Technische Informatik

Grundlegende Konzepte der technischen Informatik

Die technische Informatik befasst sich unter anderem mit:

• Hardware-Komponenten und Systemarchitekturen
• Digitale Schaltungen und Schaltungstechnik
• Mikrocontroller und Mikroprozessoren
• Eingebettete Systeme und Echtzeitanwendungen
• Kommunikationstechnik und Netzwerke
• Systemintegration und Hardware-/Software-Entwicklung

Anwendungen und Beispiele für technische Informatik

In zahlreichen Bereichen und Technologien kommt technische Informatik zur Anwendung, beispielsweise:

• Smartphones, Tablets und Computer
• Automatisierungstechnik in der Industrie
• Medizintechnik, z. B. bildgebende Verfahren und medizinische Implantate
• Robotik und autonomes Fahren
• Internet der Dinge (IoT) und Smart-Home-Technologien

Informatik vs. Technische Informatik

Informatik und technische Informatik sind zwei wichtige Teilgebiete der Computerwissenschaft. Dabei unterscheiden sie sich in ihren Schwerpunkten und Zielsetzungen, während sie gemeinsame Grundlagen und Zusammenhänge aufweisen. Informatik befasst sich mit dem allgemeinen Studium von Informationsverarbeitung, Algorithmen und Datenstrukturen. Sie deckt ein breites Spektrum von Themen ab, wie etwa:

• Softwareentwicklung und Programmierung
• Algorithmik und Optimierung
• Künstliche Intelligenz
• Datenbanken und Informationssysteme
• Computernetzwerke
• Computergrafik und Visualisierung

Die technische Informatik hingegen liegt der Schwerpunkt - wie bereits erwähnt - auf der Entwicklung der Hardware-Komponenten und der Integration der verschiedenen Systeme. Hierbei geht es vor allem um Themen wie:

• Systemarchitekturen und Hardware-Design
• Elektronik- und Schaltungstechnik
• FPGA- und ASIC-Entwicklung
• Signalverarbeitung und Kommunikationstechnik
• Hardware- und Software-Sicherheit

Gemeinsamkeiten zwischen Informatik und technischer Informatik liegen in den Grundlagen der beiden Fachgebiete, die oft auf denselben mathematischen und theoretischen Konzepten basieren. Beide Disziplinen interagieren auch ständig miteinander - so werden zum Beispiel Hardwaresysteme von technischen Informatikern entwickelt, während Software-Ingenieure der Informatik die Programmierung und Anpassung der Systeme vornehmen.

Grundlagen: Rechnerarchitektur & Hardwarekomponenten

Die Rechnerarchitektur befasst sich mit der Struktur, Organisation und dem Entwurf von Computersystemen auf der Hardware-Ebene. Ziel ist es, die optimale Kombination aus Hard- und Softwarekomponenten zu finden, um maximale Leistung und Effizienz zu erreichen. Einige Hauptkonzepte in der Rechnerarchitektur sind:

• Zentrale Verarbeitungseinheit (CPU): Das Herz eines Computers, das für die Ausführung von Befehlen und die Verarbeitung von Daten verantwortlich ist. Eine typische CPU besteht aus mehreren Teilen wie dem Rechenwerk, dem Steuerwerk und den verschiedenen Registern.
• Speicher: Hier werden Daten und Programme während ihrer Verarbeitung oder ihrem Warten auf den Zugriff gespeichert. Es gibt verschiedene Speichertypen wie RAM (Random-Access Memory) für kurzfristige und flüchtige Datenspeicherung sowie ROM (Read-Only Memory) und Festplatten für langfristige und persistente Speicherung.
• E/A-Geräte (Eingabe/Ausgabe): Hierzu gehören Peripheriegeräte wie Tastatur, Maus, Bildschirm und Drucker, die zur Kommunikation zwischen dem Benutzer und dem Computersystem dienen.
• Bussysteme: Ein Bussystem besteht aus verschiedenen Leitungen, die die Kommunikation und den Datenaustausch zwischen den einzelnen Hardwarekomponenten ermöglichen.

Die Entwicklung einer effizienten Rechnerarchitektur erfordert umfassendes Wissen über die zugrundeliegenden Hardwarekomponenten sowie deren Zusammenspiel und mögliche Leistungsoptimierungen.

