Sesamstraße: Wie funktioniert ein Computer?

[TBT]

Hallo,

ich weiß, dass mein Beitrag eigentlich hier nicht hineingehört, aber da ich nichts Passenderes gefunden habe und der Computerkern das Bauteil ist, auf welches meine Frage teilweise zielt, finde ich diese hier am passendsten.

Also nun zu meiner Frage: Was passiert in einem Prozessor bzw. einem Computer. Mir ist klar, dass Daten durch On-Off Prozesse gesteuert werden. Nicht klar ist mir, warum ON-Off Schaltungen Reaktionen in anderen Bauteilen auslösen. Nur mal als Beispiel: ich tippe eine "1" auf der Tastatur ein und sage dem Programm vorher das diese grün sein soll. Welchen Weg nimmt dann der Datenstrom, wie wird er verarbeitet. Wie und wo werden On-Off-"Schalter" umgelegt und woher weiß der Bildschirm, was er darstellen soll?

Die Antwort: Der Computer verarbeitet die Daten....ist irgendwie nicht befriedigend.

Viele können erklären, warum bestimmte Prozesse ablaufen, wie Daten ausgetauscht werden. Aber irgendwie kann mir niemand erklären, warum Daten so ausgetauscht werden, und warum eine Reaktion so und nicht anders eintritt.

So, nun bin ich mal gespannt, ob überhaupt jemand in der Lage ist mir hier zu antworten. Vielleicht kann mir jemand auch Literatur nennen, wo ich das nachlesen kann.

Gruß B!

 

[tigger]

oder als einfaches beispiel, du drückst auf den lichtschalter und ne lampe geht an, ist eigtl. auch ne on/off schaltung, nur das die "1"-spannung etwas höher ist als beim pc

 

[snipersaar]

http://www.gmd.de/People/Klaus.Birkenbihl/publications/DAB95.htm

Wenn man Information digital umsetzt, bleibt eine Kette von Bits übrig, die zum Beispiel so aussehen könnte:-1-0-0-0-1-0-1-1-1-0-1-0-0-1-1-0-1-1-0-1-1-0-0-0-1-1-1-0-0-0-0-0-1-... kaum vorstellbar, daß dies Teil eines Textes, eines Musikstücks oder gar eines Videos ist. Will man daraus wieder die ursprüngliche Information zurückgewinnen, muß man die Digitalisierung rückgängig machen. Nun gibt es aber unzählige verschiedene Möglichkeiten Information zu digitalisieren. Und um die Information zurückzugewinnen, muß man wissen, welches Verfahren bei der Digitalisierung genutzt wurde - sonst erhält man statt Text nur Buchstabensalat, statt Musik nur Krachen und Rauschen und statt Videos nur Bildstörung. Damit also jeder den Text lesen kann, die Musik hören kann und die Videos sehen kann, einigt man sich auf standardisierte Umsetzverfahren, die von allen benutzt werden können. Nun ist es nicht in jedem Fall erwünscht, daß ein jeder alles erfahren kann. Geschäftskorrespondenz ebenso wie Liebesbriefe und Telefongespräche sind noch lange nicht für jeden bestimmt. Diese Informationen werden zwar nur dem zugestellt, der sie erhalten soll. Aber auf der Strecke dahin durchlaufen sie einige Computer und dort könnte jemand "mithören". Wie kann man sich im digitalen Zeitalter also gegen Abhören schützen? Hierzu haben Wissenschaftler relativ ausgeklügelte Systeme entwickelt, die erst nach Eingabe eines richtigen Codeworts oder Schlüssels in der Lage sind, eine Information zu entschlüsseln. Wer das Codewort nicht kennt hat Pech gehabt - und zwar gründlich: einige Millionen Jahre würde ein Supercomputer brauchen, die Information ohne Schlüssel zu enträtseln.

http://www.samson.de/pdf_de/l150de.pdf

http://www.humerboard.at/doku/sb8/uPtech.pdf

 

[Bookster]

BasiswissenIT
Besser kann man das nicht erklären

 

[cHoBo]

Hardwarearchitektur
Das heute allgemein angewandte Prinzip, das nach seiner Beschreibung durch John von Neumann von 1946 als "Von-Neumann-Architektur" bezeichnet wird, definiert für einen Computer vier Hauptkomponenten:

die Recheneinheit (Arithmetisch-Logische Einheit (ALU)),
die Steuereinheit,
den Speicher und
die Eingabe- und Ausgabeeinheit(en).
In den heutigen Computern sind die ALU und die Steuereinheit meist zu einem Baustein verschmolzen, der so genannten CPU (Central Processing Unit, zentraler Prozessor).

