Computer sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie unterstützen uns bei der Arbeit, beim Lernen und in der Freizeit. Doch wie funktioniert ein Computer eigentlich? Um diese Frage zu beantworten, ist es hilfreich, sich die einzelnen Hardware-Bauteile eines PCs genauer anzusehen und ihre jeweilige Funktion zu verstehen.
Was ist ein Computer?
Bevor wir uns mit der Funktionsweise befassen, klären wir zunächst, was ein Computer überhaupt ist. Per Definition sind Computer Recheneinheiten, die auf mechanischer, elektrischer oder elektronischer Basis rechnen. Ein PC ist also definitiv ein Computer, aber nicht jeder Computer ist auch ein PC. Smartphones, Tablets und Bankautomaten sind ebenfalls Computer, da sie programmiert wurden und elektronisch Daten verarbeiten. Im Folgenden werden wir die Funktionsweise eines Computers anhand eines PCs erklären, da dies relativ einfach ist.
Die Hauptbestandteile eines Computers
Ein Computer besteht aus mehreren Komponenten, die zusammenarbeiten, um Daten zu verarbeiten und Aufgaben auszuführen. Die wichtigsten Bestandteile sind:
- Mainboard (Motherboard): Das Mainboard ist die Hauptplatine des Computers und verbindet alle anderen Komponenten miteinander. Es ist sozusagen das Herzstück des Systems.
- Prozessor (CPU): Der Prozessor ist das "Gehirn" des Computers. Er führt alle Berechnungen aus und steuert die Funktionen des Geräts.
- Arbeitsspeicher (RAM): Der Arbeitsspeicher ist das "Kurzzeitgedächtnis" des Computers. Hier werden die Daten gespeichert, die der Prozessor gerade benötigt.
- Festplatte (HDD/SSD): Die Festplatte ist das "Langzeitgedächtnis" des Computers. Hier werden alle Dateien, Programme und das Betriebssystem gespeichert.
- Grafikkarte (GPU): Die Grafikkarte ist für die Darstellung von Bildern und Videos auf dem Bildschirm zuständig.
- Netzteil: Das Netzteil versorgt alle Komponenten des Computers mit Strom.
- Peripheriegeräte: Peripheriegeräte sind Geräte, die mit dem Computer verbunden werden, um mit ihm zu interagieren, z.B. Tastatur, Maus, Bildschirm, Drucker usw.
Das Mainboard: Die verbindende Kraft
Technisch betrachtet ist das Mainboard eine Leiterplatte aus einem Faster-Kunststoff-Verbund, auf der sich bis zu acht miteinander verklebte Schichten befinden. Das Mainboard verbindet alle angeschlossenen Komponenten und Geräte deines Computers direkt miteinander. Hier sind alle Steckplätze, Schnittstellen und Sockel angebracht. PCI-Steckplätze in unterschiedlichen Längen für Erweiterungskarten (z.B. PCIe-Steckplätze ebenfalls für Erweiterungskarten (z.B. Um sicherzustellen, dass Mainboard und Gehäuse auch zu einander passen, sind beide nach dem sogenannten ATX-Format genormt. Dieses Format definiert sowohl die Abmessungen, als auch die Befestigungsmöglichkeiten im PC-Gehäuse nach einem fest vorgegebenen Schema, so dass sich auch wirklich jedes Mainboard in jedes Gehäuse desselben Standards problemlos einsetzen lässt.
Wenn ihr auf den Einschalter des Computers drückt, startet zunächst das BIOS - noch bevor die eigentlichen Komponenten des PCs (CPU, Grafikkarte, RAM, Festplatte) anlaufen. Wenn das BIOS geprüft hat, ob alle Bauteile ordnungsgemäß funktionieren, werden die Hardware-Komponenten gestartet und das Betriebssystem geladen.
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Der Prozessor: Das Gehirn des Computers
Der Prozessor oder auch CPU berechnet alles, was ihr an dem PC macht - egal, ob ihr Programme benutzt, Webseiten öffnet oder Spiele zockt - oft hilft hier eine extra Grafikkarte. Bevor es auf dem Bildschirm ausgegeben werden kann, muss es vorher zunächst berechnet werden. Hinzu kommen nötige Hintergrundberechnungen (Prozesse und Dienste), die etwa das Betriebssystem am Laufen halten. Denn auch, wenn ihr nichts am eingeschalteten PC macht, rechnet er munter weiter. Allerdings ist seine Auslastung dann sehr gering.
Intern arbeitet eine CPU mit Rechenwerk, Steuerwerk und Register. Der Prozessor ist das Kernstück eines Computers und anderer Geräte. Ohne ihn läuft keine Hardware. Andere Namen für den Prozessor sind Hauptprozessor oder Central Processing Unit, kurz CPU. Der Prozessor wird gern auch das Herzstück eines Computers oder dessen Gehirn genannt. Diese Metaphern zeigen, wie wichtig der Prozessor für das Funktionieren des Computers ist. Ein anderer Name für ihn ist CPU (vom Englischen "Central Processing Unit"). Ähnlich wie ein Herz arbeitet auch der Prozessor in einer bestimmten Taktfrequenz. Je höher diese Frequenz, desto schneller arbeitet die CPU und damit auch der Computer.
