Der grundsätzliche Aufbau eines elektronischen Rechners, der aus den Komponenten Eingabeeinheit, Rechenwerk, Steuerwerk, Speicher und Ausgabeeinheit besteht, ist in Abbildung 1.19 (Verfeinerung von Abbildung 1.5) gezeigt. An die Eingabeeinheit sind die Eingabeperipheriegeräte angeschlossen, von denen Daten in den Rechner einge-geben werden. Die bearbeiteten Daten gelangen über die Ausgabeeinheit zu den Aus-gabeperipheriegeräten. Es gibt hierbei zwei grundsätzlich verschiedene Möglichkei-ten für die DaMöglichkei-tenein-/ausgabe. Bei der ersMöglichkei-ten Betriebsart ist die Ein-/Ausgabe pro-grammgesteuert. Die Daten werden dabei sowohl über das Rechenwerk in den Speicher eingegeben als auch die Rechenergebnisse über dieses ausgegeben. Dies ge-schieht mit einer Geschwindigkeit von etwa 30000 Zeichen/Sekunde.
Abbildung 1.18: Vorhergesagter Leistungsanstieg bei Rechnern und seinen Komponenten
1.5 Aufbau und Anwendungen von Digitalrechnern 35
Die zweite Betriebsart ist der direkte Speicherzugriff. Hier wird die Daten/ausga-be von den Peripheriegeräten gesteuert und Daten können direkt in den Speicher ein-und ausgegeben werden. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist bis etwa zwei Million Zeichen/ Sekunde. Das Rechenwerk führt die arithmetischen und logischen Operatio-nen durch. Vom Rechenwerk aus ist es möglich, Daten in den Speicher abzulegen. Es ist ebenso möglich, vom Speicher Daten abzurufen, diese ins Rechenwerk zu bringen, damit Berechnungen durchzuführen und die Ergebnisse wieder im Speicher abzule-gen oder durch die Ausgabeeinheit zur Peripherie zu transferieren. Um diese Funktio-nen abfolgegerecht durchführen zu könFunktio-nen, ist ein Programm notwendig. Die einzel-nen Befehle dieses Programms werden entschlüsselt und gemäß dieser Entschlüsse-lung wird das Steuerwerk aktiviert, welches für den ordnungsgemäßen Ablauf der Funktionen des Rechners zuständig ist.
Abbildung 1.20 zeigt verschiedene Möglichkeiten, Datenein- und -ausgabegeräte an den Rechner anzuschließen, wobei diese Mensch-Maschine-Schnittstelle im Zeitalter von Multimediaanwendungen (gemeinsame Übertragung von Text, Sprache/Audio, Abbildung/Video, Graphik) zunehmend an Bedeutung gewinnt. Zu den neuartigen Geräten, die an Rechner angeschlossen werden, gehören: CD-ROM-Player, Audio/
Video-Recorder, 2D/3D Graphikterminal und Virtual Reality Ausrüstung wie Daten-handschuh oder -helm.
Um eine gegebene Rechenanlage, d. h. die vorhandene „Hardware“, vernünftig zu betreiben und mit den zur Verfügung stehenden Daten optimale Ergebnisse zu er-Abbildung 1.19: Schema eines Digitalrechners
36 1 Einführung
zielen, müssen diverse Programme, d. h. eine bestimmte „Software“, zwingend vor-handen sein. Diese Programme lassen sich gemäß ihrer Funktion wie folgt klassifizie-ren:
1. Betriebssystemprogramme
Sie entlasten den Benutzer unter anderem von folgenden Organisationsaufgaben des Rechnerbetriebs: der Ablaufsteuerung, Ein-/Ausgabesteuerung, Externdaten-verwaltung, Zentralspeicherverwaltung und der Konfigurationsverwaltung.
Abbildung 1.20: Diverse Datenein- und -ausgabemöglichkeiten für Digitalrechner
1.5 Aufbau und Anwendungen von Digitalrechnern 37
2. Dienstprogramme
Sie ermöglichen die einfache Programmentwicklung in einer höheren Program-miersprache (Fortran, Pascal, C). Übersetzer (Compiler, Assembler) und Binde-routinen (Linker) erzeugen aus einem Programm, das in einer höheren Program-miersprache geschrieben wurde, ein ablauffähiges Maschinenprogramm.
