Informatik - Skript zum Unterricht
(I) Hardware
- 0. Einführung
- 1. Begriffsbestimmung
- 2. Die Wurzeln der Informatik
- 3. Grundaufbau
- 4. Verarbeitungseinheit
- 5. externe Datenträger
- 6. Von der Hard- zur Software
2. Die Wurzeln der Informatik
2.1 Teilgebiete der Informatik
Als akademische Disziplin ist die Informatik erst wenige Jahrzehnet alt. Ihre geistigen und technologischen Wurzeln reichen indes weit in die Kulturgeschichte zurück.
In Deutschland wurde 1967 erstmals an der Technischen Universität München das Studienfach Informatik als Vollstudiengang eingerichtet, nachdem seit 1958 auch an anderen Studieneinrichtungen die Möglichkeit bestand, im Rahmen einer Zusatzausbildung für Studierende der Mathematik und Elektrotechnik spezielle Informatikkenntnisse zu erwerben. Dabei wurde der Begriff folgendermaßen definiert:
"Die Informatik ist die Wissenschaft von der Struktur und den Verfahren der Informationsverarbeitung mit technischen Hilfsmitteln. Sie beschäftigt sich insbesondere mit der Darstellung und Verarbeitung anwenderbezogener Informationen mit technischen Funktionen heutiger Rechenanlagen. Dabei bemüht sie sich, von den Besonderheiten der einzelnen Anwendungen zu abstrahieren und die grundlegenden und vielfach anwendbaren Kenntnisse und Verfahren herauszuarbeiten."
Informatik ist die Wissenschaft von der Informationsverarbeitung (Erfassen, Übermitteln, Ordnen, Umformen usw.). Die Informatik beinhaltet die Computeranwendung und die Mathematik. Informatik ist ein Kunstwort aus "Information" und "Technik bzw. Automatik".
Teilgebiete:
·Kerninformatik (theoretische, praktische u. technische Informatik)
·Angewandte Informatik
Eine Information ist die Wahrnehmung, die durch Erfahrung, Beobachtung und Interpretation angeeignet wurde. Sie ist das Ergebnis eines Erfahrungsprozesses und besitzt einen Neuigkeitswert.
Im Gegensatz hierzu sind Daten die Träger von Informationen. Sie haben den Charakter einer Nachricht.
In der DIN 44301-16 (1995-02) sind für den Bereich der Informationstheorie "Information" und "Nachricht" definiert.
Information: Kenntnis, die die Ungewissheit über das Eintreten eines bestimmten Ereignisses aus einer Menge von möglichen Ereignissen verringert oder beseitigt.
Nachricht: Eine geordnete Folge von Zeichen zur Weitergabe von Information.
2.2 Numerische Grundlagen - Stellenwertsysteme
Mit der Verwendung von Buchstaben und Ziffern und der Erfindung von Schrift und Zahlensystemen durch den Menschen beginnt die eigentliche Geschichte der Datenverarbeitung. Man setzt die Zeit dafür um 3000 v.Chr. an, als in Vorderasien und Ägypten die ersten Staaten gegründet wurden. Das Zählen und Rechnen entwickelte sich dabei vor allem aus der Notwendigkeit ihres Einsatzes in den Bereichen Geldwesen, Geometrie und Astronomie. Bedeutende Zahlensysteme entwickelten die Römer, Chinesen, Mayas (1 Hand, 5er-System), die Ägypter, Phönizier (2 Hände, 10er-System), Babylonier (60er-System) die Sumerer, und Inder.
In der Vergangenheit haben sich so zwei wesentliche Systeme zur Darstellung von Zahlen herausgebildet, das Additions- und das Stellenwertsystem.
Ein einfaches Additionssystem ist das Strichsystem (Unärsystem), welches häufig bei einfachen Zählungen eingesetzt wird. Es kommt z.B. beim Bierdeckel zum Einsatz. Da es mit größer werdenden Zahlen immer unübersichtlicher wird, werden die Zahlen in Fünfer-Blöcke zusammenzufassen. Hierbei wird auf jeweils vier Striche der fünfte Strich quer gelegt: IIII.
