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	Theorie

	Computertechnik

	Der Computer
	.. Einführung

	Ein Computer besteht aus einer CPU (dem Prozessor), Speichern und einigen Schnittstellenbausteinen. Weiterhin benötigt er einen Taktgenerator, eine Resetschaltung und eine Spannungsversorgung. Alle darüber hinausgehenden Baugruppen wie Tastatur, Massenspeicher, Zeigegerät (z.B.Maus), Monitor, usw. machen aus dem Computer ein Computersystem. Ein solches System besteht also aus dem Computer und peripheren Schaltungen.


	Die CPU Die Central Prozessing Unit (Zentraleinheit) wird heutzutage normalerweise aus einem hoch integrierten Baustein, dem Prozessor gebildet. Er ist Kern und Bezug der Computerschaltung. Funktionsabläufe im Computer beziehen sich immer auf ihn. Sollen beispielsweise Daten gelesen werden, so meint das, die CPU will Daten lesen. Entsprechend müssen an einem angeschlossenen Speicher die Signale so gesetzt werden, dass dieser Daten schreibt.



	Taktgenerator Direkt mit der CPU verknüpft ist der Taktgenerator. Er übermittelt der CPU digitale (rechteckige) Spannungsimpulse. Durch jedes Taktsignal wird die CPU zu einem neuen Arbeitsschritt angeregt. Je schneller diese Taktsignale aufeinander folgen, desto schneller arbeitet also die CPU. Dies darf nicht zu dem Fehlschluss führen, dass CPUs mit hoher Taktrate auch immer die schnellsten CPUs sind, derweil die Geschwindigkeit einer CPU auch von ihrer internen Effektivität abhängt. So ist eine CPU, die pro Taktschlag einen Maschinenbefehl abarbeitet schneller, als eine zweite CPU, die mit doppelter Frequenz getaktet wird, aber drei Taktzyklen pro Maschinenbefehl benötigt. Oben im Bild wurde nur der Schwingquarz eingezeichnet der den Taktgenerator im CPU-Chip mit dem Frequenzsignal versorgt. Spannungsversorgung Es ist unmittelbar einsichtig, dass ein elektrisches Gerät eine Spannungsversorgung benötigt. Weniger bekannt ist, dass die Spannung nach dem Einschalten nicht sofort ihren Nennwert erreicht. Bei jedem Netzgerät dauert es eine kurze Zeit, bis es eingeschwungen ist und seine angegebenen Nennwerte erreicht hat. Gleiches gilt auch für den zuvor angesprochenen Taktgenerator. Die genaue Einhaltung beider Grössen ist aber elementar wichtig, für die sichere Funktionsweise der CPU. So muss sie mit dem Beginn ihrer Arbeit warten, bis Spannung und Takt sicher vorhanden sind. Dies gewährleistet die Resetschaltung. Reset Eine CPU beginnt nicht sofort nach dem Einschalten der Spannungsversorgung mit ihrer Arbeit. Erst, wenn die nach aussen geführte Reset-Signalleitung von z.B. Low-Voltage (L oder 0) auf High-Voltage (H oder 1) steigt, legt sie los. Um dieses Signal zu bedienen, gibt es in der Umgebung der CPU eine Schaltung, die Resetschaltung genannt wird. Sie beobachtet die Spannung des Netzteils sowie den Taktgenerator, und erst wenn beide ihre Nennwerte erreicht haben, gibt diese Schaltung die CPU zur Arbeit frei. Diese Leitung kann normalerweise auch über einen Taster auf Low-Voltage gezogen werden. Er wirkt, anders als die Resetmöglichkeiten über die Tastatur, unmittelbar auf die CPU ein. Oben im Bild wurde eine sehr einfache Resetschaltung angegeben. Diese hält die Resetleitung zunächst auf dem Low-Voltage Pegel, um mit dem Aufladen des Kondensators nach wenigen Millisekunden den High-Voltage Pegel zu erreichen.


	Die Speicher Jeder Computer verfügt über ROM und RAM-Speicher. ROM (Read Only Memory) kann die CPU nur lesen. Sollten Schreibvorgänge durch die CPU auf spezielle ROM-Typen möglich sein, so sind diese so extrem zeitaufwendig, dass im Normalbetrieb des Computers hiervon nur selten Gebrauch gemacht wird. Der Vorteil der ROM-Speicher liegt in dem Umstand, dass sie die Inhalte ihrer Speicherzellen auch dann nicht verlieren, wenn die Spannungsversorgung des Computers ausgeschaltet ist. Nach dem Einschalten der Stromversorgung liegen sie also wieder vor. Im einem ROM wird die CPU nach dem Einschalten ihr Startprogramm finden, das bei PCs oft als BIOS (Basic Input Output System-Programm) bezeichnet wird. RAM (Random Access Memory) kann die CPU lesen und beschreiben. Sie sind bei beiden Vorgängen etwa gleich schnell und beim Lesen schneller als ROM-Speicher. Ihr Nachteil ist, dass sie beim Abschalten der Spannungsversorgung, die Inhalte ihrer Speicherzellen verlieren. So dass diese nach dem erneuten Einschalten der Stromversorgung nicht mehr vorhanden sind. In diesem Speicher wird die CPU wechselnde Benutzerprogramme abarbeiten und deren Daten aufheben, bis sie auf einem Massenspeicherlaufwerk gesichert werden können.
	Stichwort Speicherbausteine


