Modul Hardware: Vom Programm zur Hardware

In diesem Modul lernen Sie, wie ein Computer im Innern organisiert ist. Sie betrachten Hardware nicht als Sammlung einzelner Bauteile, sondern als zusammenhängendes System: Daten werden eingegeben, im Speicher bereitgehalten, vom Prozessor verarbeitet, über Datenwege transportiert und über Ausgabegeräte sichtbar oder hörbar gemacht.

Ein Computer ist ein programmierbares System zur Verarbeitung von Daten. Das bedeutet, dass seine Hardware nicht nur eine einzige fest eingebaute Aufgabe erfüllt. Sie kann unterschiedliche Programme ausführen und dadurch sehr verschiedene Tätigkeiten übernehmen. Ein Laptop kann eine Webseite anzeigen, ein Smartphone kann ein Foto bearbeiten, eine Spielkonsole kann eine 3D-Szene berechnen, und ein Navigationsgerät kann eine Route bestimmen. In allen Fällen verarbeitet Hardware Daten nach gespeicherten Anweisungen.

Nach diesem Modul können Sie ein einfaches Blockschaltbild eines Computers zeichnen, die wichtigsten Komponenten benennen und deren Aufgabe erklären. Sie können beschreiben, weshalb Programme und Daten im Arbeitsspeicher liegen, wie die CPU Befehle verarbeitet und weshalb die Geschwindigkeit eines Computers nicht nur von der Taktfrequenz abhängt. Sie können ausserdem einfache Rechnungen zu Taktfrequenz, Datenmengen, Datenraten und Schnittstellen durchführen.

Ein Computer lässt sich zuerst sehr einfach beschreiben. Daten gelangen in das Gerät hinein, werden verarbeitet, können gespeichert werden und verlassen das Gerät wieder als Ergebnis. Eingabegeräte liefern Daten an den Computer. Das können Tastatur, Maus, Touchscreen, Mikrofon, Kamera, Sensoren oder Netzwerkverbindungen sein. Ausgabegeräte machen Ergebnisse nutzbar. Dazu gehören Bildschirm, Lautsprecher, Drucker, Vibrationsmotor oder ebenfalls Netzwerkverbindungen.

In der Mitte steht die Verarbeitung. Diese Aufgabe übernimmt vor allem die CPU. Für Bilddaten ist zusätzlich die GPU wichtig. Damit die Verarbeitung möglich ist, müssen Programme und Daten schnell verfügbar sein. Dafür gibt es den Arbeitsspeicher, also RAM. Daten, die dauerhaft erhalten bleiben sollen, liegen dagegen auf einem Massenspeicher wie SSD oder HDD.

Bei klassischen Desktop-PCs sind viele Komponenten als getrennte Bauteile sichtbar. Bei Laptops sind sie kompakter eingebaut. Bei Smartphones und Tablets sind viele Funktionen in sehr wenigen Chips zusammengefasst. Die Grundidee bleibt aber gleich: Daten werden aufgenommen, verarbeitet, gespeichert und ausgegeben.

Wählen Sie ein Gerät aus, zum Beispiel Laptop, Smartphone, Tablet, Spielkonsole oder Desktop-PC. Zeichnen Sie auf Papier eine Systemkarte. Es geht nicht um eine realistische Zeichnung des Gehäuses, sondern um die Rollen der Komponenten.

Verwenden Sie folgende Legende:

Tragen Sie mindestens acht Elemente ein. Beschriften Sie jedes Element mit maximal vier Wörtern.

Ein Computer funktioniert nicht so, dass jedes Programm direkt mit jeder Hardwarekomponente spricht. Das wäre unpraktisch, fehleranfällig und kaum wartbar. Stattdessen ist ein Computersystem in Schichten organisiert.

Die unterste Schicht ist die Hardware. Sie besteht aus den physischen Bauteilen wie CPU, RAM, SSD, Mainboard, Bildschirm, Tastatur, Netzteil, Lüfter und Schnittstellen. Darüber liegen Firmware und Treiber. Firmware ist besonders nahe an der Hardware und wird zum Beispiel beim Starten eines Computers aktiv. Treiber übersetzen allgemeine Aufträge des Betriebssystems in Befehle, die ein bestimmtes Gerät versteht.

