EDV Grundlagen

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EDV-Grundlagen

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KOMPONENTEN UND BEDIENUNG EINES DV-SYSTEMS 1 1.1 Die Komponenten eines DV-Systems 1

1.2 Aufbau eines Personal Computers (PC) 1

2 HARDWARE 2 2.1 Aufbau einer EDV-Anlage 2

2.2 Aufbau eines Mikrocomputersystems 2 2.2.1 Aufbau der Zentraleinheit (CPU) 4 2.2.1.1 Steuerwerk 4 2.2.1.2 Rechenwerk 4 2.2.1.3 Speicherwerk (Interne Speicher) 4 2.2.1.4 Bus 6 2.2.1.5 Grafikkarte 7 2.2.1.6 Netzwerk-Karte 7 2.2.1.7 Ein / Ausgabeeinheit 7 2.2.2 Peripheriegeräte 7 2.2.2.1 Externe Speicher 7 2.2.2.2 Eingabegeräte 9 2.2.2.3 Ausgabegeräte 10 2.2.2.4 Dialoggeräte 10 2.2.3 Zusammenfassung 11 2.2.4 Schnittstellen zur Peripherie 11

3 DIE SOFTWARE 12 3.1 Allgemeine Grundlagen 12

3.2 Das Betriebssystem 12 3.2.1 Aufgaben eines Betriebssystems 12 3.2.1.1 Verwaltung und Transport von Daten 12 3.2.1.2 Unterstützung und Verwaltung der Benutzer 12 3.2.1.3 Zuteilung und Verwaltung von Betriebsmitteln 13 3.2.1.4 Steuerung von Prozessen 13 3.2.2 Komponenten eines Betriebssystems 13 3.2.3 Schichtung der Software 14 3.2.4 Betriebssystemtechniken 15 3.2.5 Betriebsarten 16 3.2.6 Kompatibilität 16

3.3 Arbeit mit dem Betriebssystem 17 3.3.1 Der Desktop 17 3.3.2 Die wichtigsten Symbole des Desktop 17 3.3.3 Der Windows-Explorer (Dateimanager) 17 3.3.4 Operationen mit Verzeichnissen im Windows-Explorer 18 3.3.4.1 Wichtige Symbole 18 3.3.4.2 Anlegen eines neuen Verzeichnisses (Ordners) 18 3.3.4.3 Weitere Operationen mit Verzeichnissen 18 3.3.5 Operationen mit Dateien im Windows-Explorer 19

3.4 Arbeit mit hierarchischen Dateisystemen 19 3.4.1 Zweck der hierarchischen Dateistrukturierung 19 3.4.2 Grundbegriffe 19

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1 Komponenten und Bedienung eines DV-Systems

1.1 Die Komponenten eines DV-Systems Hardware − nennt man alle mechanischen und elektronischen Bauteile eines Computersystems. Diese unterteilt man

in: a) Zentraleinheit - ist das Kernstück der Datenverarbeitungsanlage, in dem die eigentliche Verarbeitung erfolgt. b) Peripherie

- nennt man alle Ein- und Ausgabeeinheiten und externe Speicher, die an eine Zentraleinheit angeschlossen werden können und mit dieser zusammen eine Datenverarbeitungsanlage bilden.

Software − nennt man die Gesamtheit aller für einen Rechner vorhandenen Programme. Dazu gehört:

a) Betriebssystem nennt man Programme, welche die Kommunikation zwischen Benutzer und Computer erst ermöglichen. PCs verwenden meist das Betriebssystem MS-DOS (Microsoft Disk Operating System) bzw. Nachfolgerprogramme wie Windows 95 und Windows NT.

a) Anwendersoftware nennt man alle Programme zur Lösung eines Problems, z.B. beim Schreiben von Texten oder bei der Berechnung von Werten.

Firmware (BIOS) nennt man das Programm, das nach dem Einschalten der Stromversorgung die Anlage aktiviert und die Systemsoftware (= das Betriebssystem) lädt. Nach dem Start des Rechners, gibt ein bestimmter Baustein ein Signal, sobald die Stromversorgung stabil ist. Der Prozessor erhält dann einen ersten Befehl, der ihn dazu veranlasst, ein bestimmtes Programm auszuführen. Da er zu diesem Zeitpunkt noch keine Kontrolle über ein Laufwerk hat, ist dieses Programm in einem ROM-Chip gespeichert, der direkt mit dem Prozessor in Verbindung steht. Man nennt dieses Programm BIOS (Basic Input Output System). Es ist ein Basisprogramm, das bei jedem Einschalten und beim Kaltstart automatisch aktiviert wird. Dieses Programm überprüft zunächst die Funktionsfähigkeit des Prozessors selbst. Wenn eine System diese Prüfung nicht besteht, bleibt dem Computer nur noch der Versuch, dieses unerfreuliche Ergebnis dem Anwender mitzuteilen. Einige Computer verwenden dazu verschiedene Folgen von Pieptönen, da der Monitor noch nicht ansprechbar ist. Andernfalls wird der Selbsttest fortgeführt, zunächst mit der Prüfung von Umfang und Funktionsfähigkeit des Arbeitsspeichers. Nachdem die Funktionen der Hauptplatine (Motherboard) des Computers erfolgreich getestet sind, werden die vorhandenen Hardware-Erweiterungen geprüft.

1.2 Aufbau eines Personal Computers (PC) Die Arbeitsweise eines Computers, ob groß oder klein, läßt sich auf vier Funktionsbereiche und damit Gerätetypen zurückführen:

• Eingabe (Tastatur, Maus, Zeichentablett, Scanner, digitale Kamera) • Ausgabe (Monitor, Drucker, Plotter) • Speicherung (Festplatte, Diskette, CD-ROM) • Verarbeitung (Zentraleinheit)

Im weiteren Sinne gehören zur Ein- und Ausgabe auch Geräte zum Versenden und Empfangen von Daten über die Telefonleitung:

• ISDN-Karte • Modem

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2 Hardware

2.1 Aufbau einer EDV-Anlage Einteilung der Computer Je nach Einsatzgebiet, Leistungsfähigkeit und Ausbaustufe teilt man Computer in drei Klassen ein:

• Großcomputer (mainframe) • Minicomputer (workstation) • Mikrocomputer (pc)

Der Großcomputer ist ein sehr leistungsstarker Rechner mit großer Speicherkapazität und hoher Rechengeschwindigkeit. Hunderte von Benutzern haben die Möglichkeit, gleichzeitig und voneinander unabhängig mit ihm zu arbeiten. Sein Einsatzgebiet liegt hauptsächlich in großen Betrieben, Behörden und Universitäten. Der Minicomputer ist preisgünstiger und in der Handhabung unkomplizierter. Jedoch ist die Zahl der gleichzeitigen Benutzer eingeschränkt. Speicherkapazität und Rechengeschwindigkeit liegen unter denen des Großcomputers. Der Mikrocomputer ist preisgünstiger als ein Minicomputer. Im Regelfall handelt es sich um ein Einplatzsystem, d.h er steht auch nur einer Person zur Verfügung. Man spricht deshalb von Personalcomputersystemen. Charakteristika und Struktur des v. Neumann-Rechners Das von v. Neumann(1903-1957) entwickelte Konzept einer Rechenmaschine ist die Basis für die meisten heute betriebenen Rechenanlagen. Charakteristika: Die v. Neumann-Maschine ist funktional und physikalisch in 5 Werke gegliedert: Speicherwerk, Rechenwerk, Leitwerk, Eingabewerk, Ausgabewerk.

2.2 Aufbau eines Mikrocomputersystems

Alle mechanischen und elektronischen Bauteile eines Mikrocomputersystems werden als Hardware bezeichnet.

Die Hardware eines Mikrocomputers setzt sich aus folgenden Hauptkomponenten zusammen:

• Mikroprozessor (Steuerwerk und Rechenwerk)

• Interne Speicher Zentraleinheit

• Ein-, Ausgabe-Prozessor

• Peripheriegeräte (Tastatur, Monitor, Maus, Drucker, Externe Speicher usw.)

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Mikroprozessor

Steuerwerk Rechenwerk

RAM ROM

E/A-Prozessor und E/A-Schnittstellen

Taktgenerator Netzteil

Zentraleinheit

Peripherie

Bildschirm Tastatur Maus Drucker Externe Speicher etc.

Abbildung 1: Grundsätzlicher Aufbau eines Mikrocomputers

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2.2.1 Aufbau der Zentraleinheit (CPU)

Die Zentraleinheit (CPU = Central Processing Unit) eines Mikrocomputers besteht aus einem Mikro-prozessor, einem Speicherwerk, dem Taktgenerator, dem E/A-Prozessor sowie einem Bussystem.

Im Gegensatz zur klassischen Definition nach DIN 44 300, dass Steuerwerk, Rechenwerk und Arbeits-speicher zusammen die Zentraleinheit bilden, befinden sich bei modernen Mikrocomputern die Speicher, in denen die Programmbefehle und Massendaten abgelegt werden, außerhalb des Mikroprozessors (s. Abbildung 1).

Die Hauptbestandteile einer Zentraleinheit sind:

• Steuerwerk (Leitwerk) • Rechenwerk (Operationswerk) • (Interne) Speicher • E/A-Prozessor

Die Verbindung zwischen diesen Hauptbestandteilen innerhalb des Mikroprozessors, sowie zu anderen Einheiten nach außen wird durch ein Leitungssystem (Bussystem) hergestellt.

