1 Hardwareaufbau und -konfiguration Computer sind im Prinzip elektronische Datenverarbeitungsgeräte (DV-Geräte), die im Wesentlichen drei Aufgaben ausführen: Die Entgegennahme einer strukturierten Eingabe von einem Benutzer (User) Die Verarbeitung der Eingabedaten nach festgelegten Regeln Die Ausgabe der erzeugten Ergebnisse an einen Benutzer 1 Der Benutzer ist in den meisten Fällen ein Mensch, jedoch können die Eingabe und die Ausgabe auch durch andere elektrotechnische Geräte erfolgen (z. B. Messwertaufnahmen). Computer sind heute in allen Bereichen des alltäglichen Lebens zu finden und müssen die verschiedensten datentechnischen Aufgaben erledigen können. Trotz unterschiedlichster Einsatzbereiche und Anforderungen weisen sie grundsätzliche Gemeinsamkeiten bezüglich ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise auf: Ein Computer muss neben grundlegenden Eingabe- und Ausgabefunktionen die unterschiedlichsten Verknüpfungsoperationen (mathematische Berechnungen, logische Vergleiche) ausführen können. Hierzu ist eine komplex aufgebaute Verarbeitungseinheit, der sogenannte Prozessor (CPU: Central Processing Unit), erforderlich. Einem Computer muss man vor der Bearbeitung einer Aufgabe angeben können, wie diese mit den grundlegenden Verknüpfungsoperationen zu erledigen ist. Da diese Aufgaben häufig sehr umfangreich sind, besteht ihre Formulierung meist aus vielen nacheinander auszuführenden Anweisungen, dem Programm. Ein Computer benötigt zur Steuerung und Überwachung der vorhandenen elektronischen Komponenten (Hardware) sowie der auszuführenden Programme (Anwendungssoftware) bestimmte Basisprogramme (Systemsoftware). Die Gesamtheit dieser Basisprogramme bezeichnet man als Betriebssystem (OS: Operating System). Ein Computer muss das Betriebssystem dauerhaft und das abzuarbeitende Programm mindestens für die Dauer der Bearbeitung festhalten können. Er benötigt hierzu entsprechende Speichereinheiten. Im einfachsten Fall besteht ein Computer demzufolge aus einer Eingabeeinheit, der Verarbeitungseinheit mit der CPU, die arithmetische und logische Operationen ausführen kann (Rechenwerk) und die Vorgänge in der DV-Anlage entsprechend dem vorgegebenen Programm steuert (Steuerwerk), sowie einer Speicher- und einer Ausgabeeinheit. Ein Computer arbeitet nach dem sogenannten EVA-Prinzip (Eingabe Verarbeitung Ausgabe). Bild 1.1 stellt diese grundlegende Struktur grafisch als Funktionsblöcke dar; eine solche Darstellung bezeichnet man als Blockschaltbild.
14 1 Hardwareaufbau und -koni guration Mit einem Blockschaltbild lassen sich komplexe Zusammenhänge vereinfacht und modellhaft darstellen, ohne dass man die genaue Funktion der einzelnen Komponenten kennen muss. Verarbeitungseinheiten: Hauptprozessor, CPU (Kap. 1.3) Chipsatz (Kap. 1.4) Erweiterungskarten (Kap. 1.9) Verbindungsarten: Paralleler Bus (Kap. 1.6.1) Serieller Bus (Kap. 1.6.3) Punkt-zu-Punkt-Verbindung (Kap. 1.7) Elektrische Verbindungen Eingabegeräte: Tastatur (Kap. 1.11.1) Maus (Kap. 1.11.2) Joystick (Kap.1.11.3 ) Barcode-Leser (Kap. 1.11.4) Scanner (Kap. 1.11.5) Digicam (Kap. 1.11.6) Touchpad (Kap. 1.11.6) Speichermedien und -geräte: Elektronische Speicher (Kap. 1.5) Festplatte (Kap. 1.8.1) SSD (Kap. 1.8.2) CD/DVD/BD-Laufwerk (Kap. 1.8.3 ff.) Speichereinheit Verarbeitungseinheit Eingabeeinheit Ausgabeeinheit Funktionsblöcke Ausgabegeräte: Monitor (Kap. 1.12.2) Touchscreen (Kap. 1.12.3) Display (Kap. 1.12.4) OLED (Kap. 1.12.5) Plasma (Kap. 1.12.6) Beamer (Kap. 1.12.8) Drucker (Kap. 1.13) Plotter (Kap.1.13.7) Lautsprecher (Kap. 5.5.1.4) Bild 1.1: Grundlegendes Blockschaltbild eines Computers Zwischen den dargestellten Funktionsblöcken müssen im Betrieb ständig Daten ausgetauscht werden: Der Prozessor wird Daten zur Bearbeitung von der Eingabeeinheit (z. B. der Tastatur) einlesen, er wird bei Bedarf Daten in den Speicher ablegen, er wird bei Bedarf Daten aus dem Speicher zurückholen und der Prozessor wird das Ergebnis der Verarbeitung in der Regel zu einer Ausgabeeinheit (z. B. dem Monitor) senden. Aus diesem Grunde müssen diese Einheiten elektrisch so verbunden werden, dass die Daten von jeder angeschlossenen Baugruppe zu einer beliebig anderen Einheit der Anlage übertragen werden können. Außerdem muss sichergestellt werden, dass alle Einheiten richtig angesteuert werden.
