Die Hardware eines Computers

Wenn du diesen Text liest, hast du sehr wahrscheinlich einen Computer vor dir. Auch dann, wenn du den Text am Smartphone liest? Was ist ein Computer? Wie ist ein Computer aufgebaut? Welche sind die wichtigsten Bauteile eines Computers? Die Antworten findest du auf dieser Seite.

Ist ein Mobiltelefon ein Computer? Eine 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 etc.

Sind heutige Computer, Tablets und Mobiltelefone gleich aufgebaut wie die Computer vor 30 Jahren?

1. Ja, nach wie vor sind all diese Geräte nach der Von-Neumann-Architektur aufgebaut.
2. Nein, heutige Geräte sind viel kompakter und bestehen aus viel weniger Bauteilen als jene alten Kisten – sie müssen anders aufgebaut sein.

Ob die erste oder die zweite Antwort richtig ist, hängt davon ab, wie genau wir hinschauen: Wenn wir die Geräte von aussen und sehr vereinfacht betrachten, können wir der ersten Antwort zustimmen. Wenn wir aber genauer hinsehen und ins Innere der Geräte blicken, zeigen sich deutliche Unterschiede zwischen alten und neuen Geräten.

Folgendes Bild zeigt eine vereinfachte Darstellung der Von-Neumann-Architektur:

Wichtig: Für diese und und die folgenden Grafiken gilt:

• Bausteine oder Geräte, die zur Eingabe von Daten dienen, sind gelb.
• Bausteine oder Geräte, die zur Ausgabe von Daten dienen, sind blau.
• Zweifarbige Bausteine oder Geräte können Daten einlesen und ausgeben.
• Verarbeitende Bausteine sind grün.
• Die Pfeile zeigen die Richtung des Datenflusses.
• Bei Linien ohne Pfeile können die Daten in beide Richtungen fliessen.
• Die Dicke der Linie zeigt die Bandbreite / Geschwindigkeit der Datenleitungen (des Datenbusses): Je dicker die Linie, desto schneller die Datenübertragung.

„Architektur“ klingt nach etwas Komplexem – Für diese einfache Darstellung können wir auch sagen, dass dies ein sehr allgemeiner Bauplan, ein grobes Konzept oder ein Modell ist: das „Von-Neumann-Modell“ zum Beispiel. Ein Computer, der nach diesem Modell aufgebaut ist, hat einen gemeinsamen Speicher für Instruktionen und Daten.¹⁾

Instruktionen sind die einzelnen Befehle, die der Prozessor ausführt. Dein Computer führt verschiedene Programme aus; zum Beispiel ein Computerspiel oder ein Textbearbeitungsprogramm wie Word oder den Browser, mit dem du im Internet surfst. Das Programm bewirkt auf tieferer Ebene, dass bestimmte Befehle (Instruktionen) für den Prozessor bereitgestellt werden. Diese Befehle müssen irgendwo gespeichert werden, nämlich im gemeinsamen Speicher. Das Programm möchte auch Daten speichern und lesen – zum Beispiel Grafiken für das Computerspiel, die Worddatei oder die eben geladene Webseite. Auch diese Daten werden im gemeinsamen Speicher gespeichert. Dieser Speicher wird auch Arbeitsspeicher genannt: Es ist der Speicher, mit dem der Prozessor arbeitet. Hier holt er sich die Befehle und auch die Daten, die er gemäss den Befehlen verarbeiten soll. Und hierhin schreibt er neue Daten und Befehle.

Daten verarbeiten (engl. to process); das ist genau, was ein Prozessor macht. Und er macht das nicht bloss so aus Spass, sondern für einen bestimmten Zweck: Der Computer dient uns Menschen zu etwas, er verarbeitet Daten für uns. Dazu müssen wir Daten eingeben und ausgeben können – und dazu braucht es entsprechende Geräte.

Auch dein Smartphone ist ein Computer, der nach der Von-Neumann-Architektur aufgebaut ist. Erledige folgende Aufgaben nur mit Stift und Papier, ohne Lineal, ohne Laptop etc.:

