Grundlagen der Informatik · 2018. 12. 29. · 14.9 Datenbanken ... 17 Cloud Computing ......

Grundlagen der Informatik

Autor des Skriptums:

Mag. Christian Zahler

V1.3, September 2018


2 © Mag. Christian Zahler, Stand: September 2018

Inhaltsverzeichnis

1 Trends in der IT ................................................................................................................................... 8

1.1 Der Begriff „Informatik“ ............................................................................................................. 11 1.2 Teilgebiete der Informatik ......................................................................................................... 12 1.3 Größe von Computern .............................................................................................................. 12 1.4 Aufbau von EDV-Anlagen ........................................................................................................ 13

2 PC-Architektur .................................................................................................................................. 14

2.1 VON NEUMANN-Architektur ........................................................................................................ 14 2.2 Motherboard (auch: Mainboard, Hauptplatine) ........................................................................ 15 2.3 Chipsatz .................................................................................................................................... 16 2.4 Rechnerkategorien nach FLYNN ............................................................................................... 22

3 Netzteil/Akku ..................................................................................................................................... 23

4 Zentralprozessor (CPU) ................................................................................................................... 24

4.1 Befehlssatz ............................................................................................................................... 25 4.2 Taktfrequenz............................................................................................................................. 25 4.3 Arbeitsweise einer CPU ........................................................................................................... 26 4.4 Cache ....................................................................................................................................... 27 4.5 Mehrkernprozessoren .............................................................................................................. 28 4.6 Wichtige Prozessorserien ......................................................................................................... 28 4.7 Intel-Prozessoren ..................................................................................................................... 28 4.8 AMD-Prozessoren .................................................................................................................... 33 4.9 Weitere Prozessorhersteller im Überblick ................................................................................ 35

4.9.1 Motorola .................................................................................................................... 35 4.9.2 IBM ............................................................................................................................ 35 4.9.3 HP (auch als Nachfolger von Compaq und DEC) ..................................................... 35 4.9.4 SGI (früher Silicon Graphics Inc.) ............................................................................. 35 4.9.5 Sun Microsystems ..................................................................................................... 36

5 Memory (Interner Speicher) ............................................................................................................. 37

5.1 RAM .......................................................................................................................................... 37 5.1.1 Bauformen von PC-RAM-Speichermodulen ............................................................. 38 5.1.2 DRAM-Technologien ................................................................................................. 39

5.2 BIOS / EFI ................................................................................................................................ 40 5.2.1 BIOS (Basic Input Output System) ........................................................................... 40 5.2.2 EFI (Extensible Firmware Interface) ......................................................................... 45

5.3 Interrupts .................................................................................................................................. 46 5.4 Ports (I/O-Adressen) ................................................................................................................ 48 5.5 Memory Mapped IO (MMIO) .................................................................................................... 49 5.6 DMA (Direct Memory Access)-Kanäle ..................................................................................... 49

6 Ein-/Ausgabekarten und Schnittstellen (Interfaces) ..................................................................... 50

7 Schnittstellen (Interfaces) ................................................................................................................ 51

7.1 Alte externe Schnittstellen (Legacy) ......................................................................................... 51 1.1.1 Parallele Schnittstellen ....................................................................................... 51 1.1.2 Serielle Schnittstellen ......................................................................................... 54 1.1.3 PS/2 .................................................................................................................... 57

1.2 Externe Schnittstellen für Peripherie .................................................................................. 58 1.2.1 USB-Schnittstellen .............................................................................................. 58 1.2.2 „FireWire“ (IEEE 1394) ....................................................................................... 61

7.2 Interne Schnittstellen für Erweiterungskarten .......................................................................... 61 1.2.3 Kurzüberblick Ein-/Ausgabekarten ..................................................................... 61 1.2.4 ISA ...................................................................................................................... 63 1.2.5 PCI ...................................................................................................................... 63 1.2.6 PCI-X .................................................................................................................. 64 1.2.7 AGP .................................................................................................................... 64 1.2.8 PCI Express (PCIe) ............................................................................................ 64


© Mag. Christian Zahler, Stand: September 2018 3

7.3 Interne Schnittstellen für Massenspeicher und Laufwerke ...................................................... 65 1.2.9 IDE/ATA und EIDE/UATA ................................................................................... 65 1.2.10 SATA (Serial ATA) .............................................................................................. 67 1.2.11 SCSI (= Small Computer System Interface) ....................................................... 69 1.2.12 SAS (Seral Attached SCSI) ................................................................................ 69

1.3 Externe Schnittstellen für Bildschirme und Monitore ......................................................... 70 1.3.1 VGA (Video Graphics Array) ............................................................................... 70 1.3.2 DVI (Digital Visual Interface) ............................................................................... 70 1.3.3 HDMI (High Definition Multimedia Interface) ...................................................... 71 1.3.4 DisplayPort .......................................................................................................... 72

8 Externe Speicher .............................................................................................................................. 74

8.1 Tatsächliche Speicherung von Daten auf magnetischen Speichermedien .............................. 75 8.1.1 Physikalisches Schreibverfahren .............................................................................. 75 8.1.2 Logisches Schreibverfahren ..................................................................................... 76

8.2 Diskette ..................................................................................................................................... 77 8.3 Festplatte .................................................................................................................................. 78

