Ein Digitalcomputer dient der Verarbeitung von Daten in numerischer Form (siehe Digitalschaltung); seine Schaltungen führen direkt die mathematischen Operationen Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division aus. Die Zahlen, mit denen ein Digitalrechner arbeitet, werden im Binärsystem ausgedrückt; binäre Ziffern oder Bits sind 0 und 1, so dass 0, 1, 10, 11, 100, 101 usw. den Zahlen 0, 1, 2, 3, 4, 5 usw. entsprechen. Binäre Ziffern lassen sich in Computerschaltungen leicht durch das Vorhandensein (1) oder Fehlen (0) eines Stroms oder einer Spannung ausdrücken. Eine Reihe von acht aufeinanderfolgenden Bits wird als Byte bezeichnet; das Acht-Bit-Byte ermöglicht 256 verschiedene Ein-Aus-Kombinationen. Jedes Byte kann somit eines von bis zu 256 alphanumerischen Zeichen darstellen, und eine solche Anordnung wird als Einzelbyte-Zeichensatz (SBCS) bezeichnet; der De-facto-Standard für diese Darstellung ist der erweiterte ASCII-Zeichensatz. Einige Sprachen, wie z. B. Japanisch, Chinesisch und Koreanisch, benötigen mehr als 256 eindeutige Symbole. Die Verwendung von zwei Bytes oder 16 Bits für jedes Symbol ermöglicht jedoch die Darstellung von bis zu 65.536 Zeichen oder Ideogrammen. Eine solche Anordnung wird als Doppelbyte-Zeichensatz (DBCS) bezeichnet; Unicode ist der internationale Standard für einen solchen Zeichensatz. Ein oder mehrere Bytes, je nach Architektur des Computers, werden manchmal als digitales Wort bezeichnet; es kann nicht nur den Betrag der betreffenden Zahl angeben, sondern auch ihr Vorzeichen (positiv oder negativ), und es kann auch redundante Bits enthalten, die die automatische Erkennung und in einigen Fällen die Korrektur bestimmter Fehler ermöglichen (siehe Code; Informationstheorie). Ein Digitalcomputer kann die Ergebnisse seiner Berechnungen für eine spätere Verwendung speichern, er kann die Ergebnisse mit anderen Daten vergleichen und auf der Grundlage dieser Vergleiche die Reihe der von ihm durchgeführten Operationen ändern. Digitalcomputer werden heute für eine Vielzahl von persönlichen, geschäftlichen, wissenschaftlichen und staatlichen Zwecken eingesetzt, von elektronischen Spielen, E-Mail, sozialen Netzwerken und Daten- und Textverarbeitungsanwendungen bis hin zu Desktop-Publishing, Videokonferenzen, Wettervorhersagen, simulierten Kernwaffentests, Kryptografie und vielen anderen Zwecken.
Die Operationen eines Digitalcomputers werden von Logikschaltungen ausgeführt, d. h. von digitalen Schaltkreisen, deren einziger Ausgang von den Bedingungen der Eingänge, in der Regel zwei oder mehr, bestimmt wird. Die verschiedenen Schaltkreise, die die Daten im Inneren des Computers verarbeiten, müssen hochgradig synchronisiert arbeiten; dies wird erreicht, indem sie mit einem sehr stabilen Oszillator gesteuert werden, der als Taktgeber des Computers dient. Typische Taktraten von Personalcomputern reichen heute von mehreren hundert Millionen Zyklen pro Sekunde bis zu mehreren Milliarden. Bei diesen Geschwindigkeiten sind digitale Computerschaltungen in der Lage, Hunderte von Milliarden arithmetischer oder logischer Operationen pro Sekunde auszuführen, aber Supercomputer sind in der Lage, mehr als eine Million Mal schneller zu arbeiten; solche Geschwindigkeiten ermöglichen die schnelle Lösung von Problemen, die ein Mensch unmöglich von Hand lösen könnte. Neben den arithmetischen und logischen Schaltkreisen und einer Reihe von Registern (Speicherplätze, auf die schneller als auf den Hauptspeicher zugegriffen werden kann und die für die Zwischenergebnisse von Berechnungen verwendet werden) enthält das Herzstück des Computers, die Zentraleinheit (CPU), die Schaltkreise, die die Daten entschlüsseln.Das Herzstück des Computers, die Zentraleinheit (CPU), enthält die Schaltkreise, die die Anweisungen oder das Programm dekodieren und die Ausführung veranlassen.