1. Lese zuerst die Beschreibung oben. Notiere eventuell Fragen. Für die folgenden beiden Aufgaben brauchst du den Laptop nicht.
2. Liste Bauteile auf, die sich in oder an deinem Smartphone befinden. Du kannst natürlich nicht hineinblicken, aber überlegen: Was mache ich alles mit meinem Smartphone? Was für Bauteile müssen wohl vorhanden sein, damit das funktioniert. Deine Liste muss weder vollständig noch richtig sein: Schreibe einfach auf, was dir in den Sinn kommt.
3. Zeichne eine schematische Darstellung deines Smartphones nach der Von-Neumann-Architektur: In der Mitte ein Rechteck/Quadrat für die CPU. Links davon zeichnest du Bauteile, die zur Eingabe von Daten dienen und rechts von der CPU alle Bauteile, die zur Ausgabe von Daten dienen. Bauteile, die in beide Richtungen Daten mit der CPU austauschen, kannst du oberhalb oder unterhalb der CPU aufmalen. Alle Bauteile kannst du als Rechtecke oder Kreise malen. Deine Zeichnung muss nicht besonders genau oder richtig sein – sie sollte aber möglichst viele Bauteile enthalten.

Das wichtigste Gerät zur Eingabe von Daten ist die Tastatur (engl. Keyboard) und das wichtigste Gerät zur Ausgabe von Daten ist der Bildschirm (engl. Screen) bzw. das Display.²⁾ Tastatur und Display sind nur beim klassischen Desktop-PC separate Geräte (bei einem Laptop ist alles in einem Gerät untergebracht). Desktop bedeutet Schreibtischplatte und ein Desktop-PC ist ein Computer, der auf dem Schreibtisch steht oder beim Schreibtisch fest installiert ist:

Ein Desktop-PC - PC steht übrigens für Personal Computer – ist eine Kiste mit Anschlüssen. Daran werden eben die Geräte zur Ein- und Ausgabe von Daten angeschlossen. In der schematischen Darstellung (wie die oben) sieht das so aus:

In obigem Bild siehst du links zwei Geräte zur Eingabe von Daten (Tastatur und Maus) und rechts ein Gerät zur Ausgabe von Daten (Display). Die Geräte werden über passende Anschlüsse mit dem PC verbunden: Zum Beispiel USB für Tastatur und Maus oder HDMI für das Display. Auf der Unterseite sind Geräte angeschlossen, die sowohl zur Eingabe als auch zur Ausgabe von Daten dienen:

• Zum Beispiel ein Modem oder ein Router, der die Verbindung zum Internet oder zum lokalen Netzwerk ermöglicht – es werden Daten sowohl vom Netzwerk zum PC heruntergeladen (Eingabe) als auch vom PC ins Netzwerk hochgeladen (Ausgabe).
• Auch ein USB-Stick oder eine externe Festplatte funktioniert in beide Richtungen: Es können Daten vom Stick gelesen werden (Eingabe) oder darauf gespeichert werden (Ausgabe).

Schliesslich findest du im Bild oben noch die Anbindung an die Stromversorgung: Hier werden nicht Daten übertragen, sondern Energie. Klar: Ohne elektrische Energie können Daten weder eingegeben, noch ausgegeben oder verarbeitet werden.

Wir wollen nun wissen, wie es innerhalb dieser Kiste namens PC aussieht. Folgendes Bild zeigt stark vereinfacht, wie ein Desktop-PC bis Ende der Nullerjahre aufgebaut war:

Dieses Bild sieht auf den ersten Blick etwas kompliziert aus. Wenn du es verstehst, ist es nicht mehr kompliziert. Um das Bild zu verstehen, löst du folgende Aufgaben.

Einfach abzeichnen bringt wenig. Versuche, das Bild aus dem Kopf zu zeichnen. Folge diesen Schritten:

1. Schau dir das Bild oben gut an: Betrachte die einzelnen Blöcke, wie sie zusammenhängen und überlege, warum sie wohl so zusammenhängen.
2. Jetzt scrollst du hoch, sodass du das Bild nicht mehr siehst:
3. Nimm ein Blatt Papier und beginne mittels folgender Hinweise ohne Lineal zu zeichnen:
   1. In der Mitte (eher oben) liegt die CPU.
   2. Von der Unterkante der CPU gehts über den sehr breiten Front Side Bus zur Northbridge.
   3. Wiederum unterhalb der Northbridge liegt die Southbridge. Die beiden Brücken verbindet ein mittelbreiter Bus.
   4. An die Northbridge sind über mittelbreite Busse datenintensive Module/Schnittstellen angeschlossen: RAM und GPU/Grafikgeräte.
   5. An die Southbridge sind über weniger breite Busse wengier datenintensive Module (Tastatur, Maus) und Schnittstellen (USB-, LAN-, Audio-Inputs/Outputs, WLAN etc.) angeschlossen.

