Computer Fachmann Ravensburg.
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Ein Computer, auch Rechner genannt, ist ein Apparat, der
Informationen mit Hilfe einer programmierbaren Rechenvorschrift verarbeiten
kann. Der englische Begriff computer, abgeleitet vom Verb to compute (rechnen),
bezeichnete ursprünglich Menschen, die quälend langwierige Berechnungen
vornahmen, zum Beispiel für Astronomen im Mittelalter. Bis in die 60er Jahre
wurde diese Arbeit vornehmlich von Frauen mit Hilfe von Rechenmaschinen
erledigt. Später ging der Begriff auf die Maschinen selbst über.
Einst war die Informationsverarbeitung mit Computern auf die Verarbeitung von
Zahlen beschränkt. Mit zunehmender Leistungsfähigkeit eröffneten sich neue
Einsatzbereiche, Computer sind heute in allen Bereichen des täglichen Lebens
vorzufinden: Sie dienen der Verarbeitung und Ausgabe von Informationen in
Wirtschaft und Behörden, der Berechnung der Statik von Bauwerken bis hin zur
Steuerung von Waschmaschinen und Automobilen. Die leistungsfähigsten Computer
werden eingesetzt, um komplexe Vorgänge zu simulieren: Beispiele sind die
Klimaforschung, thermodynamische Fragestellungen, medizinische Berechnungen –
bis hin zu militärischen Aufgaben, zum Beispiel der Simulation des Einsatzes von
nuklearen Waffen. Viele Geräte des Alltags, vom Telefon über den Videorekorder
bis hin zur Münzprüfung in Warenautomaten, werden heute von integrierten
Kleinstcomputern gesteuert (eingebettetes System). Der Deutsche Konrad Zuse gilt
als Erfinder des Computers.
Grundlagen
Grundsätzlich sind zwei Bauweisen zu unterscheiden: Ein Computer ist ein
Digitalcomputer, wenn er mit digitalen Geräteeinheiten digitale Daten
verarbeitet; er ist ein Analogcomputer, wenn er mit analogen Geräteeinheiten
analoge Daten verarbeitet.
Bis auf wenige Ausnahmen werden heute fast ausschließlich Digitalcomputer
eingesetzt. Diese folgen gemeinsamen Grundprinzipien, mit denen ihre freie
Programmierung ermöglicht wird. Bei einem Digitalcomputer werden dabei zwei
grundsätzliche Bausteine unterschieden: Die Hardware, die aus den
elektronischen, physisch anfassbaren Teilen des Computers gebildet wird, sowie
die Software, die die Programmierung des Computers beschreibt.
Ein Digitalcomputer besteht zunächst nur aus Hardware. Die Hardware stellt
erstens einen so genannten Speicher bereit, in dem Daten wie in Schubladen
gespeichert und jederzeit zur Verarbeitung oder Ausgabe abgerufen werden können.
Zweitens verfügt das Rechenwerk der Hardware über grundlegende Bausteine für
eine freie Programmierung, mit denen jede beliebige Verarbeitungslogik für Daten
dargestellt werden kann: Diese Bausteine sind im Prinzip die Berechnung, der
Vergleich, und der bedingte Sprung. Ein Digitalcomputer kann beispielsweise zwei
Zahlen addieren, das Ergebnis mit einer dritten Zahl vergleichen und dann
abhängig vom Ergebnis entweder an der einen oder der anderen Stelle des
Programms fortfahren. In der Informatik wird dieses Modell theoretisch durch die
Turing-Maschine abgebildet; die Turing-Maschine stellt die grundsätzlichen
Überlegungen zur Berechenbarkeit dar.
Erst durch Software wird der Digitalcomputer jedoch nützlich. Jede Software ist
im Prinzip eine definierte, funktionale Anordnung der oben geschilderten
Bausteine Berechnung, Vergleich und Bedingter Sprung, wobei die Bausteine
beliebig oft verwendet werden können. Diese Anordnung der Bausteine, die als
Programm bezeichnet wird, wird in Form von Daten im Speicher des Computers
abgelegt. Von dort kann sie von der Hardware ausgelesen und abgearbeitet werden.
Dieses Funktionsprinzip der Digitalcomputer hat sich seit seinen Ursprüngen in
der Mitte des 20. Jahrhunderts nicht wesentlich verändert, wenngleich die
Details der Technologie erheblich verbessert wurden.
Analogrechner funktionieren jedoch nach einem anderen Prinzip. Bei ihnen
ersetzen analoge Bauelemente (Verstärker, Kondensatoren) die
Logikprogrammierung. Analogrechner wurden früher häufiger zur Simulation von
Regelvorgängen eingesetzt (siehe: Regelungstechnik), sind heute aber fast
vollständig von Digitalcomputern verdrängt worden.
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Hardwarearchitektur
Das heute allgemein angewandte Prinzip, das nach seiner Beschreibung durch John
von Neumann von 1946 als „Von-Neumann-Architektur“ bezeichnet wird, definiert
für einen Computer "fünf" Hauptkomponenten:
die Recheneinheit (Arithmetisch-Logische Einheit (ALU)),
die Steuereinheit,
die Buseinheit
den Speicher und
die Eingabe- und Ausgabeeinheit(en).