Der Speicher ist eine Anzahl von durchnummerierten "Zellen", jede dieser Zellen kann ein kleines Stück Information aufnehmen. Diese Information wird als Binärzahl, also einer Abfolge von ja/nein-Informationen, in der Speicherzelle abgelegt - besser vorzustellen als eine Folge von Nullen und Einsen. Ein Charakteristikum der "Von Neumann-Architektur" ist, dass diese Binärzahl (beispielsweise 65) entweder ein Teil der Daten sein kann (also zum Beispiel der Buchstabe "A"), oder ein Befehl für die CPU ("Springe ...").

Wesentlich in der Von-Neumann-Architektur ist, dass sich Programm und Daten einen Speicherbereich teilen (dabei belegen die Daten in aller Regel den unteren und die Programme den oberen Speicherbereich).

Dem gegenüber stehen in der sog. Harvard-Architektur Daten und Programmen eigene (physikalisch getrennte) Speicherbereiche zur Verfügung, dadurch können Daten-Schreiboperationen keine Programme überschreiben.

In der Von-Neumann-Architektur ist die Steuereinheit dafür zuständig, zu wissen, was sich an welcher Stelle im Speicher befindet. Man kann sich das so vorstellen, dass die Steuereinheit einen "Zeiger" auf eine bestimmte Speicherzelle hat, in der der nächste Befehl steht, den sie auszuführen hat. Sie liest diesen aus dem Speicher aus, erkennt zum Beispiel "65", erkennt dies als "Springe". Dann geht sie zur nächsten Speicherzelle, weil sie wissen muss, wohin sie springen soll. Sie liest auch diesen Wert aus, und interpretiert die Zahl als Nummer (so genannte Adresse) einer Speicherzelle. Dann setzt sie den Zeiger auf eben diese Speicherzelle, um dort wiederum ihren nächsten Befehl auszulesen; der Sprung ist vollzogen. Wenn der Befehl zum Beispiel statt "Springe" lauten würde "Lies Wert", dann würde sie nicht den Programmzeiger verändern, sondern aus der in der Folge angegebenen Adresse einfach den Inhalt auslesen, um ihn dann beispielsweise an die ALU weiterzuleiten.

Die ALU hat die Aufgabe, Werte aus Speicherzellen zu kombinieren. Sie bekommt die Werte von der Steuereinheit geliefert, verrechnet sie (addiert beispielsweise zwei Zahlen, welche die Steuereinheit aus zwei Speicherzellen ausgelesen hat) und gibt den Wert an die Steuereinheit zurück, die den Wert dann für einen Vergleich verwenden oder wieder in eine dritte Speicherzelle zurückschreiben kann.

Die Ein-/Ausgabeeinheiten schließlich sind dafür zuständig, die initialen Programme in die Speicherzellen einzugeben und dem Benutzer die Ergebnisse der Berechnung anzuzeigen.

Aus Wikipedia, ich hoffe es passt zum Thema

 

[CharlieB]

.... Nur mal als Beispiel: ich tippe eine "1" auf der Tastatur ein und sage dem Programm vorher das diese grün sein soll. Welchen Weg nimmt dann der Datenstrom, wie wird er verarbeitet. Wie und wo werden On-Off-"Schalter" umgelegt und woher weiß der Bildschirm, was er darstellen soll?
....

nunja das bekommen wir doch hin

Wenn du deinen PC gestartet hast (unabhängig vom OS)
dann läuft irgend ein Task im Hintergrund und wartet auf Benutzereingaben an vordefinierten Schnittstellen (Keyboard, Mouse, seriellen Schn. etc) in einer Endloswarteschleife.

