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2
Rechnersysteme und systemnahe Software
Lernziele
Sie lernen
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2.1
wie Computer prinzipiell aufgebaut sind und wie sie ihre Arbeit
verrichten,
welche Peripheriegeräte die Ein- und Ausgabe unterstützen,
welche Aufgaben Betriebssysteme haben,
welche Sprachen und Basiswerkzeuge zur Programmierung existieren,
wie Rechnersysteme klassifiziert werden können.
Einleitung
In diesem Kapitel werden der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise eines
Rechners beschrieben. Im Folgenden verwenden wir die Begriffe Rechner und
Computer als synonyme Begriffe.
Alle materiellen Komponenten eines Rechnersystems werden als Hardware
bezeichnet. Hierzu zählen u. a. die Zentraleinheit, Drucker, Bildschirme, Tastaturen, Festplatten, aber auch einzelne Bauteile dieser Geräte wie Prozessoren,
Speicherchips und Netzwerkkarten. Aus welchen Komponenten ein Rechnersystem im Einzelfall besteht, hängt von den konkreten Einsatzbedingungen ab. Die
Kombination aller erforderlichen Geräte bezeichnet man als Konfiguration.
Im Gegensatz zur Hardware werden alle immateriellen Komponenten eines
Rechnersystems als Software bezeichnet. Hierzu gehören sowohl die Programme
zur Inbetriebnahme des Rechners und zur Steuerung angeschlossener Geräte als
auch Programme, die für einen bestimmten Anwendungszweck erstellt wurden
und z. B. den Sachbearbeiter bei der Erfüllung seiner Aufgaben unterstützen.
Daten (z. B. über Kunden, Lieferanten, Artikel, Aufträge, Buchungen) können in
einem Rechner auf unterschiedliche Weise verarbeitet werden. Der Benutzer hat
die Möglichkeit, die Verarbeitung mit geeigneten Programmen zu steuern.
EVA-Prinzip
Wesentliche Aufgaben der Datenverarbeitung sind:
x
Eingabe
Daten müssen zuerst in den Rechner eingegeben werden. Hierzu stehen
verschiedene Eingabegeräte zur Verfügung.
x
Verarbeitung
Hierzu gehören unterschiedliche Tätigkeiten wie z. B. mathematische
D. Abts, W. Mülder, Grundkurs Wirtschaftsinformatik,
DOI 10.1007/978-3-8348-2149-2_2 © Springer Fachmedien Wiesbaden 2013
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2
Rechnersysteme und systemnahe Software
Berechnungen, Prüfen von Daten auf Gleichheit, Vergleichen von
numerischen Daten bezüglich ihrer Größe, Sortieren von Datenmengen
nach bestimmten Kriterien und Umformungen von Daten nach bestimmten Regeln.
x
Ausgabe
Zur Präsentation oder Weiterleitung von Bearbeitungsergebnissen stehen
verschiedene Geräte zur Verfügung.
x
Speicherung
Damit eingegebene Daten oder erzeugte Ergebnisse nicht verloren gehen,
werden sie auf Datenträgern gespeichert.
Anwendungssoftware
Software
Systemnahe Software
(Betriebssystem, …)
Zentraleinheit
Ein- und
Ausgabegeräte
externe
Speicher
Hardware
Abbildung 2-1:
2.2
Hardware und Software
Codierung von Daten
Daten
Daten sind Folgen von Zeichen, die Informationen zum Zwecke der maschinellen
Verarbeitung und Übertragung nach bestimmten Regeln darstellen. Beispiele für
Zeichen sind Buchstaben, Ziffern, Interpunktionszeichen und Sonderzeichen, aber
auch Bildpunkte und akustische Signale. Damit können Daten in schriftlicher,
bildlicher oder sprachlicher Form vorliegen. Zeichen werden bei der maschinellen
Verarbeitung mit einem Rechner durch elektrische Impulsfolgen, magnetisierte
Punkte auf einem Datenträger und dergleichen technisch realisiert.
2.2
Codierung von Daten
23
Bit und Byte
Der Rechner ist eine Maschine, die nur zwischen zwei Zuständen unterscheiden
kann: "richtig" oder "falsch", "ja" oder "nein", "0" oder "1", "Strom an" oder "Strom
aus". Die kleinste Informationseinheit eines Rechners ist das Bit (Kunstwort aus
den englischen Begriffen binary und digit). Ein Bit kann nur zwei Werte annehmen,
die häufig durch die Symbole "0" und "1" dargestellt werden. Um verschiedene
Zeichen rechnerintern darstellen und speichern zu können, werden mehrere Bit zu
einer Bitgruppe zusammengestellt. Ein Byte ist eine Folge von acht Bit. Es gibt 28 (=
256) verschiedene Möglichkeiten, acht Bit zu einem Byte zu kombinieren. Hiermit
können also 256 verschiedene Zeichen dargestellt werden.
Codes
Welches Zeichen durch welches Byte rechnerintern repräsentiert werden soll,
regeln Zuordnungsvorschriften, Codes genannt. Wichtige genormte Codes sind der
ASCII-Code (American Standard Code for Information Interchange) und der
EBCDI-Code (Extended Binary Coded Decimals Interchange Code). Letzterer findet
fast ausschließlich auf Großrechnern Verwendung. Abbildung 2-2 zeigt die
Darstellung einiger Zeichen im ASCII-Code.
Zeichen
ASCII-Code
+
0010 1011
0
0011 0000
1
0011 0001
?
0011 1111
A
0100 0001
a
0110 0001
Abbildung 2-2:
ASCII-Code
Vorwiegend Windows-Anwendungen nutzen den in den letzten 128 Zeichen vom
ASCII-Code abweichenden ANSI-Code. Die ersten 128 Zeichen des ANSI-Codes
entsprechen den ersten 128 Zeichen des ASCII-Codes.
Mit Hilfe von so genannten Codepages können länderspezifische Zeichen dargestellt
werden. Allerdings können keine Zeichen aus verschiedenen Codepages
kombiniert werden.
Um die Schriftzeichen aller gängigen Sprachen einheitlich darstellen zu können,
wurde Unicode eingeführt. Hier werden zur Darstellung eines Zeichens gleich 16
Bit benötigt, was demnach 65.536 verschiedene Zeichen ermöglicht. Der erweiterte
Unicode-Standard definiert Zeichencodierungen mit mehr als 16 Bit.
24
2
Rechnersysteme und systemnahe Software
Dualzahlen
Zahlen werden oftmals aus verschiedenen Gründen (z. B. zur Einsparung von
Speicherplatz) "umcodiert". Die Zahl 12 kann z. B. als Folge der Zeichen "1" und "2"
durch die ASCII-Folge 00110001 00110010 codiert werden. Stellt man die Zahl im
dualen Zahlensystem dar, das nur die zwei Ziffern 0 und 1 kennt, so erhält man:
12 dezimal = 1 * 23 + 1 * 22 + 0 * 21 + 0 * 20 = 1100 dual
Die Dualzahl besteht nur aus 4 Ziffern und benötigt zur Darstellung also 4 Bit:
1100. Rechenoperationen erfolgen bei der dualen Codierung dann auch nach den
Regeln des dualen Zahlensystems.
Fasst man die Bitfolge eines Byte als Dualzahl auf, so kann jedem Byte eine
Nummer als Dezimalzahl zugeordnet werden. Beispiel: Im ASCII-Code wird das
Zeichen "A" als Bitfolge 01000001 codiert. Die Dualzahl 01000001 hat in dezimaler
Schreibweise den Wert
65 (= 0 * 27 + 1 * 26 + 0 * 25 + 0 * 24 + 0 * 23 + 0 * 22 + 0 * 21 + 1 * 20 ).
Dieses Dualsystem ist also ein Stellenwertsystem. Der Wert W einer in diesem System
dargestellten Zahl mit n Ziffern an-1 ... a0 wird nach der Formel
W = an-1 * Bn-1 + ... + a0 * B0
berechnet, wobei die Basis B = 2 ist und jede Ziffer a i aus der Menge {0, ... , B-1}
stammt.
Wird in der allgemeinen Formel B = 10 gewählt, erhält man die Darstellung im
Dezimalsystem mit den Ziffern 0 bis 9. Beispiel: 65 = 6 * 101 + 5 * 100
Hexadezimalzahl
Das Hexadezimalsystem ist ein Stellenwertsystem mit der Basis 16 und den Ziffern 0
bis 9 sowie den Buchstaben A, B, C, D, E und F, deren Ziffernwerte 10, 11, 12, 13, 14
und 15 entsprechen.
