Hardware (Theorie-Dossier)
1. Was ist ein Computer?
Was ist ein Computer? Ist ein Mobiltelefon ein Computer? Ein Digitalkamera? Eine Digitaluhr? Ein Projektor? Die smarte Glühbirne? Im weitesten Sinn können wir jedes Gerät, das hinreichend komplexe Programme ausführen kann, als Computer bezeichnen - also inklusive der Digitaluhr. Meist verwenden wir die Bezeichnung allerdings nur im engeren Sinn für Geräte, deren Programm nicht fix vorgegeben ist, sondern die programmierbar sind.
Zunehmend finden sich vollständige Computer in Alltagsgegenständen, deren Programmier-Schnittstelle meist jedoch nur eingeschränkt zugänglich ist, oder jedenfalls sein sollte: in Kühlschränken, Heizungen, Glühbirnen, Lautsprechern…
2. Aus was besteht ein Computer?
Wir benützen zwei Abstraktionen, um einen Computer zu beschreiben: Hardware und Software. Hardware sind die elektronischen oder mechanischen Teile, die zu einem Gerät zusammengebaut sind. Software sind die Programme, die vom Gerät ausgeführt werden. Die Software ist normalerweise veränderbar, während die Hardware statisch ist.
2.1 Mainboard
Das Mainboard ist das Bauteil, über welches alle anderen Komponenten miteinander verbunden sind.
2.2 Ein- und Ausgabe (Schnittstellen)
2.2.1 Benutzerschnittstellen
Der grösste Teil der sichtbaren Komponenten eines Computers machen oft die Ein- und Ausgabegeräte aus, mit denen eine Schnittstelle zum Menschen geschaffen wird. Beispiele für solche Benutzerschnittstellen sind:
- Display / Touchscreen
- Tastatur, Knöpfe, Touchpad, Stift
- Audio (Mikrofon, Lautsprecher, Kopfhörer)
- Kamera
2.2.2 Geräteschnittstellen
Damit andere Geräte an den Computer angeschlossen werden können, verfügen diese über Geräteschnittstellen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Fähigkeiten:
- USB (Universal Serial Bus)
- Datenübertragung (Speicherkarten, Netzwerk, Internet)
- Stromversorgung
- Geräte wie Maus, Drucker, Kamera
- Nur USB-C: Display
- HDMI (High-Definition Multimedia Interface)
- Zur Übertragung von Bild und Ton an einen externen Bildschirm / Spielkonsole / TV / Projektor.
- Linzenzpflichtig - Kostet 4-10¢ pro Gerät.
- DisplayPort
- Gleiche Fähigkeiten wie HDMI, aber ohne Lizenzkosten.
- (Micro)-SD
- Speicherkarten für Kameras, Drohnen, Mobiltelefone, z.T. auch Notebooks.
- LAN (Local Area Network / RJ-45 Stecker)
- Anschluss für Netzwerkkabel.
- Kann das Netzwerk sicherer, störungsärmer und ev. schneller machen als per WLAN
- Audio-Anschluss
- Für bessere Audio-Qualität im Kopfhörer.
Zu den Geräteschnittstellen gehören auch die meist unsichtbaren Antennen für WLAN, Bluetooth und NFC.
2.3 Prozessor & Geschwindigkeit
Der Kern eines Computers ist der Prozessor (en. Central Processing Unit, CPU). Er führt alle Berechnungen durch und steuert die Ein- und Ausgabe von Daten. Daten werden aus dem Speicher oder den Eingabegeräten gelesen, und wieder zurück in den Speicher oder den Ausgabegeräten geschrieben.
Moderne CPUs können Dutzende von Milliarden von Operationen pro Sekunde ausführen. Der Intel Core I5 Prozessor in Surface Laptops hat die folgenden Kennzahlen:
- 4 Kerne (unabhängige Teilprozessoren)
- 8 Threads (parallelle Ausführungsstränge) pro Kern
- 1-3.6 GHz Taktfrequenz (also bis zu 3'600'000'000 Operationen pro Sekunde in jedem Thread)
Die CPU kann also bis zu 115'000'000'000 Operationen pro Sekunde ausführen.
Die Prozessorgeschwindigkeit ist allerdings selten der limitierende Faktor, wenn ein Gerät langsam erscheint. Viel öfter startet ein Programm langsam, weil es zu wenig schnell aus dem Permanentspeicher gelesen werden kann. Dies ist der Fall, wenn der Speicher zu langsam ist, oder zuviele parallele Zugriffe die Leitungen zwischen Speicher und Prozessor „verstopfen“.