2.2.1.1 Steuerwerk Das Steuerwerk ist verantwortlich für die Steuerung und Überwachung der Befehlsverarbeitung. Das Steuerwerk interpretiert Befehle, überwacht deren Abläufe und steuert die Funktion der elektronischen Bauteile. Dazu liest es jeweils einen Befehl aus dem Arbeitsspeicher, interpretiert den Befehl und sorgt für die Befehlsausführung durch das Rechenwerk. Das Steuerwerk erhält nach dem Ende der Operation die entsprechende Meldung vom Rechenwerk. Daraufhin kann es den nächsten Befehl lesen. Der Taktgenerator erzeugt Impulse, die alle elektronischen Bauelemente eines Computers dazu zwingen, im gleichen Rhythmus zu arbeiten.

2.2.1.2 Rechenwerk Wie der Name besagt, werden in diesem Werk alle Rechnungen durchgeführt. Mit Rechnungen sind alle arithmetischen (z.B. Addition) und logischen Operationen (z.B. Zahlenvergleich) gemeint. Das Rechenwerk wird auch ALU (arithmetic and logic unit) genannt. Außer der Durchführung der Rechnungen selbst hat das Rechenwerk die Aufgabe, alle benötigten Daten aus den Registern bzw. dem Speicher zu holen und nach ausgeführter Operation wieder in einem Register bzw. Speicher abzulegen (Transportfunktion). Register sind interne Speicher (in der CPU), die zur Zwischenablage von Daten dienen (Notizblattfunktion). Spezielle Register sind u.a. der Akkumulator (Akku), der Programmzähler, der Stackpointer, das Statusregister, etc. Der eigentliche Hauptspeicher (Speicherwerk) wird hier als interner Speicher bezeichnet (s. 1.2.1.3). Im Rahmen der oben genannten Transportaufgaben sind auch Adressenberechnungen nötig. Das Rechenwerk führt also die folgenden Operationen durch:

• arithmetische und logische Operationen, • Transporte und • Adressenberechnungen

Leitwerk und Rechenwerk zusammen (mit den zugehörigen Registern) bezeichnet man als Mikro-prozessor.

2.2.1.3 Speicherwerk (Interne Speicher) Die Zentraleinheit selbst ist allein nicht funktionsfähig. Um sie zum Arbeiten zu veranlassen, sind Befehle und Daten notwendig. Diese Befehle und Daten sind in Speichern abgelegt.

Ein Speicher in einem Mikrocomputer ist ein Element zum Aufbewahren von Informationen.

Einen Speicher kann man sich als einen Schrank mit vielen nummerierten Schubladen vorstellen. Diese "Schubladen" nennt man Speicherzellen. In diese einzeln adressierbaren Speicherzellen können Daten oder Programmbefehle abgelegt (gespeichert) oder aus ihnen herausgenommen (gelesen) werden. Im Speicherwerk werden alle Programmbefehle und Daten in Form von Nullen und Einsen verschlüsselt abgelegt. Das Speicherwerk wurde in unseren bisherigen Ausführungen Arbeitsspeicher oder kurz Speicher genannt. Seine Aufgabe besteht darin, Programme und Daten während der Ausführung aufzubewahren.

Mikroprozessor

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Ein System, das nur mit zwei verschiedenen Zuständen arbeiten bzw. sich auf einen Vorrat von nur zwei Zeichen für die Darstellung von Informationen beschränkt, nennt man Binärsystem. Die beiden verwendeten Zeichen heißen Binärzeichen. Ein einzelnes Binärzeichen heißt Bit (binary digit). Bit nennt man also die kleinste Einheit zur Darstellung binär verschlüsselter Daten. Byte nennt man eine Einheit aus 8 Bit, mit der ein Zeichen dargestellt wird, z.B. ein Buchstabe (A = 0100 0001). Mit einem Byte lassen sich 256 (28) verschiedene Zeichen (1 Zeichen = Buchstabe, Ziffer oder Sonderzeichen) darstellen. Informationen werden gemäß Standardcodes verschlüsselt (z.B ASCII-Code mit 256 Zeichen, bzw. EBCDI-Code). Häufig benutzte Einheiten für Speicherkapazitäten sind:

1 KByte (KB) sind 1024 Bytes 1 MByte (MB) sind 1024 KBytes 1 GByte (GB) sind 1024 MBytes

Das Speicherwerk wird vom Leitwerk aus gesteuert, d.h. Ein-/Ausgabe-Vorgänge und alle Daten-übertragungen zwischen Speicher und Rechenwerk werden wie die Befehlsausführung vom Leitwerk angestoßen. Der Transport von Programmbefehlen bzw. Daten wird vom Speicherwerk selbständig durchgeführt. Nach dem Ende der Übertragung gibt das Speicherwerk eine Meldung an das Leitwerk, das damit wieder die Kontrolle erhält. Ein Speicher hat folgende Kenngrößen : − Kapazität (Anzahl der Speicherzellen) − Zugriffszeit (Zeitspanne vom Beginn des Lesebefehls bis zur Bereitstellung des Speicherinhalts) − Zykluszeit (Zeitspanne zwischen zwei Speicherungsvorgängen)

Interne Speicher, auch Primär-, Haupt-, oder Arbeitsspeicher genannt, sind immer direkt vom Leitwerk eines Computers ansprechbar. Im Computer gibt es zwei verschieden Speichertypen:

• den Schreib-Lese-Speicher (vergleichbar mit einer Tafel) RAM • den Nur-Lese-Speicher (vergleichbar mit einem Buch) ROM

Arbeitsspeicher - Schreib-Lese-Speicher (RAM) Das RAM (Random-Access-Memory) ist ein Schreib-Lese-Speicher, bei dem auf jede Speicherzelle zugegriffen werden kann, d.h. es wird jeweils die Speicherzelle beschrieben, gelöscht oder gelesen, deren Adresse vorliegt (Speicher mit wahlfreiem Zugriff). Die gespeicherte Information geht verloren, wenn kein Strom vorhanden ist. Deshalb müssen Daten, die später wieder gebraucht werden, auf einem externen Datenträger (z.B. Diskette, Festplatte oder Magnetband bzw. Streamer) abgespeichert werden. Der Arbeitsspeicher enthält Programme (z. B. Teile des Betriebssystems und der Anwenderprogramme) sowie Daten, die der Prozessor für seine Arbeit benötigt. Ist der Arbeitsspeicher zu klein, ist er gezwungen, Teile auf die Festplatte auszulagern und bei Bedarf wieder einzulesen, ein Vorgang, der zu Lasten der Geschwindigkeit geht. Im Extremfall kann ein Programm nicht eingesetzt werden, weil der Arbeitsspeicher des Computers zu klein ist, um die Grundinformationen, die der Prozessor für die Ausführungen der Befehle benötigt, aufzunehmen.

Nur-Lese-Speicher (ROM) Der ROM (Read only Memory) ist ein frei adressierbarer Festspeicher, in den die Information vom Hersteller nach Kundenwunsch (z.B. PC-Hersteller) fest eingegeben wird. Er hat die Aufgabe, dem Prozessor die Grunddaten für seine Arbeit zur Verfügung zu stellen und kann bildlich mit einem Anleitungsbuch gleichgesetzt werden. Er enthält das Grundbetriebssystem für die inneren Abläufe des Computers. Wird der Computer abgeschaltet, bleiben die Daten im ROM erhalten. Die Maskenprogrammierung beim Hersteller ist sehr aufwendig und lohnt sich nur bei großen Stückzahlen. Für Laborzwecke und kleine Stückzahlen eignen sich deshalb besonders Festwertspeicher, die beim Anwender programmiert werden können PROM (Programmable ROM), bzw. EPROM (lösch- und wieder programmierbare ROMs).

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2.2.1.4 Bus Datenwege werden häufig Busse genannt - das sind Sammelleitungen zur parallelen Übertragung mehrerer Bits. Der Zugang zu CPU-internen Bussen wird durch Mikrobefehle gesteuert, der Zugang zu externen Bussen häufig mit zusätzlichen Leitungen, die ein Buszugangs-protokoll reglementieren. Auf Grund der unterschiedlichen Funktionen werden

• der Adreßbus • der Datenbus und • der Steuerbus

unterschieden. Adreßbus Der Adreßbus besteht aus einer bestimmten Anzahl elektrischer Leitungen, auf denen Signale übertragen werden, die nur dazu dienen die Adressen von Speicherplätzen an die Speicherbausteine weiterzuleiten. In kleinen Systemen hat der Adreßbus minimal 12 Leitungen, bei größeren Anlagen kann der Adreßbus bis zu 26 Leitungen umfassen. Dies bedeutet, daß zwischen 65 000 und 67 Millionen Speicherplätze angesprochen werden können. Datenbus Auf dem Datenbus werden die Daten innerhalb des Systems transportiert. Auf diesen Leitungen werden die Spannungsimpulse weitergegeben, die als Einsen und Nullen der Daten definiert sind. Die Daten werden vom Speicher zum Mikroprozessor und wieder zurück transportiert- oder zur Ausgabe weitergegeben, bzw. von der Eingabe geholt. Die Anzahl der Leitungen des Datenbusses, die sog. Busbreite ist ein wichtiges Kriterium für die Beurteilung der Leistungsklasse eines Computers. Je breiter ein Datenbus ist, umso größer ist der Datendurchsatz je Zeiteinheit. Steuerbus Die Entscheidung, welcher Speicherbaustein Daten aufnehmen oder abgeben soll, ob ein Datum an die Ausgabe gehen soll oder von der Eingabe geholt werden soll, wird durch den Steuerbus in Form elektrischer Signale weitergegeben. Der Steuerbus hat drei wichtige Aufgaben: − Aktivieren des richtigen Bausteins im Computer − Richtung des Datentransports auf dem Datenbus festlegen (z.B. vom Speicher zum Mikroprozessor oder

umgekehrt) − Nicht benötigte Bausteine in Wartestellung versetzen

Die Bedeutung und die Anzahl der Leitungen im Steuerbus ist in jedem System anders ausgebildet und von der Komplexität des Computers abhängig.