Beispiel:
Die Hexadezimalzahl 41 hat den Wert 4 * 16 1 + 1 * 160, was dem Wert 65 in
Dezimalnotation entspricht.
Der Wert eines Byte kann durch nur zwei Ziffern im Hexadezimalsystem
dargestellt werden (00 bis FF).
2.3
Aufbau eines Rechners
Ein Rechner besteht neben den für die Ein- und Ausgabe und für die Speicherung
erforderlichen peripheren Geräten aus einer Verarbeitungseinheit, in der die von
den Programmen vorgeschriebenen Funktionen ausgeführt werden. So unterscheidet man beim Personal Computer (PC) je nach Bauweise zwischen einem
Tischgehäuse, das auf den Schreibtisch gestellt werden kann (Desktop-PC), und
2.3
Aufbau eines Rechners
25
einem Gehäuse, das hochkant meist unter oder neben den Schreibtisch gestellt
werden kann (Tower-PC).
Abbildung 2-3:
Vorder- und Rückseite eines PC (Quelle: Dell Inc., 2010)
1. Betriebsschalter
2. Schacht für optisches Laufwerk
3. Kopfhöreranschluss
4. Mikrofonanschluss
5. Diagnoseanzeigen
6. DVD/CD
7. Auswurftaste
8. USB-Anschlüsse
Abbildung 2-4:
9. Aktivitätsanzeige für Laufwerk
10. Diagnoseanzeige Stromversorgung
11. Diagnosetaste Stromversorgung
12. Netzanschluss
13. Anschlüsse an der Rückseite
14. Erweiterungskartensteckplätze
15. Sicherheitskabeleinschub
16. Bügel für ein Vorhängeschloss
Anschlüsse an der Rückseite (Quelle: Dell Inc., 2010)
1. Mausanschluss
2. Verbindungsintegritätsanzeige
3. Netzwerkanschluss
4. Netzwerkaktivitätsanzeige
5. Serieller Anschluss
6. Leitungsausgangsanschluss
7. Tastaturanschluss
8. USB-Anschlüsse
9. DisplayPort-Anschluss
10. Monitor-Anschluss
11. Leitungseingangs-, Mikrofonanschluss
26
2
Rechnersysteme und systemnahe Software
Das Tower-Gehäuse ist in der Regel großzügiger dimensioniert als das DesktopGehäuse und bietet deshalb meist mehr Steckplätze für zusätzliche Komponenten
an.
Die Grundstruktur der meisten heute gebräuchlichen Rechner ist in Abbildung 2-5
dargestellt.
Zentraleinheit
Hauptspeicher
Zentralprozessor
Eingabegerät
Ausgabegerät
Anschlusssteuerung
Externer Speicher
Abbildung 2-5:
Grundstruktur eines Rechners
Die Zentraleinheit eines Rechners besteht aus
x
dem Hauptspeicher, in dem zum Verarbeitungszeitpunkt Teile des
laufenden Programms und benötigte Daten gespeichert sind,
x
dem Zentralprozessor (Central Processing Unit, CPU), in dem die
Programmbefehle ausgeführt werden, und
x
der Anschlusssteuerung bestehend aus verschiedenen Funktionseinheiten,
die der Kommunikation der Zentraleinheit mit Ein- und Ausgabegeräten,
externen Speichern und anderen Systemen dienen.
Die Zentraleinheit ist aus kleinen elektronischen Bausteinen (Chips) aufgebaut:
Speicherchips für den Hauptspeicher, Logikchips mit einer Vielzahl von Transistoren
für den Zentralprozessor.
Transistoren dienen zum Aufbau von Schaltern, die durch elektrische Impulse einund ausgeschaltet werden können. Logikchips in modernen Prozessoren enthalten
bis zu 100 Millionen Transistoren. Von Gordon Moore, Mitbegründer des
Chipherstellers Intel, stammt die durch empirische Beobachtung begründete Regel,
dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Logikchip alle 24 Monate
verdoppelt (Moore'sches Gesetz). Eine Grenze wird allerdings durch die
Fertigungstechnik gesetzt, wenn ein Transistor die Ausdehnung weniger Atome
erreicht.
Programmcode und Verarbeitungsdaten werden in Form einzelner Bit in
Speicherchips abgelegt. Der Hauptspeicher besteht aus Speicherzellen, die mehrere
2.3
Aufbau eines Rechners
27
Bit (z. B. ein Byte) aufnehmen können und jeweils eine Nummer (Speicheradresse)
tragen. Das Fassungsvermögen von Hauptspeichern (Hauptspeicherkapazität) wird
üblicherweise in Byte bzw. binären Vielfachen angegeben. Allgemein wird der
Umfang von Daten in Kilobyte (KB), Megabyte (MB), Gigabyte (GB), Terabyte
(TB), Petabyte (PB) gemessen:
1
1
1
1
1
KB
MB
GB
TB
PB
=
=
=
=
=
210
220
230
240
250
Byte
Byte
Byte
Byte
Byte
=
=
=
=
=
1024
1024
1024
1024
1024
Byte
KB
MB
GB
TB
Als Zugriffszeit wird die Zeitdauer vom Aufruf der Speicheradresse bis zur
Beendigung des Lese-/Schreibvorgangs bezeichnet. Sie liegt im Bereich von
Nanosekunden (1 Nanosekunde = eine milliardstel Sekunde). Die Anzahl der Byte,
die bei einem Zugriff gleichzeitig aus mehreren Speicherzellen gelesen werden
können, ist unterschiedlich.
RAM und ROM
Der Hauptspeicher eines Rechners besteht aus dem Schreib-Lese-Speicher (auch
Arbeitsspeicher genannt) und dem Festwertspeicher. Im Schreib-Lese-Speicher
(Random Access Memory, RAM) können Lese- und Schreibzugriffe an jeder
beliebigen Stelle unter Angabe der Speicheradresse erfolgen. Es handelt sich um
einen flüchtigen Speicher, dessen Inhalt beim Ausschalten des Rechners verloren
geht. Festwertspeicher (Read Only Memory, ROM) haben einen fest vorgegebenen
Speicherinhalt, der nicht verändert werden kann. Sie behalten die gespeicherten
Daten auf Dauer. Festwertspeicher enthalten z. B. Programme, die beim Starten des
Rechners benötigt werden (BIOS = Basic Input Output System), und Programme,
die die Arbeit des Prozessors unterstützen.
Abbildung 2-6:
CPU (Quelle: Intel)
Prozessor
Der Zentralprozessor ist das Kernstück der Zentraleinheit. Er umfasst das
Steuerwerk, das Rechenwerk und schnelle Zwischenspeicher (Register). Programmbefehle werden im Hauptspeicher durch Bitfolgen repräsentiert. Diese
Maschinenbefehle bestehen jeweils aus einem Operations- und einem Operandenteil.
28
2
Rechnersysteme und systemnahe Software
Der Operationsteil gibt die auszuführende Tätigkeit an. Der Operandenteil enthält
entweder Verarbeitungsdaten für diese Tätigkeit oder Adressen, die auf
Verarbeitungsdaten verweisen. Die Maschinenbefehle lassen sich gliedern in
arithmetische Befehle (z. B. Addieren, Subtrahieren), logische Befehle (z. B.
Vergleichen, Verknüpfen), Sprung-, Transport- und Ein- und Ausgabebefehle.
Das Steuerwerk holt die einzelnen Maschinenbefehle aus dem Hauptspeicher,
entschlüsselt sie und gibt entsprechend dem Befehl Signale an das Rechenwerk
und den Hauptspeicher, um Daten aus dem Speicher in das Rechenwerk zu
übertragen. Das Steuerwerk übernimmt Verarbeitungsergebnisse und leitet sie an
andere Komponenten weiter.
Ein Taktgeber gibt Impulse mit gleichbleibender Impulsfrequenz ab und
synchronisiert damit parallel ablaufende Operationen des Prozessors. Die
Häufigkeit des Taktsignals pro Sekunde (Taktfrequenz) wird in MHz (1 Megahertz =
1 Million Taktsignale pro Sekunde) oder GHz (1 Gigahertz = 1000 MHz) gemessen.
Die Taktfrequenz ist entscheidend für die in einer Sekunde ausführbaren
Operationen.
Das Rechenwerk (Arithmetic and Logical Unit, ALU) übernimmt die vom
Steuerwerk aufbereiteten Befehle und führt sie aus. Dabei werden die
Rechenoperationen auf elementare Additionen zurückgeführt. Ein Teil der
Maschinenbefehle wird häufig durch Mikroprogramme umgesetzt, die sich in einem
speziellen Festwertspeicher (ROM) befinden.
