1 Computer, Software und Betriebssysteme

Lernziele

Grundlegende Computer-Hardware-Kenntnisse erwerben
Von verschiedenen Betriebssystemen gehört haben und ihre Gemeinsamkeiten und Unterschiede einschätzen zu können
Aktuelle Trends in Hardware und Software verstehen, wie Cloud-Computing, KI-Beschleunigung und moderne Schnittstellen

Vorkenntnisse

Grundlegende Computer-Kenntnisse sind nützlich

1.1 Was ist eigentlich ein Computer?

Bevor wir uns damit beschäftigen, was ein Computer überhaupt ist, hier ein paar Zitate von Berühmtheiten aus der Szene:

"Wir dachten zuerst, dass wir mit einem halben Dutzend Computern in Forschungslaboratorien allen Bedarf in den Vereinigten Staaten abdecken könnten."

— Howard H. Aiken, 1952

Howard Aiken war ein Computerpionier und der Entwickler von IBMs erstem Computer, dem »Harvard Mark I«. Die ersten Computer im modernen Sinne wurden im Zweiten Weltkrieg gebaut, um bei der Entschlüsselung von Geheimcodes oder bei komplizierten Berechnungen zu helfen. Es handelten sich um große, aufwendige und fehleranfällige Geräte, denn die elektronischen Bauteile wie Transistoren oder integrierte Schaltkreise, aus denen heutige Computer bestehen, waren damals noch nicht erfunden.

In dieser Zeit und den Jahren unmittelbar nach dem Krieg stellten sich einige Grundannahmen heraus, die erfüllt sein müssen, damit man von einem Gerät als »Computer« reden kann:

Ein Computer verarbeitet Daten gemäß einer Folge von automatisch ausgeführten Instruktionen, einem Programm.
Programme müssen Entscheidungen und Wiederholungen erlauben.
Es muss möglich sein, das ausgeführte Programm zu ändern oder auszutauschen.

Viele technische Geräte – vom Fernseher über die Digitalkamera und die Waschmaschine bis hin zum Auto – enthalten heute programmierte Steuerungen, die wie kleine Computer funktionieren. Trotzdem betrachtet man solche Geräte nicht als »Computer«, da sie nur feste, nicht änderbare Programme ausführen. Ein Taschenrechner erlaubt zwar die »Verarbeitung von Daten«, aber – jedenfalls solange es kein teurer »programmierbarer Taschenrechner« ist – passiert das nicht automatisch, sondern ein Mensch drückt die Tasten.

In den frühen 1950er Jahren waren Computer hochspezialisierte Geräte, die, wie Aiken sagte, am ehesten in Forschungsinstituten zu finden waren. In Science-Fiction-Filmen jener Zeit sieht man Säle voller Reihen von Schränken, in denen sich geheimnisvolle Spulen drehen. In weniger als 70 Jahren hat sich dieses Bild grundlegend gewandelt¹.

"Es gibt keinen Grund für irgendwen, einen Computer daheim zu haben."

— Ken Olsen, 1977

Ken Olsen war der Chef der Digital Equipment Corporation (DEC), einer anderen Computerfirma, die in den 1970er Jahren an der Spitze der Entwicklung „kleiner” Computer stand². Dabei war „klein” damals relativ zu sehen: Es bedeutete zunächst, dass die Computer keinen kompletten Computersaal mit Klimaanlage und eigenem Elektrizitätswerk benötigten und weniger als eine Million Dollar kosteten. Aufgrund von Fortschritten bei der Hardware bedeutete „klein” gegen Ende der 1970er Jahre jedoch etwas wie „kann von zwei Personen hochgehoben werden”.

💡 Hinweis: DEC ist für uns Linux-Freunde wichtig, denn auf zwei DEC-Computermodellen – der PDP-8 und der PDP-11 – wurde Unix entwickelt. Dieses System inspirierte gut 20 Jahre später Linus Torvalds dazu, mit Linux zu beginnen.

In den 1970er Jahren kamen die ersten „Heimcomputer” auf. Diese waren nicht mit heutigen PCs zu vergleichen: Man musste sie selbst zusammenlöten – heute ein Ding der physikalischen Unmöglichkeit – und sie hatten selten eine vernünftige Tastatur und fast nie einen anständigen Bildschirm. Sie waren eher ein Zeitvertreib für Bastler, vergleichbar mit einer elektrischen Eisenbahn, denn wirklich anfangen konnte man mit ihnen nicht viel. Trotzdem waren es „Computer” im Sinne unserer Definition von oben, denn sie waren frei programmierbar, auch wenn die Programme umständlich eingetippt oder (mit etwas Glück) von einer Audiocassette gelesen werden mussten.

Diese Apparate wurden dennoch nicht wirklich ernst genommen, weshalb Ken Olsens Zitat oft missverstanden wurde: Er hatte absolut nichts gegen kleine Computer (seine Firma verkaufte schließlich welche). Was er nicht einsah, war die Idee, den kompletten Haushalt von einem Computer steuern zu lassen (Heizung, Licht, Unterhaltung usw.) – eine Idee, die damals noch sehr hypothetisch war und heute eher möglich scheint und nicht mehr ganz so absurd ist.

Erst in den späten 1970er und 1980er Jahren entwickelten sich die „Heimcomputer” vom Bausatz zum fertigen Gerät. Namen wie „Apple II” und „Commodore 64” sind zumindest den Älteren unter uns vielleicht noch ein Begriff. Zu dieser Zeit begannen sie sich auch in den Büros auszubreiten. 1981 wurde der erste IBM PC vorgestellt und 1984 kam der erste Macintosh von Apple auf den Markt. Der Rest ist, wie man so schön sagt, Geschichte. Aber man sollte nicht vergessen, dass die Welt der Computer nicht nur aus PCs und Macs besteht. Die riesigen Rechner, die früher ganze Säle füllten, sind immer noch unter uns, auch wenn sie seltener werden und oft aus großen Gruppen von Computern bestehen, die eng mit den PCs auf unserem Tisch verwandt sind und zusammenarbeiten.

