Grundlagen der Computerarchitektur und Hardware-Komponenten

Grundlagen des Computing und Computerkomponenten

Computer Components: Computing ist die automatische Verarbeitung von Informationen. Diese Informationen müssen in digitaler Form vorliegen. Zahlen jeder Basis werden dabei zur Basis 2 konvertiert. Bilder müssen als geordnete Pixel codiert werden, und auch Wellen zur Übertragung von Sounds sollten codiert werden, um mit ihnen arbeiten zu können. Ein Computer ist ein elektronisches Gerät, das digitale Daten entgegennimmt, verarbeitet und das Ergebnis ausgibt.

Die Entwicklung der Rechenmaschinen

Die frühe Entwicklung von Rechenmaschinen arbeitete mit festen Programmen. Ein solcher Rechner oder Computer war auf ein festes Programm eingestellt. Man konnte einfache Mathematik betreiben, aber er war nicht für Anwendungen wie Textverarbeitung oder Spiele nutzbar. Um ein Programm bei einer solchen Maschine zu ändern, musste man die Verbindungen umstrukturieren oder das Gerät sogar neu entwerfen. Das heißt, die ersten Computer wurden nicht „programmiert“, sondern „entwickelt“.

Computer-Architektur

Computer Architecture: Die Computer-Architektur ist die Konzeption und grundlegende operationelle Struktur eines EDV-Systems. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Arbeitsweise der Central Processing Unit (CPU) und dem Zugriff auf Speicheradressen. Beim Kauf eines neuen PCs achtet man vor allem auf Features, Leistung und Kosten.

Die Schichten der Abstraktion

• Hardware: Alle materiellen und physischen Komponenten eines Computers (elektrische, elektronische, elektromechanische und mechanische Bauteile, Gehäuse usw.).
• Firmware: Ein Block von Programmanweisungen für bestimmte Zwecke, wie z. B. im ROM gespeichert. Sie enthält Anweisungen, die dem Computer sagen, wie er mit verschiedenen Geräten arbeiten soll.
• Assembler (Firmware-nah): Eine Low-Level-Sprache. Es ist eine symbolische Darstellung des Binärcodes für eine bestimmte Prozessor-Architektur. Ein Assembler ist ein Computerprogramm, das die Übersetzung der symbolischen Quellsprache in Maschinensprache übernimmt.
• Kernel (Der Kern): Ein wesentlicher Bestandteil des Betriebssystems. Diese Software ist dafür verantwortlich, verschiedenen Programmen den sicheren Zugriff auf die Hardware zu ermöglichen. Er bestimmt die Priorität von Anwendungen und wählt die Prozesse aus, die auf dem Computer laufen.
• Multiplexing: Die Zeitdauer für jede Bewertung erlaubt den Zugriff auf verschiedene Hardware-Komponenten.
• Betriebssystem-Software: Verantwortlich für die Verwaltung der Ressourcen in einem Terminal. Es ist der Host für Anwendungen, die der Computer verarbeitet.

Hardware-Kategorien

Hardware: Es gibt zwei Gruppen: zentrale und periphere Komponenten. Das Zentrum umfasst alles, was sich im Gehäuse befindet und fundamental ist. Peripheriegeräte sind Teile außerhalb des Gehäuses. Eingabekomponenten liefern Informationen, während Ausgabekomponenten Informationen ausgeben. Die Hauptfunktionen sind: Input, Output, Prozess, Transport und Lagerung.

Zentrale Elemente der Hardware

• Motherboard: Auch Mainboard genannt. Es ist eine Leiterplatte, die die Verbindung zu anderen Geräten herstellt.
• CPU: Die Central Processing Unit ist der Haupt-Mikroprozessor, der auf dem Motherboard montiert ist.
• Erweiterungskarten: Andere Leiterplatten wie Netzwerk- oder Grafikkarten.

Einführung in die Von-Neumann-Architektur

Die Von-Neumann-Architektur wurde erstmals angekündigt, nachdem Ecker und Mauchly das Konzept des internen Programms entwickelt hatten. Das Konzept des gespeicherten Programms veränderte das Design von Computern vollständig, da Anweisungen nun in einem Speicher abgelegt werden konnten. Dies ermöglicht die Koordination der verschiedenen Einheiten von einer zentralen Stelle aus. Zudem können Programme während der Ausführung verändert werden.