Das Betriebssystem verwaltet die wichtigsten Ressourcen. Es teilt Prozessorzeit zu, organisiert Arbeitsspeicher, verwaltet Dateien, kontrolliert Zugriffsrechte und stellt Programmen einheitliche Schnittstellen bereit. Anwendungen wie Browser, Textverarbeitung, Lernsoftware oder Spiele nutzen diese Dienste. Sie müssen nicht selbst wissen, wie eine bestimmte SSD intern Daten speichert oder wie ein Drucker einzelne Punkte aufs Papier setzt.

Ordnen Sie die Begriffe der passenden Schicht zu. Setzen Sie ein Kreuz.

Der folgende Text enthält fachliche Fehler. Schreiben Sie darunter eine korrigierte Version in fünf bis sieben Sätzen.

Viele Computer lassen sich mit der Von-Neumann-Idee erklären. Dabei liegen Programme und Daten im selben Arbeitsspeicher. Ein Programm ist aus Sicht der Hardware ebenfalls eine Folge von Daten. Diese Daten werden aber als Befehle interpretiert. Die CPU holt solche Befehle aus dem Speicher, verarbeitet sie und schreibt Ergebnisse zurück.

Der Arbeitsspeicher ist deshalb ein zentraler Ort. Er enthält nicht nur Texte, Bilder oder Webseiteninhalte, sondern auch die aktuell benötigten Teile von Programmen. Die CPU greift ständig darauf zu. Weil diese Verbindung sehr wichtig ist, sind CPU und RAM in modernen Geräten besonders eng miteinander verbunden.

In älteren Desktop-PCs wurden Datenwege oft über mehrere Steuerchips organisiert. Besonders schnelle Verbindungen waren für RAM und Grafik vorgesehen, weniger zeitkritische Verbindungen für Anschlüsse, Audio, Netzwerk oder Massenspeicher. In neueren Computern sind viele dieser Steuerfunktionen näher an die CPU gerückt. Bei Smartphones und Tablets sind CPU-Kerne, GPU-Kerne, Speichercontroller und viele weitere Funktionen häufig in einem einzigen hochintegrierten Chip zusammengefasst. Einen solchen Chip nennt man System on a Chip, kurz SoC.

Diese Entwicklung spart Platz und Energie. Die Datenwege werden kürzer, was die Übertragung beschleunigen kann. Gleichzeitig werden Geräte schwieriger zu reparieren oder aufzurüsten, weil viele Funktionen nicht mehr als einzelne austauschbare Bauteile vorliegen.

Füllen Sie die Tabelle aus. Verwenden Sie kurze, aber vollständige Aussagen.

Die CPU ist die zentrale Verarbeitungseinheit eines Computers. Sie führt Programmbefehle aus, liest Daten, verändert Werte, vergleicht Ergebnisse und steuert Abläufe. Eine CPU denkt nicht wie ein Mensch. Sie arbeitet mit sehr kleinen, eindeutig definierten Schritten. Ihre Stärke liegt darin, dass sie diese Schritte extrem schnell ausführen kann.

Vereinfacht besteht die CPU aus Steuerwerk, Rechenwerk und Registern. Das Steuerwerk organisiert den Ablauf. Es sorgt dafür, dass Befehle geholt und richtig interpretiert werden. Das Rechenwerk, auch ALU genannt, führt Berechnungen und logische Vergleiche aus. Register sind sehr kleine, sehr schnelle Speicherstellen direkt in der CPU. Dort liegen aktuelle Befehle, Zwischenergebnisse oder Adressen.

Moderne CPUs besitzen mehrere Kerne. Ein Kern kann Befehle ausführen. Mehrere Kerne erlauben es, verschiedene Aufgaben besser parallel zu bearbeiten. Zusätzlich gibt es Caches, also sehr schnelle Zwischenspeicher in der Nähe der CPU. Sie verhindern, dass der Prozessor ständig auf langsamere Speicher warten muss.

Damit ein Programm ausgeführt werden kann, arbeitet der Prozessor immer wieder denselben Grundablauf ab. Dieser Ablauf heisst Fetch-Decode-Execute-Zyklus. Auf Deutsch könnte man sagen: holen, verstehen, ausführen.