Der CPU ist der Hauptspeicher zugeordnet, in dem Ergebnisse oder andere Daten für Zeiträume von Sekundenbruchteilen bis zu Tagen oder Wochen gespeichert werden, bevor sie zur weiteren Verarbeitung abgerufen werden. Früher bestand der Hauptspeicher aus Vakuumröhren und später aus kleinen ringförmigen ferromagnetischen Kernen, die auf einer Drahtmatrix aufgereiht waren, heute besteht er aus integrierten Schaltkreisen, von denen jeder Milliarden von Halbleiterbauelementen enthalten kann. Während jede Vakuumröhre oder jeder Kern ein Bit darstellte und der Gesamtspeicher des Computers in Tausenden von Bytes (oder Kilobytes, KB) gemessen wurde, stellen moderne Computer-Speicherchips Hunderte von Millionen von Bytes (oder Megabytes, MB) dar, und der Gesamtspeicher von Personal- und Großrechnern wird in Milliarden von Bytes (Gigabytes, GB) oder mehr gemessen. Festwertspeicher (ROM), der nicht beschrieben werden kann, behält seinen Inhalt jederzeit bei und wird zum Speichern der Steuerinformationen des Computers verwendet. Der Direktzugriffsspeicher (RAM), der sowohl gelesen als auch beschrieben werden kann, geht bei jedem Ausschalten des Computers verloren. Moderne Computer verfügen heute über einen Cache-Speicher, auf den die CPU schneller als auf RAM, aber langsamer als auf die Register zugreifen kann; die Daten im Cache-Speicher gehen ebenfalls verloren, wenn der Computer ausgeschaltet wird.
Programme und Daten, die gerade nicht im Hauptspeicher verwendet werden, können auf einem Hilfs- oder Sekundärspeicher gespeichert werden. Während früher Lochstreifen und Lochkarten diesen Zweck erfüllten, werden heute hauptsächlich Magnetbänder und -platten sowie Flash-Speicher verwendet, die alle gelesen und beschrieben werden können, sowie zwei Arten von optischen Platten, die Compact Disc (CD) und ihr Nachfolger, die Digital Versatile Disc (DVD). Im Vergleich zum Arbeitsspeicher sind diese kostengünstiger (obwohl der Flash-Speicher teurer ist als die beiden anderen), sie sind nicht flüchtig (d. h. die Daten gehen nicht verloren, wenn die Stromversorgung des Computers unterbrochen wird) und sie bieten eine bequeme Möglichkeit, Daten von einem Computer auf einen anderen zu übertragen. So können Betriebsanweisungen oder Daten, die von einem Computer ausgegeben werden, gespeichert und später entweder von demselben oder einem anderen Computer verwendet werden.
In einem System, das Magnetbänder verwendet, werden die Informationen von einem speziell konstruierten Tonbandgerät gespeichert, das einem für die Tonaufzeichnung verwendeten Gerät ähnelt. Magnetbänder werden heute hauptsächlich für die externe Speicherung großer Datenmengen oder für die Sicherung wichtiger Systeme verwendet. Bei magnetischen und optischen Plattensystemen ist das Prinzip dasselbe; das magnetische oder optische Medium liegt in einer Spur auf der Oberfläche der Platte. Das Laufwerk enthält auch einen Motor zum Drehen der Platte und einen oder mehrere magnetische oder optische Köpfe zum Lesen und Schreiben der Daten auf der Platte. Es gibt verschiedene Formen von Laufwerken, wobei der wichtigste Unterschied darin besteht, ob die Platte aus der Laufwerkseinheit herausgenommen werden kann. Flash-Speichergeräte wie USB-Flash-Laufwerke, Flash-Speicherkarten und Solid-State-Laufwerke verwenden einen nichtflüchtigen Speicher, der in Blöcken gelöscht und neu programmiert werden kann.
Auswechselbare Magnetdisketten aus Mylar in einem Kunststoffhalter (ältere Versionen hatten Papierhalter) sind heute weitgehend überholt. Diese Disketten haben unterschiedliche Kapazitäten, wobei sehr dichte Disketten 250 MB fassen ? mehr als genug, um ein Dutzend Bücher in der Größe von Tolstois Anna Karenina zu speichern. Interne und externe magnetische Festplatten oder Festplattenlaufwerke bestehen aus Metall und sind in voneinander getrennten Schichten angeordnet. Sie können wesentlich mehr Daten speichern als Disketten oder optische Festplatten und sie können Daten viel schneller lesen und schreiben als Disketten. Als die Preise für Festplatten sanken, wurden sie zunehmend als Bestandteil von Personalcomputern eingesetzt und lösten die Disketten als Standardmedium für die Speicherung von Betriebssystemen, Programmen und Daten ab.
