Wie funktioniert eigentlich ein Computer?

Für die meisten Jugendlichen spielen Computer, Tablets und Smartphones im Alltag eine extrem wichtige Rolle.

Für die meisten Jugendlichen spielen Computer, Tablets und Smartphones im Alltag eine extrem wichtige Rolle. (Bild: „büro-freiberufler-computer-geschäft“ von „Pixabay„, Lizenz: CC0 License)

Wir nutzen Computer wie selbstverständlich. Aber wie arbeiten die eigentlich? Interessant zu wissen, schließlich sind auch Smartphones nur kleine Computer.

Wer Computer versteht, versteht so vieles mehr

Zahlreiche Menschen bedienen täglich Computer – ohne wirklich zu wissen, wie dieses Arbeits- und Freizeitgerät funktioniert. Schauen sie ins Innere eines Rechners, fühlen sie sich ein wenig wie im Biologielabor: all diese Komponenten – Nutzen und Funktion lassen sich nur erahnen.

Zahlreiche Menschen bedienen täglich Computer – ohne wirklich zu wissen, wie dieses Arbeits- und Freizeitgerät funktioniert.

Zahlreiche Menschen bedienen täglich Computer – ohne wirklich zu wissen, wie dieses Arbeits- und Freizeitgerät funktioniert. (Screenshot:“Where Is MY Processor/ CPU?“ von MyFloppyDisk)

Das ist schade, denn zu wissen, wie etwas funktioniert, löst zahlreiche Fragezeichen auf, die beim bloßen Anwenden entstehen können. Hinzu kommt die Tatsache, dass sich das Wissen über die Funktionsweise eines Computers prima aufs Smartphone, Tablet oder auch auf die Spielkonsole übertragen lässt – all das sind letztlich auch nur Computer mit Spezialfunktionen.

Gleichnis Mensch: komplexe Computer kinderleicht erklärt

Es hilft uns bekanntlich, in Bildern zu denken, und so entschlüsseln wir euch die Funktionsweise eines Computers mit dem Menschen als Gleichnis. Beginnen wir mit dem Zusammenhalt aller wichtigen „Organe“: der Hauptplatine, auch als Mother- oder Mainboard bezeichnet. Sie kann man prima mit dem Bindegewebe in unseren menschlichen Körpern vergleichen: das Mainboard versorgt sämtliche Komponenten mit Strom und den benötigten Informationen – ohne Mainboard geht gar nichts. Wie unser Bindegewebe ebenfalls dafür zuständig ist, Informationen, Sauerstoff und Nährstoffe (ähnlich wie den Strom) von und zu Zellen und Organen zu transportieren – bei uns geht es auch nicht ohne das wichtige Bindegewebe. Auf der Hauptplatine finden Prozessor, Arbeitsspeicher und Grafikkarte Platz. Wie unser Bindegewebe ist auch die Hauptplatine allein nicht besonders leistungsfähig. Um ihrem Versorgungsjob nachzukommen, befinden sich Schnittstellen („Busse“) auf der Platine, beispielsweise USB- oder SATA-Schnittstellen. Bei uns Menschen wären das Venen, Adern, Arterien, Faserbündel und Faszien.

Netzteil pumpt Strom in die Computervenen

Damit das Bindegewebe die überlebenswichtigen Nährstoffe im menschlichen Körper verteilen kann, muss eine Art Pumpe her, die einen Botenstoff durch die Leitungen schießt, der die Nährstoffe trägt. Hast du in Biologie gut aufgepasst, wird dir schon klargeworden sein, dass wir vom Herz sprechen: das Herz pumpt das Blut durch unsere Venen, sodass alle Zellen und Organe mit Nährstoffen, Informationen und Sauerstoff versorgt werden.

So ist es auch beim Computer, nur dass das Herz hier Netzteil heißt. Wenn du deinen Rechner öffnest, wirst du einen sehr klobigen Kasten sehen: der ist das Netzteil. Das dickste Kabel des Netzteils wird mit dem Mainboard verbunden – ähnlich der Aorta, die Blut aus der Herzkammer in den Blutkreislauf transportiert. Das Mainboard braucht am meisten Strom, um alle weiteren Komponenten mit Strom zu versorgen. Nun ja, fast alle weiteren Komponenten, denn ausgenommen sind die Laufwerke deines Rechners und zuweilen die Grafikkarte.

