Computer

Computer und Computergeräte aus verschiedenen Epochen – von links nach rechts, von oben nach unten:

• Früher Röhrencomputer ( ENIAC )
• Großrechner ( IBM System/360 )
• Smartphone ( LYF Water 2)
• Desktop-Computer (IBM ThinkCentre S50 mit Monitor)
• Supercomputer (IBM Summit )

Ein Computer ist eine Maschine , die so programmiert werden kann , dass sie automatisch arithmetische oder logische Operationen ( Berechnungen ) ausführt . Moderne digitale Computer können generische Operationsfolgen, sogenannte Programme , ausführen , wodurch sie ein breites Aufgabenspektrum bewältigen können. Der Begriff Computersystem kann sich auf einen nominell vollständigen Computer beziehen, der die für den vollen Betrieb notwendige Hardware , das Betriebssystem , die Software und die Peripheriegeräte umfasst , oder auf eine Gruppe von miteinander verbundenen und zusammenarbeitenden Computern, wie beispielsweise ein Computernetzwerk oder ein Computercluster .

Während es in den 1930er-Jahren nur wenige Computer gab, sind sie heute allgegenwärtig und in einer Vielzahl von Industrie- und Konsumprodukten , die Computer als Steuerungssysteme nutzen, fester Bestandteil . Preis, Größe und Komplexität von Computern reichen von einfachen Geräten wie Schlüsselanhängern , Mikrowellenherden und Fernbedienungen bis hin zu Supercomputern und Fabriken mit Industrierobotern . Computer bilden das Herzstück von Allzweckgeräten wie PCs und Mobilgeräten wie Smartphones . Sie sind die Grundlage des Internets , das Milliarden von Computern und Nutzern miteinander verbindet.

Frühe Computer waren ausschließlich für Berechnungen gedacht . Einfache manuelle Instrumente wie der Abakus halfen den Menschen schon seit der Antike bei Berechnungen. Zu Beginn der industriellen Revolution wurden einige mechanische Geräte entwickelt, um lange, mühsame Aufgaben zu automatisieren, beispielsweise das Vorgeben von Mustern für Webstühle . Anspruchsvollere elektrische Maschinen führten Anfang des 20. Jahrhunderts spezialisierte analoge Berechnungen durch. Die ersten digitalen elektronischen Rechenmaschinen wurden während des Zweiten Weltkriegs entwickelt , beginnend mit elektromechanischen Rechnern (1930er Jahre), Elektronenröhren (1930er Jahre), Halbleitertransistoren (1940er Jahre), MOSFETs (MOS-Transistoren, 1950er Jahre) und schließlich monolithischen integrierten Schaltungen ( ab den 1950er Jahren). Jeder technologische Fortschritt führte zu kleineren, effizienteren Schaltungen, die schließlich in den 1970er Jahren zur Revolution der Mikroprozessoren und Mikrocomputer führten . Seitdem haben sich Geschwindigkeit, Rechenleistung und Vielseitigkeit von Computern dramatisch erhöht, wobei die Anzahl der Transistoren in rasantem Tempo zugenommen hat ( Mooresches Gesetz besagt, dass sich die Anzahl alle zwei Jahre verdoppelt hat), was Ende des 20. und Anfang des 21. Jahrhunderts zur digitalen Revolution führte.

Ein moderner Computer besteht üblicherweise aus mindestens einem Verarbeitungselement , typischerweise einer Zentraleinheit (CPU) in Form eines Mikroprozessors , sowie einem Arbeitsspeicher , meist Halbleiterspeicherchips . Das Verarbeitungselement führt arithmetische und logische Operationen aus, und eine Sequenzierungs- und Steuereinheit kann die Reihenfolge der Operationen in Abhängigkeit von gespeicherten Informationen ändern . Zu den Peripheriegeräten gehören Eingabegeräte ( Tastaturen , Mäuse , Joysticks usw.), Ausgabegeräte ( Monitore , Drucker usw.) und Ein-/Ausgabegeräte , die beide Funktionen erfüllen (z. B. Touchscreens ). Peripheriegeräte ermöglichen das Abrufen von Informationen aus externen Quellen sowie das Speichern und Abrufen von Operationsergebnissen.

Erst Mitte des 20. Jahrhunderts erhielt das Wort seine heutige Bedeutung. Laut dem Oxford English Dictionary wurde der Begriff „ Computer“ erstmals in einem anderen Sinne verwendet, und zwar in einem 1613 erschienenen Buch namens „ The Yong Mans Gleanings“ des englischen Schriftstellers Richard Brathwait : „I have [ sic ] read the truest computer of Times, and the best Arithmetician that je [ sic ] breathed, and he reduceth thy days into a short number.“ Diese Verwendung des Begriffs bezog sich auf einen menschlichen Computer , eine Person, die Berechnungen durchführte . Das Wort behielt diese Bedeutung bis Mitte des 20. Jahrhunderts bei. In der zweiten Hälfte dieses Zeitraums wurden häufig Frauen als „Computer“ eingestellt, da sie weniger verdienten als ihre männlichen Kollegen. ^{[ 1 ]} Bis 1943 waren die meisten „menschlichen Computer“ Frauen. ^{[ 2 ]}

Das Online Etymology Dictionary verzeichnet die erste belegte Verwendung des Wortes „Computer “ in den 1640er Jahren im Sinne von „jemand, der rechnet“; es handelt sich dabei um ein Substantiv, das vom Verb „compute“ abgeleitet ist. Laut dem Online Etymology Dictionary wird der Begriff seit 1897 als „ Rechenmaschine“ (jeglicher Art) verwendet . Die moderne Verwendung als „programmierbarer digitaler Computer“ geht auf das Jahr 1945 zurück; theoretisch ist sie bereits seit 1937 als Turingmaschine belegt . ^{[ 3 ]} Die Bezeichnung hat sich bis heute gehalten, obwohl moderne Computer viele komplexere Funktionen ausführen können.

Hilfsmittel zum Rechnen wurden seit Jahrtausenden verwendet, meist durch einfache Zuordnung der Finger . Das früheste Zählgerät war höchstwahrscheinlich eine Art Kerbholz . Spätere Aufzeichnungshilfen im gesamten Fruchtbaren Halbmond umfassten Kalküle (Tonkugeln, -kegel usw.), die Zählungen von Gegenständen, vermutlich Vieh oder Getreide, darstellten und in hohlen, ungebrannten Tongefäßen versiegelt wurden. ^{[ a ] ​​[ 4 ]} Die Verwendung von Zählstäben ist ein Beispiel dafür.

Der Abakus wurde ursprünglich für Rechenaufgaben verwendet. Der römische Abakus entwickelte sich aus Geräten, die bereits um 2400 v. Chr. in Babylonien gebräuchlich waren. Seitdem wurden viele weitere Formen von Rechenbrettern oder -tischen erfunden. In einem mittelalterlichen europäischen Kontor wurde ein kariertes Tuch auf einen Tisch gelegt, auf dem nach bestimmten Regeln Striche verschoben wurden, um Geldbeträge zu berechnen. ^{[ 5 ]}

Der Mechanismus von Antikythera gilt laut Derek J. de Solla Price als der früheste bekannte mechanische Analogrechner . ^{[ 6 ]} Er diente der Berechnung astronomischer Positionen. Entdeckt wurde er 1901 im Schiffswrack von Antikythera vor der griechischen Insel Antikythera zwischen Kythera und Kreta . Sein Ursprung wird auf etwa 100 v. Chr . datiert . Geräte vergleichbarer Komplexität wie der Mechanismus von Antikythera tauchten erst im 14. Jahrhundert wieder auf. ^{[ 7 ]}

Für astronomische und Navigationszwecke wurden zahlreiche mechanische Hilfsmittel zum Rechnen und Messen entwickelt. Die Planisphäre , eine Sternkarte, wurde Anfang des 11. Jahrhunderts von Abū Rayhān al-Bīrūnī erfunden. ^{[ 8 ]} Das Astrolab wurde in der hellenistischen Welt im 1. oder 2. Jahrhundert v. Chr. erfunden und wird oft Hipparchus zugeschrieben . Als Kombination aus Planisphäre und Dioptra war das Astrolab im Prinzip ein analoger Computer, der verschiedene Probleme der sphärischen Astronomie lösen konnte . Ein Astrolabium mit einem mechanischen Kalenderrechner [ ^{9 ] [ 10 ] und} Zahnrädern wurde 1235 von Abi Bakr aus Isfahan , Persien, erfunden. ^{[ 11 ]} Abū Rayhān al-Bīrūnī erfand um 1000 n. Chr . das erste mechanische, mit Zahnrädern ausgestattete Lunisolarkalender- Astrolabium ^{[ 12 ]} , eine frühe, festverdrahtete Wissensverarbeitungsmaschine [ ^{13 ] mit} einem Getriebe und Zahnrädern ^{[ 14 ] .}

Der Sektor , ein Recheninstrument zur Lösung von Problemen in Proportionen, Trigonometrie , Multiplikation und Division sowie für verschiedene Funktionen wie Quadrate und Kubikwurzeln, wurde im späten 16. Jahrhundert entwickelt und fand Anwendung in der Artillerie, der Vermessung und der Navigation.

