Hardware

Grundbegriff und Abgrenzung

Hardware ist der Oberbegriff für die physischen Komponenten eines datenverarbeitenden Systems. Dazu gehören elektronische und mechanische Bestandteile, also alles, was man anfassen kann. Hardware ist die Ergänzung zur Software, also zu Programmen und Daten.

Ein Computer besteht immer aus Hardware und Software. Zur Hardware zählen einzelne Bauteile wie Kondensatoren, komplett bestückte Platinen, das ganze Gerät und Zubehör wie Maus, Tastatur, Bildschirm und Drucker. Auch Datenträger wie Festplattenlaufwerke oder USB-Speichersticks sind Hardware.

Software ist Information und immateriell, sie kann also nicht direkt angefasst werden. Sie umfasst Programme, also Ablaufbeschreibungen und Konfigurationen, sowie Daten. Software bestimmt, was ein Computer tut und wie er es tut. Sie kann auf Medien gespeichert, gedruckt, angezeigt oder transportiert werden; diese Medien sind aber nicht die Software selbst, sondern enthalten sie nur.

Die Grundbeziehung lautet: Software steuert die Hardware. Die Hardware führt die Befehle aus und setzt sie in Aktionen um.

Hardwaregesteuerte Abläufe

Ein automatisierter Arbeitsablauf braucht nicht unbedingt ausdrücklich getrennte Software. Auch komplexe Abläufe können vollständig durch Hardware umgesetzt werden. Das nennt man ein hardwaregesteuertes Arbeitsprinzip. Dabei wird die grundsätzliche Funktion einer Maschine schon während der Konstruktion festgelegt.

Ein Beispiel ist das von Atari 1976 produzierte Spiel Breakout. Das komplette „Programm“, also Ablauf und Logik, bestand ausschließlich aus Hardware, bildlich aus fest verdrahteten Schalttafeln. Auch bei Analogrechnern wird die Logik durch Verschaltung und Verdrahtung der Komponenten bestimmt; die Software zeigt sich dort in der Konfiguration.

Auch moderne elektronische Geräte enthalten Abläufe, die direkt in Hardware implementiert sind, zum Beispiel durch Logikgatter. Diese setzen bestimmte Instruktionen um. Ihre Funktion ist durch die Struktur der Hardware fest vorgegeben und kann nachträglich nicht mehr frei verändert werden. Für neue Funktionen oder Fehlerbehebungen muss die Hardware zumindest teilweise ausgetauscht, ergänzt oder durch andere physische Eingriffe angepasst werden.

Ein Vorteil solcher Hardwarelösungen ist, dass die Verarbeitungsgeschwindigkeit in der Regel höher und der Energieverbrauch oft geringer ist als bei einer Softwarelösung.

Softwaregesteuerte Abläufe

Wenn ein Arbeitsablauf nachträglich ohne physische Eingriffe und über bloße Konfiguration hinaus veränderbar sein soll, wird das softwaregesteuerte Arbeitsprinzip verwendet. Dafür besitzt die Hardware einen Prozessor. Ein Prozessor ist eine Einheit, die Software in Form von Abläufen „verstehen“ und abarbeiten kann.

Zusätzlich kann Hardware konfigurierbare Einheiten enthalten, deren Funktion umprogrammiert werden kann. Dadurch lässt sich die Software und damit die Funktion eines Geräts einfach anpassen oder sogar vollständig austauschen, ohne die Hardware zu verändern. Auf demselben Gerät können dadurch nahezu beliebige Anwendungen genutzt werden.

Heutige komplexere Datenverarbeitungssysteme kombinieren oft hardware- und softwaregesteuerte Komponenten. Die Hardware kann aus fest verdrahteter Elektronik und aus programmierbarer digitaler Elektronik bestehen, zum Beispiel FPGAs.

Beim Atari-Spiel Breakout zeigte sich der Unterschied deutlich: Das Spielhallengerät von 1976 nutzte keinen Prozessor. Ein Jahr später wurde das Spielprinzip auf ein prozessorgesteuertes Gerät, den Computer, übertragen. Danach existierte das Spiel als Software: Es bestand aus Anweisungen für einen Prozessor und den nötigen Daten, die auf einem Datenträger gespeichert und vom Computer ausgewertet wurden.

Bestandteile von Prozessoren

Ein Prozessor besteht aus mehreren grundlegenden Untergruppen. Dazu gehören das Steuerwerk, das Rechenwerk, auch arithmetisch-logische Einheit oder ALU genannt, das Speicherwerk und das Eingabe-/Ausgabewerk, also Peripheriegeräte.

In modernen Prozessoren sind viele Strukturen eines Rechners in einem einzigen Hardwarechip integriert. Dazu können mehrere Steuerwerke zur ALU und zur Befehlskodierung gehören, besonders für Parallelverarbeitung. Weitere Bestandteile sind ein Steuerwerk zur Speicherverwaltung, die MMU (Memory Management Unit), der Cache als Teil des Speicherwerks und die Steuerung für ein Bus-System, das interne und externe Komponenten verbindet.

Bei eingebetteten Prozessoren, auch embedded systems genannt, befinden sich im selben Gehäuse oft weitere Ein- und Ausgabefunktionen. Beispiele sind serielle Schnittstellen wie USB, digitales I/O (Input/Output) etwa für Touchscreens oder Motorsteuerungen und analoges I/O etwa für Lämpchen. Solche eingebetteten Systeme kommen zum Beispiel in PDAs (Personal Digital Assistant) oder Waschmaschinen vor.

Noch stärker integriert sind SoCs, also System on a Chip, wie sie zum Beispiel in Smartphones eingesetzt werden. Dort sind weitere Komponenten integriert, teilweise bis hin zu Arbeitsspeicher (RAM) und Flash-Speicher.

Computer-Hardware und Peripherie

Zur Computer-Hardware gehören mehrere Gruppen von PC-Komponenten. Die Grundbestandteile der Rechnerarchitektur sind die Hauptplatine, auch Motherboard oder Mainboard genannt, der Chipsatz für I/O, der Prozessor (CPU) und der Arbeitsspeicher (RAM).

Weitere wichtige Hardware sind Massenspeicher. Dazu zählen Laufwerke wie Festplattenlaufwerk, Flash-Speicher, CD-ROM-Laufwerk, DVD-Laufwerk, Zip-Laufwerk oder Jaz-Laufwerk sowie die entsprechenden Speichermedien.

Auch Erweiterungskarten gehören zur Hardware, zum Beispiel Grafikkarte, Soundkarte, Netzwerkkarte, WLAN-Karte, TV-Karte, ISDN-Karte, USB-Karte oder PhysX-Karte. Zusätzlich zählen Netzteil, Gehäuse und Lüfter zur Hardware eines Computers.

Peripheriegeräte sind Geräte, die mit dem Computer zusammenarbeiten. Dazu gehören Ausgabegeräte wie Drucker, Bildschirm, Beamer und Lautsprecher, Eingabegeräte wie Tastatur, Maus und Joystick sowie Einlesegeräte wie Mikrofone, Speicherkartenlesegeräte und verschiedene Scanner. Die Elektronik dieser Peripheriegeräte und viele Baugruppen eines Computers sind mit Logikschaltungen aufgebaut. Häufig ist Hardware mit einer FCC-Nummer versehen, die eine eindeutige Identifizierung des Herstellers erlaubt.