Computer

EVA-Prinzip

Eingabe - Verarbeitungsprinzip/Verarbeitung - Ausgabe

Digitaliserung

Die physikalische Welt, die wir mit unseren Sinnen erfassen können, ist üblicherweise analog, Daten innerhalb eines Computers sind üblicherweise digital. Bevor wir sie wahrnehmen können, müssen Sie wieder in ein analoges Signal (Licht, Ton, Bewegung) umgewandelt werden. Die Diskretisierung von analogen Daten werden von sogenannten A/D-Wandlern vorgenommen.

Prozessor

Der Prozessor ist diejenige Komponente, die Anweisungen/ Befehle in Rechenoperationen umsetzt und diese dann ausführt. Der Prozessor wird auch oft Chip genannt, da es sich bei Digitalcomputern um einen Halbleiterbaustein handelt, der vermutlich ursprünglich aufgrund der flachen Form als Chip bezeichnet wurde.

Prozessortakt

Eine grundlegende Eigenschaft des Prozessors ist, dass er mit einem Takt arbeitet. Das bedeutet, dass er jeweils eine Rechenoperation innerhalb einer festen Zeitspanne durchführt. Je höher der Takt, desto schneller ist der Prozessor.
Die Taktfrequenz ist die Anzahl der Takte pro Sekunde. Ein moderner Laptop-Prozessor hat eine Taktrate von ca. 3 GHz, ein Smartphone ca. 1 GHz. Das G Giga bedeutet 1 Milliarde.

Prozessorkerne

Da die Taktrequenz heute nur mit sehr viel Auftwand noch erhöht werden kann, ist man dazu übergegangen, die Leistung eines Prozessors dadurch zu erhöhen, dass man mehrere Prozessorkerne in einem Prozessor einbaut. Man spricht dann von Multicore-Prozessoren.

Prozessorarchitektur

Maschinensprache

Da ein Prozessor ja vor allem Rechenoperationen ausführt, ist es logisch, dass die Ein- und Ausgabedaten Zahlen sind. Dafür müssen Befehle wie Addition kodiert werden, bspw. wäre 3 für Addition eine Kodierung.

Befehlssatz

Welche Befehle ein Prozessor versteht und wie sie kodiert werden, wird als Befehlssatz - oder auf englisch "instruction set" - bezeichnet. Üblicherweise wird die Eigenschaft, welchen Befehlssatz der Prozessor versteht, als Prozessorarchitektur - oder auch Platfform - bezeichnet.
Die derzeit am meisten verwendeten Prozessorarchitektur für den Hauptprozessor in PCs und Servern ist die x86 Architektur, während für mobile Smartphones und Tablets üblicherweise Prozessoren mit der ARM-Architektur eingesetzt werden. Üblicherweise sind die x86-Prozessoren leistungsfähiger, jedoch benötigen sie auch viel mehr Strom und geben oft sehr viel Wärme ab. Deshalb haben sich die energieeffizienteren ARM-Prozessoren bei mobilen Endgeräten durchgesetzt - der Akku hält länger.

Wortbreite

Prozessor mit größeren Wortbreite können mehr unterschiedliche Werte verarbeiten. Wie ein Taschenrechner, mit dem Sie nur Zahlen bis 10 eingeben können. Ein solcher Taschenrechner hätte eine kleinere Wortbreite als einer, bei dem Sie Zahlen bis 1000 eingeben können. Wortbreiten werden üblicherweise in bit angegeben, also die Anzahl binärer Stellen (bit = binary digit). Moderne PCs und Server haben eine Wortbreite von 64 bit, Smartphones und Tables entweder 32 bit oder 64 bit. Kleinere Spezialprozessoren haben Wortbreiten von entweder 8 oder 16 bit.