Zur Beschleunigung der Verarbeitung können bei leistungsstarken Prozessoren
Teile verschiedener Maschinenbefehle zeitlich parallel bearbeitet werden. Während
das Rechenwerk einen Befehl ausführt, liest und entschlüsselt das Steuerwerk
schon die nächsten Befehle.
Multicore-Prozessor
Auf einem einzigen Chip können sich mehrere weitgehend voneinander
unabhängige Prozessoren befinden. Man spricht dann vom Multicore-Prozessor
(oder auch Mehrkernprozessor). Multicore-Prozessoren wurden entwickelt, um die
Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Das Betriebssystem kann Prozesse auf die
einzelnen Prozessoren verteilen, die diese dann parallel ausführen. Ein einzelnes
Programm kann so optimiert werden, dass Teile davon gleichzeitig auf mehreren
Prozessoren ausgeführt werden.
Datenwege
Daten müssen zwischen den Komponenten der Zentraleinheit transportiert
werden. Dieser Transport erfolgt über Leitungen, die alle Teile miteinander
verbinden. Insbesondere bei PCs sind gemeinsam benutzte Wege vorherrschend,
die von den angeschlossenen Funktionseinheiten abwechselnd verwendet werden.
Eine solche Sammelleitung heißt Bus.
2.3
Aufbau eines Rechners
29
Der Bus, der die Einheiten des Zentralprozessors (Steuerwerk, Rechenwerk,
Register) verbindet, heißt interner Bus. Die Anzahl der Bit (8, 16, 32 oder 64 Bit), die
gleichzeitig über den internen Bus übertragen und vom Prozessor verarbeitet
werden können, wird als Verarbeitungsbreite des Prozessors bezeichnet. Ein Bus, der
Zentralprozessor, Hauptspeicher und andere Baugruppen der Zentraleinheit
verbindet, wird als externer Bus bezeichnet. Der Peripheriebus stellt die Verbindung
zwischen dem externen Bus und angeschlossenen Geräten her. Jeder Bus ist in
Steuer-, Adress- und Datenbus untergliedert.
Der Steuerbus überträgt die
Steuersignale zwischen den Komponenten. Über den Adressbus werden die
Speicheradressen ausgetauscht. Über den Datenbus werden die Inhalte von
Speicherplätzen übertragen.
Hardware-Schnittstellen
Beim PC werden alle Peripheriegeräte über genau definierte HardwareSchnittstellen angeschlossen. Die serielle Schnittstelle erlaubt die bitweise
Übertragung von Daten zwischen Rechner und z. B. Tastatur, Maus und Modem.
Drucker, Scanner und Wechselmedien-Laufwerke wurden in der Vergangenheit
oft über die parallele Schnittstelle angeschlossen. Dabei werden die Bit eines Byte
gleichzeitig auf verschiedenen Datenleitungen gesendet.
USB (Universal Serial Bus) bietet eine schnelle serielle Verbindung und erlaubt den
gleichzeitigen Anschluss einer Vielzahl von Peripheriegeräten mit beliebigen
Verbindungsmöglichkeiten untereinander bei einer hohen Übertragungsrate (von
bis zu 5 Gbit/s bei USB 3.0). Für kleinere Geräte kann ein niedriger
Versorgungsstrom mitgeführt werden.
Weitere Schnittstellensysteme sind:
x
spezielle Steckkarten für Notebooks: die von der PCMCIA (Personal
Computer Memory Card International Association) standardisierten PCCards (typische PC-Cards sind Modems, Netzwerkkarten, Speicherkarten,
Soundkarten),
x
die Funkschnittstelle Bluetooth für die drahtlose Vernetzung von Geräten
über eine kurze Distanz,
x
die Infrarotschnittstelle IrDA (Infrared Data Association) für die drahtlose
Übertragung von Daten mit Hilfe von infrarotem Licht über kurze
Strecken.
x
FireWire (auch i.Link oder IEEE 1394 genannt) ist ein von Apple
entwickeltes serielles Bussystem zur Übertragung von digitalen Bildern,
Videos, zum Anschluss externer Massenspeicher oder zur Verbindung von
Komponenten der Unterhaltungselektronik.
30
2
x
Rechnersysteme und systemnahe Software
eSATA (external Serial Advanced Technology Attachment) definiert Kabel
und Stecker/Buchsen zum Anschluss von externen Festplatten mit hohen
Übertragungsraten.
Hinsichtlich der Anzahl von Maschinenbefehlen lassen sich zwei Prozessorarchitekturen unterscheiden: CISC-Architektur und RISC-Architektur.
CISC und RISC
CISC-Prozessoren haben einen großen Vorrat an Maschinenbefehlen (Complex
Instruction Set Computer, CISC), die überwiegend mikroprogrammiert sind und
deren Ausführung meist mehrere Takte benötigt.
Die Erkenntnis, dass etwa 80 % aller Berechnungen typischer Anwendungen mit
nur 20 % der verfügbaren Befehle ausgeführt werden, führte zur Entwicklung der
RISC-Prozessoren, deren Befehlsvorrat im Vergleich zu einem CISC-Prozessor
deutlich reduziert ist (Reduced Instruction Set Computer, RISC). RISC-Prozessoren
haben wenige, einfache, festverdrahtete Maschinenbefehle und eine große Anzahl
von Registern. Seltenere oder komplexe Operationen müssen durch
Programmierung aus dem reduzierten Befehlsvorrat zusammengesetzt werden.
RISC-Prozessoren führen einen oder mehrere Befehle in einem einzigen Takt aus.
Ein klassisches Beispiel für CISC-Prozessoren sind die x86-Prozessoren von Intel.
In verschiedenen modernen CISC-Prozessoren sind Teile in RISC realisiert.
Prozessor
Jahr
Taktfrequenz
Verarbeitungsbreite
8086
1978
5 - 10 MHz
16 Bit
80286
1982
6 - 25 MHz
16 Bit
80386 DX
1985
16 - 33 MHz
32 Bit
80486 DX
1989
25 - 50 MHz
32 Bit
Pentium
1993
60 - 200 MHz
32 Bit
Pentium Pro
1995
150 - 200 MHz
32 Bit
Pentium II
1997
233 - 450 MHz
32 Bit
Pentium III
1999
450 - 600 MHz
32 Bit
Pentium 4
2001
1,3 – 1,7 GHz
32 Bit
Itanium
2001
733 – 800 MHz
64 Bit
Itanium 2
2002
900 MHz – 1,6 GHz
64 Bit
Intel Core 2
2006
1,86 - 3,0 GHz
64 Bit
Core i5
2009
2,3 GHz - 3,6 GHz
64 Bit
Core i7
2009
2,53 GHz - 3,6 GHz
64 Bit
Abbildung 2-7:
Kennwerte einiger Prozessoren von Intel
2.4
Periphere Geräte
31
Prozessorleistung
Die Prozessorleistung wird von der Taktfrequenz und der Anzahl
Maschinenbefehle, die pro Takt ausgeführt werden können, beeinflusst. Die
Verarbeitungsleistung wird häufig in MIPS (Million Instructions Per Second)
gemessen. Diese Maßzahl gibt an, wie viele Befehle eines bestimmten
Anwendungsmix pro Sekunde vom Prozessor ausgeführt werden können. Da in
technisch-wissenschaftlichen Berechnungen Zahlen mit variabler Position des
Kommas (so genannte Gleitkommazahlen) eine bedeutende Rolle spielen, wird
auch häufig die Leistungsfähigkeit eines Prozessors in Millionen von
Gleitkommaoperationen pro Sekunde angegeben (Millions of Floating Point
Operations per Second, Mega-Flops).
Je nach Verarbeitungsbreite werden heute 32-Bit- und 64-Bit-Prozessoren unterschieden (siehe Abbildung 2-7).
2.4
Periphere Geräte
2.4.1
Externe Speicher
Im Gegensatz zum Hauptspeicher eines Rechners sind externe Speicher
(Datenträger) dazu geeignet, größere Datenmengen aufzunehmen und dauerhaft
ohne Stromzufuhr zu speichern. Laufwerke sind periphere Geräte, die auswechselbare Datenträger (z. B. Diskette, CD-ROM) oder nicht wechselbare
Datenträger (z. B. Festplatte) enthalten. Ein Laufwerk kann fest im Gehäuse des
Rechners eingebaut sein (internes Laufwerk) oder aber in einem eigenen Gehäuse
außerhalb des Rechners eingebaut und an diesen angeschlossen sein (externes
Laufwerk). Kenngrößen externer Speicher sind neben der Speicherkapazität die Zeit
für einen Lese- oder Schreibvorgang (Zugriffszeit), die weitaus höher ist als beim
Hauptspeicherzugriff, und die Datentransferrate. Die wichtigsten Techniken sind
die Magnetspeichertechnik und die optische Speichertechnik.
