Computersysteme: Aufbau, Komponenten und Programme

Einführung

Der Einsatz von EDV-Systemen, der heute durch die weite Verbreitung von PCs in den meisten Haushalten sowie in Wirtschaft und Lehre gekennzeichnet ist, stellt neben dem massiven Einsatz anderer grundlegender Kommunikationsmittel wie Presse, Rundfunk und Fernsehen eine neue soziale und wirtschaftliche Revolution dar.

Zur Erläuterung dieses Themas beginnen wir mit der Beschreibung einiger Grundbegriffe. Anschließend werden die Struktur eines Computersystems, seine Komponenten und deren Zusammenspiel erläutert. Danach werden die verschiedenen Arten von Programmen und ihre Eigenschaften vorgestellt. Abschließend werden Computernetzwerke mit besonderem Fokus auf das Internet behandelt.

Dieses Thema ist von grundlegender Bedeutung in technischen Lehrplänen, da es die Basis für viele Anwendungsfelder bildet.

Grundlagen

• Decoder: Eine kombinatorische Schaltung, die einen binär codierten Eingang erhält und den entsprechenden Ausgang im Dezimalsystem aktiviert.
• Logische Operation: Eine elementare Operation eines Computers, die logische Variablen verknüpft. Die häufigsten sind: die logische Konjunktion UND (AND), die logische Disjunktion ODER (OR) und die logische Negation NICHT (NOT).
• Register: Ein kleiner, sehr schneller Speicher zur vorübergehenden Speicherung einer begrenzten Datenmenge.
• Sequenz: Eine geordnete Folge von Daten oder Aktionen mit einer sequenziellen Struktur.
• Logische Variable: Eine Variable, die nur zwei Werte annehmen kann: wahr oder falsch.
• Random: Englisches Wort für zufällig oder willkürlich.
• Algorithmus: Eine Methode zur Durchführung einer Aufgabe, die die folgenden Bedingungen erfüllt:
  • Berücksichtigt alle möglichen Situationen.
  • Die Beschreibung ist objektiv und eindeutig.
  • Die Beschreibung ist endlich.
  • Besitzt einen definierten Anfang und ein definiertes Ende.
  • Die Ausführung endet nach einer endlichen Zeit.

  Es ist die Methode zur Lösung von Problemen mithilfe eines Computers, die anschließend in eine Programmiersprache übertragen wird.

• Mikroprozessor: Ein Chip, der aus einem oder mehreren integrierten Schaltkreisen besteht und die Aufgaben einer Zentraleinheit ausführt. Schematisch besteht er aus:
  • Einem ROM (Read-Only Memory) mit dem Code zur Ausführung von Befehlen.
  • Einem Befehlsregister, in dem der aktuelle Befehl gespeichert ist.
  • Einem Programmzähler (PC), der die Adresse des nächsten Befehls enthält.
  • Einer arithmetisch-logischen Einheit (ALU).
  • Weiteren Registern für Adressen und Daten.
  • Einige verfügen über einen kleinen RAM für Zwischenspeicherungen.
• CPU (Central Processing Unit): Abkürzung für Zentraleinheit. Ihre Aufgabe ist es, die in einem Programm oder Algorithmus beschriebenen Aktionen auszuführen. Diese Aktionen können Berechnungen erfordern, die in der ALU der CPU verarbeitet werden.

Struktur, Komponenten und deren Zusammenspiel

Jeder Computer besteht aus den folgenden Blöcken: Zentraleinheit (CPU), Hauptspeicher, Peripheriegeräte und Kommunikationsbusse.

CPU (Central Processing Unit)

Die Zentraleinheit (CPU) ist das „Gehirn“ des Computers. Ihre Funktion besteht darin, im Hauptspeicher abgelegte Programme auszuführen, indem sie deren Anweisungen nacheinander abruft und verarbeitet.

Die CPU besteht aus mehreren Teilen:

• Steuereinheit (Control Unit)
• Arithmetisch-logische Einheit (ALU)
• Arbeitsregister, darunter:
  • Programmzähler (PC - Program Counter)
  • Befehlsregister (IR - Instruction Register)

Die Steuereinheit holt die Anweisungen aus dem Hauptspeicher und bestimmt deren Art.

Die ALU führt die arithmetischen und logischen Operationen aus, die zur Ausführung der Anweisungen erforderlich sind. Sie wird auch als Rechenwerk bezeichnet.

Die Arbeitsregister sind ein kleiner Hochgeschwindigkeitsspeicher, der zur Speicherung von Zwischenergebnissen und bestimmten Kontrollinformationen dient. Das wichtigste Register ist der Befehlszähler (PC), der auf den nächsten auszuführenden Befehl zeigt. Das Befehlsregister (IR) enthält den aktuell ausgeführten Befehl.

Der Arbeitsprozess der einzelnen Teile ist nicht autonom, sondern logisch miteinander verknüpft. Im Überblick funktioniert es wie folgt: Die Steuereinheit empfängt die Befehle nacheinander aus dem Speicher und speichert sie im Befehlsregister (IR). Von dort gelangen sie zum Befehlsdecoder, der sie entschlüsselt und interpretiert, damit die ALU sie verarbeiten kann. Gleichzeitig erhöht der Programmzähler (PC) seinen Zählerstand, um auf den nächsten Befehl zu verweisen.