Das Prinzip hat sich seit der Zeit von Howard Aiken aber nicht geändert: Computer sind nach wie vor automatisch Daten verarbeitende Geräte mit austauschbaren Programmen, die Verzweigungen und Schleifen enthalten können. Und das wird auch so bleiben.

Inzwischen sind Computer nicht nur in Forschungslaboren oder als Heimcomputer zu finden, sondern nahezu überall: in Smartphones, Autos, Haushaltsgeräten, medizinischen Geräten und sogar in Wearables. Durch die Miniaturisierung und Leistungssteigerung enthalten viele Geräte heute kleine Computer mit spezialisierter Hardware und Software. Auch die Integration von Künstlicher Intelligenz (KI) in zahlreiche Anwendungen verändert die Art und Weise, wie Computer genutzt werden.

Übungen 1.1

✏️ 1.1 [1] Welcher war der erste Computer, den Sie benutzt haben? Welchen Prozessor hatte er, wie viel RAM-Speicher hatte er und wie groß war die Festplatte – falls es eine gab? Falls nicht, wie wurden Daten dauerhaft gespeichert?

1.2 Bestandteile eines Computers

Werfen wir bei dieser Gelegenheit noch einmal einen Blick auf das „Innenleben” eines Computers, genauer gesagt eines „IBM-kompatiblen” PCs, und die dort zu findenden Komponenten.

Prozessor

Der Prozessor (neudeutsch „CPU“ für „Central Processing Unit“) ist das „Herzstück des Computers“: Hier findet die automatische, programmgesteuerte Datenverarbeitung statt, die einen Computer erst zu einem solchen macht. Heutige Prozessoren enthalten meist mehrere „Kerne”, das heißt, die wesentlichen Bestandteile des Prozessors sind mehrfach vorhanden und können unabhängig voneinander arbeiten. Das erhöht grundsätzlich die Verarbeitungsgeschwindigkeit und damit die Leistung des Computers. Besonders schnelle Computer haben außerdem mehr als einen Prozessor. PCs enthalten normalerweise Prozessoren von Intel oder AMD. Diese unterscheiden sich in Details, können aber dieselben Programme ausführen. Tablets und Smartphones benutzen dagegen in der Regel ARM-Prozessoren, die nicht so leistungsfähig, dafür aber deutlich stromsparender sind. Intel- bzw. AMD-Prozessoren können keinen Programmcode ausführen, der für ARM-Prozessoren vorgesehen ist, und umgekehrt.
RAM-Speicher

Der Arbeitsspeicher eines Computers wird »RAM« (Random Access Memory) genannt. In diesem Speicher werden nicht nur die Daten abgelegt, mit denen der Computer arbeitet, sondern auch sein Programmcode.

💡 Dieser geniale Trick geht auf den Computerpionier John von Neumann, einen Zeitgenossen von Howard Aiken, zurück. Im Grunde gibt es dann nämlich gar keinen Unterschied mehr zwischen Programmcode und Daten – das heißt, dass Programme Programmcode genauso manipulieren können wie Adressen oder Kochrezepte. (Früher musste man zum „Programmieren” Kabel am Computer umstöpseln oder die Programme waren auf Papierstreifen oder -karten gelocht und konnten nicht ohne Weiteres geändert werden.)

Heutige Computer haben meist einen RAM-Speicher von 1 Gibibyte oder mehr. 1 Gibibyte sind 2³⁰, also 1.073.741.824 Bytes³ – eigentlich eine unvorstellbar große Zahl. Zum Vergleich: „Harry Potter und die Heiligtümer des Todes” hat etwa 600 Seiten mit jeweils rund 1.700 Buchstaben, Leer- und Satzzeichen⁴ – also vielleicht eine Million Zeichen. Ein Gigabyte entspricht also grob geschätzt dem Inhalt von 1.000 Harry-Potter-Schinken. Bei einem Gewicht von etwa 600 Gramm pro Buch entspricht das einem Lieferwagen voller Bücher. Wenn man sich nicht nur für die Abenteuer des Zauberlehrlings interessiert, ist eine Bibliothek von 1.000 Büchern beachtlich.
Grafikkarte

Früher war man schon froh, wenn ein Computer eine elektrische Schreibmaschine ansteuern konnte, um seine Ausgabe zu drucken. Die alten Heimcomputer wurden an den Fernseher angeschlossen, was teilweise zu einer grottenschlechten Bildqualität führte. Heutzutage haben dagegen selbst einfache Smartphones sehr eindrucksvolle Grafik und gängige PCs enthalten Grafikhardware, für die man in den 1990er Jahren noch den Gegenwert eines teuren Sportwagens oder eines kleinen Hauses hätte aufbringen müssen⁵. Das Stichwort der heutigen Zeit lautet „3D-Beschleunigung”. Das bedeutet jedoch nicht, dass man die Bildschirminhalte räumlich sehen kann – auch wenn das langsam tatsächlich in Mode kommt –, sondern dass bei der Verarbeitung der Grafik im Computer neben den auf dem Monitor sichtbaren Richtungen links, rechts, oben und unten auch noch vorne und hinten ins Spiel kommen. Für fotorealistische Spiele ist es entscheidend, ob ein Monster vor oder hinter einer Mauer steht, also zu sehen ist oder nicht. Der Sinn moderner Grafikkarten ist es unter anderem, dem Prozessor des Rechners solche Entscheidungen abzunehmen, damit dieser sich um andere Dinge kümmern kann. Entsprechend haben heutige Grafikkarten eigene Prozessoren, die mitunter viel schneller rechnen können als die CPU des Rechners selbst, aber nicht so allgemein gehalten sind.

💡 Viele Computer haben gar keine separate Grafikkarte, sondern die Grafikhardware ist in den Prozessor integriert. Das macht den Rechner kleiner, billiger, leiser und stromsparender. Allerdings müssen Sie dann auch Abstriche bei der Grafikleistung machen. Das stellt jedoch möglicherweise kein wirkliches Problem dar, wenn Sie nicht die neuesten Spiele spielen möchten.