Studiere dein selbstgezeichnetes Blockschaltbild zusammen mit folgender Beschreibung. Prüfe immer, ob du das, was du in der Beschreibung liesst, im Bild findest und ob die Verbindungen stimmen. Notiere, was du nicht verstehst oder was dir nicht ganz klar ist. Du darfst auch jederzeit die Lehrperson fragen.

Beschreibung zum Blockschaltbild:

Bild von Laptop:

CPUs werden – wie alle Bausteine eines Computers – stets weiterentwickelt. Sie werden immer leistungsfähiger, können mehr Daten schneller bearbeiten und es werden mehr und mehr Funktionen und Module in die CPU integriert. Wir schauen uns zwei Entwicklungsschritte der vergangenen Jahre an:

Ende der Nullerjahre wurde die Chipset-Architektur auf PC-Mainboards⁵⁾ erneuert: Anstelle von memory controler hub (Northbridge) und input/output controler hub (Southbridge) gibt es neu nur noch einen Chip: Dieser heisst platform controler hub, kurz PCH. Der Grund dafür ist, dass die Funktionen der Northbridge in die CPU integriert wurden: Neu tauscht die CPU die Daten mit Arbeitsspeicher und Anzeige/-Grafik-Geräten direkt aus. Der Chip mit dem neuen Namen platform controler hub entspricht dem, was vorher die Southbridge war. Er ist aber leistungsfähiger (schneller) als die damalige Southbridge.

Der Festspeicher – in neueren PCs fast immer ein Solid State Drive (SSD) – wird je nach System mit dem platform controler hub oder, wie im Bild oben, direkt mit der CPU verbunden.

Dass mobile Geräte wie Mobiltelefone, Tablets, Laptops heute so klein und dennoch so leistungsfähig sind, verdankt sich der bereits erwähnten Entwicklung; dass immer mehr der Funktionen und Module eines Computers in die CPU integriert werden. Neuere CPUs, die in heutigen Smartphones und Tablets (und in einigen Laptops) verbaut sind, haben unter anderm auch den Arbeitsspeicher und Grafikprozessoren (GPUs) integiert. Genau genommen ist das nicht mehr bloss eine CPU, sondern es ist ein Chip, der mehrere CPU-Kerne, mehrere GPU-Kerne, Arbeitsspeicher und vieles mehr beinhaltet: Es ist ein System auf einem Chip, engl.: System on a Chip, kurz SoC. Das bringt folgende Vorteile:

1. Der Arbeitsspeicher befindet sich nun besonders nahe bei den CPUs und GPUs, die darauf zugreifen. Dadurch erfolgt der Datenaustausch noch schneller.
2. Ein Datenaustausch auf so kurzen Wegen benötigt weniger Leistung. Der Chip wird also nicht so schnell heiss und muss kaum gekühlt werden.
3. So wird es möglich, dass die Chips sehr leistungsfähig sind und sehr wenig Raum benötigen.

Folgendes Bild zeigt einen (eher älteren) Desktop-PC, bei dem die Seitenwand weg ist, so dass wir hineinblicken und die wichtigsten Teile sehen können:

Oben links siehst du das Netzteil, auch Power Supply Unit, kurz PSU genannt. Es wandelt die 230 Volt Wechselspannung aus der Steckdose in mehrere Gleichpsannungen⁶⁾ für die Versorgung (engl. supply) der Geräte und Module im PC. Gleich darunter links ist auf der Rückwand des PCs der Lüfter (engl. FAN) montiert. Er sorgt dafür, dass stets etwas Luft von aussen in die Kiste strömt, sodass es nicht zu heiss wird. Daneben befindet sich die grosse Paltine, das Mainboard (auch „Motherboard“ genannt). Auf dem Mainboard befindet sich oben die CPU (central processing unit). Auf die CPU ist normalerweise ein Kühlkörper (engl. heat sink) montiert. Im Bild oben sieht man diesen nicht. Der Kühlkörper ist dazu da, die Wärme von der CPU wegzuleiten und sie so zu kühlen. Gleich rechts daneben hat es Steckplätze für den Arbeitsspeicher, also für das Random Access Memory, kurz RAM. Für Desktop-PCs befinden sich die RAM-Bausteine auf kleinen Platinen.⁷⁾ Auf diesem Mainboard ist, etwas unterhalb der Mitte, auch eine Grafikkarte (hier Video Card genannt) montiert. Die Grafikkarte wird ebenfalls auf das Mainboard draufgesteckt. Die Anschlüsse für Anzeigegeräte befinden sich ebenfalls auf der Grafikkarte: Sie ist so gebaut, dass diese Anschlüsse an der Rückwand des PCs herausschauen. Rechts neben dem Mainboard ist die Festplatte (hier Hard Drive genannt) eingebaut. Es handelt sich hier um eine HDD (Hard Disk Drive) mit rotierender Scheibe drin – nicht um eine SSD. Sie ist über Kabel mit dem Mainboard verbunden. Du siehst hier, dass es in diesem PC noch Platz für viele zusätzliche Festplatten hätte.

