planung:lab3hardware [DokuWiki CSC]

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====== Computerarchitektur ======
Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe

===== Was ist eigentlich Hardware? =====
**Hardware** ist der physische Teil des Computers, somit alles, was wirklich "greifbar" ist, beispielsweise: Gehäuse, Prozessor, Festplatte, Laufwerk, Bildschirm, Drucker, Tastatur, ... und vieles mehr.\\

Keine Hardware: 
**Software** ist im Gegensatz dazu der nicht-materielle Teil des Computers, beispielsweise das Betriebssystem, ein Programm wie Word, Chrome oder Acrobatreader und alle anderen Programme, Dateien (Text, Bild, Ton). 
Software wird mit Tastatur (Hardware) und über den Monitor (falls taktil, Hardware) oder via Maus oder Trackpad installiert und bedient, heisst "gesteuert".\\  

Die Hardware eines Computers kann grob eingeteilt werden in:
  * **innere Bestandteile** wie Motherboard, Prozessor oder Arbeitsspeicher (was man zusammen manchmal auch als Zentraleinheit bezeichnet),
  * in **externe Speicher** wie Festplatten (HDD oder SSD),
  * in **Peripheriegeräte**, diese sind Geräte, die man von "aussen" an den Computer anschliessen kann und die dazu dienen, den Computer bedienen zu können.\\ 
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{{:wiki:a_grundlagen_k07_t01_b01_einteilung_hardware_mindmap.png?nolink&800|Einteilung Hardware}}
<caption>** Einteilung Hardware **: G.Schaller, 2019 </caption>
</figure>

===== Peripherie - Eingabe und Ausgabe =====
Auch Peripheriegeräte zählen zu Computerhardware, sie sind aber nicht innere Bestandteile, wie Prozessor und Arbeitsspeicher. Peripherie bedeutet "ausserhalb", entsprechend gelten alle Komponenten, die man von aussen mit dem Computer verbinden kann zu Peripheriegeräten. 

Erinnerung: 
Im Groben unterteilt man Peripheriegeräte in Eingabe- und Ausgabegeräte (siehe folgende Abbildung).\\
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{{:wiki:a_grundlagen_k07_t01_b02_einteilung_peripheriegeraete.jpg?nolink&800|Einteilung der Peripherie}}
<caption>** Einteilung Peripherie**: G.Schaller, 2019 </caption>
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**Eingabegeräte** sind Komponenten, die dazu dienen, dem Computer Informationen aus der realen Welt zur Verfügung zu stellen. Mit Eingabegeräten können wir den Computer steuern und bedienen. Zum Beispiel Maus, Tastatur, Touchscreen, Scanner und Mikrofon gehören zu den Eingabegeräten.\\ 

**Ausgabegeräte** sind hingegen alle Geräte, die genau das Gegenteil machen. Sie helfen dem Computer, digitale Informationen für die reale Welt, also für uns Computernutzer auszugeben. Zum Beispiel ein Monitor (Bildschirm) erlaubt es, Informationen vom Computer für uns sichtbar zu machen. Ein anderes Beispiel wären Drucker, Lautsprecher, Beamer u.s.w.\\ 
==== Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe (EVA) ====
 Das EVA-Prinzip beschreibt ein Grundprinzip der Datenverarbeitung. Laut diesem geschieht Datenverarbeitung immer auf Basis einer **Eingabe** eines Menschen, der **Verarbeitung** der eingegebenen Informationen durch den Computer und anschliessend die **Ausgabe** des Ergebnisses der Verarbeitung über ein Ausgabegerät. Nach diesem Prinzip funktionieren eigentlich alle Computertypen (Desktop, Laptop, Tablet und Smartphone).\\ \\ 
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**Aufgabe 22) Peripherie und EVA**\\
Lösen Sie das die folgende interaktive Übung!
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{{url>https://learningapps.org/view2592924}}

===== Computerschnittstellen =====
Damit Computer und Peripheriegeräte miteinander kommunizieren können, brauchen diese eine bestimmte Schnittstelle (Interface).\\
Mit der Zeit haben sich ganz viele verschiedene Schnittstellen entwickelt. Zu den bekanntesten gehören wohl USB, VGA, HDMI und sogar Bluetooth (eine Kabellose Schnittstelle). 


