Ein PC verfügt über Eingabe-, Ver-arbeitungs- und Ausgabegeräte.
Das Verarbeitungsgerät befindet sich zusammen mit der Stromversorgung in einem gemeinsamen Gehäuse CD.
Eingabegeräte wie Tastatur und Maus sind meist über Kabel mit dem Gehäuse verbunden.
Die Ausgabegeräte, wie z. B. ein Bildschirm oder ein Drucker, sind eigenständige Geräte, die mit dem Gehäuse verbunden werden.
Im Gehäuse sind alle Bestandteile zur Verarbeitung vom Prozessor bis zum Massenspeicher installiert. Viele dieser Bestandteile sind auf einer einzigen Hauptplatine (Motherboard) untergebracht. Das Motherboard bietet außerdem Steckplätze (Slots) für verschiedene Komponenten wie z.B. die Grafikkarten für die Bildschirmausgabe. Ferner stellt es Anschlüsse für Massenspeicher, Stromversorgung und EinVAusgabegeräte bereit.
Im PC werden häufig die Chips (elektronische Bausteine) für die Audioausgabe (Soundchip) oder für den Informationsaustausch mit anderen Computern (Netzwerk-Chip) auf dem Motherboard integriert und die entsprechenden Anschlüsse an der Rückseite des Gehäuses zur Verfügung gestellt. Bei sehr kleinen Gehäusen und auch bei Notebooks (mobile Computer) wird sehr häufig auch die Grafikkarte durch Chips auf dem Motherboard ersetzt.
Der Aufbau der Tastatur ist ähnlich dem der Schreibmaschinentastatur.
An PCs angeschlossen sind meist Multifunktions-Tastaturen (MF-Tastaturen) mit 102 Tasten. Die zusätzlichen Tasten lösen innerhalb Apps und beim Betriebssystem bestimmte Funktionen aus oder rufen verschiedene Befehle auf. Die Windows-Tastatur z. B. hat drei zusätzliche Tasten, zwei Windows- und eine Kontextmenütaste.
Zeigegeräte wie Mäuse sind mit zunehmender Verbreitung grafischer Benutzeroberflächen in den Betriebssystemen zu einer Selbstverständlichkeit geworden. Durch Bewegen der Maus und Klicken der Maustasten lassen sich viele Arbeiten menügesteuert ohne die Tastatur ausführen. Die ermittelten Bewegungsdaten werden an den angeschlossenen PC weitergemeldet.
Standardmaus Bei optischen Mäusen wurden die mechanischen Teile früherer Mäuse durch einen optischen Sensor (Fotozelle) und eine Leuchtdiode ersetzt. Der Sensor erfasst die Bewegung der Maus auf der Tischoberfläche, die von der Leuchtdiode erhellt wird.
Mit einem Scanner können Sie Bilder, Texte und Dias digitalisieren und anschließend mit dem Computer bearbeiten.
Für die Texterfassung bieten sich Flachbett-Scanner an. Bei ihnen sitzt der eigentliche Scanner auf einem Schlitten, der mit einem Elektromotor gleichmäßig unter der Vorlage bewegt wird. Eine DIN-A4-Seite kann in einem Zug eingelesen und anschließend weiterverarbeitet werden.
Flachbett-Scanner eignen sich ausschließlich für zweidimen-sionale Vorlagen. Für räumliche Objekte bieten sich digitale Kameras an.
Das Herz eines jeden Computers ist der Prozessor, der auch als CPU (Central Processing Unit) bezeichnet wird. Der Prozessor sitzt auf einem Steckplatz (Sockel) auf dem Motherboard.
Mikroprozessoren bestehen aus dem Steuerwerk und dem Rechenwerk. Durch die zunehmende Miniaturisierung wurden Bauteile, die sich ehemals auf dem Motherboard befanden, (z.B. der Coprozessor und Cache-Speicher), in das Prozessorgehäuse integriert.
Zum Schutz vor mechanischen Belastungen werden die Mikrochips in einem Gehäuse aus Kunststoff oder Keramik untergebracht. Von außen zugängliche Pins (Kontakte) sorgen für den elektrischen Anschluss.
