Technische Informatik

Aufbau und Arbeitsweise von Informatiksystemen

EVA-Prinzip, Prozessor, Speicher, Betriebssystem: warum jedes Gerät vom Taschenrechner bis zum Server nach demselben Muster gebaut ist.

Benötigte Grundlagen

Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.

Einführung

Ein Fahrkartenautomat, ein Smartphone, eine Waschmaschine und ein Supercomputer haben äußerlich nichts gemeinsam. Öffnet man sie, findet man dieselben vier Bausteine in derselben Anordnung. Das ist kein Zufall und keine Bequemlichkeit der Hersteller. Es folgt aus dem, was diese Geräte tun sollen. Wenn du dieses Muster einmal erkannt hast, kannst du bei jedem digitalen Gerät sagen, welcher Teil gerade wofür zuständig ist, auch bei einem, das du noch nie gesehen hast.

Das kannst du nach diesem Kapitel

$das EVA-Prinzip erklären und an einem Alltagsgerät die drei Teile benennen.$
$die Aufgaben von Prozessor, Arbeitsspeicher und externem Speicher unterscheiden.$
$begründen, warum ein Rechner zwei verschiedene Speicherarten braucht.$
$Hardware, Betriebssystem und Anwendungssoftware voneinander abgrenzen.$
$erklären, wozu Dateien, Dateitypen und Verzeichnisse dienen.$

Woraus sich der Aufbau ergibt

\text{Eingabe} \;\longrightarrow\; \text{Verarbeitung} \;\longrightarrow\; \text{Ausgabe}

Die Verarbeitung: der Prozessor

Im Zentrum sitzt der Prozessor (CPU). Er kann erstaunlich wenig, und zwar nur sehr einfache Dinge: zwei Zahlen addieren, zwei Zahlen vergleichen, einen Wert aus dem Speicher holen, einen Wert dorthin schreiben, an eine andere Stelle im Programm springen. Warum reicht das für alles? Weil er diese wenigen Schritte sehr oft hintereinander ausführt. Ein Prozessor mit 3 Gigahertz schafft rund drei Milliarden solcher Takte pro Sekunde. Aus vielen einfachen Schritten wird dadurch komplexes Verhalten. Genau diesen Gedanken vertiefen wir im Kapitel über Algorithmen : Auch ein Kochrezept besteht nur aus einfachen Handgriffen.

Aufbau eines Rechners

Rechenwerk und Steuerwerk bilden zusammen den Prozessor : Das eine rechnet, das andere entscheidet, was als Nächstes gerechnet wird. Wichtig sind aber vor allem die Verbindungen : Alles läuft über gemeinsame Leitungen, und der Speicher hängt an denselben wie die Ein- und Ausgabe. Genau deshalb kann derselbe Rechner heute ein Textprogramm und morgen ein Spiel ausführen. Er muss dafür nicht umgebaut werden, es liegt nur etwas anderes im Speicher.

Der Befehlszyklus

Ein Programm zu starten heißt: Diese vier Schritte laufen immer wieder, milliardenfach je Sekunde. Der Prozessor holt einen Befehl aus dem Speicher, entschlüsselt ihn, führt ihn aus und schreibt das Ergebnis zurück, dann von vorn. Es gibt keinen fünften Schritt und keine Abkürzung; alles, was ein Rechner tut, entsteht aus der Wiederholung dieser Runde.

Warum es zwei Speicher gibt

Ein Rechner hat Arbeitsspeicher (RAM) und externen Speicher (Festplatte, SSD, Speicherkarte). Auf den ersten Blick wirkt das doppelt gemoppelt. Der Grund ist ein Zielkonflikt: Arbeitsspeicher Externer Speicher Zugriff sehr schnell deutlich langsamer Inhalt nach dem Ausschalten verloren bleibt erhalten Preis je Gigabyte hoch niedrig Typische Größe 8 bis 32 GB 512 GB bis mehrere TB Der Prozessor arbeitet so schnell, dass er auf einen langsamen Speicher dauernd warten müsste. Also holt man die gerade benötigten Daten in den schnellen Arbeitsspeicher. Der wiederum vergisst alles ohne Strom, also müssen die Ergebnisse zurück auf den dauerhaften Speicher. Daraus folgt eine Alltagsregel, die niemand gern lernt: Ungespeicherte Arbeit ist bei einem Stromausfall weg, weil sie nur im Arbeitsspeicher stand.