Der Planimeter war ein manuelles Instrument zur Berechnung der Fläche einer geschlossenen Figur, indem er diese mit einem mechanischen Gestänge abfuhr.

Der Rechenschieber wurde um 1620–1630 von dem englischen Geistlichen William Oughtred erfunden , kurz nach der Veröffentlichung des Logarithmuskonzepts . Er ist ein handbetriebener Analogrechner für Multiplikation und Division. Im Zuge der Weiterentwicklung des Rechenschiebers ermöglichten zusätzliche Skalen die Berechnung von Kehrwerten, Quadraten und Quadratwurzeln, Kuben und Kubikwurzeln sowie transzendenten Funktionen wie Logarithmen und Exponentialfunktionen, Kreis- und Hyperbolischen Funktionen und anderen Funktionen . Rechenschieber mit speziellen Skalen werden noch heute für die schnelle Durchführung von Routineberechnungen verwendet, beispielsweise der kreisförmige Rechenschieber E6B, der für Zeit- und Entfernungsberechnungen in Leichtflugzeugen eingesetzt wird.

In den 1770er Jahren konstruierte der Schweizer Uhrmacher Pierre Jaquet-Droz eine mechanische Puppe (einen Automaten ), die mit einer Feder schreiben konnte. Durch Verändern der Anzahl und Reihenfolge ihrer inneren Räder ließen sich verschiedene Buchstaben und somit unterschiedliche Botschaften erzeugen. Sie konnte gewissermaßen mechanisch „programmiert“ werden, um Anweisungen zu lesen. Zusammen mit zwei weiteren komplexen Maschinen befindet sich die Puppe im Musée d’Art et d’Histoire in Neuchâtel , Schweiz , und ist noch immer funktionsfähig. ^{[ 15 ]}

In den Jahren 1831–1835 entwickelte der Mathematiker und Ingenieur Giovanni Plana eine Maschine zur Berechnung des ewigen Kalenders . Mithilfe eines Systems aus Rollen und Zylindern konnte diese Maschine den ewigen Kalender für jedes Jahr von 0 n. Chr. (d. h. 1 v. Chr.) bis 4000 n. Chr. berechnen und dabei Schaltjahre und die variierende Tageslänge berücksichtigen. Die 1872 von dem schottischen Wissenschaftler Sir William Thomson erfundene Gezeitenmaschine war für die Navigation in flachen Gewässern von großem Nutzen. Sie berechnete mithilfe eines Systems aus Rollen und Drähten automatisch die vorhergesagten Gezeitenstände für einen bestimmten Zeitraum an einem bestimmten Ort.

Der Differentialanalysator , ein mechanischer Analogrechner zur Lösung von Differentialgleichungen durch Integration , nutzte Rad-Scheiben-Mechanismen zur Integration. Bereits 1876 hatte Sir William Thomson die mögliche Konstruktion solcher Rechner erörtert, war jedoch durch das begrenzte Drehmoment der Kugel-Scheiben-Integratoren behindert worden . ^{[ 16 ]} In einem Differentialanalysator steuerte der Ausgang eines Integrators den Eingang des nächsten Integrators oder einen grafischen Ausgang. Der Drehmomentverstärker ermöglichte den Betrieb dieser Maschinen. Ab den 1920er Jahren entwickelten Vannevar Bush und andere mechanische Differentialanalysatoren.

In den 1890er Jahren begann der spanische Ingenieur Leonardo Torres Quevedo mit der Entwicklung einer Reihe fortschrittlicher Analogmaschinen , die reelle und komplexe Wurzeln von Polynomen berechnen konnten ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} , welche 1901 von der Pariser Akademie der Wissenschaften veröffentlicht wurden . ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

Diagramm eines Teils von Babbages Differenzmaschine

Die Differenzmaschine Nummer 2 im Labor von Intellectual Ventures in Seattle

Charles Babbage , ein englischer Maschinenbauingenieur und Universalgelehrter , entwickelte das Konzept des programmierbaren Computers. Er gilt als „ Vater des Computers “ ^{[ 23 ]} und konzipierte und erfand Anfang des 19. Jahrhunderts den ersten mechanischen Computer .

Nachdem er an seiner Differenzmaschine gearbeitet hatte , verkündete er seine Erfindung 1822 in einer Abhandlung für die Royal Astronomical Society mit dem Titel „Note on the application of machines to the computation of astronomical and mathematical tables“ ^{[ 24 ]} . Er entwarf auch eine Maschine zur Unterstützung von Navigationsberechnungen und erkannte 1833, dass ein wesentlich allgemeineres Design, eine analytische Maschine , möglich war. Die Eingabe von Programmen und Daten sollte über Lochkarten erfolgen , eine Methode, die damals zur Steuerung mechanischer Webstühle wie des Jacquard-Webstuhls verwendet wurde . Zur Ausgabe sollte die Maschine einen Drucker , einen Kurvenplotter und eine Glocke besitzen. Sie sollte außerdem Zahlen auf Karten stanzen können, die später ausgelesen werden konnten. Die Maschine sollte eine arithmetisch-logische Einheit , einen Kontrollfluss in Form von bedingten Verzweigungen und Schleifen sowie einen integrierten Speicher enthalten und war damit der erste Entwurf für einen Universalrechner, der in modernen Begriffen als Turing-vollständig beschrieben werden kann . ^{[ 25 ] [ 26 ]}

Die Maschine war ihrer Zeit um etwa ein Jahrhundert voraus. Alle Teile mussten von Hand gefertigt werden – ein enormes Problem bei einem Gerät mit Tausenden von Einzelteilen. Schließlich wurde das Projekt eingestellt, nachdem die britische Regierung die Finanzierung beendet hatte. Babbages Scheitern bei der Fertigstellung der Analytischen Maschine ist hauptsächlich auf politische und finanzielle Schwierigkeiten sowie seinen Wunsch zurückzuführen, einen immer ausgefeilteren Computer zu entwickeln und schneller voranzukommen als alle anderen. Sein Sohn Henry Babbage vollendete jedoch 1888 eine vereinfachte Version der Recheneinheit der Analytischen Maschine (die „ Mühle “). 1906 demonstrierte er erfolgreich deren Anwendung bei der Berechnung von Tabellen.

In seinem 1914 erschienenen Werk „Essays on Automatics“ beschrieb Leonardo Torres Quevedo kurz Babbages Bemühungen um den Bau einer mechanischen Differenzmaschine und einer analytischen Maschine. Die Abhandlung enthielt den Entwurf einer Maschine, die Formeln wie für eine Folge von Wertemengen berechnen konnte. Die gesamte Maschine sollte durch ein schreibgeschütztes Programm gesteuert werden, das auch bedingte Verzweigungen ermöglichte . Quevedo führte außerdem die Idee der Gleitkommaarithmetik ein . ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} 1920, zum 100. Jahrestag der Erfindung des Arithmometers , präsentierte Torres in Paris das elektromechanische Arithmometer. Dieses ermöglichte es dem Benutzer, Rechenaufgaben über eine Tastatur einzugeben und berechnete und ausdruckte die Ergebnisse. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} Damit demonstrierte er die Machbarkeit einer elektromechanischen analytischen Maschine. ^{[ 34 ]}${\displaystyle a^{x}(yz)^{2}}$

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden viele wissenschaftliche Rechenanforderungen durch immer ausgefeiltere Analogrechner erfüllt, die ein direktes mechanisches oder elektrisches Modell des Problems als Grundlage für die Berechnung nutzten . Diese waren jedoch nicht programmierbar und wiesen im Allgemeinen nicht die Vielseitigkeit und Genauigkeit moderner Digitalrechner auf. ^{[ 35 ]} Der erste moderne Analogrechner war eine Gezeitenvorhersagemaschine , die 1872 von Sir William Thomson (dem späteren Lord Kelvin) erfunden wurde. Der Differentialanalysator , ein mechanischer Analogrechner zur Lösung von Differentialgleichungen durch Integration mithilfe von Rad-Scheiben-Mechanismen, wurde 1876 von James Thomson , dem älteren Bruder des bekannteren Sir William Thomson, konzipiert. ^{[ 16 ]}

Die Kunst der mechanischen Analogrechnung erreichte ihren Höhepunkt mit dem Differentialanalysator , der 1931 von Vannevar Bush am MIT fertiggestellt wurde . ^{[ 36 ]} In den 1950er Jahren bedeutete der Erfolg digitaler elektronischer Computer das Ende für die meisten Analogrechner, aber Analogrechner blieben in den 1950er Jahren in einigen spezialisierten Anwendungen wie im Bildungsbereich ( Rechenschieber ) und in der Luftfahrt ( Steuerungssysteme ) im Einsatz.