Arbeitsspeicher

Für die Datenablage gibt es zwei verschiedene grundlegende "Architekturmodelle" - die von Neumann Architektur und die Harvard Architektur. Sie unterscheiden sich dadurch, ob für Daten und Befehle die gleiche oder unterschiedlicher Speicher verwendet wird.

von-Neumann-Architektur

In der von-Neumann-Architektur gibt es einen gemeinsamen Speicher für Daten und Programme.
Dies hat den Vorteil, dass man Daten und Befehle nicht so sauber trennen muss. Manchmal können ja auch Programme Eingangs- oder Ausgangsdaten sein. Außerdem kann der Speicher dann flexibel genutzt werden. Je nachdem ob man grade viele Daten (z.B. beim Videoschnitt) oder eher viel Programmcode (komplexe Simulation) hat, kann man die Speicherkapazität gut ausnutzen. Der Nachteil ist, dass es nur eine Verbindung zum Prozessor gibt, durch den sowohl Programme als auch Daten müssen. Dies kann zum Datenstau führen. Man spricht auch vom "Von Neumann - Flaschenhals". Außerdem ist es schwieriger, den Programmcode vor unbeabsichtigter oder beabsichtigter Veränderung - zum Beispiel durch Computerviren - zu schützen, da der Datenbereich prinzipiell schreibbar sein muss (es müssen ja ggf. Ausgangsdaten geschrieben werden).

Harvard-Architektur

Bei der Harvard-Architektur gibt es getrennten Arbeitsspeicher für Daten und Programme.
Prinzipiell kann dadurch der Datentransfer zum Prozessor schneller erfolgen, da man zwei Leitungen hat - eine für den Programmcode und eine für die Daten. Allerdings verliert man Flexibilität in der Speicherkapazität. Programmspeicher kann aber leichter schreibgeschützt und damit gesichert werden

Generell wird heute in Multifunktionscomputern meist auf physikalischer Ebene die von-Neumann-Architektur eingesetzt. Auf logischer (auch virtuell genannter) Ebene wird der vorhandene Speicher aber meist dynamisch in Programm- und Datenbereich unterteilt, um auch die Vorteile der Harvard-Architektur nutzen zu können. Der Flaschenhals besteht allerdings, da dieser von der Hardware abhängt. Bei kleineren speziellen Geräten, bei denen sich die Programme üblicherweise nicht ändern und auch nicht geändert werden soll (z.B. MP3-Player) wird gerne die Harvard-Architektur eingesetzt.

Speicherkapazität

Speicherkapazität in Bit/ Byte

Aktuelle Laptops und PCs haben eine Speicherkapazität zwischen 8 und16 GB RAM, Smartphones zwischen 1 und 3 GB RAM.

Massenspeicher

Im Arbeitsspeicher werden Daten üblicherweise nur temporär gespeichert. Man spricht dann von flüchtigem oder auch volatilem Speicher. Wenn flüchtiger Speicher nicht mehr mit Strom versorgt wird, dann gehen die dort gespeicherten Daten verloren. Im Gegensatz dazu können auf sogenanntem Massenspeicher Daten dauerhaft oder permanent gespeichert werden. Permanenter Speicher heißt deswegen Massenspeicher, weil man dort deutlich mehr Daten als im Arbeitsspeicher speichern konnte. Im englischen unterscheidet man zwischen memory (Arbeitsspeicher) und storage (Massenspeicher).

Magnetspeicher

Dazu zählen Disketten, Magnetbänder und die Festplatte (HDD = hard disk drive). Das Speichermedium besteht aus magnetisierbarem Material, also typischerweise eine Metallfolie. Binärdaten werden dort durch unterschiedliche magnetische Polarisierung dargestellt. Der Vorteil von magnetischer Speicherung ist, dass man das Speichermedium fast beliebig oft wieder überschreiben kann und die Daten bei richtiger Lagerung sehr lange unverändert bleiben.

Optischer Speicher

Optischer Speicher speichert die Binärdaten als unterschiedlich stark reflektierende Datenpunkte. Zu den optischen Speichermedien gehören CD (compact discs), DVD (die Abkürzung wird sowohl mit digital video disc oder digital versatile disc erklärt), und Blue Ray Discs (wegen des verwendeten Lichts im blauen Wellenlängenbereich). Die Daten werden in einer langen Spirale von innen nach außen gelesen. Dabei detektiert das Lesegerät die unterschiedlich starke Reflektion der sogenannten pits (Gräben) und lands (Erhöhungen), die jeweils die Eins oder die Null kodieren.