Des weiteren gibt es einen Scheduler der jedem Task nach Priorität geordnet für eine gewisse Zeit die CPU zum Arbeiten zur Verfügung stellt.

Dazu muss der vorrangegangene Prozess seine Daten aus dem Speicher auslagern, und der neue Prozess die Daten zur Verarbeitung in die CPU Register laden.
Nun steht dem Prozess ein kleines Zeitfenster zur Verfügung in dem er die CPU nutzen darf, das nennt man dann den CPU-Burst(Wie das erklär ich weiter unten).
Ist die Zeit abgelaufen, werden wieder die Daten aus den Registern/Speichern ausgelagert, ein neuer Prozess wird vom Scheduler ausgewählt und das Spiel beginnt von vorn.

Nun der Clou der Sache, der Scheduler weisst zig mal pro sekunde einem anderen Prozess die CPU zur Bearbeitung zu, und nur so entsteht der "Eindruck" dass wir am PC (mit einer CPU) "parallel" arbeiten können, also dass viele Programme gleichzeitig ausgeführt werden können.
In Wahrheit ist das nicht so

Nun hat jeder Prozess gewisse Prioriitäten die vom Scheduler auch berücksichtigt werden, der Prozess der auf Eingaben an der Schnittstellen wartet ist unter Windows bzw den Desktop Betriebssystemen natürlich sehr hoch.

Ein Prozess hat eigentlich 3 Zustände.
running - hat die CPU und gibt Gas
ready - beim Scheduler angemeldet, dass er rechnen will
sleeping - hat nix zu tun, oder wartet auf eine Eingabe etc

So das waren erstmal ganz kurze Basics, nun zu deinem Beispiel:

Angenommen du hast einen Editor geöffnet, dieser ist aktiv und hat einen eigenen Prozess der auf Benutzereingaben wartet.

Du drückst die Taste 1
--> Prozess geht von sleeping in den running Zustand
--> meldet sich bei der CPU dass ers "nötig" hat und die CPU braucht
--> nach ner endlos langen Weile bekommt der die CPU zugeteilt
--> der Prozess liest von stdin (StandartInput sind vordefinierte Schnittstellen) den Tastaturcode
--> ein weiterer Prozess wandelt den Tastaturcode in bytecode um
--> der wird dann der CPU zugeführt und diese gibt es an den Editor weiter
--> Editor hat einen Prozess der den Bytecode erhält und überlegt was er machen soll
--> entscheidet sich dass dies wohl im offenen Fenster angezeigt werden soll
--> weisst einem weitern Prozess die Aufgabe zu, dass dieser bytecode umgewandelt werden soll und nach stdout(StandartOut sind die Ausgabeschnittstellen wie Monitor, Drucker etc ...) geschrieben werden soll.
--> und schwupps steht die 1 auf dem Monitor

natürlich hat zwischendurch zig andere Prozesse die CPU benutzt und zig Operationen (die CPU kann nur addieren oder schieben) durchgeführt.

Stell dir folgendes vor.
Du hast ein Betriebssystem auf dem nur der Prozess deiner Textverarbeitung läuft (ja ich weiss praktisch geht das ja nicht)
angenommen du bist ein flinker Tastaturschreiber, dann würde die CPU zwischen jedem Tastendruck in Menschenzeit umgerechnet "rund 100Jahre" schlafen gehn.

Joar die CPUs sind schon ganz flott unterwegs ...

So das war ein Teil,
jetzt fehlt noch wie die CPU mit den Daten arbeitet, wie die FlipFlops funktionieren ...
Aber weisst was, ich hab grade keine Lust mehr,
wenn du aber weiter Interesse hast mach ich dir das auch noch.



CB

 

[TBT]

Erstmal vielen Dank für die umfangreichen Antworten. Werde mich übermorgen zur Prüfung für angewandte Mikroelektronik einschreiben gehen. Nein, Spaß Beiseite.
Auch wenn mir die Literatur und die Antworten hier schon ein großes Stück weitergeholfen haben, ist mir vorallem wegen den Fachbegriffen, noch nicht alles klar.