Claude Shannons Masterarbeit aus dem Jahr 1937 legte den Grundstein für das digitale Rechnen. Seine Erkenntnis, die Boolesche Algebra auf die Analyse und Synthese von Schaltkreisen anzuwenden, ist das grundlegende Konzept, das allen elektronischen Digitalrechnern zugrunde liegt. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

Bis 1938 hatte die US-Marine den Torpedo-Datenrechner entwickelt , einen elektromechanischen Analogrechner für U-Boote , der mithilfe von Trigonometrie das Problem des Torpedoabschusses auf ein bewegliches Ziel löste. Während des Zweiten Weltkriegs wurden in anderen Ländern ähnliche Geräte entwickelt. ^{[ 39 ]}

Frühe Digitalrechner waren elektromechanisch ; elektrische Schalter steuerten mechanische Relais zur Durchführung der Berechnungen. Diese Geräte arbeiteten langsam und wurden schließlich von wesentlich schnelleren vollelektrischen Rechnern abgelöst, die ursprünglich mit Elektronenröhren arbeiteten . Der Z2 , 1939 von dem deutschen Ingenieur Konrad Zuse in Berlin entwickelt , war eines der frühesten Beispiele für einen elektromechanischen Relaisrechner. ^{[ 40 ]}

1941 entwickelte Zuse nach seiner vorherigen Maschine den Z3 , den weltweit ersten funktionsfähigen elektromechanischen , programmierbaren und vollautomatischen Digitalrechner. ^{[ 43 ] [ 44 ]} Der Z3 war mit 2000 Relais ausgestattet und implementierte eine Wortlänge von 22 Bit bei einer Taktfrequenz von etwa 5–10 Hz . ^{[ 45 ]} Der Programmcode wurde auf Lochstreifen gespeichert, während Daten in 64 Wörtern Speicher abgelegt oder über die Tastatur eingegeben werden konnten. In mancher Hinsicht ähnelte er modernen Rechnern und leistete Pionierarbeit bei zahlreichen Neuerungen wie der Gleitkommadarstellung . Anstelle des schwieriger zu implementierenden Dezimalsystems (das in Charles Babbages früherem Entwurf verwendet wurde) ermöglichte das Binärsystem den einfacheren Bau und – angesichts der damals verfügbaren Technologien – eine höhere Zuverlässigkeit der Zuse-Maschinen. ^{[ 46 ]} Der Z3 war selbst kein Universalrechner, konnte aber Turing-vollständig erweitert werden . ^{[ 47 ] [ 48 ]}

Zuses nächster Computer, der Z4 , wurde der weltweit erste kommerzielle Computer. Nach anfänglichen Verzögerungen durch den Zweiten Weltkrieg wurde er 1950 fertiggestellt und an die ETH Zürich ausgeliefert . ^{[ 49 ]} Der Computer wurde von Zuses eigener Firma, der Zuse KG , hergestellt, die 1941 als erstes Unternehmen in Berlin mit dem alleinigen Zweck der Computerentwicklung gegründet worden war. ^{[ 49 ]} Der Z4 diente als Inspiration für den Bau des ERMETH , des ersten Schweizer Computers und eines der ersten in Europa. ^{[ 50 ]}

Rein elektronische Schaltungselemente ersetzten bald ihre mechanischen und elektromechanischen Pendants, parallel zur Ablösung analoger durch digitale Rechenverfahren. Der Ingenieur Tommy Flowers , der in den 1930er Jahren an der Forschungsstation der Post in London arbeitete, begann, die Einsatzmöglichkeiten von Elektronik für die Telefonzentrale zu erforschen . Die von ihm 1934 gebauten experimentellen Geräte gingen fünf Jahre später in Betrieb und wandelten einen Teil des Telefonnetzes mithilfe Tausender Elektronenröhren in ein elektronisches Datenverarbeitungssystem um . ^{[ 35 ]} In den USA entwickelten und testeten John Vincent Atanasoff und Clifford E. Berry von der Iowa State University 1942 den Atanasoff-Berry-Computer (ABC), ^{[ 51 ]} den ersten „automatischen elektronischen Digitalrechner“. ^{[ 52 ]} Auch dieser Rechner war vollelektronisch und verwendete etwa 300 Elektronenröhren. Die Speicherkapazität bestand aus in einer mechanisch rotierenden Trommel fixierten Kondensatoren. ^{[ 53 ]}

Während des Zweiten Weltkriegs erzielten die britischen Codeknacker in Bletchley Park mehrere Erfolge bei der Entschlüsselung der deutschen Militärkommunikation. Die deutsche Verschlüsselungsmaschine Enigma wurde zunächst mithilfe der elektromechanischen Bomben angegriffen , die häufig von Frauen bedient wurden. ^{[ 54 ] [ 55 ]} Um die komplexere deutsche Lorenz SZ 40/42 , die für die Kommunikation der höheren Heeresebenen eingesetzt wurde, zu knacken, beauftragten Max Newman und seine Kollegen Flowers mit dem Bau der Colossus . ^{[ 53 ]} Er verbrachte elf Monate, von Anfang Februar 1943 an, mit der Entwicklung und dem Bau der ersten Colossus. ^{[ 56 ]} Nach einem Funktionstest im Dezember 1943 wurde die Colossus nach Bletchley Park verschifft, wo sie am 18. Januar 1944 eintraf ^{[ 57 ]} und am 5. Februar ihre erste Nachricht entschlüsselte. ^{[ 53 ]}

Colossus war der weltweit erste elektronische, programmierbare Digitalrechner. ^{[ 35 ]} Er verwendete eine große Anzahl von Elektronenröhren. Er verfügte über Lochstreifen als Eingabe und konnte so konfiguriert werden, dass er verschiedene algebraische Operationen der Booleschen Logik auf seine Daten anwandte, war aber nicht Turing-vollständig. Neun Mk II Colossi wurden gebaut (der Mk I wurde zu einem Mk II umgebaut, sodass insgesamt zehn Maschinen existierten). Colossus Mark I enthielt 1.500 Elektronenröhren, Mark II mit 2.400 Röhren war jedoch fünfmal schneller und einfacher zu bedienen als Mark I, was den Dekodierungsprozess erheblich beschleunigte. ^{[ 58 ] [ 59 ]}

Der ENIAC ^{[ 60 ]} (Electronic Numerical Integrator and Computer) war der erste in den USA gebaute programmierbare Computer. Obwohl der ENIAC dem Colossus ähnelte, war er deutlich schneller, flexibler und Turing-vollständig. Wie beim Colossus wurde ein „Programm“ auf dem ENIAC durch die Zustände seiner Anschlusskabel und Schalter definiert – ein großer Unterschied zu den später entwickelten speicherprogrammierbaren Computern. Sobald ein Programm geschrieben war, musste es mechanisch in die Maschine eingespielt werden, indem Stecker und Schalter manuell zurückgesetzt wurden. Die Programmiererinnen des ENIAC waren sechs Frauen, die oft gemeinsam als die „ENIAC-Girls“ bezeichnet wurden. ^{[ 61 ] [ 62 ]}

Der ENIAC vereinte die hohe Geschwindigkeit elektronischer Schaltungen mit der Möglichkeit, für viele komplexe Probleme programmiert zu werden. Er konnte 5000 Mal pro Sekunde addieren oder subtrahieren – tausendmal schneller als jede andere Maschine. Außerdem verfügte er über Module zum Multiplizieren, Dividieren und Wurzelziehen. Der Hochgeschwindigkeitsspeicher war auf 20 Wörter (etwa 80 Byte) begrenzt. Unter der Leitung von John Mauchly und J. Presper Eckert an der University of Pennsylvania wurde der ENIAC von 1943 bis Ende 1945 entwickelt und gebaut und nahm seinen Betrieb vollständig auf. Die Maschine war riesig: Sie wog 30 Tonnen, verbrauchte 200 Kilowatt elektrische Leistung und enthielt über 18.000 Elektronenröhren, 1500 Relais und Hunderttausende von Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten. ^{[ 63 ]}

Das Prinzip des modernen Computers wurde von Alan Turing in seiner bahnbrechenden Arbeit „ Über berechenbare Zahlen“ von 1936 ^{[ 64 ]} vorgeschlagen . Turing schlug ein einfaches Gerät vor, das er „Universelle Rechenmaschine“ nannte und das heute als universelle Turingmaschine bekannt ist . Er bewies, dass eine solche Maschine alles Berechenbare berechnen kann, indem sie auf einem Band gespeicherte Anweisungen (Programme) ausführt und somit programmierbar wird. Das Grundkonzept von Turings Entwurf ist das gespeicherte Programm , in dem alle Rechenanweisungen im Speicher abgelegt sind. Von Neumann bestätigte, dass das zentrale Konzept des modernen Computers auf diese Arbeit zurückgeht. ^{[ 65 ]} Turingmaschinen sind bis heute ein zentrales Forschungsobjekt der Berechenbarkeitstheorie . Abgesehen von den Einschränkungen durch ihren endlichen Speicher gelten moderne Computer als Turing-vollständig , d. h., sie verfügen über eine algorithmische Ausführungsfähigkeit, die der einer universellen Turingmaschine entspricht.

