Computer

Ein Computer ist ein Hardware-System, das innerhalb der physikalischen Grenzen seiner Hardware-Bauteile beliebige Berechnungen durchführen kann. Hierfür verarbeitet der Computer Daten mithilfe eines programmierbaren Algorithmus.

Ein Computer besteht zunächst nur aus Hardware. Das Herzstück ist ein Prozessor. Dieser verfügt über einen eigenen internen Speicher, in dem Daten portionsweise wie auf den nummerierten Seiten eines Buches gespeichert und jederzeit zur Verarbeitung oder Ausgabe abgerufen werden können. Zudem beinhaltet ein Prozessor eine so genanntes Rechenwerk. Es ermöglicht Befehle für eine freie Programmierung, mit denen letztendlich jede beliebige Verarbeitungslogik für Daten dargestellt werden kann: Diese Befehle sind im Prinzip die Berechnung, der Vergleich und der bedingte Sprung. Ein Computer kann beispielsweise zwei Zahlen addieren, das Ergebnis mit einer dritten Zahl vergleichen und dann abhängig vom Ergebnis entweder an der einen oder der anderen Stelle des Programms fortfahren. In der Informatik wird dieses Modell theoretisch durch die Turing-Maschine abgebildet; die Turing-Maschine stellt die grundsätzlichen Überlegungen zur Berechenbarkeit dar.

Erst durch eine Software wird der Computer jedoch nützlich. Jede Software ist im Prinzip eine definierte, funktionale Anordnung der oben geschilderten Grundbefehle eines Rechenwerkes: Berechnung, Vergleich und bedingter Sprung, wobei die Bausteine beliebig oft verwendet werden können. Diese Anordnung der Bausteine, die als Programm bezeichnet wird, wird in Form von Daten im Speicher des Computers abgelegt. Von dort kann es von der Hardware ausgelesen und abgearbeitet werden. Dieses Funktionsprinzip der Digitalcomputer hat sich seit seinen Ursprüngen in der Mitte des 20. Jahrhunderts nicht wesentlich verändert, wenngleich die Details der Technologie erheblich verbessert wurden.

Hardwarearchitektur

Das heute allgemein angewandte Prinzip, das nach seiner Beschreibung durch John von Neumann von 1946 als Von-Neumann-Architektur bezeichnet wird:

Prozessor

Hauptplatine

In den heutigen Computern sind das Rechenwerk und die Steuereinheit meistens zu einem Baustein verschmolzen, der so genannten CPU (Central Processing Unit, zentraler Prozessor).

Der Prozessor verfügt über einen eigenen internen Speicher und ist eine Anzahl von durchnummerierten „Zellen“; jede von ihnen kann ein kleines Stück Information aufnehmen. Diese Information wird als Binärzahl, also eine Abfolge von ja/nein-Informationen im Sinne von Einsen und Nullen, in der Speicherzelle abgelegt. Ein Charakteristikum der Von-Neumann-Architektur ist, dass diese Binärzahl (bspw.: 01000001, was der Dezimalzahl 65 entspricht) entweder ein Teil der Daten (also z. B. die Zahl 65 oder der Buchstabe A) oder ein Befehl für die CPU (oben erwähnter „bedingter Sprung“) sein kann. Das Programm und die benötigten Daten befinden sich beide im internen Speicher. Es gibt viele unterschiedliche Programmiersprachen. Im Prozessor selbst wird aber nur die Übersetzung zu einer Maschinensprache verarbeitet.

Die Steuereinheit (Steuerwerk) ist dafür zuständig, zu wissen, was sich an welcher Stelle im Speicher befindet. Man kann sich das so vorstellen, dass die Steuereinheit einen „Zeiger“ auf eine bestimmte Speicherzelle hat, in der der nächste Befehl steht, den sie auszuführen hat oder in dem bestimmte Daten zu finden sind.

Das Rechenwerk hat die Aufgabe, Werte aus Speicherzellen zu kombinieren. Sie bekommt die Werte von der Steuereinheit geliefert, verrechnet sie (addiert beispielsweise zwei Zahlen, welche die Steuereinheit aus zwei Speicherzellen ausgelesen hat) und gibt den Wert an die Steuereinheit zurück, die den Wert dann für einen Vergleich verwenden oder wieder in eine dritte Speicherzelle zurückschreiben kann.

Die Ein-/Ausgabeeinheiten schließlich sind dafür zuständig, die initialen Programme in die Speicherzellen einzugeben und dem Benutzer die Ergebnisse der Berechnung anzuzeigen.

Die Buseinheit verbindet die einzelnen Bestandteile mit einander und stellt die Datenübertagung sicher.

Die Hauptplatine ist die zentrale Platine eines Computers. Auf ihr sind die einzelnen Bauteile wie Hauptprozessor (CPU), Speicher, der BIOS-Chip mit der integrierten Firmware, Schnittstellen-Bausteine und Steckplätze für Erweiterungskarten montiert;