8.3.1 Aufbau magnetischer Systeme ................................................................................. 78 8.3.2 Gütekriterien.............................................................................................................. 79 8.3.3 Solid State Drives (SSD) ........................................................................................... 80 8.3.4 Schnittstellen für Festplatten ..................................................................................... 81

8.4 RAID ......................................................................................................................................... 85 8.5 Storage-Technologien .............................................................................................................. 87

8.5.1 Direct Attached Storage (DAS) ................................................................................. 88 8.5.2 Network Attached Storage (NAS) ............................................................................. 88 8.5.3 Storage Area Network (SAN) .................................................................................... 89 8.5.4 NAS-Gateway mit SAN ............................................................................................. 92

8.6 Theorie zur Partitionierung ....................................................................................................... 93 MBR-Datenträger ............................................................................................................... 94 GPT-Datenträger ................................................................................................................ 97

8.7 Formatierung ............................................................................................................................ 98 8.7.1 FAT-Dateisysteme (File Allocation Table) ................................................................ 99 8.7.2 NTFS-Dateisystem (New Technology File System) ................................................. 99

8.8 Ablauf des Startvorgangs eines PCs ..................................................................................... 101 8.9 Magnetband............................................................................................................................ 101 8.10 Memory Cards ...................................................................................................................... 103 8.11 USB-Memory Sticks ............................................................................................................. 103 8.12 CD- und DVD-Medien .......................................................................................................... 104

8.12.1 CD-ROM ............................................................................................................... 104 8.12.2 CD-R ..................................................................................................................... 105 8.12.3 CD-RW .................................................................................................................. 105 8.12.4 DVD (Digital Versatile Disk) .................................................................................. 105 8.12.5 Datenformate, Weiterentwicklung ......................................................................... 106 8.12.6 DVD-Nachfolger .................................................................................................... 107

8.13 Magnetblasenspeicher ......................................................................................................... 109 8.14 Weitere Wechselmedien ...................................................................................................... 109

8.14.1 MO ........................................................................................................................ 109 8.14.2 PD ......................................................................................................................... 109

9 Eingabegeräte ................................................................................................................................. 110

9.1 Tastatur .................................................................................................................................. 110 9.2 Maus ....................................................................................................................................... 110 9.3 Mausersatz bei Notebooks ..................................................................................................... 111 9.4 Digitizer ................................................................................................................................... 111 9.5 Funktionstastatur .................................................................................................................... 112 9.6 Belegleser............................................................................................................................... 112 9.7 Scanner .................................................................................................................................. 113

10 Bildschirm ..................................................................................................................................... 115

10.1 Elektronenstrahlröhre ........................................................................................................... 115 10.2 LCDs ..................................................................................................................................... 115



10.3 Plasmabildschirme ............................................................................................................... 116 10.4 Grafikkarten .......................................................................................................................... 117

11 Drucker .......................................................................................................................................... 120

11.1 Impact-Drucker ..................................................................................................................... 120 11.1.1 Nadeldrucker ......................................................................................................... 120 11.1.2 Typenraddrucker ................................................................................................... 121 11.1.3 Zeilendrucker ........................................................................................................ 121

11.2 Non-Impact-Drucker ............................................................................................................. 121 11.2.1 Tintenstrahldrucker ............................................................................................... 121 11.2.2 Laserdrucker ......................................................................................................... 122 11.2.3 LED-, LCD- und LCS-Drucker ............................................................................... 123 11.2.4 Thermodrucker ...................................................................................................... 124 11.2.5 Thermotransferdrucker ......................................................................................... 124

12 Plotter ............................................................................................................................................ 125

12.1 Stiftplotter ............................................................................................................................. 125 12.2 Tintenstrahlplotter ................................................................................................................. 125 12.3 Mikrofilmplotter ..................................................................................................................... 125

13 Datenstrukturen ............................................................................................................................ 126

13.1 Zahlensysteme ..................................................................................................................... 126 13.1.1 Umrechnen von Dezimal- in Dualzahlen .............................................................. 127 13.1.2 Addition von Binärzahlen ...................................................................................... 127

13.2 Zahlendarstellung; Bit und Byte ........................................................................................... 128 13.3 Darstellung ganzer Zahlen ................................................................................................... 130 13.4 Festkommadarstellung ......................................................................................................... 132 13.5 Gleitkommadarstellung ......................................................................................................... 133 13.6 Codes ................................................................................................................................... 134

13.6.1 Codes für Zeichen und Befehle ............................................................................ 134 13.6.2 Codierungssysteme in der Industrie ..................................................................... 138 13.6.3 Transpondersysteme ............................................................................................ 139 13.6.4 RFID (Radio Frequency Identification) ................................................................. 140

13.7 Fehlerkorrektur von Codes ................................................................................................... 140 13.8 Speicherung von audiovisuellen Daten ................................................................................ 142

13.8.1 Speicherung von Grafikdaten ............................................................................... 142 13.8.2 Speicherung von Audiodaten ................................................................................ 143

14 Software......................................................................................................................................... 145

14.1 Betriebssysteme - Grundlagen ............................................................................................. 145 14.1.1 Historischer Rückblick ........................................................................................... 145 14.1.2 Aufgaben eines Betriebssystems.......................................................................... 145 14.1.3 Multitasking ........................................................................................................... 146 14.1.4 Überblick über PC-Betriebssysteme ..................................................................... 149 14.1.5 Betriebssysteme für Smartphones und Tablets .................................................... 166