Frühe Rechenmaschinen arbeiteten mit festen Programmen. Eine Funktionsänderung erforderte die Neuverdrahtung und Umstrukturierung der Maschine. ^{[ 53 ]} Mit dem Vorschlag des speicherprogrammierbaren Computers änderte sich dies. Ein speicherprogrammierbarer Computer verfügt konstruktionsbedingt über einen Befehlssatz und kann eine Reihe von Anweisungen (ein Programm ) im Speicher ablegen, die die Berechnung detailliert beschreiben . Die theoretischen Grundlagen des speicherprogrammierbaren Computers wurden von Alan Turing in seiner Arbeit von 1936 dargelegt. 1945 trat Turing dem National Physical Laboratory bei und begann mit der Entwicklung eines elektronischen speicherprogrammierbaren Digitalrechners. Sein Bericht „Proposed Electronic Calculator“ von 1945 war die erste Spezifikation für ein solches Gerät. John von Neumann von der University of Pennsylvania veröffentlichte 1945 ebenfalls seinen ersten Entwurf eines Berichts über den EDVAC. ^{[ 35 ]}

Der Manchester Baby war der weltweit erste Computer mit gespeichertem Programm . Er wurde an der Universität Manchester in England von Frederic C. Williams , Tom Kilburn und Geoff Tootill gebaut und führte sein erstes Programm am 21. Juni 1948 aus. ^{[ 66 ]} Er diente als Testplattform für die Williams-Röhre , das erste digitale Speichermedium mit Direktzugriff . ^{[ 67 ]} Obwohl der Computer in einer Retrospektive von 1998 als „klein und primitiv“ beschrieben wurde, war er die erste funktionierende Maschine, die alle wesentlichen Elemente eines modernen elektronischen Computers enthielt. ^{[ 68 ]} Nachdem der Baby die Machbarkeit seines Designs unter Beweis gestellt hatte, begann an der Universität ein Projekt zur Weiterentwicklung zu einem praktisch nutzbaren Computer, dem Manchester Mark 1 .

Der Mark 1 wurde wiederum schnell zum Prototyp des Ferranti Mark 1 , dem weltweit ersten kommerziell erhältlichen Universalrechner. ^{[ 69 ]} Er wurde von Ferranti gebaut und im Februar 1951 an die Universität Manchester ausgeliefert. Mindestens sieben dieser späteren Maschinen wurden zwischen 1953 und 1957 ausgeliefert, eine davon an die Shell- Labore in Amsterdam . ^{[ 70 ]} Im Oktober 1947 beschlossen die Direktoren des britischen Catering-Unternehmens J. Lyons & Company, die kommerzielle Entwicklung von Computern aktiv zu fördern. Der LEO I- Computer von Lyons, der dem Cambridge EDSAC von 1949 nachempfunden war , nahm im April 1951 seinen Betrieb auf ^{[ 71 ]} und führte die weltweit erste routinemäßige Büroarbeit mit einem Computer aus .

Das Konzept des Feldeffekttransistors wurde 1925 von Julius Edgar Lilienfeld vorgeschlagen . John Bardeen und Walter Brattain bauten 1947 unter William Shockley bei den Bell Labs den ersten funktionierenden Transistor , den Punktkontakttransistor . Shockleys Bipolartransistor folgte 1948. ^{[ 72 ] [ 73 ]} Ab 1955 ersetzten Transistoren die Elektronenröhren in Computerdesigns und begründeten so die „zweite Generation“ von Computern. Im Vergleich zu Elektronenröhren bieten Transistoren viele Vorteile: Sie sind kleiner, benötigen weniger Strom und erzeugen daher weniger Wärme. Bipolartransistoren waren deutlich zuverlässiger und hatten eine längere, nahezu unbegrenzte Lebensdauer. Transistorbasierte Computer konnten Zehntausende binäre Logikschaltungen auf relativ kleinem Raum unterbringen. Allerdings waren frühe Bipolartransistoren relativ sperrige Bauteile, deren Massenproduktion schwierig war , was ihren Einsatz auf wenige Spezialanwendungen beschränkte. ^{[ 74 ]}

An der Universität Manchester entwickelte und baute ein Team unter der Leitung von Tom Kilburn eine Maschine, die anstelle von Elektronenröhren die neu entwickelten Transistoren nutzte. ^{[ 75 ]} Ihr erster transistorisierter Computer und der erste weltweit war 1953 betriebsbereit , eine zweite Version wurde dort im April 1955 fertiggestellt. Allerdings verwendete die Maschine Elektronenröhren zur Erzeugung ihrer 125-kHz-Taktsignale und in der Schaltung zum Lesen und Schreiben auf ihrem Magnettrommelspeicher . Sie war daher nicht der erste vollständig transistorisierte Computer. Diese Ehre gebührt dem Harwell CADET von 1955, ^{[ 76 ]} der von der Elektronikabteilung der Atomenergie-Forschungsanstalt in Harwell gebaut wurde . ^{[ 76 ] [ 77 ]}

Der Metall-Oxid-Silizium-Feldeffekttransistor (MOSFET), auch MOS-Transistor genannt, wurde zwischen 1955 und 1960 in den Bell Labs entwickelt ^{[ 78 ] [ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ] [ 83 ]} und war der erste wirklich kompakte Transistor, der miniaturisiert und für vielfältige Anwendungen in Massenproduktion hergestellt werden konnte ^{[ 74 ]} . Dank seiner hohen Skalierbarkeit ^{[ 84 ]} , des deutlich geringeren Stromverbrauchs und der höheren Dichte im Vergleich zu Bipolartransistoren ^{[ 85 ]} ermöglichte der MOSFET die Herstellung hochdichter integrierter Schaltungen ^{[ 86 ] [ 87 ]} . Neben der Datenverarbeitung ermöglichte er auch den praktischen Einsatz von MOS-Transistoren als Speicherelemente und führte zur Entwicklung des MOS- Halbleiterspeichers , der den früheren Magnetkernspeicher in Computern ablöste. Der MOSFET führte zur Mikrocomputer-Revolution [ ^{88 ]} und wurde zur treibenden Kraft der Computerrevolution ^{[ 89 ] [ 90 ]} . Der MOSFET ist der am weitesten verbreitete Transistor in Computern ^{[ 91 ] [ 92 ]} und der grundlegende Baustein der ^digitalen Elektronik ^{[ 93 ]} .

Der nächste große Fortschritt in der Rechenleistung erfolgte mit dem Aufkommen des integrierten Schaltkreises (IC). Die Idee des integrierten Schaltkreises wurde erstmals von dem Radarwissenschaftler Geoffrey WA Dummer entwickelt , der für die Royal Radar Establishment des Verteidigungsministeriums arbeitete . Dummer präsentierte die erste öffentliche Beschreibung eines integrierten Schaltkreises auf dem Symposium on Progress in Quality Electronic Components am 7. Mai 1952 in Washington, DC . ^{[ 94 ]}

Die ersten funktionsfähigen integrierten Schaltungen (ICs) wurden von Jack Kilby bei Texas Instruments und Robert Noyce bei Fairchild Semiconductor entwickelt . ^{[ 95 ]} Kilby hielt seine ersten Ideen zum integrierten Schaltkreis im Juli 1958 fest und demonstrierte am 12. September 1958 erfolgreich das erste funktionsfähige integrierte Beispiel. ^{[ 96 ]} In seiner Patentanmeldung vom 6. Februar 1959 beschrieb Kilby sein neues Gerät als „einen Körper aus Halbleitermaterial …, in dem alle Komponenten der elektronischen Schaltung vollständig integriert sind“. ^{[ 97 ] [ 98 ]} Kilbys Erfindung war jedoch ein hybrider integrierter Schaltkreis (Hybrid-IC) und kein monolithischer integrierter Schaltkreis (IC). ^{[ 99 ]} Kilbys IC hatte externe Drahtverbindungen, was die Massenproduktion erschwerte. ^{[ 100 ]}

Noyce entwickelte ein halbes Jahr nach Kilby seine eigene Idee für einen integrierten Schaltkreis. ^{[ 101 ]} Noyces Erfindung war der erste wirklich monolithische IC-Chip und löste viele praktische Probleme, die Kilbys Chip nicht hatte. ^{[ 102 ] [ 100 ]} Er wurde bei Fairchild Semiconductor hergestellt und bestand aus Silizium , während Kilbys Chip aus Germanium gefertigt war . Noyces monolithischer IC wurde im Planarverfahren hergestellt , das sein Kollege Jean Hoerni Anfang 1959 entwickelt hatte. Dieses Planarverfahren wiederum basierte auf den Arbeiten von Carl Frosch und Lincoln Derick zur Oberflächenpassivierung von Halbleitern mit Siliziumdioxid. ^{[ 103 ] [ 104 ] [ 105 ] [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ]}

Moderne monolithische integrierte Schaltungen (ICs) sind überwiegend MOS-Schaltungen ( Metall-Oxid-Halbleiter ), die aus MOSFETs (MOS-Transistoren) aufgebaut sind. ^{[ 109 ]} Der erste experimentelle MOS-IC war ein 16-Transistor-Chip, der 1962 von Fred Heiman und Steven Hofstein bei RCA entwickelt wurde. ^{[ 110 ]} General Microelectronics brachte 1964 den ersten kommerziellen MOS-IC auf den Markt, ^{[ 111 ]} der von Robert Norman entwickelt worden war. ^{[ 110 ]} Nach der Entwicklung des selbstjustierenden MOS-Transistors (Silizium-Gate) durch Robert Kerwin, Donald Klein und John Sarace bei den Bell Labs im Jahr 1967 entwickelte Federico Faggin bei Fairchild Semiconductor 1968 den ersten Silizium-Gate -MOS-IC mit selbstjustierenden Gates. ^{[ 112 ]} Der MOSFET ist seither die wichtigste Komponente in modernen integrierten Schaltungen. ^{[ 109 ]}