Kompakte Disketten können Hunderte von Megabyte speichern und wurden zum Beispiel verwendet, um die Informationen einer ganzen mehrbändigen Enzyklopädie oder eines Nachschlagewerks zu speichern. Die DVD ist eine verbesserte optische Speichertechnologie, die bis zu zehnmal mehr Daten speichern kann als die CD-Technologie. CD?Read-Only-Memory (CD-ROM) und DVD?Read-Only-Memory (DVD-ROM) können nur gelesen werden ? die Scheiben sind werkseitig mit Daten versehen, können aber nach dem Beschreiben nicht mehr gelöscht und mit neuen Daten überschrieben werden. In der zweiten Hälfte der 1990er Jahre wurden neue optische Speichertechnologien eingeführt: CD-Recordable (CD-R) und DVD-Recordable (DVD-R, DVD+R), optische Platten, die vom Computer beschrieben werden können, um eine CD-ROM oder DVD-ROM zu erstellen, aber nur einmal beschrieben werden können; und CD-ReWritable (CD-RW), DVD-ReWritable (DVD-RW und DVD+RW) und DVD?Random Access Memory (DVD-RAM), die mehrfach beschrieben werden können.
Flash-Speichergeräte, eine noch jüngere Entwicklung, sind ein Auswuchs des elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeichers. Flash-Speicher sind zwar teurer als magnetische und optische Speichertechnologien, können aber viel schneller gelesen und beschrieben werden, was kürzere Boot-Zeiten und einen schnelleren Datenzugriff und -speicherung ermöglicht. Da Flash-Speicher auch gegen mechanische Stöße resistent ist und immer kompakter wird, ermöglicht ein USB-Flash-Laufwerk die einfache, tragbare externe Speicherung großer Datenmengen. Solid-State-Laufwerke sind leichter zugänglich und beschreibbar als magnetische Festplatten und verbrauchen weniger Strom, so dass sie inzwischen häufig in hochwertigen, leichten Notebooks und Hochleistungscomputern eingesetzt werden. Flash-Speicher werden auch in Computer-Tablets und Smartphones verwendet. Hybride Laufwerke, die eine kleinere Menge Flash-Speicher mit einer großen magnetischen Festplatte kombinieren, ermöglichen die wirtschaftliche Speicherung großer Datenmengen und profitieren gleichzeitig von einem schnelleren Zugriff auf häufig genutzte, aber nur gelegentlich geänderte Betriebssystem- und Programmdateien.
Daten werden in den Computer eingegeben und die verarbeiteten Daten über Ein-/Ausgabegeräte, auch Peripheriegeräte genannt, zur Verfügung gestellt. Als Ein-/Ausgabegeräte werden alle Hilfsspeichergeräte verwendet. Das gängigste Ein-/Ausgabemedium war viele Jahre lang die Lochkarte. Die gebräuchlichsten Eingabegeräte sind das Computerterminal und interne magnetische Festplatten, und die gebräuchlichsten Ausgabegeräte sind der mit einem Terminal verbundene Computerbildschirm (der in der Regel Ausgaben anzeigt, die von einer Grafikverarbeitungseinheit verarbeitet wurden) und der Drucker. Menschen können über Computerterminals direkt mit dem Computer kommunizieren, indem sie Anweisungen und Daten über Tastaturen ähnlich denen von Schreibmaschinen eingeben, ein Zeigegerät wie eine Maus, einen Trackball oder ein Touchpad verwenden oder in ein Mikrofon sprechen, das an einen Computer mit Spracherkennungssoftware angeschlossen ist. Das Ergebnis der Eingabe kann auf einem Flüssigkristall-, Leuchtdioden- oder Kathodenstrahlröhrenbildschirm oder auf einem Drucker angezeigt werden. Ein weiteres wichtiges Eingabe-/Ausgabegerät in modernen Computern ist die Netzwerkkarte, die es dem Computer ermöglicht, über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung eine Verbindung zu einem Computernetzwerk und dem Internet herzustellen. Die CPU, der Hauptspeicher, der Zusatzspeicher und die Eingabe-/Ausgabegeräte bilden zusammen ein Computersystem.
Im Allgemeinen sind die langsamsten Operationen, die ein Computer ausführen muss, die der Datenübertragung, insbesondere wenn Daten von einem Menschen empfangen oder an einen Menschen geliefert werden. Der Zentralprozessor des Computers ist während eines Großteils dieser Zeit im Leerlauf, und daher werden zwei ähnliche Techniken eingesetzt, um seine Leistung besser zu nutzen.
Das Time-Sharing, das bei großen Computern eingesetzt wird, ermöglicht es mehreren Benutzern an verschiedenen Terminals, einen einzigen Computer zur gleichen Zeit zu benutzen. Der Computer führt einen Teil einer Aufgabe für einen Benutzer aus, unterbricht dann diese Aufgabe, um einen Teil einer anderen Aufgabe für einen anderen Benutzer auszuführen, und so weiter. Jeder Benutzer nutzt den Computer nur für einen Bruchteil der Zeit, aber der Aufgabenwechsel erfolgt so schnell, dass die meisten Benutzer ihn nicht bemerken. Die meisten der zig Millionen Computer in der Welt sind eigenständige Geräte für einen Benutzer, die auch als Personal Computer oder Workstations bezeichnet werden. Für sie bedeutet Multitasking die gleiche Art von Umschaltung, allerdings für einen einzelnen Benutzer. So kann ein Benutzer beispielsweise eine Datei ausdrucken und eine andere auf eine Internet-Website hochladen, während er eine dritte in einer Textverarbeitungssession bearbeitet und sich eine über das Internet gestreamte Aufnahme anhört. Personalcomputer können auch in einem Netzwerk verbunden werden, in dem jeder Computer mit den anderen verbunden ist, in der Regel über Netzwerk-, Koaxial- oder Glasfaserkabel oder über Funksignale (drahtlos), so dass alle Ressourcen wie Drucker, Festplattenspeicher und eine Internetverbindung gemeinsam nutzen können. Cloud Computing ist eine weitere Form der gemeinsamen Nutzung von Ressourcen. Durch den Zugriff auf Hardware und Software über ein Netzwerk, meist das Internet, soll Cloud Computing vielen Einzelpersonen und Organisationen, die eine Vielzahl von Geräten verwenden, sowohl einen einfachen Zugang zu Computerressourcen als auch Flexibilität bei der Änderung der Art und des Umfangs der Ressourcen, auf die sie Zugriff haben, ermöglichen.
Bevor ein Computer für einen bestimmten Zweck verwendet werden kann, muss er zunächst programmiert werden, d. h. er muss durch das Laden einer Reihe von Anweisungen oder eines Programms für den Gebrauch vorbereitet werden. Die verschiedenen Programme, mit denen ein Computer bestimmte Aspekte seines Betriebs steuert, z. B. die Umwandlung von Daten aus einer Form in eine andere, werden als Software bezeichnet, im Gegensatz zur Hardware, d. h. der physischen Ausrüstung der Anlage. Bei den meisten Computern erfolgt die Steuerung der Maschine von einem speziellen Softwareprogramm, das als Betriebssystem oder Supervisor bezeichnet wird. Andere Formen von Software sind Assembler und Compiler für Programmiersprachen und Anwendungen für den geschäftlichen und privaten Gebrauch (siehe Computerprogramm). Software ist von großer Bedeutung; die Nützlichkeit einer hochentwickelten Hardware kann durch das Fehlen geeigneter Software eingeschränkt werden.
Jede Anweisung im Programm kann ein einfacher Einzelschritt sein, der den Computer anweist, eine arithmetische Operation auszuführen, Daten von einer bestimmten Stelle im Speicher zu lesen, zwei Zahlen zu vergleichen oder eine andere Aktion durchzuführen. Das Programm wird in den Speicher des Computers eingegeben, als wären es Daten, und bei der Aktivierung wird die Maschine angewiesen, dieses Material im Speicher als Anweisungen zu behandeln. Dann können andere Daten eingelesen werden, und der Computer kann das Programm ausführen, um die jeweilige Aufgabe zu erfüllen.
Da Computer für den Betrieb mit Binärzahlen ausgelegt sind, müssen alle Daten und Anweisungen in dieser Form dargestellt werden; die Maschinensprache, in der der Computer intern arbeitet, besteht aus den verschiedenen Binärcodes, die die Anweisungen definieren, sowie aus den Formaten, in denen die Anweisungen geschrieben werden. Da es für einen Programmierer zeitaufwändig und mühsam ist, in der eigentlichen Maschinensprache zu arbeiten, wird für das Schreiben der meisten Programme eine Programmiersprache oder Hochsprache verwendet, die der Bequemlichkeit des Programmierers dient. Der Computer wird so programmiert, dass er diese Hochsprache in Maschinensprache übersetzt und dann das ursprüngliche Problem, für das das Programm geschrieben wurde, löst. Viele Hochsprachen sind heute universell und unterscheiden sich nur wenig von Maschine zu Maschine.
- Einführung
- Analoge Computer
- Digitale Computer
- Entwicklung der Computer
- Literaturverzeichnis