Moderne Grafikkarten sind oft mit spezialisierten KI-Beschleunigern ausgestattet. Diese werden nicht nur für Spiele, sondern auch für maschinelles Lernen und neuronale Netze eingesetzt. Diese Entwicklung zeigt, wie stark sich die Hardware an neue Anforderungen anpasst.
Hauptplatine

Die Hauptplatine (umgangssprachlich auch „Motherboard” genannt) ist das meist viereckige, beschichtete Stück Kunststoff, auf dem die CPU, der RAM-Speicher und die Grafikkarte des Computers sowie diverse andere Komponenten befestigt sind. Dazu gehören beispielsweise Anschlüsse für Festplatten, Drucker, Tastatur, Maus oder Netzwerkkabel sowie die zur Verwaltung dieser Anschlüsse nötige Elektronik. Es gibt Hauptplatinen für Computer in allen möglichen Größen und Farben⁶ – etwa für kleine, leise Computer, die als Videorecorder im Wohnzimmer fungieren oder im Büro nicht durch heulende Lüfter stören, oder für schnelle Server, die viel Platz für RAM-Speicher und mehrere Prozessoren bieten.
Netzteil

Damit ein Computer funktioniert, braucht er Strom. Wie viel Strom er benötigt, hängt davon ab, aus welchen Bestandteilen er genau besteht. Das Netzteil wandelt den Wechselstrom aus der Steckdose mit 240 Volt in den Gleichstrom mit verschiedenen niedrigen Spannungen um, den die Elektronik im Computer benötigt. Es muss so gewählt werden, dass es genug Strom für alle Komponenten des Computers liefern kann (schnelle Grafikkarten sind typischerweise die größten Stromverbraucher), dabei aber möglichst nicht überdimensioniert ist, damit es bei seiner Arbeit nicht unnötig viel Strom verbraucht (Stichwort „Wirkungsgrad”).

Übrigens wird der meiste Strom, den das Netzteil in den Computer pumpt, über kurz oder lang zu Wärme, weswegen eine gute Kühlung sehr wichtig ist. Der Einfachheit halber haben die meisten Computer einen oder mehrere Lüfter, die der teuren Elektronik frische Luft zufächeln oder die heiße Luft aus dem Gehäuse pusten sollen. Wenn man sehr sorgfältig ist, kann man Computer bauen, die ohne Lüfter auskommen und daher leise sind. Solche Computer sind jedoch im Vergleich ziemlich teuer und meistens auch nicht so schnell, denn „schnell” bedeutet bei Prozessoren und Grafikkarten in etwa „heiß”.

Um den Stromverbrauch zu reduzieren und den Geräuschpegel zu minimieren, setzen viele aktuelle Systeme auf energieeffiziente Komponenten und passive Kühlung. Dies ist besonders in mobilen Geräten und Rechenzentren ein wichtiger Aspekt.
Festplatten

Während der RAM-Speicher des Computers für die Daten benutzt wird, die gerade in Bearbeitung sind (Texte, Tabellen, Webseiten, Programme, Musik, Videos usw. – und natürlich die Programme selbst, mit denen Sie diese Daten bearbeiten), werden Daten, die gerade nicht aktiv bearbeitet werden, auf einer Festplatte gespeichert. Der Hauptgrund dafür ist, dass Festplatten viel mehr Daten speichern können als der RAM-Speicher gängiger Computer. Die Kapazitäten von Festplatten werden heute in Tebibytes (1 TiB = 2⁴⁰ Byte) gemessen und liegen somit um den Faktor 100–1000 über den typischen RAM-Kapazitäten.

💡 Für den Zugewinn an Platz müssen wir Abstriche bei der Wiederfinde-Geschwindigkeit machen: Die Zugriffszeiten auf RAM werden in Nanosekunden gemessen, die auf magnetischen Festplatten dagegen in Millisekunden. Das sind ganze sechs Größenordnungen – der Unterschied zwischen einem Meter und 1.000 Kilometern.

Festplatten bestehen traditionell aus rotierenden Scheiben, die mit einem magnetisierbaren Material beschichtet sind. Schreib-/Leseköpfe können dieses Material gezielt magnetisieren und die gespeicherten Informationen später wieder lesen. Die Scheiben rotieren mit 4.500 bis 15.000 Umdrehungen pro Minute und der Abstand zwischen Scheibe und Kopf beträgt lediglich bis zu 3 nm. Festplatten sind also extrem empfindlich gegenüber Erschütterungen und Stürzen, denn wenn der Schreib-/Lesekopf im Betrieb mit der Scheibe in Kontakt kommt – der sogenannte Head-Crash – führt das zur Zerstörung der Festplatte.

💡 Moderne Festplatten für mobile Rechner verfügen über Beschleunigungssensoren, die erkennen, wenn der Computer herunterfällt, und die Festplatte schnell stilllegen (oder es zumindest versuchen).

Langsam kommen SSDs (Solid State Disks) in Mode. Sie speichern Daten auf Flash-Speicher, einer Art RAM-Speicher, der auch ohne Strom seine Informationen behalten kann. SSDs sind zwar schneller als magnetische Festplatten, aber pro Gigabyte Speicherkapazität auch beträchtlich teurer. Dafür haben sie keine beweglichen Teile, sind stoßunempfindlich und im Vergleich zu herkömmlichen Festplatten energiesparend, was sie insbesondere für tragbare Computer interessant macht.

💡 Außerdem sagt man SSDs nach, dass sie sich „abnutzen”, da die Flash-Speicherplätze, „Zellen” genannt, nur für eine gewisse Anzahl von Schreibvorgängen geeignet sind. Messungen haben jedoch gezeigt, dass dies in der Praxis keine nennenswerte Behinderung darstellt.