^{Die Entwicklung des MOS -} integrierten Schaltkreises führte zur Erfindung des Mikroprozessors [ ^{113 , 114 ]} und leitete einen explosionsartigen Anstieg der kommerziellen und privaten Computernutzung ein. Obwohl die Frage, welches Gerät der erste Mikroprozessor war, umstritten ist – teilweise aufgrund fehlender Einigkeit über die genaue Definition des Begriffs „Mikroprozessor“ –, gilt der Intel 4004 [115] als erster Ein-Chip-Mikroprozessor. Er wurde ^von Federico Faggin ^{mit seiner Silizium} -Gate-MOS-IC-Technologie [113] zusammen mit Ted Hoff, Masatoshi Shima und Stanley Mazor bei Intel entwickelt und realisiert ^{. [ b} , 117 ] ^Anfang der 1970er - Jahre ermöglichte die ^{MOS - IC - Technologie} die Integration von mehr als 10.000 Transistoren auf einem einzigen Chip. ^{[ 87 ]}

System-on-a-Chip (SoC) sind vollständige Computer auf einem Mikrochip (oder Chip) von der Größe einer Münze. ^{[ 118 ]} Sie können über integrierten Arbeitsspeicher (RAM ) und Flash-Speicher verfügen oder nicht . Falls nicht integriert, befindet sich der RAM üblicherweise direkt über (sogenanntes Package-on-Package ) oder unter (auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte ) dem SoC, und der Flash-Speicher ist in der Regel direkt neben dem SoC angeordnet. Dies dient der Verbesserung der Datenübertragungsgeschwindigkeit, da die Datensignale keine langen Strecken zurücklegen müssen. Seit ENIAC im Jahr 1945 haben sich Computer enorm weiterentwickelt. Moderne SoCs (wie der Snapdragon 865) sind zwar nur so groß wie eine Münze, aber dennoch Hunderttausende Male leistungsfähiger als ENIAC, da sie Milliarden von Transistoren integrieren und nur wenige Watt verbrauchen.

Die ersten mobilen Computer waren schwer und benötigten Netzstrom. Der 23 kg schwere IBM 5100 war ein frühes Beispiel. Spätere tragbare Geräte wie der Osborne 1 und der Compaq Portable waren deutlich leichter, mussten aber weiterhin an eine Steckdose angeschlossen werden. Die ersten Laptops, wie der Grid Compass , machten diese Abhängigkeit durch den Einsatz von Akkus überflüssig – und mit der fortschreitenden Miniaturisierung der Rechenleistung und der Verbesserung der Akkulaufzeiten tragbarer Computer gewannen diese in den 2000er-Jahren an Popularität. ^{[ 119 ]} Dieselben Entwicklungen ermöglichten es den Herstellern, Anfang der 2000er-Jahre Rechenleistung in Mobiltelefone zu integrieren.

Diese Smartphones und Tablets laufen mit einer Vielzahl von Betriebssystemen und haben sich in letzter Zeit zum dominierenden Computergerät auf dem Markt entwickelt. ^{[ 120 ]} Sie werden von System-on-a-Chip (SoCs) angetrieben, die vollständige Computer auf einem Mikrochip von der Größe einer Münze darstellen. ^{[ 118 ]}

Computer können auf verschiedene Arten klassifiziert werden, unter anderem:

• Analogrechner
• Digitalrechner
• Hybridcomputer
• Harvard-Architektur
• Von-Neumann-Architektur
• Computer mit komplexem Befehlssatz
• Reduzierter Befehlssatzcomputer

• Supercomputer
• Großrechner
• Minicomputer (Begriff nicht mehr gebräuchlich), ^{[ 121 ]} Mittelklasse-Computer
• Server
  • Rackmount-Server
  • Blade-Server
  • Tower-Server
• Personalcomputer
  • Arbeitsplatz
  • Mikrocomputer (Begriff nicht mehr gebräuchlich) ^{[ 122 ]}
    • Heimcomputer (Begriff außer Gebrauch geraten) ^{[ 123 ]}
  • Desktop-Computer
    • Tower-Desktop
    • Schlanker Desktop
      • Multimedia-Computer ( Computer für nichtlineare Schnittsysteme , Videobearbeitungs-PCs und dergleichen, dieser Begriff wird nicht mehr verwendet) ^{[ 124 ]}
      • Gaming-Computer
    • All-in-One-PC
    • Nettop ( Small Form Factor PCs , Mini-PCs)
    • Heimkino-PC
    • Tastatur-Computer
    • Tragbarer Computer
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    • Internetgerät
  • Laptop-Computer
    • Desktop-Ersatzcomputer
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    • Robuster Laptop
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    • Chromebook
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  • Mobilcomputer
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    • Smartphone
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    • Pocket PC
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    • Handheld-PC
    • Taschencomputer
  • Tragbarer Computer
    • Smartwatch
    • Smartglasses
• Einplatinencomputer
• Computer anschließen
• Stick-PC
• Programmierbare Logiksteuerung
• Computer-on-Module
• System auf Modul
• System in einem Paket
• System-on-Chip (auch bekannt als Anwendungsprozessor oder AP, wenn er keine Schaltkreise wie z. B. Funkschaltungen enthält)
• Mikrocontroller

Ein Computer muss weder elektronisch sein , noch einen Prozessor , Arbeitsspeicher oder gar eine Festplatte besitzen . Obwohl der Begriff „Computer“ im allgemeinen Sprachgebrauch oft synonym mit einem Personalcomputer verwendet wird, ^{[ c ]} lautet eine gängige moderne Definition eines Computers: „ Ein Gerät, das Berechnungen durchführt , insbesondere eine programmierbare [üblicherweise] elektronische Maschine, die mathematische oder logische Operationen in hoher Geschwindigkeit ausführt oder Informationen sammelt, speichert, verknüpft oder auf andere Weise verarbeitet.“ ^{[ 125 ]} Gemäß dieser Definition gilt jedes Gerät, das Informationen verarbeitet, als Computer.

Der Begriff Hardware umfasst alle greifbaren physischen Teile eines Computers. Schaltkreise , Computerchips, Grafikkarten, Soundkarten, Arbeitsspeicher (RAM), Motherboard, Bildschirme, Netzteile, Kabel, Tastaturen, Drucker und Computermäuse zählen allesamt zur Hardware.

Ein Universalrechner besteht aus vier Hauptkomponenten: der arithmetisch-logischen Einheit (ALU), der Steuereinheit , dem Speicher und den Ein- und Ausgabegeräten (zusammenfassend als E/A bezeichnet). Diese Komponenten sind über Busse , oft bestehend aus Drahtbündeln , miteinander verbunden . In jeder dieser Komponenten befinden sich Tausende bis Billionen kleiner elektrischer Schaltkreise , die mittels eines elektronischen Schalters ein- und ausgeschaltet werden können . Jeder Schaltkreis repräsentiert ein Bit (eine Binärziffer) an Information: Ist der Schaltkreis eingeschaltet, entspricht er einer „1“, ist er ausgeschaltet, entspricht er einer „0“ (in positiver Logik). Die Schaltkreise sind in Logikgattern angeordnet , sodass ein oder mehrere Schaltkreise den Zustand eines oder mehrerer anderer Schaltkreise steuern können.

Eingabegeräte sind die Mittel, mit denen die Abläufe eines Computers gesteuert und er mit Daten versorgt wird. Beispiele hierfür sind:

• Computertastatur
• Digitalkamera
• Grafiktablett
• Bildscanner
• Joystick
• Mikrofon
• Maus
• Overlay-Tastatur
• Echtzeituhr
• Trackball
• Touch-Screen
• Lichtgriffel

Ausgabegeräte sind die Mittel, mit denen ein Computer die Ergebnisse seiner Berechnungen in einer für den Menschen verständlichen Form bereitstellt. Beispiele hierfür sind:

• Computermonitor
• Drucker
• PC-Lautsprecher
• Projektor
• Soundkarte
• Grafikkarte

Die Steuereinheit (oft auch Steuerungssystem oder zentrale Steuereinheit genannt) verwaltet die verschiedenen Komponenten des Computers; sie liest und interpretiert (dekodiert) die Programmbefehle und wandelt sie in Steuersignale um, die andere Teile des Computers aktivieren. ^{[ e ]} Steuerungssysteme in modernen Computern können die Ausführungsreihenfolge einiger Befehle ändern, um die Leistung zu verbessern.

