Der Begriff "Informatiksysteme" taucht immer wieder in der Literatur auf, allerdings weniger in der Informatik-Fachliteratur, als vielmehr in Büchern und Webseiten zur Informatik-Didaktik. In dem Kernlehrplan Informatik des Landes NRW beispielsweise heißt das Inhaltsfeld 4 schlicht und einfach: "Informatiksysteme".
"Informatiksysteme sind heute weltweit miteinander vernetzt. Ein Informatiksystem ist eine spezifische Zusammenstellung von Hardware-, Software- und Netzwerkkomponenten zur Lösung eines Anwenderproblems. Gegenstand der Betrachtung in diesem Inhaltsfeld sind schwerpunktmäßig der prinzipielle Aufbau singulärer und vernetzter Rechnersysteme und deren Interaktion untereinander und mit dem Benutzer."Gehen wir auf den im Zitat genannten Schwerpunkt näher ein, nämlich auf den Aufbau von Rechnersystemen.
Aufbau von Rechnersystemen
Der rumänische Mathematiker John von Neumann entwickelte bereits 1945 ein Grundkonzept für den Aufbau eines Computers. Dieses Grundkonzept ist auch heute noch gültig. Danach besteht ein Rechner aus sechs Funktionseinheiten
- Steuerwerk
- Rechenwerk
- Speicher
- Eingabesystem
- Ausgabesystem
- Datenbus
Das Steuerwerk ist die übergeordnete Einheit des Rechners, es steuert den Ablauf eines Computerprogramms Schritt für Schritt, analysiert die jeweiligen Befehle und greift dazu je nach Bedarf auf die anderen Funktionseinheiten zu. Wenn beispielsweise der (völlig sinnfreie) Java-Befehl
System.out.println("Summe von x + y = " + (x+y) );
abgearbeitet werden soll, greift das Steuerwerk auf den Speicher zu, um die Inhalte der Variablen x und y auszulesen, dann auf das Rechenwerk, um die beiden Werte zu addieren, und schließlich auf das Ausgabesystem, um das Ergebnis in der Konsole anzuzeigen.
Das Rechenwerk ist für arithmetische Operationen zuständig, wenn zum Beispiel zwei Zahlen addiert werden sollen.
Der Speicher besteht aus vielen kleinen Speicherzellen, die entweder eine Null oder eine Eins speichern können, den sogenannten Bits. Wie ein Bit physikalisch aufgebaut ist, ist Gegenstand der technischen Informatik. Acht dieser Bits sind zu einem Byte zusammengeschaltet. Ein Byte kann acht Nullen und Einsen speichern, im Dezimalsystem sind das dann Zahlen zwischen 0 und 255. Mehrere Bytes können wiederum zu noch größeren Einheiten zusammengeschaltet sein, in denen dann komplexe Daten wie zum Beispiel eine komplette Adresse (Name, Vorname, Straße, Hausnummer, PLZ, Ort, Land) gespeichert werden können. Auch Bilder, Musikdateien oder Videos bestehen aus solchen komplexen Daten, die im Speicher untergebracht werden.
Beim Speicher muss man zwischen mehreren Ebenen unterscheiden. Grob gesagt, gibt es interne Speicher wie den Arbeitsspeicher (RAM), den Speicher für "fest verdrahtete Betriebssystemroutinen", das sogenannte ROM (read only memory) sowie Festplatten verschiedenen Typs, und externe Speicher wie externe Festplatten, USB-Sticks, SD-Karten und so weiter.
Auf dieser Webseite wird sehr schön der Unterschied zwischen den Speicherformen ROM und RAM erklärt.
Das Eingabesystem eines modernen Rechners besteht aus Tastatur, Maus und oft weiteren Eingabegeräten wie Scanner, Touchpad, Mikrofon, Kamera, Graphiktablett und so weiter. Am Anfang der Corona-Krise im Jahre 2020 waren Computer-Kameras bei Amazon oft ausverkauft, weil alle Leute plötzlich Video-Konferenzen abhalten wollten oder mussten.
Das Ausgabesystem eines modernen Rechners besteht aus dem Monitor (oder mehreren Monitoren), einem Drucker, Lautsprechern und anderen Geräten wie zum Beispiel Projektoren ("Beamer" auf Denglisch). Neben den üblichen Computern oder Rechnern gibt es aber auch andere fast unsichtbare Informatiksysteme wie zum Beispiel die Recheneinheit einer modernen Waschmaschine. Hier könnten zum Beispiel Motoren, elektrisch gesteuerte Wasserhähne, Heizspiralen etc. zum Ausgabesystem gehören.
Der Datenbus verbindet all diese Systeme miteinander. Bei einem modernem PC besteht dieser Datenbus aus 64 parallelen Datenleitungen, man spricht dann von einem 64-Bit-Rechner. In der Frühzeit des Computers umfasste der Datenbus nur 4 oder 8 solcher Datenleitungen, später kamen dann die 16-Bit-Rechner, noch später die 32-Bit-Rechner und zur Zeit gibt es fast nur noch 64-Bit-Rechner. In Haushaltsgeräten, Maschinen und so weiter werden aber auch noch heute 8-Bit- oder 16-Bit-Einheiten eingesetzt, weil die Aufgaben dieser Geräte ja sehr bescheiden sind im Vergleich zu einem modernen Rechner.
Früher wie heute werden je nach gewünschter Funktion die nötigen Komponenten des Rechnersystems zusammengestellt, verbunden und meist in einem Gehäuse verbaut. Die Konstruktionsmöglichkeiten sind unendlich, man braucht nur gute Ideen und die passenden Bauteile. Heutzutage ist es möglich, relativ einfach an kleine Bauteile nach eigenen Maßen zu kommen. Dies gilt für spezielle Platinen genauso wie für Gehäuseteile. Der Frontplatten Designer der Firma Beta Layout bietet beispielsweise die Möglichkeit, ein eigenes Gehäuse-Design mit Platz für Knöpfe, Schalter und Displays zu erstellen und somit eigene Ausgabemedien herzustellen. Angesteuert werden die Komponenten in einem modernen Rechnersystem meist von einer Software. Diese kann selbst programmiert sein oder eine bereits existierende wird dafür genutzt.
Durch die Corona-Krise und den Ukraine-Krieg haben sich allerdings die Beschaffungsmöglichkeiten für Computerbauteile, vor allem Chips, teilweise dramatisch verschlechtert, so dass man auf die Rechner, Kameras, Autos etc., die in der Werbung der Firmen gerade angekündigt worden sind, Monate warten muss, bis sie endlich beim Kunden ankommen.