Da die Miniaturisierung an ihre physikalischen Grenzen stößt, sind die Hersteller Intel und AMD dazu übergegangen, zwei, drei oder vier Prozessoren in einem Gehäuse zusammenzufassen (Multi-Core-Prozessoren).
Das Steuerwerk interpretiert und koordiniert die einzelnen Befehle. Die Befehle werden aus dem Arbeitsspeicher in einen schnellen internen Speicher (Befehlsregister) ausgelesen. Alle Aktionen werden über den Steuerbus an die anderen Bestandteile übertragen.
Das Rechenwerk erhält seine Befehle direkt vom Steuerwerk. Die zu bearbeitenden Daten kommen aus dem Arbeitsspeicher und werden in schnellen, internen Datenregistern abgelegt. Alle im Rechenwerk ausgeführten Berechnungen beruhen auf der Addition von Zahlen. Die Subtraktion entsteht aus der Addition eines negativen Wertes. Multiplikation und Division erfolgen durch zusammengesetzte Addition bzw. Subtraktion.
Der Cache-Speicher wurde eingeführt, um die unterschiedlichen Geschwindigkeiten beim Datenaustausch zwischen Prozessor und Arbeitsspeicher zu puffern. Beide Cache-Speicher (Level 1 und Level 2) sind bei modernen Prozessoren von Intel und von AMD im Prozessorgehäuse untergebracht.
Daten werden über den sogenannten Bus durch elektrischen Strom transportiert. Dieser Vorgang erfolgt mittels einzelner Stromimpulse, die durch einen periodischen Taktgeber initiiert werden, der auf dem Motherboard sitzt Dabei handelt es sich um einen Quarz, der durch elektrischen Strom in Schwingung gebracht wird.
Der Takt wird in GHz (Gigahertz) gemessen. 1 GHz entspricht 1 Mrd. Takte pro Sekunde.
Die Bestandteile der Zentraleinheit sind über ein Leitungssystem miteinander verbunden. Dieses Leitungssystem ist Bestandteil des Motherboards und wird als Bus bzw. Bussystem bezeichnet.
Das Bussystem besteht aus folgenden Teilen:
Die Übertragungsgeschwindigkeit der Daten ist abhängig von der Taktfrequenz und der Breite des Datenbusses (8, 16, 32 und 64 Bit). Ein 16-Bit-Bus kann beispielsweise gleichzeitig über 16 Datenleitungen 16 Stromimpulse (16 Bit) pro Takt übertragen. Das Datenbussystem PCI-Express ist mit bis zu 4 GHz getaktet und arbeitet mit einem 32-Bit-Datenbus. Dabei werden maximal 31508 MByte Daten pro Sekunde übertragen.
Die wichtigsten Eigenschaften von Prozessoren lassen sich am einfachsten mit folgenden Kenngrößen und Technologien beschreiben:
Befehle des Steuerwerks und Daten werden zyklisch in das Rechenwerk einer CPU geladen, bearbeitet und ausgegeben. Die Taktrate oder Taktfrequenz gibt in GHz an, wie viele Zyklen pro Sekunde eine CPU verarbeiten kann. Lag die Prozessorgeschwindigkeit des ersten PCs noch bei 4,77 MHz, ist mittlerweile mit 3500 MHz die Drei-Gigahertz-Grenze überschritten.
Jede CPU verfügt über eine Anzahl verschiedener Befehle, die sie ausführen kann. Dieser Befehlssatz kann entweder relativ groß und komplex sein (CISC, Complex Instruction Set Computing) oder auf wenige einfache Befehle beschränkt sein (RISC, Reduced Instruction Set Computing). Komplexe Befehle können oft nicht in einem einzigen Taktzyklus abgearbeitet werden und die Bearbeitung dauert länger als bei einfachen Befehlen. Bei geschickter Programmierung können RISC-Prozessoren schnellerarbeiten als CISC-Prozessoren mit gleicher Taktrate, zu denen auch die Intel-kompatiblen Prozessoren gehören.