Ein heute noch verbreiteter Repräsentant des Additionssystems ist das Römische Zahlensystem. Die Zahlen sind aus lateinischen Buchstaben gebildet und haben die Werte 1, 5, 10, 50, 100, 500 und 1000 (I, V, X, L, C, D und M).
2.2.1 Stellenwertsysteme
Ein Stellenwertsystem ist ein Zahlensystem, bei dem die Bedeutung einer Ziffer von ihrer Stellung innerhalb der geschriebenen Zahl abhängt.
Jede ganze Zahl, die größer als 1 ist, kann Basis x eines Stellensystems sein. Die Anzahl der zur Verfügung stehenden Ziffern ist gleich der Basis x, wobei die größte Ziffer um eins kleiner ist als die Basis. Vorhanden sind die Ziffern 0..(x-1).
Basis | Ziffern | Bezeichnung |
2 | 0, 1 | binär |
3 | 0, 1, 2 | ternär |
5 | 0, 1, 2, 3, 4 | pentär |
8 | 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 | oktal |
10 | 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 | dezimal |
16 | 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F | hexadezimal |
Bildungsgesetz für rationale Zahlen
2.2.2 Binärsystem
Gottfried Wilhelm von Leibnitz entwickelte 1676 das für die Informatik wichtige Dualsystem (Binärsystem) in seiner Arbeit "De Progressione Dyadica".
Darin beschreibt er das Divisionsverfahren für die Konvertierung vom Dezimal- in das Binärsystem:
"Es handele sich um die Zahl 365; man nehme nacheinander die Hälfte, dann die Hälfte der Hälfte und schreibe jeweils den Rest neben diese halben Werte. Dann ergeben diese Ziffern, wenn sie so nebeneinandergeschrieben werden, dass die unterste ganz nach links kommt usw., den gesuchten dyadischen Ausdruck."
Die kleinste Informationseinheit ist 1 Bit (binary digit; digtus: lat. Finger) aus der Menge {0,1} oder {0 Volt , 5 Volt}.
4 Bit = 1 Nibble
8 Bit = 1 Byte
1 Nibble = 1 Halbbyte
Umrechnung
1 KiB = 210 Byte = 1.024 Byte
1 MiB = 210 KiB = 220 Byte = 1.048.576 Byte
1 GiB = 210 MiB = 220 KiB = 230 Byte = 1.073.741.824 Byte
Das Internationale Büro für Maß und Gewicht (BIPM; frz. Bureau International des Poids et Mesures)
definiert das internationale Einheitensystem (SI; frz. Système international d'unités),
welches mit dem internationalen Größensystem (ISQ; engl. International System of Quantities) korespondiert.
SI-Präfixe wie k, M, G sind nur für SI-Einheiten standardisiert. Byte ist keine SI-Einheit.
Häufig werden die Vorsätze k (Kilo), M (Mega), G (Giga), T (Tera), P
(Peta) usw. im Zusammenhang mit Byte für dezimale Darstellungen
verwendet.
Um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden, schlug die International
Electrotechnical Commission (IEC) 1996 neue Einheitenvorsätze vor, die
nur in der binären Bedeutung verwendet werden sollten.
Die Akzeptanz für diese IEC-Binärpräfixe ist in der IT-Branche bis heute
gering.
Beispiele für die Anwendung dieser Binärpräfixe sind
1 Kibibyte (KiB) = 210 Byte = 1.024 Byte
1 Mebibyte (MiB) = 220 Byte = 1.048.578 Byte
im Gegensatz zu den Dezimalpäfixen
1 Kilobyte (kB) = 103 Byte = 1.000 Byte
1 Megabyte (MB) = 106 Byte = 1.000.000 Byte
Für höherwertige Präfixe ist die eindeutige Unterscheidung von Dezimal- und Binärpräfixen zunehmend wichtiger, da der Unterschied zwischen Präfixen dezimaler und binärer Bedeutung immer größer wird und somit nicht mehr vernachlässigt werden kann. So beträgt der Unterschied zwischen kB und KiB 2,4%, der von TB und TiB hingegen bereits 10%.
