Kontrollfragen und -aufgaben 1. Nennen Sie mindestens fünf Bestandteile einer Zentraleinheit! 2. Was versteht man unter Dual Core bei einem Mikroprozessor? 3. Welcher Speichertyp wird bei Speicherkarten für Digitalkameras eingesetzt? Wodurch unterscheiden sich diese Speichertypen von RAM? 4. Welche Aufgaben hat das BIOS? 5. Im technischen Datenblatt eines Servers sind die Kürzel x86 und x64 zu finden. Erklären Sie diese Begriffe! 6. Welche Eigenschaften eines Prozessors sind für ein Notebook besonders wichtig? 7. Erklären Sie den Unterschied zwischen VGA- und DVI-Anschluss auf der Grafikkarte! 8. Nennen Sie pro Schnittstelle mindestens zwei Geräte, die an sie angeschlossen werden können: a) PS/2, b) Parallel-Port, c) Serial-Port, d) USB, e) IEEE-1394, f) Audio 9. Erklären Sie die wesentlichen Unterschiede zwischen USB und Firewire! 10. Beschreiben Sie Aufbau und Funktionsweise einer Festplatte! 11. Welche Formen von Flachbildschirmen gibt es und wofür eignen sich diese? 12. Welche Vorteile bieten DLP- gegenüber LCD-Beamern? 13. Welche Funktionen umfasst ein All-in-one-Gerät? Sie finden die Aufgaben 15 bis 17 mit automatischer Aufgabenkontrolle unter der ID: erledigt: w Aufgabe 15: w Aufgabe 16: w Aufgabe 17: w 14. Jemand behauptet, er besitze einen PDA mit einem Plasma-Display. Wie ist diese Aussage zu beurteilen? Weitere Aufgaben im SbX 15. Stellen Sie sich dem Quiz zum Thema Zentraleinheit! 16. Stellen Sie sich dem Quiz zum Thema Ausgabegeräte! 17. Stellen Sie sich dem Quiz zum Thema externe Peripheriegeräte! Ein kurzer s-check bevor s weitergeht! s-check Ich kann Bestandteile eines PCs aufzählen. Ich kann Funktionen von PC-Komponenten erklären. Ich kann Unterschiede optischer Datenträger nennen. Ich kann technische Daten von Ausgabegeräten vergleichen. 44 Angewandte Informatik HTL

45 Lerneinheit 3: Anschaffungsplanung Alle SbX-Inhalte zu dieser Lerneinheit finden Sie unter der ID: Lerneinheit 3 Anschaffungsplanung Wenn Sie in einem Betrieb für die Anschaffungen von EDV-Geräten zuständig sind, ist es Ihre Aufgabe, Ausschreibungen zu formulieren und die Angebote der Anbieter zu bewerten. In dieser Lerneinheit beschäftigen Sie sich mit der Durchführung von IT-Ausschreibungen und Sie vergleichen und beurteilen Produktangebote mithilfe unterschiedlicher Methoden. 0 Grundlagen der Informatik Lernen Ü ID: Preis- versus Kostenvergleich Präferenzierung bei vergleichbaren Leistungsdaten Für eine Kaufentscheidung spielen viele Faktoren eine Rolle. Es kann sich als äußerst schwierig erweisen, aus einer Fülle von Angeboten das passende auszuwählen, wenn zuvor nicht einige Überlegungen angestellt werden. Ein wichtiges Kriterium für eine Kaufentscheidung stellt der Preis dar. Die folgende Abbildung enthält Datenblätter und Preise von Notebooks. Wie können Sie einen Preisvergleich anstellen, ohne die Objektivität zu verlieren? Denn Menschen lassen sich bei ihrer Kaufentscheidung sehr stark von ihren Emotionen beeinflussen. Beim Knock-out-System erfolgt die Auswahl der besten Alternative mithilfe von Kriterien. Preisvergleich Der Preisvergleich mithilfe einer Anforderungsliste erfolgt nach dem Knock-out-System. Geräte, die den Anforderungen nicht entsprechen, werden ausgeschieden. Bevor das Gerät mit dem niedrigsten Preis ausgewählt wird, werden die Anforderungen an das Gerät definiert. Dieses Datenblatt finden Sie