Eine allen CPUs gemeinsame Schlüsselkomponente ist der Programmzähler , eine spezielle Speicherzelle (ein Register ), die speichert, von welcher Speicheradresse der nächste Befehl gelesen werden soll. ^{[ f ]}

Die Funktionsweise des Steuerungssystems ist wie folgt – dies ist eine vereinfachte Beschreibung, und einige dieser Schritte können je nach CPU-Typ gleichzeitig oder in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden:

1. Lesen Sie den Code für die nächste Anweisung aus der Zelle, die vom Programmzähler angezeigt wird.
2. Dekodieren Sie den numerischen Code für die Anweisung in eine Reihe von Befehlen oder Signalen für jedes der anderen Systeme.
3. Erhöhen Sie den Programmzähler, sodass er auf die nächste Anweisung zeigt.
4. Lesen Sie die für den Befehl benötigten Daten aus den Speicherzellen (oder gegebenenfalls von einem Eingabegerät). Der Speicherort dieser benötigten Daten ist üblicherweise im Befehlscode gespeichert.
5. Stellen Sie die erforderlichen Daten einer ALU oder einem Register zur Verfügung.
6. Falls für die Ausführung des Befehls eine ALU oder spezielle Hardware erforderlich ist, weisen Sie die Hardware an, die angeforderte Operation durchzuführen.
7. Schreiben Sie das Ergebnis der ALU zurück in eine Speicherzelle, in ein Register oder gegebenenfalls in ein Ausgabegerät.
8. Springe zurück zu Schritt (1).

Konzeptionell ist der Programmzähler lediglich ein weiterer Satz von Speicherzellen und kann daher durch Berechnungen in der ALU verändert werden. Eine Erhöhung des Programmzählers um 100 bewirkt, dass die nächste Anweisung 100 Speicherstellen weiter unten im Programm gelesen wird. Anweisungen, die den Programmzähler verändern, werden oft als „Sprünge“ bezeichnet und ermöglichen Schleifen (Anweisungen, die vom Computer wiederholt werden) sowie häufig die bedingte Ausführung von Anweisungen (beides Beispiele für Kontrollstrukturen ).

Die Abfolge der Operationen, die die Steuereinheit zur Verarbeitung eines Befehls durchläuft, ähnelt an sich einem kurzen Computerprogramm, und in einigen komplexeren CPU-Designs gibt es sogar einen weiteren, noch kleineren Computer, den sogenannten Mikrosequenzer , der ein Mikrocode- Programm ausführt, das all diese Ereignisse auslöst.

Die Steuereinheit, die ALU und die Register werden zusammen als Zentraleinheit (CPU) bezeichnet. Frühe CPUs bestanden aus vielen separaten Komponenten. Seit den 1970er Jahren werden CPUs typischerweise auf einem einzigen MOS-integrierten Schaltkreis, dem sogenannten Mikroprozessor , aufgebaut .

Die ALU kann zwei Arten von Operationen ausführen: arithmetische und logische. ^{[ 126 ]} Die von einer bestimmten ALU unterstützten arithmetischen Operationen können auf Addition und Subtraktion beschränkt sein oder auch Multiplikation, Division, trigonometrische Funktionen wie Sinus, Kosinus usw. und Quadratwurzeln umfassen . Manche ALUs können nur mit ganzen Zahlen ( Integern ) arbeiten, während andere Gleitkommazahlen verwenden, um reelle Zahlen darzustellen , allerdings mit begrenzter Genauigkeit. Jeder Computer, der die einfachsten Operationen ausführen kann, kann jedoch so programmiert werden, dass er komplexere Operationen in einfache, ausführbare Schritte zerlegt. Daher kann jeder Computer so programmiert werden, dass er jede beliebige arithmetische Operation ausführt – allerdings dauert dies länger, wenn seine ALU die Operation nicht direkt unterstützt. Eine ALU kann auch Zahlen vergleichen und boolesche Wahrheitswerte (wahr oder falsch) zurückgeben, je nachdem, ob eine Zahl gleich, größer oder kleiner als die andere ist („Ist 64 größer als 65?“). Logische Operationen basieren auf der Booleschen Logik : UND , ODER , XOR und NICHT . Diese können nützlich sein, um komplexe bedingte Anweisungen zu erstellen und Boolesche Logik zu verarbeiten .

Superskalare Computer können mehrere ALUs enthalten, wodurch sie mehrere Befehle gleichzeitig verarbeiten können. ^{[ 127 ]} Grafikprozessoren und Computer mit SIMD- und MIMD -Funktionen enthalten häufig ALUs, die arithmetische Operationen mit Vektoren und Matrizen durchführen können .

Der Arbeitsspeicher eines Computers kann als Liste von Zellen betrachtet werden, in die Zahlen geschrieben oder ausgelesen werden können. Jede Zelle hat eine nummerierte „Adresse“ und kann genau eine Zahl speichern. Dem Computer kann beispielsweise befohlen werden, „die Zahl 123 in die Zelle mit der Nummer 1357 zu schreiben“ oder „die Zahl in Zelle 1357 mit der Zahl in Zelle 2468 zu addieren und das Ergebnis in Zelle 1595 zu schreiben“. Die im Speicher abgelegten Informationen können praktisch alles darstellen. Buchstaben, Zahlen, sogar Computerbefehle lassen sich problemlos im Speicher ablegen. Da die CPU nicht zwischen verschiedenen Informationstypen unterscheidet, ist es Aufgabe der Software, den vom Speicher lediglich als Zahlenfolge wahrgenommenen Daten Bedeutung zu verleihen.

In fast allen modernen Computern ist jede Speicherzelle so aufgebaut, dass sie Binärzahlen in Achtergruppen von Bits (Bytes ) speichert . Jedes Byte kann 2⁵⁶ verschiedene Zahlen darstellen (2^⁸ = 2⁵⁶); entweder von 0 bis 2⁵⁵ oder von −128 bis +127. Um größere Zahlen zu speichern, können mehrere aufeinanderfolgende Bytes verwendet werden (typischerweise zwei, vier oder acht). Negative Zahlen werden üblicherweise im Zweierkomplement gespeichert . Andere Darstellungsformen sind zwar möglich, kommen aber außerhalb spezialisierter Anwendungen oder historischer Kontexte kaum vor. Ein Computer kann jede Art von Information im Speicher ablegen, sofern sie numerisch darstellbar ist. Moderne Computer verfügen über Milliarden oder sogar Billionen von Bytes Speicherplatz.

Die CPU verfügt über spezielle Speicherzellen, sogenannte Register , die deutlich schneller gelesen und beschrieben werden können als der Hauptspeicher. Je nach CPU-Typ gibt es typischerweise zwischen zwei und einhundert Register. Register werden für die am häufigsten benötigten Daten verwendet, um den Zugriff auf den Hauptspeicher bei jedem Datenbedarf zu vermeiden. Da Daten ständig verarbeitet werden, erhöht die Reduzierung der Zugriffe auf den Hauptspeicher (der im Vergleich zur ALU und den Steuereinheiten oft langsam ist) die Geschwindigkeit des Computers erheblich.

Der Hauptspeicher eines Computers lässt sich in zwei Hauptvarianten unterteilen:

• Arbeitsspeicher (RAM)
• Festwertspeicher oder ROM

Der Arbeitsspeicher (RAM) kann jederzeit von der CPU gelesen und beschrieben werden, während der ROM-Speicher mit unveränderlichen Daten und Software vorbelegt ist. Daher kann die CPU nur daraus lesen. Der ROM-Speicher speichert typischerweise die Startanweisungen des Computers. Im Allgemeinen werden die Daten im RAM-Speicher beim Ausschalten des Computers gelöscht, während der ROM-Speicher seine Daten dauerhaft speichert. In einem PC enthält der ROM-Speicher ein spezielles Programm, das BIOS , welches das Laden des Betriebssystems von der Festplatte in den RAM steuert, sobald der Computer eingeschaltet oder neu gestartet wird. In eingebetteten Systemen , die häufig keine Festplatte besitzen, kann die gesamte benötigte Software im ROM-Speicher abgelegt sein. Die im ROM-Speicher gespeicherte Software wird oft als Firmware bezeichnet , da sie eher Hardware als Software ähnelt. Flash-Speicher verwischen die Grenzen zwischen ROM und RAM, da er seine Daten auch nach dem Ausschalten speichert und wiederbeschreibbar ist. Er ist jedoch typischerweise deutlich langsamer als herkömmlicher ROM- und RAM-Speicher, weshalb seine Verwendung auf Anwendungen beschränkt ist, bei denen hohe Geschwindigkeit nicht erforderlich ist. ^{[ g ]}

In leistungsfähigeren Computern gibt es oft einen oder mehrere RAM -Cache-Speicher , die langsamer als Register, aber schneller als der Hauptspeicher sind. Computer mit einem solchen Cache sind in der Regel so konzipiert, dass häufig benötigte Daten automatisch in den Cache geladen werden, oft ohne dass der Programmierer eingreifen muss.

