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EVA-Prinzip & Von-Neumann-Architektur

1. EVA-Prinzip & Von-Neumann-Architektur

EVA-Prinzip

Grundlegendes Verarbeitungsmodell aller Computersysteme.

• Eingabe (E) — Daten werden über Eingabegeräte (Tastatur, Maus, Scanner, Mikrofon) erfasst und dem System zugeführt.
• Verarbeitung (V) — Die CPU verarbeitet die Eingabedaten nach programmierten Anweisungen (Berechnungen, Vergleiche, Sortierungen).
• Ausgabe (A) — Ergebnisse werden über Ausgabegeräte (Monitor, Drucker, Lautsprecher) an den Nutzer zurückgegeben.
• Erweiterung: Speicherung — Oft als EVAS-Prinzip ergänzt: Daten können dauerhaft gespeichert werden (Festplatte, SSD, Cloud).

Von-Neumann-Architektur

Referenzmodell für den inneren Aufbau eines Rechners, 1945 von John von Neumann beschrieben.

• Rechenwerk (ALU) — Führt arithmetische und logische Operationen aus.
• Steuerwerk (CU) — Holt Befehle aus dem Speicher, dekodiert und koordiniert die Ausführung.
• Speicherwerk — Gemeinsamer Speicher für Daten und Programme (StoredProgram-Konzept).
• Ein-/Ausgabewerk — Schnittstelle zur Außenwelt (Peripheriegeräte).
• Bussystem — Adressbus, Datenbus, Steuerbus verbinden die Komponenten.
• Von-Neumann-Flaschenhals — Daten und Befehle teilen sich einen Bus, was die Geschwindigkeit begrenzt.

Hardware vs. Software

Grundlegende Unterscheidung zwischen physischen und logischen Komponenten.

• Hardware — Alle physisch anfassbaren Bestandteile eines Computersystems (CPU, RAM, Mainboard, Peripherie).
• Software — Programme und Daten: Systemsoftware (Betriebssystem, Treiber, Firmware) und Anwendungssoftware (Office, Browser, Fachsoftware).
• Firmware — Sonderfall: Software, die fest in Hardware eingebettet ist (BIOS/UEFI, Controller-Firmware).

Geschichte der Rechenmaschinen und Computer

Historische Entwicklung von mechanischen Rechenmaschinen bis zum modernen Computer.

• Mechanische Ära — Abakus, Pascaline (1642), Leibniz-Rechenmaschine (1694), Analytical Engine (Babbage, 1837).
• Elektromechanische Ära — Zuse Z1/Z3 (1938–1941), Hollerith-Maschine, Colossus, ENIAC (1946).
• Transistor & IC — Transistor (1947), integrierte Schaltkreise (1958),Miniaturisierung, Mooresches Gesetz.
• PC-Ära — IBM PC (1981), Personal Computer, Laptops, Smartphones, Cloud Computing.

Hardware-Grundlagen & Komponenten

Hardware-Grundlagen & Komponenten

CPU (Central Processing Unit)

Zentrale Verarbeitungseinheit — das „Gehirn" des Rechners.

• Kerne & Threads — Multi-Core-Prozessoren (Dual, Quad, Hexa, Octa), Hyperthreading/SMT für parallele Verarbeitung.
• Taktfrequenz - Basis- und Boost-Takt in GHz, höherer Takt -> mehr Operationen pro Sekunde.
• Cache — L1/L2/L3-Cache als schneller Zwischenspeicher, je näher am Kern desto schneller.
• Sockel — Physische Schnittstelle zum Mainboard (z.B. LGA 1700, AM5), bestimmt Kompatibilität.
• TDP — Thermal Design Power, gibt den Kühlungsbedarf und Energieverbrauch an.
• Hersteller — Intel (Core i3/i5/i7/i9, Xeon) und AMD (Ryzen, EPYC) als Marktführer.

RAM (Random Access Memory)

Flüchtiger Arbeitsspeicher für aktuell benötigte Daten und Programme.

• DDR-Generationen — DDR4 vs.: DDR5 höhere Bandbreite, niedrigere Spannung, nicht abwärtskompatibel.
• Kapazität — Typisch 8–64 GB für Arbeitsplätze, mehr für Server und Workstations.
• Taktfrequenz & Latenz — MHz-Angabe und CL-Timings bestimmen die reale Geschwindigkeit.
• Dual-/Quad-Channel — Mehrere Module parallel -> höhere Bandbreite.
• ECC-RAM — Error Correcting Code für Server, erkennt und korrigiert Bitfehler

Massenspeicher

Nichtflüchtige Datenspeicher für Betriebssystem, Programme und Nutzerdaten.

• HDD — Magnetische Festplatten, hohe Kapazität, günstig, aber langsam und empfindlich gegen Erschütterungen.
• SSD (SATA) — Flash-Speicher über SATA-Schnittstelle, deutlich schneller als HDD, 2,5"- Formfaktor.
• SSD (NVMe/M.2) — Flash-Speicher über PCIe-Bus, sehr hohe Lese-/Schreibraten (bis 7.000 MB/s+).
• Externe Speicher — USB-Sticks, externe HDDs/SSDs, optische Medien (CD/DVD/Blu-ray) — zunehmend durch Cloud ersetzt.

Grafikkarte (GPU)

Berechnet und gibt Bildsignale aus — entweder als dedizierte Karte oder integriert in die CPU.

• Dediziert vs. integriert — Eigenständige GPU (NVIDIA, AMD) vs. in CPU integriert (Intel UHD, AMD Radeon).
• VRAM — Eigener Videospeicher (GDDR6/GDDR6X), wichtig für hohe Auflösungen und 3D.
• Anschlüsse — HDMI, DisplayPort, USB-C mit Alt-Mode für Bildausgabe.
• Einsatzzweck — Office: integriert reicht. CAD/Gaming/KI: dedizierte GPU nötig.

Mainboard, Netzteil & Gehäuse

• Mainboard — Zentrale Platine, verbindet alle Komponenten. Formfaktoren: ATX, Micro-ATX, Mini-ITX. Chipsatz bestimmt Features.
• Netzteil (PSU) — Wandelt Netzstrom in die benötigten Spannungen (3,3V, 5V, 12V). Watt-Angabe muss zur Hardware passen. 80+ Zertifizierung für Effizienz.
• Schnittstellen am Mainboard — PCIe-Slots (x1, x4, x16), M.2-Slots, SATA-Ports, USB-Header, Audio, LAN (RJ45).

Eingabe-/Ausgabegeräte & Multifunktionsgeräte

• Eingabegeräte — Tastatur, Maus, Scanner, Touchscreen, Mikrofon, Webcam, Barcode-Reader.
• Ausgabegeräte — Monitor (LCD, OLED, Auflösung, Hz), Drucker (Laser, Tintenstrahl), Lautsprecher, Beamer.
• Multifunktionsgeräte (MFP) — Kombination aus Drucker, Scanner, Kopierer, Fax. Anschluss via USB, LAN oder WLAN. Druckkosten (TCO) beachten.