Grundlagen technische Informatik: Betriebssysteme & Systemsoftware

Ein Betriebssystem ist eine Systemsoftware, die die Kommunikation und den Austausch von Ressourcen zwischen Hardware, Software und Benutzer überwacht, steuert und verwaltet. Aufgaben des Betriebssystems umfassen:

• Ressourcenverwaltung: Koordination und Zuteilung von Computerressourcen wie CPU-Zeit, Speicherplatz und E/A-Geräten für verschiedene Anwendungen und Prozesse.
• Dateisystemverwaltung: Verwaltung und Organisation der Daten auf Sekundärspeichergeräten wie Festplatten, SSDs und optischen Medien.
• Prozessverwaltung: Aufrechterhaltung eines geordneten Ablaufs von Prozessen und effizienter Nutzung von Systemressourcen durch Scheduling und Priorisierung.
• Kommunikation und Synchronisation: Sicherstellung eines effizienten und korrekten Datenaustauschs zwischen verschiedenen Prozessen und Anwendungen.
• Sicherheit und Schutz: Bereitstellung von Mechanismen zum Schutz der Systemintegrität und -stabilität sowie der Privatsphäre und Vertraulichkeit der Benutzerdaten.

Wichtige Betriebssysteme sind Microsoft Windows, macOS, Linux und mobile Betriebssysteme wie iOS und Android. Systemsoftware umfasst außerdem wichtige Hilfsprogramme wie Compiler, Debugger, Assembler und Linker, die für die Entwicklung, Optimierung und Verknüpfung von Softwareanwendungen erforderlich sind.

Grundlagen: Computernetzwerke & Kommunikationstechnologien

Computernetzwerke sind Systeme, die die Verbindung zwischen verschiedenen Computern und Kommunikationsgeräten ermöglichen, um den Austausch von Daten und Diensten zu erleichtern. Wesentliche Komponenten eines Computernetzwerks sind:

• Endgeräte: Computer, Laptops, Smartphones, Tablets, IoT-Geräte und andere Geräte, die an das Netzwerk angeschlossen sind und mit anderen Geräten kommunizieren.
• Netzwerkkomponenten: Router, Switches, Hubs, Access Points und andere Geräte, die für die Verbindung, Steuerung und den Datenaustausch innerhalb des Netzwerks verantwortlich sind.
• Übertragungsmedien: Kabelgebundene (Kupfer-, Glasfaser-, Koaxialkabel) und drahtlose (WLAN, Bluetooth, Mobilfunk) Technologien, die für die Übertragung von Daten über verschiedene Distanzen eingesetzt werden können.
• Protokolle: Ein Satz von Regeln und Verfahren, die für Kommunikation und Datenaustausch zwischen den Geräten innerhalb eines Netzwerks verwendet werden. Zu den wichtigsten Protokollen zählen TCP/IP, Ethernet, HTTP, FTP, und SMTP.

Kommunikationstechnologien beziehen sich insbesondere auf Techniken und Verfahren, die die Übertragung und Verbreitung von Informationen ermöglichen. Beispiele für Kommunikationstechnologien sind Satellitenkommunikation, Glasfasernetzwerke, Mobilfunknetze (z. B. 4G, 5G) und drahtlose Netzwerke wie WLAN und Bluetooth. Eine kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Technologien ist entscheidend, um eine schnellere, zuverlässigere und sicherere Kommunikation in verschiedenen Netzwerkanwendungen wie dem Internet der Dinge (IoT), Smart Cities, Telemedizin und autonomem Fahren zu gewährleisten.

Informatik-technische Systeme: eingebettete Systeme

Eingebettete Systeme sind spezialisierte Computer, die in größeren Geräten oder Systemen integriert sind, um bestimmte Funktionen zu steuern oder auszuführen. Sie bestehen aus Hardware- und Softwarekomponenten, die speziell für die gegebene Anwendung optimiert und entwickelt wurden. Zu den Charakteristika von eingebetteten Systemen gehören:

• Spezialisierung: Eingebettete Systeme sind darauf ausgelegt, eine oder mehrere spezifische Aufgaben auszuführen. Sie sind im Vergleich zu Allzweck-Computern wie Desktop-PCs oder Laptops in ihrem Funktionsumfang eingeschränkt.
• Miniaturisierung: Eine der Hauptanforderungen an eingebettete Systeme ist ihre Größe. Sie müssen oft in begrenztem Raum innerhalb eines größeren Geräts oder Systems untergebracht werden und erfordern daher eine hohe Integrationsdichte der Hardwarekomponenten.
• Leistungsfähigkeit und Effizienz: Eingebettete Systeme sind in der Regel ressourcenbeschränkt, was bedeutet, dass sie mit begrenzten Rechenleistungen, Speicher- oder Energiekapazitäten arbeiten müssen. Daher liegt der Schwerpunkt auf der Optimierung von Rechenleistung, Energieverbrauch und Speicherbedarf.
• Zuverlässigkeit und Robustheit: Viele eingebettete Systeme sind für den Einsatz in kritischen Anwendungen oder rauen Umgebungen konzipiert und müssen daher hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Robustheit genügen.