3. Anwenderprogramme
Die Anwenderprogramme werden für problemspezifische Aufgabenstellungen in einer Programmiersprache erstellt und erlauben den zweckgebundenen Einsatz des Rechners. Standardanwendungen werden in System- oder Programmbiblio-theken zentral verfügbar gehalten und können von den Benutzern für ihre Anwendung zugegriffen werden, was einem Client-Server-Prinzip entspricht.
In der Regel werden Anwenderprogramme vom Rechnerbenutzer erstellt. Die Ver-waltungs-, Übersetzer- und Programmierhilfen sind generell anlagegebunden und werden vom Rechnerhersteller geliefert (Firmware). Um ein ganzes Rechnersystem zu konfigurieren und in Betrieb zu nehmen, ist es allerdings notwendig, daß die Hard-ware- und SoftHard-ware-Schnittstellen im Detail verstanden und verknüpft werden (Ab-bildung 1.21).
Die ersten elektronischen Rechner wurden für kommerzielle Anwendungen in Indu-strie und Wirtschaft verwendet. Bald erkannte man jedoch, daß Rechnersysteme auch zur Lösung von wissenschaftlichen Berechnungen und zur Überwachung technischer Abläufe geeignet waren, allerdings lagen hier andere Anforderungen an die Struktur einer Rechnerkonfiguration vor. Im weiteren Verlauf der Entwicklung wurden Rech-ner direkt mit technischen Prozessen gekoppelt, um Maschinen und Anlagen zu steuern.
Ursprünglich wurden Rechner schon beim Hersteller für eine bestimmte Anwendung konzipiert. Der Kunde hatte jedoch die Möglichkeit, eine vorgegebene Konfiguration seinen Anforderungen entsprechend zu erweitern oder abzumagern. Mit der
Entwick-Ein - und Ausgabe-geräte
Rechner Betriebssystem
Anwenderprogramm
Software-Schnittstelle
Hardware-Schnittstelle
Hardware- / Software-Schnittstelle
Hardware Software
Abbildung 1.21: Verschiedene Rechnerschnittstellen
38 1 Einführung
lung der Mikroprozessoren, die meistens Universalrechner sind, wurde die Möglich-keit gegeben, Rechnersysteme nach dem Baukastenprinzip zusammenstellen. Damit können sowohl verteilte Systeme für größere Aufgaben als auch Kleinrechnersysteme für problemspezifische Lösungen konfiguriert werden.
Rechner lassen sich grob in vier verschiedene Klassen einteilen (Tabelle 1.1):
1. Kommerzielle/Datenbank-Rechner
Diese Rechner führen Transaktionen und Interaktionen, aber nur einfache Berechnungen durch, d.h. es werden große Datenmengen z.B. für die Buchhal-tung, Lohnabrechnung, Fertigungsplanung oder Materialdisposition verarbeitet und verwaltet.
Tabelle 1.1: Hauptunterschiede verschiedener Rechnerarten Kommerzielle
Daten können zu jeder Zeit ein-/ Ein-gabe von Texten und numerischen
Viele Arten von Signalen aus
Große Platten und Magnetbänder
Kleine Platten, und Kassetten
Kleine Platten
1.5 Aufbau und Anwendungen von Digitalrechnern 39
2. Technisch-wissenschaftliche Rechner
Diese Hochleistungs- oder Superrechner können sehr umfangreiche und kom-plexe Rechnungen durchführen, wobei relativ wenige Daten ein- und ausgegeben werden. Anschließend werden die Ergebnisse numerisch ausgegeben oder gra-phisch visualisiert.
3. Kommunikations- und Echtzeitrechner
Diese Rechner stellen Netzwerkdienste bereit bzw. tauschen im Echtzeitbetrieb Daten mit einem technischen Prozeß aus. Sie übernehmen Steuerungsaufgaben und greifen bei Bedarf unmittelbar in den Betriebs- oder Programmablauf ein.
4. Personal Computer
Diese Rechner lösen vielerlei Rechenaufgaben und dienen zur Erstellung von Texten und Graphiken aller Art. Sie finden ihren Einsatz in Büros, Schulen, priva-ten Bereichen und an vielen anderen Orpriva-ten. Sie können fest installiert sein oder portable auf Reisen mitgeführt werden.