Magnetband
Ein Magnetband ist ein wiederbeschreibbarer Datenträger, der aus einem
Kunststoffband mit einer magnetisierbaren Schicht besteht. Daten werden durch
Magnetisierung über einen Schreib-Lese-Kopf hintereinander (sequentiell)
aufgezeichnet. Dabei können mehrere parallel laufende Spuren des Bandes
gleichzeitig beschrieben werden. Der Zugriff auf bestimmte Daten kann eine
längere Zeit dauern, da das Band von Anfang an durchsucht werden muss. Aus
diesem Grund eignen sich Magnetbänder im Wesentlichen nur zu Archivierungsund Protokollierungszwecken und zur Datensicherung. Die Speicherkapazität ist sehr
hoch und beträgt je nach Länge und Aufzeichnungsdichte bis zu mehreren
Gigabyte.
32
2
Rechnersysteme und systemnahe Software
Magnetbandkassette
Es existieren Magnetbandspeicher in handlicher Kassettenform unterschiedlicher
Größe. Die zugehörigen Bandlaufwerke werden als Streamer bezeichnet. Manche
Streamer verwenden Kassetten, die kleiner als die aus dem Musikbereich
bekannten Audiokassetten sind.
Diskette
Eine Diskette besteht aus einer dünnen, kreisrunden Kunststoffscheibe, die auf
beiden Seiten mit einer magnetisierbaren Schicht versehen ist und sich zum Schutz
in einer Plastikhülle befindet. Pro Seite werden die Daten in einem Diskettenlaufwerk über einen Schreib-Lese-Kopf aufgezeichnet bzw. gelesen. Disketten
unterscheiden sich in der Aufzeichnungsdichte und in ihrem Durchmesser.
Vor dem ersten Gebrauch muss die Diskette für die Verwendung durch ein
spezielles Programm des Rechnerbetriebssystems formatiert werden. Die
magnetische Oberfläche der Diskette wird in eine bestimmte Anzahl konzentrisch
verlaufender Spuren unterteilt. Jede Spur wird weiterhin in nebeneinander
liegende Sektoren aufgeteilt. Diese Spuren und Sektoren dienen zur Orientierung
beim Schreiben und Lesen von Daten. Disketten sind Speicher mit wahlfreiem
Zugriff, d. h. auf jede Stelle kann im Unterschied zum Magnetband direkt
zugegriffen werden, wobei die Zugriffsgeschwindigkeit fast unabhängig von der
Stelle ist, an der die Daten gespeichert sind.
Die Speicherkapazität S einer Diskette ergibt sich nach der Formel:
S = Seitenanzahl * Spuranzahl * Sektoranzahl * Sektorgröße.
Für eine DOS-formatierte 3,5-Zoll-Diskette erhält man demnach:
2 Seiten * 80 Spuren * 18 Sektoren * 512 Byte = 1474560 Byte = 1440 KB = 1,4 MB.
Wegen ihrer relativ geringen Speicherkapazität haben Disketten heute kaum noch
eine Bedeutung mehr.
Sektor
Spur
Abbildung 2-8:
Einteilung der Diskette in Spuren und Sektoren
2.4
Periphere Geräte
33
Abbildung 2-9:
Interne Festplatte
Magnetplatte
Die Magnetplatte (Festplatte, Hard Disk) besteht aus einer oder mehreren
übereinander angeordneten kreisrunden Metallplatten, die auf beiden Seiten mit
magnetisierbarem Material beschichtet sind. Der Aufbau ähnelt dem einer Diskette. Übereinanderliegende Spuren aller Plattenseiten haben die gleiche Nummer
und werden als Zylinder bezeichnet. Da die Scheiben fest im Laufwerk eingebaut
sind, kann eine gegenüber Disketten höhere Anzahl Spuren und Sektoren und
damit eine höhere Aufzeichnungsdichte und auch eine höhere Drehgeschwindigkeit der Festplatte erzielt werden. Die Speicherkapazität kann bis zu
mehrere Terabyte betragen. Jede Plattenseite hat ihren eigenen Schreib-Lese-Kopf,
der nicht wie bei Disketten auf der Oberfläche der Scheibe aufliegt, sondern auf
einem Luftpolster in sehr geringem Abstand zur Plattenoberfläche schwebt. Die
Schreib-Lese-Köpfe sind kammartig angeordnet und bewegen sich in radialer
Richtung.
Neben diesen im Laufwerk fest eingebauten Festplatten gibt es auch austauschbare
Plattenstapel, so genannte Wechselplatten.
Zugriffskamm
Plattenstapel
Schreib-Lese-Köpfe
Abbildung 2-10:
Plattenstapel mit Zugriffskamm
34
2
Rechnersysteme und systemnahe Software
RAID
Die RAID-Technologie (RAID = Redundant Array of Independent Disks) verbessert
die Verfügbarkeit und Korrektheit von gespeicherten Daten, indem mehrere
Festplatten-Laufwerke koordiniert werden. Durch Spiegeln der Platteninhalte
(Mirroring) und durch Verteilung der Daten auf mehrere Festplatten (Striping) wird
das Fehler- und Verlustrisiko reduziert. Durch redundante Aufzeichnung können
alle Daten beim Ausfall einer Festplatte aus den Daten der restlichen Festplatten
rekonstruiert werden. Es werden mehrere RAID-Level unterschieden, die sich auf
verschiedene Sicherheitsstufen und Systemgrößen beziehen.
Optische Platte
Optische Platten sind auswechselbare, kreisrunde Datenträger, bei denen die
Schreib-Lese-Zugriffe mittels eines Lasers erfolgen. Daten werden auf die
Oberfläche einer Platte eingebrannt. Vorteile sind die sehr hohe Speicherkapazität
und die Handlichkeit dieser Datenträger. Nachteilig ist die zur Zeit noch
gegenüber Magnetplatten längere Zugriffszeit.
Aus Anwendungssicht unterscheidet man, ob die optische Platte nur lesbar ist
oder zusätzlich einmal oder sogar beliebig oft beschrieben werden kann.
Die CD-ROM (Compact Disc - Read Only Memory) ist eine nicht wiederbeschreibbare optische Platte. Sie hat wie die Audio-CD einen Durchmesser von
4,75 Zoll und eine Speicherkapazität von ca. 650 MB, was in etwa 250.000
Schreibmaschinenseiten entspricht. Die CD-ROM eignet sich gut als Datenträger
für Lexika, Handbücher, Kataloge und Informationssammlungen. Außerdem wird
sie für die Verteilung von Software benutzt. Varianten sind die einmal
beschreibbare CD-R (Recordable) und die wiederbeschreibbare CD-RW
(Rewritable).
Die DVD (Digital Versatile Disc) in CD-Größe hat eine Kapazität von 17 GB bei
beidseitiger Aufzeichnung in je zwei Speicherschichten. Auch hier gibt es die
beschreibbaren Varianten DVD-R und DVD-RW.
Eine neuere Entwicklung ist Blu-ray Disc mit einer die DVD um ein Mehrfaches
übertreffenden Speicherkapazität.
WORM-Platten (Write Once Read Many) sind optische Platten, die genau einmal in
konzentrischen Spuren mit Daten in mehreren Durchgängen beschrieben werden
können. Sie können je nach Größe Kapazitäten von mehreren Gigabyte haben und
eignen sich besonders für die Archivierung großer Datenbestände, die nie geändert
oder gelegentlich erweitert werden müssen. Ein typischer Einsatzbereich sind
Dokumenten-Management-Systeme.
MO-Platten (Magnetic Optical Disk) sind magneto-optische Platten, die praktisch
beliebig oft gelöscht und beschrieben werden können. Zum Aufzeichnen der Daten
in konzentrischen Spuren wird mit Laserstrahl und Magnetisierung gearbeitet.
2.4
Periphere Geräte
35
Zum Lesen wird ausschließlich ein Laser benutzt. MO-Platten können Kapazitäten
bis zu ca. 9 GB haben.
Speicherkarten und Sticks
Flash-Speicherkarten werden als externe Massenspeicher für tragbare Rechner, wie
Notebooks und Handhelds, sowie für Mobiltelefone und digitale Kameras
eingesetzt. Diese Karten sind mit nicht-flüchtigen Speicherchips bestückt und
haben eine Speicherkapazität von 2 MB bis 128 GB.