Die CPU verarbeitet Befehle und steuert die Funktionen eines Gerätes. Etwa, wenn Sie eine Taste auf Ihrer Tastatur drücken: Der Prozessor empfängt diese Eingabe als Befehl, berechnet sie und führt den Befehl aus. So lässt er als Ausgabe etwa einen Buchstaben auf dem Bildschirm anzeigen. Dafür kommuniziert der Prozessor mit dem Arbeitsspeicher und peripheren Geräten wie etwa Maus und Tastatur, Daten werden mit einem sogenannten Bus-System zwischen ihnen übertragen.Alle Daten sind dabei binär codiert, es gibt also nur die Werte "1" und "0". Die Daten, mit denen der Prozessor gerade arbeitet, sichert er im Arbeitsspeicher. Dieser ist sozusagen das Kurzzeitgedächtnis des Computers. Wenn der Arbeitsspeicher voll ist, muss der Prozessor zunächst Daten verarbeiten, bevor neue Daten in den Arbeitsspeicher können.
Um die Leistung der CPU zu verbessern, können mehrere Prozessorkerne auf einem Chip zusammengeschaltet werden. Die Hersteller wie Intel oder AMD geben das dann folgendermaßen an: Ein Single-Core-Prozessor hat nur einen CPU-Kern, ein Dual-Core hat zwei. Vierkernprozessoren nennt man auch Quad-Core, Sechskernprozessoren Hexa-Core; eine Octa-Core-CPU hat sogar acht Prozessorkerne.Je höher die Taktfrequenz einer CPU, desto mehr erhitzt sie sich. Um Schäden zu vermeiden, ist es daher wichtig, die CPU zu kühlen.
Der Arbeitsspeicher: Der Schreibtisch des Computers
Stellt euch vor, ihr habt einen normal-großen Schreibtisch, auf dem ihr Dokumente hin- und herschieben könnt. Das geht solange gut, bis euer Schreibtisch zu klein für die ganzen Dokumente ist. Dann müsst ihr einige erst mal auf den Boden legen, um weiterarbeiten zu können oder ihr benötigt einen größeren Schreibtisch. Genauso ähnlich ist das mit dem Arbeitsspeicher beziehungsweise RAM: Der PC kann Daten aus dem Arbeitsspeicher sehr schnell lesen aber auch schnell schreiben - viel schneller als auf einer Festplatte. Wenn die CPU also bestimmte Dinge berechnen muss, nutzt der PC den Arbeitsspeicher. Sind die Berechnungen zu aufwendig, muss der PC Daten auf der Festplatte auslagern, was aber dann länger dauert. Hier kann man Abhilfe schaffen, indem man den Arbeitsspeicher erweitert. Nachteil des RAM: ist der Strom weg, sind die Daten auch weg.
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Der Datenspeicher RAM (random access memory) wird vom Prozessor verwendet. Er stellt die Daten rechtzeitig dort ab, um sie zu verarbeiten. Die Besonderheiten dieser Speichereinheit sind: Die Geschwindigkeit des Zugriffs Sein vorübergehender Charakter: Die Daten gehen verloren, sobald der Computer ausgeschaltet wird. Die Speichermodule reichen von 256 MB bis 2 GB und sind je nach Prozessor, Kapazität des Motherboards und Nutzung des Computers zu wählen. Die Größe und Leistungsfähigkeit des Arbeitsspeichers ist daher in wesentlichem Maße für die Leistungsfähigkeit des gesamten Computer-Systems ausschlaggebend.
Festplatte und SSD: Das Archiv des Computers
Auf einer Festplatte oder SSD werden eure Dateien, Bilder und Videos sowie das Betriebssystem gespeichert. Das heißt, auch wenn ihr den PC ausschaltet, sind diese Daten nach dem nächsten Einschalten noch vorhanden - im Gegensatz zum Arbeitsspeicher. Auf einer Festplatte werden die Daten per Magnetismus und einem Schreibkopf auf rotierende Platten geschrieben. Eine Lesekopf liest die Daten bei Bedarf. Eine SSD nutzt hingegen elektronische Schreibvorgänge (Flash-Speicher).