Abbildung 2: Datenpfade eines typischen Computers

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2.2.1.5 Grafikkarte Eine Grafikkarte ist eine Erweiterungskarte, die meist in einem Steckplatz (Expansion Slot) untergebracht ist. Auf ihr befindet sich auch der Video-Speicher-Baustein (VRAM), in dem die Bilddaten, die vom Arbeitsspeicher kommen, verarbeitet werden. Seine Aufgabe besteht in der Umwandlung der digitalen Signale für die Bildschirmdarstellung in analoge Rot-Grün-Blau-Signale. Für die Verarbeitung von Multimediasoftware sollte sie über folgende Daten verfügen: • 24 Bit Farbtiefe zur Darstellung von 16.7 Millionen Farben • Vertikale Bildschirmwiederholfrequenz mind 72 Hz (Achtung der Monitor muss darauf abgestimmt sein!) • Auflösung bis zu 1024 x 786 Pixel (Punkte) • 4 bis 8 MB Grafik-RAM

2.2.1.6 Netzwerk-Karte Will man den Computer an ein Netzwerk anschließen, benötigt man einen sogenannten Netzwerk-Adapter. Er wird in einen freien Steckplatz (Slot) des Rechners eingebaut und muss über das Betriebssystem eingebunden werden. Ein Datenaustausch der Computer im Netz erfolgt nach bestimmten Vorschriften, die in einem sogenannten Protokoll definiert sind. Das bekannteste Protokoll, mit dem auch die Dienste des Internet arbeiten, nennt man TCP/IP.

2.2.1.7 Ein / Ausgabeeinheit Über die Schnittstellen der E/A-Einheit wird der Datenaustausch zwischen den Peripherieelementen und der Zentraleinheit des Mikrocomputers abgewickelt. Die entsprechende Anpassungsschaltung, welche die Daten so aufbereitet, daß sie von den angesprochenen Elementen auch "verstanden" werden, nennt man Schnittstelle (engl. Interface).

2.2.2 Peripheriegeräte Da die Kapazität des Arbeitsspeichers i.a. nur dazu ausreicht, das gerade ausgeführte Programm und dessen Daten (neben den System-programmen wie Compiler, Assembler etc.) aufzunehmen, braucht man noch weitere Speicher, auf denen man eine Vielzahl von Programmen und große Datenbestände ablegen kann. Allgemein wird die Hardware einer Rechenanlage in zwei Kategorien eingeteilt: die Zentraleinheit und die peripheren Geräte. Alles was nicht ausdrücklich zur CPU gehört (Rechenwerk, Leitwerk, Arbeitsspeicher, E/A-Werk) wird als periphere Einheit bezeichnet. Grundsätzlich unterscheidet man:

− Externe Speicher − Geräte zur Dateneingabe − Geräte zur Datenausgabe

2.2.2.1 Externe Speicher Die Kapazität des Arbeitsspeichers (AS) wird beschränkt durch die hohen sowie den Verlust der Daten bei Abschalten des Rechners. Erst seit kurzem wurden AS entwickelt, die eine wesentlich größere Speicherkapazität besitzen. Die meisten Rechenanlagen verfügen jedoch über einen beschränkten AS. Für die langfristige Aufbewahrung von Programmen und Daten finden die externen Speicher (Hintergrund-speicher, Massenspeicher) Verwendung, die wesentlich kostengünstiger als der AS sind. Es gibt verschie-dene externe Speichermedien. Sie arbeiten alle nach demselben Speicherprinzip, unterscheiden sich aber in Zugriffsart und Zugriffsgeschwindigkeit. Unter Zugriffsart versteht man die Art und Weise, wie Daten gespeichert und gesucht werden. Man unterscheidet:

• Direktzugriff • sequentiellen Zugriff

Die Zugriffsgeschwindigkeit gibt an, wie schnell Daten abgespeichert werden und gespeicherte Daten wiedergefunden werden. Alle Daten auf externen Speichermedien werden in einem Binärcode verschlüsselt. Magnetbandspeicher bzw. Magnetbandgerät Der wesentliche Nachteil beim Magnetband besteht in der relativ langen Zugriffszeit. Um einen bestimmten Block zu finden, muß man im ungünstigsten Fall das ganze Band durchsuchen. Die Zeit, die vergeht bis der gesuchte Block gefunden ist, wird Zugriffszeit genannt. Die Zugriffszeit hängt stark von der jeweiligen Position und Länge des Bandes ab. Den sukzessiven Zugriff auf die Daten eines Magnetbandes bezeichnet man auch als indirekten oder sequentiellen Zugriff.

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Magnetbänder werden in erster Linie dazu verwendet, sehr große Datenbestände aufzunehmen und zu archivieren (z.B. Backup über einen Streamer, bzw. Transport großer Datenmengen). Wegen ihrer relativ großen Zugriffszeit und der geringen Übertragungsgeschwindigkeit ist das Arbeiten mit Magnetbändern nicht sehr effizient. Für einen effizienteren Datenzugriff finden in erster Linie Magnetplattenspeicher Verwendung.

Magnetplattenspeicher und Disketten Ein Magnetplattenspeicher besteht aus einer schnell rotierenden Platte (bzw. Plattenstapel) von ca. 30 cm Durchmesser (bei Großrechnern); bei Minicomputern (PCs) werden für Disketten und Festplatten überwiegend die Standardformate 3.5" (8.9 cm) und 5.25" (13.3 cm) als Durchmesser verwendet. Eine Disketten/Magnetplatte befindet sich in einer festen, quadratischen Schutzhülle. Diese Schutzhülle ist mit einem Sichtfenster versehen, damit der Schreib-/Lesekopf auf die Plattenoberfläche zugreifen kann. Beim Betrieb rotiert die Magnetplatte in der Schutzhülle. Die Ober- und Unterseite der Platten ist mit einer magnetischen Schicht versehen. Jede Plattenoberfläche enthält bis zu 1600 Spuren in Form konzentrischer Kreise. Die Magnetspuren werden in Sektoren eingeteilt. Jede Sektoradresse kann getrennt angesteuert werden. Vor dem ersten Benutzen müssen Disketten formatiert werden. Es werden dann entsprechend dem Aufzeichnungsformat des Laufwerks in die Spuren leere Sektoren mit je 512 Byte Länge geschrieben. Diese Sektoren enthalten neben der Nutzinformation noch zusätzliche Informationen, wie z.B. Spurnummer, Sektornummer etc. Daher kann die Bruttokapazität einer Diskette nicht voll für Daten genutzt werden. Gängige Diskettenformate bieten eine Nettokapazität von 360 kB bzw. 1,2 MB und 720 kB bzw. 1,44 MB pro Diskette. Disketten können mit einer maximalen Schreibdichte von 48 tpi oder 96 tpi (track per inch) bearbeitet werden. Gängige Aufzeichnungsformate bearbeiten 40 - 80 Spuren in dem benutzbaren Ausschnitt. Die Aufzeichnung der Daten auf den Magnetspuren erfolgt bitseriell. Auf die Daten wird über bewegliche Lese-/Schreibköpfe zugegriffen. Festplatte (Harddisk) Festplatten werden i. d R. fest in den Rechner eingebaut und stellen heute das Standardlaufwerk für Programminstallationen und das Speichern großer Datenmangen dar. Die Harddisk besteht aus einer oder mehreren starren, in höchster Präzision geschliffenen Metallscheibe(n), die mit Aluminium beschichtet sind. Ein geschlossenes Metallgehäuse schützt die internen Komponenten. Die Steuerungsplatine ist fest mit dem Gehäuse verbunden. Je nach Anzahl der Platten, sind deren Ober- und Unterseite jeweils zwei Schreib/Leseköpfe zugeordnet, die wie ein Kamm in Zwischenräumen angeordnet sind. Plattentypen IDE-Platten (IDE: Integrated Drive Electronics): Die IDE-Platten bilden mit Festplatte und Controller eine Einheit. Die IDE-Harddisk benötigt keine speziellen Treiber und ist einfach zu installieren. Die Kapazität ist auf 500 MB beschränkt. Dieser Plattentyp findet heute keine Verwendung mehr. Enhanced IDE-Platten (EIDE): EIDE ist eine Weiterentwicklung der IDE-Festplatte und deren Controller. Sie hat eine wesentlich höhere Kapazität und erlaubt höhere Datentransferraten. Im Gegensatz zum alten Controller, der nur zwei Festplatten verwalten konnte, kann man an den EIDE-Controller bis zu 4 Geräte anschließen. Durch eine neue Form der Adressierung kann die Speicherkapazität über 10 GB betragen. SCSI-Platten: Der Einsatz von SCSI-Controllern erlaubt den Anschluss von 6 (Ultra SCSI) bzw. bis zu 13 (Ultra Wide SCSI) Festplatten. Die dazugehörigen SCSI-Platten können eine sehr hohe Speicherkapazität aufweisen und sind wesentlich schneller im Datenzugriff als die EIDE-Platten. Daneben bieten die SCSI-Controller die Möglichkeit, weitere Peripheriegeräte wie Scanner, externe Festplatten oder CD-ROM-Laufwerke anzuschließen.