2.4 Speicher & Information
Daten werden in Computern digital abgelegt: Die kleinste Informationseinheit, die abgelegt werden kann, heisst Bit und speichert genau eine von zwei Möglichkeiten, ob der Wert des Bits 1 oder 0 ist. 8 Bits werden als Byte bezeichnet und mit einem grossen B abgekürzt.
2.4.1 Präfixe
Um riesige Zahlen zu vermeiden, werden ganz grosse und und ganz kleine Zahlen mit einem Präfix abgekürzt. Du kennst das bereits: grosse Distanzen werden in Kilometern angegeben, ganz kleine in Millimetern. Dasselbe tun wir auch, wenn wir über Geschwindigkeiten und Speichergrössen sprechen:
| Name | Präfix | Multiplikator | Beispiel |
|---|---|---|---|
| nano | n | Milliardstel | Computerchips werden in 3nm-Technologie gefertigt (eine Leiterbahn ist 3 Milliardstelmeter breit). |
| mikro | μ | Millionstel | Die Zugriffszeit auf den SSD-Speicher beträgt 25-100μs (25 bis 100 Millionstelsekunden). |
| milli | m | Tausendstel | Die Zugrifsszeit auf eine klassische Festplatte beträgt 5-10ms (Millisekunden). |
| - | - | 1 | |
| kilo | k | 1000 | Ein modernes Notebook wiegt ca. 1kg (Kilogramm = tausend Gramm). |
| mega | M | Million | Ein Digitalfoto benötigt 5-10MB Speicherplatz (5-10 Millionen Byte). |
| giga | G | Milliarde | Eine CPU arbeitet mit einer Taktfrequenz von bis zu 4.5GHz (4.5 Milliarden Operationen pro Sekunde). |
| tera | T | Billion | In modernen Notebooks werden zum Teil Permanentspeicher mit bis zu 2TB Speicherplatz verbaut (2 Billionen Bytes). |
Die volle Liste der Präfixe findet sich auf Vorsätze_für_Maßeinheiten.
2.4.2 Speicherbedarf
- 1 kurze Powerpoint-Präsentation (ohne Bilder): 50 KB (0.05 MB)
- 1 Foto (Handykamera): 1-20 MB
- Eine typische Kamera hat ca. 12 Megapixel, also 3000×4000 Bildpunkte.
- Für jeden Bildpunkt werden drei Farbwerte gespeichert (Rot, grün, blau)
- Jeder Farbwert wird typischerweise mit 256 verschiedenen Abstufungen gespeichert, also 1 Byte.
- 3000 * 4000 * 3 = 36 MB
- Dank Bild-Kompression ist das Bild aber in guter Qualität nur ca. 4 MB
- 1 FullHD Film von Netflix: 2-7 GB
- 1 FullHD Film im Studio: 400 GB
2.4.3 Arbeitsspeicher
Der Arbeitspeicher ist die „Arbeitsfläche“ für den Prozessor. Daten werden aus dem Speicher gelesen, und die Resultate von Berechnungen dort zurückgespeichert. Auch die Programme müssen in den Speicher geladen werden, bevor sie ausgeführt werden können. Der Zugriff erfolgt sehr schnell (60-70 Nanosekunden, also Milliardstelsekunden). Daten werden nur solange gespeichert, wie Strom vorhanden ist; beim Ausschalten des Computers gehen die Daten verloren.
Der Arbeitsspeicher heisst auch en. random access memory (RAM), weil jedes Byte im Speicher direkt gelesen oder gespeichert werden kann.
Ein modernes Notebook hat typischerweise 4-32 GB Arbeitsspeicher.
2.4.4 Permanentspeicher
Der Permanentspeicher dient dazu, Informationen abzuspeichern, ohne dass wie beim RAM eine dauernde Stromversorgung nötig ist. Die häufigsten Permanentspeicher sind:
- SSD (en. solid state disks): Speicherchips, die ohne Stromversorgung Daten speichern können.
- Die gleiche Technologie steckt auch in Speicherkarten von Kameras, und in USB-Sticks.
- Festplatten: rotierende Platten mit magnetisierbarer Beschichtung. Ein Roboterarm erzeugt kleinste magnetische Bereiche die binäre Information repräsentieren.
- DVD / CD: Aluminiumplatten, in die kleine Inseln geprägt oder gebrannt werden, die von einem Laserstrahl abgetastet werden können.
SSDs sind mindestens 1000 Mal langsamer als RAM, mit einer Zugriffszeit von vielleicht 250 Mikrosekunden.
Festplatten sind nochmals langsamer, mit Zugriffszeiten im Millisekundenbereich.
hof