	Arbeitsspeicher	Externer Speicher
Zugriff	sehr schnell	deutlich langsamer
Inhalt nach dem Ausschalten	verloren	bleibt erhalten
Preis je Gigabyte	hoch	niedrig
Typische Größe	8 bis 32 GB	512 GB bis mehrere TB

Speicherhierarchie

Die Pyramide beantwortet die Frage, warum es nicht einen Speicher gibt: Schnell und groß zugleich ist technisch nicht bezahlbar. Lies die dritte Stufe genau, der Arbeitsspeicher ist schnell genug, um den Prozessor zu beliefern, aber leer, sobald der Strom weg ist. Darunter liegt der Festspeicher: langsamer um Größenordnungen, dafür bleibt er. Beide Zahlenspalten zeigen, dass zwischen zwei Stufen keine kleinen Unterschiede liegen, sondern Größenordnungen.

Software in zwei Schichten

Auf der Hardware, also allem, was man anfassen kann, laufen zwei sehr verschiedene Arten von Programmen. Das Betriebssystem (Windows, Linux, Android, iOS) verwaltet die Geräteteile: Es teilt den Programmen Prozessorzeit und Speicher zu, spricht mit Drucker und Tastatur, verwaltet Dateien und Benutzerkonten. Ohne es müsste jedes Programm selbst wissen, wie man mit jedem denkbaren Druckermodell redet. Die Anwendungssoftware (Textverarbeitung, Browser, Spiel) löst die Aufgabe des Benutzers. Sie bittet das Betriebssystem um alles, was Geräteteile betrifft. Der Nutzen dieser Trennung wird an einem Gedankenexperiment sichtbar: Erscheint ein neuer Drucker, bekommt das Betriebssystem einen Treiber. Alle Anwendungen können sofort darauf drucken, obwohl keine einzige von ihnen geändert wurde.

Hardware und Software

Die Balken liegen lückenlos aufeinander, und das ist die Aussage: Ein Browser spricht nie direkt mit der Festplatte. Er bittet das Betriebssystem, und das redet mit der Hardware. Deshalb läuft dasselbe Programm auf ganz verschiedenen Geräten. Es muss nur die Schicht darunter kennen, nicht die Technik ganz unten.

Dateien: Daten mit Namen

\texttt{.jpg}

EVA an einem Fahrkartenautomaten

Benenne beim Fahrkartenautomaten Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe und Speicherung.

1 $Eingabe: Touchscreen für das Fahrtziel, Münzeinwurf, Kartenleser. Alles, worüber Daten hineingelangen.$
2 $Verarbeitung: Aus Ziel und Tarifzone wird der Preis bestimmt, danach wird geprüft, ob genug Geld eingeworfen wurde, und das Rückgeld berechnet.$
3 $Ausgabe: Anzeige des Preises, gedruckte Fahrkarte, ausgeworfenes Rückgeld.$
4 $Speicherung: Die Tarifdaten müssen dauerhaft vorliegen, außerdem wird jeder Verkauf für die Abrechnung festgehalten.$
5 $Beachte, dass die Fahrkarte beides ist: Ausgabe für den Fahrgast und zugleich Eingabe für das Lesegerät des Kontrolleurs. Ausgabe und Eingabe sind Rollen, keine festen Geräteteile.$

Eingabe: Touchscreen, Münzeinwurf, Kartenleser. Verarbeitung: Preis- und Rückgeldberechnung. Ausgabe: Anzeige, Fahrkarte, Rückgeld. Speicherung: Tarife und Verkaufsdaten.