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Geschwindigkeit Beim Kauf einer Festplatte wird meist ein Vergleich unter den Produkten anhand der Geschwindigkeit vorgenommen. Dieses Merkmal muss differenziert betrachtet werden, da sich Geschwindigkeitsangaben auf verschiedene Leistungen beziehen: Transfergeschwindigkeit: Die Transfergeschwindigkeit ist ein Wert, der angibt, wie lange es dauert, bis die Daten von der Platte in den Arbeitsspeicher eingelesen sind. Je höher die Übertragungsrate, desto schneller ist die Festplatte. Die Transferrate ist abhängig von: • Anzahl der Sektoren pro Plattenspur • Umdrehungsgeschwindigkeit der Platte • Verwendetem Controller

Mittlere Zugriffszeit Die mittlere Zugriffszeit (Angabe in Millisekunden, ms) setzt sich aus zwei Zeiten zusammen: • Einstellzeit,

ist jene Zeit, die zum Positionieren des Lese-/Schreibkopfes auf die gewünschte Spur erforderlich ist. • Latenzzeit

ist diejenige Zeit, die vergeht, bis sich der gesuchte Sektor genau unter dem Lese-/Schreibkopf befindet (Durchschnittswert: halbe Umdrehungszeit der Platte; 2400 - 3000 U/min).

Halbdirekter Zugriff: Ein Suchvorgang besteht aus dem direkten Ansprechen einer Spur und dem sukzessiven Durchsuchen der Spur. Bezüglich einer Spur liegt ein direkter oder wahlfreier Zugriff (random access) vor. Um eine möglichst hohe Übertragungsgeschwindigkeit zu unterstützen, werden Daten zu Blöcken zusammengefaßt. Alle Datenblöcke müssen stets bei einer Sektoradresse beginnen; i.a. umfassen Datenblöcke mehrere Sektoren. Disketten haben eine geringere Kapazität und höhere Positionierungszeiten als Festplatten, aber den großen Vorteil, daß mit einem Laufwerk viele Disketten bearbeitet werden können und daß eine Diskette auf vielen Laufwerken bearbeitet werden kann. So können Datenarchive mit Disketten aufgebaut werden; Daten können von einem Computer zu einem anderen transportiert werden und Softwareprodukte auf Disketten an die Besitzer passender Laufwerke verkauft werden. Vergleich von Speichermedien:

Medium Typische Kapazität in Bytes

Mittlere Zugriffszeit

Erreichbare Datentransferrate in MB/s (ohne Bandwechsel)

Untergrenze Obergrenze Register/Cache 0,5 M 2 M 20 ns 200 Arbeitsspeicher 100 M 1 G 100 ns 40 Festplatte 20 G 50 G 10 ms 3 optische Platte / CD-ROM 500 M 2 G 150 ms 1 Diskette 360 K 100 M 200 ms 0.1 Magnetband 0.8

2.2.2.2 Eingabegeräte Tastatur und Maus: Eine Tastatur (engl. keyboard) besteht aus einer Reihe von Tasten, die auch bei Schreibmaschinen zu finden sind, aus Umschalttasten, Positionierungstasten, Sondertasten und zusätz-lichen Funktionstasten. Heute übliche Tastaturen haben meist 3 kombinierbare Umschalttasten: Groß/Kleinschreibung, Ctrl (Strg) und ALT. Diese definieren die Bedeutung der einzelnen Tasten um. Hardware bzw. Software des angeschlossenen Rechners können feststellen, wann eine Taste gedrückt bzw. wieder losgelassen wird. So werden alle möglichen Kombinationen von Tasten erkannt und können durch ein oder zwei Bytes codiert werden. Eine Maus ist ein zusätzliches Eingabegerät. In vielen Fällen ist sie direkt an die Tastatur angeschlossen. Von der Maus werden Relativbewegungen erfaßt; diese werden digitalisiert und als Bewegungen in 2 verschiedene Richtungen dem angeschlossenen Rechner mitgeteilt. Die Verwendung einer Maus ermöglicht den Gebrauch einer zusätzlichen Schreibmarke, deren Lage auf dem Bildschirm schnell geändert werden kann.

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2.2.2.3 Ausgabegeräte Ebenso wie die Dateneingabe erfolgt die Datenausgabe auf einem genormten Datenträger über ein Ausgabegerät. Das gebräuchlichste Ausgabegerät ist der Drucker, der die Ausgabedaten auf Endlospapier druckt. Mit einem Kugelkopf-, Typenband- oder Typenraddrucker kann jeweils nur ein begrenzter Zeichenvorrat gedruckt werden, da die einzelnen Zeichen von einem Kugelkopf, Typenband oder Typenrad durch ein Farbband hindurch zu Papier gebracht werden. Der Zeichenvorrat ist dadurch fest vorgegeben. Matrixdrucker erlauben das Druckbild eines Zeichens aus lauter einzelnen Punkten aufzubauen - ähnlich der Funktionsweise eines Graphikbildschirms. Mit Hilfe von Matrixdruckern können daher beliebige Grafiken und Texte in verschiedenen Schriftarten zu Papier gebracht werden. Entscheidend für die Qualität des Druckbildes ist die Anzahl der Punkte, die in horizontaler bzw. vertikaler Richtung gedruckt werden können. Meist wird als Maßeinheit dpi verwendet. dpi ist eine Abkürzung von engl.: dots per inch (Punkte pro Zoll). Die meisten Geräte arbeiten in horizontaler und vertikaler Richtung mit der gleichen Auflösung. Weniger als 100 dpi (= 40 Pkte/mm) bewirken ein mäßiges Druckbild. Ca. 200 dpi (= 80 Pkte/mm) bewirken ein Druckbild wie eine Schreibmaschine. Ca. 300 dpi ergeben ein Druckbild hoher Qualität. Ab ca. 500 dpi (= 200 Pkte/mm) kann das menschliche Auge keine Verbesserung der Auflösung mehr wahrnehmen. Matrixdrucker gibt es in ganz verschiedener Technik:

• Nadeldrucker • Tintenstrahldrucker • Thermotransferdrucker • Laserdrucker

Bei einem Nadeldrucker wird mit einem Druckkopf gearbeitet, der eine Reihe von senkrecht angeordneten Nadeln enthält: Diese Nadeln können einzeln bewegt werden und das Papier mit einem Farbband färben. Nadeldrucker waren bis vor kurzem wegen ihres schlechten Druckbildes verrufen. Mittlerweile erreichen auch sie eine Auflösung von 200 bis zu 300 dpi. Vorteile von Nadeldruckern sind der einfache mechanische Aufbau, der niedrige Preis und die Möglichkeit, Durchschläge anfertigen zu können. Nachteile sind der Lärm, der beim Drucken entsteht und nur mit großem Aufwand gedämpft werden kann; weiter die Notwendigkeit, jeweils nach einem horizontalen Durchgang vertikal neu positionieren zu müssen; das hat mechanische Verschiebungen im Druckbild zur Folge. Tintenstrahldrucker arbeiten ähnlich wie Nadeldrucker - allerdings werden statt Nadeln Tintendüsen verwendet, durch die jeweils unter hohem Druck zu gegebener Zeit ein kleiner Tintentropfen direkt zu Papier gebracht wird. Der Vorteil ist die geringe Geräuschproduktion. Der Nachteil ist wie auch bei Thermotransferdruckern und Laserdruckern die Tatsache, daß keine Durchschläge gemacht werden können. Zudem können die Tintendüsen verstopfen. Thermotransferdrucker arbeiten mit einem hitzeempfindlichen Farbband. Mit einem Druckkopf kann das Farbband gezielt an den gewünschten Punkten erhitzt werden - es wird dann Farbe auf das Papier geschmolzen. Thermotransferdrucker sind leise und drucken mit guter Qualität. Die recht teuren Farbbänder müssen aber häufig gewechselt werden. Bei einem Laserdrucker wird mit einem Laser auf einer Druckwalze eine elektrostatische Ladung erzeugt. Die aufgeladenen Stellen entsprechen den zu färbenden Stellen der Druckseite. Die aufgeladenen Stellen bedienen sich aus einem Tonerangebot, der Toner wird auf das Druckpapier übertragen und fixiert, anschließend wird die Walze gereinigt und kann so kontinuierlich weiter benutzt werden. Plotter: Für die graphische Ausgabe werden sog. Plotter (Zeichengeräte) verwendet. Plotter besitzen i.a. eine Zeichengeschwindigkeit von 50 bis 400 mm/s. Neben Plottern mit nur einer Farbe existieren auch Mehrfarben-Plotter.