USB-Sticks haben ungefähr die Größe eines Textmarkers und besitzen eine
Speicherkapazität von mehreren GB. Sie können an die USB-Schnittstelle des
Rechners angeschlossen werden.
Abbildung 2-11:
USB-Stick (www.lenco-audiovideo.com)
Massenspeicherung
Moderne Technologien zur Massenspeicherung von Daten nutzen Speichereinheiten in einem Netzwerk.
Mehrere Rechner in einem Netzwerk sind über ein separates Hochleistungsnetz
mit Speichereinheiten verbunden (SAN = Storage Area Network).
Rechner in einem Rechnernetz sind mit einem speziellen Betriebssystem
ausgestattet und nutzen die RAID-Technologie (NAS = Network Attached
Storage).
2.4.2
Ein- und Ausgabegeräte
Mensch-Maschine-Kommunikation
Über Ein- und Ausgabegeräte tritt der Mensch in Beziehung mit dem Rechnersystem. Die Eingabe von Daten kann manuell oder weitgehend automatisch mit
speziellen Lesegeräten erfolgen. Zur Ausgabe der Daten in einer für den Menschen
verständlichen Darstellung werden Datensichtgeräte und Drucker verwendet.
36
2
Rechnersysteme und systemnahe Software
Sprache
Die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ist – mit Einschränkung –
auch in natürlicher Sprache mittels Sprachein- und -ausgabetechnik möglich. Hierbei
erfolgt die Spracherkennung über spezielle Programme und die Ausgabe in
synthetisierter Sprache aus phonetischen Grundelementen. Zur Aufzeichnung und
Wiedergabe natürlicher Sprache stehen Mikrofon und Lautsprecher zur
Verfügung.
Die wichtigsten Geräte zur manuellen Dateneingabe sind Bildschirm, Tastatur und
Maus.
Tastatur
Tastaturen bestehen in der Regel aus dem alphanumerischen Bereich (Buchstaben,
Ziffern, Sonderzeichen), dem Zahlenblock (zehn Ziffern, Zeichen für die
Grundrechenarten) und den Funktionstasten, mit denen sich anwendungsspezifische Funktionen aufrufen lassen.
Mit der Eingabetaste (Return- oder Enter-Taste) werden Eingaben abgeschlossen
und z. B. als Befehle zur Ausführung an das Betriebssystem geschickt. Die EscapeTaste (Esc) dient in den meisten Anwendungsprogrammen zum Abbrechen einer
Aktion. Die Steuerungstaste (Strg) und die Wechseltaste (Alternate Key) verändern
die Tastaturbelegung abhängig vom jeweiligen aktiven Programm.
Zur Steuerung der Schreibmarke (Cursor), die anzeigt, auf welche Stelle sich die
nächste Eingabe bezieht, dienen mit Pfeilen gekennzeichnete Tasten (Cursortasten).
Der Cursor lässt sich über diese Tasten in die entsprechenden Richtungen
bewegen.
Abbildung 2-12:
Tastatur und Maus (www.gyration.com)
Bildschirm
Die Hardware für die Bildschirmausgabe besteht aus der Grafikkarte und dem
Bildschirmgerät (Monitor).
2.4
Periphere Geräte
Abbildung 2-13:
37
CRT und TFT (www.samsung.de)
Die Grafikkarte bereitet die Text- und Grafikinformationen für die Ausgabe an den
Monitor auf. Von ihr hängt die darstellbare Auflösung (Anzahl der Bildpunkte, z. B.
1024 x 768) und die maximale Anzahl der gleichzeitig darstellbaren Farben ab. Die
Farbtiefe gibt an, wie viele Farben dargestellt werden können. Sie ist abhängig von
der gewählten Auflösung und dem verfügbaren Speicherplatz auf der Grafikkarte.
Werden zur Farbdarstellung pro Bildpunkt (Pixel) z. B. 24 Bit benötigt, so kann pro
Pixel eine von 16,7 Mio. Farben verwendet werden. Die benötigte Speicherkapazität beträgt dann 2,4 MB bei einer Auflösung von 1024 x 768.
Monitore lassen sich nach der Darstellungsmöglichkeit von Farben, nach der
Größe (gängige Bildschirme haben eine Bildschirmdiagonale von 17 bis 21 Zoll) und
nach der Anzeigetechnologie unterscheiden. Bildschirme mit Kathodenstrahlröhre
(CRT = Cathode Ray Tube) besitzen eine große Tiefe und sind daher recht
unhandlich. Heute werden vorwiegend Flachbildschirme verwendet. Hierzu gibt es
eine Reihe von Techniken. LCD-Displays (Liquid Crystal Display) und TFT-Displays
(Thin Film Transistor), die zur Anzeige Flüssigkristalle und ihre optischen
Eigenschaften bei Anlegen einer Spannung verwenden, sind weit verbreitet.
Intel Core i7 2,66 GHz
8 GB Hauptspeicher
1 GB Grafikkarte
1,5 TB Festplatte
DVD/CD-Brenner
Tastatur und Maus
25,5-Zoll-TFT
Abbildung 2-14:
Eine typische PC-Konfiguration
Zusatzgeräte zur Eingabe
Zusatzgeräte, die neben der Tastatur zur Eingabe am Bildschirm genutzt werden,
sind:
38
2
Rechnersysteme und systemnahe Software
x
Maus (mechanisch mit Rollkugel oder optisch mit fotoelektrischen
Sensoren)
x
Zeigegeräte, die bei tragbaren Rechnern in die Tastatur integriert sind
(Trackball, Touchpad, Touchpoint)
x
Lichtstift (Lightpen) und Grafiktabletts zur Abtastung und Digitalisierung
von Zeichnungsvorlagen.
Chipkarten
Chipkarten mit Mikroprozessor und Speicher (Smartcards) erlauben einen vielfältigen Einsatz.
Sie dienen der Identifizierung (Ausweis, Schlüssel für die Zugangskontrolle,
Krankenversichertenkarte, Chipkarte für Handys), werden als elektronisches
Zahlungsmittel (Wertkarte, Telefonkarte, Geldkarte) oder für Sicherheitsfunktionen
(Verschlüsselung) benutzt. Für die Verbindung zum Computer werden spezielle
Lesegeräte benötigt.
Scanner
Mit Hilfe von Scannern lassen sich gedruckte Vorlagen (Fotos, Grafiken, Texte) –
ähnlich wie beim Fotokopieren – optisch abtasten und durch Zerlegung in
Bildpunkte (Pixel) in eine Form umwandeln, die vom Rechner weiterverarbeitet
werden kann. Je nach Ausstattung können Farben wiedergegeben oder in
Graustufen umgewandelt werden.
OCR
Eingescannte Texte liegen nicht als codierte Texte, sondern als Pixel-Grafik vor.
Diese Pixel-Muster werden mit OCR-Software (Optical Character Recognition) in
codierte Daten (z. B. ASCII) umgewandelt, die dann mit einem Textverarbeitungsprogramm weiterverarbeitet werden können. Da aufgrund mangelhafter Qualität
der Vorlage und unterschiedlicher Schriftarten und -größen die automatische
Zeichenerkennung nicht immer fehlerfrei ist, muss der eingescannte Text meist
nachbearbeitet werden. Spezielle genormte Schriftarten (OCR-Schriften), wie sie oft
bei Formularen verwendet werden, eignen sich gut zum maschinellen Einlesen
und zur Zeichenerkennung.
Beim Scannen des Balkencodes (Barcode), der aus senkrechten Strichen unterschiedlicher Stärke mit unterschiedlichen Abständen besteht, werden den
Bitmustern Zeichen nach einer festgelegten Vorschrift zugeordnet. Ein genormter
Balkencode ist GTIN (Global Trade Item Number), ehemals EAN (Europäische
Artikel Nummer, der in Europa und in vielen weiteren Ländern primär zur
Warenauszeichnung verwendet wird.
2.4
Periphere Geräte
39
Drucker
Für die Ausgabe von Texten und Grafiken auf Papier oder Folie steht eine Reihe
von Druckertypen zur Verfügung. Man unterscheidet einerseits zwischen
Anschlagdruckern und anschlagfreien Druckern, zum andern unterteilt man
Drucker nach dem Ergebnis einer Druckoperation in Zeichen-, Zeilen- und
Seitendrucker.