Dieses Video zeigt dir nochmals eine Übersicht über die wichtigsten Bauteile eines Dekstop-PCs oder Laptops:

1. Lese zuerst obige Beschreibung und schaue immer im Bild, ob du die jeweilige Komponente findest. Wenn du Kopfhörer hast oder in einem Raum bist, in dem du niemanden störst, kannst du zusätzlich das Video schauen.
2. Erstelle eine Tabelle wie unten und ergänze sie um die Komponenten Mainboard, Netzteil, Lüfter, Kühlkörper, Festspeicher, Arbeitsspeicher:

Löst folgende Aufgaben zusammen als 3er- oder 4er-Gruppe:

Im Klassenzimmer befindet sich ein Computer, den ihr auseinander bauen könnt. Darin befinden sich unter anderem folgende Bauteile:

• CPU
• Mainboard
• Kühlkörper und Lüfter⁸⁾
• Arbeitsspeicher (RAM)
• Festspeicher
• Netzteil

Euer Ziel ist es, eine Fotocollage aus Selfies von euch und den Bauteilen zusammenzustellen. Jedes Foto zeigt euch mit einem der oben genanten Bauteile. Auf dem Foto soll gezeigt oder angedeutet werden, um welches Bauteil es sich handelt und was die Aufgabe des Bauteils ist. Originelle Ideen sind willkommen! Beachtet folgende Schritte:

1. Überlegt und notiert euch für jedes Foto, wie ihr euch und das Bauteil zeigen wollt. Ihr dürft auch Plakate oder Schilder dazu malen.
2. Wenn ihr das habt: Geht zum Computer, sucht die Bauteile, baut sie aus und macht die Fotos. Dann baut ihr die Bauteile wieder ein.
3. Stellt die Fotos zusammen auf einer A4-Seite: Am PC (zum Beispiel in Word oder Powerpoint) oder von Hand mit ausgedruckten Fotos. Die Collage soll natürlich auch einen Titel haben und eure Namen sollen drauf sein.
4. Sendet die fertige Collage als PDF-Datei aus der Lehrperson.

1. Unten ist ein Bild eines Mainboards verlinkt: Lade das Bild herunter und Beschrifte die Bauteile 1 bis 8.
2. Unten ist das Bild eines geöffneten Desktop-PCs verlinkt:
   1. Lade das Bild herunter und Beschrifte die Bauteile 1 bis 6 und…
   2. …ordne die Bauteile 1 bis 6 den Orten A bis E zu (an einen Ort kommen zwei Bauteile hin).

Mainboard

Desktop-PC

Jetzt schauen wir einige dieser Komponenten genauer an:

Das Mainboard (manchmal auch Motherboard genannt) ist das Bauteil, über welches alle anderen Komponenten miteinander verbunden sind.

Auf dem Bild oben siehst du ein Mainboard eines Desktop-PCs mit einem klassischen Northbridge-Southbridge-Chipset. Die CPU befindet sich gleich rechts neben der Northbridge. Wir sehen hier aber nicht die Chips selbst: Sowohl auf der Northbridge als auch auf der Southbridge befinden sich Kühlkörper aus Kupfer, die die Wärme von den Chips an die Umgebung ableiten.

Folgend siehst du die Mainboards eines Surface 3 Laptops und eines M2 Macbook Air Laptops:

Du siehst: Die oben besprochene Weiterentwicklung der CPUs, die es erlaubt, immer mehr Funktionen und Module in die CPU zu integrieren, ermöglicht es, dass auch die Mainboards immer kompakter werden. Auf dem Mainboard des M2 Macbook Air ist auch zu sehen, dass die schwarzen RAM-Bausteine direkt auf dem CPU-Chip (blau umrandet) montiert sind. Es handelt sich hier um ein SoC, ein System on a chip.

Es gibt natürlich noch kleinere Mainboards: Hier zum Beispiel dasjenige eines Google Pixel 6 Mobiltelefons:

Karl sagt: „Wir könnten das Motherboard genau so gut Fatherboard nennen“. Stimmst du zu? Diskutiert in kleinen Gruppen.