auch unter der ID: Must-have- Anforderungen legen den Mindeststandard für die Leistungsdaten fest. Nice-to-have- Anforderungen geben bei Preisgleichheit den Ausschlag für eine Alternative. Eine Bildschirmpräsentation mit allen Abbildungen zum Schritt LERNEN finden Sie unter der ID: L 0.12: Knock-out-System Preisvergleich anhand von Anforderungen Für ein Schul-Notebook wurden folgende Must-have-Anforderungen festgelegt: Zweikernprozessor, 2 GHz Taktfrequenz, 4 GB RAM, 500 GB Festplatte, 17-Zoll-Display, USB, LAN, DVD- Brenner. Als Nice-to-have-Anforderungen definieren wir: Blu-ray-Laufwerk, große Festplatte, HDMI-Ausgang. Um eine Entscheidung zu treffen, werden zunächst alle Varianten ausgeschieden, die die Must-have- Anforderungen nicht erfüllen. Da das erste und das dritte Gerät eine zu kleine Festplatte haben, scheiden diese aus. Die Wahl fällt auf das zweite Gerät, da es alle Anforderungen zum günstigsten Preis erfüllt. Angewandte Informatik HTL 45

46 Lernen Kostenvergleich Der Anschaffungspreis alleine kann eine falsche Entscheidungsgrundlage darstellen. Daher werden bei Entscheidungen mit unterschiedlicher Auslastungserwartung auch die Betriebskosten berücksichtigt. Die Druckkosten/Seite bleiben auch bei hohem Druckvolumen konstant. Economies of Scale: Die Anschaffungskosten/Seite sinken bei höherem Druckvolumen. Der Break-even-Point gibt die Auslastungsschwelle an, ab der die teurere Anschaffung aufgrund der niedrigeren Stückkosten günstiger ist. L 0.13: Kostenvergleich und Break-even-Point In einer Schule soll z. B. ein Farbdrucker angeschafft werden. Zwei Modelle kommen prinzipiell in Frage: a) Farblaserdrucker: Anschaffungspreis 780 EUR, Kosten/Seite 0,60 EUR b) Farbtintenstrahldrucker: Anschaffungspreis 240 EUR, Kosten/Seite 0,75 EUR Wie hoch sind die Gesamtkosten pro Seite bei 500 bzw gedruckten Seiten pro Jahr und einer Nutzungsdauer von vier Jahren? Rechengang für 500 Seiten/Jahr: a) 780 : 4 : ,60 = 0,99 EUR pro Seite b) 240 : 4 : ,75 = 0,87 EUR pro Seite Rechengang für Seiten/Jahr: a) 780 : 4 : ,60 = 0,6195 EUR pro Seite b) 240 : 4 : ,75 = 0,756 EUR pro Seite Die richtige Entscheidung hängt in diesem Fall nicht vom Anschaffungspreis, sondern von der Auslastung des Gerätes ab. Bei hohem Druckvolumen sind die Gesamtkosten beim Farblaserdrucker niedriger. Bei geringem Druckvolumen ist der Tintenstrahldrucker günstiger. Ab welchem Druckvolumen sind die Gesamtkosten des Laserdruckers niedriger? 780 : 4 : x + 0,60 = 240 : 4 : x + 0, : x 60 : x = 0,75 0,60 x = 135 : 0,15 = 900 Seiten/Jahr Kosten/Seite Kostenvergleich Laserdrucker Tintenstrahldrucker Break-even-Point Dieses Excel-Diagramm finden Sie unter der ID: Kostenvergleich zwischen Laser- und Tintenstrahldrucker Druckvolumen Mr. What und Ms. Check In welchen Fällen sollte ich den Preis-, wann den Kostenvergleich heranziehen? Den Preisvergleich können Sie einsetzen, wenn die Betriebskosten pro Stück bei allen Alternativen gleich hoch sind. Sind die Betriebskosten auslastungsabhängig, muss der Kostenvergleich für die Entscheidungsfindung herangezogen werden. In diesem Fall würde der Preisvergleich möglicherweise zu einer falschen Entscheidung führen. 46 Angewandte Informatik HTL