Vielleicht habe ich auch zum Anfang nicht ganz richtig dargestellt, was ich genau wissen will.
Bleiben wir mal bei meinem Beispiel, und ich versuche mit neuen Kenntnissen es einmal aufzuschreiben (Beispiel: ich tippe eine 1 und sie erscheint auf dem Bildschirm.)

Nach dem ich ersteinmal eine alte Tastatur auseinandergenommen habe und diese mir etwas genauer angeschaut habe, bin ich zu folgendem Schluß gekommen.

--> Ich drücke die Taste "1" und schließe damit einen bestimmten Stromkreis, welcher von einem Bauteil in der Tastatur aufgenommen wird und zum Rechner weitergeleitet wird in Form eines Stromimpulses
-->Dieser Stromimpuls bestehend aus On/Off Informationen kommt auf dem MB an und wird dort zur Weiterverarbeitung an die CPU geschickt. Die Weiterleitung des Stromimpulses erfolgt auf Grund bestimmter Schaltkreise (die ich nicht weiter bezeichnen kann)
--> In der CPU werden Zellen durch den Stromimpuls auf ein höheres Energieniveau gehoben(durch Elektronenanreicherung) wodurch Schaltkreise geschlossen werden oder geöffnet bleiben.
--> An dieser Stelle gerate ich zwar ins Stocken, aber ich denke, dass verschiedene Befehle (durch Eingabe) innerhalb der CPU auch die Möglichkeiten der Millionen von Zellkombinationen, und damit verschiedene Wege für einen zweiten Stromimpuls der aus der CPU rausgeht, bewirken.
--> Der nun zweite Stromimpuls wird in dieser Weise zum Ausgabegerät geschickt, wo die Steuereinheit diese Impulse umsetzt.

Ich hoffe, dass ich mich nun nicht völlig blamiert habe, und es in etwa stimmen könnte. Für Verbesserungen an der Beschreibung wäre ich dankbar.

Wünsche noch einen schönen 2. Advent.

Gruß B!

 

[gotu]

@CharlieB:
Sehr nett erklärt, allerdings hauptsächlich softwareseitig

Dennoch denke ich, dass TBT primär etwas anderes beabsichtigt hat und zwar i.S. des Hardware Engineering. Ich denke, er möchte wissen, wie die Ströme von wo nach wo gelangen und was auslösen. Das ist im Übrigen auch einer der wenigen Punkte, die mich noch reizen, weil ich darauf noch keine 100%ig zufriedenstellende Antwort gefunden habe (ok, auch noch nicht explizit danach gesucht):

Wie werden diese Millionen von Transistoren (v.a. im Prozessor) angeordnet, durchschaltet etc.?

Ich hatte mal aus einem schnellen Gedankenkonstrukt gefolgert, dass bestimmte Transistoren zu Gruppen zusammengefasst werden, diese Gruppen wiederum zu best. Kategorien usw., aber das ist natürlich auch noch lange keine Antwort...


P.S.: Ebenso schönen 2. Advent!

P.P.S.: Der sinnvollste Thread seit langem!


Edit:// Hab mal gerade einige der pdfs und Links hier im Fred angeschaut... die ganze Kiste wie Codierungs-Verfahren für die Ströme, Aufbau und Adressierung von Einheiten im Prozessor, wie Funktion ein Addierwerk etc. ist schön und gut, aber meine Frage finde ich nirgendwo beantwortet. Quasi den ganzen "anderen Mist" musste ich auch schon für die Uni lernen und hab das auch kapiert, aber ich hätt echt mal gerne gewusst, wo welcher Strom langfließt und was macht, also quasi dieselbe Frage wie TBT...

 

[Bookster]

Man kommt nicht darum herum, sich mit den Grundlagen der Datenkommunikation und denGrundlagen der Bildverarbeitung zu befassen, wenn man auch nur im Ansatz verstehen möchte, "was im Computer tatsächlich passiert."