Ein Programm besteht aus vielen kleinen Befehlen. Der Prozessor führt nicht das ganze Programm auf einmal aus, sondern immer einen Befehl nach dem anderen. Man kann sich das wie ein Kochrezept vorstellen. Auch dort wird nicht das ganze Rezept gleichzeitig erledigt. Man liest zuerst den nächsten Schritt, versteht, was zu tun ist, führt diesen Schritt aus und geht danach zum nächsten Schritt weiter.

Ein sehr einfaches Beispiel wäre ein Mini-Programm, das die Rechnung 7 + 5 ausführen und das Ergebnis speichern soll. In Wirklichkeit sehen Maschinenbefehle für den Prozessor anders aus und bestehen aus Nullen und Einsen. Für das Verständnis verwenden wir hier aber lesbare Pseudobefehle.

Der RAM ist hier wie ein Regal mit nummerierten Fächern. Jedes Fach hat eine Adresse. In unserem Beispiel liegen die Befehle an den Adressen 100, 101 und 102. An der Adresse 200 soll später das Resultat gespeichert werden. Die CPU muss nun wissen, bei welcher Adresse der nächste Befehl steht. Dafür gibt es in der CPU einen kleinen internen Speicher, den man Befehlszähler nennt. Dieser Befehlszähler zeigt zuerst auf die Adresse 100.

Im ersten Durchlauf zeigt der Befehlszähler auf Adresse 100. Im Fetch-Schritt holt die CPU den Befehl LADE 7 aus dem RAM. Im Decode-Schritt erkennt das Steuerwerk, dass die Zahl 7 in einen internen Zwischenspeicher der CPU geladen werden soll. Im Execute-Schritt wird genau das gemacht: Die CPU merkt sich die Zahl 7 in einem Register. Danach zeigt der Befehlszähler auf die nächste Adresse, also auf Adresse 101.

Im zweiten Durchlauf holt die CPU den Befehl ADDIERE 5 aus dem RAM. Das Steuerwerk erkennt, dass zur bereits gespeicherten Zahl 7 nun die Zahl 5 addiert werden soll. Die ALU, also das Rechenwerk der CPU, führt die Rechnung aus. Aus 7 + 5 wird 12. Dieses Zwischenergebnis bleibt wieder in einem Register der CPU gespeichert.

Im dritten Durchlauf holt die CPU den Befehl SPEICHERE Ergebnis aus dem RAM. Das Steuerwerk erkennt, dass das aktuelle Ergebnis nicht nur im Register bleiben soll, sondern in den RAM geschrieben werden muss. Deshalb wird die Zahl 12 an die Speicheradresse 200 geschrieben. Dort steht nun das Ergebnis der Rechnung.

Dieser Zyklus läuft nicht nur dreimal, sondern während eines laufenden Programms ständig. Bei jedem Befehl wiederholt sich derselbe Grundablauf. Der Prozessor holt einen Befehl, versteht ihn, führt ihn aus und geht danach zum nächsten Befehl weiter.

Die Taktfrequenz eines Prozessors gibt an, wie schnell solche Arbeitsschritte grundsätzlich ablaufen können. Eine Frequenz von 3 GHz bedeutet vereinfacht, dass der Prozessor bis zu drei Milliarden Takte pro Sekunde ausführen kann. Moderne Prozessoren sind technisch viel komplizierter als dieses Modell. Sie können Befehle vorbereiten, parallel bearbeiten und intern stark optimieren. Für das Grundverständnis reicht aber die wichtigste Idee: Ein Computer arbeitet sehr viele kleine Befehle extrem schnell nacheinander ab.

Die Taktfrequenz gibt an, wie viele Takte pro Sekunde möglich sind. Die Einheit Hertz bedeutet „pro Sekunde“. Ein Gigahertz sind eine Milliarde Hertz.

Wenn ein stark vereinfachter Prozessor pro Takt genau eine Operation ausführen könnte, würde ein Kern mit 3 GHz theoretisch 3 Milliarden Operationen pro Sekunde schaffen. Ein echter Prozessor ist komplexer. Manche Befehle benötigen mehr als einen Takt, andere Abläufe werden parallel vorbereitet oder gleichzeitig bearbeitet. Die Rechnung zeigt also eine Grössenordnung, aber keine exakte Leistung.

