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Aufbau und Arbeitsweise von Computersystemen

• Als Hardware werden alle materiellen Komponenten bezeichnet. Die Hardware führt letztlich alle Funktionen eines Computersystems aus.
• Damit ein Computersystem aber auch die richtigen Funktionen ausführt, muss es die entsprechenden „Handlungsvorschriften” befolgen. Diese immateriellen Bestandteile eines Computersystems werden unter dem Namen Software zusammengefasst.

Hardware

Kernstück ist jener Bestandteil eines Computersystems, der alle Rechenoperationen durchführt und die übrigen Komponenten steuert: dieser Bestandteil wird als Zentraleinheit bzw. als CPU (Abk. für „Central Processing Unit”) bezeichnet. Die anderen Hardwarekomponenten rücken dagegen an den Rand: Sie werden unter dem Namen Peripherie zusammengefasst.

Zentraleinheit

• Kernstück der Zentraleinheit ist der Prozessor. Dieser wiederum besteht im wesentlichen aus zwei Bestandteilen:
  • Das Leitwerk holt aus dem Arbeitsspeicher (s.u.) die auszuführenden Anweisungen, die in Maschinensprache vorliegen und veranlasst die übrigen Komponenten des Computersystems zu entsprechenden Aktionen.
  • Das Rechenwerk ist, wie schon sein Name sagt, für die Rechenoperationen zuständig.
  • Sowohl Leit- als auch Rechenwerk verfügen für ihre Aufgaben über einen kleinen Satz von besonders rasch ansprechbaren, manchmal auch nur für Spezialzwecke einsetzbare Speicherzellen, die als Register bezeichnet werden.
  • Ein Prozessor, der in Form eines einzigen hochintegrierten elektronischen Bauelements – eines „Chips” – vorliegt, wird als Mikroprozessor bezeichnet. Die Entwicklung von Mikroprozessoren als standardisierte, preisgünstige und kompakte elektronische Bauteile war eine wesentliche Voraussetzung dafür, Computer kleiner und billiger zu machen, sodass heute die Rechnerleistung nicht in Form von wenigen, zentral aufgestellten „Großrechnern”, sondern an jedem Arbeitsplatz als „Personal-Computer” verfügbar ist.

Moderne Prozessoren (im PC-Bereich meist von den Herstellern Intel oder AMD) arbeiten mit Taktfrequenzen bis zu 3GHz und verfügen oft schon über mehrere CPU-Kerne (Multi-Core CPU)

Abb.: Aufbau einer Zentraleinheit

• Zweiter wesentlicher Bestandteil der Zentraleinheit ist der Arbeitsspeicher (auch als Hauptspeicher bezeichnet). Dieser enthält alle (Maschinen-) Programme, die momentan ausgeführt werden, sowie alle Daten, mit denen diese Programme momentan arbeiten. Dieser Speicher liegt im wesentlichen in zwei Grundformen vor:
  • Die im laufenden Betrieb zweifellos wichtigere Form ist der les- und beschreibbare Speicher, irreführenderweise als RAM („Random Access Memory”, Speicher mit Zugriff auf eine beliebige Speicherstelle) bezeichnet. Da dieser Speicher sowohl gelesen als auch geschrieben werden kann, eignet er sich, um Daten oder auch Programme, die von einem Speichermedium geladen werden, aufzunehmen. Er verliert allerdings seinen Inhalt, sobald der Strom ausgeschaltet wird.
  • Der Inhalt eines nur lesbaren Speichers („Read-Only Memory”, ROM) kann hingegen nicht mehr geändert werden. Er geht aber auch nicht verloren, wenn der Strom ausgeschaltet wird; ROMs eignen sich daher dazu, jenes Programm aufzunehmen, das nach dem Einschalten des Computers das Betriebssystem von einem Speichermedium lädt und damit die volle Funktionsfähigkeit des Computersystems herstellt. Auch Teile des Betriebssystems selbst oder auch wichtige Anwendungsprogramme können in ROM gespeichert sein.
  • Als Alternative zum ROM kann auch Flash Memory eingesetzt werden. Auch Flash Memory behält seinen Inhalt, wenn der Strom ausgeschaltet wird, im Unterschied zum ROM kann jedoch sein Inhalt verändert („reprogrammiert”) werden. Der Vorgang des Reprogrammierens ist jedoch sehr aufwendig, sodass sich Flash Memory nicht als Ersatz für RAM-Speicher einsetzen lässt.
  • Optional kann zwischen Prozessor und Arbeitsspeicher ein Cache-Speicher zwischengeschaltet werden. Dabei handelt es sich um RAM-Speicher schnellerer Bauart, der häufiger gebrauchte Programmteile und Daten für den Prozessor verfügbar hält. Durch den Einsatz von Cache-Speicher kann der Arbeitsspeicher eines Computers mit langsameren (und damit billigeren) Bauelementen realisiert werden, ohne dass es zu einer wesentlichen Verringerung der Rechengeschwindigkeit kommt.
  • Sofern dies von der Hardware der Zentraleinheit und dem Betriebssystem unterstützt wird, kann auch der umgekehrte Weg gegangen werden. Nicht benötigte Programmteile und Daten werden auf den Hintergrundspeicher „ausgelagert”. Dem Anwendungsprogramm wird jedoch vorgespiegelt, dass sich diese Programmteile nach wie vor im Arbeitsspeicher befinden, indem sie bei der nächsten Verwendung durch das Programm wieder „eingelagert” werden (auf Kosten anderer Programmteile, die Platz machen müssen; dies alles spielt sich für das Anwendungsprogramm vollständig unsichtbar ab; da den Anwendungsprogrammen dadurch die Existenz von mehr Hauptspeicher als tatsächlich vorhanden vorgespiegelt wird, wird das Verfahren als virtueller Speicher bezeichnet).