14.2 Textverarbeitung und Desk Top Publishing (DTP) .............................................................. 167 14.3 Tabellenkalkulation ............................................................................................................... 168 14.4 Grafikprogramme ................................................................................................................. 170 14.5 CAD- und Konstruktionsprogramme .................................................................................... 170 14.6 Mal- und Zeichenprogramme ............................................................................................... 171 14.7 Präsentationsprogramme ..................................................................................................... 172 14.8 Multimedia-Entwicklung ........................................................................................................ 172 14.9 Datenbanken ........................................................................................................................ 173

14.9.1 Lokale Datenbanken ............................................................................................. 173 14.9.2 Client-/Server-Datenbanksysteme ........................................................................ 175 14.9.3 Internationale Datenbanken .................................................................................. 176

14.10 Planungshilfen .................................................................................................................... 177 14.11 Integrierte Systeme ............................................................................................................ 177 14.12 Tools und Utilities, Spiele ................................................................................................... 177 14.13 Spracherkennungs-Software .............................................................................................. 178 14.14 Softwareentwicklung und Projektmanagement .................................................................. 179



14.14.1 Projektentwicklung mit Phasenmodellen ............................................................ 179 14.14.2 Größe von Softwareprojekten ............................................................................. 185 14.14.3 Grafische Darstellung strukturierter Programme ................................................ 185 14.14.4 Elemente einer Programmiersprache ................................................................. 187 14.14.5 Übersicht über Programmiersprachen ................................................................ 188 14.14.6 Beispielhafte Einführung in die Programmierung in C ........................................ 191

15 Netzwerk-Grundlagen .................................................................................................................. 203

15.1 Größenordnung von Netzwerken ......................................................................................... 203 15.2 Peer-to-Peer-Netze und Client-Server-Architekturen........................................................... 204 15.3 Netzwerk-Topologien ........................................................................................................... 204 15.4 Das OSI-Referenzmodell ..................................................................................................... 206 15.5 Das TCP/IP-4 Schichten-Modell (DoD-Modell) .................................................................... 213 15.6 Aktive Netzwerkkomponenten im Überblick ......................................................................... 214 15.7 Konfiguration der Netzwerkkarte: IP-Adressen .................................................................... 214 15.8 Vergabe von IPv4-Adressen ................................................................................................ 219 15.9 Aufbau von IP-Adressen ...................................................................................................... 219 15.10 Klassenorientierte IP-Adressen .......................................................................................... 220 15.11 Besondere IP-Adressen ..................................................................................................... 221 15.12 Subnetting .......................................................................................................................... 222

16 Internet-Grundlagen ..................................................................................................................... 225

16.1 Historische Entwicklung ....................................................................................................... 225 16.2 World Wide Web .................................................................................................................. 226 16.3 Internet als Teilstreckennetzwerk ......................................................................................... 227 16.4 Domain Name System (DNS) .............................................................................................. 229 16.5 DNS-Domain-Namen im Internet ......................................................................................... 230 16.6 Ablauf einer DNS-Abfrage .................................................................................................... 234 16.7 HTTP .................................................................................................................................... 235

16.7.1 Ablauf von HTTP-Anfragen ................................................................................... 236 16.7.2 HTTP-Methoden ................................................................................................... 238 16.7.3 HTTP als verbindungsloses Protokoll ................................................................... 239

16.8 E-Mails .................................................................................................................................. 239 16.8.1 Technische Grundlagen ........................................................................................ 239 16.8.2 Spam (UBE, Unsolicited Bulk E-Mail) ................................................................... 241 16.8.3 Phishing-Mails ....................................................................................................... 241

16.9 Wie komme ich ins Internet? ................................................................................................ 242

17 Cloud Computing ......................................................................................................................... 245

17.1 Cloud-Begriffe ...................................................................................................................... 245 17.2 Microsoft Cloud-Produkte ..................................................................................................... 245 17.3 Wo liegen die Daten und wie sicher sind sie? ...................................................................... 246

18 Betriebs- und Wirtschaftsinformatik .......................................................................................... 248

18.1 Betriebliches Informationsmanagement ............................................................................... 248 18.1.1 ERP-Systeme (Enterprise Ressource Planning) .................................................. 248 18.1.2 CRM-Systeme (Customer Relationship Management) ........................................ 251 18.1.3 SCM-Systeme (Supply Chain Management) ........................................................ 252 18.1.4 Dokumentenmanagementsysteme (DMS) ............................................................ 252 18.1.5 Integrierte E-Business-Systeme ........................................................................... 253 18.1.6 Spezielle Anwendungspakete ............................................................................... 253 18.1.7 Groupware ............................................................................................................ 253

18.2 Business Intelligence ............................................................................................................ 253 18.2.1 IT-gestützte BI ....................................................................................................... 254 18.2.2 ETL (Extraction, Transformation, Loading) ........................................................... 255 18.2.3 Data Warehouse (DWH) ....................................................................................... 256 18.2.4 Core Data Warehouse und Data Marts ................................................................ 257 18.2.5 OLAP-Cubes ......................................................................................................... 257

19 Multimedia ..................................................................................................................................... 260

20 Informatik-Recht ........................................................................................................................... 261



20.1 Schutz von Personen und personenbezogenen Daten ....................................................... 261 20.1.1 Begriffe .................................................................................................................. 261 20.1.2 Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) und Datenschutzgesetz (DSG) .......... 261

