Arbeitsweise eines Computers

Ein PC setzt sich aus vielen Hardwarebestandteilen zusammen, die auf der Seite unter Aufbau des Computers beschrieben werden. Nicht jede Hardware wird jedoch für ein Funktionieren des PC's benötigt. Beispielsweise könnte man einen Rechner auch ohne Netzwerkkarte betreiben, sodass das EVA-Prinzip mit Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe durchgeführt werden könnte. Wenn man von der Arbeitsweise des Computers spricht, dann meint man damit im Grunde nur den Kern des PC's, der für die Anwendung des EVA-Prinzips benötigt wird und das ist die Zentraleinheit. Hierzu zählen die folgenden Bestandteile.

  • Eingabewerk
  • Ausgabewerk
  • Speicher (Arbeitsspeicher, RAM)
  • Prozessor
  • Bussystem

Über das Eingabewerk werden die Eingabegeräte (Kamera, Scanner, Maus, Tastatur, Mikrofon etc.) angeschlossen. Dadurch ist der Rechner in der Lage, Eingaben für die weitere Verarbeitung entgegenzunehmen. Analog dazu werden die Ausgabegeräte (Drucker, Monitor, Lautsprecher etc.) an das Ausgabewerk angeschlossen. Diese erhalten das Ergebnis der Verarbeitung bzw. die Ausgabe, sodass man z.B. am Monitor etwas farblich angezeigt bekommt.

Die Haupttätigkeit erfolgt im Speicher und im Prozessor. Die Speicher werden in flüchtigen und nicht-flüchtigen Speichern unterscheiden. Als flüchtig bezeichnet man einen Speicher, in dem die Daten temporär gespeichert werden und die nach einer Unterbrechung der elektrischen Spannung verloren gehen. Bei nicht-flüchtigen Speichern bleiben die Daten auch nach einer Spannungsunterbrechung erhalten. Zu ihnen zählen CD's, DVD's, USB-Sticks oder Festplatten.

Aufgrund ihrer Schnelligkeit arbeitet die CPU in der Regel direkt mit dem flüchtigen Arbeitsspeicher (RAM). Theoretisch könnte die CPU zwar auch die Festplatte als Arbeitsspeicher benutzen. Das wäre jedoch viel zu langsam. Daher zählt die Festplatte in der Regel nicht zur Zentraleinheit, sondern zu den Peripheriegeräten. Flüchtige Speicher sind zwar schneller, dafür sind sie jedoch teurer in der Herstellung. Sie werden wie im Fall des Arbeitsspeichers nur dort eingesetzt, wo es notwendig ist und haben fast immer eine geringere Kapazität als Festplatten.

Das Bussystem ist ein Hilfsmittel, damit die Datenströme zwischen den Komponenten fließen können, z.B. von der Maus zur CPU. Das Betriebssystem ist dafür da, dass der Benutzer den Computer bedienen und Befehle an die Zentraleinheit übermitteln kann. Es fungiert quasi als Schnittstelle zwischen dem Benutzer und den Computer. Was als Bestandteil der Zentraleinheit betrachtet wird, ist abhängig vom Kontext. Viele Anwender betrachten den gesamten PC samt Gehäuse als Zentraleinheit und viele Chipdesigner wiederum nur den Prozessor. Die 5 genannten Bestandteile sollen daher einen guten Mittelweg darstellen.

Die Software erweitert im Grunde die Funktionalität des Betriebssystems. Genau genommen ist ein Betriebssystem zwar auch eine Software, jedoch mit einer übergeordneten Rolle. Ein Betriebssystem ist beispielsweise nicht dafür da, um z.B. Briefe damit zu schreiben oder Bilder zu bearbeiten. Dafür ist die Software da. Das bedeutet, die Software muss sich an die Rahmenbedingungen halten, die ihm das Betriebssystem bietet. Wenn durch Software z.B. bestimmte Dinge veranlasst werden sollen, die das Betriebssystem nicht erlaubt oder versteht, dann wird das systembedingt nicht durchgeführt. Daher muss eine Software stets kompatibel zu einem Betriebssystem sein und bei eigentlich allen Programmen wird die Kompatibilität angegeben.