1.2 PC-Mainboard 37 AUFGABEN 1. Was versteht man bei Mainboards unter dem sogenannten Formfaktor? 2. Welche Formfaktoren werden jeweils bei Netbooks und bei Desktop-PCs eingesetzt? 3. Was bedeutet die Abkürzung ATX? Nennen Sie Merkmale des ATX-Formfaktors. 4. Ein Mainboard ist gemäß dem sogenannten μatx-formfaktor spezii ziert. Welche Abmessungen (in mm mm) hat dieses Board? 5. Welche Komponenten sind auf einem Mainboard zu i nden? 6. Welche Vorsichtsmaßnahmen sind beim Einbau eines Motherboards zu beachten (siehe z. B. Bild 1.26)? 7. Bei Windows-Betriebssystemen i ndet man häui g die Abkürzung ACPI. Was bedeutet sie und welche Funktionen werden hiermit beschrieben? 1 1.3 Prozessor Der Prozessor genauer der Hauptprozessor ( CPU: Central Processing Unit) stellt das Kernstück eines PCs dar und ist damit die zentrale Verarbeitungseinheit des Rechners. Er basiert auf der sogenannten Mikrochiptechnologie, bei der mehrere Millionen (!) Transistoren auf einem nur wenige Quadratzentimeter großen Trägermaterial dem Mikrochip angebracht werden. Deswegen wird er oft auch als Mikroprozessor bezeichnet. Ein Transistor ist ein grundlegendes elektronisches Bauelement, dessen elektrotechnische Eigenschaften in der gesamten IT-Technik von großer Bedeutung sind. Im Prozessor verwendet man Transistoren als schnelle elektronische Schalter, die elektrische Ströme ein- und ausschalten. Die geschalteten Ströme stellen binäre Signale (siehe Kap. 4.1.2) dar, auf deren Verarbeitung die gesamte digitale Datentechnik beruht. Je komplexer das Anordnungsmuster der Transistoren auf dem Mikrochip ist, desto mehr Funktionen kann ein Prozessor ausüben. Mit jeder neu entwickelten Prozessorgeneration vergrößert sich die Anzahl der Transistoren auf dem Mikrochip und damit die Leistungsfähigkeit der Prozessoren. Zum Schutz vor mechanischen Einflüssen ist der Mikrochip in einem Gehäuse untergebracht; der elektrische Anschluss erfolgt über nach außen geführte Kontakte. Der Mikrochip, auf dem der eigentliche Prozessor untergebracht ist, wird auch als Prozessor-Die bezeichnet. Der Prozessor-Die ist wesentlich kleiner als die Prozessor-Platine, die die Unterseite des Prozessor-ICs mit den vorhandenen Kontakten bildet. Die mechanischen Abmessungen des ICs werden maßgeblich durch die Anzahl dieser Kontakte bestimmt. Prozessor-Die Bild: 1.28: Beispiel eines Prozessor-ICs (ohne Gehäuse)
168 1 Hardwareaufbau und -koni guration 1.11 Eingabegeräte Zu den Eingabegeräten (Input Devices) zählen alle Peripheriegeräte, mit denen der Benutzer Eingaben in ein Computersystem vornehmen kann. Man unterscheidet mechanische Eingabegeräte wie beispielsweise Tastatur, Maus oder Joystick und optische Eingabegeräte wie z. B. Barcode-Leser oder Scanner. Manche Peripheriegeräte können sowohl als Eingabe- als auch als Ausgabegerät dienen (z. B. Touchscreen). Im Folgenden werden die wichtigsten Eingabegeräte kurz dargestellt. 1.11.1 Tastatur Die Tastatur (Keyboard) ist ein reines Eingabegerät und stellt das gebräuchlichste Verbindungsglied zwischen dem PC und dem Benutzer dar. Standardmäßig hat sich bei PCs die sogenannte MF-2-Tastatur (MF: Multi-Funktions-Tastatur) durchgesetzt. Die MF-2-Tastatur umfasst insgesamt 102 Tasten (AT-Standard), die in die vier Bereiche alphanumerischer Tastenblock, Ziffernblock, Cursorsteuerung und Funktionstasten unterteilt sind. Oben rechts befinden sich oft LED-Anzeigen, welche die Aktivierung bestimmter Tastaturfunktionen anzeigen. Das Tastaturlayout des alphanumerischen Blocks unterscheidet sich im deutschen Sprachraum ( QWERTZ-Tastatur) von der international üblichen Tastatur ( QWERTY-Tastatur). Die Bezeichnungen resultieren aus der Anordnung der linken sechs Zeichentasten in der oberen Reihe der Buchstabentasten. Beim QWERTZ-Tastatur-Layout ist für die richtige Verarbeitung aller Buchstaben ein entsprechend deutscher Tastaturtreiber erforderlich. Funktionstaste Ziffernblock alphanumerischer Tastenblock Cursortasten Bild 1.156: Standard MF-2-Tastatur Neben den standardmäßig auf jeder handelsüblichen Schreibmaschine zu findenden Tasten hat die PC-Tastatur eine Reihe von zusätzlichen Tasten, deren einzelne Bedeutung und unterschiedlichen Bezeichnungen in der folgenden Tabelle zusammengefasst sind.