Anschlagdrucker (Impact Printer) erzeugen den Kontrast auf dem Papier durch
mechanische Schläge (Beispiel: Nadeldrucker). Im Gegensatz dazu arbeiten die
anschlagfreien Drucker (Non Impact Printer) ohne mechanischen Anschlag und
arbeiten dann auch wesentlich leiser als Anschlagdrucker (Beispiele:
Tintenstrahldrucker, Thermodrucker, Laserdrucker). Anschlagfreie Drucker
können keine Durchschläge erzeugen.
Ein Zeichendrucker druckt die einzelnen Zeichen einer Druckzeile nacheinander,
meist abwechselnd in beiden Richtungen (Beispiele: Nadeldrucker,
Tintenstrahldrucker, Thermodrucker). Zeilendrucker drucken jeweils Zeile für Zeile
als Ganzes und erreichen dadurch hohe Druckgeschwindigkeiten (Beispiel:
Nadeldrucker in Zeilenbreite). Seitendrucker erzeugen jeweils eine ganze
Druckseite auf einmal (Beispiel: Laserdrucker).
Wichtige Leistungskriterien für Drucker sind:
x
Druckgeschwindigkeit (Anzahl Zeichen pro Sekunde, Anzahl Zeilen bzw.
Seiten pro Minute),
x
Druckqualität (Farb- und Grafikfähigkeit, Schriftbild, Auflösung gemessen
in Anzahl Bildpunkte pro Zoll),
x
Zeichenvorrat (Anzahl Zeichensätze, Schriftarten),
x
Technik des Papiertransports (Einzelblatteinzug, Endlospapier),
x
Ergonomie (Lärmbelästigung, Bedienungsfreundlichkeit),
x
Anschlusstechnik (Art der Schnittstellen für die Verbindung zum Rechner
oder zu einem Netz),
x
Anschaffungs- und Betriebskosten (z. B. Kosten für Verbrauchsmaterial).
Beim Nadeldrucker werden die zu druckenden Zeichen in Form eines Punktrasters
(Matrix) dargestellt. Der Druckkopf enthält eine bestimmte Anzahl senkrecht
untereinander angeordneter Nadeln (z. B. 9 oder 24 Nadeln), die einzeln angesteuert werden können. Beim Druckvorgang werden die Nadeln gegen Farbband
und Papier geschlagen und das zu druckende Zeichen durch senkrecht nebeneinander liegende Punktlinien gemäß Punktraster aufgebaut.
Beim Tintenstrahldrucker werden die Zeichen wie beim Nadeldrucker durch eine
Matrix dargestellt. Im Druckkopf befinden sich kleine Düsen, aus denen winzige
Tintentropfen auf das Papier gespritzt werden. Tintenstrahldrucker sind im
Vergleich zum Nadeldrucker sehr leise.
40
2
Rechnersysteme und systemnahe Software
Thermodrucker (heute nur noch selten verwendet) arbeiten ebenfalls nach dem
Punktraster-Prinzip. Wärmeempfindliches Papier (Thermopapier) wird von
Heizstiften des Druckkopfs berührt. Durch Hitzeeinwirkung kommt die unter der
Spezialschicht liegende Farbe auf dem Papier zum Vorschein. Thermotransferdrucker benutzen wärmeempfindliche Spezialfarbbänder und können
deshalb gewöhnliches Normalpapier verwenden.
Laserdrucker arbeiten prinzipiell wie Fotokopierer. Die Daten einer kompletten
Druckseite werden in den Speicher des Druckers übertragen und anschließend mit
einem Laserstrahl Punkt für Punkt auf die lichtempfindliche Schicht der
Bildtrommel projiziert. Farbpartikel (Toner) bleiben an den belichteten Stellen
haften, werden dann auf das Papier übertragen und durch Hitze eingebrannt.
Laserdrucker haben eine sehr gute Druckqualität und erreichen bei kleineren
Modellen eine Druckgeschwindigkeit von 4 bis 32 Seiten pro Minute. Abhängig
vom Gerät und vom angeschlossenen Rechner kann der Ausdruck einer Seite mit
aufwendiger Grafik auch schon mal mehrere Minuten dauern.
2.5
Betriebssysteme
Das Betriebssystem eines Rechners umfasst sämtliche Programme, die zur
Inbetriebnahme des Rechners erforderlich sind. Es steuert den Datenfluss zwischen
Software und Hardware und zwischen den einzelnen Hardwarekomponenten des
Rechners. Ohne ein Betriebssystem ist die Hardware für den Anwender nicht
einsetzbar.
Zum einen bildet das Betriebssystem die Plattform, von der aus
Anwendungsprogramme aufgerufen werden, und stellt somit die Schnittstelle
zwischen Benutzer und Hardware dar (siehe Abbildung 2-1), zum andern erfüllt das
Betriebssystem eine Reihe von Verwaltungsaufgaben:
x
die Steuerung und Überwachung der Programmausführung,
x
die Verwaltung der Betriebsmittel wie Prozessor, Hauptspeicher und
externe Speicher sowie der Ein- und Ausgabevorgänge,
x
die Dateiverwaltung und
x
die Bereitstellung einer Sprache zur Kommunikation zwischen Benutzer
und Betriebssystem.
Single Tasking / Multi Tasking
Je nach Betriebssystem kann hinsichtlich der Programmausführung zwischen Einund Mehrprogrammbetrieb unterschieden werden. Beim Einprogrammbetrieb
(Single Tasking) befindet sich jeweils nur ein Programm im Hauptspeicher und
alle vorhandenen Betriebsmittel sind während der gesamten Ausführungszeit
2.5
Betriebssysteme
41
diesem Programm zugeteilt. Ein großer Nachteil dieser Betriebsart sind die nicht
genutzten Betriebszeiten. Während der langsamen Ein- und Ausgabevorgänge bei
der Programmabarbeitung kann der Prozessor nicht ausgelastet werden. Der
Einprogrammbetrieb kommt heute nur noch bei Mikrorechnern vor. Beim
Mehrprogrammbetrieb (Multi Tasking) befinden sich mehrere Programme im
Hauptspeicher, die, wenn nur ein Prozessor vorhanden ist, von diesem
abwechselnd abgearbeitet werden, sodass die Programme gleichzeitig zu laufen
scheinen. Dazu weist das Betriebssystem jedem Programm einen bestimmten
Anteil an Prozessorzeit sowie die für diese Zeit benötigten Betriebsmittel zu
(Zeitscheibenverfahren). Ist für ein Programm die zugeteilte Zeit abgelaufen, wird es
unterbrochen. Der jeweilige Programmzustand wird zwischengespeichert, dann
wird das nächste Programm abgearbeitet usw. bis wieder das erste Programm an
der Reihe ist. Die Zeitabschnitte sind so kurz, dass die Unterbrechung eines
Programms vom Anwender nicht wahrnehmbar ist.
Prozesse
Programm 3
Programm 2
Programm 1
Betriebssystem
Zeit
Abbildung 2-15:
Prozesswechsel beim Zeitscheibenverfahren
Multithreading
Die sequentielle Ausführung der Anweisungen eines Programms durch den
Prozessor bezeichnet man als Prozess. Ein Thread (Ausführungsfaden) ist ein
einzelner in sich geschlossener Steuerfluss innerhalb eines Prozesses. Mehrere
Threads eines Prozesses können quasi parallel ablaufen (Multithreading) und auf
dieselben Daten im Hauptspeicher gemeinsam zugreifen. Multithreading
verbessert z. B. die Bedienbarkeit von grafischen Dialoganwendungen, insbesondere wenn sie mit Animationen verbunden sind.
Single Using / Multi Using
Unterstützt das Betriebssystem eines zentralen Rechners mit mehreren
angeschlossenen Arbeitsplätzen die gleichzeitige Bedienung mehrerer Benutzer, so
spricht man vom Mehrbenutzerbetrieb (Multi Using), der natürlich den
Mehrprogrammbetrieb voraussetzt. Das Betriebssystem hat hier insbesondere die
42
2
Rechnersysteme und systemnahe Software
Aufgabe, den konkurrierenden Zugriff mehrerer Benutzer auf dieselben
Betriebsmittel und Datenbestände zu regeln und die Dateien eines Benutzers vor
unerwünschtem Zugriff durch andere Benutzer zu schützen. Im Gegensatz dazu
steht der Einbenutzerbetrieb (Single Using), bei dem der Rechner als Einplatzsystem
genutzt wird.
Stapel- / Dialogverarbeitung
Stapel- und Dialogverarbeitung sind zwei grundlegende Formen der MenschMaschine-Kommunikation. Bei der Stapelverarbeitung (Batchverarbeitung) werden
alle für die Verarbeitung erforderlichen Informationen (z. B. über Programme, Einund Ausgabedateien) vor der Ausführung in einer Datei (Stapeldatei) bereitgestellt.