MfG

 

[gotu]

wie bereits erwähnt, von GPRS und UMTS mal abgesehen, hab ich den ganzen Stoff aus deinem Link u.a. (natürlich noch viel mehr, auch andere Gebiete) schon in der Uni durch... meine Frage ist da drin trotzdem net beantwortet...

ich hätte wirklich gerne mal nen link, wo der tatsächliche aufbau und funktionsweise (sprich => transistoren, ströme) in nem einfachen prozessor erklärt ist (und NEIN, ich weiß, wie ein Transistor funktioniert, sowohl in Herstellung als auch Funktionsweise, mir gehts um was anderes, s.o.)

 

[Bookster]

@CharlieB:
Sehr nett erklärt, allerdings hauptsächlich softwareseitig

Dennoch denke ich, dass TBT primär etwas anderes beabsichtigt hat und zwar i.S. des Hardware Engineering. Ich denke, er möchte wissen, wie die Ströme von wo nach wo gelangen und was auslösen. Das ist im Übrigen auch einer der wenigen Punkte, die mich noch reizen, weil ich darauf noch keine 100%ig zufriedenstellende Antwort gefunden habe (ok, auch noch nicht explizit danach gesucht):

Wie werden diese Millionen von Transistoren (v.a. im Prozessor) angeordnet, durchschaltet etc.?

Ich hatte mal aus einem schnellen Gedankenkonstrukt gefolgert, dass bestimmte Transistoren zu Gruppen zusammengefasst werden, diese Gruppen wiederum zu best. Kategorien usw., aber das ist natürlich auch noch lange keine Antwort...


P.S.: Ebenso schönen 2. Advent!

P.P.S.: Der sinnvollste Thread seit langem!


Edit:// Hab mal gerade einige der pdfs und Links hier im Fred angeschaut... die ganze Kiste wie Codierungs-Verfahren für die Ströme, Aufbau und Adressierung von Einheiten im Prozessor, wie Funktion ein Addierwerk etc. ist schön und gut, aber meine Frage finde ich nirgendwo beantwortet. Quasi den ganzen "anderen Mist" musste ich auch schon für die Uni lernen und hab das auch kapiert, aber ich hätt echt mal gerne gewusst, wo welcher Strom langfließt und was macht, also quasi dieselbe Frage wie TBT...

Ich denke, um die Hardwareseite zu verstehen, muss man zuerst die Softwareseite verstehen. Erst dann macht es Sinn, sich zu überlegen, wie das hardwareseitig gelöst ist.
Prozessorarchitektur, Befehlssätze, Speichertechnologie, BIOS etc. stellen ein so kompliziertes Zusammenspiel extrem schneller Prozesse dar, dass es sicher nicht möglich ist, eine Darstellung dieser Vorgänge in einem knappen griffigen Text zusammenzufassen.

Man braucht sich nur vorzustellen, dass das dem Versuch gleichkäme, alle Vorgänge in einer Stadt, von der Gründung, dem Bau, bis zur Gesamtheit aller wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Prozesse und Ereignisse, in einer Broschüre darstellen zu wollen, die vom Volumen her, der Betriebsanleitung für einen Otto-Motor entspricht.

 

[gotu]

Ach Bookster, du hast ja Recht, aber auch das ist wirklich mein Problem

Ich will doch nur ne Antwort / Link auf meine Frage

(Könnte mir bestimmt am besten nen Elektriker hier erklären, z.B. 5-7 )

 

[Bookster]

"Maschinensprache" sagt wohl etwas darüber aus, wie die Transistoren in einem Prozessortyp organisiert sind.
Vielleicht findest du in der Richtung etwas, was deiner Frage näher kommt.

 

[TBT]

Gotu hat schon meine Frage richtig verstanden.

Vielleicht muß man sich in der Computerentwicklung zu den Anfängen begeben, zu den ersten Rechenmaschinen (in Deutschland in den 30igern glaube ich). Hat vielleicht da jemand einen Link, wo die Funktionsweise dieser erklärt wird? Denn die jetzigen Rechner sind ja eigentlich nur eine Vervielfältigung und Miniaturisierung dieser Maschinen -oder?

Gruß B!

 

[kaBOOOM]

Ums kurz zu machen ... !