Es gibt verschiedene Methoden, eine Festplatte (magnetisch oder SSD) an einen Computer anzuschließen. Aktuell üblich ist „serielles ATA“ (SATA), während ältere Computer „paralleles ATA“, auch „IDE“ genannt, verwenden. Im Serverbereich finden Sie außerdem SCSI- oder SAS-Platten (SAS steht für „seriell angeschlossenes SCSI”). Für externe Festplatten werden USB oder eSATA (eine SATA-Abart mit robusteren Steckern) verwendet.

💡 Übrigens: Gerade bei Festplatten macht sich der Unterschied zwischen Giga- und Gibibyte (bzw. Tera- und Tebibyte) besonders bemerkbar. Ein typisches Beispiel: Sie kaufen ein neues „100-GB-Laufwerk“, schließen es an Ihren Computer an und stellen zu Ihrem Entsetzen fest, dass Ihr Computer Ihnen auf der neuen Platte nur 93 „GB“ Kapazität anzeigt. Ihre Festplatte ist nicht kaputt – nur wenn der Hersteller von „GB” spricht, meint er (übrigens ganz korrekt) „Gigabyte”, also Milliarden Byte. Ihr Computer rechnet dagegen wahrscheinlich (streng genommen ungenau) in „Gibibyte”, also Einheiten von 2³⁰ Byte.

SSDs sind mittlerweile in den meisten Computern Standard, da sie deutlich schneller, robuster und energieeffizienter sind als herkömmliche magnetische Festplatten. Für die Archivierung großer Datenmengen werden jedoch weiterhin HDDs verwendet, oft in Kombination mit Cloud-Speicherlösungen, die eine Online-Verfügbarkeit und Sicherung der Daten ermöglichen.
Optische Laufwerke

Außer Festplatten unterstützen PCs in der Regel optische Laufwerke, die Medien wie CD-ROMs, DVDs oder Blu-ray-Discs lesen und unter Umständen auch beschreiben können. (In mobilen Geräten ist dafür mitunter physikalisch kein Platz, was jedoch nicht bedeutet, dass solche Laufwerke nicht als externe Geräte angeschlossen werden könnten.) Optische Medien – der Name leitet sich davon ab, dass die Informationen darauf mit einem Laser abgetastet werden – dienen vor allem zur Verteilung von Software und „Inhalten” (Musik und Filme). Ihre Bedeutung schwindet jedoch allmählich, da immer mehr Firmen das Internet als Distributionsmedium nutzen.

💡 Früher hat man optische Medien auch für Sicherheitskopien in Betracht gezogen, aber das ist heute nicht mehr realistisch: Auf eine CD-ROM passen höchstens 900 MiB, auf eine DVD maximal 9 GiB. Für eine Komplettsicherung einer 1-TiB-Festplatte bräuchten Sie also 1000 CDs oder 100 DVDs. Die ständige Wechselei wäre auch nervig. (Selbst auf Blu-ray-Discs passen nur maximal 50 GiB und Laufwerke, die Blu-ray-Discs schreiben können, sind noch ziemlich teuer.)
Anzeige

In alten Filmen sieht man sie noch: grün leuchtende Computerbildschirme. In der Realität sind sie bis auf Spezialfälle allerdings verschwunden. Farbe ist angesagt und neue Bildschirme sind nicht mehr so klobig wie die früher üblichen Röhrenmonitore (CRT, engl. cathode ray tube), sondern flach und elegant. Sie basieren auf Flüssigkristallen (LCD, liquid crystal display). LCDs haben nicht nur den Vorteil, dass sie weniger Platz auf dem Schreibtisch wegnehmen, sondern sie flimmern auch nicht und belasten den Anwender nicht mit möglicherweise schädlicher Strahlung – eine Win-Win-Situation! Ein paar Nachteile gibt es jedoch: Bei LCDs verändert sich das Aussehen des Bildes, wenn man aus einem zu schrägen Winkel auf die Anzeige schaut. Billigere Geräte liefern zudem mitunter ein fleckiges Bild, da die Beleuchtung nicht gleichmäßig ist.

💡 Bei Röhrenmonitoren musste man darauf achten, sie nicht lange unbenutzt mit demselben Bild in der Anzeige stehen zu lassen, da sich dieses sonst „einbrannte“ und schemenhaft im Hintergrund permanent zu sehen war. Deshalb verwendete man »Bildschirmschoner«, die nach einer gewissen Zeit der Inaktivität den Bildschirminhalt durch eine mehr oder weniger putzige Animation ersetzten, um das Einbrennen zu verhindern (ein Klassiker war ein Aquarium mit Fischen und anderem Meeresgetier). LCDs haben das Einbrenn-Problem nicht mehr, aber die Bildschirmschoner sind als Deko-Element erhalten geblieben.

LCDs gibt es in allen Größen, vom Smartphone-Format bis zu wandfüllenden Großbildschirmen. Das wichtigste Kennzeichen ist die Auflösung, die bei PC-Displays heutzutage meist zwischen 1366 × 768 (horizontal × vertikal) und 1920 × 1080 Bildpunkten liegt. (Niedrigere und höhere Auflösungen sind möglich, ergeben aber nicht unbedingt ökonomischen oder visuellen Sinn.) An die meisten Computer kann man auch mehr als einen Bildschirm anschließen, um die Arbeitsfläche zu vergrößern.