2.2.2.4 Dialoggeräte Mit Bildschirmen arbeitet ein Benutzer in der Regel im Dialog mit dem Rechner. Dialogbetrieb bedeutet, daß der Benutzer nicht eine Folge von Arbeitsaufträgen eingibt, sondern daß eine ständige Kommunikation zwischen dem Benutzer und dem Rechner stattfindet. Ein Bildschirmgerät ist ein Terminal bzw eine Datenstation. Ein Terminal gestattet es, die Datenerfassung bzw. -ausgabe an einem anderen Ort durchzuführen als deren Verarbeitung und Speicherung, ohne daß ein Datenträger physisch transportiert werden muß. Unter einem Datenträger versteht man ein Medium, das Daten in maschinell lesbarer Form aufnehmen kann.

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Als Bildschirme werden Fernsehschirme in Form von Kathodenstrahlröhren, engl. CRT (Cathode Ray Tube) genannt, oder Flüssigkristallanzeigen etc. verwendet. In allen Fällen wird ein sichtbares Bild angezeigt, das aus vielen Einzelbildpunkten zusammengesetzt ist. Diese Bildelemente (picture elements = Pixel) müssen immer wieder aufgefrischt werden, um ein flimmerfreies Bild zu erzeugen. Dies entsteht bei mindestens 50 Bildwiederholungen pro Sekunde. Gängige Punktraster verwenden heute zwischen 350 * 640 und 1024 * 1024 Bildelemente. Je nach Punktraster und Anzahl der Bits pro Bildpunkt wird ein mehr oder weniger umfangreicher Speicherbereich zur Speicherung der Bildpunkte benötigt (Bildwiederholspeicher). Eine Bildschirmsteuerung muß diesen Bereich mindestens 50 mal pro Sekunde lesen und daraus ein Videosignal erzeugen. Den Bildwiederholspeicher kann man entweder im Hauptspeicher des Rechners oder in einem lokalen Speicher der Bildschirmsteuerung unterbringen.

2.2.3 Zusammenfassung Heute übliche Personal Computer bestehen mindestens aus

• einer Zentraleinheit(CPU) • einem externen Speicher: Festplatten, Diskettenlaufwerke • einem Bildschirm • einem Drucker • einer Tastatur und einer Maus

Dies sind Einzelteile der sog. Computerhardware. Diese sind über einen sog. Bus (Datensammelleitung) miteinander verbunden.

2.2.4 Schnittstellen zur Peripherie Damit ein Peripheriegerät (z.B. Drucker, Modem, etc.) an einen Computer angeschlossen werden kann, muß eine Kabelverbindung vorhanden sein. Die elektrische Einheit, die zur Signalübergabe an den Stecker zum Kabel zuständig ist, wird Schnittstelle genannt. Am gebräuchlichsten sind zwei Typen von Schnittstellen:

• die V24-Schnittstelle und die • Centronics-Schnittstelle.

Parallele Datenübertragung durch Centronics-Schnittstelle (Kabellänge 3 m). Übliche Datenübertragungsraten: 8, 16, bzw. 32 Bit gleichzeitig.

Serielle Datenübertragung durch V.24 Schnittstelle (Kabellänge 15 m) bzw. USB-Schnittstelle (Universal Serial Bus) mit einer Datenübertragungsrate von ca. 8 Mbit/s. Software-Schnittstelle zum Rechner: Programmiersprache (Für Benutzer am wichtigsten).

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3 Die Software

3.1 Allgemeine Grundlagen Software ist ein Sammelbegriff für alle Computerprogramme, die es auf dem Markt gibt. Sie lassen sich vereinfacht in zwei Kategorien unterteilen:

• Betriebssysteme • Anwenderprogramme

Ohne Software könnte der Computer keine Befehle ausführen. Sie ist gleichsam das immaterielle Produkt geistiger Tätigkeit des Menschen, um einen Computer zu steuern. Sie wird dem Computer über Datenträger (z. B. CD-ROM, Diskette, etc.) oder über Chips zur Verfügung gestellt. Letztere enthalten Programme zur Steuerung des Computers beim Bootvorgang. Jede Software ist mit bestimmten Anforderungen an die Hardware verbunden. Bevor man ein Produkt kauft, sollte man sich informieren, ob es auf dem vorhandenen Computer eingesetzt werden kann und ob die Verarbeitungsprozesse in einem erträglichen Zeitmaß vorgenommen werden. Daneben muss das Betriebs-system die Funktionen eines Anwenderprogrammes unterstützen. Ein Programm für das Betriebssystem Apple kann i. d. R. nicht unter dem Betriebssystem Windows eingesetzt werden.

3.2 Das Betriebssystem

3.2.1 Aufgaben eines Betriebssystems Bevor spezielle Programme zur Anwendung kommen, muss der Computer betriebsbereit sein. Man schaltet den Netzschalter an, es erscheinen einige Meldungen am Bildschirm und nach 1 bis 2 Minuten kann man mit der Arbeit beginnen. Warum muss man so lange warten? Neben dem Systemcheck ist es die zentrale Aufgabe des Computers, nach dem Einschalten das Betriebssystem zu laden. Unter dem Betriebssystem, im Englischen Operating System (OS) genannt, versteht man die Gesamtheit der Programme, die den Grundbetrieb des Computers ermöglichen. Das Betriebssystem läßt aus dem Zusammenwirken von Rechner-Hardware, Anwendungs-Software und Endgeräte-Hardware in der Hand des Benutzers ein einheitliches Ganzes, eben ein System entstehen. Betriebssysteme steuern den Ablauf eines Rechners oder Rechnerkomplexes. Sie sorgen dafür, daß jeder Benutzer den Eindruck hat, den Rechner allein zu besitzen, oder daß alle Benutzer miteinander in Verbindung treten und Daten oder Nachrichten austauschen können. Sie stellen sicher, daß die Anwender sich gegenseitig nicht behindern, wenn sie dieselben Betriebsmittel benutzen. Sie verhindern auch den unberechtigten Zugriff auf Informationen. Besonderes Gewicht wird darauf gelegt, daß die gesamte Hardware einen optimalen Durchsatz an Daten und Programmen erreicht. Weiter registrieren die Betriebssysteme Gerätefehler und begrenzen sie in ihrer Auswirkung auf den laufenden Betrieb. Vereinfacht kann man sagen, dass die Betriebssysteme die Verbindung zwischen der Hardware und dem Endbenutzer sicherstellen. Das Betriebssystem einer EDV-Anlage besteht aus einer Anzahl von Systemprogrammen, die die Erstellung, Abwicklung und Verwaltung von Anwenderprogrammen ermöglichen bzw. unterstützen. Die Aufgaben lassen sich in folgende Bereiche aufteilen:

3.2.1.1 Verwaltung und Transport von Daten Die Zugriffsmethoden des Betriebssystems müssen sicherstellen, daß nach Übergabe eines Dateinamens und eines Ordnungsbegriffes die logische Adresse in eine physikalische Adresse des jeweiligen Daten-trägers umgesetzt und der entsprechende Satz aufgefunden wird. Der Benutzer muß nicht wissen, unter welchen genauen Adresse (Spur, Sektor) der Datensatz gespeichert ist. Die einzelnen Tätigkeiten gliedern sich in

• Übermittlung von Daten an E/A-Einheiten • Anpassung von Daten an Geräteeigenschaften • Überwachung von Gerätefunktionen und Zuständen.

3.2.1.2 Unterstützung und Verwaltung der Benutzer Dem Betriebssystem ist es zu verdanken, daß systeminterne Vorgänge, Zustände und Ergebnisse so aufbereitet werden, daß der Benutzer einer Anlage über ein Terminal unkompliziert mit dem Rechner in Kontakt treten kann. Mit zunehmendem Einsatz von Mehrplatzsystemen gewinnt die Verwaltung einzelner Benutzer, deren Rechte und Prioritäten an Bedeutung. In diesen Benutzerkatalogen werden Benutzernummern, Paßwörter, Zugangsbeschränkungen und Prioritätenkennzeichen verwaltet und vor der Betriebsmittelzuteilung und bei Prozeßinitiierung überprüft.

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3.2.1.3 Zuteilung und Verwaltung von Betriebsmitteln Das Betriebssystem koordiniert den Zugriff der verschiedenen Benutzer auf die einzelnen Teile des Systems. Die Zuteilung erfolgt auf Anforderung, der Entzug geschieht entweder freiwillig oder zwangsweise durch das Betriebssystem.

3.2.1.4 Steuerung von Prozessen Die Abwicklung einer vom Benutzer eingegebenen Aufgabe erfolgt vom Betriebssystem als Prozeß (auch Task genannt). Ein Prozeß kann ein oder mehrere Programme beinhalten.

3.2.2 Komponenten eines Betriebssystems Unter Komponenten (Funktionseinheiten) eines Betriebssystems versteht man Systemprogramme, die die einzelnen Aufgaben eines Betriebssystems ausführen. • Steuerprogramme dienen der Abwicklung von Programmen und sind meist resident, d. h. sie werden

beim Systemstart geladen und stehen dauernd im Hauptspeicher zur Verfügung.