Tebibyte (TiB) 240 Byte = 1.099.511.627.776 Byte
Terabyte (TB) 1012 Byte = 1.000.000.000.000 Byte
Dieses ergibt bereits eine Abweichung von 10%.
Konvertierungsverfahren
Konvertierung vom Dezimal- in das Binärsystem (Divisionsverfahren)
Konvertierung vom Binär- in das Dezimalsystem (Hornerschema)
Datein: Hornerschema (Turbo Pascal) und Hornerschema (Excel)
Grundrechenarten im Binärsystem
Ausblick
Das Dualsystem hat gegenüber dem Dezimalsystem für den Menschen folgende Mängel:
- schwere Überschaubarkeit der Zahlen
- lange Zifferfolgen
- geringer Informationsgehalt
Demgegenüber hat dieses System beim Einsatz in Rechnern fast ausschließlich Vorteile auf Grund der einfachen Umsetzbarkeit der zwei Ziffern und der Rechengesetze mit Hilfe digitaler Schaltungen.
2.3 Logische Schaltungen
In elektronischen Datenverarbeitungsanlagen werden binäre Stellen durch zwei elektrische Zustände verwirklicht: Low und High. Diese werden in der Regel mit den Symbolen L und H bzw. 0 und 1 gekennzeichnet.
Die Grundrechenarten und logische Verknüpfungen werden im Computer durch logische Schaltungen umgesetzt, welche formal durch logische Operationen beschrieben werden können. Hierbei gelten die Booleschen Gesetze, wobei i.A. gilt: 0 = falsch und 1 = wahr.
Auf den logischen Operation UND, ODER, NICHT kann man alle anderen logischen Operationen aufbauen. Bei der Realisierung komplexerer Schaltungen, die die logischen Operationen technisch umsetzen, kann man zwei Typen unterscheiden:
Kombinatorische Schaltung | Verknüpfungsschaltung, bei der das Ausgangssignal A nur vom Eingangssignal abhängt E. z.B. Halbadder, Adder |
Folgeschaltung (sequentielle Schaltung) |
Binäres Ausgangssignal A hängt nicht nur von der Kombination der Eingangssignale En, sondern auch von der Reihenfolge des Auftretens (Vorgeschichte) ab. z.B. Trigger, Zeitglieder, Flipflop (Speicherelement) |
2.3.1 Konjunktion: UND / AND / & / A = E1 ∧ E2
E1 ∧ E2 ist nur wahr, wenn sowohl E1 als auch E2 wahr ist
Funktionstabelle | Beispiele | ||
E1 | E2 | E1 ∧ E2 | ·Aktivierung einer elektrische Papierschere mit zwei Tastern ·elektrische Heckenschere |
1 | 0 | 0 | |
0 | 0 | 0 | |
1 | 1 | 1 | |
0 | 1 | 0 |
2.3.2 Disjunktion: ODER / OR / ≥1 / A = E1 ∨ E2
E1 ∨ E2 ist nur wahr, wenn entweder E1 oder E2 wahr ist oder E1 und E2 wahr sind
Funktionstabelle | Beispiele | ||
E1 | E2 | E1 ∨ E2 | ·Alarmanlage ·zwei Klingelschalter für eine Klingel |
1 | 0 | 1 | |
0 | 0 | 0 | |
1 | 1 | 1 | |
0 | 1 | 1 |
2.3.3 Negation: NICHT / NOT / ¬ / A = ¬E / A = E
¬E ist nur wahr, wenn E falsch ist
Funktionstabelle | Beispiel | |
E | ¬E | ·Kühlschranklicht geht aus, wenn der Taster gedrückt ist |
1 | 0 | |
0 | 1 |
2.3.4 negierte Konjunktion: Nicht-UND: NAND / A = E1 ∧ E2
¬(E1 ∧ E2) ist nur falsch, wenn sowohl E1 als auch E2 wahr ist
Funktionstabelle | Beispiel | ||
E1 | E2 | ¬(E1 ∧ E2) | ·wenn alle Türen geschlossen sind, geht die Signalleuchte (im Zug oder Bus) aus |
1 | 0 | 0 | |
0 | 0 | 1 | |
1 | 1 | 0 | |
0 | 1 | 1 |
2.3.5 negierte Disjunktion: Nicht-ODER: NOR / A = E1 ∨ E2