===== Die Zentraleinheit, das Innenleben des Computers =====
Die Hauptbestandteile eines Computers gehören alle zur sogenannten Zentraleinheit. Es handelt sich hierbei um einen Prozessor, den Arbeitsspeicher und das Motherboard.\\ 
==== Prozessor (CPU) ====
Der Prozessor ist eigentlich das Gehirn des Computers. Er führt alle Berechnungen aus, koordiniert das Betriebssystem und nimmt Befehle entgegen. Die Geschwindigkeit des Prozessors gibt man in Hertz an. 1 Hertz entspricht einer einfachen Rechenoperation pro Sekunde. Je schneller der Prozessor eines Computers, desto schneller funktioniert der Computer. Moderne Rechner besitzen Prozessoren mit Leistungen zwischen 2 und 3 GHz (Gigahertz), was einigen Milliarden Operationen pro Sekunde entspricht.\\ 
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{{:wiki:a_grundlagen_k08_t02_b01_prozessor_cpu.jpg?nolink&400|Prozessor}}
<caption>** Prozessor, CPU **: Foto von G.Schaller, 2019 </caption>
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==== Arbeitsspeicher (RAM, Hauptspeicher) ====
Jeder Computer braucht einen Arbeitsspeicher. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten flüchtigen Speicher. Dabei werden die Daten nicht langfristig gespeichert, sondern nur solange, wie der Prozessor die diese braucht. Wenn wir zum Beispiel ein bestimmtes Programm öffnen, dann wandern alle Informationen, die der Prozessor zum Ausführen dieses Programmes braucht in den Arbeitsspeicher. Bei einem flüchtigen Speicher sind die Daten nur solange gespeichert, wie dieser mit dem Strom verbunden ist. Wenn ein Computer abgeschaltet wird oder abstürzt, dann wird der Arbeitsspeicher immer geflutet (er verliert also alle Daten). Weil man auf dem Arbeitsspeicher Daten nicht langfristig speichern kann, braucht ein Computer eine Festplatte, wo man die Daten abspeichern kann. Wenn wir beispielsweise in Word ein neues Textdokument erstellen, dann befindet sich dieses nur im Arbeitsspeicher. Wenn wir dieses Dokument nun abspeichern, wird es zusätzlich auf einer Festplatte "langfristig" gespeichert. Wenn der Computer zum Beispiel abstürzt, und wir das Dokument nicht vorher abgespeichert haben, geht dieses dann häufig verloren.\\ 
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{{:wiki:a_grundlagen_k08_t02_b02_arbeitsspeicher_ram.jpg?nolink&400|Arbeitsspeicher}}
<caption>** Arbeitsspeicher, RAM **: Foto von G.Schaller, 2019 </caption>
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==== Motherboard (Mainboard, Hauptplatine) ====
Prozessor und Arbeitsspeicher liegen beide auf dem Motherboard, welches die beiden Teile miteinander verbindet.\\ 
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{{:wiki:a_grundlagen_k08_t02_b03_motherboard.jpg?nolink&400|Motherboard}}
<caption>** Motherboard, Mainboard, Hauptplatine **: Foto von G.Schaller, 2019 </caption>
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===== Externe Speicher - das Langzeitgedächtnis des Computers =====
Da der Arbeistsspeicher wie schon erwähn ein flüchtiger Speicher ist, also Daten nicht langfristig speichern kann, braucht ein Computer zusätzliche "externe Speicher", die diese Funktion übernehmen. Diese befinden sich zum Zeil auch im Gehäuse des Computers. Der Begriff "extern" kommt daher, dass man diese Speicher nicht als Teil der Zentraleinheit ansieht.\\ 
Bei den Speichern haben sich mit der Zeit verschiedene Technologien entwickelt, die genutzt werden können, um Daten langfristig abzuspeichern. Es gibt zum Beispiel **magnetische Speicher** (wie herkömmliche Festplatten / HDDs), bei der eine Metallscheibe mit Hilfe eines Lesekopfes magnetisch (sozusagen mit Plus- und und Minuspolen) beschrieben und gelesen werden kann. Ähnlich ist es bei **Optischen Speichern** wie CDs oder DVDs, wo eine Scheibe (die Disc) jedoch mit einem Laser (also mit Licht) beschrieben und gelesen werden kann. Seit kurzer Zeit gibt es auch **elektronische Speicher**, die hier eingesetzt werden können. Beispiele hierfür sind SSDs, die als elektronisches Pendant zur HDD-Festplatte gesehen werden kann, oder USB-Sticks und Speicherkarten.     