47 Lerneinheit 3: Anschaffungsplanung Musterunternehmen Ü 0.51: Tintenstrahldrucker Die H2Ö GmbH möchte für den PC im Sekretariat einen Tintenstrahldrucker anschaffen. Drei Modelle kommen in die engere Wahl: a) Anschaffungspreis 190 EUR, Kosten/Seite 0,86 EUR, Nutzungsdauer 3 Jahre b) Anschaffungspreis 250 EUR, Kosten/Seite 0,85 EUR, Nutzungsdauer 4 Jahre c) Anschaffungspreis 490 EUR, Kosten/Seite 0,84 EUR, Nutzungsdauer 5 Jahre Pro Jahr sollen rund Ausdrucke auf diesem Drucker erstellt werden. Welches Gerät weist die niedrigsten Gesamtkosten pro Seite auf? 0 Grundlagen der Informatik Musterunternehmen Ü 0.52: Break-even-Menge berechnen Vergleichen Sie die Angebote a) und c) aus Ü 0.51 und berechnen Sie die Break-even- Menge! Methoden der Anschaffungsplanung Die Anschaffung von IT-Systemen stellt eine schwierige Herausforderung dar. Es gilt, möglichst viele Aspekte bei der Anschaffung zu berücksichtigen. Die folgenden drei Methoden haben sich in der Praxis bei Anschaffungsplanungen bewährt: Anschaffungsplanung TCO = Total Costs of Ownership ROI = Return on Investment Entscheidungsmatrix Total Costs of Ownership Return on Investment Methoden der Anschaffungsplanung Wie kann eine Entscheidung getroffen werden, wenn die Anforderungskriterien, wie z. B. Geschwindigkeit, Speicherkapazität und Preis, eine unterschiedliche Wichtigkeit aufweisen? 2 Entscheidungsmatrix Gewichtung der Kaufkriterien In einer Entscheidungsmatrix werden die kaufentscheidenden Kriterien mit einem Prozentsatz nach ihrer Wichtigkeit bewertet. Auch der Preis bzw. die Stückkosten stellen ein solches gewichtetes Kriterium dar. Nun werden die Kriterien mit jenen der Alternativen verglichen und mit Punkten oder Noten bewertet. Die Summe der gewichteten Punkte bzw. Noten liefert die Entscheidungsgrundlage. Angewandte Informatik HTL 47

48 Lernen L 0.14: Entscheidungsmatrix In der betrieblichen Praxis wird häufig die gewichtete Entscheidungsmatrix eingesetzt. Die einzelnen Noten werden hierbei mit einem Prozentsatz, der in Summe für alle Kriterien 100 % ergibt, gewichtet. Bei der folgenden Entscheidungsmatrix weist Produkt B die Bestnote auf. Die Summe der gewichteten Noten drückt die subjektive Einschätzung des Entscheiders aus. Die Methode liefert ein Maß für die persönliche Präferenz in Form von Schulnoten. Die Benotung sollte möglichst objektiv sein. Mit der Gewichtung wird die Wichtigkeit einzelner Kriterien festgelegt. Diese Excel-Tabelle finden Sie unter der ID: Entscheidungsmatrix mit Gewichtung Mr. What und Ms. Check Gelange ich mit einer Entscheidungsmatrix immer zum richtigen Ergebnis? Die Entscheidungsmatrix kann Ihnen dabei helfen, eine objektive Entscheidung zu treffen. Allerdings dürfen Sie die Gewichtung oder die Benotung nachträglich nicht mehr ändern, da Sie damit die Objektivität Ihrer Entscheidungsfindung gefährden würden. Musterunternehmen Ü 0.53: Office-Software In der H2Ö GmbH soll eine Office-Software für 20 PCs beschafft werden. Drei Programme stehen zur Wahl: a) Open Office, b) Microsoft Office und c) Google Docs. Die Bewertung durch die IT-Mitarbeiterin, Frau DI Funk, brachte folgendes Ergebnis: Kriterium Open Office MS Office Google Docs Gewichtung Preis % Handhabung % Kompatibilität % Projektunterstützung Dokumentenverwaltung % % Erstellen Sie in Excel eine Entscheidungsmatrix mit Gewichtung und berechnen Sie die gewichteten Notensummen für jede Anwendersoftware. Für welche Software sollte sich H2Ö entscheiden? 48 Angewandte Informatik HTL

