💻 Kapitel 3.2 – Informatiksysteme

Informatik · Rahmenlehrplan Berlin/Brandenburg · Klasse 7

1. Was ist ein Informatiksystem?

Überall um uns herum sind Informatiksysteme: dein Smartphone, der Laptop in der Schule, die Ampel an der Kreuzung, der Geldautomat, das Navi im Auto, der Kassenscanner im Supermarkt. All diese Geräte haben gemeinsam, dass sie Informationen verarbeiten.

Informatiksystem: Ein System das Informationen verarbeitet. Es besteht aus drei grundlegenden Komponenten: Hardware (physische Bauteile), Software (Programme) und Netze/Kommunikation (Verbindungen). Alle drei müssen zusammenspielen damit das System funktioniert.

2. Das EVA-Prinzip

Jedes Informatiksystem arbeitet nach dem gleichen Grundprinzip: Eingabe → Verarbeitung → Ausgabe. Dieses Prinzip gilt für einfachste Taschenrechner genauso wie für Supercomputer.

Abb. 3.2a: Das EVA-Prinzip gilt für alle Informatiksysteme. Bei einem Taschenrechner: Eingabe = Zahlentasten, Verarbeitung = CPU berechnet das Ergebnis, Ausgabe = Display zeigt die Zahl. Bei einem Türschloss mit PIN: Eingabe = Zahlentastatur, Verarbeitung = Vergleich mit gespeichertem Code, Ausgabe = Türöffnung (Aktor).

3. Hardware – die physischen Bauteile

Hardware sind alle physisch anfassbaren Teile eines Computers. Man unterscheidet zwischen Peripheriegeräten (anschließbare Geräte) und den zentralen Komponenten im Gehäuse.

3.1 Zentrale Komponenten

Komponente	Abkürzung	Funktion	Typische Werte (2024)
Prozessor / CPU	CPU = Central Processing Unit	Das "Gehirn" – führt alle Berechnungen und Anweisungen aus	3–5 GHz, 4–16 Kerne
Arbeitsspeicher / RAM	RAM = Random Access Memory	Temporärer Speicher für gerade laufende Programme; wird beim Ausschalten gelöscht	8–32 GB
Festplatte / SSD	HDD / SSD	Dauerhafter Speicher für Betriebssystem, Programme und Dateien	500 GB – 2 TB
Grafikkarte / GPU	GPU = Graphics Processing Unit	Berechnet und sendet Bildsignale an den Monitor; wichtig für Spiele und KI	4–16 GB VRAM
Mainboard / Motherboard	–	Hauptplatine die alle Komponenten verbindet	Verschiedene Formfaktoren
Netzteil	PSU = Power Supply Unit	Wandelt Netzspannung (230V) in PC-Spannung (3,3V / 5V / 12V) um	350–650 Watt
Netzwerkkarte	NIC = Network Interface Card	Verbindet den PC mit dem Netzwerk (Kabel: Ethernet, Funk: WLAN)	oft integriert ins Mainboard

💡 RAM vs. Festplatte – der wichtigste Unterschied:
RAM = flüchtiger Speicher (volatil): schnell, aber beim Ausschalten gelöscht. Festplatte/SSD = dauerhafter Speicher (nicht-volatil): bleibt erhalten. Warum braucht man beides? Programme liegen auf der Festplatte. Beim Starten werden sie in den RAM geladen (viel schneller). Die CPU greift auf den RAM zu (nicht direkt auf die Festplatte). Mehr RAM = mehr Programme gleichzeitig offen.

3.2 Peripheriegeräte

Gerät	Typ	Funktion
Tastatur	Eingabe	Text- und Befehlseingabe
Maus / Touchpad	Eingabe	Zeige- und Klickgerät zur Cursorsteuerung
Touchscreen	Ein- und Ausgabe	Berühreingabe direkt auf dem Bildschirm (Smartphone!)
Scanner	Eingabe	Digitalisiert physische Dokumente und Fotos
Webcam / Kamera	Eingabe	Videoaufnahme, Videotelefonie
Mikrofon	Eingabe	Audioaufnahme, Sprachsteuerung
Monitor / Bildschirm	Ausgabe	Visuelle Darstellung von Informationen
Drucker	Ausgabe	Gibt Dokumente auf Papier aus
Lautsprecher / Kopfhörer	Ausgabe	Audioausgabe
USB-Stick / externe Festplatte	Ein- und Ausgabe	Mobiler Datenspeicher

4. Software – die Programme

Software sind alle Programme, die auf einem Computer laufen. Man unterscheidet drei Hauptkategorien:

Betriebssystem (OS = Operating System): Das grundlegende Programm das den Computer startet und alle anderen Programme verwaltet. Es steuert Hardware-Zugriffe, verwaltet Dateien und Prozesse, und bietet eine Benutzeroberfläche. Beispiele: Windows, macOS, Linux, Android, iOS.