Frag mal bei irgendeinem 3. Sender nach WDR NDR etc ... Da gabs nämlich vor kurzem ne Sendung mit der Maus / Sachgeschichten von diesem Armin Maiwald die genau das beantwortet was du wissen willst (dort wurde beschrieben wie ein PC heute so "tickt" angefangen beim Bootvorgang)

MfG kaBOOOM

 

[TBT]

sorry, diese Sendung hat mir leider das nicht beantwortet. Ich glaube es wurde da sogar das Internet mal erklärt

 

[kaBOOOM]

das warn zwei unterschiedliche Sendungen ... eine übers I-Net und die andere über Funktion des PCs (was passiert wenn ich die Taste A auf der Tastatur drücke ...)

 

[TBT]

und da wurde der Verlauf des Stromes und die Schaltungen von der Tastatur zum Display erklärt? Denke eher nicht, wenn doch, dann fasse es mir doch bitte kurz zusammen. Würd mich freuen das endlich zu verstehen.

 

[Kabby]

zb, wie funzt das mit den treibern?

wozu nen chipsatz etc.

ihr habt nicht die frage verstanden die gestellt wurde.

einfach mal den 1. post durchlesen vomthreadsteller

 

[gotu]

@Kabby:
Deins geht aber auch schon weiter...

 

[KamelKoKo]

hi TBT, ich habe genau nach solchen Antworten gesucht, als wir in Informatik die funktionsweise eines Pc`s durchgenommen haben und wurde auch nur teilweise beantwortet...
Am einfachsten ist es, wenn man eine Programmiersprache wie Delphi oder Turbo Pascal etwas kann und dann sich damit beschäftigt. Dort werden die Grundstrukturen und Probleme eines jeden Computers, egal ob 1Mhz oder 4 ghz usw deutlich.
Ansonsten sollten Dir ein Begriff wie:
Von-Neumann-Architektur weiterhelfen

Hier nochn Pic, weiß nicht ob du sowas suchst..
Gruß

 

[TBT]

In den Links von Pascal wird häufiger von der Von-Neumann-Architektur gesprochen, nur wirklich weiter hilft mir das auch nicht. Mit Programiersprachen durfte ich mich mehrere Jahre lang in der Schule beschäftigen, jedoch drangen wir nie wirklich in die Computerarchitektur vor. Es war eher ein logisches hin und Her ....wie Mathematik. Die angehängte Grafik kannte ich bereits, dennoch vielen Dank.

Mir ist eingefallen, daß ich einemal auf der AAA (Automobile Avus Attrakionen sowas wie die IAA) in einem Simulator saß. Dort war man ein Benzintropfen auf dem Weg durch den Motor. Jede einzelne Station wurde "durchflogen" bis man durch den Auspuff wieder ins Freie kam. So etwas suche ich eigentlich für den Weg von der Tastatur zum Bildschirm. Greifbar, plastisch halt nicht theoretisch sondern praktisch.

Gruß B!

 

[TBT]

--> Wer auch immer den Beitrag hierher verschoben hat: Hier passt der genausowenig rein! Ist doch kein Off-Topic, sondern eindeutig eine Diskussion über Hardware und deren Funktionsweise. Nur weil es nicht um eine konkrete HW geht?

Gruß B!

 

[TBT]

hier hat keiner mehr eine Idee, oder eine Ahnung von der Thematik?

Fröhlichen 3. Advent

Gruß B!

 

[TBT]

und ich sach noch, daß ich hier keine Antworten bekomme.....

*malhochpush*

 

[Bookster]

Das ist aber auch schwer. Die Softwaremodule wie Treiber etc. funktionieren ja praktisch wie ein virtuelles Hardwaregerät, dass im Arbeitsspeicher aufgebaut wird.
Das heißt: Je nachdem welche Anwendungen und Programme laufen, gibt es völlig unterschiedliche Signalverläufe.
Wenn man die Speicherverwaltung und die Bussysteme eines Rechners verstanden hat, bleibt noch die Frage der Harwaretechnischen Realisierung.
Aber um das zu verstehen, muss man bestimmt Datenverarbeitungsingenieur oder sowas studiert haben.