|
Viele Dinge in der Anwendungsprogrammierung oder im Funktionsumfang basieren auf Erkenntnissen, die nicht im 21. Jahrhundert entstanden sind, sondern bereits viel früher. Da ich einen Großteil meiner Freizeit mit Computern verbringe, war es offensichtlich, eine Facharbeit über Computertechnologie zu schreiben. Besonders interessiert hat mich der Aufbau und die Funktionalität. Schon in meiner früheren Schullaufbahn hielt ich Vorträge über die Geschichte oder machte Plakate über den Bau von Computern. Ich möchte mich bei meinen Eltern bedanken, die mir bei der Fehlerbehebung sehr geholfen haben.
1 Der Computer erleichtert uns die tägliche Arbeit, ob privat oder beruflich. Wir berechnen, schreiben , zeichnen und spielen mit ihnen, als hätten sie schon immer existiert. Aber war es immer beabsichtigt, Texte auf einem Computer zu schreiben? Ursprünglich beschränkten sich die ersten Anwendungsbereiche auf die Verarbeitung von Zahlen. Aus dieser Tatsache lässt sich auch der Name Computer ableiten. Computer kommt vom englischen Wort to compute und bedeutet soviel wie rechnen. Im Mittelalter waren die Menschen so genannte Menschen, die lange Rechenarbeiten verrichteten, um zum Beispiel astronomische Erkenntnisse zu gewinnen. Später wurde der Begriff verwendet, um sich auf elektronische Rechenmaschinen zu beziehen. Mit zunehmender Rechenleistung wuchs auch die Bandbreite der Ein
satzmöglichkeiten. Von 1993 bis 2005 stieg die Rechenleistung von 60°MHz (60 Millionen Schritte pro Sekunde) auf 3800°Mhz (3800 Millionen Schritte pro Sekunde). Dies ist eine Steigerung der Rechenleistung um 3600°%. Enorm, wenn man bedenkt, dass es nur 12 Jahre dazwischen gibt. Dass kaum eine solche Entwicklung denkbar gewesen wäre, beweist, dass die Aussage 640°K von 1981 für jeden Körper ausreichen sollte – 640 KBytes (Speicher) sind alles, was jede Anwendung jemals vom Microsoft-Gründer Bill Gates selbst benötigen sollte.
Dennoch wurden die ersten Computer auf mechanischer und elektromechanischer Basis fertiggestellt. Diese waren natürlich nur großen Unternehmen oder Universitäten vorbehalten. Sie konnten lange Zeit nicht mit den heutigen Computern verglichen werden. Konrad Zuse (1910 1995), einer der Vorfahren von Rechenmaschinen, entwickelte 1933 1937 eine der ersten Rechenmaschinen auf Basis des Binärzahlensystems, die Z1 (Abb. 1). Die Z1 beherrschte 4 grundlegende mathematische Operationen: Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division und dezimal-duale und dual-dezimale Umwandlung. Die Rechenmaschine wurde im Krieg komplett zerstört und nach dem Krieg nach den ursprünglichen Plänen wieder voll funktionsfähig aufgebaut (Bild 1). Ähnlich wie der Z1 entwickelte Zuse 1941 den Z3. Es war der erste funktionale programmgesteuerte Taschenrechner. Die Programmeingaben erfolgten mit Lochstreifen. Mit der elektronisch-mechanischen Z3 können 64 Wörter gespeichert werden. (Der Z3 war ein von Konrad Zuse entworfener elektromechanischer Computer) × Fast gleichzeitig entwickelten J.°Presper°Eckert°(1919 < 1995) und John°W.°Mauchl°(1907 < 1980) an der University of Pennsylvania (USA ) den ersten vollelektronischen digitalen Universalcomputer, den ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) (ENIAC war einer der frühesten elektronischen Universalcomputer). Er berechnete ballistische Tabellen für die U.S. Army. Die größten Fehlerquellen an der Maschine waren die ca. 18000 Rohre. Wenn auch nur ein Fehler auftrat, wurde die gesamte Maschine falsch berechnet! Damals bemerkte man, dass beim Ein- und Ausschalten mehr Rohre brachen als beim Durchlaufen der Maschine. Infolgedessen wurden sie einfach nicht benutzt und die Ausfallzeiten konnten auf wenige Stunden pro Woche reduziert werden. Diese Stufe der Computertechnologie könnte man heute als die Monster2-Generation bezeichnen. Denn sowohl die Z1/Z3 als auch die ENIAC füllten einen ganzen Raum. Sie erreichten eine Leistung von mehreren tausend Additionen pro Sekunde. Die Größe war auch überdimensioniert. Dies konnte erst in der zweiten Generation geändert werden. Mit der Erfindung des Transistors im Jahr 1959 durch William B. Shockley, John Bardeen und Walter Brattain wurde die zweite Generation von Computern eingeführt. Die Platzersparnis durch die neue Technologie war enorm. Aber auch die Rechenleistung hat sich gegenüber der ersten Generation verzehnfacht. Jetzt waren Zehntausende von Ergänzungen pro Sekunde möglich. Bei der Programmierung der Maschinen konnte man sich von der bisher verwendeten Maschinensprache lösen und problemorientierte Programmiersprachen wie Fortran oder Cobol5 entwickeln. In diesem Zeitraum wurden auch die ersten Grundlagen für Betriebssysteme gelegt. Da der Bau dieser Computer noch sehr teuer war, wurden Konzepte für Community-Systeme entwickelt, in denen sich mehrere Benutzer einen Computer teilen konnten. 1.1.3 Erzeugung 3. 1965-1974.
