Wie genau funktioniert ein Computer physikalisch?
Wie genau funktioniert ein Computer physikalisch gesehen, also was passiert mit welchen Bauteilen das aus Strom z.b. ein Bild wird?
Mir ist klar welche Komponenten in einem Computer verbaut sind und für was diese Zuständig sind. Aber was genau machen all diese Komponenten damit z.b. ein Prozessor etwas rechnen kann, woher weiß der Computer was der Prozessor macht? Und wie kann der Computer überhaupt rechnen?
2 Antworten
Mit dieser Frage könnte nun ein komplette Studienarbeit gefüllt werden ;-) Versuchen wir es trotzdem mal. Jeder "Rechner" (das gilt gleichermaßen für einen PC, Konsole, Handy) beruht stets auf der gleichen Grundidee:
- Es gibt eine Komponente namens ALU (Arithmetic Logic Unit) die in der Lage ist Rechenoperationen durchzuführen. Richtig, dies ist die CPU
- Das Speicherwerk, in dem Daten als auch Programme gespeichert werden können.
- Ein-/ und Ausgabeeinheit, welche die Schnittstelle von Daten für den Anwender (Tastatur, Bildschirm) oder anderen Schnittstellen bereitstellt
- Das Bussystem dient wiederum zur Kommunikation der beschriebenen Komponenten.
Dieses Referenzmodell für Computer nennt man Von-Neumann-Architektur und ist die Grundlage der Arbeitsweise der meisten heute bekannten Computer! Um also die Frage zu beantworten wie ein Rechner überhaupt rechnen kann, ist es grundsätzlich erstmal nochwendig zu verstehen wie die Komponenten im Rechner überhaupt zusammenarbeiten.
Sicher hast du schon etwas von der Taktung einer CPU gehört. Schaut man etwas detaillierter rein, wie ein Prozessor funktioniert, dann wirst du folgendes Muster finden/stark vereinfacht dargestellt:
Takt 1: Angabe einer physikalischen Adresse im Speicher (Adressbus)
Takt 2: Austausch von Daten in den Speicher (Datenbus)
Dass Datenautobahnen/Leitungen zwischen der CPU und dem Speicher über den Bus vorhanden sind, nehmen wir mal als gegeben hin! Noch eine Ebene tiefer betrachtet:
Stromimpulse die (über einen Quartz) getaktet durch über Leitungen zu Gattern verbundene Kondensatoren fließen und damit in der Lage sind Informationen (Strom!) entweder zu speichern, gezielt abzugeben oder zu logischen Operationen zu verbinden. Eine geniale Erfindung.
Abstrahiert: Der Rechner taktet nun durch den fließenden Strom je Zeiteinheit Befehle oder Daten. In der Prozessorarchitektur ist klar definiert WANN Stromimpulse als Befehl interpretiert werden und wann Daten tranportiert werden. Tritt dieses Gefüge außer Takt funktioniert nichts mehr! Aus diesem Grund sind Kriechströme und (bei immer kleiner werdenden Prozessoren) sog. über Leitung wandernde/springende Elektronen ein Problem.
Mit diesem Prinzip kann nun alles hergeleitet werden. Aus Sicht der Rechnerarchitektur ist damit der Bildschirm nichts anderes als über den Bus mit dem Prozessor verbindene Peripherie, mit welcher Daten ausgetauscht werden können. Das gleiche gilt für die Tastatur.
- Die Benutzereingabe "A" wird in den binären Wert 100001 (Dezimal 65) übersetzt und über den Bus (Datenbus, Adressbus) in den Speicher geschrieben und über die Ausgabeeinheit (wiederrum über den Bus) auf den Bildschirm transportiert.
Computer sind "dumm". Das geschieht nicht automatisch, sondern durch zutun des Menschen, durch Software. Die beschriebene Architektur kann also Befehle ausführen, die wir als Software-Entwickler anwiesen. Zunächst Low-Level in Form von Maschinensprache, eine Ebene darüber über Hochsprachen wie zB C++ ( über Compiler) mit dem Treiber zur Steuerung der Grafikkarte geschrieben werden.
Wie gesagt, über das Thema könnte ein komplette Studienarbeit geschrieben werden. Aber vielleicht hast du nun einen Eindruck wie auf Basis von Strom plötzlich Informationen auf dem Bildschirm sichtbar werden!
Ja, da stecken viele bahnbrechende Erfindungen und Entwicklungen der letzten etwa 100 Jahre dahinter. Irgendwie schätze ich, dass sich da wieder mal jemand echt darüber wundert !
All die nötigen Antworten zu geben, ist aber hier kaum möglich. Man kann dir nur gewisse Tipps zur weiteren Lektüre und Vertiefung geben, etwa ein paar Stichworte zum weitersuchen:
Transistor , Computerchip , Prozessor , Rechnen im Binärsystem , Programmiersprache , digitale Bildcodierung , RGB-System .
Manches lernt man am besten, wenn man etwas selber bauen und ausprobieren kann. Deshalb möchte ich hier noch einen Hinweis auf die bewährten Baukästen von Fischertechnik geben. Für Jugendliche bestimmt immer noch sehr geeignet. Dabei muss es gar nicht unbedingt die neuste Version mit den ausgefeiltesten Robotern sein. Um die Grundlagen etwa des binären Rechnens zu verstehen, eignen sich wohl eher etwas ältere Entwicklungen.
Mit Absicht gebe ich aber keinen konkreten Link an, da ich selber nicht wirklich die Übersicht habe.