Grundlagen der Informationstechnologie

Dozent: Beer

ÜBERBLICK
  • Komponenten eines Computers
  • Zahlensysteme
  • Kodierung
  • OSI Schichtenmodell / TCP IP
Komponenten eines Computers

Ein Computer besteht aus folgenden Teilen:
  • Hardware
    • alles, das man „anfassen“ kann 
    • Festplatte, Motherboard, Grafikkarte, Gehäuse, etc.
  • Software
    • alles, das zur Steuerung und Durchführung benötigt —> also das man nicht anfassen kann
    • Betriebssysteme beispielsweise 
  • Peripheriegeräte
    • Ausgabe-, Eingabe- und Einlesegeräte —> Geräte die sich ausserhalb des Computers befinden
    • beispielsweise der Bildschirm, Tastatur, Maus , Drucker, etc.
    • externe Speichereiheiten, z.B. Magnetband, CD, Disketten

Das Grundprinzip der Datenverarbeitung: das EVA Prinzip


Das Grundprinzip der Datenverarbeitung nennt sich das "EVA-Prinzip" (E=Eingabe, V=Verarbeitung, A=Ausgabe). Die einzelnen Schritte erkläre ich, am Beispiel eines Geldautomaten, im Folgenden genauer:

Zunächst erfolgt die Eingabe der Kontokarte, danach die der Funktion und darauf die der Geheimzahl.
Daraufhin werden die Daten verarbeitet, also wird geprüft, ob die PIN stimmt und ob genug Geld zur Verfügung steht.
Im letzten Schritt erfolgt die Ausgabe. Im Falle der korrekten Eingabe der Daten wird die gewünschte Forderung angezeigt, also zum Beispiel der Kontostand, oder es wird Geld ausgezahlt. Im Falle einer falschen Eingabe oder einem zu geringen Kontostand wird darauf hingewiesen.

Genauso kann dieser Vorgang zum Beispiel an einem Handy dargestellt werden. Möchte man es anschalten, ist es verschlüsselt und erfordert eine Geheimzahl, also eine Eingabe. Diese wird geprüft, während eine Verarbeitung abläuft. Je nach Eingabe wird der ein Hinweis angezeigt mit "Eingabe erfolgreich" oder auch "Eingabe fehlgeschlagen", es kommt also zu einer Ausgabe von Informationen.

Bestandteile der Hardware

Bestandteil Hardware
Erklärung / Darstellung
Netzteil/Servernetzteil
  • PC-Netzteil, das zur Stromversorgung in Computern dient
  • Netz-Wechselstrom wird in niedrigere Gleichspannungen transformiert, gleichgerichtet, gedient und geregelt
  • Servernetzteile arbeiten redundant (= immer zwei Netzteile, falls das eine ausfallen sollte)
USV (= unterbrechungsfreie Stromversorgung)
  • große Batterie
  • kann einige Computer versorgen, wenn der Strom gekappt wird und die Netzteile ausfallen
  • keine HDMI Kabel, sondern Netzwerkkabel zur Grafikübertragung (HDbaseT Verbindungsstandard zur Übertragung hochauflösender Multimediasignale)
Mother-/Mainboard
  • Erweiterbarkeit durch Steckplätze
  • Hauptplatinen verwalten und steuern die Steckplätze —> außerdem befinden sich RAM-Steckplätze, oder Prozessorsockel darauf
  • CPU (Central Processing Unit) ist der Prozessor unseres Computers
  • CPU-Bindung ist der Steckplatz für den Prozessor
Arbeitsspeicher /RAM/ROM
  • die Größe bestimmt die Geschwindigkeit des Gesamtsystems
  • RAM = Random Access Memory
    —> speichert individuelle Dtaen, geht aber bei einer Unterbrechung verloren, sofern die Daten nicht auf die Festplatte ausgelagert sind
  • ROM = Read Only Memory
    —> Datenspeicher, auf den nur lesend zugegriffen werden kann
    —> hält Programme bereit, früher oft Betriebssysteme, damit sie nicht gelöscht werden
    —> arbeitet mit BIOS (Basic Input Output System)
    - das Erste was startet wenn man den PC
      einschaltet
    - BIOS ist vor Betriebssystem drauf
    —> Steuerung der RAM
CMOS-Speicher
  • Complementary metal-oxide-semiconductor
  • Kombination von p-Kanal und n-Kanal-Feldeffekttransistoren
  • auch CMOS-RAM gennant
  • speichert BIOS-Daten
  • Batteriegestützt
Bit/Byte Verhältnis 
  • BIT = binary digit = Binärziffer
  • zwei Zustände —> bspw. „ein/aus“
  • Datentransfersrate wird in Bits pro Sekunde angegeben 
  • 8 Bit = 1 Byte
  • 32 Bit Prozessor ist als ein 4 Byte Prozessor
  • 64 Bit Prozessor = 8 Byte
  • BYTE = Maßeinheit für die Informationsmengen
  • Bildet häufig die kleinste direkt adressierbare Informationseinheit eines Computers (Adresse)
Festplatte
  • Speichermedium
  • magnetisch
  • Daten werden auf die Oberflächen von Scheiben geschrieben, die sich rotieren 
Grafikkarte
  • steuert die Grafikausgabe
  • Prozessor berechnet die Daten —> Grafikkarte wandelt Daten um, damit der Monitor diese als Bild wiedergeben kann
Soundkarte
  • verarbeitet analoge und digitale Audiosignale
Optische Laufwerke
  • ermöglicht den Zugriff auf optischen Datenträger, wie eine CD beispielsweise
  • die Daten werden dann von dem Laufwerk gelesen
WLAN oder LAN
  • (Wireless) Local Area Network
  • befindet sich beides auf dem Motherboard, ODER
  • LAN Anschluss als Netzwerkkarte
  • WLAN Antenne als Karte oder per USB