Systemsoftware: Programme die dem Betriebssystem helfen: Treiber (ermöglichen Kommunikation mit Hardware), Hilfsprogramme (Antivirensoftware, Backup-Programme, Festplattentools).

Anwendungssoftware: Programme für konkrete Aufgaben der Nutzer: Textverarbeitung, Browser, Spiele, Musikplayer, CAD-Software. Alle Programme aus Kapitel 3.1 sind Anwendungssoftware.

Abb. 3.2b: Schichtenmodell: Jede Schicht baut auf der darunter liegenden auf. Anwendungssoftware kommuniziert mit dem Betriebssystem. Das Betriebssystem kommuniziert via Treiber mit der Hardware. Deshalb funktionieren Windows-Programme nicht direkt auf Linux (anderes Betriebssystem = andere Schnittstellen).

4.1 Das Betriebssystem – die Schaltzentrale

Das Betriebssystem übernimmt viele Aufgaben im Hintergrund:

Prozessverwaltung: Startet, pausiert und beendet Programme; verteilt CPU-Zeit auf mehrere gleichzeitig laufende Prozesse
Speicherverwaltung: Teilt RAM an Programme auf; verhindert dass Programme gegenseitig Speicher überschreiben
Dateiverwaltung: Verwaltet Dateisysteme (NTFS, FAT32, ext4); speichert und findet Dateien
Geräteverwaltung: Kommuniziert via Treiber mit angeschlossener Hardware
Benutzeroberfläche: Grafische (GUI) oder Texteingabe (CLI) für Nutzerbefehle
Sicherheit: Benutzerverwaltung mit Passwörtern und Rechten; Firewall

5. Netzwerkkommunikation – wie Computer verbunden werden

Einzelne Computer sind mächtig – aber erst in Netzwerken entfalten sie ihr volles Potenzial: Datenaustausch, gemeinsame Ressourcen, Internet.

Netzwerk: Verbund von zwei oder mehr Computern und Geräten die miteinander kommunizieren können. Lokales Netzwerk (LAN = Local Area Network): z.B. Heimnetzwerk oder Schulnetzwerk. Internet: weltweites Netzwerk aus Millionen von LANs.

Abb. 3.2c: Typisches Heimnetzwerk. Der Router verbindet das lokale Netzwerk (LAN) mit dem Internet. PCs über Ethernet-Kabel (schnell, stabil). Smartphones und Drucker über WLAN (drahtlos). Der Router hat eine interne IP-Adresse (z.B. 192.168.1.1) und eine externe IP-Adresse (vom Internetanbieter zugeteilt).

5.1 IP-Adressen – der Postweg im Netzwerk

IP-Adresse (Internet Protocol Address): Eindeutige Adresse eines Geräts im Netzwerk. IPv4: 4 Zahlen (0-255) durch Punkte getrennt, z.B. 192.168.1.42. IPv6: neueres Format mit 128 Bits für viel mehr Adressen. Private IP-Adressen (im Heimnetz): meist 192.168.x.x. Öffentliche IP-Adresse: vom Internetanbieter zugeteilt, sichtbar im Internet.

5.2 Übertragungsmedien

Medium	Geschwindigkeit	Vorteile	Nachteile
Ethernet-Kabel	100 Mbit/s – 10 Gbit/s	Stabil, sicher, schnell, keine Störungen	Kabelgebunden, unflexibel
WLAN (WiFi)	54 Mbit/s – 10 Gbit/s (WiFi 6)	Flexibel, kabellos, überall im Bereich	Störanfällig, Reichweite begrenzt, unsicherer als Kabel
Glasfaser	1 – 100 Gbit/s	Sehr schnell, wenig Verlust, abhörsicher	Teuer in der Installation, empfindlich
Bluetooth	1 – 50 Mbit/s	Geringer Stromverbrauch, für Kurzstrecken ideal	Sehr kurze Reichweite (max. ~10m)
Mobilfunk (4G/5G)	100 Mbit/s – 10 Gbit/s (5G)	Überall verfügbar, mobil	Kosten durch Datentarif, Funklöcher

6. Datensicherheit – Schutz vor Verlust und Zugriff

Datensicherheit = Schutz von Daten vor Verlust, Zerstörung oder unberechtigtem Zugriff. Wichtig: Unterschied zu Datenschutz! Datenschutz = Schutz personenbezogener Daten (gesetzlich geregelt). Datensicherheit = technische Maßnahmen zum Schutz aller Daten.

Wichtige Maßnahmen zur Datensicherheit:

Regelmäßige Backups (Datensicherung): 3-2-1-Regel: 3 Kopien auf 2 verschiedenen Medien, 1 davon außer Haus (Cloud oder externes Laufwerk an anderem Ort)
Starke Passwörter: Mindestens 12 Zeichen, Groß- und Kleinbuchstaben, Zahlen und Sonderzeichen; für jedes Konto ein anderes Passwort
Antivirensoftware: Schützt vor Schadsoftware (Malware); muss aktuell sein
Firewall: Überwacht Netzwerkverkehr und blockiert verdächtige Verbindungen
Verschlüsselung: Daten werden so codiert, dass nur Berechtigte sie lesen können (HTTPS, SSL/TLS)
Software-Updates: Beheben Sicherheitslücken; immer zeitnah installieren
Zweifaktor-Authentifizierung (2FA): Zusätzlicher Schutz neben dem Passwort (z.B. SMS-Code)

⚠️ Häufige Gefahren im Internet:
Phishing: Gefälschte E-Mails oder Webseiten die Zugangsdaten stehlen.
Malware: Schadprogramme (Viren, Trojaner, Ransomware, Spyware).
Ransomware: Verschlüsselt Dateien und fordert Lösegeld.
Social Engineering: Manipulation durch psychologischen Druck (z.B. "Ihr Konto wird gesperrt!").
Man-in-the-Middle: Angreifer liest oder verändert Kommunikation heimlich.

6.1 Sichere Passwörter

Ein sicheres Passwort ist schwer zu erraten, aber leicht zu merken. Die beste Methode: eine Passphrase. Beispiel: "Mein Hund heißt Bello und frisst 3 Koteletts!" → MHhBuf3K! – sicher und trotzdem merkbar.

🟢 Passworttipps:
✓ Mindestens 12 Zeichen (besser 16+)
✓ Groß- und Kleinbuchstaben mischen
✓ Zahlen und Sonderzeichen einbauen (!?@#$%)
✓ Für jedes Konto ein eigenes Passwort
✓ Passwort-Manager nutzen (z.B. Bitwarden, KeePass)
✗ Keine persönlichen Infos (Name, Geburtsdatum, Haustier)
✗ Kein "123456", "password", "qwerty"

7. Strukturierte Dateiablage

Ein organisiertes Dateisystem spart täglich Zeit. Wichtigste Prinzipien:

Ordnerstruktur: Thematisch sinnvoll gliedern (z.B. Schule → Fächer → Schuljahr → Dateien)
Aussagekräftige Dateinamen: "Chemie_Referat_Säuren_2024-03.pdf" statt "Dokument1.pdf"
Datum im Dateinamen: JJJJ-MM-TT (ISO-Format) sortiert automatisch richtig
Keine Leerzeichen und Sonderzeichen: Lieber Bindestrich oder Unterstrich verwenden
Versionsnummern: "_v1", "_v2" statt "_final", "_final2", "_wirklichFinal"

8. Übungen und Tests

🔗 Zuordnung: Hardware-Komponenten

Klicke erst links, dann rechts zum Zuordnen.

CPU (Central Processing Unit)

RAM (Random Access Memory)

HDD / SSD

GPU (Graphics Processing Unit)

NIC (Network Interface Card)

Router

Mainboard

PSU (Power Supply Unit)

Prozessor – "Gehirn" des Computers, führt Berechnungen aus

Verteilt Datenpakete und verbindet LAN mit Internet

Grafikkarte – berechnet Bildsignale für den Monitor

Hauptplatine die alle Komponenten miteinander verbindet

Netzteil – wandelt Netzspannung in PC-Spannungen um

Flüchtiger Arbeitsspeicher – wird beim Ausschalten gelöscht

Netzwerkkarte – verbindet PC mit Ethernet oder WLAN

Dauerhafter Massenspeicher für Dateien und Betriebssystem

🔄 Sortieren: Was passiert wenn du einen Brief tippst und ausdruckst? (EVA-Schritte)

Ziehe die Elemente in die richtige Reihenfolge.

