Einführung
Die Informatik durchdringt unsere tägliches Leben immer schneller und immer tiefgreifender: Computer sind in allen Lebensbereichen präsent und aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Hinzu kommt, dass nahezu alle Medien inzwischen digitalisiert verfügbar sind, die Informationen sind, insbesondere durch mobile Endgeräte, praktisch überall und jederzeit zugreifbar. Die Informatik als die Wissenschaft von der automatisierten, maschinellen Verarbeitung von Informationen, ist dabei der Wegbereiter und Schrittmacher dieser digitalen Revolution und wird auch zukünftig für zahlreiche Innovationen sorgen.
Dieser Text ist so aufgebaut, dass zuerst die wesentlichen Grundbegriffe eingeführt werden und dann ein kurzer Abriss der technologischen Trends der letzten Jahrzehnte gegeben wird. Anschließend wird – vergleichbar mit dem Aufbau eines Rechners – mit der Erläuterung der Hardware begonnen, wobei der Fokus auf der internen Darstellung von Informationen (in Form des Binärsystems) und den Rechnerarchitekturen und -komponenten liegt. Aufbauend auf der Hardware, werden die systemnahen Softwareebenen, Betriebssysteme und Übersetzer von Programmiersprachen, vorgestellt und erläutert.
Aus systematischer Sicht handelt es sich dabei jeweils um kurze Einführung in die Informatik (Grundbegriffe, Historie), die Technische Informatik (Interne Darstellung, Rechnerarchitekturen und -komponenten) und die Praktische Informatik (Betriebssysteme und Programmiersprachen), so dass Sie als Leser einen kompakten Überblick erlangen können.
| 1 | Rechneraufbau und Gebiete der Informatik |
Grundsätzlich ist ein Rechner wie in Abb. 1 aufgebaut.
Abb. 1: Aufbau eines Rechners
Die wichtigsten Elemente sind dabei:
| ■ | Die Hardware: alle physischen Komponenten, die zu einem Rechner gehören |
| ■ | Die Software: alle Programme (aber auch alle weiteren Dokumente), die zur Nutzung eines Rechners notwendig sind. |
Die Hardware eines Rechners kann weiter unterteilt werden in:
| ■ | CPU (Central Processing Unit): die eigentliche Recheneinheit. |
| ■ | ROM (Read Only Memory) / RAM (Random Access Memory): die Speichereinheiten des Rechners. |
| ■ | I/O (Input/Output): Ein-/Ausgabesteuerung des Rechners |
| ■ | Datenbus: Verteilung der Daten von und zu den Komponenten |
| ■ | Adressbus: Verteilung der Adressen (Speicherorte) der Daten von und zu den Komponenten |
Die Software eines Rechners kann weiter unterteilt werden in:
| ■ | Betriebssystem: das Programm, das alle Ressourcen des Rechners verwaltet und evtl. mehreren Prozessen oder Benutzern zuteilt. |
| ■ | Bie Treiber sind dabei spezielle Programme, die die Nutzung einzelner Geräte steuern. |
| ■ | Systemnahe Programme sind Programme, die Dienste und Funktionen für andere Programme zur Verfügung stellen, aber nicht eigenständig genutzt werden (z. B. Compiler, Datenbanken). |
| ■ | Die grafische Benutzeroberfläche, die heutzutage auf nahezu allen Rechnern Standard ist, erlaubt die vereinfachte Bedienung der darunter liegenden Elemente. |
| ■ | Die Anwendungsprogramme schließlich sind die Programme, die für einen Anwender den eigentlichen Nutzen bringen (z. B. Browser, Textverarbeitungsprogramm). |
An den Rechner angeschlossen sind üblicherweise
| ■ | Ein-/Ausgabegeräte („Peripherie“), z. B. Bildschirm, Tastatur, Maus, Drucker |
| ■ | Evtl. andere Rechner über Netzwerke |
Entsprechend diesem Aufbau lassen sich die einzelnen Kategorien der Informatik identifizieren:
| ■ | Technische Informatik: sie beschäftigt sich vorwiegend mit der (Weiter-)Entwicklung neuer Hardware, wie z. B. neuen Prozessoren, schnelleren und größeren Festplatten usw. Aber auch weitere technische Bereiche, wie z. B. die Robotik oder die Bild- und Mustererkennung, werden hier abgedeckt. |
| ■ | Praktische/Angewandte Informatik: sie betrachtet systemnahe Software, z. B. Programmiersprachen/Compiler, Datenbanken, Betriebssysteme, oder die direkt darauf aufbauenden Anwendungssysteme. |
| ■ | Theoretische Informatik: sie untersucht, z. B. welche Kategorien von Problemen prinzipiell durch Maschinen lösbar sind, wie hoch dabei die zu lösende Komplexität ist oder welche sinnvolle Formalismen es zur Darstellung bzw. Berechnung von Informationen gibt. Es ist vor allem eine Grundlagenwissenschaft. |
Mithilfe der Methoden und Verfahren der Informatik werden Lösungen gesucht, die einen Mehrwert in dem jeweiligen Anwendungsgebiet erzielen. In der Regel ergeben sich durch die automatisierte, maschinelle Informationsverarbeitung:
| ■ | Kostenvorteile |
| ■ | Geschwindigkeitsgewinne (gegenüber einer manuellen Lösung) |
| ■ | Komplexitätsreduktion (durch die Beherrschbarkeit großer Datenmengen) |
Bekannte Anwendungsgebiete sind z. B. die Wirtschaftsinformatik oder die Medizin- und Bioinformatik
Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe (EVA)
Ein weit verbreitetes Modell das zur Beschreibung von Computern dient ist das „Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe (EVA)“- Prinzip.
Das EVA-Prinzip besteht darin, dass jedes informationstechnische System eine Eingabe-, eine Verarbeitungs- und eine Ausgabekomponente benötigt. Dieser Ansatz lässt sich analog auf verschiedene Probleme anwenden.
Algorithmus, Komplexität, Entscheidbarkeit
Ein zentraler Begriff ist der Algorithmus der einen Ablauf von endlichen Lösungsschritten beschreibt, die (immer) das zugrundeliegende Problem lösen. Erst also wenn ein Algorithmus existiert, kann ein Problem durch einen Computer gelöst werden.
| ■ | Der erste Schritt zu einer maschinellen Problemlösung besteht also darin, dass das bestehende Problem modelliert wird. |
| ■ | Im zweiten Schritt wird dann nach einem Lösungsverfahren, dem Algorithmus, gesucht. |
| ■ | Anschließend wird dieser in Form von passender Soft- oder Hardware implementiert. |
Analog zu den Algorithmen können auch die Probleme selbst in bestimmte Kategorien aufgeteilt werden, z. B. in Abhängigkeit von dem theoretischen Aufwand, der sog. Komplexität, mit dem sie gelöst werden können. Insbesondere gibt es Probleme, die prinzipiell nicht von einer Maschine gelöst werden können oder nur mit einem sehr hohen Aufwand bewältigt werden können.
Daten, Dateien, Betriebssystem, Programm, Software, Hardware
Zahlen, Zeichen oder Texte werden allgemein als Daten bezeichnet.
Eine Datei ist eine Ansammlung von Daten, die auf Medien, der Festplatte oder im Hauptspeicher abgelegt werden können.
Ein Programm setzt den Algorithmus in für den Computer ausführbare Anweisungen um.
Als Software bezeichnet man die Gesamtmenge der für einen Computer verfügbaren Programme, Daten und zugehörige Dokumentation.
Typische Beispiele für Software sind Betriebssysteme, Datenbanken, Textverarbeitungen oder Tabellenkalkulationen.
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