Grundlagen der Informatik: Hardware, Software, Codierung, Rechnernetze

Question 1

Eingabe – Verarbeitung – Ausgabe

Hard- und Software

Answer 1

 allgemeines Grundprinzip der (elektronischen) Datenverarbeitung:
Eingabe ▶️ verarbeitung ▶️ Ausgabe

 umfasst Rechner/Computer und Applikationen/Software (gesamtes System)

 Ein- und Ausgabe:
- Schnittstellen zwischen der physischen Welt (Mensch/Material) und der
informationstechnischen Automatisierung (Informationstechnologie)
- liefert die relevanten Daten und Parameter für die Verarbeitung (Eingabe) bzw. das
Ergebnis der Verarbeitung (Ausgabe)

 Verarbeitung:
- Ausführen von Funktion(en) auf Basis der Eingabedaten mit Erzeugung der Ausgabe
- z.B. Taschenrechner: Verarbeitung  Ausführen einer mathematischen Funktion

Hard- und Software

Hardware:
 maschinentechnische Ausrüstung eines Rechnersystems
 materielle Komponenten (alles, was man anfassen kann)
 Plattform, um Software ablaufen zu lassen

Software: immaterielle Komponenten (kann man nicht anfassen)

Rechnerarchitektur:
 interne Struktur des Rechners, d.h. Aufbau aus verschiedenen Komponenten, und
Organisation der Arbeitsabläufe im Rechner
 klassisch: von-Neumann-Architektur (John von Neumann, 1903-1957)
 prinzipieller Aufbau dieser Architektur auch heute noch gültig (in PCs, Notebooks,
Smartphones, …)

Von-Neumann-Architektur
S6 F02

Question 2

Prozessor

Answer 2

Prozessor
 Chip mit mehreren Milliarden Funktionselementen
(Transistoren) in einem integrierten Schaltkreis.

 inzwischen üblich: Chips mit mehreren CPU-Kernen
(z.B. Okta-Core-Prozessoren mit 8 Kernen)

 Taktfrequenz: ca. 3 - 5 GHz je Kern, 3 - 1000 Takte je Instruktion
(aber: Taktfrequenz  Rechengeschwindigkeit!)

Spezialprozessoren (Beispiele):
 Grafikprozessoren (Graphics Processing Unit = GPU)
 Soundprozessoren
 Prozessoren für Notebooks, Smartphones, Kleingeräte, …
 Prozessoren mit eingeschränktem Befehlssatz (z.B. für Haushaltsgeräte)

Question 3

Speicher

Answer 3

 Inhalt: Programme und Daten
 kleinste Speichereinheit bit (binary digit):
Darstellung von zwei Zuständen (z.B. 1/0 oder an/aus)
 8 bit = 1 Byte (B)  Darstellung von 28 = 256 Zuständen

 Speicher (Adressraum) wird linear in Zellen aufgeteilt.

 Jede Zelle hat dieselbe Speicherkapazität
(derzeit in der Regel 64 bit je Zelle).

Question 4

Interner Speicher

Answer 4

Halbleiterbausteine (mehrere Speicherchips auf einer Platine)

RAM (Random Access Memory) als Arbeitsspeicher (Hauptspeicher):
 derzeit bis 128 GB Speicherplatz je Modul
 Zugriffszeit (Zeit zum Lesen des Inhalts einer Speicherzelle):
ca. 60-70 Nanosekunden (10-9)
 wahlfreier Zugriff (d.h. Zellen sind einzeln lesbar/beschreibbar)
 meistens flüchtig (d.h. Datenverlust ohne Strom)
 Varianten: statisch (Speicher bleibt erhalten solange Strom fließt) oder dynamisch
(Speicher muss regelmäßig aufgefrischt werden)

ROM (Read Only Memory)

Cache (schneller Zwischenspeicher)

Question 5

Externer Speicher (für Archivierung)

Answer 5

Festplatte (HDD):
 rotierender Plattenstapel mit Schreib-/Leseköpfen (mechanisch!)
 Zugriffszeit: ab 3,5 Millisekunden (10-3)
 Kapazität: zurzeit bis ca. 18 TB

Solid-State-Disk (SSD):
 besteht aus Halbleiterbausteinen, i.d.R. Flash (nicht mechanisch)
 Zugriffszeit: ab ca. 0,02 ms (über 100-mal schneller als HDD)
 Kapazität: zurzeit bis ca. 16 TB