  • Schnittstellen

    • USB (Intel) vs. FireWire (Apple) —> hat sich aber nicht durchgesetzt
    • PXE (Preboot Execution Environment) ist eine Erweiterung des Bootens (Intel)
    • BIOS
      —> ist vor dem Betriebssystem drauf
      —> ist das erste, das an einem PC angeschaltet wird
      —> kann man mit dem Passwort schützen
      —> Schnittstelle zwischen Hard- und Software
    • Betriebssysteme (OS- Operating System)


Beispiele: 

mobiles Endgerät
Computer
iOS
Mac OS
Android
Linux (diverse Versionen)
Windows Phone
Windows
Black Berry
MS DOS (Dis Operating System)
Bada
Unix (Urvater)



Von der Hardware zum Betriebssystem


Vereinfachte Darstellung eines Computersystems






Aufgaben


  • erste Ebene der Software , Kommunikator zwischen Hardware und Software
  • erste Anwendungen schon selbst enthalten, z.B kleine Schreibprogramme
  • haben Datenbanken (z.B um verschiedene User voneinander abzutrennen/abzuspeichern)




„Die wesentliche Aufgabe des Betriebssystems ist die Betriebsmittelverwaltung. Als Betriebsmittel versteht man Hardware- und Software-Ressourcen und zwar u.a. die Prozessoren, die Prozesse (Software), Speicher, Dateien und Geräte. Es muss dafür Sorge tragen, dass exklusive Betriebsmittel konfliktfrei genutzt werden können.“ (Mandl Peter, 2010)

  • Das Server- und das Clientbetriebssystem müssen immer zusammen passen: 
Windows Server 2008     +    Windows 7
Windows 2000 &2003    +    Windows Vista
Windows NT 4.0               +    Windows 95
{Server}                        {Client}
  • SSD > Festplatte, da 
- nicht mechanisch, direkt in Speicheradresse
- keine physikalisch beweglichen Teile
—> kein Anlaufen

Historische Entwicklung
  1. Generation - 1945-1955
    - Minimale OS
    - Röhrencomputer
    - Maschinensprache
    - Lochkarten ab 1950
  2. Generation - 1955-1965
    - komplexeres OS
    - Transistorencomp.
    - Assemblersprachen
    - Mainframes, Batchverarbeitung
    - IBM 1401, 7094
  3. Generation - 1965-1980
    - umfangreichere OS
    - Integrierte Schaltkreise
    - Hochsprachen
    - Mainframes, Multiprogramming, Timesharing, Mehrbenutzerbetrieb
    - IBM Systeme
  4. Generation - 1980 - …
    - Komplexe OS
    - Objektorientierung
    -PCs, Server, Mainframes, Clients, verteilte Systeme
    - MS-DOS, Unix, Windows, IBM OS