💡 Eingebürgert hat sich bei Computermonitoren auch ein Seitenverhältnis von 16:9, wie es beim hochauflösenden Fernsehen verwendet wird. Das ist eigentlich eine dumme Entwicklung, da die meisten Computer überhaupt nicht zum Fernsehen benutzt werden. Eine höhere, aber schmalere Anzeige (wie das früher übliche 4:3-Format) würde den viel gängigeren Anwendungen wie Textverarbeitung oder der Arbeit mit Tabellen besser entgegenkommen.
Andere Peripheriegeräte

Selbstverständlich können Sie an einen Computer noch viele weitere Geräte anschließen, neben den bisher hier genannten: Dazu gehören Drucker, Scanner, Kameras, Fernsehempfänger, Modems, Roboter-Arme, kleine Raketenwerfer, um die Schreibtisch-Nachbarn zu ärgern, und vieles mehr. Die Liste ist schier endlos und wir können hier auch nicht jede Geräteklasse einzeln diskutieren. Einige Beobachtungen können wir trotzdem machen:
- Ein erfreulicher Trend ist beispielsweise die Vereinheitlichung der Schnittstellen, über die die meisten Geräte angeschlossen werden. Während früher fast jede Geräteklasse ihre eigene Schnittstelle hatte – parallele Schnittstellen für Drucker, serielle für Modems, „PS/2“-Schnittstellen für Tastaturen und Mäuse, SCSI für Scanner usw. –, wird heute für die meisten Geräte USB (Universal Serial Bus) benutzt. Das ist eine vergleichsweise idiotensichere, leidlich schnelle und flexible Methode, die außerdem das An- und Abstöpseln von Geräten im laufenden Betrieb gestattet.
- Ein weiterer Trend ist der hin zu mehr „Intelligenz” in den Peripheriegeräten selbst. Früher waren selbst teure Drucker ziemlich stupide Apparate, die etwa auf der IQ-Ebene von elektrischen Schreibmaschinen lagen. Als Programmierer musste man sich im Detail darum kümmern, genau die richtigen Steuerungscodes an den Drucker zu schicken, um eine bestimmte Ausgabe zu erzielen. Heutzutage sind gute Drucker eigentlich auch Computer, die ihre eigenen Programmiersprachen unterstützen und Programmierern viel Arbeit abnehmen. Dasselbe gilt entsprechend für viele andere Peripheriegeräte.
  
  💡 Natürlich gibt es nach wie vor Drucker (vor allem im unteren Preissegment), die dem Computer die Aufbereitung der Druckausgabe überlassen. Allerdings machen auch diese es den Programmierern so einfach wie ihre teureren Verwandten.
USB-C hat sich als moderner Standardanschluss etabliert. Er unterstützt nicht nur die Datenübertragung, sondern auch die Stromversorgung und die Videoausgabe. Thunderbolt 4 ist eine Erweiterung, die noch höhere Übertragungsraten und vielseitigere Nutzungsmöglichkeiten ermöglicht.

Übungen 1.2

✏️ 1.2 [2] Schrauben Sie Ihren Computer auf (ggf. unter der Aufsicht Ihres Lehrers, Trainers oder Erziehungsberechtigten) und schalten Sie das Gerät vorher unbedingt aus und trennen Sie es vom Stromnetz! Identifizieren Sie anschließend die wichtigsten Komponenten wie CPU, RAM-Speicher, Hauptplatine, Grafikkarte, Netzteil und Festplatte. Welche Komponenten haben wir hier nicht aufgezählt?

1.3 Software

Genauso wichtig wie die Hardware, also die technischen Komponenten, aus denen ein Computer besteht⁷, ist die Software, also die Programme, die darauf laufen. Die Software eines Computers lässt sich grob in drei Bereiche einteilen:

Die Firmware ist auf der Hauptplatine des Computers gespeichert und lässt sich nur schwer, wenn überhaupt, ändern oder austauschen. Sie dient dazu, den Computer beim Einschalten in einen definierten Zustand zu versetzen und das eigentliche Betriebssystem zu laden. In der Regel gibt es auch die Möglichkeit, beim Einschalten in einen Einstellungsmodus zu wechseln, in dem Sie die Uhr stellen und bestimmte Eigenschaften der Hauptplatine aktivieren oder deaktivieren können.

💡 Bei PCs heißt die Firmware „BIOS” (Basic Input/Output System) oder, bei neueren Systemen, „EFI” (Extensible Firmware Interface).

💡 Manche Hauptplatinen haben heute ein kleines Linux-System in ihrer Firmware, das angeblich schneller startet als Windows. Damit sollen Sie mal eben im Netz surfen oder eine DVD anschauen können, ohne extra Windows booten zu müssen. Ob sich das wirklich rentiert, ist eine andere Frage.

Die Firmware hat sich zu UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) weiterentwickelt. UEFI ist moderner, flexibler und sicherer als das klassische BIOS. UEFI unterstützt größere Festplatten, schnellere Bootzeiten und eine grafische Oberfläche für die Konfiguration.
Das Betriebssystem sorgt dafür, dass Sie den Computer tatsächlich nutzen können. Es verwaltet die Ressourcen des Computers, also den RAM-Speicher, die Festplatten und die Rechenzeit der CPU(s), die von einzelnen Programmen genutzt werden darf, sowie den Zugriff auf andere Peripheriegeräte. Es ermöglicht das Starten und Beenden von Programmen, sorgt dafür, dass die verschiedenen Benutzer des Computers einander nicht in die Quere kommen, und stellt sicher, dass jedes Programm auch mal laufen darf. Außerdem regelt es auf elementarer Ebene die Teilnahme des Computers an einem lokalen Netzwerk oder dem Internet. Meistens stellt das Betriebssystem auch eine grafische Oberfläche zur Verfügung und bestimmt so maßgeblich, wie der Computer für seine Benutzer „aussieht” und sich „anfühlt”.

Wenn Sie einen neuen Computer kaufen, wird dieser in der Regel mit einem vorinstallierten Betriebssystem geliefert. PCs mit Microsoft Windows, Macs mit macOS und Smartphones oft mit Android, einem Linux-Ableger. Das Betriebssystem ist jedoch nicht so eng mit einem Computer verbunden wie die Firmware. In vielen Fällen kann es durch ein anderes ersetzt werden. Auf den meisten PCs und Macs können Sie beispielsweise Linux installieren.

💡 Sie können auch Linux zusätzlich zum existierenden Betriebssystem installieren, was in der Regel ebenfalls problemlos möglich ist.