Warum das Betriebssystem dazwischensteht

Eine Schule kauft 20 neue Drucker eines anderen Herstellers. Warum müssen die Textverarbeitung, der Browser und das Tabellenprogramm dafür nicht geändert werden?

1 $Kein Anwendungsprogramm spricht den Drucker direkt an. Es sagt dem Betriebssystem: „Drucke dieses Dokument.“$
2 $Das Betriebssystem kennt die Besonderheiten des Geräts über einen Treiber und übersetzt die allgemeine Anweisung in die Sprache genau dieses Druckers.$
3 $Beim Herstellerwechsel wird nur der Treiber ausgetauscht. Die allgemeine Anweisung bleibt dieselbe, also bleiben auch die Programme unverändert.$
4 $Rechne einmal gegen: Bei 30 Programmen und 10 Druckermodellen müsste ohne diese Zwischenschicht jedes Programm jedes Modell kennen, das wären 300 Einzelfälle. Mit Treibern sind es 10.$

Weil das Betriebssystem als Vermittler zwischen Programm und Gerät steht und die Zahl der nötigen Einzelfälle von einem Produkt auf eine Summe senkt.

Typischer Fehler

„Mein Rechner hat 512 GB Arbeitsspeicher, deshalb ist er so schnell.“

Verwechselt werden hier die beiden Speicherarten. 512 GB ist typischerweise die Größe der SSD, also des dauerhaften Speichers. Der Arbeitsspeicher liegt bei üblichen Geräten bei 8 bis 32 GB, und dieser Unterschied ist kein Zufall, sondern die Folge des Preises. Die Rollen kann man am Schreibtisch unterscheiden: Der externe Speicher ist der Aktenschrank, groß und geduldig; der Arbeitsspeicher ist die Tischplatte, klein und sofort greifbar. Man arbeitet auf dem Tisch, nicht im Schrank. Und wer aufräumt, ohne wegzuräumen, verliert alles, was noch auf dem Tisch lag. Genau das passiert beim Ausschalten. Achte auf die Frageformulierung: „Wie viel passt drauf?“ zielt auf den dauerhaften Speicher, „Wie viele Programme laufen flüssig gleichzeitig?“ auf den Arbeitsspeicher.

Übung 1

leicht

Ordne zu: Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe oder Speicherung? a) Mikrofon b) Prozessor c) Lautsprecher d) SSD e) Touchscreen

Tipp anzeigen

Beim Touchscreen lohnt ein zweiter Blick.

Lösung anzeigen

a) Eingabe b) Verarbeitung c) Ausgabe d) Speicherung e) Eingabe und Ausgabe zugleich: Er zeigt an (Ausgabe) und nimmt Berührungen entgegen (Eingabe).

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

1
Das Merkmal festlegen: Wohin fließen die Daten?
$Man ordnet nicht nach dem Gerät, sondern nach der Richtung des Datenflusses . Eingabe : von der Umwelt in das System. Ausgabe : vom System in die Umwelt. Verarbeitung : Daten hinein, andere Daten heraus. Speicherung : Daten bleiben liegen, bis sie wieder gebraucht werden.$
2
a) bis d): die eindeutigen Fälle
$Das Mikrofon nimmt Schall aus der Umwelt auf: Eingabe . Der Lautsprecher gibt Schall an die Umwelt ab: Ausgabe . Der Prozessor bekommt Daten und liefert andere zurück: Verarbeitung . Die SSD hält Daten fest, auch wenn der Strom weg ist: Speicherung .$
3
e) Der Stolperfall: zwei Rollen in einem Gerät
$Der Touchscreen zeigt an, das ist Ausgabe, und nimmt zugleich Berührungen entgegen. Das ist Eingabe. Er ist beides . Die Kategorien beschreiben Aufgaben, und ein Gerät kann mehrere davon erfüllen.$
4
Gegenprobe: Speicherung ist nicht Verarbeitung
$Zur Sicherheit prüft man das Paar, das am leichtesten verwechselt wird. Arbeitsspeicher und SSD speichern beide, sie rechnen nicht. Der Prozessor verarbeitet, er behält nichts dauerhaft. Wer beides trennt, versteht später auch, warum eine größere SSD keinen zu kleinen Arbeitsspeicher ersetzt.$