Ein-/Ausgabe (E/A) bezeichnet die Art und Weise, wie ein Computer Informationen mit der Außenwelt austauscht. ^{[ 129 ]} Geräte, die Eingaben oder Ausgaben für den Computer ermöglichen, werden als Peripheriegeräte bezeichnet . ^{[ 130 ]} Bei einem typischen PC umfassen Peripheriegeräte Eingabegeräte wie Tastatur und Maus sowie Ausgabegeräte wie Bildschirm und Drucker . Festplatten , Diskettenlaufwerke und optische Laufwerke dienen sowohl als Eingabe- als auch als Ausgabegeräte. Computernetzwerke stellen eine weitere Form der E/A dar. E/A-Geräte sind oft eigenständige, komplexe Computer mit eigener CPU und eigenem Speicher. Eine Grafikprozessoreinheit (GPU) kann fünfzig oder mehr kleine Computer enthalten, die die für die Darstellung von 3D-Grafiken notwendigen Berechnungen durchführen . Moderne Desktop-Computer enthalten viele kleinere Computer, die die Haupt-CPU bei der E/A unterstützen. Ein Flachbildschirm aus dem Jahr 2016 enthält seine eigene Computerschaltung.

Während ein Computer im Allgemeinen als System betrachtet werden kann, das ein einziges, riesiges Programm im Hauptspeicher ausführt, ist es in manchen Systemen notwendig, den Anschein zu erwecken, mehrere Programme gleichzeitig auszuführen. Dies wird durch Multitasking erreicht, d. h. durch schnelles Umschalten zwischen der Ausführung der einzelnen Programme nacheinander. ^{[ 131 ]}

Eine Möglichkeit hierfür ist ein spezielles Signal, der sogenannte Interrupt . Dieser kann den Computer periodisch veranlassen, die Ausführung von Anweisungen an der aktuellen Position zu unterbrechen und stattdessen eine andere Aufgabe zu erledigen. Da sich der Computer merkt, wo er vor dem Interrupt ausgeführt wurde, kann er später zu dieser Aufgabe zurückkehren. Laufen mehrere Programme gleichzeitig, kann der Interruptgenerator mehrere hundert Interrupts pro Sekunde auslösen, was jedes Mal einen Programmwechsel zur Folge hat. Da moderne Computer Anweisungen typischerweise um ein Vielfaches schneller ausführen als das menschliche Empfinden, kann es so aussehen, als würden viele Programme gleichzeitig laufen, obwohl tatsächlich immer nur eines zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgeführt wird. Diese Art des Multitaskings wird manchmal als „Time-Sharing“ bezeichnet, da jedem Programm nacheinander ein Zeitabschnitt („Slice“) zugewiesen wird. ^{[ 132 ]}

Vor dem Zeitalter preiswerter Computer diente Multitasking hauptsächlich dazu, mehreren Personen die gemeinsame Nutzung eines Computers zu ermöglichen. Man könnte meinen, dass ein Computer, der zwischen mehreren Programmen wechselt, langsamer läuft – proportional zur Anzahl der laufenden Programme. Tatsächlich verbringen die meisten Programme jedoch viel Zeit damit, auf die Ausführung langsamer Eingabe-/Ausgabegeräte zu warten. Wartet ein Programm beispielsweise auf einen Mausklick oder einen Tastendruck des Benutzers, belegt es erst dann einen Zeitabschnitt, wenn dieses Ereignis eingetreten ist. Dadurch wird Zeit für die Ausführung anderer Programme frei, sodass viele Programme gleichzeitig ohne unakzeptable Geschwindigkeitseinbußen laufen können.

Manche Computer sind so konzipiert, dass sie ihre Arbeit auf mehrere CPUs in einer Multiprocessing-Konfiguration verteilen – eine Technik, die einst nur in großen und leistungsstarken Maschinen wie Supercomputern , Mainframes und Servern zum Einsatz kam . Multiprozessor- und Multicore- PCs (mehrere CPUs auf einem einzigen integrierten Schaltkreis) sind heute weit verbreitet und finden daher auch im günstigeren Preissegment zunehmend Verwendung.

Insbesondere Supercomputer weisen oft hochgradig einzigartige Architekturen auf, die sich deutlich von der grundlegenden Architektur speicherprogrammierbarer Computer und von Allzweckrechnern unterscheiden. ^{[ h ]} Sie verfügen häufig über Tausende von CPUs, maßgeschneiderte Hochgeschwindigkeitsverbindungen und spezialisierte Rechenhardware. Solche Designs eignen sich aufgrund des großen Umfangs der Programmorganisation, der erforderlich ist, um die meisten verfügbaren Ressourcen gleichzeitig zu nutzen, in der Regel nur für spezialisierte Aufgaben. Supercomputer werden üblicherweise für umfangreiche Simulationen , Grafikrendering und Kryptografieanwendungen sowie für andere sogenannte „ pebarrassingly parallel “-Aufgaben eingesetzt.

Software besteht aus den kodierten Informationen , die die Funktionsweise eines Computers bestimmen, wie beispielsweise Daten oder Anweisungen zur Datenverarbeitung. Im Gegensatz zur physischen Hardware , aus der das System besteht, ist Software immateriell. Software umfasst Computerprogramme , Bibliotheken und zugehörige nicht ausführbare Daten, wie Online-Dokumentation oder digitale Medien . Sie wird häufig in Systemsoftware und Anwendungssoftware unterteilt . Sowohl Software als auch Hardware sind wesentliche Bestandteile eines modernen Computers.

Firmware ist eine Teilmenge der Software, die zur Steuerung der physischen Hardware verwendet wird, wie beispielsweise das BIOS- ROM in einem IBM PC-kompatiblen Computer.

Das entscheidende Merkmal moderner Computer, das sie von allen anderen Maschinen unterscheidet, ist ihre Programmierbarkeit . Dem Computer werden Anweisungen (das Programm ) übermittelt, die er dann verarbeitet. Moderne Computer, die auf der Von-Neumann-Architektur basieren, verwenden häufig Maschinencode in Form einer imperativen Programmiersprache . In der Praxis kann ein Computerprogramm aus wenigen Anweisungen bestehen oder sich auf viele Millionen Anweisungen erstrecken, wie beispielsweise die Programme für Textverarbeitungsprogramme und Webbrowser . Ein typischer moderner Computer kann Milliarden von Anweisungen pro Sekunde ( Gigaflops ) ausführen und macht über viele Jahre hinweg selten Fehler. Große Computerprogramme mit mehreren Millionen Anweisungen können Programmiererteams Jahre an ihrer Entwicklung hindern und enthalten aufgrund der Komplexität der Aufgabe fast zwangsläufig Fehler.

Dieser Abschnitt gilt für die meisten gängigen RAM -basierten Computer.

In den meisten Fällen sind Computerbefehle einfach: Zahlen addieren, Daten verschieben, Nachrichten senden usw. Diese Befehle werden aus dem Speicher des Computers gelesen und in der Regel in der vorgegebenen Reihenfolge ausgeführt . Es gibt jedoch spezielle Befehle, mit denen der Computer zu einer anderen Stelle im Programm springen und die Ausführung dort fortsetzen kann. Diese Befehle werden als Sprungbefehle (oder Verzweigungen) bezeichnet. Sprungbefehle können zudem bedingt ausgeführt werden, sodass je nach Ergebnis einer vorherigen Berechnung oder eines externen Ereignisses unterschiedliche Befehlsfolgen verwendet werden. Viele Computer unterstützen Unterprogramme direkt , indem sie einen Sprungbefehl bereitstellen, der sich die Ausgangsposition merkt und einen weiteren Befehl zur Rückkehr zur nachfolgenden Anweisung enthält.

Die Programmausführung lässt sich mit dem Lesen eines Buches vergleichen. Während ein Mensch normalerweise jedes Wort und jede Zeile der Reihe nach liest, springt er gelegentlich zu einer früheren Stelle im Text zurück oder überspringt uninteressante Abschnitte. Ähnlich verhält es sich mit einem Computer: Er wiederholt Anweisungen in einem bestimmten Programmabschnitt so lange, bis eine interne Bedingung erfüllt ist. Dies wird als Programmablauf bezeichnet und ermöglicht es dem Computer, Aufgaben ohne menschliches Eingreifen wiederholt auszuführen.

Im Vergleich dazu kann eine Person mit einem Taschenrechner eine einfache Rechenoperation wie die Addition zweier Zahlen mit nur wenigen Tastendrücken durchführen. Die Addition aller Zahlen von 1 bis 1000 hingegen würde Tausende von Tastendrücken und viel Zeit in Anspruch nehmen, und ein Fehler wäre nahezu sicher. Ein Computer hingegen kann so programmiert werden, dass er dies mit nur wenigen einfachen Anweisungen erledigt. Das folgende Beispiel ist in der MIPS-Assemblersprache geschrieben :

begin: addi $8 , $0 , 0 # Summe auf 0 initialisieren addi $9 , $0 , 1 # Erste Zahl auf 1 setzen loop: slti $10 , $9 , 1000 # Prüfen, ob die Zahl kleiner als 1000 ist beq $10 , $0 , finish # Wenn die ungerade Zahl größer als n ist, dann beenden add $8 , $8 , $9 # Summe aktualisieren addi $9 , $9 , 1 # Nächste Zahl j holen loop # Summiervorgang wiederholen finish: add $2 , $8 , $0 # Summe in Ausgaberegister speichern

Sobald der Computer angewiesen wurde, dieses Programm auszuführen, erledigt er die sich wiederholende Additionsaufgabe ohne weiteres menschliches Eingreifen. Er macht dabei so gut wie nie Fehler, und ein moderner PC kann die Aufgabe in Sekundenbruchteilen erledigen.

