Hardware

Was ist ein Computer? Ist ein Mobiltelefon ein Computer? Ein Digitalkamera? Eine Digitaluhr? Ein Projektor? Die smarte Glühbirne? Im weitesten Sinn können wir jedes Gerät, das hinreichend komplexe Programme ausführen kann, als Computer bezeichnen - also inklusive der Digitaluhr. Meist verwenden wir die Bezeichnung allerdings nur im engeren Sinn für Geräte, deren Programm nicht fix vorgegeben ist, sondern die programmierbar sind.

Zunehmend finden sich vollständige Computer in Alltagsgegenständen, deren Programmier-Schnittstelle meist jedoch nur eingeschränkt zugänglich ist, oder jedenfalls sein sollte: in Kühlschränken, Heizungen, Glühbirnen, Lautsprechern…

Wir benützen zwei Abstraktionen, um einen Computer zu beschreiben: Hardware und Software. Hardware sind die elektronischen oder mechanischen Teile, die zu einem Gerät zusammengebaut sind. Software sind die Programme, die vom Gerät ausgeführt werden. Die Software ist normalerweise veränderbar, während die Hardware statisch ist.

Das Mainboard ist das Bauteil, über welches alle anderen Komponenten miteinander verbunden sind.

Der grösste Teil der sichtbaren Komponenten eines Computers machen oft die Ein- und Ausgabegeräte aus, mit denen eine Schnittstelle zum Menschen geschaffen wird. Beispiele für solche Benutzerschnittstellen sind:

• Display / Touchscreen
• Tastatur, Knöpfe, Touchpad, Stift
• Audio (Mikrofon, Lautsprecher, Kopfhörer)
• Kamera
• Ports (USB, SurfaceConnect, MicroSD)
• Antennen für WLAN, Bluetooth, NFC

Der Kern eines Computers ist der Prozessor (en. Central Processing Unit, CPU). Er führt alle Berechnungen durch und steuert die Ein- und Ausgabe von Daten. Daten werden aus dem Speicher oder den Eingabegeräten gelesen, und wieder zurück in den Speicher oder den Ausgabegeräten geschrieben.

Moderne CPUs können Dutzende von Milliarden von Operationen pro Sekunde ausführen. Der Intel Core I5 Prozessor in Surface Laptops hat die folgenden Kennzahlen:

• 4 Kerne (unabhängige Teilprozessoren)
• 8 Threads (parallelle Ausführungsstränge) pro Kern
• 1-3.6 GHz Taktfrequenz (also bis zu 3'600'000'000 Operationen pro Sekunde in jedem Thread)

Die CPU kann also bis zu 115'000'000'000 Operationen pro Sekunde ausführen.

Die Prozessorgeschwindigkeit ist allerdings selten der limitierende Faktor, wenn ein Gerät langsam erscheint. Viel öfter startet ein Programm langsam, weil es zu wenig schnell aus dem Permanentspeicher gelesen werden kann. Dies ist der Fall, wenn der Speicher zu langsam ist, oder zuviele parallele Zugriffe die Leitungen zwischen Speicher und Prozessor „verstopfen“.

Daten werden in Computern digital abgelegt: Die kleinste Informationseinheit, die abgelegt werden kann, heisst Bit und speichert genau eine von zwei Möglichkeiten, ob der Wert des Bits 1 oder 0 ist. 8 Bits werden als Byte bezeichnet.

• 1 kurze Powerpoint-Präsentation (ohne Bilder): 50 KB (0.05 MB)
• 1 Foto (Handykamera): 1-20 MB
  • Eine typische Kamera hat ca. 12 Megapixel, also 3000×4000 Bildpunkte.
  • Für jeden Bildpunkt werden drei Farbwerte gespeichert (Rot, grün, blau)
  • Jeder Farbwert wird typischerweise mit 256 verschiedenen Abstufungen gespeichert, also 1 Byte.
  • 3000 * 4000 * 3 = 36 MB
  • Dank Bild-Kompression ist das Bild aber in guter Qualität nur ca. 4 MB
• 1 FullHD Film von Netflix: 2-7 GB
• 1 FullHD Film im Studio: 400 GB

Der Arbeitspeicher ist die „Arbeitsfläche“ für den Prozessor. Daten werden aus dem Speicher gelesen, und die Resultate von Berechnungen dort zurückgespeichert. Auch die Programme müssen in den Speicher geladen werden, bevor sie ausgeführt werden können. Der Zugriff erfolgt sehr schnell (60-70 Nanosekunden, also Milliardstelsekunden). Daten werden nur solange gespeichert, wie Strom vorhanden ist; beim Ausschalten des Computers gehen die Daten verloren.

Der Arbeitsspeicher heisst auch en. random access memory (RAM), weil jedes Byte im Speicher direkt gelesen oder gespeichert werden kann.

Ein modernes Notebook hat typischerweise 4-16 GB Arbeitsspeicher.

Der Permanentspeicher dient dazu, Informationen abzuspeichern, ohne dass wie beim RAM eine dauernde Stromversorgung nötig ist. Die häufigsten Permanentspeicher sind:

• SSD (en. solid state disks): Speicherchips, die ohne Stromversorgung Daten speichern können.
  • Die gleiche Technologie steckt auch in Speicherkarten von Kameras, und in USB-Sticks.
• Festplatten: rotierende Platten mit magnetisierbarer Beschichtung. Ein Roboterarm erzeugt kleinste magnetische Bereiche die binäre Information repräsentieren.
• DVD / CD: Aluminiumplatten, in die kleine Inseln geprägt oder gebrannt werden, die von einem Laserstrahl abgetastet werden können.

SSDs sind mindestens 1000 Mal langsamer als RAM, mit einer Zugriffszeit von vielleicht 250 Mikrosekunden.

Festplatten sind nochmals langsamer, mit Zugriffszeiten im Millisekundenbereich.

• Wählen Sie eines Ihrer Geräte (Computer, Smartphone).
• Benennen Sie die Benutzerschnittstellen Ihres Geräts.
  • Zählen Sie möglichst viele Arten auf, auf die Sie mit Ihrem Gerät interagieren können.
  • Denken Sie sowohl an die Ein- wie auch die Ausgabe.
  • Beispiel: Die Tastatur dient zur Eingabe von Text.

• Benennen Sie die Geräteschnittstellen Ihres Geräts. Zählen Sie die Möglichkeiten auf, mit denen Ihr Gerät mit anderen Geräten kommunizieren können.

• Mit welchen anderen Eigenschaften beschreiben Sie ihr Gerät?
  • Geschwindigkeit (welche Dimension, welche Grösse wird denn genau gemessen?)
  • Speicher-Kapazität (was wird gespeichert? Einheit?)
  • Gewicht
  • Batterielaufzeit
  • Betriebssystem

• Ihr Mobiltelefon hat 64GB Permanentspeicher. Wieviele Powerpoint-Präsentationen zu 50 KB können Sie darauf abspeichern?

• Wieviele verschiedene Möglichkeiten können in zwei Bits gespeichert werden?
• Wieviel in drei, vier, acht Bits?
• Erkennen Sie eine Regel?

• Wieviele Bits werden benötigt, um ein Element aus dem folgenden Zeichensatz zu speichern?
  • alle Buchstaben des lateinischen Alphabets, in Gross- und Kleinschreibung
  • alle Ziffern des Dezimalsystems
  • die folgenden Satzzeichen: Leerschlag, Punkt, Komma, Doppelpunkt, Fragezeichen, Ausrufezeichen.