∗ Sie ermöglichen die Zugriffe auf periphere Geräte (Lesen, Speichern). ∗ Sie steuern und kontrollieren die Ein- u. Ausgabe (IOCS = Input-Output-Control-System / Data-

management) ∗ Sie steuern und überwachen die Programmabläufe (Reservierung von Speicherbereichen, Aufruf,

Laden, Starten, Abarbeiten, Unterbrechen von Programmen), d.h. sie übernehmen das Task-management bzw. haben Supervisorfunktion.

∗ Sie geben Systemmeldungen an den Benutzer aus. ∗ Das Jobmanagement ermöglicht das automatische Aneinanderreihen der Abarbeitung mehrerer

Programme (= Jobs).

• Arbeitsprogramme sind meist transient, d.h. sie werden erst bei Bedarf in den Hauptspeicher geladen. Zu den Arbeitsprogrammen zählen:

∗ Dienstprogramme: Sie bieten fertige Lösungen für systembezogene Aufgaben, z.B.: Sortieren, Kopieren, Sichern, Formatieren, Prüfen, Inhaltsverzeichnis anzeigen.

∗ Verwaltungsprogramme: Diese Programme dienen der Verwaltung von Dateien, der Übertragung von Daten in den Arbeitsspeicher zur Programmausführung (Lader/Loader) oder die Zusammenführung verschiedener Programmteile (Module) zu einer ablauffähigen Einheit (Binder oder linkage editor). Der Editor ist ein Programm mit einer Vielzahl von Funktionen, mit denen ein Endbenutzer online Daten erstellen, anzeigen und verändern kann. Ist eine Datei größer als der Bildschirm auf einmal anzeigen kann, so kann der Benutzer den ihn interessierenden Ausschnitt selbst bestimmen (blättern).

∗ Übersetzungsprogramme: Sie gehören nur dann zum Betriebssystem, wenn dieser Begriff sehr weit interpretiert wird. Ist ein Programm nicht in der Maschinensprache geschrieben, dann ist es die Aufgabe von Übersetzungsprogrammen, das Quellprogramm (source-code) in die Maschinensprache einer bestimmten DVA (object-code) zu bringen. COMPILER sind spezielle Übersetzungsprogramme, die jeweils nur für eine Programmiersprache zu verwenden sind (z.B. Pascal-Compiler, Cobol-Compiler, C-Compiler etc.). Dabei wird das Programm zur Gänze in ein eigenes Objektprogramm übersetzt. Im Gegensatz dazu wird von einem INTERPRETER das Quellprogramm Anweisung für Anweisung übersetzt und sofort ausgeführt. Der Nachteil des Interpreters liegt in der wesentlich langsameren Ausführung des Programms, bedingt durch die gleichzeitige Abwicklung von Programmübersetzung und Programmausführung. Interpreter werden häufig bei BASIC verwendet, wobei sich der Basic-Interpreter auf einem externen Datenträger (z.B. Diskette) oder bereits in einem ROM integriert befinden kann.

∗ Anwendungsprogramme: In der Anfangszeit des Computereinsatzes musste man ein Programm erstellen, mit dessen Hilfe der Computer ein Problem lösen konnte. Dazu benötigt man eine Programmiersprache. Ein Programm enthält eine gezielte Folge von Anweisungen und Befehlen für den Computer. Sie stellen die Bearbeitungsschritte für die Lösung des Gesamtproblems dar. Die Befehle werden gelesen, interpretiert und der Zentraleinheit des Computers in Form einer Maschinensprache zugeführt. Die Instruktionen werden dann schrittweise ausgeführt. Mit der weiteren Verbreitung des Personalcomputers wurde der Anwender entlastet, indem er nicht mehr gezwungen war, selbst zu programmieren. Die neue Generation der Anwender-Programme enthält Programmierschnittstellen, über die ein erfahrener Anwender noch besser seinen Bedürfnissen anpassen kann.

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Der Anwender kann aus einer Vielzahl an Angeboten das Programm auswählen, das seine Probleme am besten lösen kann, z. B.

• Textverarbeitung • Bildbearbeitungsprogramm • Datenbankverwaltung • Finanz- und Lohnbuchhaltung • Kostenrechnung und Kalkulation • CAD, usw.

Die Gesamtheit aller Anwendungsprogramme wird als Anwender-Software bezeichnet.

3.2.3 Schichtung der Software Die Befehle des Benutzers können von der Rechenanlage nicht direkt ausgeführt werden. Der Programmierer formuliert, als Endbenutzer einer Rechenanlage, sein Problem als Pascal - bzw. Assembler - Programm und gibt es in den Rechner ein. Das vorliegende Programm wird von einem Pascal-Compiler bzw. einem Assembler in ein Maschinenprogramm übersetzt. Alles was sich überhaupt programmieren läßt, kann auch in jeder beliebigen Programmiersprache ausgedrückt werden. Eine gute Programmiersprache zeichnet sich jedoch dadurch aus, daß sie dem menschlichen Problemlösungsprozeß und dem menschlichen Denken durch geeignete Sprachelemente entgegenkommt, so daß der menschliche Programmierer mit minimalem Aufwand ein optimales Ergebnis erzielt. Doch auch das übersetzte Maschinenprogramm ist noch nicht ohne weiteres ablauffähig. Es müssen insgesamt mehrere Stufen durchlaufen werden, bis ein Programm auf einer Rechenanlage abläuft: Beim Betriebssystem MS-DOS stellt das BIOS (Basic Input Output System) die eigentliche Schnittstelle zur Hardware dar und muß von den verschiedenen Hardwareherstellern angepaßt werden. Das BIOS befindet sich teilweise im ROM und wird zum anderen Teil durch den Urlader von Diskette geladen. Daraus ergibt sich sofort, daß die Betriebssystemdisketten zwischen den verschiedenen MS-DOS-Rechnern nicht ausgetauscht werden können.

Anwenderprogramme

Dienstleistungsprogramme

Compiler, Assembler

Lader, Binder

Laufzeitsystem

Betriebssystem EndbenutzerEmulator

HardwareMikroprozessor

Bild 1.3: Software-Hierarchie

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Es laufen also eine ganze Reihe von Programmen ("Software") ab, damit ein einfaches Benutzerprogramm ausgeführt werden kann. Innerhalb dieser Programme ist eine Hierarchie ausgebildet. Die Funktionsweisen einiger Software-Schichten sind für den Endbenutzer verdeckt. Dazu gehören auch das Laufzeitsystem und der Emulator. Von den sichtbaren Software-Schichten kann der Benutzer bestimmte Funktionen explizit aufrufen (z. B.: Benutzerschnittstelle des Betriebssystems; Kommando, mit dem sich der Programmierer als rechtmäßiger Benutzer der Rechenanlage identifizieren muß oder Kommandos, mit denen sich der Benutzer über den Zustand von Ausgabegeräten informieren kann). Programme der inneren Software-Schichten werden als Systemprogramme bezeichnet. Die System-programme benötigen genau wie die Anwender-programme Platz im Arbeitsspeicher, und zwar den Löwenanteil. Diesen Nachteil muß der Endbenutzer für den erhaltenen Komfort in Kauf nehmen (s. Abb. 1.3).

3.2.4 Betriebssystemtechniken Für Mehrplatzsysteme mußten für den Multi-User-Betrieb spezielle Betriebssystemtechniken entwickelt werden, um die gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Programme zu ermöglichen.

a) Multiprogramming Im Gegensatz zu Multiprocessing, wo mehrere Prozessoren (Rechner) eine tatsächlich gleichzeitige Verarbeitung von mehreren Programmen ermöglichen, bedeutet Multiprogramming oder Mehrprogrammbetrieb eine "quasi gleichzeitige" Ausführung mehrer Programme. Der Hauptprozessor wechselt laufend zwischen mehreren Programmen, indem er Pausen in der einen Anwendung für Arbeiten in einer anderen verwendet. Bei einem PC z.B. wird vom Taktgeber 18 mal in der Sekunde ein Impuls (interrupt) gesendet, wodurch das laufende Programm angehalten wird. Bei jeder dieser Unterbrechungen kann nun in ein anderes Programm gewechselt werden. Beim Multitasking besitzt das Betriebssystem die Möglichkeit, mehrere Programme gleichzeitig nebeneinander laufen zu lassen. Um dies zu ermöglichen, verteilt das Betriebssystem kleine Zeiteinheiten (Zeitscheiben, engl. time-slices) an die verschiedenen Anwendungen (Prozesse, Programme). Da diese Zeiteinheiten sehr klein sind, hat der Anwender den Eindruck, als ob mehrere Programme simultan ausgeführt würden. Tatsächlich „ruht“ jede Anwendung solange, bis sie wieder an der Reihe ist. Da wir Menschen mit größeren Zeiteinheiten arbeiten, ist dieser Eindruck von Simultanität für uns beeindruckend. Moderne Systeme erlauben auch Multithreading innerhalb einer Anwendung, ein mit Multitasking verwandtes Konzept. Die meisten Programme besitzen einen einzelnen Ausführungsstrang (engl. thread). Das heißt, dass es nur einen Pfad durch den Code gibt, und jede Anweisung entlang dieses Pfades ausgeführt wird. Beim Multithreading kann ein Programm auch in mehrere Ausführungsstränge aufgeteilt werden, die (wie beim Multitasking) scheinbar simultan ausgeführt werden. Auf diese Weise kann ein Programm Arbeitsprozesse initiieren, die sich um unabhängige Aufgaben kümmern, etwa Drucken im Hintergrund, während der Anwender mit der Arbeit im Hauptausführungsstrang fortfährt. Es können also nicht nur verschiedene Programme gleichzeitig ablaufen (Multitasking), sondern auch Teile ein und desselben Programms können sich in unterschiedliche Arbeitsschritte verzweigen (Multithreading). Die meisten Betriebssysteme, die den Mehrprogrammbetrieb ermöglichen, haben jederzeit die Kontrolle über das System. Der Anwender kann in einem Anwenderprogramm durch Betätigung bestimmter Tasten zum Betriebssystem wechseln. Dies nennt man echtes oder preemptives Multitasking. Frühere Versionen von Windows haben dagegen nur bedingt die Kontrolle über die Anwenderprogramme. Windows kann erst aktiv werden, wenn die Anwenderprogramme von sich aus die Kontrolle abgeben. Im Normalfall läuft das ordnungsgemäß in den vorgegebenen Zeitscheiben ab. Wenn ein Programm jedoch längere Zeit mit einer Berechnung beschäftigt ist oder einen Fehler aufweist, hat Windows keine Möglichkeit, die Kontrolle über das System wieder zu erlangen. Man nennt dieses Verfahren kooperatives Multitasking. Windows NT sowie die Weiterentwicklung Windows XP verfügen über die Fähigkeit des preemptiven Multitaskings.