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**Aufgabe 23) Hardware - Zentraleinheit und Peripherie**\\
Lösen Sie das die folgende interaktive Übung!
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{{url>https://learningapps.org/watch?v=p8ghvi22v16}}

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**Aufgabe 24) PC-Beschrieb studieren**\\
Lösen Sie diese Aufgabe direkt in OneNote!
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**Freiwillige Zusatz-Aufgabe 25) Zusammenspiel von Hardware - Auftrag zu dritt!**\\
Sie arbeiten in Dreiergruppen! Die erste Person spielt dabei das Computerprogramm in der CPU, die zweite Person spielt die ALU und den  Speicher und die dritte Person spielt den Bildschirm. 
  - Teilen Sie sich entsprechend auf!
  - Laden Sie das für Ihre Position bestimmte Dokument herunter und folgen Sie den Anweisungen im Dokument!
{{ :wiki:programm_in_der_cpu.docx |Computerprogramm}} 
{{ :wiki:alu_speicher.docx |ALU / Speicher}} 
{{ :wiki:bildschirm.docx |Monitor (Bildschirm)}}
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====== Software ======
===== Was ist eigentlich Software =====
Software ist ein Sammelbegriff, der alle Programme und Dateien in einem Computersystem zusammenfasst. Alle Informationen gehören also zu Software. In der allgemeinen Sprache wird Software häufig als Synonym für den Begriff Programme verwendet. Im eigentlichen Sinne gehören aber alle Arten von digitalen Informationen, also auch Daten, Dateien, u.s.w. zur Software. \\
Im Gegensatz zur Software beschreibt der Begriff Hardware alle physischen Teile eines Computers. Das sind sowohl die Bestandteile, als auch die Peripheriegeräte, welche von aussen mit dem Computer verbunden werden können. Hardware beschreibt also alle "anfassbaren", also materiellen Teile während Software immer immateriell ist. 
===== Grober Aufbau eines Computersystems =====
Ein Computer besteht aus verschiedenen Bestandteilen, wie Motherboard, Prozessor, Arbeitsspeicher und noch vielem mehr. \\
In jedem modernen Computer befindet sich ausserdem ein Speicherchip, den wir CMOS nennen. Im CMOS ist das sogenannte BIOS abgespeichert. Das BIOS ist die "Firmware" des Computerherstellers und zählt damit zur Software. Über das BIOS ist es dann möglich, auf dem Computer ein Betriebssystem zu installieren. Betriebssysteme ermöglichen dem Benützer, den Computer erst richtig zu verwenden. Es ist für das Dateisystem, und die Installation weiterer Programme verantwortlich. Zu den bekanntesten Betriebssystemen gehören Windows, Mac OS X, Linux, aber auch Android oder iOS für Smartphones. \\
Studieren Sie dazu die folgende systematische Abbildung:
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{{:wiki:a_grundlagen_k04_t01_b02_zusammenspielsoftwarehardware.png?nolink&600|}}
<caption>** Software und Haredware **: G.Schaller, 2017 </caption>
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===== Betriebssysteme (Operating Systems, kurz OS)=====
Für den ordnungsgemässen Betrieb eines Computers ist das Betriebssystem verantwortlich. Zu seinen Aufgaben gehören die Benutzerkommunikation (durch Ein- und Ausgabegeräte), das Laden, Ausführen und Beenden von Programmen, die  Verwaltung und Zuteilung der Prozessorzeit (auf die verschiedenen Programme), die Verwaltung des internen Speicherplatzes für Anwendungen und die Verwaltung und Betrieb der angeschlossenen Geräte. 

===== Einteilung von Programmen =====
Programme können im Wesentlichen auf verschiedene Arten eingeteilt werden. Im folgenden werden sie in Betriebssysteme, Hilfsprogramme und Anwenderprogramme eingeteilt. 
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{{:wiki:a_grundlagen_k06_t01_b01_a_grundlagen_k04_t01_b01_einteilung.png?nolink&600|}}
<caption>** Einteilung von Software **: G.Schaller, 2017 </caption>
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**Aufgabe 26) Einteilung von Software in Betriebssysteme und Anwendersoftware**\\
Lösen Sie das folgende Quiz!\\
Falls die Anzeige hier nicht richtig funktioniert, dann besuchen Sie mit dem Browser Chrome den folgenden Link:\\ https://learningapps.org/watch?v=pc3hnz2ja16
{{url>https://learningapps.org/watch?v=pc3hnz2ja16}}
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===== Wie entstehen Programme? =====
Programme werden Programmierer erstellt. Dabei wird eine bestimmte Programmiersprache zum Erstellen eines bestimmten Programmes eingesetzt. Heutzutage gibt es eine Vielzahl verschiedener Programmiersprachen. Welche davon zum Programmieren benutzt wird, wird vom Programmierer entschieden. Die Wahl der Sprache hängt hierbei in der Regel auch vom Zweck des zu erstellenden Programmes ab. Studieren Sie die folgende Abbildung!\\
Hierbei hat ein Programmierer ein kleines Programm in der Programmiersprache C geschrieben. Dieses ist in einer von Menschen lesbaren Sprache vorhanden (oberer Teil). Damit der Computer die im Programm eingegebenen Befehle aber ausführen kann, muss das Programm zuerst in eine Sprache übersetzt werden, die der Computer versteht. Diese Sprache nennen wir Maschinencode. Den Übersetzungsvorgang eines **Quellcodes** (des ursprüngliche Code in einer menschen-lesbaren Form) in die **Maschinencode** nennen wir **kompilieren**. 
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{{:wiki:a_grundlagen_k06_t01_b01_a_grundlagen_k04_t01_b03_programmieren.png?nolink&400|}}
<caption>** Wie entstehen Programme **: G.Schaller, 2018 </caption>
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Durch das Kompilieren entsteht also ein Code, den der Prozessor ausführen kann, also das eigentliche Programm. \\
Bei kompilierten Programmiersprachen, wie zum Beispiel C wird diese Übersetzungsvorgang für den ganzen Code gemacht, bevor das Programm ausgeführt wird.\\
Es gibt aber auch sogenannte "Interpreter-Programmiersprachen", wie zum Beispiel Python, bei denen das Programm erst während des Ausführens Stück für Stück in Maschinencode übersetzt wird. 