Als Multi-Core-Prozessor (Intel Core i3, Core i5 und Core i7 bzw. AMD A4, A6, A8, A10 und FX) bezeichnet man eine CPU, bei der zwei oder vier Prozessoren in einem Prozessorgehäuse vereint sind. Entsprechend angepasste Apps (Bild- und Videobearbeitung sowie Computerspiele) laufen als parallele Prozesse ab, was die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht.
2003 führte AMD mit den Athlon-64-Prozessoren die 64-Bit-Technologie (AMD64) im Desktop-Bereich ein. Dabei arbeitet im Athlon 64 intern ein 32-Bit-Prozessor, dessen Register im 64-Bit-Modus adressiert werden können. Daher ist der Prozessor uneingeschränkt zu immer noch weitverbreiteten 32-Bit- und sogar alten 16-Bit-Apps abwärts kompatibel.
Intel entwickelte den Befehlssatz EM64T. Intel Prozessoren sind dank EM64T ebenfalls in der Lage, 64-Bit-Befehle zu verarbeiten.
Eine Liste der Prozessoren von
Übersichten über aktuelle Prozessorleistungen finden Sie im Internet auf den Homepages der Prozessorhersteller oder EDV-Zeitschriftenverlage.
Apps zum Auslesen der Informationen aus einem Prozessor sind z. B.:
Random Access Memory … Speicher mit wahlfreiem Zugriff (Adressen), Schreib- und Lesespeicher
Dieser Speicher entspricht dem Kurzzeitgedächtnis des Computers. Hier befinden sich neben den Betriebssystemdaten die laufenden Apps mit ihren Daten. Die RAM-Module werden auf dem Motherboard in dafür vorgesehene Sockel (auch Speicherbänke genannt) gesteckt. Die Speicherung ist stromabhängig (temporärer Speicher). Nach Ausschalten des Computers werden alle Bits auf 0 Volt gesetzt. Die enthaltenen Daten sind dann verloren.
Die Größe des Arbeitsspeichers entscheidet auch über die Geschwindigkeit des Computers. Je größer der Arbeitsspeicher ist, umso weniger Daten müssen während der Arbeit auf die langsamere Festplatte ausgelagert werden. Dies gilt insbesondere bei mehreren gleichzeitig gestarteten Apps.
Die Größe des Arbeitsspeichers ist abhängig von der Anzahl vorhandener Steckplätze. Moderne Motherboards können bis zu 4 Speicherriegel aufnehmen. Die meisten PCs werden mit 8 - 16 GB Speicher verkauft. Mithilfe der sogenannten DDR-Technik (Double Data Rate) ist es möglich, beim Arbeitsspeicher eine Taktfrequenz von aktuell bis zu 2133 MHz zu erreichen.
ROM … Read Only Memory (=Nur-Lese-Speicher (Festwertspeicher))
Inhalt … Elementare Befehle zum Betrieb des Computers
Dieser Speicher stellt das Langzeitgedächtnis des Computers dar. Hier werden alle zum elementaren Betrieb (Start des Computers, Laden des Betriebssystems, Zusammenarbeit der einzelnen Komponenten) notwendigen Befehle gespeichert.
Die Speicherung erfolgt mithilfe von elektrischen Schaltungen. Der Inhalt des Speichers ist nicht veränderbar. Motherboards sind mit einem sogenannten Flash-ROM ausgestattet, der es gestattet, die Inhalte des ROM-Speichers zu aktualisieren.
Diese Arbeiten sollten jedoch nur von erfahrenen Anwendern durchgeführt werden, da bei fehlerhafter Durchführung des Updates unter Umständen der Computer nicht mehr startet.
Auf dem Motherboard befinden sich Steckplätze, die Datenleitungen zu den Peripheriegeräten darstellen. Die Steckplätze (Slots) dienen zur Aufnahme von notwendigen und zusätzlichen Karten. Dazu gehören neben der Grafikkarte Soundkarten, Netzwerkarten und Karten für den Anschluss von sonstigem Zubehör.
Bei neueren Computern sind zum Teil die Funktionen von Grafik- oder Soundkarten, teilweise auch von Modems und Netzwerkkarten auf dem Motherboard integriert.