Speicherkarte, z.B. SD-Card (Kapazität zurzeit bis ca. 1 TB)

USB-Stick (Kapazität zurzeit bis ca. 1 TB)

optische Medien: CD (Compact Disk), DVD (Digital Versatile Disc),
BD (Blu-ray Disk) mit bis zu 128 GB

Question 6

Peripherie

Ein- und Ausgabeperipherie

Answer 6

Peripherie

Komponenten oder Geräte außerhalb der Zentraleinheit eines Rechners

Verbindung von Peripherie:
 Steckkontakt auf der Platine
(Mainboard/Zentraleinheit)
 Verbindung mit Kabeln
 drahtlose Verbindung
(z.B. Bluetooth, Infrarot)

Unterscheidung in
 intern: im Rechner eingebaut
 extern: außerhalb des Rechners,
aber mit dem Rechner verbunden
(über Peripherie-Anschlüsse oder drahtlos)

Ein- und Ausgabeperipherie

Eingabegeräte:
 Tastatur, Maus, Touchpad
 Mikrofon (Spracherkennung), Kamera
 Scanner (OCR), Barcode-Leser, Funksensor, Fingerabdruck-Sensor
 Datenhandschuh, Joystick

…

Ausgabegeräte:
 Bildschirm (Display), Lautsprecher, Drucker, Projektor
 3D-Brille, VR-Brille, Funksender

…

Kombi-Geräte:
 Touchscreen (z.B. im Smartphone), Netzwerkkarte, Augmented-Reality-Brillen, …

Question 7

Software

Systemsoftware: Betriebssystem
Systemsoftware: Dienstprogramme

Answer 7

Software

Software umfasst immaterielle Bestandteile von Rechnern:
 entspricht den Programmen
 wird von/auf der Hardware ausgeführt

Klassifikation:

 Systemsoftware:
- unbedingt nötig für den Betrieb eines Rechners (unabhängig von Anwendungen)
- z.B.: Betriebssysteme, Benutzeroberflächen, Dienstprogramme, Druckertreiber,…

 Anwendungssoftware:
- zur Lösung von Aufgaben auf einem Rechner
- z.B.: Office-Programme, ERP-Software, Navigations-Apps, Fotobearbeitungs-Tools,…

 Middleware: anwendungsneutrale Programme insbesondere zum Datenaustausch
zwischen unterschiedlicher Anwendungssoftware

Systemsoftware: Betriebssystem

Betriebssysteme verwalten die Ressourcen von Rechnern:
 Prozessor (bzw. Kerne): Zuteilung von Prozessorzeit und Aufteilung auf die Kerne
 Speicher: Zuteilung von Speicherplatz (Haupt- und externe Speicher),
Dateiverwaltung (externe Speicher), Paging
 Ein-/Ausgabe: Durchführung von Ein-/Ausgabe-Vorgängen

Anforderungen an Betriebssysteme:
 (preemptives) Multitasking: „scheibchenweise“ Ausführung von mehreren Prozessen
(in Ausführung befindliche Programme)
 Multiprocessing: Aufteilung auf mehrere Kerne oder Prozessoren
 Netzwerkintegration
 Mehrbenutzerbetrieb, Sicherheitskonzepte (z.B. Rechtezuordnung)
 virtuelle Speicherverwaltung (Paging)

🤣

Systemsoftware: Dienstprogramme

 Hilfsprogramme für systemorientierte, häufig wiederkehrende
anwendungsneutrale Aufgaben

Beispiele:
 Druckertreiber
 Tools zur Datensicherung (Backups) oder zur Datenwiederherstellung
 Programme für die Datensynchronisation zwischen verschiedenen Speichermedien
 Tools für die Optimierung der Speicherorganisation (z.B. Defragmentierung von
Festplatten)

Trennung zwischen Dienstprogrammen und Betriebssystemen fließend bzw.
unterschiedlich definiert

Question 8

Codierung von Informationen als Daten

Struktur und Aufbau von Zahlen

Answer 8

Codierung:
 Umwandlung von Informationen in Daten
 Darstellung der Daten als Sequenz von Zeichen (Symbolen) aus einer festgelegten
Zeichenmenge (Alphabet), ggf. mit weiteren Regeln

Beispiel Zahlen: Sequenz aus folgenden Zeichen: 0, 1, …, 9, -, Komma

Speichermodule in Rechnern benutzen die Speichereinheit bit (binary digit):
Darstellung von zwei Zuständen (z.B. 1/0 oder an/aus).
 Alle Daten müssen in eine Bitsequenz (= Binärzahl) umgewandelt werden.