20.2 Das Telekommunikationsgesetz (TKG) ............................................................................... 264 20.3 Der Schutz von Programmen ............................................................................................... 265 20.4 Das Urheberrechtsgesetz (UrhG) ........................................................................................ 266 20.5 Gesetz gegen den unlauteren Wettbewerb (UWG) ............................................................. 267 20.6 Legalitätsbegründungen von Software ................................................................................. 267

20.6.1 Schutz vor illegaler Software ................................................................................ 268 20.6.2 Konsequenzen illegaler Software ......................................................................... 269

20.7 E-Commerce-Recht .............................................................................................................. 270 20.7.1 Das E-Commerce-Gesetz (ECG).......................................................................... 270 20.7.2 Das Mediengesetz (MedienG) .............................................................................. 270 20.7.3 Das Alternative-Streitbeilegungs-Gesetz (AStG) .................................................. 271

20.8 Entsorgung von Altgeräten ................................................................................................... 271 20.9 Gewährleistung und Garantie .............................................................................................. 272 20.10 Ausschreibungen nach ÖNORM A2050 ............................................................................ 272

21 Herstellung von ICs ...................................................................................................................... 273

21.1 Herstellung von Silizium ....................................................................................................... 273 21.2 Eigentliche Herstellung von ICs ........................................................................................... 275 21.3 Fotolithografie ....................................................................................................................... 276

22 Logische Verknüpfungen ............................................................................................................ 282

22.1 AND ...................................................................................................................................... 283 22.2 OR ........................................................................................................................................ 284 22.3 XOR ...................................................................................................................................... 285 22.4 NOT ...................................................................................................................................... 286



Zu dieser Arbeitsunterlage

Sehr geehrte Leserin, geschätzter Leser!

Diese Unterlage entstand als Begleitmaterial zu einführenden Veranstaltungen der Informationstechnologie.

Zunächst werden die „Megatrends“ vorgestellt, mit denen sich die Informationstechnologie in den nächsten Jahren beschäftigen wird (müssen). Anschließend geht es um einzelne Bereiche, mit denen diese Trends erreicht werden: Hardware, Software und Vernetzung (inklusive Internet und Cloud Computing). Zusatzkapitel zu den Themen Betriebs- und Wirtschaftsinformatik, Multimedia, Informatik-Recht und Herstellung integrierter Schaltkreise runden diese Einführung ab.

Wenn Sie Verbesserungsvorschläge haben oder Fehler finden, so bin ich Ihnen sehr dankbar, wenn Sie mir unter [email protected] ein E-Mail schreiben. Sie tragen dadurch zur Steigerung der Gesamtqualität dieser Unterlage bei – und werden auch selbst zufrieden sein, wenn Sie sehen, dass Ihre Vorschläge auf fruchtbaren Boden fallen.

Ich wünsche Ihnen beim Lernen und Üben viel Freude und viel Erfolg!

Mag. Christian Zahler

Quellen

Diese Unterlage versucht, bestehende Informationen zum Thema „Grundlagen der Informationstechnologie“ didaktisch aufzubereiten.

Diese Unterlage erhebt keinesfalls wissenschaftlichen Anspruch. Nicht immer wurden Quellen extensiv zitiert, da dies die Lesbarkeit unnötig beeinträchtigt hätte. Primärquellen sind die entsprechenden Produktdokumentationen, Informations- und Hilfeseiten der Soft- und Hardwarehersteller, die nicht an jeder Stelle explizit zitiert wurden. Wo sinnvoll, wurden spezielle Quellen auch im Text zitiert – vor allem dann, wenn die weitere Lektüre dieser Quellen empfehlenswert schien.

Für IT-Grundlagenwissen wurde gegebenenfalls auch http://de.wikipedia.org herangezogen.

Die „Bibel“ der Wirtschaftsinformatik schlechthin sei an dieser Stelle ebenfalls genannt:

Hansen, Hans Robert; Mendling, Jan; Neumann, Gustaf: Wirtschaftsinformatik. 11., neu bearbeitete Auflage. De Gruyter, 2015.

Weitere empfehlenswerte Quellen, die ebenfalls zur Erstellung dieser Unterlage verwendet wurden, sind:

http://www.tecchannel.de

Sehr gute Sammlung von IT-technischen Artikeln, teilweise kostenpflichtig (Premium-Abonnement)

http://www.heise.de/ct/

Zeitschrift c’t, bekannte Publikation mit hohem Qualitätsanspruch

http://www.linux.org

Offizielle Homepage des Linux-Projekts

http://www.microsoft.com/austria/blogs/

Alle Blogs von Microsoft Österreich

http://wiki.winboard.org

Interessante Artikelsammlung mit gut verständlichen Windows-Tutorials; besonders interessant ist der Bereich „Winboard FAQ“.

http://www.windowsblog.at

Windows Blog von Microsoft Österreich

mailto:[email protected]

http://de.wikipedia.org/

http://www.tecchannel.de/

http://www.heise.de/ct/

http://www.linux.org/

http://www.microsoft.com/austria/blogs/

http://wiki.winboard.org/

http://www.windowsblog.at/



1 Trends in der IT

Seit 2005 gibt jedes Jahr im August gibt die renommierte Analysefirma Gartner (www.gartner.com) den „Heiligen Gral“ der IT-Branche heraus. Es geht darum eine Einschätzung, welche IT-Themen in den nächsten Jahren Bedeutung erlangen werden.