Die Komponenten eines solchen Auftrags und die Reihenfolge der Ausführung
werden mit Hilfe von Steuerkommandos spezifiziert. Mehrere zur Verarbeitung
anstehende Stapelaufträge werden automatisch (meist prioritätengesteuert) ohne
Eingriff des Benutzers vom Betriebssystem abgearbeitet. Beispiele: tägliche
Datensicherung auf Magnetband, Druckaufträge, monatliche Lohn- und
Gehaltsabrechnung.
Bei der Dialogverarbeitung besteht während der Programmausführung eine
ständige Kommunikation zwischen Benutzer und Rechner. Vom Benutzer werden
im ständigen Wechsel (interaktiv) Teilaufträge erteilt und vom Rechner sofort
abgearbeitet. Beispiel: Erfassung eines Kundenauftrags in einem Bildschirmformular.
Dateiverwaltung
Daten werden in Dateien aufbewahrt und auf externen Datenträgern gespeichert.
Die Dateiverwaltung katalogisiert Dateien, steuert die Datenübertragung zwischen
Hauptspeicher und externem Speicher und stellt Verfahren für den Zugriff auf die
gespeicherten Daten bereit. Zur Ablage von Dateien kann der Benutzer
Verzeichnisse (Directories) einrichten. Verzeichnisse können neben Dateien auch
weitere untergeordnete Verzeichnisse enthalten (hierarchisches Dateisystem).
Verzeichnisse und Dateien erhalten Namen, die betriebssystemspezifischen
Namenskonventionen unterliegen. Eine Datei des Dateisystems wird durch die
Datenträgerbezeichnung, die Namen der hierarchisch angeordneten Verzeichnisse
(Pfadname)
und
den
Dateinamen
vollständig
identifiziert,
z.
B.
D:\Daten\Dokumente\Brief1.doc. Der Dateikatalog enthält pro Datei neben dem
Dateinamen noch weitere Dateiattribute: z. B. Schreibschutz, Leseschutz, Kennung
des Benutzers, der die Datei angelegt hat, Datum und Uhrzeit der letzten
Dateiänderung.
Kommandosprache
Die Kommunikation zwischen Benutzer und Betriebssystem erfolgt meist mit Hilfe
einer Kommandosprache, mit der die zur Verfügung stehenden Funktionen des
2.5
Betriebssysteme
43
Betriebssystems aufgerufen werden. Ein Kommando besteht aus einem
Kommandowort und fallabhängig aus ein oder mehreren Parametern. Das
Kommando wird mit der Eingabetaste abgeschlossen. Beispiel: Das DOSKommando type artikel.txt zeigt den Inhalt der Datei artikel.txt am Bildschirm an.
Alternative Möglichkeiten der Benutzerführung sind menügesteuerte Oberflächen,
die dem Benutzer als Menü eine Liste von Funktionen anbieten, die er einzeln
auswählen kann, und grafische Oberflächen mit Fenstertechnik und bildhaften
Darstellungen.
Abbildung 2-16 gibt eine kurze Übersicht über bekannte Betriebssysteme.
Abbildung 2-16:
Bekannte Betriebssysteme
MS-DOS wird nicht mehr vertrieben, ist jedoch noch Bestandteil der aktuellen
Windows-Versionen von Microsoft.
Unter Windows XP wurden die bisherigen Windows-Versionen für Arbeitsplatzrechner, Windows 2000 und Windows ME, zusammengefasst. Mac OS von
Apple war das erste Betriebssystem mit einer grafischen Oberfläche. Die Versionen
OS X 10.x basieren auf Unix.
Unix
Das Betriebssystem Unix wurde 1969 in den Bell Laboratories des amerikanischen
Telekommunikationskonzerns AT&T entwickelt. Es war ursprünglich für den
Einsatz in der Softwareentwicklung geplant und fand eine rasche Verbreitung im
wissenschaftlichen Bereich. Nachdem 1983 mit System V eine erste standardisierte
Unix-Version auf den Markt kam, hat sich Unix auch im kommerziellen
Anwendungsbereich verbreiten können.
44
2
Rechnersysteme und systemnahe Software
Unix läuft auf unterschiedlichen Plattformen, vom PC bis hin zum Großrechner.
Unix unterstützt Multi Tasking, ist mehrbenutzerfähig, nutzte von Beginn an ein
hierarchisches Dateisystem und verwendete als erstes Betriebssystem das Protokoll
TCP/IP, die Grundlage des Internet.
Heute gibt es eine Vielzahl von Unix-Varianten, die von unterschiedlichen
Hardware-Herstellern für ihre Rechner angeboten werden (z. B. HP-UX von
Hewlett Packard, AIX von IBM, Solaris von Sun Microsystems).
Linux
Linux ist eine von Linus Torvalds initiierte, lizenzfreie Unix-Version für PCs. Die
Weiterentwicklung von Linux wird von zahlreichen Softwareentwicklern auf der
ganzen Welt vorangetrieben. Es existieren mehrere Linux-Distributionen (z. B.
SUSE, Red Hat, Debian, Ubuntu, Mandriva). Es handelt sich hierbei um
installationsfertige Zusammenstellungen von Linux, Geräte-Treibern, Zusatzprogrammen und Anleitungen.
Gemäß einer Statistik vom November 2011 beträgt der Anteil des Betriebssystems
Linux bei den 500 größten Superrechnern der Welt 91,4 % (www.top500.org,
Operating system Family).
Gängige Betriebssysteme für Großrechner sind z. B. z/OS von IBM (Nachfolgesystem von OS/390) und BS2000/OSD (Open Server Dimension) von Fujitsu
Technology Solutions, für mittlere Systeme (neben den verschiedenen UnixVarianten) OS/400 von IBM.
Betriebssysteme für mobile Geräte
Das Betriebssystem Windows Phone 8 wurde von Microsoft speziell für Mobiltelefone entwickelt. Es löst die Vorgängersysteme Windows CE und Windows Mobile
vollständig ab. Die Bedienung erfolgt per Finger und Touchscreen.
Das freie und quelloffene Betriebssystem Android wird von der Open Handset
Alliance entwickelt. Anwendungen für Smartphones, Mobiltelefone und
Kleinstrechner werden in Java geschrieben.
Apple iOS, das auf Mac OS X basiert, ist das Betriebssystem für das Smartphone
Apple iPhone, das Medienabspielgerät Apple iPod und den Tablet-PC Apple iPad.
2.6
Rechnerklassen und -architekturen
Es ist üblich, Rechnersysteme nach der Leistung und der Zahl der Benutzer, die ein
System gleichzeitig nutzen, zu klassifizieren. Weitere Gliederungsmerkmale sind
die Anzahl der weltweiten Installationen, der Marktpreis und der Bedienungsund Wartungsaufwand. Angesichts der rasanten Entwicklung der Hardware ist
eine exakte Abgrenzung nicht möglich. So besitzen schon kleinste Rechner heute
die Leistungsfähigkeit von Großrechnern der 1970er Jahre.
2.6
Rechnerklassen und -architekturen
45
Kleinstrechner
Die Klasse der Kleinstrechner umfasst alle mobilen Geräte wie z.B. Persönliche
Digitale Assistenen (PDA), Netbooks und Smartphones.
Ein Smartphone ist ein Mobiltelefon, das um die Funktionen eines mobilen
Rechners erweitert wurde. Neben den üblichen Telefonfunktionen verfügen diese
Geräte u. a. über Kamera, Adressbuch, Kalender, Aufgabenplaner, Webbrowser, EMail-Client, Spiele, MP3-Player und GPS. Smartphones lassen sich mit neuen
Funktionen (sogenannte Apps) vom Anwender erweitern.
Ein E-Book-Reader (kurz E-Reader) ist ein tragbares Gerät, das das Lesen
elektronisch gespeicherter Buchinhalte ermöglicht. Meist verfügen E-Book-Reader
über eine direkte Anbindung an das Internet per Mobilfunknetz, um elektronische
Bücher auf das Gerät herunterzuladen. Bekannte Lesegeräte sind Amazon Kindle
und Sony Reader. Es existieren verschiedene Dateiformate für elektronische Inhalte
(z. B. Amazon Kindle AZW, ePub, PDF, HTML). Jedoch kann kaum ein E-BookReader alle Formate anzeigen.
Das vom kanadischen Unternehmen Research In Motion entwickelte BlackBerry ist
ein Smartphone zum Lesen und Schreiben von E-Mails an jedem beliebigen Ort. EMails werden per Push-Dienst von einem zentralen Server auf das Gerät
übertragen.