Binärzahlsystem (Dualsystem): nur zwei Ziffern (0 und 1)

Mit n bit (= n-stellige Bitsequenz) lassen sich 2n verschiedene Kombinationen
bilden, d.h. 2n verschiedene Daten codieren.

Beispiel Speichergröße 8 bit: 28 = 256, z.B. ganze Zahlen 0,1,…,255

🤣
Struktur und Aufbau von Zahlen

Der Wert einer Zahl ergibt sich aus
 dem Wert der einzelnen Zeichen (Ziffern) und
 aus der Stellung/Position des Zeichens innerhalb der Zahl.

allgemeine Darstellung bei Basis B mit Ziffern {0, 1, …, B-1}:
n-stellige Zahl an-1 an-2… a1 a0  Wert a = an-1 · Bn-1 + an-2 · Bn-2 + … + a1 · B1 + a0 · B0

gebräuchliche Zahlensysteme:
 Binärsystem (Dualsystem): B=2  Ziffern {0,1}
 Dezimalsystem: B=10  Ziffern {0,1,…,9}
 Hexadezimalsystem: B=16  Ziffern {0,1,…,9, A, B, C, D, E, F}

Beispiel einer Binärzahl (Dualzahl):
11101bin = 1⋅24 + 1⋅23 + 1⋅22 + 0⋅21 + 1⋅20 = 16 + 8 + 4 + 0 + 1 = 29dez

Question 9

Umwandlung Dezimalzahl  Binärzahl (Dualzahl)

Answer 9

Umwandlung Dezimalzahl  Binärzahl (Dualzahl)

 Mögliches Vorgehen:
1. wiederholte Division der Dezimalzahl durch Ziel-Basis 2 (Binärzahl)
2. Reste der Division ergeben die Zahl der Ziel-Basis 2

 Beispiel: Umwandlung der Dezimalzahl 29 in eine Binärzahl

29 : 2 = 14 Rest: 1
14 : 2 = 7 Rest: 0
7 : 2 = 3 Rest: 1
3 : 2 = 1 Rest: 1
1 : 2 = 0 Rest: 1

29dez = 11101bin

🤣

Umwandlung Dezimalzahl  Binärzahl (Dualzahl)
 Alternatives Vorgehen:
1. Berechnung der Potenzen zur Ziel-Basis 2 (bis zur Dezimalzahl)
2. Wiederholt: Auswahl der größten in der Dezimalzahl enthaltenen Potenz und

Subtraktion dieser Potenz von der Dezimalzahl
 Beispiel: Umwandlung der Dezimalzahl 29 in eine Binärzahl

Potenzen: 20=1, 21=2, 22=4, 23=8, 24=16, 25=32 (>29)

größte in 29 enthaltene Potenz: 2 hoch 4=16, 29 – 16 = 13
größte in 13 enthaltene Potenz: 2hoch 3=8, 13 – 8 = 5
größte in 5 enthaltene Potenz: 2hoch 2=4, 5 – 4 = 1 = 2hoch 0

29dez = 16 + 8 + 4 + 1 = 1⋅2hoch4 + 1⋅2hoch3 + 1⋅2hoch2 + 0⋅2hoch1 + 1⋅2hoch0 = 11101bin

Question 10

Codierung von ganzen Zahlen und Texten

Answer 10

Ganze Zahlen:
 Darstellung als Binärzahl über Konvertierung: dezimal  binär
 Darstellbarer Bereich ist abhängig von der Bitlänge (Anzahl Bits).
 Darstellung des Vorzeichens ist z.B. über ein ausgezeichnetes Bit möglich
(z.B.: linkes Bit = 0 -, linkes Bit = 1  +).

Texte:
 Zuordnung aller Zeichen zu festgelegten (unterschiedlichen) Bitmustern
 ASCII-Code (American Standard Code for Information Interchange, ISO 646):
7 bit  maximal 128 Zeichen.
 Unicode (ISO 10646): 16- bzw. 32-bit-Standard
 bis zu 4.294.967.296 verschiedene Zeichen
 Codierung aller gebräuchlichen Zeichensätze der Welt ist damit möglich.
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