Die Y-Achse des zum Graphen gehörenden Koordinatensystems zeigt dabei stets den Grad der Erwartungen an einen IT-Trend an, die X-Achse beschreibt dessen produktive Einsatzmöglichkeiten zum Zeitpunkt der Veröffentlichung. Vom "Innovation Trigger" geht es dabei immer über den "Höhepunkt der überzogenen Erwartungen", durch das "Tal der Desillusionierung" hin zum "Hang der Erleuchtung", bis dann schließlich ab und zu doch noch das "Plateau der Produktivität" erreicht wird.

Für 2018 sieht diese Grafik (Quelle: Gartner) wie folgt aus:

Gartner hat für 2018 folgende fünf aufkommende Trends festgestellt:

Demokratisierte künstliche Intelligenz: Zu diesem Trend gehören verschiedene Entwicklungen:

http://www.gartner.com/



o Intelligente Roboter, die mit Menschen zusammenarbeiten können

o Autonom fahrende Fahrzeuge mit verschieden hoher menschlicher Interaktion (Level 4 – Fahrzeuge fahren großteils autonom, aber nicht in jeder Situation, können auch händisch gesteuert werden; Level 5 – völlig autonom fahrende Fahrzeuge ohne Lenkrad und Brems-/Gaspedalen).

Die bereits jetzt verfügbaren Fahrer-Assistenzsysteme, die im PKW-Bereich selbsttätiges Einparken von Fahrzeugen ermöglichen, werden sich weiterentwickeln, bis Fahrzeuge zukünftig fahrerlos bewegt werden können. Relativ weit fortgeschritten ist diese Entwicklung im öffentlichen Verkehr (U-Bahnen), wobei die neue Wiener Linie U5 ebenfalls für fahrerlosen Betrieb vorgesehen ist.

o Unbemannte Luftfahrzeuge (UAV, „unmanned aerial vehicles“, umgangssprachlich auch als „Drohnen“ bezeichnet): Solche Flugkörper gibt es bereits länger; allerdings kommen in den letzten Jahren zunehmend privat nutzbare, kleine, preisgünstige Drohnen auf den Markt, die mit Kameras ausgestattet sind und auf diese Weise neben der Erfassung von Bildmaterial aus neuer Perspektive auch Kontroll- und Überwachungsaufgaben durchführen können. Unbemannte Luftfahrzeuge werden auch für geheimdienstliche, polizeiliche, zivile/kommerzielle oder für wissenschaftliche Zwecke wie in der Klimaforschung eingesetzt. Seit 01.01.2014 ist der Betrieb von unbemannten Luftfahrzeugen gesetzlich geregelt (Luftfahrtgesetz). Drohnen, die mehr als 30 m über Grund verwendet werden (bzw. eine Bewegungsenergie von mehr als 79 Joule aufweisen), benötigen in Österreich eine luftfahrtrechtliche Bewilligung der Austro Control. Außerdem ist der Betrieb von Drohnen jeder Größe über Menschenansammlungen verboten; weiters ist das Filmen bzw. Fotografieren von Personen nur mit deren Wissen und einer eindeutigen Erlaubnis zulässig.

Drohne der Klasse 1 (über 25 kg). Quelle: www.bmvit.gv.at

Drohne der Klasse „Spielzeug“. Quelle: futurezone.at

Digitalisierte Ökosysteme:

o Blockchain als Datensicherheitstechnologie

o „Digitale Zwillinge“ (digital twins) stellen die virtuelle, digitale Abbildung eines realen Objekts dar. Dieser Trend könnte Wartungsarbeiten revolutionieren.

o „Smarter Things“: Vernetzung von Alltagsgeräten zum „Internet der Dinge“. So ist es beispielsweise möglich, Gerätefehler automatisch an den Hersteller zu melden, der dann einen Reparaturauftrag auslöst. Andere Anwendungen ergeben sich in der automatischen Nachbestückung von Lagern oder in der Meldung eines Unfalls durch den PKW (diese Einrichtungen werden in den nächsten Jahren in alle Neufahrzeuge eingebaut).

„Do-it-yourself biohacking“: Es wird versucht, biologische Funktionen des Menschen durch Technologie zu erweitern. Dazu ist es erforderlich, in die biologischen Abläufe einzugreifen, damit etwa Krankheiten erkannt werden können bzw. querschnittgelähmte Personen sich wieder eigenständig bewegen können. Dieser Trend wird zu einer Reihe von ethischen Fragestellungen führen, die weltweit diskutiert werden müssen.

o Neurale Implantate, Exoskelette

o Medizinische Diagnostik

o Intelligente Stoffe und Kleidungsstücke

o Augmented Reality: computerunterstützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung; etwa verfügbar als Unterstützungssystem für die Navigation von Flugzeugen und PKWs.