49 Lerneinheit 3: Anschaffungsplanung TCO = Total Costs of Ownership 3 Total Costs of Ownership Gesamtkosten der Nutzung Die TCO-Methode versucht, möglichst alle Kosten einer Anschaffung zu erfassen, die während deren Nutzung anfallen. Durch Vergleich der TCO kann die günstigste Alternative ermittelt werden. Dabei werden nicht nur die Anschaffungs- und Installationskosten angesetzt, sondern auch Schulungs-, Wartungs-, Verwaltungs- und Ausfallskosten. Die TCO-Methode eignet sich für Hard- und Softwareanschaffungsplanungen und kann insbesondere zum Vergleich von Open- Source- mit proprietärer Software eingesetzt werden. Bei der TCO-Methode werden alle im Laufe der Nutzung anfallenden Kosten diskontiert, das bedeutet abgezinst auf den Zeitpunkt der Anschaffung. Die folgende Abbildung verdeutlicht das: 0 Grundlagen der Informatik diskontierte Ausgaben diskontierte laufende Kosten Anschaffungskosten Betriebskosten Direkte Kosten sind Anschaffungskosten, Betriebskosten und Verwaltungskosten. Entsorgungskosten Zeit TCO-Methode mit diskontierten Ausgaben Indirekte Kosten stehen mit dem Betrieb des Gerätes in keinem direkten Zusammenhang. L 0.15: Total Costs of Ownership Das Beispiel eines PC-Arbeitsplatzes in einem Unternehmen zeigt einige Bestandteile der Total Costs of Ownership: Hardware- und Softwarekosten: Anschaffungskosten für Hard- und Software (Abschreibungen oder Leasingraten), Kosten aus Wartungsverträgen, Kosten für Verkabelung, Netzwerk, Server. Betriebskosten: Energiekosten, Leitungskosten (z. B. für Internet, Voice-over-IP), Administration und Support, Schulung, Software-Updates, Security-Vorbeugemaßnahmen (z. B. Virenschutz, Firewall). Verwaltungskosten: Inventarführung/Buchhaltung, Versicherung, Vertragsverhandlungen, Budgetplanung, Koordination von Weiterbildungsmaßnahmen für IT-Personal und Anwender. Indirekte Kosten: Ausfallskosten aufgrund von Nicht-Verfügbarkeit des PCs (z. B. bei Virenbefall), Konfigurationsarbeiten und Selbsthilfe des Benutzers. Bei der TCO-Methode werden nur die Kosten, nicht aber der Erfolg der Investition beurteilt. Ü 0.54: TCO Welche Total Costs of Ownership gibt es bei einem Schulnotebook? Gliedern Sie die Kosten in Hardware, Software, Betrieb, Verwaltung und indirekte Kosten! Angewandte Informatik HTL 49

50 Lernen Expertenwissen für besonders Interessierte Achtung! Expertenwissen: Return on Investment Die ROI-Methode (Return on Investment) ist eine Rentabilitätskennzahl und vergleicht den Gewinn bzw. die Kosteneinsparung mit dem aufgewendeten Kapital. Anhand des ROI können mehrere Alternativen verglichen werden, indem die Wirtschaftlichkeit der Investitionen berechnet wird. Der ROI wird auch als Bilanzkennzahl im Rechnungswesen verwendet. L 0.16: Return on Investment Ein Handelsbetrieb errechnet, dass durch den Einsatz einer E-Commerce-Plattform eine Kosteneinsparung von jährlich EUR und ein zusätzlicher Jahresgewinn durch Mehrumsätze von EUR möglich sind. Die Anschaffungskosten betragen EUR und werden mittels Kredit finanziert (Zinssatz 7 %). Die Tilgung bleibt unberücksichtigt. Gewinn Finanzierungsaufwand ROI = 100 Investition Formel zur Berechnung des Return on Investment Die Amortisationszeit gibt den Zeitraum bis zum Erreichen der Gewinnschwelle an. Sie beträgt in der Praxis für IT-Investitionen ein bis drei Jahre. Gewinn: = Fremdkapitalzinsen: % = Eingesetztes Kapital: ROI = ( ) : = 30,8 % Amortisationszeit = 1 : ROI = 3,25 Jahre Ü 0.55: Netzwerkserver Ein Spielwarenhersteller plant den Ersatz der bestehenden Netzwerkserver durch ein neues leistungsfähigeres Gerät. Die jährlichen Kosteneinsparungen werden auf EUR geschätzt. Die Anschaffungs- und Installationskosten für die neue Hardware betragen EUR. Das Gerät wird zu einem Zinssatz von 6 % geleast. Berechnen Sie den ROI sowie die Amortisationszeit! Ms. Check und Mr. Expert Wodurch unterscheiden sich Entscheidungsmatrix, TCO- und ROI-Methode? Die Entscheidungsmatrix ist eine qualitative Methode. Der Entscheider selbst formuliert die Kriterien für seine Entscheidung und bewertet anschließend mit Punkten oder Noten. TCO und ROI sind quantitative Methoden. Mit ihrer Hilfe können die gesamten Kosten während der Nutzung (TCO) bzw. die Wirtschaftlichkeit (ROI) berechnet werden. 50 Angewandte Informatik HTL

51 Lerneinheit 3: Anschaffungsplanung 4 Ausschreibungen Gesamtkosten der Nutzung Öffentliche Institutionen, wie z. B. Behörden oder Ministerien, und große Unternehmen laden Anbieter zur Abgabe eines Angebotes ein. Diese Ausschreibungen enthalten genaue Anweisungen über die Pflichten des Auftragnehmers. Die folgende Abbildung veranschaulicht den Ausschreibungsprozess. 0 Grundlagen der Informatik Öffentliche Private Ausschreibungen Vergaberichtlinien + Leistungsbeschreibung Angebotsprüfung + Angebotsfrist Ausschreibungsprozess Zuschlag und Vertragsabschluss Beschaffungsprozess im Rahmen einer Ausschreibung 1 Ausschreibungen basieren auf den Vergaberichtlinien. Diese formulieren allgemeine Bedingungen, die jeder Anbieter erfüllen muss. Damit ein Ausschreibungsverfahren möglichst fair abläuft, gibt es die allgemeinen Vergaberichtlinien. In diesen legt der Auftraggeber die Bedingungen für die Anbieter fest. 2 Die Leistungsbeschreibung enthält die konkreten Anforderungen an die zu erbringende Leistung. Darin beschreibt der Auftraggeber die geforderte Leistung, wie z. B. die Lieferung von 250 PCs einer bestimmten Mindestspezifikation. Lieferzeit, Lieferort und Zahlungsmodalität sind in der Regel bereits vorgegeben. 3 Nach Ablauf der Angebotsfrist werden keine weiteren Angebote mehr akzeptiert. Die abgegebenen Angebote werden vor den anwesenden Anbietern verlesen. Bei öffentlichen Ausschreibungen dürfen zu spät einlangende Angebote nicht mehr berücksichtigt werden. 4 Die abgegebenen Angebote werden auf Vollständigkeit und Korrektheit geprüft. Unvollständige bzw. der Leistungsbeschreibung nicht entsprechende Angebote werden ausgesondert. Der Zuschlag erfolgt an den Bestbieter. Der Bestbieter muss nicht der Billigstbieter sein. In der Praxis kommen teurere Anbieter kaum zum Zug, da die Entscheidung gut begründet werden muss und die unterlegenen Anbieter gegen die Entscheidung berufen können. Mr. What und Ms. Check Was passiert mit einem Angebot, das nach der Angebotsfrist einlangt? Bei öffentlichen Ausschreibungen dürfen diese Angebote nicht berücksichtigt werden. Bei privaten Ausschreibungen gilt diese Vorschrift nicht und in der Praxis werden auch zu spät einlangende Angebote geöffnet und entsprechend berücksichtigt. Angewandte Informatik HTL 51

52 Lernen L 0.17: Ausschreibung Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus einer öffentlichen Ausschreibung. BVergG = Bundesvergabegesetz 2002 Den gesamten Text der Ausschreibung finden Sie unter der ID: PC-Ausschreibung der Johannes-Kepler-Universität in Linz, (Quelle: 52 Angewandte Informatik HTL