1. Nimm ein leeres Blatt Papier, skizziere darauf das Mainboard als grosses Rechteck: Lasse auf allen Seiten ca 5 bis 7 cm Abstand zum Rand des Papiers.
2. Skizziere folgende Bauteile in relativer Grösse zum Mainboard richtigerweise auf oder neben das Mainboard:
   • Netzteil, Arbeitsspeicher, Festspeicher, CPU, Lüfter, Kühlkörper, USB-Anschluss, Platform Controller Hub (Southbridge).

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. Oft wird der Prozessor als das „Gehirn“ des Computers bezeichnet.⁹⁾ Daten werden aus dem Speicher oder den Eingabegeräten gelesen, und wieder zurück in den Speicher oder zu den Ausgabegeräten geschrieben.

Moderne CPUs können Dutzende von Milliarden 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 Festspeicher gelesen werden kann. Dies ist der Fall, wenn der Speicher zu langsam ist. Oder wenn zu viele parallele Zugriffe die Leitungen zwischen Speicher und Prozessor „verstopfen“. In den Grafiken oben, die den Aufbau im Innern der Desktop-PCs oder Laptops zeigen, siehst du auch, dass die Verbindung zwischen Prozessor und Festspeicher nicht die schnellste ist. Die Verbindung zum Arbeitsspeicher (RAM) ist viel schneller. Mehr zu diesen beiden Speichern erfährst du weiter unten.

Anna hat einen Computer mit Chipset-Achritektur ab 2009. Sie regt sich darüber auf, dass es immer so lange dauert, bis die YouTube-Seite und die Videos darauf geladen sind. Ihre Freund:innen haben folgende Ratschläge für sie. Überlege, welche der Ratschläge vielleicht helfen könnten und weshalb. Tipp: Skizziere kurz, wie alle Komponenten zusammenhängen und welchen Weg die Daten nehmen vom You-Tube-Server bis zu Annas Computer-Bildschirm.

1. Bestelle ein schnelleres Internet-Abo mit besserem Router.
2. Kaufe RAM-Module und erweitere damit deinen Arbeitsspeicher.
3. Kaufe eine schnellere SSD.
4. Kaufe eine bessere Kühlung für deinen Prozessor.
5. Kaufe ein leistungsfähigeres Netzteil für deinen Computer.
6. Kaufe ein neues Motherboard mit schnellerem Chipset (schnellere Southbridge etc).

Die CPU ist heute oft mehr als eine CPU. Oder besser ausgedrückt: Der Chip, der in modernen Laptops, Tabletts oder Mobiltelefonen anstelle der CPU sitzt, ist mehr als eine CPU: Hier drei Bilder des M2-Chips von Apple. Halte den Mauszeiger über das jeweilige Bild für mehr Informationen.

Ein solcher Chip wird auch SoC für System on a Chip genannt, weil hier schon viele Teile des Systems (des Computers) auf einem Chip untergebracht sind.

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:

Mit einem Byte (8 Bit) lassen sich alle Binärzahlen von 0000'0000 (= 0 im Dezimalsystem) bis 1111'1111 (= 255 im Dezimalsystem) darstellen. Also lassen sich damit 256 verschiedene Zahlen darstellen. Wir könnten jetzt jeder Zahl einen Buchstaben des Alphabets zuweisen; zum Beispiel: Das A ist die Zahl 0000'0001, das B die Zahl 0000'0010 und so weiter. Dann hätten wir immer noch viele freie Zahlen für Sonderzeichen und Buchstaben aus anderen Sprachen, denn unser Alphabet hat nur 26 Buchstben. Der ASCII-Code folgt genau dieser Idee: Jeder Buchstabe entspricht einer 8-Bit-Zahl.

Wenn du also auf deinem Computer einen Text mit 1000 Buchstaben schreibst, dann bracuht es dafür 1000 Bytes an Speicherplatz.

• 1000 Byts sind 1 Kilobyte (kB);
• 1000 Kilobyte sind 1 Megabyte (MB);
• 1000 Megabyte sind 1 Gigabyte (GB);
• 1000 Gigabyte sind eine Terabyte (TB).

Mit folgender Liste kannst du dir eine Vorstellung davon machen, wie viele Byts verschiedene Dokumente oder Dateien auf deinem Computer benötigen:

• 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

Der Arbeitspeicher ist die „Arbeitsfläche“ für den Prozessor. Daten werden aus dem Arbeitsspeicher gelesen, und die Resultate von Berechnungen dort zurückgespeichert. Auch die Programme müssen vom Festspeicher in den Arbeitsspeicher geladen werden, bevor sie ausgeführt werden können. Die Daten werden hier nur solange gespeichert, wie Strom vorhanden ist; beim Ausschalten des Computers gehen die Daten verloren.