BMW: Einblenden von Reparaturanweisungen für den KFZ-Mechaniker über eine Datenbrille

BMW: Eingeblendete Navigation auf der Frontscheibe

Transparente umfassende Erlebnisse: Dieser Begriff dreht sich um intelligente Arbeitsumgebungen. Elektronische Whiteboards, Sensoren und Gestensteuerung im Büro bringen Änderungen im Arbeitsalltag. Dazu gehört auch die neue Generation der Gebäudeautomatisierung („Smart Home“), die immer stärker auch im privaten Wohnbau eingesetzt wird.

o 3D-Drucken für daheim (Duplikate von Schlüsseln etc.)

o 4D-Druck: Darunter versteht man die Fertigung beweglicher Objekte, etwa flacher Bausätze, die sich später zu dreidimensionalen Objekten entfalten können. Zukünftige Anwendungen erwartet man in der Medizin (es gibt bereits Versuche mit sich selbst zurückbildenden Implantaten), der Gebäudetechnik und der Raumfahrt.

Omnipräsente Infrastruktur: Darunter versteht man Technologien, die einen ständig und überall verfügbaren Zugang zum Internet zur Verfügung stellen. Die Datenübertragung soll überdies so schnell sein, dass keine Engpässe oder überlangen Wartezeiten auftreten.

o Quantencomputer

o 5G als neue Mobilfunk-Technologie

o „Neuromorphe Hardware“: Halbleiterchips, deren Architektur von neuronalen Netzen inspiriert ist; diese sollten weniger Energie verbrauchen und von der Leistung her herkömmliche Halbleiterchips um ein Vielfaches übertreffen.

Folgende Entwicklungen sind bereits Gegenwart und beeinflussen den Umgang mit IT-Technologien weltweit:

• BYOD = Bring Your Own Device (private Geräte in Unternehmen): Darunter versteht man die verstärkte Nutzung privater Tablets und Smartphones im betrieblichen Umfeld. Die Herausforderung besteht darin, die notwendigen betrieblichen Daten von einem privaten Gerät abrufen zu können, ohne das betriebliche Sicherheitskonzept auszuhebeln. Da viele verschiedene Betriebssysteme, Browser und Versionen im Einsatz sind, stellt diese Anforderung für die IT-Abteilungen eine große Herausforderung dar.

• Big Data und skaliertes Computing: Heute ist die Sammlung von Daten einfach und kostengünstig geworden. Beispielsweise sind die österreichischen Autobahnen flächendeckend mit Kameras ausgestattet, die nicht nur die Mautsysteme kontrollieren (GoBox/Vignette) oder im Rahmen einer Section Control Temposünder registrieren, sondern auch auf Grund der Autonummer feststellen können, ob das Fahrzeug polizeilich gesucht wird. Ein anderes Beispiel für die Sammlung riesiger Datenmengen stellt die Vorratsdatenspeicherung der Internet- und Telekommunikationsanbieter dar; dort werden – zumindest für eine bestimmte Zeitspanne – sämtliche Verbindungsdaten aller Telefongespräche und Internetverbindungen aufgezeichnet. Die automatisierte Erfassung von solchen Daten bringt riesige Datenmengen, die natürlich auch gespeichert und ausgewertet werden müssen.

• Mobile Bezahlsysteme

• NFC (Near Field Communication)

http://www.google.at/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRxqFQoTCOPI2pyp8cYCFYU3FAodWcsC5A&url=http://www.youtube.com/watch?v%3DP9KPJlA5yds&ei=L-ewVaP1BoXvUNmWi6AO&bvm=bv.98476267,d.bGg&psig=AFQjCNEzHpOJRDqM_Os4zhiH-ire5pZyxw&ust=1437743273439403

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• Cloud Computing

1.1 Der Begriff „Informatik“

Der Begriff „Informatik“ wurde erstmals 1962 vom französischen Ingenieur Philippe DREYFUS für die Zusammenfassung von Information und Automatik vorgeschlagen. Heute versteht darunter zunächst die Elektronische Datenverarbeitung (EDV), aber auch die Lehre von der Hardware und – im weitesten Sinn – vom Umgang mit Informationen (Daten). In den letzten Jahren verwendet man auch gern die Abkürzung IT für Informationstechnologie.

Die Zukunft der Computerindustrie wird in der Entwicklung von einfachen, anwenderfreundlichen Soft-warelösungen und in der Wartung und Betreuung der Geräte liegen.

Tabelle: Weltweit verkaufte PCs (Quelle: Gartner, www.gartner.com).

Zeitraum Stück

2004 176,5 Mio.

2005 189,5 Mio.

2006 239,2 Mio.

2007 271,2 Mio.

2008 302,2 Mio.

2009 308,3 Mio.

2010 351,0 Mio.

2011 352,8 Mio.

2012 352,7 Mio.

2013 316,5 Mio.

2014 315,9 Mio.

2015 288,7 Mio.

2016 269,7 Mio.

2017 262,5 Mio.

Die seit 2015 fallenden Verkaufszahlen in der Tabelle links zeigen, dass im Bereich der klassischen PC-Systeme eine Marktsättigung eingetreten ist.

Zuwächse gibt es derzeit noch im Bereich von Smartphones und Tablets, die allerdings in der Tabelle nicht berücksichtigt sind.

Hinweis: Die Zahlen in der nebenstehenden Tabelle beziehen sich auf Desktop-PCs, mobile PCs sowie Servergeräte mit x86-Architektur.

Tabelle: Weltmarktanteile der PC-Hersteller 2016 und 2017 (Quelle: Gartner, www.gartner.com)

Hersteller 2016 2017

HP 19,4 % 21,0 %

Lenovo 20,7 % 20,8 %

Dell 14,6 % 15,2 %

Apple 6,9 % 7,4 %

Asus 7,6 % 6,8 %

Acer Group 6,8 % 6,5 %

Andere 23,9 % 22,3 %

Die chinesische Firma Lenovo übernahm 2004 die PC-Sparte von IBM.