Von-Neumann-Rechner (Standard)
Komponenten: 

1. CPU
2. Rechenwerk (ALU = arithmetisch-logische Einheit)
—> Das Rechenwerk führt arithmetische und vergleichende Operationen aus und sorgt für den Transport von Operanden in den und aus dem Hauptspeicher. 
3. Steuerwerk (CU = control unit) 
—> Das Steuerwerk ermittelt zur Laufzeit die auszuführende Befehlsfolge und sorgt für deren Ausführung. 
4. Hauptspeicher
—> besteht aus einer Folge von Speicherzellen, die sowohl Befehle als auch Operanden aufnehmen können 
—> dient der Speicherung des aktuellen Programms, der Übernahme von Eingabedaten, der Übernahme von Daten aus einem externen Speicher und der vorübergehenden Speicherung von Zwischen- oder Endergebnissen.
5. Bussystem
—> reduziert die Anzahl der „Wege“, die zur Kommunikation der verschiedenen Komponenten nötig sind, indem die Kommunikationen auf einem Datenweg zusammengeschlossen werden





Harvard- Rechner
  • Schaltungskonzept, bei dem der Befehlsspeicher vom Datenspeicher getrennt ist 
  • Die logische Trennung ergibt sich aus verschiedenen Adressräumen und verschiedenen Maschinenbefehlen zum Zugriff auf Befehl- und Datenspeicher. 
  • Die Trennung erfolgt durch zwei getrennten Speicher (Datenspeicher und Maschinenbefehlsspeicher), auf die der Zugriff über je einen eigenen Bus erfolgt



Zahlensysteme

  • dienen zur transparenten Darstellung von Zahlen durch geeignete Ziffern und deren systematischen Anordnung (elementar für Rechentechnik) Bsp.: 62 000 000 000 000 oder 6.2x1010
  • Polydiadische Zahlensysteme geben den Ziffern ihren Wert in Abhängigkeit von ihrer Stelle innerhalb der systematischen stellenorientierten Anordnung 
  • das Dezimalsystem ist der uns geläufigste Vertreter der polyadischen Zahlensysteme
  • die Stellenwerte entsprechen den Potenzen der Basis des jeweiligen polyadischen Zahlensystems 

Aufgabe

Notieren Sie für die beiden Ziffern 24 und 37 jeweils die Zahldarstellung im 6er und 8er System:

           8er System                               6er System

 0   1   2   3   4    5  6   7    0     1      2     3    4     5  
10 11 12 13 14 15 16 17 10    11   12   13  14   15 
20 21 22 23 24 25 26 27 20    21   22   23  24   25
30 31 32 33 34 35 36 37 30    31   32   33  34   35
40 41 42 43 44 45 46 47 40    41   42   43  44   45
50 51 52 53 54 55 56 57 50    51   52   53  54   55
60 61 62 63 64 65 66 67  100 101 102 103 104 105



Dezimalsystem

—> Das uns bekannte Zahlensystem ist das Dezimalsystem
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20…

Berechnung mit der Hornerschema

Vorgehen: 
  1. Die Zahl durch 6 teilen, den Rest beibehalten
  2. Der Divisionsrest ist die nächste Ziffer (von rechts nach links)
  3. Falls der (ganzzahlige) Quotient = 0 ist, ist man fertig, andernfalls wiederholt man den ersten und zweiten Schritt.

—> Beispiel der Dezimalzahl 50, die im 6er-System umgewandelt wird
50:6 = 8 Rest: 2
  8:6 = 1 Rest: 2
  1:6 = 0 Rest: 1

Ergebnis: 122

—> Beispiel der Dezimalzahl 23, die im 5er-System umgewandelt wird
23:5 = 4 Rest: 3
  4:5 = 0 Rest: 4

Ergebnis: 43

 —> Beispiel der Dezimalzahl 12, die im 3er-System umgewandelt wird
12:3 = 4 Rest: 0
  4:3 = 1 Rest: 1
  1:3 = 0 Rest: 1

Ergebnis: 110

Das Duale Zahlensystem
RB                     = 2 (Basis)
ZB                      = {0,1}

Beispiel:

Zahlendarstellung 

Dualzahlen:
  • Repräsentation einer Zahl mit Binärstellen in polyarischer Darstellung und Interpretation
  • wenn Ziffernvorrat in einer Stelle erschöpft, erfolgt ein Übertrag in die nächsthöhere Stelle

Dualsystem:
  • grundlegendes Zahlensystem für die numerische Verarbeitung digitaler Daten

Folgende Regeln gelten im Dualsystem:
  1. 0 + 0 = 0
  2. 0 + 1 = 1 + 0 = 1
  3. 1 + 1 = 10
  4. 1 + 1 + 1= 11

Das Hexadezimalsystem
RH                       = 16
ZH                        = {0,1,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F}

  • 1 Ziffer im Heximaldezimalsystem entspricht genau 4 Ziffern im Dualsystem
  • 2 Ziffern im Heximaldezimalsystem zusammengefasst in 1 Byte (8 Bit)

Vorgehen:
  1. Die Zahl wird durch 16 geteilt.
  2. Der Divisionärs ist die nächste Ziffer (von rechts nach links).
  3. Für Reste die größer als 9 sind, nimmt man die Buchstaben A,B,C,D,E,F
  4. Falls der ganzzahlige Quotient = 0 ist, dann ist man fertig, andernfalls wird der Vorgang ab Schritt 1 wiederholt.

—> Beispiel der Dezimalzahl 125, die ins Hexadezimalsystem umgewandelt
125: 16 = 7 Rest 13 —> Ziffer: D
     7: 16 = 0 Rest   7 —> Ziffer: 7

Ergebnis: 7D

Der Turm von Hanoi

Wie viele Züge benötigt man minimal für 3 Scheiben?
1. Regel: Es darf immer nur eine Scheibe bewegt werden
2. Regel: Es darf nie eine größere auf einer kleineren Scheibe liegen


Der ASCII - Code als Datenschreibweise 
  • 17. Juni 1963 als Standard gebilligt
  • 128 Zeichen
  • 33 nicht druckbaren Zeichen
  • 95 druckbare Zeichen

Kodierung von Daten

—> Zuordnung oder Abbildung der Werte eines Zeichenvorrats auf die eines anderen.
  • Zeichen:  eine Ausprägung (Form/Wert) eines Signals auf der Ebene der Daten/Symbole auf der Ebene der Informationen
  • Zeichenvorrat: alle zulässigen Zeichen, die vorkommen können

Wozu kodieren?
  • Speicherung
  • Übertragung
  • Berechnung
  • Komprimierung
  • Verschlüsselung
  • Veranschaulichung

Eigenschaften von Kodierung 
1. berechenbar 2. eindeutig  3.umkehrbar

Digitalisierung von Daten



Das OSI-Schichtenmodell

Problem: durch das Internet müssen unterschiedliche Geräte mit unterschiedlicher Hard- und Software fehlerfrei miteinander kommunizieren können.
—> Lösung: Einführung eines unabhängigen Referenzmodells zur Netzwerkkommunikation durch die ISO Netzwerke. 



TCP/IP
  • legt fest wie Informationen übertragen werden
    —> Datenpakete werden verschickt

in diesem Video, welches wir im Seminar angeguckt haben, wird dies noch einmal genauer erklärt:

FAZIT

„Grundlagen der Informationstechnologie“ wurden uns, wie der Name schon sagt, im ersten Semester durch Herrn Beer deutlich vermittelt. Wir lernten verschiedene fundamentale Eigenschaften von Computern, dem Internet oder Zahlensystemen. Der Unterricht wurde von Herrn Beer vielfältig gestaltet, sodass sich Theorie und praktische Übungen ergänzten. Zusammenfassen kann ich sagen, dass ich immer sehr gerne in diese Veranstaltung gegangen bin, und immer etwas mitgenommen habe. 









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