Hier sieht man ein PC-Netzteil. Ein Netzteil kann man als Herz des Computers bezeichnen.

Hier sieht man ein PC-Netzteil. Ein Netzteil kann man als Herz des Computers bezeichnen. (Bild: Wikipedia.de von Hans Haase, Lizenz: CC BY-SA 3.0)

Da die Laufwerke nicht im Mainboard stecken, kann es diese Komponenten naheliegender Weise nicht mit Strom versorgen. Vergleichbar wäre dies mit einer Prothese: ein Ersatz, der nicht im Rahmen des körperlichen Blutkreislaufs mitversorgt werden kann, weil gar keine Verbindung existiert; er funktioniert autonom. Hochleistungs-Grafikkarten, die vor allem von Gamern genutzt werden, sind derartig stromhungrig, dass sie zusätzlichen Strom benötigen können – die Hauptplatine hat schon genug mit der CPU-Versorgung zu tun. Bei betagteren Grafikkarten ist dies anders: sie geben sich mit dem zufrieden, was das Mainboard liefert.

Speicher jeder Art sind wie Gedächtnisse

Es existieren verschiedene Arten von Speichern im Computer – wir können sie ein wenig mit unserem Gedächtnis vergleichen: eine Festplatte im Computer entspricht dem Langzeit-, der Arbeitsspeicher dem Kurzzeitgedächtnis. Auf der Festplatte, dem Langzeitgedächtnis, legst du sämtliche Daten und Informationen ab, die du langfristig speichern möchtest. Die Datenmengen, die die Festplatte aufnehmen kann, sind in GB angegeben – und das sind deutlich mehr als beim Arbeitsspeicher („RAM“). Jedoch arbeitet die Festplatte auch wesentlich langsamer als der RAM. Das liegt an der unterschiedlichen Arbeitsweise:

Das Innenleben einer Festplatte ähnelt optisch einem Plattenspieler. Ein Lese-/Schreibkopf hat die Aufgabe, die mittig rotierenden Scheiben abzutasten. Bei der Durchschnitts-Festplatte geschieht das mit 7.200 Umdrehungen pro Minute („U/min“), natürlich gibt es auch schneller arbeitende Festplatten. Der Schreib-/Lesekopf kommt also alle 8 ms an derselben Stelle vorbei. Möchtest du nun eine Datei öffnen, liest der Lesekopf die abgespeicherte Information, sendet sie zum Arbeitsspeicher, der sie an den Prozessor weitergibt. Dieser macht aus einem Haufen von Daten die Datei, die du öffnen möchtest.

Es existieren verschiedene Arten von Speichern im Computer – wir können sie ein wenig mit unserem Gedächtnis vergleichen: eine Festplatte im Computer entspricht dem Langzeit-, der Arbeitsspeicher dem Kurzzeitgedächtnis.

Es existieren verschiedene Arten von Speichern im Computer – wir können sie ein wenig mit unserem Gedächtnis vergleichen: eine Festplatte im Computer entspricht dem Langzeit-, der Arbeitsspeicher dem Kurzzeitgedächtnis. (Bild: wikipedia.de von Freakedenough, Lizenz: CC BY-SA 3.0)

Der RAM („Random-Access Memory“) hält zwar nur sehr geringe Kapazitäten fürs Speichern bereit, arbeitet jedoch deutlich zügiger als Festplatten. Ein Abtasten durch einen Lese-/Schreibkopf ist unnötig, da Informationen schnell abrufbar auf einem Chip gelagert werden. Auch hier gilt: Je höher die Kapazität deines Arbeitsspeichers, umso mehr Daten lassen sich zwischenspeichern. Schaltest du deinen Computer jedoch aus, sind die Informationen aus dem Arbeitsspeicher verschwunden.

Das ist also ähnlich, wie wenn du etwas lernen möchtest: erst legst du den Lernstoff in deinem Arbeitsspeicher, dem Kurzzeitgedächtnis, ab. Je intensiver du lernst, umso tiefer setzt es sich in deinem Langzeitgedächtnis fest. Während unwichtige Informationen nach kurzer Zeit aus deinem Arbeitsspeicher-Kurzzeitgedächtnis verschwinden, sie aber, solange sie vorhanden sind, zügig abgerufen werden können, bedarf das Abrufen aus dem Langzeitgedächtnis zuweilen mehr Zeit, sie sind aber zuverlässig abgespeichert.