Du nimmst das fertige Dokument aus dem Drucker
Du drückst eine Taste auf der Tastatur → Eingabe: Signal geht zum Computer
CPU und RAM verarbeiten das Tastenzeichen in ein Zeichen-Objekt
Drucker empfängt die Daten, Druckkopf setzt Tinte auf Papier → Ausgabe
Du klickst auf "Drucken" → Eingabe: Mausklick geht zum Computer
CPU sendet Druckauftrag an Druckertreiber, Druckertreiber an Drucker
Monitor zeigt den getippten Buchstaben auf dem Bildschirm
Grafikkarte berechnet das Bild der Textverarbeitung mit dem neuen Buchstaben

✅✗ Wahr oder Falsch: Informatiksysteme

Der RAM behält seine Daten auch nach dem Ausschalten des Computers.

HTTPS ist sicherer als HTTP weil die Daten verschlüsselt übertragen werden.

Eine Firewall schützt vor Ransomware indem sie Dateien verschlüsselt.

Ein Trojaner verbreitet sich selbst durch infizierte Dateien.

Für jeden Online-Account sollte man ein eigenes, unterschiedliches Passwort verwenden.

⏰ Countdown-Quiz: Informatiksysteme (30 Sek.)

🕑 Flashcards: Informatiksysteme

Klicke auf die Karte zum Umdrehen. Navigiere mit den Pfeilen.

Fehler finden: 5 Fehler über Computer-Hardware

Klicke auf unterstrichene Stellen um zu prüfen ob es ein Fehler ist.

Die CPU (Central Processing Unit) ist der dauerhafteste Speicher im Computer und behält alle Daten auch nach dem Ausschalten. Der RAM führt alle Berechnungen durch und ist das eigentliche "Gehirn" des Computers. Eine Festplatte ist im Vergleich zu einer SSD schneller, aber teurer. Der Router speichert Dateien und ist deshalb wichtig für das Heimnetzwerk. HTTPS ist genauso sicher wie HTTP, der einzige Unterschied ist die höhere Übertragungsgeschwindigkeit.

dauerhaftester Speicher, behält Daten → Prozessor/Gehirn – führt Berechnungen aus, speichert nichts dauerhaft
CPU ist der Prozessor, kein Speicher. Dauerhafter Speicher = Festplatte/SSD (non-volatile). CPU greift auf RAM zu für temporäre Berechnungen.

RAM führt Berechnungen durch / Gehirn → RAM ist der Arbeitsspeicher (flüchtig); CPU ist das Gehirn und führt Berechnungen durch
RAM = Random Access Memory = Arbeitsspeicher. Speichert temporär laufende Programme. CPU = Prozessor, führt Berechnungen aus. Beide zusammen: CPU verarbeitet, RAM speichert Zwischenergebnisse.

Festplatte schneller aber teurer als SSD → SSD schneller (bis 7000 MB/s) aber teurer; Festplatte langsamer (100-200 MB/s) aber günstiger
HDD: mechanisch, 100-200 MB/s, günstig (1 TB ~30€). SSD: Flash-Speicher, 400-7000 MB/s, ~5-10× teurer aber viel schneller. SSD macht Computer deutlich schneller booten und laden.

Router speichert Dateien → Router leitet/verteilt Datenpakete zwischen Netzwerken
Router = Netzwerkgerät zum Weiterleiten von Datenpaketen. Kein Massenspeicher! Dateien speichern: Festplatte, SSD, USB-Stick, NAS. Ein NAS (Network Attached Storage) ist ein Netzwerk-Dateiserver.

HTTPS nur schneller als HTTP → HTTPS verschlüsselt Daten (SSL/TLS), HTTP überträgt im Klartext
HTTPS bietet Sicherheit durch Verschlüsselung, nicht Geschwindigkeit. HTTP: unverschlüsselt, Passwörter sichtbar. HTTPS: SSL/TLS verschlüsselt alles. Geschwindigkeit: modernes HTTP/2 oft schneller als älteres HTTP/1.1 – aber das ist unabhängig von S.

🤔 Denksportaufgaben

Erkläre warum ein Computer ohne Betriebssystem praktisch unbrauchbar ist. Was würde passieren wenn du versuchst einen Computer ohne OS zu starten?

Ohne Betriebssystem: Der Computer würde die Firmware (BIOS/UEFI) starten – das ist ein kleines Programm im Motherboard-Speicher. Dieses sucht nach einem bootfähigen Gerät (Festplatte, USB). Findet es keins, erscheint eine Fehlermeldung wie "No boot device found" oder "Operating system not found".

Warum das OS so wichtig ist:
(1) Hardware-Abstraktion: Programme müssen nicht wissen wie jeder Drucker funktioniert – das OS kümmert sich via Treiber darum. (2) Prozessverwaltung: Mehrere Programme gleichzeitig möglich (Browser, Musik, Textverarbeitung). (3) Speicherverwaltung: OS sorgt dafür dass Programme nicht in den Speicher anderer eingreifen. (4) Dateisystem: Ohne OS keine Ordnerstruktur, kein Speichern. (5) Benutzeroberfläche: Ohne GUI oder CLI keine Bedienung möglich.