Auch hier brachte die neue Generation Platzersparnis. Das Design und die Funktionalität basieren nun auf integrierten Schaltungen. 1970 war die Anfangszeit der Mikroprozessoren und so wurden 1974 bereits 20000 Komponenten auf 25 mm² Oberfläche untergebracht. Neue problemorientierte Programmiersprachen wie BASIC (Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code) wurden entwickelt und heute allgemeine Dinge wie Multitasking erfunden. 1.1.4 Generation 4 (ab 1975) Die vierte und derzeit letzte Generation steckt noch in den Kinderschuhen und ist gekennzeichnet durch die Entwicklung des Mikroprozessors und die Idee des Personalcomputers (Ein Personalcomputer ist ein vielseitiger elektronischer Computer, dessen Größe, Fähigkeiten und Preis es für den individuellen Gebrauch möglich machen) (PC). In der Vergangenheit wurden alle Maschinen, bei denen ein Intel 8088 Prozessor in ihr System integriert war, als PCs bezeichnet. Heutzutage hat sich dieser Begriff auf alle Heimcomputer ausgebreitet, da es zu viele Prozessoren mit einer x86-Architektur wie den 8088 gibt. Als in den 70er Jahren Silizium für die Computerindustrie entdeckt wurde, sanken die Preise für die Herstellung von Bauelementen enorm. So war es nicht verwunderlich, dass Unternehmen wie Apple, IBM (International Business Machines Corporation ist ein amerikanisches multinationales Technologieunternehmen mit Hauptsitz in Armonk, New York , USA , und Niederlassungen in über 170 Ländern) oder Macintosh über den Einsatz von Computern im Heimbereich nachdachten. Die Computer wurden als Bausätze geliefert. So musste jeder Besitzer seinen eigenen PC zusammenbauen. Einer der ersten Computer für Privatanwender war der Altair 8800 (der Altair 8800 ist ein 1974 vom MITS entwickelter Mikrocomputer auf Basis der Intel 8080 CPU) (Bild 2). Es hatte 2 Mhz Rechenleistung und 256 Bytes RAM. Peripheriegeräte wie Maus, Tastatur oder Monitor waren in der Grundausstattung nicht enthalten. Die Eingaben erfolgten über Kippschalter an der Innenfront. LED´s informierte über den Status. Der große Erfolg des Altair 8800 war darauf zurückzuführen, dass er erweiterbar war. So könnte man zusätzlich Massenspeicher, Ein-/Ausgabegeräte oder Speichererweiterungen kaufen. Andere spätere Geräte wie der IBM-PC 5150 (Abb. 3.) könnten ebenfalls mit Steckkarten wie der heutigen PC´s erweitert werden. Einerseits war diese Norm zukunftssicher, andererseits konnte der Computer auf sein Einsatzgebiet zugeschnitten werden. Die einfache Struktur des PC´s konnte damals schon überzeugen und so entstanden im Laufe der Zeit viele Repliken der IBM-PCs (IBM-PC-Clones oder kurz IBM-Klon). Im Haushalt wurden sie hauptsächlich zum Experimentieren, Lernen und Spielen verwendet. Heute hat sich wenig geändert, außer dass viele weitere Anwendungen hinzugefügt wurden, wie Textverarbeitung, Datenbanken und Tabellenkalkulationen. So wurde der PC dann auch für den beruflichen Alltag interessant. Die Vorteile gegenüber einer Schreibmaschine lagen auf der Hand. Die Performance der heutigen PC´s ist mit der der Vergangenheit kaum zu vergleichen. Nur die IBM-Kompatibilität ist bei den meisten heutigen Computern erhalten geblieben. Laut Statistik verfügen heute 83% der Bevölkerung über einen Computer. 70% von ihnen arbeiten regelmäßig damit. Ein normaler Mittelklasse-PC hat heute eine CPU (Central Processing Unit (Eine Central Processing Unit ist die elektronische Schaltung in einem Computer, die die Anweisungen eines Computerprogramms ausführt, indem sie die grundlegenden arithmetischen, logischen, kontrollierten und Ein-/Ausgabe-Operationen durchführt)) von 2500 MHz, ein RAM von 265 MB Ram und eine Festplatte von 80 GB. Dies ist eine Leistungssteigerung von 38000% gegenüber den Anfängen. Eine Aufwärtsbegrenzung ist noch nicht sichtbar.
Letzteres vernachlässige ich, denn heute werden nur noch digitale Computer gebaut. Der digitale Computer besteht aus zwei inneren Ebenen, der Softwareebene und der Hardwareebene. Die Hardware enthält alle Komponenten, die berührt werden können. Die Grundausstattung eines PC´s beinhaltet: Mainboard (Bild 5 Mainboard für andere Komponenten), CPU (Zentraleinheit, steuert alle anderen Komponenten), Hauptspeicher (Computerdatenspeicher, oft auch Speicher oder Speicher genannt, ist eine Technologie, die aus Computerkomponenten und Speichermedien besteht, die zum Speichern digitaler Daten verwendet werden) (Hauptspeicher durch Speichern aller Benutzerdaten für den späteren Gebrauch), Grafikkarte (steuert die Bildausgabe) sowie eine Festplatte (Ein Festplattenlauf, Festplatte, Festplatte oder Festplatte ist eine Datenspeichervorrichtung, die digitale Informationen unter Verwendung einer oder mehrerer starrer, schnell drehender, mit magnetischem Material beschichteter Festplatten speichert und abruft) (zum Speichern von Daten). Andere Peripheriegeräte wie Drucker , DVD-Laufwerke oder Netzwerkkarten sind Teil der Hardware , aber nicht unbedingt notwendig für den eigentlichen Betrieb des Computers, sondern erweitern die Funktionalität des Gerätes. Würde man den PC allein mit Hardware betreiben, wäre es im Prinzip nutzlos. Nur durch den Einsatz von Software, die die zweite Ebene darstellt, kann die Hardware gesteuert und genutzt werden. Software ist die nicht-physische Komponente eines PC´s. Dazu gehören vor allem Computerprogramme, die bestimmte Daten verwalten oder erstellen können. Wichtig ist an dieser Stelle die Unterteilung in Systemsoftware und Anwendungssoftware. Die Systemsoftware ist für den ordnungsgemäßen Betrieb der Website PC´s verantwortlich. Zu dieser Klasse gehören vor allem die Betriebssysteme wie MS Windows, Linux oder MacOS. Eine Ebene darunter ist die Firmware ebenfalls Bestandteil der Systemsoftware. Anwendungssoftware (Ein Anwendungsprogramm ist ein Computerprogramm, das dazu bestimmt ist, eine Gruppe von koordinierten Funktionen, Aufgaben oder Aktivitäten zum Nutzen des Benutzers auszuführen) ist dafür verantwortlich, dem Benutzer den tatsächlichen Nutzen des Computers zu bieten. Ein Beispiel für eine Anwendungssoftware wäre OpenOffice zum Schreiben von Texten. In den frühen Tagen noch auf Papierkassette, bekommt man heute auf einem normalen DVD-Rohling fast 4,6 GB Daten gesichert. Der Trend zu immer größeren Speicherformaten ist, wie bei der Rechenleistung, ungebrochen und kann nur durch physikalische Grenzen aufgehalten werden. 2.1 Physische Speicherung Die physische Speicherung von Daten ist in der heutigen Zeit in den Hintergrund getreten, da viele Daten nur digital gespeichert werden. Charakteristisch für diese Speichertechnologie ist, dass die Daten nahezu berührbar sind. Ob sie für alle sofort lesbar sind, ist nicht von Belang. Beispiele sind der Druck von Schriften auf Papier, Lochkarten (Bild 4), Lochstreifen oder Wachsplatten. Bereits die Zuse Z3 von 1941 konnte mit Papierband programmiert werden. 