In den heutigen Computern sind die ALU und die Steuereinheit meist zu einem
Baustein verschmolzen, der so genannten CPU (Central Processing Unit, zentraler
Prozessor).
Der Speicher ist eine Anzahl von durchnummerierten „Zellen“, jede dieser Zellen
kann ein kleines Stück Information aufnehmen. Diese Information wird als
Binärzahl, also einer Abfolge von ja/nein-Informationen, in der Speicherzelle
abgelegt - besser vorzustellen als eine Folge von Nullen und Einsen. Ein
Charakteristikum der „Von Neumann-Architektur“ ist, dass diese Binärzahl
(beispielsweise 65) entweder ein Teil der Daten sein kann (also zum Beispiel der
Buchstabe „A“), oder ein Befehl für die CPU („Springe ...“).
Wesentlich in der Von-Neumann-Architektur ist, dass sich Programm und Daten
einen Speicherbereich teilen (dabei belegen die Daten in aller Regel den unteren
und die Programme den oberen Speicherbereich).
Dem gegenüber stehen in der sog. Harvard-Architektur Daten und Programmen eigene
(physikalisch getrennte) Speicherbereiche zur Verfügung, dadurch können
Daten-Schreiboperationen keine Programme überschreiben.
In der Von-Neumann-Architektur ist die Steuereinheit dafür zuständig, zu wissen,
was sich an welcher Stelle im Speicher befindet. Man kann sich das so
vorstellen, dass die Steuereinheit einen „Zeiger“ auf eine bestimmte
Speicherzelle hat, in der der nächste Befehl steht, den sie auszuführen hat. Sie
liest diesen aus dem Speicher aus, erkennt zum Beispiel „65“, erkennt dies als
„Springe“. Dann geht sie zur nächsten Speicherzelle, weil sie wissen muss, wohin
sie springen soll. Sie liest auch diesen Wert aus, und interpretiert die Zahl
als Nummer (so genannte Adresse) einer Speicherzelle. Dann setzt sie den Zeiger
auf eben diese Speicherzelle, um dort wiederum ihren nächsten Befehl auszulesen;
der Sprung ist vollzogen. Wenn der Befehl zum Beispiel statt „Springe“ lauten
würde „Lies Wert“, dann würde sie nicht den Programmzeiger verändern, sondern
aus der in der Folge angegebenen Adresse einfach den Inhalt auslesen, um ihn
dann beispielsweise an die ALU weiterzuleiten.
Die ALU hat die Aufgabe, Werte aus Speicherzellen zu kombinieren. Sie bekommt
die Werte von der Steuereinheit geliefert, verrechnet sie (addiert
beispielsweise zwei Zahlen, welche die Steuereinheit aus zwei Speicherzellen
ausgelesen hat) und gibt den Wert an die Steuereinheit zurück, die den Wert dann
für einen Vergleich verwenden oder wieder in eine dritte Speicherzelle
zurückschreiben kann.
Die Ein-/Ausgabeeinheiten schließlich sind dafür zuständig, die initialen
Programme in die Speicherzellen einzugeben und dem Benutzer die Ergebnisse der
Berechnung anzuzeigen.
Softwarearchitektur
Die Von-Neumann-Architektur ist gewissermaßen die unterste Ebene des
Funktionsprinzips eines Computers oberhalb der elektrophysikalischen Vorgänge in
den Leiterbahnen. Die ersten Computer wurden auch tatsächlich so programmiert,
dass man die Nummern von Befehlen und von bestimmten Speicherzellen so, wie es
das Programm erforderte, nacheinander in die einzelnen Speicherzellen schrieb.
Um diesen Aufwand zu reduzieren, wurden Programmiersprachen entwickelt... Diese
generieren die Zahlen innerhalb der Speicherzellen, die der Computer letztlich
als Programm abarbeitet, aus höheren Strukturen heraus automatisch.
Später wurden bestimmte sich wiederholende Prozeduren in so genannten
Bibliotheken zusammengefasst, um nicht jedes Mal das Rad neu erfinden zu müssen,
z. B. das Interpretieren einer gedrückten Tastaturtaste als Buchstabe „A“ und
damit als Zahl „65“ (im ASCII-Code). Die Bibliotheken wurden in übergeordneten
Bibliotheken gebündelt, welche Unterfunktionen zu komplexen Operationen
verknüpfen (Beispiel: die Anzeige eines Buchstabens „A“, bestehend aus 20
einzelnen schwarzen und 50 einzelnen weißen Punkten auf dem Bildschirm, nachdem
der Benutzer die Taste „A“ gedrückt hat).
In einem modernen Computer arbeiten sehr viele dieser Programmebenen über- bzw.
untereinander. Komplexere Aufgaben werden in Unteraufgaben zerlegt, welche von
anderen Programmierern bereits bearbeitet wurden, die wiederum auf die Vorarbeit
weiterer Programmierer aufbauen, deren Bibliotheken sie verwenden. Auf der
untersten Ebene findet sich dann aber immer der so genannte Maschinencode – jene
Abfolge von Zahlen, mit denen der Computer auch tatsächlich rechnen kann.