Wenn ein Prozessor 4 Kerne besitzt und jeder Kern stark vereinfacht mit 3 GHz arbeitet, kann man als grobe Überschlagsrechnung schreiben:

 4 Kerne · 3'000'000'000 Takte pro Sekunde = 12'000'000'000 Takte pro Sekunde 

Das bedeutet nicht automatisch, dass jedes Programm zwölf Milliarden nützliche Schritte pro Sekunde erledigt. Ein Programm muss mehrere Kerne überhaupt sinnvoll nutzen können. Trotzdem hilft die Rechnung, die Grössenordnung moderner Prozessoren zu verstehen.

Spielen Sie das Programm von Hand durch. Tragen Sie nach jedem Schritt ein, welcher Wert im Register steht.

Rechnen Sie mit der vereinfachten Annahme, dass ein Kern pro Takt eine einfache Operation schafft.

Ein Computer kann nur so schnell arbeiten, wie Daten rechtzeitig ankommen. Eine starke CPU nützt wenig, wenn sie dauernd auf Daten warten muss. Deshalb sind die Verbindungen zwischen den Komponenten wichtig. Solche Datenwege nennt man oft Busse oder Schnittstellen. Sie transportieren Daten, Adressen und Steuersignale.

In einem Blockschaltbild kann die Dicke einer Linie zeigen, wie gross die Datenmenge ist, die dort typischerweise fliesst. Zwischen CPU und RAM braucht es sehr schnelle Verbindungen, weil die CPU laufend Befehle und Daten aus dem RAM holt. Auch zwischen GPU und Videospeicher oder Bildschirm können grosse Datenmengen anfallen. Bei Tastatur oder Maus sind die Datenmengen sehr klein. Dort ist nicht die Datenrate entscheidend, sondern Zuverlässigkeit und geringe Verzögerung.

Eine Datenrate beschreibt, wie viele Daten pro Sekunde übertragen werden können. Häufig werden Datenraten in Bit pro Sekunde angegeben, zum Beispiel Mbit/s oder Gbit/s. Speichergrössen werden dagegen oft in Byte angegeben, zum Beispiel MB oder GB. Für Rechnungen ist wichtig:

Wenn eine Verbindung 1 Gbit/s übertragen kann, entspricht das theoretisch 125 MB/s, weil 1 Gigabit ungefähr 1000 Megabit sind und 1000 Mbit durch 8 ungefähr 125 MB ergeben. In der Praxis ist die nutzbare Datenrate oft geringer, weil Verwaltungsdaten, Protokolle, Funkstörungen oder andere Faktoren dazukommen.

Eine Datei ist 2 GB gross. Eine Verbindung schafft 1 Gbit/s. Für eine Überschlagsrechnung gilt:

 1 Gbit/s = 1000 Mbit/s 1000 Mbit/s : 8 = 125 MB/s 2 GB = 2000 MB 2000 MB : 125 MB/s = 16 s 

Die Übertragung dauert theoretisch etwa 16 Sekunden. In Wirklichkeit kann es länger dauern, weil die angegebene Datenrate meist ein Maximalwert ist.

Rechnen Sie mit vereinfachten Einheiten. Verwenden Sie 1 GB = 1000 MB und 8 Bit = 1 Byte.

Ein Video wird aus dem Internet abgespielt. Der Weg sieht vereinfacht so aus:

 Internetserver → Internetleitung → WLAN → Router → Laptop → RAM → CPU/GPU → Bildschirm 

Bewerten Sie die möglichen Ursachen.

Ein Computer verwendet mehrere Speicherarten, weil nicht jeder Speicher dieselbe Aufgabe erfüllt. Register und Cache befinden sich sehr nahe an der CPU. Sie sind extrem schnell, aber klein. Der RAM ist der Arbeitsspeicher für laufende Programme und aktuelle Daten. Er ist schnell, verliert seinen Inhalt aber beim Ausschalten. SSD und HDD sind Massenspeicher. Sie speichern Daten dauerhaft, sind aber langsamer als RAM.