Übersicht: https://en.wikipedia.org/wiki/Market_share_of_personal_computer_vendors



https://en.wikipedia.org/wiki/Market_share_of_personal_computer_vendors



Die obige Grafik zeigt deutlich, dass die Anzahl der globalen PC-Hersteller in den letzten Jahren gesunken ist (der Anteil „Andere“ wird immer kleiner), d.h. die marktbeherrschenden Hersteller drängen kleinere Hersteller aus dem Markt.

Kostenverteilung:

Laut einer Analyse der Gartner Group verteilen sich die Kosten für ein PC-System während einer fünfjährigen Betriebsdauer (= TCO, total cost of ownership) wie folgt:

17 % Hardware und Software-Kosten (Anschaffung)

83 % Support

1.2 Teilgebiete der Informatik

Technische Informatik: entstand in den 40er-Jahren als Teilgebiet der Elektrotechnik.

Angewandte Informatik: Sie entstand Ende der 50er Jahre mit der Erfindung der ersten Programmier-sprachen. So konnten auch zum ersten Mal „Nicht-Spezialisten“ die Vorteile der damals großen und unhandlichen Rechenanlagen nutzen.

Theoretische Informatik: Sie löste sich um 1960 von der Mathematik. Sie beschäftigt sich mit Algorithmen = Folgen von Anweisungen, die zur Problemlösung nötig sind.

1.3 Größe von Computern

PC

Mini

Supermini „Workstations“

Mainframe

Obwohl ein wesentlicher Bereich der EDV die Programmierung und der Umgang mit Großrechnern ist, wird in diesem Skriptum nur der PC-Bereich (PC = „personal computer“, deutsch „persönlicher Computer“) näher beleuchtet. Außerdem sieht es so aus, als ob ein „Downgrading“ im Gange wäre, das heißt, die Großrechner (Mainframes) schön langsam zu aussterbenden Sauriern werden, während immer mehr Firmen auf vernetzte PCs bauen. Mainframes (heute vor allem von den Lieferanten HP – HP 9000, IBM – AS/400 und Digital – Alpha-Rechner, früher VAX, Siemens Fujitsu – BS2000 Business Server) werden vor allem als Netzwerk-Server und für kritische Anwendungen genutzt. Die Bezeichnung "Workstation" wird oft für Geräte benützt, die eine hohe Leistungsfähigkeit im graphischen Bereich aufweisen.



Der Markt für Privatnutzer und Kleinstfirmen („SOHO“ = „small office/home office“, also zum Großteil der Heimanwender- und Computerspiel-Markt) wird aber von PCs beherrscht.

1.4 Aufbau von EDV-Anlagen

Grundsätzlich unterscheidet man die Begriffe Hardware und Software. Ursprünglich bedeutete das englische Wort hardware „Eisenwaren“ und wird auch heute noch im englischsprachigen Raum in diesem Sinn verwendet. In der IT versteht man darunter die Gesamtheit aller physisch vorhandenen Komponenten und Geräte („alles, was man angreifen kann“).

Der Begriff Software ist ein Kunstwort, welches als Gegenstück zum Begriff Hardware definiert wurde (engl. soft = weich) und Programme sowie Daten umfasst. Software kann nicht angefasst werden.

Schließlich findet man fallweise auch den Begriff Firmware (engl. firm = fest). Darunter versteht man Software, die funktional fest mit einer bestimmten Hardware (etwa Flash-Speichermodule, ROM, EPROM, EEPROM) verbunden ist und vom Anwender nicht bzw. nicht einfach ausgetauscht oder verändert werden kann.

Computer-Hardware kann in folgende Gruppen unterteilt werden:

(1) Computer im engeren Sinn („Zentraleinheit“):

• Zentralprozessor (engl. CPU = central processing unit)

• Memory (Interner Speicher), meist auf der Hauptplatine („motherboard“)

• Eingabe-/Ausgabekarten zum Anschluss der Peripherie

(2) Peripherie:

• Eingabegeräte:

Tastatur Lightpen Digitizer Scanner Maus

• Ausgabegeräte:

Bildschirm Drucker Plotter

• Speichergeräte:

Magnetband Festplatte Diskette CD-ROM WORM

• Spezialperipherie



2 PC-Architektur

2.1 VON NEUMANN-Architektur

Die in PCs heute verwendete Architektur geht auf den österreichisch-ungarischen Mathematiker John von Neumann zurück, der später in den USA tätig war.

Die VON-NEUMANN-Architektur ist ein Schaltungskonzept zur Realisierung universeller Rechner (Von-Neumann-Rechner, VNR). Sie realisiert alle Komponenten einer Turingmaschine.

Ein VON-NEUMANN-Rechner beruht auf folgenden Komponenten, die bis heute in Computern verwendet werden:

• ALU (Arithmetic Logic Unit): Rechenwerk; führt Rechenoperationen und logische Verknüpfungen durch.

• CU (Control Unit): Steuerwerk oder Leitwerk; interpretiert die Anweisungen eines Programms und steuert die Befehlsabfolge.

• Memory: Speicherwerk; speichert sowohl Programme als auch Daten, welche für das Rechenwerk zugänglich sind.