• Schließlich gibt es noch die Schnittstellenbausteine, die das Bindeglied zwischen Zentraleinheit und Peripherie bilden (der Begriff „Schnittstelle” wird hier im Sinne eines Verbindungspunktes von technischen Komponenten verwendet); ihre Aufgabe ist einerseits die Erzeugung jener Signale, die geeignet sind, ein bestimmtes Peripheriegerät (z.B. einen Bildschirm oder eine Festplatte) anzusteuern, andererseits die Interpretation der von diesen Geräten kommenden Signale und das Bereitstellen der korrespondierenden Eingaben für die CPU.

Diese Komponenten sind durch ein System von (elektrischen) Verbindungswegen, dem Bus, miteinander verbunden. Je nach Funktion lassen sich die

• Leitungen des Buses in drei Kategorien gliedern:
  • Die Daten und Befehle selbst werden zwischen dem Prozessor und dem Arbeitsspeicher bzw. den Schnittstellenbausteinen auf dem Datenbus übertragen. Die „Breite” (d.h. die Anzahl der Leitungen) des Datenbuses bestimmt, welche Datenmenge auf einmal zwischen dem Prozessor und dem Speicher übertragen werden kann, und ist damit ein Faktor, der die Rechengeschwindigkeit festlegt.
  • Es muss aber auch festgelegt werden, welche Speicherzelle bzw. welcher Schnittstellenbaustein der „Ansprechpartner” des Prozessors ist. Diese Information überträgt der Adressbus. Die Breite des Adressbuses legt fest, wie viel Arbeitsspeicher ein Prozessor maximal ansprechen werden kann.
  • Im Steuerbus schließlich sind alle jene Signale zusammengefasst, die für verschiedene andere Zwecke vorgesehen sind (z.B. ob der Datentransfer vom oder zum Prozessor erfolgt, oder ob sich ein Peripheriegerät in einem Zustand befindet, auf den der Prozessor rasch reagieren muss).
  • Eine besondere Rolle spielt das Taktsignal. Die Geschwindigkeit, die dieser „Dirigent” vorgibt, bestimmt das Arbeitstempo der Zentraleinheit. Zusammen mit dem Prozessortyp (der die verfügbaren Befehle der Maschinensprache, die Dauer jedes dieser Befehle in Taktzyklen, allfällige Prozessor-interne Optimierungen bei der Abarbeitung von Befehlen, aber auch die Breite des Datenbuses und die Größe eines Wortes definiert) ist damit die Rechenleistung eines Computers festgelegt. Die Gesamtleistung eines Computersystems hängt aber auch noch von der Leistungsfähigkeit der Peripherie, insbesondere der Speichermedien, sowie vom Aufgabenmix ab, der mit diesem Computersystem bewältigt werden soll, und der all diese Komponenten unterschiedlich stark beanspruchen kann.

Die Leitungen des Buses werden auch in Form von standardisierten Steckplätzen zur Verfügung gestellt, sodass das Computersystem mit entsprechenden Karten um unterschiedliche Komponenten (für Externspeicher, Bildschirme, lokale Netzwerke, ...) erweitert werden kann. Gängige Formen von Steckplätzen sind PCI („Peripheral Component Interconnect”) und PCI-Express. In portablen Systemen werden hierfür auch PCMCIA und Mini PCI eingesetzt.

Peripherie

Die Peripherie eines Computers dient im Wesentlichen drei Zwecken, nämlich

• der Kommunikation mit dem Benutzer
• der Aufbewahrung (Speicherung) von Daten sowie
• dem Datenaustausch mit anderen Computersystemen

Peripheriegeräte werden über geeignete Kabel und Stecker an die Zentraleinheit angeschlossen. Wichtig ist, dass genormte Schnittstellen zum Einsatz kommen. Der wichtigste Standard ist heute USB (Universal Serial Bus - http://de.wikipedia.org/wiki/USB).

Beinahe alle Peripherigeräte verfügen heute über eine USB Schnittstelle Beispiele: Maus, Tastatur, Scanner, Drucker, Digitalkamera, …

Bei USB ist darauf zu achten ob der Standard 1.x oder 2.x unterstützt wird. Werden hohe Übertragungsraten benötigt (externe Festplatte, Camcorder, Scanner, …) ist darauf zu achten, dass USB 2.x unterstützt wird. Für den Anschluss von Geräten wie Tastatur, Maus, etc. ist USB 1.x ausreichend.

Neben USB findet man auch noch die IEEE 1394-Schnittstelle („Firewire”), die den Anschluss von bis zu 63 Peripheriegeräten (z.B. Festplatten, aber auch Multimedia-Equipment wie DVD und Video-Kameras) an einen Anschluss erlauben soll. USB2 und Firewire zeichnen sich durch hohe Übertragungsgeschwindigkeit aus (50 bzw. 60 MByte/s).

Ältere Schnittstellentechnologien wie serielle oder parallele Schnittstellen, SCSI (Abk. für „Small Computer System's Interface”) sind im PC-Bereich kaum mehr anzutreffen.

Literatur

Weiterführende Links

• Institut für Datenverarbeitung
• Johannes Kepler Universität
• MUSSS-Moodle