Jeder Computer besitzt auf der Rückseite des Gehäuses diverse Steckkontakte (engl. interfaces, ports oder Schnittstellen) zum Anschluss von externen Ein- und Ausgabegeräten. Im Normalfall existieren eine Vielzahl an USB-Anschlüssen.
USB (Universal Serial Bus) ist für den Anschluss von bis zu 127 Geräten geeignet. USB-Geräte werden ab dem Betriebssystem Windows 98 automatisch erkannt und die zum Betrieb benötigten Apps werden installiert. Die aktuelle Übertragungsgeschwindigkeit liegt bei USB 3.0 bei maximal 4 Gbit/s. An die USB-Schnittstelle können sowohl Eingabe- (z.B. Maus oder Scanner) als auch Ausgabegeräte (z. B. Drucker) sowie EinVAusgabegeräte (z. B. externe Festplatten, MP3-Player) angeschlossen werden.
Rechner sind standardmäßig mit einer VGA-Karte (Video Graphics Array) ausgestattet. Heute sind Grafikkarten im Einsatz, die speziell bei hoher Auflösung auf die schnelle Darstellung von grafischen Benutzeroberflächen und von 3D-Effekten ausgelegt sind.
Bei einer Auflösung von z.B. 1280 x 1024 Pixeln passen mehrere Windows-Fenster gleichzeitig auf den Bildschirm. Als Faustregel gilt, dass eine höhere Auflösung immer auch mit einem großformatigeren Monitor kombiniert werden sollte.
Da die 3D-Darstellung in allen Anwendungen einen immer weiteren Raum einnimmt und der Computer im Heimbereich immer häufiger auch zum Spielen genutzt wird, trat neben der Beschleunigung von 2D-Darstellungen die von 3D-Berechnungen in den Vordergrund. Neue Grafikkarten sind mit einem 3D-Chip bestückt, der speziell diese aufwändigen Berechnungen durchführt.
Die aktuellen Betriebssysteme nutzen diese 3D-Beschleunigung (DirectX, OpenGL) zur Fensterdarstellung. Dadurch entlastet die Grafikkarte in zunehmendem Maße den PC-Prozessor.
Benutzeroberflächen überzeugen oft durch eine aufwendige grafische Gestaltung. Deren Umsetzung auf dem Bildschirm ist Aufgabe der Grafikkarte. Dafür ist aber ein hohes Maß an Rechenarbeit notwendig.
Die Leistungsfähigkeit einer Grafikkarte besonders im 3D-Bereich wird durch die Taktung und des Grafikprozessors und die Schnelligkeit des Grafikspeichers bestimmt. Durch die Verwendung schneller GDDR5-SRAM-Bausteine auf den Grafikkarten konnte der Speichertakt weiter angehoben werden. Als weiteres Kriterium kommt das verwendete Bussystem zum Tragen, über das die CPU Daten mit der Grafikkarte austauscht:
Bei Farbbildschirmen fallen für die Speicherung der Farbe eines Bildpunktes drei Byte an: 16,7 Mio. Farben. Der Arbeitsspeicherbedarf errechnet sich somit aus der Bildschirmauflösung (1024*768*3 = 2.359.296 Byte = 2,25 MByte).
Zwischen zwei Glasplatten sind Flüssigkristalle und Steuerelektroden angebracht. Flüssigkristalle können selbst kein Licht erzeugen, sondern nur vorhandenes Licht beeinflussen. Deshalb werden LCD-Bildschirme von hinten beleuchtet. Farben stellt ein LCD dar, indem jedes Bildelement aus drei Zellen zusammengesetzt wird. Jede Zelle steuert über einen Farbfilter eine der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau.
Die aktuellen TFT-Displays (Thin Film Transistor) nutzen in einer dünnen Schicht angeordnete Transistoren, um die Spannung an den Flüssigkristallen zu erzeugen. Sie erreichen durch dieses Verfahren eine hohe Leuchtkraft und eine sehr gute Farbreinheit. Eingesetzt werden diese Bildschirme in Notebooks und als Schreibtischmonitor. Sie zeichnen sich durch ihre geringe Bautiefe und Energiesparsamkeit aus und arbeiten flimmerfrei, kontrastreich und strahlungsfrei.