Neben den klassischen Betriebssystemen gewinnen cloudbasierte Betriebssysteme und Container-Technologien (wie Docker) an Bedeutung. Sie ermöglichen es, Anwendungen unabhängig von der Hardwareumgebung auszuführen. Mithilfe von Virtualisierungstechniken können Sie mehrere Betriebssysteme parallel auf einem Rechner betreiben.
Benutzerprogramme erlauben es Ihnen, mit dem Computer nützliche Dinge zu tun: Sie können damit beispielsweise Texte schreiben, Bilder malen oder bearbeiten, Musik komponieren, Spiele spielen, im Internet surfen oder neue Programme schreiben. Solche Programme werden auch Anwendungsprogramme⁸ genannt. Daneben gibt es in der Regel Dienstprogramme, die das Betriebssystem bereitstellt, damit Sie – oder ein designierter „Systemadministrator” – Änderungen an der Konfiguration des Computers vornehmen können. Auf Servern wiederum laufen in der Regel Programme, die Dienste für andere Computer bereitstellen, zum Beispiel Web-, Mail- oder Datenbankserver.

Die Verteilung von Software erfolgt heute häufig über App Stores oder Paketmanager. Das macht die Installation und Aktualisierung viel einfacher. Zudem sind viele Anwendungen inzwischen webbasiert und laufen direkt im Browser, wodurch die Abhängigkeit vom Betriebssystem weiter sinkt.

1.4 Die wichtigsten Betriebssysteme

1.4.1 Windows und OS X

Wenn es um Betriebssysteme für Computer geht, denken die meisten Leute automatisch zuerst an Windows von Microsoft⁹. Das liegt daran, dass die meisten PCs heutzutage mit Windows verkauft werden. Das ist eigentlich keine schlechte Sache, da die Besitzer die PCs dann relativ zügig in Betrieb nehmen können, ohne erst umständlich ein Betriebssystem installieren zu müssen. Auf der anderen Seite macht es anderen Betriebssystemen wie Linux das Leben unnötig schwer.

💡 Es ist tatsächlich gar nicht einfach, einen Computer ohne Windows zu bekommen, etwa weil Sie ihn nur mit Linux benutzen wollen, es sei denn, Sie bauen ihn selbst aus Einzelteilen zusammen. Theoretisch können Sie sich das Geld für ein unbenutztes, vorinstalliertes Windows von der Herstellerfirma des Computers zurückerstatten lassen. Wir wissen jedoch von niemandem, dem das jemals gelungen ist.

Das heutige Windows ist ein Nachfolger von „Windows NT“, mit dem Microsoft in den 1990er Jahren versuchte, ein zeitgemäßes Betriebssystem bereitzustellen (frühere Versionen wie „Windows 95“ waren grafische Aufsätze für das damalige Microsoft-Betriebssystem MS-DOS und selbst für die 1990er Jahre ziemlich primitiv). Der Anstand verbietet uns an dieser Stelle eine kritische Würdigung von Windows. Es soll genügen, dass es im Wesentlichen das tut, was man von einem Betriebssystem erwartet: Es stellt eine grafische Oberfläche zur Verfügung und unterstützt die meisten Peripheriegeräte (oder die Hersteller dieser Geräte bieten Windows-Unterstützung an).

Der „Macintosh“ von Apple kam 1984 in den Handel und verwendet seither ein Betriebssystem namens „Mac OS“. Über die Jahre hat Apple verschiedene, zum Teil radikale Änderungen an der Plattform – heutige Macs sind technisch im Wesentlichen dasselbe wie Windows-PCs – und am Betriebssystem vorgenommen. Bis einschließlich Version 9 war Mac OS ziemlich instabil und unterstützte beispielsweise die gleichzeitige Ausführung mehrerer Programme nur rudimentär. Das aktuelle „Mac OS X“ – das „X“ ist eine römische 10, nicht der Buchstabe „X“ – basiert auf einem an BSD-Unix angelehnten Fundament und ist Linux konzeptuell nicht unähnlich.

💡 Seit Februar 2012 heißt das Betriebssystem von Macintosh offiziell nicht mehr „Mac OS X“, sondern nur noch „OS X“. Sollte uns doch einmal „Mac OS” rausrutschen, wissen Sie, wie das gemeint ist.

Der große Unterschied zwischen Windows und OS X besteht darin, dass OS X ausschließlich mit Apple-Computern verkauft wird und auf „normalen” PCs nicht läuft. Dadurch kann Apple ein System bereitstellen, das offensichtlich „aus einem Guss“ ist. Windows hingegen muss auf allen möglichen PCs laufen und eine viel breitere Palette von Hardwarekomponenten unterstützen, die in völlig unkalkulierbaren Kombinationen auftreten können. Windows-Benutzer haben daher eher mit Unverträglichkeiten zu kämpfen, die sich möglicherweise nur schwer oder gar nicht beheben lassen. Dafür gibt es eine viel größere Hardwareauswahl für Windows-Rechner und die Preise sind im Großen und Ganzen weniger exorbitant.

Sowohl Windows als auch OS X sind „proprietäre“ Software. Anwender sind gezwungen, das zu akzeptieren, was Microsoft oder Apple ihnen vorsetzen. Sie können keinen Einblick in die tatsächliche Implementierung des Systems nehmen, geschweige denn Änderungen daran vornehmen. Sie sind an die Upgrade-Zyklen des Systems gebunden und müssen sich damit arrangieren, wenn der Hersteller ein Merkmal des Systems entfernt oder durch etwas anderes ersetzt.

💡 Auch hier gibt es einen Unterschied: Apple ist im Grunde ein Hardware-Unternehmen und beschäftigt sich mit OS X nur, um Kunden einen Anreiz zu geben, Macs zu kaufen (deshalb gibt es OS X auch nicht für Nicht-Macs). Microsoft hingegen baut keine eigenen Computer, sondern verdient sein Geld damit, Software wie Windows zu verkaufen, die auf x-beliebigen PCs läuft. Ein Betriebssystem wie Linux stellt für Microsoft daher eine viel größere Gefahr dar als für Apple, denn die meisten Leute kaufen einen Apple-Computer, weil sie das Gesamtpaket wollen, nicht weil es ihnen speziell auf OS X ankommt. Der PC als Plattform wird dagegen von Tablets und anderen neuartigen Computerarten bedrängt, die nicht mit Windows laufen. Das setzt Microsoft unter extremen Druck. Die Firma Apple könnte bequem damit überleben, statt Macs nur iPhones und iPads zu verkaufen – Microsoft ohne Windows wäre dagegen trotz gefüllter Kassen relativ bald bankrott¹⁰.