Halbleiterspeicher

Halbleiterspeicher verwendet Transistoren als Speicher. Moderner Halbleiterspeicher nennt sich auch Flash-Speicher und hat sich aus dem ursprünglich nur lesbaren Halbleiterspeicher (PROM = programmable read only memory) entwickelt. Die korrekte technische Bezeichnung ist Flash-EEPROM, wobei EEPROM für electrically erasable PROM steht, was eigentlich ein Paradoxon ist, da es sich dabei damit um wiederbeschreibbaren read only memory handelt.

Flashspeicher hat den Vorteil, dass er in Prinzip wie Arbeitsspeicher rein elektronische ausgelesen und beschrieben werden kann. Das bedeutet, dass keine mechanischen Teile beansprucht werden und auch im Vergleich schneller und energieeffizienter arbeiten kann als magnetische und optische Speichermedien. Außerdem ist er bezogen auf die Speicherkapazität meist kleiner als andere Speichermedien und konnte gleich auf der Platine angebracht werden.
Heute gibt es zunehmen Halbleiterspreicher, der Speicher in Microcontrollern, USB-Sticks, SSD Festplatten, ...

Schnittstellen

Ist eine Komponente fest auf der Hauptplatine verlötet, so spricht man von einer on-board Komponente. Zunehmend werden auch Komponenten gleich mit in die Hauptverarbeitungseinheit mit verbaut, dann spricht man von einer on-chip Komponente. Diese Kommunikationsverbindungen des Prozessors oder der Hauptplatine "nach außen" nennt man Schnittstellen.
Eine Schnittstellenspezifikation besteht aus der Sprache/ Protokoll, der Geschwindigkeit der Datenübertragung und aus einer Hardwarespezifikation. Diese legt fest, wie die Komponenten physikalisch über die Schnittstelle verbunden werden. (Stecker und Buchse oder bei z.B. Wifi, Bluetooth und Infrarot, muss man die Frequenz und die Art und Weise, wie Bits gesendet werden, festlegen.)

USB

Die meistverbreitete Schnittstelle für Peripheriegeräte ist heutzutage die USB-Schnittstelle (Universal serial bus).

Grafikschnittstellen

Da wir möglichst ohne Verzögerung eine Reaktion auf eine Eingabe auf dem Display sehen wollen, muss die grafische Ausgabe besonders schnell berechnet werden. Deshalb gibt es für die Grafikausgabe auch oft einen eigenen Prozessor, die GPU (Graphical Processing Unit) der nur mit der Berechnung der nächsten Bildschirmausgabe beschäftigt ist.

Interne Schnittstellen

Arbeitsspeicher wird heute über die sogenannte DDR-Schnittstelle angeschlossen (DDR bedeutet Double Data Rate)
Erweiterungskarten wie Grafikkarten werden heute über PCI express angeschlossen.
Interne Festplatten und SSD werden heute üblicherweise über die SATA-Schnittstelle angeschlossen (Serial ATA bzw. Serial advanced technology attachment).

Früher gab es auf der Hauptplatine sogenannte Bridges. Dabei gab es üblicherweise eine besonders leistungsfähige Bridge, die die sehr schnellen Datentransfer zwischen Hauptprozessor, Arbeitsspeicher und Grafikkarte vermittelte, die sogenannte Northbridge. Die nicht so anspruchsvollen Komponenten wie Massenspeicher und Eingabegeräte wurden über die sogenannte Southbridge an die Northbridge angeschlossen.Heute finden werden aber zunehmend Komponenten direkt in den Prozessorchip verbaut, so ist zum Beispiel die Northbridge in modernen Intel-Prozessoren bereits on-chip. Nur die langsameren Geräte werden über eine Southbridge vermittelt.

System on Chip (SoC) Prozessoren - die zum Beispiel für Smartphones und Tablets eingesetzt werden - integrieren neben dem Chipsatzauch den Graphikprozessor auf dem Chip, so dass alle weiteren Komponenten direkt am Prozessor angeschlossen werden - hier hauptsächlich über PCI express und USB.