Die Aufgabe der Festplatte ist es, Computerdaten zu speichern. Die Festplatte enthält u.A. das Windows-System, macOS oder Linux, die installierten Programme und die persönlichen Daten des Benutzers. Festplatten speichern Informationen in binärer Form. Heute können sie mehrere Terabytes an Daten (1024 Gigabyte) speichern, was Hunderttausenden von Fotos, Tausenden von Filmen, Millionen von Textdokumenten entspricht. Es gibt verschiedene Arten von Festplatten:
- Klassische Festplatten: Dieses magnetische Speichermedium schreibt Daten auf die Oberfläche rotierender Scheiben
- SSD: Diese Datenspeicher enthalten keine beweglichen Teile und sind robuster gegenüber herkömmlicher Festplatten
- Externe Festplatten: Verdoppeln die Sicherheit des Computers und der internen Festplatte
Die Grafikkarte: Die optische Ausgabe
Eine Grafikkarte berechnet in erster Linie aufwändige Grafiken, die ihr auf dem Bildschirm seht, etwa 3D-Spiele oder leistungsfähige Grafikprogramme. Heutzutage sitzt eine Grafikkarte onboard - also auf dem Motherboard. Wer allerdings aufwändigere Spiele oder Programme nutzt, benötigt eine externe Grafikkarte, die in einen bestimmten Slot des Motherboards gesteckt wird. Die Grafikkarte besteht wiederum aus Grafikprozessor (GPU) und Videospeicher, wobei die GPU ganz anders als die CPU aufgebaut ist. Das ist der Grund, warum sie mehr Grafikleistung erbringt.
Die Grafikkarte im Computer erstellt aus den berechneten Daten ein Bild, welches dein Monitor anschließend anzeigt. Alle Mainboards enthalten auch einen integrierten Grafikchip, welcher diese Aufgabe erfüllt (man spricht dann von Onboard-Grafik). Für höhere und rechenintensivere Grafikleistungen, wie sie zum Beispiel bei Spielen oder CAD-Anwendungen vorausgesetzt werden, ist eine Onboard-Grafik allerdings nur noch bedingt ausreichend. Eine separate Grafikkarte schafft hier gekonnt Abhilfe, denn sie besitzt sowohl einen eigenen Prozessor (GPU), als auch einen eigenen Arbeitsspeicher. Beide sind für nichts anderes als Grafikberechnungen reserviert und sorgen daher für eine erhebliche Entlastung des Prozessors und des „normalen“ Arbeitsspeichers.
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Peripheriegeräte: Die Verbindung zur Außenwelt
Peripheriegeräte sind die Verbindungselemente, die es uns ermöglichen, mit einem Computer zu interagieren. Dazu gehören beispielsweise:
- Bildschirm: Zeigt die Ausgabe des Computers an.
- Tastatur: Ermöglicht die Eingabe von Text und Befehlen.
- Maus: Ermöglicht die Steuerung des Cursors und die Auswahl von Elementen auf dem Bildschirm.
- Drucker: Ermöglicht das Ausdrucken von Dokumenten und Bildern.
- Scanner: Ermöglicht das Einscannen von Dokumenten und Bildern.
- Webcam: Ermöglicht Videoanrufe und -aufnahmen.
Wie funktioniert ein Computer? Ein praktisches Beispiel
Jetzt, wo ihr die Grundlagen der wichtigsten Hardware-Komponenten kennt, könnt ihr die Frage beantworten. Als Beispiel dient uns folgendes Szenario: ihr wollt etwas in ein Schreibprogramm eintippen:
- Ihr startet den PC, das BIOS prüft alle Komponenten und startet das Betriebssystem von der Festplatte.
- Ihr tippt etwas in euer Schreibprogramm ein und die Peripherie-Geräte wie Tastatur und Maus (die mit dem Mainboard verbunden sind) senden elektronische Impulse an das Motherboard.
- Das Mainboard leitet die Eingabe-Daten an den Prozessor weiter, dieser berechnet (mit Hilfe der Grafikkarte) die erforderlichen Maßnahmen und leitet das Ergebnis an euren Bildschirm weiter.
- Eure geschriebenen Wörter seht ihr nun im Schreibprogramm - bislang findet dies alles im Arbeitsspeicher statt. Wenn also der Strom ausfallen würde, wäre euer Geschriebenes verloren. Deswegen heißt es so oft: Speichern Sie ihre Dokumente ab, bevor sie den PC neustarten (z.B. weil Updates installiert werden müssen).
- Erst wenn ihr eure Dokument auf der Festplatte speichert, könnt ihr den PC herunterfahren und das Dokument später wieder öffnen.
Diese Funktionsweise lässt sich auf alle Arten von Computern übertragen - egal ob Smartphone, Tablet oder PC.
Das Zusammenspiel der Komponenten
Der Computer ist ein komplexes System, in dem alle Komponenten zusammenarbeiten müssen, um ein reibungsloses Funktionieren zu gewährleisten. Der Prozessor ist das Gehirn, das die Berechnungen durchführt. Der Arbeitsspeicher dient als kurzfristiger Speicher, während die Festplatte die langfristige Datenspeicherung übernimmt. Die Grafikkarte sorgt für die visuelle Darstellung, und das Mainboard verbindet alles miteinander.