Wenn ein Programm gestartet wird, liegt es zunächst auf dem Massenspeicher. Das Betriebssystem lädt die benötigten Teile in den RAM. Erst dort kann die CPU schnell damit arbeiten. Wird der RAM knapp, muss das Betriebssystem Daten auslagern. Dann fühlt sich ein Computer oft langsam an, weil dauernd zwischen schnellem RAM und langsamerem Massenspeicher gewechselt werden muss.

Eine SSD speichert Daten elektronisch in Speicherchips. Sie ist schnell, leise und unempfindlich gegen Erschütterungen. Eine HDD speichert Daten magnetisch auf rotierenden Scheiben. Sie ist mechanisch, langsamer und empfindlicher, kann aber grosse Datenmengen günstig speichern.

Eine Bilddatei ist 5 MB gross. Ein Laptop besitzt 16 GB RAM und eine 512-GB-SSD. Wir rechnen vereinfacht mit 1 GB = 1000 MB.

 16 GB RAM = 16'000 MB 16'000 MB : 5 MB = 3'200 Bilder

512 GB SSD = 512'000 MB
512'000 MB : 5 MB = 102'400 Bilder

Die Rechnung zeigt nur eine theoretische Grössenordnung. In Wirklichkeit braucht das Betriebssystem ebenfalls Speicherplatz, und RAM ist nicht als Fotoarchiv gedacht.

Füllen Sie die Tabelle aus.

Rechnen Sie mit folgenden vereinfachten Grössen:

Das Mainboard ist die zentrale Platine eines Computers. Es verbindet CPU, RAM, Massenspeicher, Grafikkarte, Stromversorgung und Anschlüsse. Auf einem Desktop-Mainboard findet man oft CPU-Sockel, RAM-Steckplätze, M.2-Steckplätze, PCIe-Steckplätze, Stromanschlüsse und externe Anschlüsse. Bei Laptops und Smartphones sind viele Komponenten kompakter eingebaut oder fest verlötet.

Schnittstellen verbinden den Computer mit anderen Geräten oder mit internen Komponenten. Eine Schnittstelle ist mehr als ein Stecker. Damit Daten übertragen werden können, müssen die mechanische Verbindung, die elektrischen Signale, das Übertragungsprotokoll, die Geschwindigkeit und die Softwareunterstützung zusammenpassen.

USB wird für viele Geräte verwendet, zum Beispiel Tastaturen, Mäuse, USB-Sticks, Smartphones, Kameras oder Dockingstations. HDMI und DisplayPort übertragen Bild- und Tonsignale an Bildschirme oder Beamer. Ethernet verbindet Geräte per Kabel mit einem Netzwerk. WLAN und Bluetooth arbeiten drahtlos. Interne Schnittstellen wie PCIe, M.2 oder SATA verbinden Bauteile innerhalb des Geräts.

Ein vereinfachtes unkomprimiertes Bildsignal lässt sich grob abschätzen. Ein Full-HD-Bild hat 1920 · 1080 Pixel. Bei 60 Bildern pro Sekunde und 24 Bit Farbtiefe pro Pixel ergibt sich:

 1920 · 1080 = 2'073'600 Pixel pro Bild 2'073'600 · 60 = 124'416'000 Pixel pro Sekunde 124'416'000 · 24 Bit = 2'985'984'000 Bit pro Sekunde ≈ 3 Gbit/s 

Das ist eine vereinfachte Rechnung ohne technische Zusatzdaten. Sie zeigt aber, weshalb Bildschirmschnittstellen hohe Datenraten benötigen. Bei höherer Auflösung, mehr Bildern pro Sekunde oder grösserer Farbtiefe steigt die nötige Datenrate deutlich.

Wählen Sie für jede Situation eine passende Schnittstelle und begründen Sie kurz.

Lesen Sie die Situation und füllen Sie die Tabelle aus.

Ein Bildschirm besteht aus vielen Pixeln. Für jedes Bild muss bestimmt werden, welche Farbe jeder Pixel anzeigen soll. Bei Full HD sind das über zwei Millionen Pixel pro Bild. Bei 60 Bildern pro Sekunde müssen pro Sekunde über 120 Millionen Pixelwerte verarbeitet und dargestellt werden. Die GPU ist für solche Aufgaben besonders geeignet, weil sie sehr viele ähnliche Rechenschritte parallel ausführen kann.