Eine weitere Form des Bildschirms sind sogenannte Touchscreens (berührungssensible Bildschirme). Sie dienen sowohl als Ein- wie als Ausgabegeräte. An öffentlich zugänglichen Computern (z. B. bei Präsentationen auf Messen oder an Bankautomaten) kann der Benutzer durch Berühren des Bildschirms den angeschlossenen Computer steuern.
Die Bildwiederholfrequenz gibt an, wie oft das Bild pro Sekunde neu aufgebaut wird.
Angegeben wird die Bildschirmgröße in cm oder in Zoll („) und zeigt das Maß von der rechten oberen Ecke bis zur linken unteren Ecke der Bildröhre. Übliche Werte der Bildschirmdiagonalen sind:
Tintenstrahldrucker besitzen einen Druckkopf, in dem sich zwischen 9 und 48 Düsen (Matrix) befinden. Die Düsen erzeugen mit Tinte Punkte auf dem Papier, aus denen sich das Zeichen zusammensetzt. Mithilfe mehrerer Druckköpfe sind farbige Ausdrucke möglich.
Der Laserdrucker bezieht die Druckinformationen seitenweise vom Computer. Laserdrucker arbeiten mit einem Halbleiter-Laser, der eine fotoempfindliche Trommel oder Walze belichtet und dabei elektrostatisch auflädt. Die belichteten Bereiche der Walze zeichnen das Druckbild als elektrostatische Ladung nach. Anschließend wird die Walze an einem Behälter mit Farbpartikeln (Toner) vorbeigeführt, die nur an den aufgeladenen Stellen der Walze haften bleiben.
In einem dritten Schritt wird der Toner von der Walze auf das Papier übertragen und dort durch kurzzeitiges Erhitzen fixiert. Laserdrucker mit eingebauter Netzwerkkarte und eigenem Speicher eignen sich besonders als Netzwerkdrucker, auf den mehrere Benutzer zugreifen können. Laserdrucker mit mehreren Bildtrommeln und farbigem Toner sind in der Lage, farbige Ausdrucke zu erstellen.
Es werden auch Geräte angeboten, die z. B. die Möglichkeiten eines Scanners, eines Kopierers, eines Faxgeräts und eines Druckers kombinieren.
Im Gegensatz zu den früheren Modems mit einer maximalen Übertragungsgeschwindigkeit von 56 kbit/s oder ISDN mit einer regulären Geschwindigkeit von 64 kbit/s, beschreibt DSL (Digital Subscriber Line) eine Technologie zur parallelen Nutzung der Telefonleitung für Gespräche und Daten. Zur Nutzung von DSL wird ein Splitter, der die DSL-Signale von den Gesprächssignalen trennt, installiert. An den Splitter wird ein DSL-Modem angeschlossen, das wiederum über Netzwerkkabel bzw. Funk die Verbindung zum Computer herstellt. Die Übertragungsraten variieren je nach Vertrag mit dem Internetanbieter (Provider) zwischen 1 und 200 MBits/s.
Soundkarten dienen zur Ausgabe von Klängen über angeschlossene Boxen. Das menschliche Gehör kann nur analoge Signale aufnehmen (Schwingungen in der Luft entsprechen den Tönen). Die Soundkarte wandelt die im Computer gespeicherten digitalen Daten in Schwingungen für die Boxen um. PCs haben die entsprechenden Soundchips auf dem Motherboard integriert und stellen entsprechende Anschlüsse für Lautsprecher, Kopfhörer und Mikrofon am Gehäuse zur Verfügung.
Im Gegensatz zum internen Speicher (Arbeitsspeicher und ROM) werden im externen Speicher die Daten längerfristig (auch bei ausgeschaltetem Computer) gespeichert.
Einzelne kleine Flächen (Bits) werden beim Schreiben von Daten wie Magnete gegen die bzw. mit der Drehrichtung der Scheibe ausgerichtet. Beim Lesen erkennt der SchreibVLese-kopf die Ausrichtung der Bits.