Der Arbeitsspeicher heisst auch random access memory (RAM), weil jedes Byte im Speicher direkt gelesen oder gespeichert werden kann.¹⁰⁾

Ein modernes Notebook hat typischerweise 8-16 GB Arbeitsspeicher.

Folgendes Bild zeigt ein Arbeitsspeicher-Modul (grün), auf dem die schwarzen RAM-Busteine aufgelötet sind und das in die die Steckplätze (weiss/scharz) eines Mainboards gesteckt werden kann:

Auf den Mainboards vieler Desktop-PCs hat es oft noch freie Steckplätze für RAM, sodass man den Arbeitsspeicher bei Bedarf erweitern kann. Auch ältere bzw. grössere Laptops haben teilweise solche Steckplätze auf dem Mainboard. In neueren Geräten sind die RAM-Bausteine aber oft direkt auf das Mainboard gelötet und es gibt nach dem Kauf keine Möglichkeit mehr, den Arbeitsspeicher zu erweitern. Bei Chips wie dem oben gezeigten M2 sind die RAM-Bausteine sogar direkt auf dem Chip angebracht.

Auf dem Festspeicher können Daten fest oder permanent abgespeichert werden. Sie bleiben auch dann erhalten, wenn die Stromversorgung wegfällt. Die häufigsten Permanentspeicher sind:

SSD (Solid State Drive): Eine SSD enthält Speicherchips, die ohne Stromversorgung Daten speichern können. Die gleiche Technologie steckt auch in Speicherkarten von Kameras und in USB-Sticks. Folgendes Bild zeigt SSD-Module, die auf das Mainboard eines Desktop-PCs oder Laptops gesteckt werden können (auch SSD-Chips werden heute teilweise direkt auf das Mainboard gelötet.):

HDD (Hard Disk Drive), auch Festplatte genannt: Eine HDD enthält eine harte Scheibe/Platte (hard disk) mit magnetisierbarer Beschichtung. Die Scheibe dreht sich sehr schnell (7200 Umdrehungen pro Minute) und ein Roboterarm erzeugt darauf kleinste magnetische Bereiche die binäre Information repräsentieren. Festplatten sind im Vergleich zu den SSD-Chips ziemlich gross und schwer. Sie werden deshalb nicht direkt auf das Mainboard gesteckt, sondern irgendwo im Desktop-PC oder Laptop eingebaut und via Kabel (zum Beispiel über die SATA-Schnittstelle) mit dem Mainboard und verbunden.

DVD / CD: Bei dieser aussterbenden Sorte von portablen Datenträgern handelt es sich um Aluminiumplatten, in die kleine Inseln geprägt oder gebrannt werden. Diese Inseln können von einem Laserstrahl abgetastet werden.

Der Zugriff auf den Arbeitsspeicher erfolgt sehr schnell (60-70 Nanosekunden, also Milliardstelsekunden). SSDs sind mindestens 1000 Mal langsamer als RAM, mit einer Zugriffszeit von vielleicht 250 Mikrosekunden. HDDs sind nochmals langsamer, mit Zugriffszeiten im Millisekundenbereich.

Das Betriebssystem, Programme und Daten, die erhalten bleiben sollen, werden auf dem Festspeicher gespeichert. Heute ist das meistens eine SSD. Wenn du auf deinem Computer ein Programm öffnest, kann das ein bisschen dauern: Denn das Programm muss von der SSD geladen werden. Sobald das Programm aber in den Arbeitsspeicher geladen ist, kann der Prozessor schnell auf die Daten zugreifen und es entstehen keine lange Wartezeiten.

Beantworte folgende Fragen: Dazu musst du jeweils heraufinden, wie viel Speicherplatz die einzelnen Dateien benötigen und dann rechnen:

1. Wie viele leere Worddokumente benötigen gleich viel Platz wie ein Foto, das mit der Kamera deines Smartphones aufgenommen wurde?
2. Wie viele solche Fotos (von der Smartphone-Kamera) haben in deinem Arbeitsspeicher (RAM) Platz?
3. Wie viele solche Fotos (von der Smartphone-Kamera) haben in deinem Festspeicher (SSD) Platz?
4. Wie viele Netflix-Filme à 4 GB haben auf deinem Festspeicher Platz?