Übung 2

mittel

Ein Schüler schreibt zwei Stunden an einem Aufsatz, ohne zu speichern. Dann fällt der Strom aus. a) Erkläre mit den Fachbegriffen, warum der Text weg ist. b) Was genau passiert technisch beim Klick auf „Speichern“? c) Warum bieten viele Programme ein automatisches Zwischenspeichern an, und warum ersetzt es das bewusste Speichern nicht?

Tipp anzeigen

Zu a): Wo stand der Text die ganze Zeit?

Lösung anzeigen

a) Der Text stand im Arbeitsspeicher . Dieser ist flüchtig : Er behält seinen Inhalt nur, solange Strom fließt. Ohne Strom ist der Inhalt verloren, und zwar unabhängig davon, wie lange man gearbeitet hat. b) Die Daten werden aus dem Arbeitsspeicher gelesen und über das Betriebssystem in eine Datei auf den dauerhaften Speicher geschrieben. Erst danach existiert der Text unabhängig von der Stromversorgung. c) Weil sonst genau der Fall aus a) eintritt. Das automatische Zwischenspeichern legt in kurzen Abständen eine Sicherungsdatei an, oft an einem eigenen Ort. Es ersetzt das bewusste Speichern nicht, weil zwischen zwei Sicherungen weiterhin Arbeit verloren gehen kann und weil die Sicherungsdatei nicht immer dort liegt, wo man sie erwartet.

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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

1
Erst klären: Wo liegen die Daten überhaupt?
$Beim Tippen entsteht der Text nicht auf der Festplatte, sondern im Arbeitsspeicher, denn nur dort ist er schnell genug änderbar. Jeder Tastendruck ändert eine Stelle, und das milliardenfach schneller, als es der dauerhafte Speicher zuließe.$
Zwischenergebnis
$Der Aufsatz stand ausschließlich im Arbeitsspeicher.$
$Genau deshalb zeigt der Titelbalken oft einen Punkt oder ein Sternchen, solange nicht gespeichert wurde: Die Datei auf dem Speicher und der Inhalt im Arbeitsspeicher sind verschieden.$
2
Teil a): Die Eigenschaft, auf die es ankommt
$Der Arbeitsspeicher ist flüchtig . Er hält seine Inhalte nur, solange Strom fließt. Bei einem Stromausfall verschwindet der Inhalt sofort und vollständig, es gibt keinen Rest und keine Teilrettung.$
Zwischenergebnis
$Ohne Strom ist der Inhalt des Arbeitsspeichers weg. Also ist der Aufsatz weg.$
3
Teil b): Was „Speichern“ wirklich tut
$Speichern ist ein Kopiervorgang mit Richtung: vom Arbeitsspeicher in eine Datei auf dem dauerhaften Speicher. Das Programm reicht die Daten dafür an das Betriebssystem weiter, das den Zugriff auf das Laufwerk verwaltet.$
Zwischenergebnis
$Nach dem Speichern existiert der Text zweimal: im Arbeitsspeicher und in der Datei.$
4
Teil c): Warum die Automatik nicht reicht
$Das automatische Zwischenspeichern verkleinert den möglichen Verlust auf die Zeit seit der letzten Sicherung, es beseitigt ihn nicht. Außerdem schreibt es meist in eine Sicherungsdatei, nicht in das eigentliche Dokument.$
Zwischenergebnis
$Restrisiko bleibt: die Minuten seit der letzten Sicherung, plus die Frage, ob man die Sicherungsdatei findet.$