===== Lizenzformern =====
Das Software eigentlich nur aus Informationen besteht, kann sie - im Gegensatz zu materiellen Gütern - sehr einfach kopiert und weitergegeben werden. Entsprechend war es notwendig, entsprechende Lizenzformen für diese "immateriellen" Güter zu erstellen. \\
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{{:wiki:a_grundlagen_k06_t01_b01_a_grundlagen_k04_t01_b03_einteilung_lizenzformen.png?nolink&600|}}
<caption>** Softwarelizenzen **: G.Schaller, 2017 </caption>
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Aus informatischer Sicht ist Opensource-Software sehr spannend. Es handelt sich hierbei um Software, bei der der Quellcode offengelegt wurde. Das ermöglicht es einem Benützer, den Quellcode lesen und somit genau kontrollieren zu können. Wenn der Quellcode nicht offen ist, muss man als Benutzer dem Hersteller blind vertrauen, und hoffen, dass die Software wirklich genau das tut, was von diesem spezifiziert wurde.\\
Ein weiterer riesiger Vorteil ist der, dass man Opensource-Software erweitern und so den eigenen Bedürfnissen anpassen kann. Das wäre bei "Closedsource-Software", also bei Software ohne Offenlegung des Quellcodes undenkbar.  

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**Aufgabe 27) Recherche**\\
Lösen Sie diese Aufgabe direkt in OneNote! 
Suchen Sie für jede der vorgegebenen Softwarekategorien mindestens 1 Open Source und 1 Closed Source Beispielprogramm. Nennen Sie anschliessend 2 Vorteile von Open Source Software!\\
Falls OneNote nicht funktioniert, können Sie auch mit 
{{ :wiki:a_grundlagen_der_informatik_aufgabe_22.docx |diesem Dokument}} arbeiten.
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===== Lernziele =====
  * Ich kann den Begriff Hardware erklären und von Software unterscheiden
  * Ich kann die Begriffe Zentraleinheit und Peripherie (Peripheriegeräte) kurz erläutern
  * Ich kann Peripheriegeräte in Ein- und in Ausgabegeräte einteilen und je Beispiele nennen
  * Ich kenne die wichtigsten Bestandteile eines Computers nennen und kurz erklären
    * Prozessor/CPU
    * RAM/Arbeitsspeicher/Hauptspeicher
    * Motherboard/Mainboard/Hauptplatine
    * Festplatte (HDD und SSD)
  * Ich kann die wichtigsten Informationen aus einem üblichen Computerkatalog herauslesen (siehe Aufgabe 24)
  * Ich kann den Begriff Software in meinen eigenen Worten erklären und konkrete Beispiele nennen
  * Ich kann den Zusammenhang von Software und Hardware anhand des vorgestellten Modells (Siehe Abbildung Software und Hardware) und folgender Begriffe grob erklären:
    * Hardware, CMOS, BIOS, Betriebssystem, Anwendersoftware
  * Ich kann erklären, was ein Betriebssystem ist, worin seine Aufgaben liegen und kann Beispiele nennen 
  * Ich kann anhand der folgenden Begriffe erklären, wie bei kompilierten und interpretierten Programmiersprachen ein Programm entsteht
    * Quellcode (Source Code), Maschinencode, Kompilieren 
  * Ich kann die Software-Lizenzform Opensource erklären, 2 Vorteile gegenüber Closedsource nennen und anhand eines Beispieles verdeutlichen (zum Beispiel Signal und Whatsapp)