Damit du an deinen Laptop oder Computer weitere Geräte anschliessen kannst, müssen geeignete Anschlüsse vorhanden sein: Zum Beispiel ein USB-Anschluss, um eine Maus oder einen USB-Stick anzuschliessen. Oder ein Display-Port- oder HDMI-Anschluss, damit du deinen Laptop am Beamer anschliessen kannst.

Hier ein Bild der Anschlüsse, die früher (um die Jahrtausendwende) standardmässig in einem PC verbaut waren – diese musst du nicht kennen:

Du siehst oben nur eine kleine Auswahl der damals geläufigen Anschlüsse. Weil verschiedene Hersteller von Computern, Druckern, Gaming-Zuberhör etc. ihre eigenen Anschlüsse etablierten, wuchs die Zahl der unterschiedlichen Anschlüsse. Irgendwann taten sich aber einige Hersteller zusammen, um gemeinsam einen Anschluss für möglichst viele Geräte zu entwickeln: Erst USB (Universal Serial Bus) und später USB-C.

Hier ein Bild der heute gängisten Anschlüsse – diese solltest du kennen:

Heute gibt es nicht mehr so viele verschiedene Anschlüsse. Diese Entwicklung wird weitergeführt: Die Idee ist, dass möglichst viele Geräte mit dem USB-C-Anschluss verbunden werden können.

Einem solchen Anschluss am Laptop oder Dekstop-PC sagt man auch Schnittstelle (engl.: Interface). Unter dem Begriff „Schnittstelle“ verstehen wir meistens mehr als bloss den Stecker oder die Buchse, die im Laptop oder Computer verbaut ist. Damit ein Datenaustausch zwischen Computer und angeschlossenem Gerät funktioniert, müssen mehrere Sachen übereinstimmen.

• Der mechanische oder elektrische Teil: Das Kabel, das zum Beispiel deinen Laptop mit dem Beamer verbindet, muss auf der einen Seite einen Stecker haben, der in die richtige Buchse an deinem Laptop passt und auf der anderen Seite muss es einen Stecker haben, der in die Buchse am Beamer passt.
• Der softwaretechnische Teil: Nun ist das Kabel an beiden Geräten eingesteckt. Das heisst aber noch nicht, dass der Datenaustausch funktioniert. Denke an eine Telegrafenverbindung:¹¹⁾ Es reicht nicht, dass eine elektrische Leitung zwischen Sender:in und Empfänger:in besteht: Beide müssen auch noch das Morse-Alphabet (oder eine andere Codierung) kennen, damit sie Zeichen austauschen können. Und beide sollten dieselbe Sprache sprechen, damit die Zeichen dann auch Sinn ergeben. So ähnlich kannst du dir das bei Laptop und Beamer vorstellen: Damit dein Laptop Bilddaten an den Beamer senden kann, müssen beide Geräte die gleiche Sprache sprechen – sonst sendet der Laptop vielleicht haufenweise Einsen und Nullen und der Beamer weiss nichts damit anzufangen. Dem softwaretechnischen Teil einer Schnittstelle sagt man auch Protokoll. Es gibt zum Beispiel das USB-C-Protokoll: Dieses regelt, wie die Kommunikation über die USB-C-Schnittstelle vonstatten gehen soll. Alle Hersteller, die an ihrem Gerät eine USB-C-Schnittstelle haben, müssen sicherstellen, dass ihr Gerät dieses Protokoll einhält.

Wenn also jemand sagt: „Mein Computer hat eine HDMI-Schnittstelle“, dann heisst das nicht nur, dass der Computer eine Buchse hat, in die ein HDMI-Kabel passt, sondern es heisst auch, dass der Computer das HDMI-Protokoll kennt und gemäss diesem Protokoll Daten über den HDMI-Anschluss senden (oder empfangen) kann.

Karl hat einen Beamer (engl. projector) gekauft und möchte diesen mit seinem Laptop verbinden, sodass er die Filme auf seinem Laptop auf der grossen Leinwand schauen kann. Leider hat er vergessen, ein HDMI-Kabel zu kaufen. Er dachte, dass dieses schon mitgeliefert würde mit dem Beamer. Aber es wurde kein Kabel mitgeliefert. Nun sieht Karl, dass es auf der Rückseite auch USB-A-Anschlüsse hat (siehe Bild). „Grossartig!“ denkt Karl, denn er hat noch ein USB-A-zu-USB-A-Kabel zuhause! Er steckt also das Kabel am Laptop und am Beamer ein und freut sich schon, dass er seine Filme bald auf der Leinwand sieht.

Wird Karl sich freuen oder wird er enttäuscht werden? Erkläre deine Antwort.