¬(E1 ∨ E2) ist nur falsch, wenn sowohl E1 als auch E2 wahr ist
Funktionstabelle | Beispiel | ||
E1 | E2 | ¬(E1 ∨ E2) | ·zwei Sicherheitsschalter an einer Maschine zum Ausschalten |
1 | 0 | 0 | |
0 | 0 | 1 | |
1 | 1 | 0 | |
0 | 1 | 1 |
2.3.6 weitere logische Schaltungen
Äquivalenz XNOR |
A ist wahr, wenn E1 und E2 den gleichen logischen Wert haben. A = (¬E1 ∧ ¬E2) ∨ (E1 ∧ E2) |
Antivalenz XOR |
A ist nur wahr, wenn entweder E1 oder E2 wahr ist - im Gegensatz zu ODER (einschließliches ODER) A = (¬E1 ∧ E2) ∨ (E1 ∧ ¬E2) |
Halbadder | A = (¬E1 ∧ E2) ∨ (E1 ∧ ¬E2) Ü = E1 ∧ E2 |
2.4 Mechanische Rechenmaschinen
ca. 3000 v.u.Z. Multiplikationstafel | |
ca. 1000 v.u.Z. Chinesischer Abakus (Suan-pan) (römischen abax, Tafel) | |
1620 | Edmund Gunter und William Oughtred (1574-1660) Rechenstab (logarithmische Skalierung; wurde bis heute benutzt) |
1623 | Wilhelm Schickard (1592-1635) Rechenmaschine mit Zählrädern (für Keppler konstruiert)alle 4 Grundrechenarten von 6-stelligen Zahlen sind möglichneu: automatischer Zehnerübertrag |
1641 | Blaise Pascal (1623-1662) "Pascaline", Addition und Subtraktion von 6-stelligen Zahlen wird später durch die Möglichkeit der Speicherung von Zwischenergebnissen verbessert Pascals Überlegungen gingen auf eine Erfindung des Ägypters Heron (20-62 n.Chr.) zurück, der in Alexandria lebte. Heron hatte eine Maschine - das Odometer - erfunden, mit deren Hilfe gemessen werden konnte, wie weit ein Fahrzeug gerollt war. |
1672 | Freiherr Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646-1716) Weiterentwicklung der "Pascaline", mit Staffelwalzenalle 4 Grundrechenarten sind möglichbaut 1703 die "Aritmetica Dydatica" |
1727 | Antonius Braun (1685-1728) österreichischer Mathematiker und Optiker, entwickelte 1727 die zweite Rechenmaschine der Welt, die die vier Grundrechenarten beherrschte |
1774 | Phillipp Matthäus Hahn (1739-1790) entwickelt erste zuverlässig arbeitende mech. Rechenmaschine nach dem Prinzip der Staffelwalze für 4 Grundrechenarten mit 11 Stellen. |
1820 | Charles Xavier Thomas de Colmar (1785-1870) entwarf die erste Rechenmaschine mit Staffelwalzen und verschiebbaren Schlitten für die vier Grundrechenarten, die industriell gefertigt werden konnte. Er ließ seinen "Arithmomêtre" 1820 patentieren. Es gab eine Version mit sechs-, eine Version mit acht- und eine Version mit zehnstelliger Arithmetik. Die Maschine kostete 500 Franc, was für die damalige Zeit ein sehr hoher Preis war. Weltweit wurden etwa 1.500 Stück verkauft. Thomas war über fünfzig Jahre lang der einzige Produzent von mechanischen Rechenmaschinen. |
1822 | Charles Babbage (1792-1871) "Difference Engine" (Differenziermaschine)Berechnung u.a. von Logarithmen u. Potenzendie 2. Version wurde mit einem Drucker ausgerüstet Schon 1812 hatte Babbage diese Idee. Das erste Arbeitsmodell war 1822 fertig. Der Schwede Georg Scheutz baute nach Vorlagen von Babbage ein funktionstüchtiges Modell. Seine Maschine sollte zur möglichst einfachen und Kosten sparenden Überprüfung und Fehlerbeseitigung der für die Seemacht England höchst wichtigen astronomischen und nautischen Tabellen dienen. |