238 2 Software AUFGABEN 1. Beschreiben Sie, was man unter der Bezeichnung Software versteht und vergleichen Sie verschiedene Softwarearten in Bezug auf Benutzergruppen, Anwendungsbereiche, Herstellungsprozesse und Vertriebswege. 2. Wodurch unterscheiden sich die beiden Systemarchitekturen nach Von-Neumann und Havard? 3. Was versteht man unter einer Extension und wozu wird sie verwendet? 2.2 Systemsoftware Alle Anwendungsprogramme, die auf einem Rechner ausgeführt werden ob Software zur Textverarbeitung, zur Datenbankverwaltung, zur Bildbearbeitung oder zur Datenkommunikation, haben eines gemeinsam: Sie benötigen für ihre Ausführung ein Basisprogramm, das eine Reihe wichtiger Funktionen (Systemdienste) zur Verfügung stellt. Zu diesen Funktionen zählen z. B. die Verwaltung des Arbeitsspeichers, die Steuerung der Dateneingabe und -ausgabe sowie die Kontrolle über verwendete Programme und Dateien. Die Software, die diese Dienste bereitstellt, wird als Betriebssystem (BS) oder englisch Operating System (OS) bezeichnet. Viele Treiberprogramme, Bibliotheken Betriebssystem Anwender (User, Nutzer) Betriebsmittel, Hardwarekomponenten Softwareprogramme, Datensätze Bild 2.5: Das Betriebssystem als Vermittler zwischen Hardware, Software und Anwender dieser Dienste laufen im Hintergrund ab und werden vom Anwender meist nicht wahrgenommen. Dennoch sind sie für eine fehlerfreie Datenverarbeitung ebenso wie die zahlreichen Treiberprogramme unverzichtbar. Das Betriebssystem ermöglicht es dem Anwender, Programme auf unterschiedlicher Hardware laufen zu lassen. Im angloamerikanischen Sprachgebrauch wird ein Betriebssystem folgendermaßen beschrieben: An operating system is the software that breathes life into a computer. Nach DIN 44300 wird ein Betriebssystem wie folgt beschrieben: Die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Grundlage der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen. Diese Norm besteht aus neun Teilen, in denen Grundbegriffe und übergeordnete Begriffe der Informationsverarbeitung definiert werden. Da Teile dieser Norm aus dem Jahr 1988
5 Grundkenntnisse der Elektrotechnik 5.1 Elektrotechnische Grundbegriffe 5.1.1 Elektrische Spannung 5.1.1.1 Elektrische Ladung Alle Körper sind aus Atomen aufgebaut, deren Elementarteilchen elektrische Ladungen besitzen. Zur Erklärung der meisten Vorgänge in der Elektrotechnik genügt ein einfaches Modell vom Aufbau eines Atoms. Danach besteht jedes Atom aus einem Atomkern und einer Atomhülle (Bild 5.1). + + + + + Bild 5.1: Atommodell von Kohlenstoff Atomkern mit 6 Protonen und 6 Neutronen Elektron Atomhülle mit 6 Elektronen Der Atomkern besteht aus elektrisch positiv geladenen Protonen und elektrisch ungeladenen Neutronen. Die Atomhülle besteht aus elektrisch negativ geladenen Elektronen. Während die Masse von Protonen und Neutronen gleich groß ist, beträgt die Masse eines Elektrons etwa 1/2000 davon. Die elektrischen Ladungen von Proton und Elektron sind gleich groß. Da die Anzahl der Protonen im Kern immer gleich der Anzahl der Elektronen in der Hülle ist, ist ein Atom im Normalzustand elektrisch neutral, d. h. ungeladen. Ist ein Körper positiv geladen, so herrscht Elektronenmangel. Ist ein Körper negativ geladen, so herrscht Elektronenüberschuss. Gleichartige elektrische Ladungen stoßen sich ab. Ungleichartige elektrische Ladungen ziehen sich an. Das Formelzeichen für die elektrische Ladung ist Q. Die Einheit der elektrischen Ladung ist 1 Coulomb (1 C). Die Ladung 1 C entspricht etwa 6,25 10 18 Elementarladungen; als Elementarladung bezeichnet man die Ladung eines Elektrons.