An einen heutigen USB-C-Anschluss kann man so viele verschiedene Geräte anschliessen, weil dieser mehrere Schnittstellen in sich vereint: Wenn eine externe Festplatte angeschlossen ist, werden Daten gemäss dem USB-C-Protokoll ausgetauscht. Wenn aber ein Beamer oder ein Monitor angeschlsosen ist, werden Daten wahrscheinlich gemäss dem Display-Port-Protokoll ausgetauscht. Das heisst: Der mechanische Teil der Schnittstelle, die USB-C-Buchse, bleibt natürlich in beiden Fällen gleich; aber der softwaretechnische Teil passt sich dem angeschlossenen Gerät an. Auf diese Weise können an einem Anschluss möglichst viele verschiedene Geräte angeschlossen werden.

Neben den Anschlüssen and den Seiten hat dein Laptops noch weitere Schnittstellen:

• Drahtlose Schnittstellen wie WiFi oder Bluetooth: Hier besteht der mechanisch-elektrische Teil meist bloss aus einer Antenne, die sich innerhalb deines Laptops befindet.
• Interene Schnittstellen wie PCIe oder SATA, über die zum Beispiel Grafikkarten oder Festplatten mit dem Mainboard verbunden werden.
• Du hast vielleicht schon den Begriff „Benutzerschnittstelle“ oder englisch „User Interface“ (kurz: UI) gehört. Bei den oben behandelten Anschlüssen bezeichnet der Begriff Schnittstelle sozusagen einen Übergang vom einen Gerät zum anderen Gerät. Bei der Benutzerschnittstelle bezeichnet der Begriff den Übergang vom Gerät (vom Laptop) zum Benutzer. Was ist der Übergang von deinem Laptop zu dir? Zum Beispiel der Bildschirm/Touchscreen, auf den du gerade blickst – und auch die Tastatur, das Touchpad oder der Stift gehören zu den Geräten, mit denen du und dein Comuter miteinander kommunizieren. Diese Bauteile können also als Teil der Benutzerschnittstelle angesehen werden. Zur UI gehört aber auch die Software: Eine App zum Beispiel ist dann benutzerfreundlich, wenn sie eine gute UI hat – also wenn sie so gestaltet ist, dass wir sie schnell und einfach bedienen können.

Zeichne eine kleine Übersicht deines Computers ohne Lineal auf Papier, A4, Querformat:

1. Titel oben links: Mein Laptop
2. Mit ca. 5 cm Abstand vom Titel zeichnest du ein Grosses Rechteck, das beinahe den ganze Rest des Blatts ausfüllt (ca. 2 cm Rand lassen).
3. Zeichne die Schnittstellen ein, die du aussen am Laptop siehst und beschrifte sie (USB-C, Audio-Out, etc.).
   1. Zeichne sie als Kreise, die über den Rand hinausgehen.
4. Zeichne die drahtlosen Schnittstellen WLAN und Bluetooth als kleine Kästchen mit entsprechenden Symbolen irgendwo am Rand aber innerhalb des Laptops.
5. Zeichne das Netzteil ausserhalb des Geräts als kleines Rechteck. Beschrifte es und verbinde es mit dem entsprechenden Anschluss am Laptop.
6. Zeichne folgende Bauteile, sodass du sie gut beschriften kannst und beschrifte sie mit den jeweiligen Angaben DEINES Laptos. Du findest die Angaben in den Systeminformationen. Falls du nicht weiterkommst: suche im Internet oder frage die Lehrperson.
   1. CPU mit Angabe der Taktfrequenz und evtl. Anzahl Kerne
   2. Arbeitsspeicher (RAM) mit Angabe der Speichergrösse in GB
   3. Festspeicher (SSD) mit Angabe der Speichergrösse in GB

Vergleiche die Werte deines Computers (zu Prozessor, Arbeits- und Festspeicher): Sind dies gute Werte oder nicht für einen aktuellen Laptop? High end oder Einsteigermodell?

Suche nach einem Video, das den Auseinanderbau (engl. tear down) deines Laptops zeigt und schaue es dir an. Tipps:

• Gib den Namen deines Laptops und die Stichworte „teardown“ oder „disassembly“ ein.
  • Evtl. findest du in den Systeminformationen genauere Angaben zu deinem Laptop-Modell.
• Die Firma ifixit hat sehr viele solcher Videos.

Dieses Video zeigt, wie ein Prozessor hergestellt wird. Es ist auf englisch und sehr dicht (viele Infos in kurzer Zeit). Schaue es am besten mit Kopfhörern und in einer Situation, in der du dich gut konzentrieren kannst.