1825 | Gonella, erster mechanischer Analogrechner mit Reibrad und Drehscheibe |
2.5 Die Idee der Programmsteuerung
14. Jh. | Stiftwalze als Programmspeicher |
1728 | J. Maria Falcon & Jacques de Vaucausongelochte Metallplatten (Lochkarte) zur Steuerung von Webstühlen |
1805 | Joseph Marie Jacquard (1752-1834) Lochbandprogramm aus Kartonkarten für automatische Webstühle |
1833 | Charles Babbage (1792-1871) Entwurf des ersten programmgesteuerten Rechenautomaten, der "Analytical Engine" (7.000 Seiten), die einen Speicher (store) und eine Rechen- und Entscheidungseinheit (mill) besaß. Die Eingabeeinheit las Lochkarten für die Befehle, die Daten und die Bibliothek (im Gegensatz zum Von-Neumann-Rechner) jeweils getrennt ein. Die Ausgabeeinheit gab die Daten über Lochkarte oder Drucker aus (externe Speicherung). Dieser Universalrechner sollte programmgesteuert digitale Befehle und Daten verarbeiten.Babbages Maschine ist niemals gebaut worden, hätte man damals doch alles mechanisch bewerkstelligen müssen, mit sehr vielen Zahnrädern, und ähnlichem.Babbages Assistentin Ada Augusta, Countess of Lovelace, (1815-1852) entwarf die erste "Programmier-Sprache" und Programme für die "Analytical Engine" in ihrer Übersetzung und Ergänzung der Vorlesungsmitschrift von L. F. Menabrea. Sie ging in die Geschichte als erste Programmiererin ein. Nach ihr wurde 1979 die imperative Programmiersprache ADA benannt, die das amerikanische Verteidigungsministerium herausgab. weitere Erfindungen von Charles Babbage: Dynamo, heutige Eisenbahnschienen, Heliograph |
1888 | Von dem ehemaligen Buchhalter William S. Burroughs wurde die nach ihm benannte schreibende Addiermaschine (erste funktionstüchtige Rechenmaschine mit Druckwerk) eingeführt. |
1946 | Baron Johann Louis von Neumann (1903-1957) Von-Neumann-Rechner: Konzept zur Gestaltung eines universellen Rechners, der technischen, wissenschaftlichen und kommerziellen Anforderungen gerecht wird Funktionseinheiten: Steuerwerk, Rechenwerk, Speicher, Eingabewerk, Ausgabewerk Von-Neumann-Prinzip: Zur Lösung eines Problems muss von außen eine Bearbeitungsvorschrift Programm) eingegeben und im Speicher nach bestimmten Regeln abgelegt werden. |
Abbildung: Von-Neumann-Rechner
2.6 Elektromechanik und Elektronik
1890 | Hermann Hollerith (1860-1929) Mitarbeiter des nordamerikanischen Amtes für Statistik, Hollerithmaschine (elektrisch arbeitende Zählmaschine für Lochkarten, 1886 entwickelt) zur Auswertung der 11. Volkszählung der USA eingesetzt, (1880: 50 Mill. Bürger; 500 Helfer; 7 Jahre Auswertung, 10. Volkszählung,) (1890: 62 Mill. Bürger; 500 Helfer, 43 Zählmaschinen; 4 Wochen Auswertung,) gründete 1896 die "Tabulating Machine Co.", 1911 die Firma "Computing-Tabulating-Recording Company" (1924 ging hieraus nach Fusion mit anderen Firmen die Firma IBM hervor), IBM (und deren dt. Tochterfirma "Hollerith Maschinen Gesellschaft" - Dehomag) lieferte ab 1933 mehr als 2.000 Hollerithmaschinen (u.a. für die Volkszählung 1933) an Deutschland, die zur perfekten Verwaltung und Vernichtung der Rassen eingesetzt wurden. Bei der Befreiung des KZ Dachau wurde eine Hollerith-Maschine modernster Bauart - Typ "D-11 A" - sichergestellt |