Die GPU kann in die CPU integriert sein oder als eigene Grafikkarte eingebaut werden. Eine separate Grafikkarte besitzt häufig eigenen Videospeicher, eigene Stromversorgung und eigene Kühlung. Für einfache Büroarbeit reicht oft eine integrierte Grafikeinheit. Für Spiele, 3D-Grafik, Videoschnitt oder bestimmte KI-Anwendungen kann eine starke GPU entscheidend sein.

Hardware benötigt elektrische Energie. In einem Desktop-PC liefert das Netzteil passende Spannungen für die Bauteile. In mobilen Geräten übernimmt ein Akku die Energieversorgung. Wo Energie verarbeitet wird, entsteht Wärme. CPU und GPU können besonders warm werden. Kühlkörper und Lüfter führen diese Wärme ab. Wenn ein Chip zu heiss wird, senkt das System die Leistung, um Schäden zu vermeiden. Dadurch kann ein Gerät nach einiger Zeit langsamer werden, obwohl es zu Beginn schnell war.

Ein Full-HD-Bildschirm hat 1920 · 1080 Pixel und zeigt 60 Bilder pro Sekunde.

 1920 · 1080 = 2'073'600 Pixel pro Bild 2'073'600 · 60 = 124'416'000 Pixel pro Sekunde 

Ein 4K-Bildschirm hat 3840 · 2160 Pixel.

 3840 · 2160 = 8'294'400 Pixel pro Bild 8'294'400 · 60 = 497'664'000 Pixel pro Sekunde 

Ein 4K-Bildschirm bei 60 Hz benötigt also ungefähr viermal so viele Pixel pro Sekunde wie Full HD bei 60 Hz.

Rechnen Sie mit den Angaben in der Tabelle.

Lesen Sie die Beobachtungen und bestimmen Sie eine mögliche Ursache.

Zum Abschluss wenden Sie die Begriffe auf ein eigenes Gerät und auf eine Hardwarekomponente an. Dabei geht es nicht darum, möglichst viele technische Daten abzuschreiben. Entscheidend ist, dass Sie die Angaben verstehen und in das Gesamtsystem einordnen können.

Bei Windows helfen Einstellungen, Task-Manager, Systeminformationen und Geräte-Manager. Bei macOS helfen „Über diesen Mac“ und der Systembericht. Bei Linux können Systemeinstellungen oder Befehle wie lscpu, free -h, lsblk oder lspci nützlich sein. Bei Smartphones findet man viele Angaben in den Einstellungen oder auf der Herstellerseite.

Füllen Sie die Tabelle zu Ihrem persönlichen Gerät aus.

In Gruppen von drei bis vier Personen erstellen Sie ein Poster zu einer Hardwarekomponente. Das Poster soll die Funktion und den Aufbau der Komponente erklären und zeigen, wie sie mit anderen Teilen des Computers zusammenarbeitet. Auf jedes Poster gehören eine eigene Skizze und mindestens eine zusätzliche Grafik. Die Arbeitszeit beträgt 30 Minuten. Die Kurzpräsentation dauert maximal 120 Sekunden.

Füllen Sie die Planung aus, bevor Sie das Poster gestalten.

Hardware ist die physische Grundlage eines Computers. Sie verarbeitet Daten, speichert Informationen, transportiert Signale und macht Ergebnisse sichtbar oder hörbar. Erst durch Programme, Betriebssystem, Treiber und Firmware wird diese Hardware flexibel nutzbar.

Die Von-Neumann-Idee erklärt, warum Programme und Daten im selben Arbeitsspeicher liegen können. Die CPU verarbeitet Befehle Schritt für Schritt im Fetch-Decode-Execute-Zyklus. Geschwindigkeit entsteht nicht nur durch eine hohe Taktfrequenz, sondern durch das Zusammenspiel von CPU, RAM, Massenspeicher, Datenwegen, Schnittstellen, GPU, Kühlung und Software. Ein Computer ist deshalb immer als System zu verstehen.