	Verbindungsleitungen zwischen CPU und Speicher Wie in der Elektrotechnik üblich, werden Kupferleitungen zwischen den Bauelementen benutzt .. Datenbus .. je nach CPU-Ausbau können dies 4, 8, 16, 32, 64 und mehr Leitungen sein, auf denen CPU und Speicher die zu lesenden oder zu schreibenden Daten austauschen. Da viele zusammengehörig gedachte Leitungen als Bus bezeichnet werden, und man bei allen Inhalten von Speichern von deren Daten spricht, nennt man diese Leitungen einen Datenbus. Da auf ihm Datenströme von der CPU zum Speicher und vom Speicher zur CPU fliessen können sagt man zudem, dieser Bus sei bidirektional (Zweirichtungsbetrieb). Adressbus Derweil die CPU zu einem Taktmoment mit nur jeweils einer Speicherzelle arbeiten kann, sich ein Programm aber über viele Speicherzellen hinzieht, gibt es in Computern ein zweites Leitungssystem. Über dieses ist es der CPU möglich, von den vorhandenen Speicherzellen eine einzige auszusuchen. Dieses Leitungssystem wird Adressbus genannt. Soll eine CPU mit 1MByte = 1.048.576 Speichern arbeiten, so sind 20 Leitungen für diesen Bus notwendig. Bei 2 MByte Speicherausbau kommt eine weitere Leitung hinzu, bei 4MByte eine zweite usw.. Da die Signale auf diesem Bus grundsätzlich von der CPU ausgegeben werden, also nur in einer Richtung fliessen, sagt man dieser Bus wäre ein unidirektionaler Bus. (Einrichtungsbetrieb) Steuerbus Weitere Leitungen, welche die CPU zum Schalten bestimmter Vorgänge benötigt, sind unter dem Begriff Steuerbus zusammengefasst. Ein Beispiel für derartige Vorgänge ist das Lese-Schreibsignal der CPU. Mit ihm kann sie bestimmen, dass der Speicher zum Lesen seine Ausgänge an den Datenbus legt, und zum Schreiben seine Eingänge. Von diesem Bus wird später noch mehr zu berichten sein.


	Schnittstellenbausteine Neben den Speichern sind am Adress- und Datenbus auch Schnittstellen- oder Interfacebausteine angeschlossen. Diese können elektrische Signale des Computers, unter der Kontrolle der CPU, zur weiteren Verwendung nach aussen bereitstellen. Tore (Ports) Die einfachste Variante der Schnittstellenbausteine stellen digitale Tore dar, die auch Ports genannt werden. Bei ihnen handelt es sich im Prinzip um Speicherbausteine, deren Inhalt von der CPU gesetzt wird. Die Ausgänge der Speicher sind jedoch über Pins aus dem Speicherbaustein herausgezogen worden. Schliesst man an diese Ausgänge beispielsweise Leuchtdioden oder Relais an, so folgen diese der Spannungen, welche die CPU zum Setzen oder Löschen der einzelnen Flip-Flops (Bits) benutzt hat. Den beschriebenen Speicher würde man als Ausgangstor bezeichnen. Das eben geschilderte Prinzip lässt sich zu einem Eingangstor umkehren. Schliesst man an die Speichereingänge Schalter an, und kann die CPU die Ausgänge dieses Speichers lesen, so erhält sie einen Eindruck der Schalterstellungen. Es sei daran erinnert, dass die typischerweise mit 0 oder 1 angegebenen Speicherinhalte, ja abkürzende Schreibweisen für hohe oder niedrige Spannungen eines Digitalsystems darstellen. Bei einer Versorgungsspannung von 5V, entspricht die 0 -> 0V und die 1 -> 5V.

	Weiter Schnittstellenbausteine und Schaltungen Neben den oben geschilderten Toren gibt es weitere Schnittstellenbausteine. Am bekanntesten sind die parallel- zu seriell Wandler, zu denen die seriellen Schnittstellen COM- oder die USB-Ports zählen. Ihre Gegenstücke sind die seriell zu parallel Wandler. Schnittstellen, die digitale Signale zu analogen Spannungen ändern nennt man DA-Wandler und solche die analoge Spannungen zurück in digitale Spannungspegel wandeln, AD-Wandler. Weitere Schnittstellenschaltungen, Interfaces oder Anpasserschaltungen stellen die Controllerkarten für die diversen peripheren Geräte wie Festplatte, Tastatur Monitor usw. dar. Damit diese Schaltungen dem Wirken der CPU nahe gebracht werden können, verfügt jeder Computer über Steckerleisten die als Slots bezeichnet werden und in die man die Schnittstellenschaltungen einstecken kann. Sie erhalten hier die diversen CPU-Signale, von denen weiter oben bereits die Rede war. Deren Zusammenfassung bezeichnet man wieder als Bus. So dass je nach den vorhandenen Signalen von EISA-, PCI-, IDE-.. usw. Bus gesprochen wird

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