Aktuell ist Windows 11 die neueste Version. Es bietet verbesserte Sicherheitsfunktionen, KI-Integration und eine bessere Unterstützung für hybride Arbeitsmodelle. Apple nennt sein Betriebssystem inzwischen schlicht „macOS“ und veröffentlicht regelmäßige Updates, die vor allem auf Sicherheit, Leistung und nahtlose Integration mit anderen Apple-Geräten abzielen.

1.4.2 Linux

Linux ist ein Betriebssystem, das ursprünglich von Linus Torvalds als Neugierprojekt begonnen wurde, dann aber ein Eigenleben annahm: Inzwischen arbeiten Hunderte von Entwicklern – darunter nicht nur Studenten und Hobby-Programmierer, sondern auch Profis von Firmen wie IBM, Red Hat oder Oracle – an seiner Weiterentwicklung.

Linux wurde von Unix inspiriert, einem Betriebssystem, das in den 1970er Jahren bei den AT&T Bell Laboratories für „kleine” Computer entwickelt wurde (siehe oben für die Bedeutung von „klein” in diesem Kontext). Unix entwickelte sich schnell zum bevorzugten System für Wissenschaft und Technik. Linux verwendet in sehr weiten Teilen dieselben Konzepte und Grundideen wie Unix. Für Unix geschriebene Software lässt sich leicht auf Linux übertragen. Linux selbst enthält jedoch keinen Unix-Code und ist somit ein unabhängiges Projekt.

Anders als bei Windows und OS X steht hinter Linux keine einzelne Firma, deren wirtschaftlicher Erfolg von Linux abhängt. Linux ist „frei verfügbar” und kann von jedem benutzt werden – auch kommerziell –, der die Spielregeln einhält (dazu im nächsten Kapitel mehr). In Verbindung mit der Tatsache, dass Linux inzwischen auf allen Arten von Rechnern läuft – vom Telefon (das populärste Betriebssystem für Smartphones, Android, ist ein Ableger von Linux) bis zum größten Großrechner (die zehn schnellsten Rechner der Welt laufen alle unter Linux) –, ist Linux das flexibelste Betriebssystem in der Geschichte des modernen Computers.

Streng genommen ist „Linux” nur der Betriebssystem-Kern, also das Programm, das sich um die Verteilung von Ressourcen an Anwendungs- und Dienstprogramme kümmert. Da ein Betriebssystem ohne Anwendungsprogramme aber nicht besonders nützlich ist, installiert man in der Regel eine Linux-Distribution. Dabei handelt es sich um ein Paket aus dem eigentlichen „Linux” nebst einer Auswahl von Anwendungs- und Dienstprogrammen, Dokumentation und anderen nützlichen Programmen. Das Schöne daran ist, dass die meisten Linux-Distributionen wie Linux selbst „frei verfügbar” und somit kostenlos oder sehr preisgünstig sind. So können Sie einen Rechner mit Programmen ausstatten, für deren Äquivalente unter Windows oder OS X etliche tausend Euro fällig würden, ohne Gefahr zu laufen, wegen Lizenzverstößen belangt zu werden, nur weil Sie Ihre Linux-Distribution auf allen Ihren Computern sowie denen von Tante Frieda und Ihren Freunden Susi und Alex installiert haben.

💡 Mehr Informationen zu Linux und Linux-Distributionen finden Sie in Kapitel 2.

Linux ist heute nicht nur auf Servern und PCs verbreitet, sondern bildet auch die Grundlage für Android, das weltweit meistgenutzte Betriebssystem auf Smartphones. Zudem bildet Linux die Grundlage vieler Cloud-Dienste und gewinnt in Bereichen wie dem Internet der Dinge (IoT) und eingebetteten Systemen zunehmend an Bedeutung.

1.4.3 Mehr Unterschiede und Gemeinsamkeiten

Tatsächlich unterscheiden sich die drei großen Betriebssysteme Linux, Windows und OS X in ihrer Anmutung für den Benutzer heute nur noch in Details. Alle drei bieten eine grafische Benutzeroberfläche (GUI, Graphical User Interface) an, die es auch weitgehend unbedarften Anwendern ohne tiefgehende Computerkenntnisse ermöglicht, durch einfache Gesten wie Klicken und Ziehen ihre Dateien zu verwalten, Programme zu starten usw. Viele populäre Anwendungsprogramme stehen auch für alle drei Plattformen zur Verfügung, sodass es fast unerheblich wird, welches Betriebssystem Sie letzten Endes benutzen, solange Sie die meiste Zeit im Webbrowser, im Office-Paket oder im E-Mail-Programm verbringen. Das ist ein Vorteil, da so bei Bedarf eine schrittweise Migration von einem System zu einem anderen möglich wird.

Neben der grafischen Oberfläche bieten alle drei Systeme die Möglichkeit, auf einer Kommandozeile textuelle Befehle einzugeben, die das System dann ausführt. Bei Windows und OS X nutzen dies vorwiegend Systemadministratoren, während „gewöhnliche” Benutzer normalerweise einen weiten Bogen darum machen – eine Frage der Kultur. Bei Linux ist die Kommandozeile dagegen weniger verpönt, was mit der Abstammung des Systems aus der technisch-wissenschaftlichen Unix-Philosophie zusammenhängen mag. Tatsache ist, dass sich viele Aufgaben bequemer und effizienter über die Kommandozeile erledigen lassen – vor allem mit den leistungsstarken Werkzeugen, die Linux (und eigentlich auch OS X) dafür bereitstellt. Als angehender Linux-Anwender sollten Sie sich der Kommandozeile öffnen und ihre Stärken und Schwächen kennenlernen, ebenso wie die der grafischen Oberfläche. Die Kombination aus beiden gibt Ihnen die größte Flexibilität.