53 Lerneinheit 3: Anschaffungsplanung Übungsbeispiele Ü 0.56: Druckeranschaffung Der Installateurbetrieb Maxreiter will einen neuen Laserdrucker für den Rechnungsdruck kaufen. Drei Modelle kommen in Betracht: a) Drucker A, Neupreis 780 EUR, Kosten/Seite 0,10 EUR b) Drucker B, Neupreis 240 EUR, Kosten/Seite 0,15 EUR c) Drucker C, Neupreis 690 EUR, Kosten/Seite 0,12 EUR Der Drucker soll fünf Jahre genutzt werden. Jährlich werden ca Rechnungen gedruckt. Für die Entscheidungsfindung sind die niedrigsten Gesamtkosten ausschlaggebend. Erstellen Sie den Alternativenvergleich in Microsoft Excel. Ü ID: Grundlagen der Informatik Die Ausgangsdatei zu Ü 0.56 finden Sie unter der ID: a) Welches Modell ist zu wählen, wenn pro Rechnung nur ein Exemplar gedruckt wird? b) Welcher Drucker ist zu wählen, wenn pro Rechnung zwei Exemplare gedruckt werden? Ü 0.57: Notebookanschaffung Für den Unterrichtseinsatz soll ein Notebook besorgt werden. Es stehen vier Geräte, A, B, C und D, zur Wahl. Die folgende Excel-Tabelle enthält bereits eine Entscheidungsmatrix mit Kriterien, der Gewichtung und der Benotung in Form von Rängen. Welches Gerät ist die beste Wahl, wenn wir die Methode der gewichteten Entscheidungsmatrix anwenden? Die Summen der gewichteten Noten sind in den Zellen G12 bis J12 zu berechnen. Die Ausgangsdatei zu Ü 0.57 finden Sie unter der ID: Welche Alternative weist die Bestnote auf? Angewandte Informatik HTL 53

54 Lernen Ü 0.58: Windows oder Linux? Die Magistratsverwaltung der Stadt Graz überlegt den Umstieg von Windows auf Linux als Client-Betriebssystem. Es geht um insgesamt 700 PCs, auf denen ausschließlich Office (Textverarbeitung, Tabellenkalkulation, Datenbank, ) eingesetzt wird. a) Welche Kriterien könnten bei einer TCO-Kalkulation eine Rolle spielen? b) Welche Vorteile könnte die Verwendung der TCO-Methode gegenüber einer Entscheidungsmatrix haben? c) Welche Methode ist bei dieser Entscheidungsfindung zu empfehlen? Begründen Sie! d) Die Stadtverwaltungen von München, Paris und Wien haben bereits derartige Überlegungen angestellt. Recherchieren Sie im Internet, welche Berechnungsmethoden bei diesen Beispielen angewendet werden und welche Schlüsse die Stadtverwaltungen gezogen haben. Ü 0.59 zum Expertenwissen: Pizza-Lieferservice Ein Pizza-Lieferservice betreibt gegenwärtig eine Website, die bei einem Provider gehostet wird. Die monatlichen Mietkosten für die Website betragen derzeit 690 EUR inkl. Datenbankanbindung und Mailservice. Berechnen Sie anhand des ROI, ob eine Standleitung mit Eigenhosting günstiger wäre! Anschaffungsinvestition (Hardware, Software, Installation) für einen Web- und Datenbankserver EUR Jährliche Wartungskosten inkl. Updates und Patches 400 EUR Monatliche Kosten für die Standleitung 240 EUR Die Anschaffung wird mittels Kredit finanziert. Der Zinssatz beträgt 6,5 %. Die Nutzungsdauer wird mit fünf Jahren veranschlagt. Bei der ROI-Berechnung soll die Abschreibung in gleichen Jahresraten berücksichtigt werden. Die Kalkulation soll mithilfe von Microsoft Excel durchgeführt werden. Lohnt sich der Umstieg auf das Eigenhosting? Die Angebotsbestimmungen der Stadt Wien finden Sie unter der ID: Ü 0.60: Ausschreibung EDV-Raum Erarbeiten Sie in Word eine Ausschreibung zur Ausstattung eines neuen