Bei Festplatten handelt es sich um einen dauerhaften Speicher, auf dem sämtliche für den Computer wichtigen Daten gespeichert sind. Die Festplatte besteht aus einem entlüfteten Gehäuse, in dem beschichtete Metallplatten-Stapel eingebaut sind. Auf diesen Scheiben sind die Daten durch Magnetisierung in Spuren abgelegt.
Festplatten haben standardmäßig eine Einbaubreite von 3,5 Zoll bzw. im mobilen Bereich zwischen 2,5 und 1,8 Zoll und können bis zu 4000 GB (4 TB) an Daten speichern.
Wechselplatten sind Festplatten, die nach Öffnen einer Verriegelung leicht mitsamt einem Wechselrahmen aus dem Gehäuse genommen werden können. Der Vorteil liegt darin, dass ein Anwender an verschiedenen Computern mit seinen Daten arbeiten kann. Auch besteht damit die Möglichkeit, wichtige Daten im Safe zu lagern.
Diese Speicher arbeiten wie die bekannten Musik-CDs. Auf einer CD-ROM (Compact Disc - Read Only Memory) befinden sich ca. 20.000 „Spuren“, sogenannte „Pits“ (Gruben) und „Lands“ (Flächen), die spiralförmig von innen nach außen verlaufen. Auf diesen „Spuren“ sind die Datenblöcke in gleicher Dichte gespeichert.
Ihre Speicherkapazität ist bis zu 25-mal größer als bei einer CD-ROM. Denn die DVD lässt sich auf beiden Seiten in je zwei Schichten (Dual-Layer-DVD) beschreiben. Damit sind Kapazitäten bis zu 17 GB möglich.
Die Formate DVD-RW und DVD-RAM ermöglichen es, DVDs zu beschreiben bzw. wieder-zubeschreiben. Durch die höhere Datenkapazität hat die DVD die CD im Bereich Datenspeicherung abgelöst.
Laufwerke dieser neuen Formate arbeiten mit blauen Lasern und sind dadurch in der Lage, noch höhere Auflösungen zu erreichen. Die Kapazitäten liegen bei 30 GB als Single Layer (eine Schicht) und 50 GB bei der Dual Layer Blu-Ray-Disc. Blu-Ray-Discs werden in drei Varianten vertrieben:
Flash-Speicher sind mehrfach beschreibbare Speicherchips, deren Daten auch ohne Stromversorgung nicht verloren gehen. Sie sind unter anderem in folgenden Speichermedien enthalten:
Als Alternative zur Diskette bieten sich USB-Sticks mit einer Kapazität von 128 MB bis 256 GB an. Moderne PCs werden immer häufiger ohne Diskettenlaufwerke ausgeliefert. Der eingesteckte USB-Stick wird von den Betriebssystemen Windows, XP, Vista, Windows 7, Windows 8, Linux (ab Kernel 2.4.18) und Mac OS (ab Version 9) als Wechsel-Laufwerk angesprochen und kann mit Daten beschrieben werden.
Hierbei handelt es sich um flache, wenige Millimeter dicke Karten, die Flash-Speicher von 8 GB bis 128 GB Kapazität enthalten. Die SD Card dient zum Datenaustausch zwischen der Digitalkamera, dem digitalen Camcorder oder dem MP3-Player. Im PC muss ein entsprechender Speicherkartenleser eingebaut sein oder über den USB-Anschluss mit dem PC verbunden werden.
Dieses Speichermedium besteht aus einzelnen Speicherchips und wird statt einer Festplatte eingebaut. SSDs zeichnen sich, da mechanische Teile fehlen, durch einen geringen Stromverbrauch und durch Robustheit gegen mechanische Einflüsse aus. Daher werden SSDs häufig in Notebooks eingebaut. Der Hauptnachteil des SSD ist ein höherer Preis im Vergleich zu Festplatten gleicher Kapazität. SSDs stehen im Endkundenbereich auch nur bis zu einer Kapazität von 2 TB zur Verfügung.
Links zu den Referaten: