10.1.1 Hardware und Software

Hardware

Im letzten Schuljahr wurden Geräte vorgestellt, welche digitale Daten verarbeiten können:

  • Mikrocontroller "Calliope"
  • Mini-Computer "Raspberry"
  • Personal Computer
  • Tablets
  • Smartphones

Davon gibt es noch viel mehr:

  • Smart-Watch
  • Gaming (Playstation, Xbox,...)
  • Smart-Home (Heizung, Licht, Eingang,...)
  • TV, Streaming-Stick
  • Automation in der Industrie
  • Robotik
  • ...

Ein Gerät, welches digitale Daten verarbeitet, nennt man allgemein Hardware.

Software

Auf einer Hardware werden digitale Daten von einem Programm verarbeitet.

Programme sind:

  • Apps auf einem Smartphone
  • Webseiten, die interaktiv bedient werden können
  • Applikationen, die auf einem PC laufen (Office-Programme, Bildbearbeitung, Spiele,...)
  • Dienste, welche auf einem Server laufen und digitale Daten bereitstellen (Webserver, Cloud, Banking, ...)
  • ...

Digitale Daten sind:

  • Informationen auf Wikipedia
  • Spielstände, Spielwelten
  • Shop-Inhalte
  • Bankdaten
  • Patientendaten
  • Umsatzdaten
  • ...

Ein Programm, welches digitale Daten verarbeitet und die digitalen Daten selbst, nennt man Software.

Software-Entwicklung

Software-Entwicklerinnen und Software-Entwickler:

  • entwickeln Programme und

  • verarbeiten digitale Daten mit Hilfe von Programmen.

Den Prozess des Programmierens von Programmen und der Verarbeitung von Daten mit Hilfe von Programmen nennt man Software-Entwicklung.

Binäre Datenverarbeitung

Hardware besteht aus Mikrochips, die nur genau zwei Informationseinheiten: 0 und 1 verarbeiten können.

Diese Informationseinheiten werden in einer Hardware mit Hilfe von elektrischem Strom codiert. Elektrischer Strom besteht aus Elektronen, die in einem Stromkreis von einem Minuspol zu einem Pluspol fließen. Elektrischen Strom kann man ein- und ausschalten.

Zustände

Eine Hardware kann Daten nur dann mit einem Programm verarbeiten, wenn sowohl das Programm als auch die Daten ausschließlich mit den Symbolen 0 und 1 codiert sind.

Eine Folge von Symbolen, die nur die beiden Symbole 0 und 1 enthält (z.B. 1001110011101), nennt man eine Bitfolge.

Eine Programm und die zu verarbeitenden Daten sehen als z.B. so aus:

0110001101110010011001010110000101110100011001010100001101100001011011100111011001100001011100
1100101000001100110011000000110000001011000010000000110011001100000011000000101001001110110010
0000001000000000101001100010011000010110001101101011011001110111001001101111011101010110111001
1001000010100000100111011011000110100101100111011010000111010001110011011000010110110001101101
0110111101101110001001110010100100111011000010100000101001110011011101000111001001101111011010
1101100101001010000010011101100100011000010111001001101011011100110110110001100001011101000110
0101011000100110110001110101011001010010011100101001001110110000101001110011011101000111001001
1011110110101101100101010101110110010101101001011001110110100001110100001010000011000100110101
0010100100111011000010100110011001101001011011000110110000101000001001110111000001101111011101
1101100100011001010111001001100010011011000111010101100101001001110010100100111011000010100111
0001011101010110000101100100001010000011011000110000001011000010000000111000001100000010110000
1000000011000100110011001100000010110000100000001101100011000000101100001000000011001000110001
0011000000101100001000000011001000110100001100000010110000100000001101100011000000101100001000
000011001000110000001100000010100100111011

Wie kann ein Computer mit dieser scheinbar willkürlichen Folge der beiden Symbole 0 und 1 sinnvoll Daten verarbeiten?

Binäre Datenverarbeitung in einer Hardware

In der folgenden Übung schauen wir in das Innere einer Hardware. Dabei wird folgendes gezeigt:

  • Daten und Programme werden im Arbeitsspeicher (RAM) als eine Bitfolge gespeichert.
  • Die CPU holt mit Programm-Bitfolgen aus dem Arbeitsspeicher Daten-Bitfolgen und verarbeitet diese.
  • Daten können mit Hilfe der Tastatur eingegeben werden.
  • Das Ergebnis der Daten-Verarbeitung kann im Arbeitsspeicher gespeichert und auf einer Anzeige ausgegeben werden.

CPU

  • Öffne folgenden Link in einem neuen Fenster: 8-Bit CPU-Simulator

  • Klicke auf "Beispiel laden" und dann auf "B1: Zahl laden und ausgeben".

  • Klicke fortlaufend auf "Nächster Schritt" und beobachte dabei, wie eine Zahl aus dem Arbeitsspeicher gelesen und dann ausgegeben wird.

  • Öffne folgenden Link in einem neuen Fenster: 8-Bit CPU-Simulator

  • Klicke auf "Beispiel laden" und dann auf "B2: Zahl eingeben und speichern".

  • Klicke fortlaufend auf "Nächster Schritt" und beobachte dabei, wie eine eingegebene Zahl an einer Adresse im Arbeitsspeicher gespeichert wird.

  • Öffne folgenden Link in einem neuen Fenster: 8-Bit CPU-Simulator

  • Klicke auf "Beispiel laden" und dann auf "B3: Zwei Zahlen laden und addieren".

  • Klicke fortlaufend auf "Nächster Schritt" und beobachte dabei, wie zwei Zahlen aus dem Arbeitsspeicher gelesen, dann addiert und schließlich das Ergebnis ausgegeben wird.

Hochsprache und Maschinen-Code

Wie in der letzten Übung gezeigt wurde, kann eine Hardware ein binäres Programm leicht ausführen, denn seine Hardware ist so gebaut, dass eine solche Bitfolge automatisch abgearbeitet wird.

Eine Bitfolge, welche eine Hardware verarbeiten kann, nennt man Maschinen-Code.

Unser menschliches Gehirn kann eine Bitfolge nicht verarbeiten. Wir denken in größeren Strukturen. Deswegen muss es einen Weg geben, wie Menschen ein Computer-Programm aufschreiben können.

Eine Folge von Zeichen die einen Algorithmus darstellt und welche ein menschliches Gehirn verarbeiten kann, nennt man ein Computerprogramm, das in einer Hochsprache geschrieben wurde.

cpuhuman

Damit ein Mensch und eine Hardware zusammenarbeiten können, muss folgendes geschehen:

  • Ein Mensch schreibt ein Programm in einer Hochsprache.

  • Das in einer Hochsprache geschriebene Programm wird in eine Bitfolge umgewandelt, welche eine Hardware verarbeiten kann.