1941 | Konrad Zuse (1910-1995) Z3 mit Relaistechnik (1936-1938: Bau der Z1; 1940: Vorstellung der Z2, arbeitete nur 1-mal; 12. Mai 1941: Vorstellung der Z3)
|
1943 | "Colossus", England
|
1944 | Howard Hathaway Aiken (1900-1973) MARC I mit Relaistechnik (3 Additionen pro Sekunde)
|
1946 | John William Mauchly, John Presper Eckert, H.H. Goldstine ENIAC (Electronic Numerical Integrator Computer)
|
1953 | Im Institut für Angewandte Mathematik der damaligen
Technischen Hochschule Dresden begann 1948, aufbauend auf vorangegangene
theoretische Arbeiten, eine Arbeitsgruppe von Professor Nikolaus Joachim
Lehmann mit dem Entwurf und Bau eines elektronischen Rechenautomaten D1
(Dresden 1), welche 1953 fertig gestellt wurde. Mit großem Erfolg
entwickelte N. J. Lehmann dann die Dresdner Kleinrechnerautomaten D2 bis D4a.
Der kleine leistungsfähige D4a gilt als der weltweit erste
Personalcomputer, d.h. einer kompakten Rechenanlage mit einem peripheren Konzept. Modell D1
|
2.7 Einteilung der Rechner nach Generationen
1. Generation 1950-1960 | Elektronenröhren Dreielektrodenröhre (Triode) von Lee de Forest (1873-1961) amerikanischer Radiotechniker entwickelt Programmierung in Maschinensprache, bis zu 1.000 Anweisungen pro Sek., Speicherkapazität erreichte fast 20.000 Informationseinheiten |
2. Generation 1960-1965 | Transistoren (Transfer Resistance Device) 1947 von William Shockley, Walter Brattain u. John Bardeen in den Bell Laboratories der Firma AT&T erfunden, bis zu 106 Anweisungen pro Sekunde, Entwicklung von Betriebssystemen, Gemeinschaftssystem (time sharing), höhere Programmiersprachen usw. Vertreter: 1401-Großrechner von IBM (12.000$); Digital PDP?8 von DEC (5.000-20.000$) |
3. Generation 1965-1975 | integrierte Schaltkreise in MSI- und LSI-Technik 1958 von Jack Kilby (für Texas Instruments) erfunden; IC: integrated circuit1970 gelang es Gary Boone (ebenfalls TI) alle Bauelemente eines Computers auf einen einzigen Chip (TI-1795) zu vereinigen; war mit Intels 8008 kompatibel MSI: (Medium Scale Integration, mittlere Integrationsdichte); LSI (Large Scale Integration, hohe Integrationsdichte): bis 20.000 Bauteile auf einer Fläche von 25mm² |
4. Generation seit 1975 | Fortführung des Integrationsprozesses durch
Mikroprozessoren VLSI-Technik (Very Large Scale Integration, sehr hohe Intergrationsdichte), mind. 100.000 Transistoren auf einer Fläche von 25mm², Entwicklung von Mikroprozessoren ULSI-Technik (Ultra Large Scale Integration), 106-108 Transistoren GLSI-Technik (Gigant Large Scale Integration), mehr als 108 Transistoren |
5. Generation seit 1981 | so genannte intelligente Computervon der japanischen
Informatikindustrie eingeleitet Ziel: Entwicklung eines logischen Systems, das die Vorgänge im Gehirn des Menschen simuliertgrundlegende Funktionseinheiten:
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