2.2 Die elektronische Speicherung ist eine sehr moderne Form der Speicherung, da alle Daten in elektronischen Bauelementen gespeichert sind. In der Vergangenheit wurden diese oft als flüchtige Speichergeräte verwendet, aber erst durch die Verwendung von zweifelhaften Speicheroptionen erlangte die elektronische Speicherung neuen Ruhm. Beispiele finden sich fast überall in der elektronischen Welt. Kurz gesagt, RAM (SD-Ram/DDR -Ram) oder Flash-Speicher in Form von Speicherkarten für Handys, digitale Fotografie oder MP3-Player. 2.3 Magnetische Speicherung (Magnetische Speicherung oder magnetische Aufzeichnung ist die Speicherung von Daten auf einem magnetisierten Medium) In der magnetischen Speicherung werden Daten auf magnetisierbares Material geschrieben und nahezu unbegrenzt gespeichert. Die Informationen werden mit einem Lese- und Schreibkopf auf das Medium geschrieben. Beispiele für diese Art der Speicherung sind die bereits sehr alte, aber immer noch häufig verwendete Diskette und das wichtigste Massenspeichermedium in der modernen PC´s die Festplatte . In Unternehmen oder Institutionen werden auch häufig Magnetbänder eingesetzt, die es ermöglichen, Datensicherungen effizienter und sicherer zu lösen als auf Festplatten. 2.4 Optische Speicherung Die nützlichste Speicheroption für den Heimgebrauch ist die Sicherung der Daten auf optischen Medien. Bei diesem Verfahren werden die Reflexions- und Beugungseigenschaften verschiedener Materialien genutzt.
Bei der weit verbreiteten CD werden vor allem reflektierende Eigenschaften genutzt. Ein weiteres sehr beliebtes Speichermedium dieser Zeit ist die DVD. Bis zu 4,6 GB Daten können auf die erste Schicht dieser meist blau-silbernen Scheibe aufgebracht (gebrannt) werden. Besonders die einfache Handhabung spricht für diese Form der Datenspeicherung. CD und DVD werden in naher Zukunft durch die Blu-ray Disc (Blu-ray oder Blu-ray Disc ist ein digitales Datenspeicherformat) und die HD-DVD (HD DVD ist ein abgekündigtes High-Density Optical Disc Format zur Speicherung von Daten und Wiedergabe von High-Definition-Videos) ersetzt, die bereits als DVD-Nachfolger gehandelt werden. Diese optischen Medien können dann 27 GB (Blu-ray Disc) auf einer Schicht oder 50 GB (HD-DVD) auf zwei Schichten speichern. Damit ist in Zukunft die Datensicherung ganzer Festplatten auf einer runden, silbernen Platte möglich. Im Allgemeinen kann man sagen, dass die Entwicklung der Computertechnologie unser Leben nachhaltig verändert hat, sowohl zu Hause als auch am Arbeitsplatz. Ich bin sicher, dass diese Aussage nicht für alle gilt. Die meisten Berufe ohne die Nutzung von PC´s sind jedoch sehr schwer vorstellbar. Der bürokratische Aufwand in allen Verwaltungen wäre enorm, wenn es keine elektronischen Helfer gäbe. Die Produktion der ersten Rechenmaschinen wie der Z1/3 war damals eine echte Meisterleistung, denn sie funktionieren alle noch mechanisch und jedes Teil wurde einzeln gefertigt. Heutzutage ist die Herstellung eines Computers immer noch kompliziert, aber viele Aufgaben könnten durch Maschinen erleichtert werden. Innovation und Fortschritt haben auch im Bereich der Speichermedien viele wichtige Produkte hervorgebracht. Ausgehend von Lochkarten entwickelten sich Speichermedien zu einem hochkomplexen Medium der Neuzeit. Sowohl die Rechenleistung als auch die Größe der Speichermedien zeigten eine atemberaubende Entwicklung. Es wird interessant sein, welche Dimensionen wir in naher Zukunft durchbrechen werden.