b) Virtuelle Hauptspeichertechnik Ein für den Benutzer scheinbar (virtuell) vorhandener Speicher, der unter Zuhilfenahme eines externen Speichers realisiert wird. Dabei unterscheidet man zwischen dem realen Adreßraum des Hauptspeichers und dem virtuellen Adreßraum des Programms. Da die CPU nur auf den Realspeicher direkt zugreifen kann, also nur im Hauptspeicher befindliche Instruktionen ausführen kann, werden die benötigten Programmteile in der Ausführungszeit in den Realspeicher übertragen. Augenblicklich nicht benötigte Programmteile werden andererseits auf den externen Hilfsspeicher ausgelagert.

c) Simultanbetrieb Da Ein- und Ausgabeoperationen wesentlich langsamer ablaufen als Operationen innerhalb der Zentraleinheit, wird bei größeren EDV-Systemen die Ausführung von Prozessen so organisiert, daß Zentral- und E/A-Prozessoren gleichzeitig (simultan) für verschieden Prozesse im Rahmen eines

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Multiprogrammbetriebes aktiv sind. Bei kleineren EDV-Systemen kann ein ähnlicher Erfolg durch den Einsatz von Spoolern und RAM-Disks erreicht werden. Für eine Ausgabe werden z.B. eine oder mehrere Dateien in den Spooler (Zwischenspeicher, Puffer) geladen. Während die CPU bereits für andere Anweisungen zur Verfügung steht, werden aus diesem Spooler die Dateien ausgegeben. Bei der Errichtung einer RAM-Disk wird ein Teil des zur Verfügung stehenden Hauptspeichers als sogenannte RAM-Disk (Random-Access Memory Disk) reserviert. Diese RAM-Disk wird dann wie ein normales Diskettenlaufwerk angesprochen, und es können daher Dateien und Programme wesentlich schneller geladen werden, als es bei einem Zugriff auf einen externen Datenträger möglich wäre.

3.2.5 Betriebsarten Alle Betriebsarten können sowohl bei zentraler Datenverarbeitung, d.h. sämtliche Peripheriegeräte sind direkt an die CPU angeschlossen, als auch bei dezentraler Verarbeitung mittels Datenfernübertragung angewandt werden. Wesentliche Kriterien für eine bestimmte Nutzungsart sind zeitliche und örtliche Verfügbarkeit sowie Datenumfang. a) Dialogbetrieb Nach dem Verbindungsaufbau kann die Kommunikation durch Austausch von Ein- und Ausgabenachrichten zwischen Benutzer und Programm bzw. System beginnen. Beim Teilhaberbetrieb steht einem oder mehreren Benutzern ein bestimmtes Anwenderprogramm mit den dazugehörenden Dateien zur Verfügung. Alle Teilhaber arbeiten also mit demselben Programm und den gleichen Daten. Die Benutzer haben keine Möglichkeit, Kommandos an das Betriebssystem abzugeben. Beim Teilnehmerbetrieb kann jeder Benutzer im Rahmen seiner Berechtigung alle Betriebsmittel, das sind die Zentraleinheit, die peripheren Geräte, eigene und fremde Programme und Dateien usw. verwenden. Der Teilnehmer kommuniziert also mit dem Betriebssystem. b) Stapelverarbeitung Bei der Stapelverarbeitung (batch processing) werden alle mit demselben Programm zu verarbeitenden Daten gesammelt, anschließend läuft das Programm bis zur Beendigung durch das System ohne Eingriff des Benutzers ab. Diese durch den Einsatz von Lochkarten entstandene Betriebsart verliert durch Zunahme des Dialogbetriebs zunehmend an Bedeutung. c) Echtzeitverarbeitung Im Gegensatz zur Stapelverarbeitung werden Daten nicht gesammelt, sondern sofort bei ihrem Auftreten verarbeitet (real-time-processing). Die Zeitspanne zwischen Informationsanfall und Verarbeitung muß minimiert werden. Der Echtzeitbetrieb ist vor allem kennzeichnend für Datenverarbeitung bei technischen Prozessen, in Sicherheitssystemen (z.B. Intensivstation) und bei Verkehrsleitsystemen (z.B. Flugüber-wachung).

3.2.6 Kompatibilität Seit IBM ihren Personalcomputer vorstellte, haben viele Firmen Produkte für diese Geräte entwickelt. Heute steht ein riesiges Angebot an Hardware und Software für den PC zur Verfügung, und der IBM-PC ist mittlerweile quasi eine Art Standard im Bereich der Mikrocomputer geworden. Die ständig steigende Zahl von Software-Paketen und Erweiterungskarten wird diese Position noch stärken. Um dieses Angebot an Hard- und Software auch auf eigenen Produkten verfügbar zu machen, begannen viele Hersteller kompatible Computer zu entwickeln. Volle Kompatibilität bedeutet, daß sowohl die Software als auch die verfügbaren Hardware-Erweiterungen, z.B. Steckkarten, verwendet werden können. Da eine hardwaremäßige und elektronische Gerätekopie schon rein rechtlich nicht möglich ist, müssen sich alle kompatiblen Computer voneinander unterscheiden. Die meisten Hersteller, deren Computer mit dem Betriebssystem MS-DOS arbeiten, bezeichnen ihre Geräte als kompatibel (IBM-kompatibel). Ein wesentlicher Aspekt hierbei ist jedoch, daß ein Teil des Betriebssystems vom Hardwarehersteller für den einwandfreien Anschluß zu den verschiedenen Geräten maßgeschneidert wird. Er entwickelt ein spezielles BIOS (Basic Input Output System) bei der Installation des Betriebssystems als Verbindung des Betriebssystems zur Hardware. Die im Festwertspeicher (BIOS-ROM) abgelegten Programme dürfen von anderen Herstellern nicht kopiert werden. Stehen gleichwertige Programme nicht zur Verfügung, so können auf BIOS-Routinen zugreifende Programme nicht ausgeführt werden. Kompatibilitätsprobleme können aber auch außerhalb des Einflusses des Betriebssystems liegen. Beispielsweise können Probleme aufgrund der Unverträglichkeit der Bildschirmschnittstelle, des Zeichensatzes und der Tastatur auftreten.

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Programmverknüpfungen

Schaltfläche Start für den Aufruf des Startmenüs

Task-Leiste

Geladene Hintergrundprogramme

3.3 Arbeit mit dem Betriebssystem 3.3.1 Der Desktop Der Desktop (Schreibtisch) ist die Grund-einstellung für die Arbeitsoberfläche eines PC’s unter dem Betriebssystem Windows. Nach dem Einschalten des Rechners wird in der Regel der Desktop angezeigt. Dort sind auf der Arbeitsfläche Symbole für Verknüpfungen mit Programmen und Dateien abgelegt. Ein Doppelklick mit der Maus öffnet die Programme bzw. Dateien und ermöglicht so dem Benutzer den ein-fachen und schnellen Zugriff auf die gewünschten Programme. Der Desktop sollte aber nicht zu sehr mit Verknüpfungen (Symbolen) überfrachtet werden, da dies den Bootvorgang verlangsamt. Es kann vorkommen, dass nach dem Start des Rechners nicht der Desktop, sondern der Explorer oder ein Programm geladen wird. Hierfür gibt es zwei Ursachen: • Vor dem Beenden von Windows wurde der Explorer oder ein Programm nicht geschlossen • Ein Programm wurde in der Funktion Autostart eingebunden. Im Grunde handelt es sich um ein

Verzeichnis mit dem Namen Autostart, in dem Verknüpfungen mit Programmen hergestellt werden können, die nach dem Start des Betriebssystems Windows automatisch geladen werden.

In der Fußzeile befindet sich die Task-Leiste, die alle momentan geöffneten Programme anzeigt.

3.3.2 Die wichtigsten Symbole des Desktop Durch einen Doppelklick mit der Maus werden die mit den Symbolen verknüpften Programme und Fenster geöffnet.