Das ca. 2008 in den Markt eingeführte Netbook ist kleiner und leistungsschwacher
als das übliche Notebook. Es ist hauptsächlich für den Internetzugang und
einfache Büroarbeiten konzipiert.
Abbildung 2-17:
Apple iPhone und iPad
46
2
Rechnersysteme und systemnahe Software
Abbildung 2-17 zeigt rechts das von Apple Anfang 2010 vorgestellte iPad.
Eingaben für diesen Kleinstrechner können direkt mit dem Finger auf dem
Bildschirm (Touchscreen) getätigt werden.
Mikrorechner
Diese Klasse umfasst Rechnersysteme, die einem Benutzer an seinem Arbeitsplatz
zur Verfügung stehen. Zentraleinheit und Peripherie sind auf Dialogverarbeitung
ausgerichtet.
Oft bezeichnet man Mikrorechner als Personal Computer (PC). Neben den
stationären Geräten (Desktop-PC, Tower-PC) werden auch die tragbaren
Versionen (Notebooks) zu den Personal Computern gezählt. Die ersten
Mikrorechner wurden Ende der 1970er Jahre von Apple und Commodore
vorgestellt.
Die Leistungsfähigkeit von Workstations liegt oberhalb der von PCs, allerdings
haben sich die Unterschiede zwischen Workstations und PCs in den letzten Jahren
verringert. Workstations werden aufgrund ihrer hohen Rechenleistung und
Grafikfähigkeit häufig für technisch-wissenschaftliche Anwendungen auf der Basis
von Unix eingesetzt.
Mittlere Systeme
Die Rechner dieser Klasse werden als Mehrbenutzersysteme eingesetzt, an die sich 20
bis 30 oder sogar je nach Ausstattung mehrere hundert Bildschirmarbeitsplätze
anschließen lassen. Diese Rechner werden zur Steuerung technischer Prozesse oder
als zentrale Rechner auf Abteilungsebene bzw. für kleinere Unternehmen
verwendet.
Großrechner
An Großrechnern (Mainframes), die mit umfassender Peripherie für die Dialogund Stapelverarbeitung ausgestattet sind, können mehrere tausend Bildschirmarbeitsplätze angeschlossen sein. Sie werden in Rechenzentren großer Unternehmen und Behörden zur zentralen Verarbeitung und Verwaltung großer
Datenmengen eingesetzt und von speziell ausgebildeten Mitarbeitern gesteuert
und überwacht. Mit dem zunehmenden Einsatz von kleineren und mittleren
Systemen (teilweise im Verbund mit Großrechnern) haben Großrechner etwas an
Bedeutung verloren.
Superrechner
Superrechner sind Systeme mit einer speziellen Rechnerarchitektur und einer
Verarbeitungsleistung bis zu mehreren tausend Mega-Flops. Sie werden für
Aufgaben in Forschung und Wissenschaft eingesetzt (z. B. in der Astronomie,
Meteorologie und in der Kernphysik).
2.7
Fragen und Aufgaben
47
Beispiel:
Der im Jahr 2008 im Forschungszentrum Jülich eingeführte IBM-Superrechner
BlueGene erbringt eine Spitzenleistung von 223 Tera-Flops und besitzt 65536
Prozessoren.
von-Neumann-Architektur
Die in Kapitel 2.3 beschriebene Grundstruktur eines Rechnersystems geht auf den
österreichisch-ungarischen Mathematiker John von Neumann (1903 - 1957) zurück,
der bereits 1945 die bis heute gültigen Prinzipien für die Funktionsweise eines
Rechners vorstellte.
Multiprozessorsysteme
Im Gegensatz zur klassischen von-Neumann-Architektur arbeiten Parallel-Rechner
(Multiprozessorsysteme) mit mehreren Prozessoren, die entweder auf einen
gemeinsamen Hauptspeicher zugreifen oder über jeweils einen eigenen lokalen
Speicher verfügen. Solche Systeme benötigen Betriebssysteme, die eine Aufgabe
auf mehrere Prozessoren aufteilen können. Allerdings wird nur dann ein
Geschwindigkeitsgewinn erzielt, wenn die zu behandelnde Aufgabe auch
parallelisierbar ist, d. h. die einzelnen Lösungsschritte von verschiedenen
Prozessoren teilweise gleichzeitig ausgeführt werden können. Dies ist meist nur
für Spezialaufgaben im technisch-wissenschaftlichen Bereich der Fall.
2.7
Fragen und Aufgaben
1.
Erläutern Sie das EVA-Prinzip.
2.
Erklären Sie die Begriffe Bit, Byte und Code.
3.
Stellen Sie die Dezimalzahl 205 als Dualzahl und als Hexadezimalzahl dar.
4.
Bestimmen Sie die größte positive Dezimalzahl, die als Dualzahl mit 32 Bit
dargestellt werden kann.
5.
Nennen Sie die Komponenten der Zentraleinheit eines Rechners und die
wichtigsten peripheren Geräte.
6.
Nennen Sie wichtige Kenngrößen des Hauptspeichers.
7.
Welche Aufgaben haben Busse in einem Rechner?
8.
Was versteht man unter RAID?
9.
Welche optischen Speichermedien gibt es und für welche Anwendungen sind sie
geeignet?
10. Was sind die Aufgaben von Betriebssystemen?
48
2
Rechnersysteme und systemnahe Software
11. Erläutern Sie die Begriffe Ein- und Mehrprogrammbetrieb sowie Ein- und
Mehrbenutzerbetrieb.
12. Erläutern Sie das Zeitscheibenverfahren.
13. Worin unterscheidet sich die Stapel- von der Dialogverarbeitung?
14. Klassifizieren Sie Rechner nach ihrer Leistung und Mehrbenutzerfähigkeit.
15. Vergleichen Sie die von-Neumann-Architektur mit der Architektur von
Multiprozessorsystemen. Worin besteht der Hauptunterschied?
Lösungshinweise finden Sie im Kapitel 18.2.1.
2.8
Fallbeispiel
Frau Bühler erhält eine Bedarfsanforderung zur Beschaffung von sechs CADArbeitsplatz-Rechnern (CAD = Computer Aided Design) mit dem neuesten Release
einer CAD-Software. Die Bedarfsanforderung wurde vom Fachbereich eingereicht.
Da es sich bei CAD-Arbeitsplätzen um kein Standardprodukt handelt, klärt Frau
Bühler im Vorfeld ab, ob es sich bei der CAD-Software um ein bereits bei der AK
Reinigungstechnik GmbH eingeführtes Produkt handelt. Parallel dazu informiert
Sie sich bei Kollegen und über die Homepage des CAD Softwareanbieters über die
technischen Anforderungen der CAD-Software an die Hardware.
Auf Grundlage dieser Informationen stimmt sich Frau Bühler mit dem Fachbereich
über die besonderen Anforderungen an die gewünschte Hard- und Software ab.
Insbesondere bittet Sie den Fachbereich, eine Abschätzung der voraussichtlichen
Datenmengen und Zugriffsmöglichkeiten vorzunehmen. Im Anschluss daran leitet
sie die Anforderung mit den technischen Daten an einen Kollegen, der für die
Beschaffung zuständig ist, weiter.
Anhand des B2B-Portals (B2B = Business to Business) des PC-Herstellers/
Lieferanten und der dort hinterlegten Konfigurationen wird das Produkt konfiguriert. Da CAD-Anwendungen generell hohe Anforderungen an Grafik- und
Rechenleistung stellen und gleichzeitig viel Hauptspeicher benötigen, werden die
Komponenten nach wirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkten zusammengesucht.
Da die zu beschaffenden Rechner in das Netzwerk der AK Reinigungstechnik
GmbH eingebunden werden sollen und die Datenhaltung zentral auf File Servern
erfolgt, wird noch ein Blick auf die angebotenen Netzwerkkarten geworfen, um
einen guten Datendurchsatz gewährleisten zu können. Zusätzlich wird geprüft, ob
die Softwareverteilung die bestellten Komponenten automatisch an die Arbeitsplätze verteilen kann.
2.8
Fallbeispiel
49
Aufgaben
1.
Formulieren Sie wichtige Anforderungen an die neue Hardware-Lösung,
wobei Sie auf die hohen Anforderungen in Hinblick auf Grafik- und
Rechenleistung achten sollten.
2.
Skizzieren Sie eine mögliche Soll-Konfiguration der Hardware.
Lösungshinweise finden Sie im Kapitel 18.2.2.
http://www.springer.com/978-3-8348-1669-6
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