Auch bei Windows gewinnt die Kommandozeile durch PowerShell und das Windows Terminal an Bedeutung, da viele Entwickler und Administratoren diese Werkzeuge nutzen, um komplexe Aufgaben effizient zu erledigen. Ebenso werden heute oft grafische und textbasierte Bedienung kombiniert, die sich gegenseitig ergänzen.

Übungen 1.3

✏️ 1.3 [1] Haben Sie Erfahrung mit proprietären Betriebssystemen wie Windows oder (Mac) OS X? Welche Anwendungsprogramme nutzen Sie dort vor allem? Welche davon sind „freie Software”?

1.5 Ausblick

Heutige PCs mit den Betriebssystemen Linux, Windows oder OS X haben mehr Gemeinsamkeiten als Unterschiede – zumindest was die Hardware, die Konzepte und die Bedienung angeht. Mit jedem der drei Systeme kann man zweifellos passabel arbeiten, und keines davon ist eindeutig und unbestritten „das Beste“.

Zukünftige Entwicklungen werden von Künstlicher Intelligenz, Quantencomputing und weiteren Fortschritten in der Miniaturisierung von Hardware geprägt sein. Cloud-Computing und Edge-Computing verändern die Rolle des lokalen Rechners, der zunehmend als Zugangspunkt zu verteilten Ressourcen dient.

In dieser Unterlage konzentrieren wir uns vor allem auf Linux und werden Ihnen einen möglichst umfassenden Einstieg in dieses System geben, indem wir Ihnen die Benutzung erklären, die Stärken herausstellen und, wo nötig, auch auf Schwächen hinweisen. Inzwischen ist Linux eine ernstzunehmende Alternative zu den beiden anderen Systemen und ihnen in diversen Punkten überlegen, manchmal sogar weit überlegen. Wir freuen uns, dass Sie bereit sind, sich auf Linux einzulassen, und wünschen Ihnen viel Spaß beim Lernen, Üben und Benutzen. Falls Sie die Linux-Essentials-Zertifizierung des LPI anstreben,

– viel Erfolg in der Prüfung!

1.6 Zusammenfassung

Computer sind Geräte, die Daten gemäß einem automatisch ablaufenden und änderbaren Programm verarbeiten. Dieses Programm erlaubt Entscheidungen und Wiederholungen.
Zu den wichtigsten Komponenten von PCs gehören Prozessor, RAM-Speicher, Grafikkarte, Hauptplatine und Festplatten.
Die Software auf einem Computer kann in Firmware, Betriebssystem und Benutzerprogramme eingeteilt werden.
Das verbreitetste Betriebssystem für PCs ist Windows von Microsoft. Apple-Computer benutzen ein anderes Betriebssystem namens OS X (früher „Mac OS X”).
Linux ist ein alternatives Betriebssystem für PCs (und viele andere Arten von Computern). Es wird nicht von einer einzigen Firma entwickelt, sondern von vielen Freiwilligen.
Linux-Distributionen erweitern den Linux-Betriebssystemkern mit Benutzerprogrammen und Dokumentation zu einem tatsächlich benutzbaren System.
Moderne Computer und Betriebssysteme sind zunehmend vernetzt, nutzen Cloud-Dienste und integrieren KI-Technologien, die die Nutzungsmöglichkeiten und Leistungsfähigkeit erweitern. Mobile Geräte und neue Schnittstellen wie USB-C prägen die heutige Computerlandschaft.

Das klassische „Zitat“ in diesem Zusammenhang wird Thomas J. Watson, dem ehemaligen Chef von IBM, zugeschrieben. Er soll 1943 gesagt haben: „Es gibt vielleicht einen Weltmarkt für fünf Computer.“ Leider ist das nicht belegt. Wenn er es tatsächlich 1943 gesagt hätte, hätte er für die nächsten zehn Jahre oder so zumindest recht behalten. ↩
DEC wurde 1998 von Compaq gekauft und Compaq wiederum 2002 von Hewlett-Packard. ↩
Der Volksmund spricht oft von "Gigabyte". Dabei sind 10⁹ Bytes ein Gigabyte. Das sind knapp 7 Prozent weniger. ↩
Jedenfalls die englische Ausgabe – die einzige, die der Autor dieser Zeilen zur Hand hatte. ↩
Das ist alles dem anhaltenden Interesse der Menschheit an beeindruckenden Computerspielen zu verdanken. Wer behauptet, Videospiele seien nutzlos, sollte sich das einmal durch den Kopf gehen lassen. ↩
Ehrlich! Auch wenn man seine Hauptplatine nicht nach der Farbe aussuchen sollte. ↩
Definition von Hardware: »Die Teile des Computers, die man treten kann« (Jeff Pesis) ↩
Manchmal hört man auch das Wort „Applikation“, aber damit sind Dinge gemeint, die über ein Loch in den Jeans genäht werden. Die neudeutsche Kurzform „App” ist jedoch wahrscheinlich nicht mehr zu stoppen. ↩
Viele Leute wissen überhaupt gar nicht, dass es etwas Anderes gibt. ↩
Der eigentliche Wettbewerb findet nicht bei Windows, sondern bei Office statt. Die meisten Nutzer kaufen Windows nicht, weil sie das Betriebssystem besonders schätzen, sondern weil es das einzige Betriebssystem für preiswerte PCs ist, auf denen Office zuverlässig läuft. Eine ähnliche Überlegung gilt, wenn man statt „Apple” „Google” einsetzt. Tatsächlich sind Office und Windows (für PCs) die Hauptprodukte, mit denen Microsoft nennenswerte Gewinne erzielt. Andere Geschäftsbereiche – mit Ausnahme der Spielekonsole Xbox und vor allem der Cloud-Sparte Azure – tragen zwar zum Umsatz bei, sind aber entweder weniger profitabel oder befinden sich noch in der Wachstumsphase. ↩