Das Betriebssystem und die Software sind physisch nicht vorhanden, sondern nur in Form von Daten. Diese müssen für die Arbeit des Prozessors bereitstehen und werden daher in den Arbeitsspeicher geladen, da der Prozessor aufgrund der Schnelligkeit direkt mit dem Arbeitsspeicher kommuniziert. Nur so ist sichergestellt, dass die Verarbeitung schnell erfolgt. Bei der Verwendung der Festplatte als Arbeitsspeicher wären die Ergebnisse wesentlich langsamer.

Arbeitsweise eines Computers
Arbeitsweise eines Computers schematisch dargestellt

Auf dem Bild ist die Arbeitsweise der Zentraleinheit schmeatisch dargestellt. Der Bereich des Arbeitsspeichers ist mit RAM gekennzeichnet. RAM ist die Abkürzung für Random Access Memory und ist der englische Begriff für den Arbeitsspeicher. Übersetzt heißt das in etwa "Wahlfreier (zufälliger) Zugriffsspeicher". Die Daten können nämlich an beliebiger Stelle im Arbeitsspeicher (zufällig) abgelegt werden.

Über die Eingabegeräte können die Eingaben gemacht werden. Zunächst erhält das Betriebssystem die durch die Eingabegeräte gesendeten Datenströme und leitet diese bei der Verwendung einer Software quasi weiter. Je nachdem wie die Software programmiert ist, werden abhängig von den Datenströmen bestimmte Berechnungen angefordert. Dafür werden gewisse Befehle an das Betriebssystem geschickt. Wenn das Betriebssystem die Befehle versteht und die Ausführung erlaubt, werden die Befehle an den Prozessor weitergeleitet.

Die Übertragung zum Prozessor erfolgt nicht in einer für Menschen verständlichen Sprache, sondern im Maschinencode. Das heißt, der Prozessor erhält die Befehle als binäre Zahlen mit 0 oder 1. Auf diese Weise wird ein sogenannter Datenstrom an den Prozessor übermittelt. Dafür, dass die Datenströme auch die "richtigen" Nullen oder Einsen enthalten, sorgt das Betriebssystem.

Im Prozessor ist ein Steuerwerk und ein Rechenwerk. Das Steuerwerk sorgt für die Koordination der Befehle. Denn nicht alle Befehle sollen gleichzeitig laufen, sondern in einer logischen Reihenfolge. Die eigentliche Verarbeitung (Berechnung) erfolgt im Rechenwerk. Im Rechenwerk werden die Daten, die aus dem Arbeitsspeicher geholt werden, berechnet.

Das Ergebnis wird wieder im Maschinencode an das Ausgabewerk geschickt. Hier muss häufig wieder eine Transformation erfolgen. Denn, der Mensch möchte natürlich keinen Datenstrom aus lauter Nullen oder Einsen, sondern eine Ausgabe am Bildschirm, Lautsprecher etc., damit er etwas sieht oder hört. Eine Grafikkarte hat die Aufgabe, solch eine Transformation vorzunehmen und die digitalen Signale in analoge Signale umzuwandeln, sodass am Ende am Bildschirm etwas angezeigt werden kann. Eine Soundkarte wandelt ebenfalls die digitalen Signale in analoge um, nur mit dem Unterschied, dass die Ausgabe in einer hörbaren Form erfolgt, beispielsweise über Lautsprecher oder Kopfhörer.

Eine häufig gestellte Frage ist, warum der Prozessor die Befehle und die Daten nur im Binärsystem verarbeiten kann. Die Antwort ist sowohl logisch als auch einfach. Ein Prozessor ist ein elektronisches Element und kennt daher nur zwei Zustände. An und Aus. Der Mensch kennt das Dezimalsystem mit 10 Zuständen, weil er 10 Finger hat. Man sollte sich einfach vorstellen, dass der Computer nur zwei Finger besitzt und trotzdem damit rechnen möchte und auch in der Lage dazu ist. Die Darstellung der Ziffern ist lediglich anders. Während der Mensch die Ziffern 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 kennt, stehen dem Computer nur die Ziffern 0 und 1 zur Verfügung, woraus wiederum die Zahlen gebildet werden.