EDV-Raumes für die Schule. Verwenden Sie dazu die Angebotsbestimmungen der Stadt Wien im SbX. Anforderungen: 18 PCs mit Pentium Core 2 Duo, 2 GB RAM, 160 GB Festplatte, LAN-Anschluss, DVD-Brenner, kein Betriebssystem, 20-Zoll-TFT-Display 1 Laserdrucker mit 1000-Blatt-Schacht, mind dpi Druckauflösung, LAN-Anschluss 1 Videobeamer mit DLP-Technik, Pixel physikalische Auflösung 4 Jahre Garantie mit Vor-Ort-Service durch Hersteller oder Händler Aufgabe: Formulieren Sie den Text für die Ausschreibung und laden Sie die Bieter zur Abgabe eines Offerts ein! ID: 1032 Weitere Übung im SbX Ü 0.61: PC-Ausschreibung der H2Ö GmbH Bearbeiten Sie das Projekt PC-Ausschreibung der H2Ö GmbH! Ü ID: 1033 In dieser Lerneinheit haben Sie einige Methoden kennengelernt, die Sie bei der Anschaffungsentscheidung unterstützen. Preisvergleich Ein Preisvergleich ist nur bei technisch gleichwertigen Alternativen möglich. Die Betriebskosten aller Alternativen müssen gleich hoch sein. 54 Angewandte Informatik HTL

55 Lerneinheit 3: Anschaffungsplanung Kostenvergleich Zusätzlich zu dieser Zusammenfassung finden Sie im SbX eine Audio-Wiederholung zur Wiedergabe mit dem Audio-Player und als MP3-Datei sowie eine Bildschirmpräsentation. Entscheidungsmatrix TCO Bei Alternativen mit unterschiedlich hohen Betriebskosten müssen diese in die Berechnung einfließen. Verglichen werden die Stückkosten. Die Entscheidungsmatrix ermöglicht die Berücksichtigung qualitativer Kriterien durch Benotung oder Punktevergabe und Gewichtung der einzelnen Kriterien. Die Total Costs of Ownership berücksichtigen alle direkten und indirekten Kosten einer Anschaffung während der gesamten Nutzungsdauer. 0 Grundlagen der Informatik ROI Ausschreibung Der Return on Investment ist eine Rentabilitätskennzahl für eine Anschaffung. Der Prozentsatz liefert die Verzinsung des eingesetzten Kapitals (= Investition). Dazu werden die Erträge, die sich aus Kosteneinsparungen oder Zusatzumsätzen ergeben, berechnet. Bei einer Ausschreibung formuliert ein Auftraggeber seine Anforderungen und Bedingungen für den Kauf. Alle Anbieter müssen diese erfüllen. Bei öffentlichen Ausschreibungen erfolgt die Angebotseröffnung öffentlich. Jeder Anbieter hat das Recht, der Angebotseröffnung beizuwohnen. ID: 1033 Ü ID: 1034 Kontrollfragen und -aufgaben 1. Erklären Sie den Unterschied zwischen Preis- und Kostenvergleich! 2. Nennen Sie ein Beispiel, bei dem der Preisvergleich nicht anwendbar ist! 3. Welche Vorteile bietet die Entscheidungsmatrix gegenüber dem Kostenvergleich? 4. Nennen Sie ein Beispiel für eine Anschaffungsentscheidung, bei der häufig die TCO-Methode eingesetzt wird! 5. Ein Unternehmensberater errechnet für eine IT-Investition einen ROI von 5 %. Wie ist diese Investition zu beurteilen? 6. Worin unterscheiden sich der Kostenvergleich und die TCO-Methode? 7. Nennen Sie Unterschiede zwischen einer privaten und einer öffentlichen Ausschreibung! 8. Muss bei einer öffentlichen Ausschreibung der Zuschlag immer an den Anbieter mit dem niedrigsten Preis erfolgen? ID: 1034 Weitere Aufgabe im SbX 9. Bearbeiten Sie die Aufgabe zur Erstellung einer Ausschreibung! Ein kurzer s-check bevor s weitergeht! s-check Ich kann Methoden zur Entscheidungsfindung bei Investitionen anwenden. Ich kann Ausschreibungen erstellen. Angewandte Informatik HTL 55

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