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Aufbau und Funktion eines Computers: Architektur, Bus, Peripherie

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Architektur des Computers

Aufbau und Komponenten

Der Computer besteht aus mehreren Komponenten, die miteinander kommunizieren: CPU, Speicher und Ein- und Ausgabegeräte. Die folgenden Abschnitte erläutern den Aufbau im Detail.

Speicher und Verarbeitung

Die CPU führt Instruktionen aus und verwaltet den Ablauf im Rechner. Sie besteht aus folgenden Teilen:

  • Steuereinheit (UC): Steuert den Ablauf der Befehle und verwaltet das Programm.
  • Befehlsdecoder: Dekodiert die Befehle.
  • Taktgeber: Erzeugt den Takt, mit dem alle Vorgänge synchronisiert werden.
  • Selektor: Wählt die Reihenfolge der Befehle aus.
  • ALU (Arithmetisch-Logische Einheit): Führt arithmetische und boolesche Operationen mit den Daten aus, die sie von der Steuereinheit erhält.
  • FPU (Floating Point Unit): Verarbeitet Gleitkommazahlen.
  • NPU (Neural Processing Unit): Koprozessor für die Verarbeitung von Matrizen.
  • NDP (Numeric Data Processor): Prozessor für numerische Daten.

Register

Register sind für den Nutzer sichtbare Speicherstellen innerhalb der CPU:

  • Adressregister
  • Datenregister
  • Zustandsregister
  • Steuerregister und Statusregister
  • Befehlsregister
  • Speicheradressregister (RDM)
  • Speicheraustauschregister (RIM)

Bus-Kommunikation

Die verschiedenen Einheiten sowie der Speicher kommunizieren über Busse. Ein Bus überträgt Informationen über elektrische Leitungen oder optische Verbindungen. Die Datenmenge, die gleichzeitig übertragen werden kann, hängt von der Busbreite ab. Ein Computer arbeitet mit 16, 32 oder 64 Bit.

Bustypen

  • Datenbus: Ermöglicht den Austausch von Daten zwischen CPU und externen Einheiten (Speicher, Peripherie). Die Geschwindigkeit ist entscheidend.
  • Adressbus: Überträgt die Adresse, also die Position im Speicher, zwischen CPU und Speicher. Er ist der wichtigste Bus, da er den Zugriff auf die Daten ermöglicht. Ein Bus mit 10 Bit ermöglicht 210 = 1024 Positionen, ein Bus mit 14 Bit ermöglicht 214 = 16384 Positionen.
  • Steuerbus: Erzeugt die Steuerimpulse, die von der Steuereinheit an die anderen Komponenten gesendet werden. Wichtiger als die Anzahl der Bits ist hier die Steuerung selbst.

Cache: Der Cache-Speicher ist sehr schnell und liegt zwischen CPU und RAM. Er speichert häufig benötigte Daten und Befehle, damit sie schnell verfügbar sind.

RAM: Der Arbeitsspeicher ist schnell und enthält Programme und Daten, die gerade ausgeführt werden oder zur Ausführung bereitstehen.

Computergeschichte

Früher wurden mechanische Lochkarten und Magnetbänder verwendet. Mechanische Computer waren größer und schwerer als elektronische Geräte. Im Zeitalter der Maschinen waren die Informationen zuverlässiger als bei der elektronischen Verarbeitung.

  • Mechanische Zeit: Babbage Difference Engine, Babbage Analytical Engine, Rechenmaschinen von Blaise Pascal
  • Elektronische Zeit: Manchester Mark I (Maniac), IBM 360

Peripheriegeräte

1. Periphere Eingabegeräte

Sie dienen dazu, Informationen in den Computer einzugeben, zum Beispiel Tastatur, Maus, Webcam, Scanner, Mikrofon, Barcodescanner, Joystick oder Touchscreen.

2. Periphere Ausgabegeräte

Sie zeigen die Ergebnisse der Verarbeitung an, zum Beispiel Monitor, Drucker, Lautsprecher, Kopfhörer oder Fax.

3. Periphere Ein- und Ausgabegeräte

3.1 Speicher-Peripherie: Sie speichern Daten und stellen sie dem Prozessor zur Verfügung. Sie können sowohl Eingabe als auch Ausgabe sein. Beispiele: Festplatte, Laufwerk, CD/DVD/Blu-ray-Recorder, USB-Flash-Speicher, magnetische Bänder, Disketten, externe Laufwerke.

3.2 Kommunikations-Peripherie: Sie ermöglichen den Austausch von Daten mit anderen Geräten. Beispiele: Modem, Netzwerkkarte, WLAN-Karte, Bluetooth, serielle Schnittstelle, Infrarot-Schnittstelle.

Start des Computers

Wenn ein Computer eingeschaltet wird, laufen folgende Schritte ab:

  1. Der Computer wird eingeschaltet und die Stromversorgung versorgt die Hardware, einschließlich der CPU.
  2. Die CPU liest das BIOS (Basic Input/Output System) aus dem ROM-Speicher. Dort ist der POST (Power-On Self-Test) gespeichert.
  3. Der POST prüft die grundlegenden Geräte wie CPU, Speicher und Tastatur. Findet das BIOS keinen Fehler, setzt es den Start fort.
  4. Das BIOS sucht das Startlaufwerk, etwa die Festplatte, und lädt das Betriebssystem in den Arbeitsspeicher, anschließend wird es von der CPU ausgeführt.
  5. Danach wird jedes Programm, das ausgeführt wird, von der Festplatte in den RAM und dann zur CPU geladen.
  6. Beim Ausschalten werden alle Register und der RAM geleert.

Software

Software ist eine Menge von Anweisungen und Regeln, die einem Computer vorgeben, welche Aufgaben er ausführen soll.

Einteilung der Software

  • Systemsoftware: Sorgt dafür, dass der Computer korrekt funktioniert, und verwaltet die Hardware. Beispiele: Betriebssysteme, Treiber, Tools, Diagnoseprogramme.
  • Anwendungssoftware: Unterstützt den Benutzer bei bestimmten Aufgaben, zum Beispiel Büroanwendungen, Grafikprogramme oder Webbrowser.
  • Programmiersoftware: Unterstützt Entwickler beim Erstellen neuer Software. Sie ermöglicht es, einfache Programme zu erstellen, zum Beispiel mit Visual Basic, C++, Java oder Borland-Tools.

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