Analogie: OS wie ein Flughafen-Tower: Koordiniert alle Starts und Landungen (Prozesse), kommuniziert mit allen Flugzeugen (Hardware) und sorgt für Ordnung.

Du stellst fest, dass dein WLAN deutlich langsamer ist als das Ethernet-Kabel. Erkläre technisch warum das so sein kann und unter welchen Bedingungen WLAN annähernd gleich schnell sein könnte.

Gründe für langsameres WLAN:
(1) Entfernung: WLAN-Signal schwächer je weiter vom Router entfernt → weniger Datendurchsatz. (2) Hindernisse: Wände (besonders Beton, Metall) schwächen Signal stark ab. (3) Interferenzen: Andere WLANs, Mikrowellen, schnurlose Telefone auf gleichen Frequenzen. (4) Protokoll-Overhead: WLAN braucht mehr Kommunikation für Verbindungsmanagement. (5) Halbduplex: WLAN teilt Bandbreite (alle Geräte teilen sich die Luft). (6) Verschlüsselung: WPA2/WPA3 erzeugt minimalen Overhead.

Wann WLAN fast gleich schnell:
WiFi 6/6E (802.11ax) direkt neben dem Router, ohne Störquellen, alleiniger Nutzer, mit 5 GHz statt 2,4 GHz: bis zu 9 Gbit/s theoretisch. Praktisch: 500-900 Mbit/s möglich – das reicht für 4K-Streaming problemlos. Ethernet bleibt bei Stabilität und Latenz besser (Gaming, Videotelefonie).

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1. Erkläre das EVA-Prinzip am Beispiel eines Geldautomaten. Welche Geräte übernehmen Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe? (5 Punkte)

Maximalpunktzahl: 5 Punkte

✎ Musterlösung: Eingabe: Geldkarte (Kartenleser liest Daten), PIN-Eingabe (Tastatur), Betrag-Eingabe (Tastatur/Touchscreen). Verarbeitung: CPU + RAM verarbeiten die Eingabe; Sicherheitssystem prüft PIN (verschlüsselt); Bankrechner-Kommunikation prüft Kontostand; Entscheidung ob Auszahlung möglich. Ausgabe: Bildschirm (zeigt Kontostand, Menüs), Kartenleser (gibt Karte zurück), Ausgabeschacht (gibt Geldscheine aus), Drucker (optional: Beleg drucken). Lautsprecher (akustische Signale).

2. Nenne und erkläre 5 konkrete Maßnahmen für mehr Datensicherheit im Alltag. (5 Punkte)

Maximalpunktzahl: 5 Punkte

✎ Musterlösung: (1) Starke Passwörter: Mind. 12 Zeichen, Groß/Klein/Zahlen/Sonderzeichen, für jedes Konto eigenes Passwort, Passwort-Manager nutzen. (2) 2FA: Zweifaktor-Authentifizierung für alle wichtigen Konten (E-Mail, Bank, Social Media). (3) Backups: 3-2-1-Regel – 3 Kopien, 2 Medien, 1 außer Haus (Cloud). (4) Updates: Betriebssystem und Programme zeitnah aktualisieren (Sicherheitslücken schließen). (5) Phishing erkennen: E-Mail-Absender prüfen, nicht auf Links klicken, direkt zur Webseite navigieren.

Mini-Klausur: Informatiksysteme 13 Punkte gesamt

Aufgabe 1 /4 P

Erkläre das EVA-Prinzip. Nenne für E, V und A je 2 konkrete Beispiele aus dem Alltag. (4 Punkte)

Aufgabe 2 /4 P

Was ist der Unterschied zwischen RAM und Festplatte/SSD? Warum braucht ein Computer beide? (4 Punkte)

Aufgabe 3 /5 P

Was ist ein Phishing-Angriff? Wie erkennst du ihn und wie schützt du dich? (5 Punkte)

📝 Lückentext: Informatiksysteme

Das Grundprinzip aller Informatiksysteme heißt das -Prinzip (Eingabe – Verarbeitung – Ausgabe). Der ist der flüchtige Arbeitsspeicher der beim Ausschalten gelöscht wird. Die CPU steht für . Das verwaltet Hardware und Programme und ist die Basis aller Software. HTTPS ist sicherer als HTTP weil die Daten übertragen werden.