Einige grundlegende Komponenten von eingebetteten Systemen sind:

• Mikrocontroller oder Mikroprozessor: Der Hauptrechenkern des Systems, der für die Ausführung von Befehlen und die Verarbeitung von Daten verantwortlich ist.
• Sensoren und Aktoren: Erfassen von Informationen über die Umgebung und Steuerung von externen Geräten bzw. Aktionen.
• Kommunikationsschnittstellen: Für die Datenübertragung, Ansteuerung von Peripheriegeräten oder Vernetzung mit anderen Systemen.
• Speicher und Speichersysteme: Sowohl für temporäre als auch für dauerhafte Datenspeicherung verwendete Technologien.

Anwendungsbereiche von Informatik-technischen Systemen

Informatik-technische Systeme, insbesondere eingebettete Systeme, werden in einer Vielzahl von Anwendungen und Branchen eingesetzt, unter anderem:

• Automobilindustrie: Steuergeräte für Motorkontrolle, Bremssysteme, Infotainment, Fahrassistenzsysteme und autonomes Fahren.
• Luft- und Raumfahrt: Flugsteuerung, Navigationssysteme, Kommunikationssysteme und Sensoren für verschiedene Messungen.
• Medizintechnik: Bildgebende Geräte, Patientenüberwachungssysteme, medizinische Implantate, Prothesen und Robotik.
• Industrielle Automatisierung: Steuerung von Produktionslinien, Montage- und Verpackungssystemen sowie Überwachung von Produktionsprozessen.
• Telekommunikation: Mobiltelefone, Basisstationen, Netzwerkschnittstellen, Router und Gateways.
• Verbraucherelektronik: Smartphones, Fernseher, Spielekonsolen, Heimautomatisierungssysteme und IoT-Geräte.

Die zunehmende Verbreitung informatik-technischer Systeme in praktisch allen Bereichen des täglichen Lebens führt zu einer ständig wachsenden Bedeutung und zu einer Vielzahl neuer Einsatzmöglichkeiten für solche Systeme.

Aktuelle Entwicklungen und Trends in Informatik-technischen Systemen

Die rasanten Fortschritte in der Technologie und die immer höheren Anforderungen an Systeme in Bezug auf Leistung, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit haben zu einigen bedeutenden Entwicklungen und Trends in informatik-technischen Systemen geführt, darunter:

• Edge Computing: Eine neue Paradigma, bei dem Datenverarbeitung und -analyse direkt an der Datenquelle oder am "Rand" des Netzwerks stattfinden, anstatt auf zentralisierten Servern oder in der Cloud. Dies kann Latenzzeiten reduzieren und die Anforderungen an die Netzwerkbandbreite verringern.
• Künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML): Eine zunehmende Integration von KI- und ML-Algorithmen in eingebettete Systeme ermöglicht intelligente und autonome Entscheidungen auf der Grundlage von Sensordaten und erfassten Informationen, z. B. in Steuerungssystemen für autonomes Fahren oder in der medizinischen Diagnostik.
• Internet der Dinge (IoT): Die zunehmende Vernetzung von Geräten, Sensoren und Maschinen im IoT führt zu bedeutenden Veränderungen in der Art und Weise, wie informatik-technische Systeme konzipiert, entwickelt und eingesetzt werden. Hierbei wächst der Bedarf an energieeffizienten, leistungsfähigen und sicheren Lösungen für die Kommunikation und Datenverarbeitung.
• Hardwarebeschleuniger: Um die Leistung und Energieeffizienz von informatik-technischen Systemen weiter zu steigern, werden zunehmend spezialisierte Hardwarebeschleuniger wie GPUs, FPGAs oder ASICs integriert, um bestimmte Aufgaben schneller und effizienter auszuführen als herkömmliche CPUs.
• Zuverlässigkeit und Sicherheit: Aufgrund der wachsenden Verbreitung von informatik-technischen Systemen in kritischen Anwendungsgebieten nimmt die Bedeutung zuverlässiger und sicherer Systeme weiter zu, was neue Forschungsgebiete wie Hardware-Trostanker und robuste Systemdesigns eröffnet.

Diese Entwicklungen und Trends treiben die Weiterentwicklung informatik-technischer Systeme in verschiedenen Anwendungsbereichen voran und eröffnen gleichzeitig neue Herausforderungen und Möglichkeiten für Forschung und Entwicklung.