Der Von-Neumann-Flaschenhals

Von-Neumann-Bottleneck: Die Trennung zwischen CPU und Speicher verursacht das Problem des „Flaschenhalses“. Die Prozessorleistung wird durch die Übertragungsrate der Daten zwischen CPU und RAM begrenzt.

Die CPU (Central Processing Unit)

Die CPU ist das Gehirn des Computers, zuständig für die Steuerung und Verarbeitung der Daten sowie die Ausführung von Programmanweisungen. Sie besteht aus funktionalen Einheiten:

• ALU (Arithmetic Logical Unit): Führt Berechnungen durch (Addition, Subtraktion, Boolesche Logik wie UND, ODER, XOR, NICHT, Bitverschiebungen).
• CU (Control Unit): Steuereinheit.
• Memory Device / Bus: Datensätze und Register.

Register und Status-Flags

Bits im Statusregister geben an, wie eine Operation ausgeführt wurde:

• Y: Überlauf (Overflow).
• Z: Null (Zero).
• N: Negativ.
• P: Parität.
• C: Carry-Flag (Übertrag).

Hauptkomponenten der CPU

• Befehlsdecoder (DI): Analysiert den Opcode der Instruktion aus dem RAM.
• Taktgeber (Clock): Erzeugt elektrische Impulse in festen Intervallen und gibt das Tempo für den Betrieb vor.
• Sequenzer: Synchronisiert die Aufträge mit dem Takt.

Organisation eines Programms

1. Liest den nächsten Befehl aus dem Speicher.
2. Erhöht den Programmzähler.
3. Dekodiert die Anweisung in der Steuereinheit.
4. Ruft die Operanden ab.
5. Führt die Anweisung aus.
6. Zurück zu Schritt 1.

Speicherarten

• L1-Cache: Interner Speicher im Prozessor, sehr schnell und teuer, zur temporären Speicherung von Daten und Anweisungen.
• Hauptspeicher (RAM): Random Access Memory. Hier werden Programmanweisungen und Arbeitsdaten gespeichert. Er ist flüchtig (Inhalt geht ohne Strom verloren). Jede Position wird über eine Speicheradresse identifiziert.

Ein- und Ausgabe sowie Busse

Die Unit Input/Output ermöglicht den Informationsaustausch mit der Außenwelt. Der Bus ist der Weg, auf dem Informationen fließen:

• Datenbus: Tauscht Daten zwischen CPU und Geräten aus (z. B. 32-Bit oder 64-Bit).
• Adressbus: Überträgt Adressen zwischen CPU und Speicher, um Daten zu finden.
• Control Bus: Steuert die CPU-Komponenten.

Das Mainboard (Motherboard)

Das Mainboard ist die größte Platine im PC. Es dient dazu, alle Elemente zu verbinden, insbesondere den Mikroprozessor, den RAM und das BIOS.

Formfaktor und Standards

Der Formfaktor bestimmt die physikalische Größe, die Abmessungen und die Position der Befestigungsschrauben sowie der Erweiterungssteckplätze. Zu den Standards gehören:

• AT / Baby-AT: Erster Standard von 1984.
• ATX: Erstellt 1995, heute am weitesten verbreitet (305 mm x 244 mm). Bietet bessere Belüftung und optimierte Platzierung der Anschlüsse.
• BTX, NLX, LPX: Weitere Varianten.

Elemente des Motherboards

• Sockel (Socket): Aufnahme für die CPU (z. B. ZIF-Sockel für einfache Montage oder ältere LIF-Sockel).
• Speicherbänke: Steckplätze für RAM (SIMMs oder DIMMs).
• Chipsatz: Besteht aus North Bridge (steuert CPU, RAM und Grafikgeschwindigkeit) und South Bridge (steuert Peripherieanschlüsse und Power-Management).
• Erweiterungssteckplätze: Für Grafikkarten, Netzwerkkarten etc.
• BIOS (Basic Input/Output System): Steuert die Kommunikation mit internen Geräten und lädt das Betriebssystem.
• Batterie: Hält die Systemkonfiguration (Datum, Zeit, Parameter) aufrecht, wenn der PC ausgeschaltet ist.