• I/O-Unit: Eingabe-/Ausgabewerk; steuert die Ein- und Ausgabe von Daten, zum Anwender (Tastatur, Bildschirm) oder zu anderen Systemen (Schnittstellen).

John VON NEUMANN (1903 – 1957)

Adreßbus

Datenbus

Steuerbus

RAM ROM Ein-/Ausgabe-

karten

Netzteil

Interrupt

Reset Reset

externe Reset-Taste

Peripherie

R/W R R/W

R ... read W ... write

Mikro- prozessor

bei DMA

Zum Austausch von Informationen zwischen CPU, Hauptspeicher und Peripherie (also Bildschirm, Drucker usw.) gibt es eigene Leitungen, die als „Bus“ bezeichnet werden. Da für jedes Bit eine eigene Leitung benötigt wird, sind meist 8, 16 oder 32 Leitungen zusammengefasst; man nennt die Anzahl der gleichzeitig übertragbaren Bits Busbreite.

Der Bus, über den die Daten transportiert werden, heißt Datenbus. Je größer die Datenbusbreite, desto mehr Daten können gleichzeitig übertragen werden. Die Datenbusbreite ist also ein Wert für die Geschwindigkeit der CPU.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d6/JohnvonNeumann-LosAlamos.jpg



Jede Information wird an einer ganz bestimmten Stelle im Hauptspeicher abgelegt. Jede Speicherstelle zu 1 Byte hat eine bestimmte Adresse. Für die Übermittlung von Speicheradressen ist der Adressbus zuständig. Die Breite des Adressbusses hat nichts mit der Geschwindigkeit des Prozessors zu tun, sondern beschränkt den Arbeitsspeicher. Hat der Adressbus etwa 20 bit Breite

(dies war beim XT der Fall), so kann man damit einen Speicherbereich von 220 = 1.048.576 Byte = 1 MByte adressieren; der größtmögliche Speicher, den man in einem XT adressieren konnte.

Steuersignale werden vom Steuerbus weitergeleitet. Zu den Steuersignalen gehört z. B. das Reset-Signal, welches beim Einschalten des Gerätes oder beim Betätigen der Reset-Taste ausgelöst wird. Dieses Signal veranlasst den Start eines fixen Programms, welches das „Hochfahren“ des Computers bewirkt. (Siehe „ROM“, Kap. 5.1!)

Quelle: www.gyrator.de

2.2 Motherboard (auch: Mainboard, Hauptplatine)

Das Zentralstück jedes Computers ist die Hauptplatine oder englisch motherboard. Auf dieser befinden sich folgende Elemente:

• Zentralprozessor (CPU = "central processing unit"): wichtigster Teil des Computer. Der Zentralprozessor ist ein Mikrochip, der die eigentliche Arbeit des Computers (rechnen, vergleichen, sortieren, ...) durchführt.

• Koprozessor (FPU = "floating point unit"): ebenfalls ein Mikrochip, der den Zentralprozessor bei seiner Rechenarbeit unterstützt. Heute nicht mehr üblich.

http://www.gyrator.de/



• „Chipsatz“: eine Reihe von speziellen Chips, wobei jeder Motherboard-Hersteller eigene Chips entwickelt.

• Speicherchips (Arbeitsspeicher, ROM-BIOS, CMOS-RAM etc.)

• Steckplätze für Erweiterungskarten

Die Art und Weise, wie diese Komponenten auf dem Motherboard angeordnet sind, kombiniert mit der Größe der Platine, wird als Formfaktor bezeichnet. Heute sind folgende Formfaktoren üblich:

• ATX: Steckplätze für 2 oder 4 DDR-DRAM-Speichermodule, Chipsätze mit LAN, Grafik, Sound, USB und Firewire, 2 x ATA, 3 - 6 x PCI, optional AGP.

• µATX: Steckplätze für 2 oder 4 DDR-DRAM-Speichermodule, Chipsätze mit LAN, Grafik, Sound, USB und Firewire, 2 x ATA, 2 - 3 x PCI, optional AGP.

• Mini-ITX: 17 x 17 cm, Steckplätze für 2 DDR-DRAM-Speichermodule, Chipsätze mit LAN, Grafik, Sound, USB und Firewire, 2 x ATA, 1 x PCI.

• Nano-ITX: 12 x 12 cm, Chipsätze mit LAN, Grafik, Sound, USB und Firewire, 2 x ATA, 1 x Mikro-PCI.

• BTX (Balanced Technology Extended): thermische Vorteile durch verbesserte Anordnung der Komponenten

Bild: ASRock K7VT4A Pro Mainboard (Quelle: www.wikipedia.de); 2 Steckplätze für 184 pin DIMMs (RAM), 1 Sockel 478 für die CPU, weiters ein AGP Pro-Slot, 5 PCI-Slots.

2.3 Chipsatz

Teil der Motherboard-Architektur ist der Chipsatz, der eine Implementierung der Bussysteme einhaltet und außerdem verschiedene andere Aufgaben zur Entlastung der CPU durchführt. Lange Zeit war die typische Motherboard-Architektur von zwei Chips, der sogenannten Northbridge und Southbridge, üblich:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a4/ASRock_K7VT4A_Pro_Mainboard_Labeled_German.jpg

Grundlagen der Informatik · 2018. 12. 29. · 14.9 Datenbanken ... 17 Cloud Computing ......

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