Transitstrecken überwinden: Busse, Adern & Venen

Unsere Adern, Venen, Arterien, Faserbündel und Faszien bringen Blut und damit Sauerstoff, Nährstoffe sowie Informationen von Zelle zu Zelle und von Organ zu Organ. Ähnlich arbeiten Busse im Rechner:

Ein Bus hat im Computer die Aufgabe, Daten zwischen verschiedenen Komponenten über gemeinsame Übertragungswege zu verteilen. Der Bus kann also beispielsweise Daten vom RAM zur CPU transportieren, wo sie berechnet werden und dann via Bus wieder zum RAM gelangen. Ein Kreislauf entsteht – wie in unserem Körper.

(Denk-)Prozesse verarbeiten: das Hirn

In unserem Körper übernimmt das Gehirn die Aufgabe, Input zu bewerten und darüber Output zu liefern – sehr verkürzt erklärt. Im Rechner wird diese Aufgabe von der „Central Processing Unit“ (CPU), also dem Hauptprozessor, übernommen.

Während wir unsere Hirnleistung trainieren können, ist der Rechner jedoch dazu verdammt, mit vorhandenen Kapazitäten auszukommen. So hängt die Geschwindigkeit deines Computers zu einem wesentlichen Teil von der Geschwindigkeit der CPU ab – jedoch auch von anderen Faktoren, etwa der Pro-Takt-Leistung, Cache, Kerne oder der Bauweise: je nach Zweck des Rechners wird eine passende CPU-Architektur eingesetzt, die Daten unterschiedlich handhaben kann.

Die „Graphics Processing Unit“ (GPU), also der Grafikprozessor deines Rechners, lässt sich mit dem visuellen Cortex, der Sehrinde, des menschlichen Körpers vergleichen: als Teil der Großhirnrinde ermöglicht sie die visuelle Wahrnehmung, verarbeitet also visuelle Eindrücke. Die GPU deines Computers berechnet Grafik. Auch hier ist die Geschwindigkeit der Verarbeitung abhängig von diversen Parametern, unter anderem wieder von der Taktrate.

Und wie denkt so ein Rechner nun?

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Mit Binärcodes können ganze Zahlen mit einem von der Anzahl der verwendeten Bits abhängigen Wertebereich 0 bis n dargestellt werden (Bild:“Monitor-binär-binärsystem-computer“ von Pixabay, Lizenz: CC0 Public Domain)

Eines können wir leider nicht vergleichen: das menschliche und das computertechnische Denken, denn während wir über Bewusstsein und Lernerfahrung verfügen, sind Computer – das muss man leider sagen – strohdumm. Um Computern auf die Sprünge zu helfen, bedient man sich einem bestimmten Zahlensystem: dem Binärsystem. Dies kennt lediglich zwei Ziffern, nämlich 0 und 1.

Zahlensysteme verfolgen immer das Ziel, Ziffern so übersichtlich und einfach wie möglich darzustellen und genauso simpel damit rechnen zu können. Wir Menschen nutzen dafür heute das Dezimalsystem und bündeln unsere Zahlen mit 10. Wir haben 10 Finger und können alle Ziffern der Welt mit 10 Ziffern darstellen – wie wäre das wohl geendet, hätten wir je einen Finger weniger an der Hand? Das schreit nach dem Oktalsystem … Sei es drum – zurück zum Binärsystem von Computern:

Gottfried Wilhelm Leibnitz erkannte bereits um 1700 herum, dass Zahlen sehr simpel schon nach zwei Ziffern gebündelt werden können – in einer Zeit also, in der an Computer noch nicht mal zu denken war. Er entwarf ein Zahlensystem, das Ziffern in der simpelsten Form bündelte, die überhaupt denkbar war – und das Binärsystem war geboren. Das Wort hat seinen Ursprung übrigens im lateinischen Wort „bina“, was sich frei mit „paarweise“ übersetzen lässt. Das Binärsystem nach Leipnitz besteht also aus lediglich zwei Ziffern: 0 und 1.