In den meisten Computern werden einzelne Befehle als Maschinencode gespeichert, wobei jedem Befehl eine eindeutige Nummer (sein Operationscode oder kurz Opcode ) zugewiesen ist. Der Befehl zum Addieren zweier Zahlen hat einen Opcode, der Befehl zum Multiplizieren einen anderen usw. Die einfachsten Computer können nur wenige verschiedene Befehle ausführen; komplexere Computer verfügen über mehrere Hundert Befehle, jeder mit einem eindeutigen numerischen Code. Da der Computerspeicher Zahlen speichern kann, kann er auch die Befehlscodes speichern. Dies führt zu der wichtigen Erkenntnis, dass ganze Programme (die lediglich Listen dieser Befehle sind) als Zahlenlisten dargestellt und im Computer wie numerische Daten verarbeitet werden können. Das grundlegende Konzept, Programme zusammen mit den zugehörigen Daten im Computerspeicher zu speichern, ist der Kern der Von-Neumann-Architektur, auch bekannt als gespeicherte Programmarchitektur. ^{[ 134 ] [ 135 ]} In manchen Fällen speichert ein Computer sein Programm teilweise oder vollständig in einem separaten Speicher, der von den zu verarbeitenden Daten getrennt ist. Diese Architektur wird nach dem Harvard Mark I- Computer als Harvard-Architektur bezeichnet . Moderne Von-Neumann-Computer weisen in ihrer Konstruktion einige Merkmale der Harvard-Architektur auf, beispielsweise bei den CPU-Caches .

Zwar lassen sich Computerprogramme als lange Zahlenlisten ( Maschinensprache ) schreiben, und diese Technik wurde auch bei vielen frühen Computern verwendet ^{[ i ]} , doch ist sie in der Praxis äußerst mühsam und fehleranfällig, insbesondere bei komplexen Programmen. Stattdessen kann jeder grundlegenden Anweisung ein kurzer, aussagekräftiger und leicht zu merkender Name gegeben werden – eine Mnemonik wie ADD, SUB, MULT oder JUMP. Diese Mnemoniken werden zusammenfassend als Assemblersprache bezeichnet . Die Übersetzung von Assemblerprogrammen in Maschinensprache erfolgt üblicherweise durch ein Computerprogramm namens Assembler.

Eine Programmiersprache ist ein Notationssystem zum Schreiben des Quellcodes , aus dem ein Computerprogramm erzeugt wird. Programmiersprachen bieten verschiedene Möglichkeiten, Programme für Computer zu spezifizieren. Im Gegensatz zu natürlichen Sprachen sind Programmiersprachen so konzipiert, dass sie keine Mehrdeutigkeiten zulassen und prägnant sind. Sie sind rein schriftliche Sprachen und oft schwer vorzulesen. Im Allgemeinen werden sie entweder vor der Ausführung von einem Compiler oder Assembler in Maschinencode übersetzt oder zur Laufzeit direkt von einem Interpreter . Manchmal werden Programme durch eine Kombination beider Verfahren ausgeführt.

Es gibt Tausende von Programmiersprachen – einige sind für die allgemeine Programmierung gedacht , andere eignen sich nur für hochspezialisierte Anwendungen.

Die Programmentwicklung kleiner Programme ist relativ einfach und umfasst die Problemanalyse, die Erfassung von Eingabedaten, die Anwendung von Programmierkonstrukten innerhalb der jeweiligen Programmiersprache, die Entwicklung oder Verwendung etablierter Verfahren und Algorithmen, die Bereitstellung von Daten für Ausgabegeräte sowie gegebenenfalls die Lösung des Problems. ^{[ 136 ]} Mit zunehmender Größe und Komplexität der Probleme kommen Merkmale wie Unterprogramme, Module, formale Dokumentation und neue Paradigmen wie die objektorientierte Programmierung zum Einsatz. ^{[ 137 ]} Große Programme mit Tausenden von Codezeilen und mehr erfordern formale Softwaremethoden. ^{[ 138 ]} Die Entwicklung großer Softwaresysteme stellt eine erhebliche intellektuelle Herausforderung dar. ^{[ 139 ]} Die Entwicklung von Software mit einer akzeptabel hohen Zuverlässigkeit innerhalb eines planbaren Zeit- und Kostenrahmens war historisch gesehen schwierig; ^{[ 140 ]} die akademische und berufliche Disziplin der Softwareentwicklung konzentriert sich speziell auf diese Herausforderung. ^{[ 141 ]}

Fehler in Computerprogrammen werden als „ Bugs “ bezeichnet. Sie können harmlos sein und die Nützlichkeit des Programms nicht beeinträchtigen oder nur geringfügige Auswirkungen haben. In manchen Fällen können sie jedoch dazu führen, dass sich das Programm oder das gesamte System aufhängt („ hängt “), nicht mehr auf Eingaben wie Mausklicks oder Tastatureingaben reagiert, vollständig ausfällt oder abstürzt . ^{[ 142 ]} Ansonsten harmlose Bugs können mitunter von skrupellosen Benutzern für böswillige Zwecke ausgenutzt werden, indem sie einen Exploit schreiben – Code, der einen Bug ausnutzt und die ordnungsgemäße Ausführung des Computers stört. Bugs sind in der Regel nicht die Schuld des Computers. Da Computer lediglich die ihnen gegebenen Anweisungen ausführen, sind Bugs fast immer das Ergebnis eines Programmierfehlers oder eines Versehens im Programmdesign. ^{[ j ]} Admiral Grace Hopper , eine amerikanische Informatikerin und Entwicklerin des ersten Compilers , gilt als diejenige, die den Begriff „Bugs“ in der Informatik erstmals verwendete, nachdem im September 1947 eine tote Motte einen Kurzschluss in einem Relais des Harvard Mark II -Computers verursacht hatte. ^{[ 143 ]}

Computer werden seit den 1950er Jahren zur Koordination von Informationen zwischen mehreren physischen Standorten eingesetzt. Das SAGE- System des US-Militärs war das erste groß angelegte Beispiel eines solchen Systems, das zur Entwicklung einer Reihe von kommerziellen Spezialsystemen wie Sabre führte . ^{[ 144 ]}

In den 1970er Jahren begannen Computeringenieure an Forschungseinrichtungen in den gesamten Vereinigten Staaten, ihre Computer mithilfe von Telekommunikationstechnologie zu vernetzen. Dieses Projekt wurde von ARPA (heute DARPA ) finanziert, und das daraus entstandene Computernetzwerk wurde ARPANET genannt . ^{[ 145 ]} Logikgatter sind eine gängige Abstraktion, die auf die meisten der oben genannten digitalen oder analogen Paradigmen anwendbar ist. Die Fähigkeit, Listen von Anweisungen, sogenannte Programme, zu speichern und auszuführen , macht Computer äußerst vielseitig und unterscheidet sie von Taschenrechnern . Die Church-Turing-These ist eine mathematische Formulierung dieser Vielseitigkeit: Jeder Computer mit minimalen Fähigkeiten (Turing-Vollständigkeit) ist prinzipiell in der Lage, dieselben Aufgaben auszuführen wie jeder andere Computer. Daher kann jeder Computertyp ( Netbook , Supercomputer , zellulärer Automat usw.) dieselben Rechenaufgaben ausführen, sofern genügend Zeit und Speicherkapazität zur Verfügung stehen.

Im 20. Jahrhundert waren Systeme der künstlichen Intelligenz überwiegend symbolisch : Sie führten Code aus, der explizit von Softwareentwicklern programmiert wurde. ^{[ 146 ]} Modelle des maschinellen Lernens hingegen verfügen über festgelegte Parameter, die während des Trainings angepasst werden, sodass das Modell lernt, eine Aufgabe anhand der bereitgestellten Daten zu lösen. Die Effizienz des maschinellen Lernens (und insbesondere neuronaler Netze ) hat sich mit den Fortschritten in der Hardware für paralleles Rechnen , vor allem bei Grafikprozessoren (GPUs), rasant verbessert. ^{[ 147 ]} Einige große Sprachmodelle sind in der Lage, Computer oder Roboter zu steuern. ^{[ 148 ] [ 149 ]} Fortschritte in der KI könnten zur Entwicklung einer künstlichen allgemeinen Intelligenz (AGI) führen, einer KI-Art, die praktisch jede intellektuelle Aufgabe mindestens so gut wie der Mensch bewältigen könnte. ^{[ 150 ]}

Da sich der Einsatz von Computern in der gesamten Gesellschaft immer weiter verbreitet hat, gibt es zunehmend auch Berufe, die mit Computern zu tun haben.

Die Notwendigkeit, dass Computer gut zusammenarbeiten und Informationen austauschen können, hat zur Entstehung zahlreicher Normungsorganisationen, Clubs und Gesellschaften sowohl formeller als auch informeller Art geführt.

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