Übung 3

schwer

Eine Schule überlegt, ob sie in neue Rechner 8 GB oder 16 GB Arbeitsspeicher einbauen lässt. a) Welche Auswirkung hat die Entscheidung im Unterrichtsalltag? b) Warum hilft eine größere SSD bei diesem Problem nicht? c) Auf einem Rechner mit zu wenig Arbeitsspeicher lagert das Betriebssystem Teile davon auf die SSD aus. Erkläre, warum das funktioniert und warum der Rechner trotzdem spürbar langsamer wird.

Tipp anzeigen

Zu c): Der ausgelagerte Bereich ist dauerhaft und groß, aber welche Eigenschaft fehlt ihm?

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a) Der Arbeitsspeicher begrenzt, wie viele Programme und wie große Dateien gleichzeitig offen sein können. Mit 8 GB stockt es, wenn Browser mit vielen Tabs, Bildbearbeitung und Videokonferenz zusammen laufen; mit 16 GB bleibt das flüssig. b) Die SSD ist der dauerhafte Speicher. Sie bestimmt, wie viel insgesamt abgelegt werden kann, nicht, wie viel gleichzeitig in Arbeit sein kann. Ein größerer Aktenschrank macht den Schreibtisch nicht größer. c) Es funktioniert, weil das Betriebssystem selten benutzte Bereiche des Arbeitsspeichers in eine Datei auf der SSD schreibt und den freigewordenen Platz neu vergibt. Wird ein ausgelagerter Bereich wieder gebraucht, muss er zurückgeholt werden. Genau dabei entsteht die Verzögerung: Der Zugriff auf die SSD dauert ein Vielfaches des Zugriffs auf den Arbeitsspeicher. Die Größe ist also ersetzbar, die Geschwindigkeit nicht.

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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

1
a) Was der Arbeitsspeicher begrenzt: das Gleichzeitige
$Der Arbeitsspeicher legt fest, wie viele Programme und wie große Dateien gleichzeitig offen sein können. Mit 8 GB stockt es, sobald Browser mit vielen Tabs, Bildbearbeitung und Videokonferenz zusammenlaufen; mit 16 GB bleibt das flüssig.$
2
b) Warum Größe die Geschwindigkeit nicht ersetzt
$Die SSD ist der dauerhafte Speicher. Sie bestimmt, wie viel insgesamt abgelegt werden kann, nicht, wie viel gleichzeitig in Arbeit sein kann. Ein größerer Aktenschrank macht den Schreibtisch nicht größer.$
3
c) Auslagern: warum es geht und warum es bremst
$Es geht, weil das Betriebssystem selten benutzte Bereiche des Arbeitsspeichers in eine Datei auf der SSD schreibt und den frei gewordenen Platz neu vergibt. Es bremst, weil ein ausgelagerter Bereich zurückgeholt werden muss, sobald er wieder gebraucht wird und der Zugriff auf die SSD dauert ein Vielfaches des Zugriffs auf den Arbeitsspeicher.$

Zusammenfassung

Jedes Informatiksystem folgt dem EVA-Prinzip: Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe, meist ergänzt um Speicherung. Der Prozessor beherrscht nur wenige einfache Schritte, führt sie aber milliardenfach je Sekunde aus. Zwei Speicherarten sind nötig, weil sich Geschwindigkeit, Dauerhaftigkeit und Preis nicht in einem Bauteil vereinen lassen: Der Arbeitsspeicher ist schnell und flüchtig, der externe Speicher dauerhaft und langsamer. Die Software teilt sich in das Betriebssystem, das die Geräteteile verwaltet, und die Anwendungen, die die Aufgabe des Benutzers lösen; diese Trennung spart bei jedem neuen Gerät Arbeit. Dateien geben Bitmustern einen Namen, und die Dateiendung nennt die Vereinbarung, nach der sie zu lesen sind.