Das Binärsystem sagt letztlich aus, dass alles, was zwei Zustände haben kann, mit ihm dargestellt werden kann: deine Hand als Faust oder gestreckt. Der Fernseher, der eingeschaltet oder ausgeschaltet ist. Oder eben die Spannung, die fließt oder nicht – wie beim Rechner. Womöglich wäre es fürs menschliche Denken nun einfacher, Computer könnten wie wir mit dem Dezimalsystem rechnen. Kann er aber nicht, da er – so komplex er auch arbeiten kann – wie schon erwähnt zu dumm dafür ist. Rechner können lediglich zwischen zwei Zuständen unterscheiden: an = 1 und aus = 0. Sich zehn verschiedene Zustände zu merken, wäre zu viel für den Rechner.

Das bringt es mit sich, dass die Ziffernketten natürlich schnell länger werden: die Dezimalzahl 8 ist, übersetzt ins Binärsystem, die Zahlenfolge 1000. Damit kommt der Rechner viel besser zurecht, denn 8 kennt er nicht. Übersetzen kannst du Zahlen ins Binärsystem, indem du immer durch den Faktor 2 teilst, bis du zum Schluss auf 0 kommst, und den Rest aufhebst:

8 / 2 = 4, Rest: 0
4 / 2 = 2, Rest: 0
2 / 2 = 1, Rest: 0
1 / 2 = 0, Rest: 1

Nun siehst du dir die übertragenen Reste an und liest sie von hinten nach vorn: 1000 entspricht der 8.

Mit der Entwicklungszeit der Computer stellte man fest, dass die Maschinen nicht nur fürs Rechnen geeignet sind, wenn mathematische Aufgaben den menschlichen Verstand auf die Probe stellen. Würde es gelingen, Buchstaben einen Code zuzuweisen, könnte der Rechner sicher auch Buchstaben und mehr verarbeiten. So entstand im Laufe der vielen Jahrzehnte der „American Standard Code für Information Interchange“ – kurz: ASCII. Diese 7 Bit-Zeichenkodierung ist die Basis aller auf mehr als ein Bit basierenden Codes für Zeichensätze. Die ASCII-Tabelle zeigt dir, welcher Buchstabe welchem Code entspricht.

Funfact: öffnest du den Editor „Notepad“ an deinem Rechner, mache dir doch mal den Spaß, die Alt-Taste gedrückt zu halten und eine Zahl, beispielsweise 65, einzutippen. Notepad übersetzt dir mit gedrückter Alt-Taste den ASCII-Code, sodass bei einer eingegebenen 65 der Buchstabe A auftaucht.

Fassen wir das sehr vereinfachte Denken unseres „dummen“ Rechners mit seinen Spitzenleistungen noch mal zusammen: für ihn existieren nur zwei mögliche Zustände, nämlich an oder aus. „An“ wird mit einer 1, „aus“ mit einer 0 dargestellt. Alle Eingaben, also Zahlen sowie Buchstaben, sind ebenfalls auf dieses Binärsystem reduziert, damit der Rechner die Eingabe versteht.

Das schlaue Prozessor-Hirn versteht es, die Eingabe blitzschnell in das zu übersetzen, was wir in unserem Programmen letztlich darstellen möchten.

Computer „denken“ und arbeiten logisch

Menschliche Körper sind Wunderwerke: eins greift ins andere und hält uns so am Leben. So anders sind Computer gar nicht: auch sie haben „Organe“ mit verschiedenen Zuständigkeiten, die über Busse und Leitungen miteinander verbunden sind.

Jedoch unterscheiden Mensch und Computer sich wesentlich im „Denken“: Menschen verstehen – mal mehr, mal weniger gut – komplexe Sachverhalte, für Computer gibt es nur zwei Zustände, nämlich an oder aus, 1 oder 0. Um es Computern leicht zu machen, komplexe Aufgaben zu übernehmen, hat man entsprechende Codes entwickelt, die sich alle auf 0 und 1 reduzieren lassen. Versteht man das auch nur im Ansatz, bringt das Verständnis – für Computer, aber auch für Tablets, Smartphones oder Spielkonsolen. Denn jetzt wissen wir:

01000011 01101111 01101101 01110000 01110101 01110100 01100101 01110010 00100000 01100100 01100101 01101110 01101011 01100101 01101110
00100000 01101100 01101111 01100111 01101001 01110011 01100011 01101000 00101110

Kannst du den Satz lesen und übersetzen? Wir sind gespannt, ob du das Binärsystem und damit das Denken des Computers verstanden hast – viel Spaß beim Lösen!


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