Symbol Bedeutung

Anzeige der Hardware der Verzeichnisse und der Dateien

Zur Ablage von gelöschten Dateien. Bei versehentlichem Löschen können sie über den Papierkorb wiederhergestellt werden.

Herstellen einer Netzwerkverbindung im lokalen Datennetz (LAN).

Schaltfläche Start zum Start von Programmen bzw. zum Herunterfahren des Rechners.

3.3.3 Der Windows-Explorer (Dateimanager) Man kann die Dateien über das Fenster Arbeitsplatz verwalten. Ein mächtiges Werkzeug für die Verwaltung von Dateien ist der Windows-Explorer, der auch als Dateimanager bezeichnet wird. Er darf nicht mit dem Browser Internet-Explorer, mit dem man die seiten des World Wide Web aufsuchen kann, verwechselt werden. Zeigen Sie auf die Schaltfläche Start. Drücken Sie die rechte Maustaste. Das Kontext-Menü wird geöffnet:

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Wählen Sie im Kontext-Menü den Befehl Explorer. Der Windows-Explorer wird aufgerufen (Beispiel mit Bild siehe Kapitel 3.4.2).

3.3.4 Operationen mit Verzeichnissen im Windows-Explorer

3.3.4.1 Wichtige Symbole

Symbol Bedeutung

Hinter dem Symbol verbirgt sich eine weitere Hierarchieebene. Sie wird über einen Klick mit der Maus auf das Pluszeichen angezeigt. Das Pluszeichen wird dann zum Minuszeichen.

Die nächste untergeordnete Ebene wird angezeigt. Durch einen Mausklick auf das Minuszeichen wird sie wieder ausgeblendet.

3.3.4.2 Anlegen eines neuen Verzeichnisses (Ordners) a) Ausgang: Dateimanager (Windows-Explorer)

Zunächst markiert man im Dateimanager das Verzeichnis (directory), in dem ein neues Unterverzeichnis (Ordner) erstellt werden soll mit einem Einfachklick, damit wird es zum aktuellen Verzeichnis. Anschließend wählt man über das Menü Datei den Befehl Neu und dann Ordner. Nun erscheint im aktuellen Verzeichnis ein neues Ordnersymbol mit dem Namen Neuer Ordner; dieser Namen ist markiert und kann sofort durch Eingabe eines neuen Namens in den Ordner mit der gewünschten Bezeichnung umbenannt werden.

b) Ausgang: beim Speichern einer Datei Über das Menü Datei ruft man den Befehl Speichern unter auf und wählt das gewünschte Verzeichnis aus, anschließend drückt man auf das Symbol für Neuen Ordner erstellen. Man vergibt einen Namen für das Verzeichnis, indem man den blau hinterlegten Namen Neuer Ordner überschreibt und anschließend auf die Schaltfläche OK klickt.

3.3.4.3 Weitere Operationen mit Verzeichnissen a) Löschen: Das betreffende Verzeichnis wird markiert, so dass es das aktuelle

Verzeichnis ist (das Ordnersymbol erscheint geöffnet), anschließend wird die Entf-Taste gedrückt. Vorsicht: alle Dateien und Unterverzeichnisse in im ausgewählten Verzeichnis werden mitgelöscht. Hinweis: will man diesen Vorgang rückgängig machen, kann man dies gleich im Anschluß an die Löschoperation im Menü Bearbeiten über den Befehl Rückgängig. Bemerkt man den Irrtum erst später kann man den gesamten Ordner aus dem Papierkorb wiederherstellen, falls der Papierkorb in der Zwischenzeit noch nicht gelöscht wurde.

Speichern unter

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b) Umbenennen: Das betreffende Verzeichnis wird markiert (s. o.), anschließend wird ein zweiter Klick auf den Namen ausgeführt (kein Doppelklick!), nun kann man den blau hinterlegten Namen ändern (vgl. auch 3.3.4.1 a)).

c) Kopieren: Das betreffende Verzeichnis wird markiert und anschließend, bei gedrückter Strg-Taste, mit Drag & Drop an die gewünschte Stelle gezogen. Nun ist der Ordner zweimal vorhanden.

d) Verschieben: Das betreffende Verzeichnis wird markiert und anschließend mit Drag & Drop an die gewünschte Stelle gezogen. Der Ordner ist nur einmal vorhanden.

Weitere zulässige Operationen mit einem Verzeichnis erhält man über das Kontextmenü (Einfachklick mit der rechten Maustaste auf das entsprechende Verzeichnis.

3.3.5 Operationen mit Dateien im Windows-Explorer Vom Dateimanager (Windows-Explorer) aus können folgende Operationen mit Dateien (files) ausgeführt werden: Öffnen, Verschieben, Kopieren, Löschen, Umbenennen, Markieren, Auswählen, Drucken a) Öffnen einer Datei: Durch Doppelklick auf den Dateinamen bzw. das Dateisymbol wird das Programm

gestartet, mit dem die Datei erstellt wurde (erkennbar durch die Dateiendung). Ist das entsprechende Programm nicht auf diesem Rechner installiert, fragt das System nach, mit welchem der auf diesem Rechner installierten Programme die Datei geöffnet werden soll.

b) Verschieben, Kopieren, Löschen, Umbenennen bzw. Markieren einer Datei: Funktioniert im Prinzip genauso wie die entsprechende Operation mit einem Verzeichnis.

c) Drucken: Zum Ausdrucken einer Datei klickt man mit der rechten Maustaste auf den Dateinamen. In dem zugehörigen Kontextmenü wählt man die Option Drucken aus.

d) Auswählen von Dateien: Man wählt eine Datei aus, indem man mit der linken Maustaste einen Einfachklick auf die Datei ausführt. Will man mehrere Dateien auswählen, so kann dies nach verschiedenen Kriterien geschehen: • Die ausgewählten Dateien stehen alle in einem Block untereinander:

Man hält die Shift-Taste gedrückt und wählt per Mausklick die erste und letzte Datei im Block aus. Dann sind alle dazwischen liegenden Dateien ebenfalls markiert.

• Die ausgewählten Dateien stehen nicht in einem Block untereinander: Man hält die Strg-Taste gedrückt und wählt per Mausklick die gewünschten Dateien aus.

• Über das Menü Ansicht – Symbole anordnen hat man die Möglichkeit die Dateien nach verschiedenen Kriterien (Name, Typ, Größe, Datum) anzuordnen, so dass die entsprechenden Dateien wiederum im Block beieinander stehen. Eine weitere Möglichkeit erhält man über die Suchoption im Menüpunkt Extras. Hier kann man ebenfalls Dateien nach bestimmten Kriterien auswählen.

3.4 Arbeit mit hierarchischen Dateisystemen

3.4.1 Zweck der hierarchischen Dateistrukturierung Bei einer Festplatte verliert man leicht die Übersicht über das Inhaltsverzeichnis. Eine personale Zuordnung von Speicherbereichen ist nicht möglich. Damit besteht die Gefahr, daß mehrmals die gleichen Dateinamen vergeben und damit bestehende Dateien überschrieben werden. Auch lassen sich verschiedene Versionen von Programmen schlecht voneinander abgrenzen (Word 95, Word 97, Word 2000). Ebenso treten beim Sichern einer Menge von zusammengehörenden Dateien Probleme auf, falls sie nicht unter einem Oberbegriff zusammengefaßt wurden. Ein weiterer Grund, Dateien hierarchisch zu speichern, liegt darin, dass beim Formatieren einer Diskette oder Festplatte ein Inhaltsverzeichnis angelegt wird, welches nur eine bestimmte Kapazität hat. Bei doppelseitiger Speicherung nimmt es 112 Einträge auf. Bei der Festplatte sind es 512. D.h. es können maximal 112 (512) Dateien gespeichert werden. Hauptkriterium: Besserer Überblick über die gespeicherten Daten und größere Effektivität bei

Datensicherung. Um beide Unzulänglichkeiten zu umgehen, bietet Windows die Möglichkeit das Inhaltsverzeichnis zu strukturieren. Es können Teilbereiche gebildet werden, die hierarchisch geordnet sind. Es ist sinnvoll, eine mehrstufige Baumstruktur zu wählen. Mit ihr lassen sich Teilbereiche und Unterbereiche am einfachsten zu einem logischen Gebilde vereinigen.

3.4.2 Grundbegriffe Oberste Hierarchiestufe: Wurzelverzeichnis = Grundarbeitsbereich = root directory = root Niedrigere Hierarchiestufen: Unterverzeichnisse = Kataloge = subdirectories

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Das Wurzelverzeichnis sollte zweckmäßigerweise nur die unbedingt nötigen Teile des Betriebssystems und die Namen der Unterverzeichnisse aufnehmen: Jedes Unterverzeichnis kann wiederum Namen von Unterverzeichnissen aufnehmen. Das Anlegen eines Unterverzeichnisses beansprucht auf einer Diskette 1 kB, auf einer Festplatte 4 kB.

Beispiel für einen baumartig strukturierten Speicher

Zu den Dateien in den Unterverzeichnissen gelangt man über den sog. Zugriffspfad, der auch nur als Pfad bezeichnet wird.

Beispiel: E:\Informatik\Skripten\Präsentation\PP_Kurs.doc

Dateinamen mit Extension UVZ 1. Grades UVZ 2. Grades UVZ 3. Grades LW mit Wurzelverzeichnis