Taktgenerator

Computer funktionieren wie nach musikalischen Partituren. Sie arbeiten immer nach einem Takt. Der Arbeitsrythmus in dem die elektrischen Signale verarbeitet nennt sich Takt, genauso wie das Metronom den Takt fűr Musikern vorgibt, die Instrumente spielen. Das Metronom im Inneren des Computers nennt sich Taktgenerator. Der Taktgenerator gibt die unvorstellbar hohe Taktfrequenz vor. Das kann bis zu mehreren Milliarden Takte in der Sekunde sein.

Die Taktfrequenz wird in Megahertz gemessen. Je schneller die Taktfrequenz, desto höher die Leistung eines Prozessors, denn das bedeutet er kann mehr Impulse pro Sekunde verarbeiten. Das bedeutet z.B. wenn man ein Programm zum Ausfűhren öffnet wird, poppt das sofort auf dem Bildschirm auf.

Der Taktgenerator gibt die  Buslinien vor, die Stromimpulse, die signalisieren welche Bits sich der Computer speichern soll.

Überhitzt der Prozessor wegen zu vielen Stromimpulsen, so entscheidet dieser eigenständig, die Busse nicht mehr zu empfangen. Das der Prozessor auf einmal  beispielsweise nur jeden zweiten Takt annimmt, nennt man throttling, die automatische Drosselung seiner Leistung. Wenn ein Prozessor throttelt, hat man ihn mit Takten überfordert.

 

Datenbus

Ähnlich wie elektrische Impulse die Nervensignale im Körper zum Gehirn leiten, so übertragen Datenbusse elektrische Impulse zu den verschiedenen Elementen im Computer.

Ein Bus ist ein Stromimpuls, der Daten von einen Gerät zum nächsten Gerät bringt. Diese Daten sind zerlegt in die Zahlen 0 oder 1. Wir befinden uns im Inneren eines Computers. Eine Bus fährt nur auf bestimmten Buslinien, er besteht aus einer festgelegten Reihe von Elektronen.  Mittels dieser Reihenfolge kann der Bus den Binärcode transportieren, keine anderen Passagiere.  Es ist genau festgelegt welcher Bus zu welchem Ziel fährt. Diese Buslinien kann man sich als einfachen Stromkreis vorstellen. Diese stromangetriebenen Busse fahren auf den Bahnen  zwischen verschiedenen Geräten hin- und her.

 

Bildergebnis für pc bus

Jeder von uns hat auch schon einen Bus in der Hand gehalten. Der USB-Stick (Universal Serial Bus) ist ein Bus. Er stellt eine Verbindung zwischen den Daten draußen und den Daten im inneren Gehäuse des Computers her. Den USB-Stick nennt man seriellen Bus. Ein serieller Bus kann Daten nur zeitlich nacheinander übertragen. Wie eine Netflix-Serie, deren Folgen man auch nicht gleichzeitig, sondern nur zeitlich nacheinander anschauen kann. Ein serieller Bus kann nur Daten auf einer Busspur hin- und hertransportieren. Die Busspur nennt sich Datenleitung. Ein serieller Bus besteht also einer einzigen Datenbahn, auf der ein Signal vor und zurück gegeben werden kann.

  • Parallele Busse geben mehrere Signale gleichzeitig weiter. Sie besitzen mehre Datenleitungen und können Daten parallel übermitteln.
  • Der Front Side Bus transportiert Signale von dem Prozessor (das „Gehirn des Computers“ zu den anderen Geräten im Inneren des Computergehäuses (zum Beispiel der Festplatte).

Busse transportieren Signale in verschiedenen Taktfrequenzen. Je schneller der Takt, umso schneller können die Signale transportiert werden.

Die Datenspuren des Universal Serial Bus sind mittlerweile zu einem enormen Geschwindigkeit aufgepimpt. Die USB 3.0. Generation arbeitet im Super-Speed-Modus: Mit dem blaugefärbten USB 3.0. -Kabel können bis zu 5 Gigabyte pro Sekunde Daten von dem Stick auf den Computer transferiert werden.

 

Prozessor

Was ist ein Prozessor?

Der CPU das Herzstück des Computers. Ohne diese zentrale Steuerungseinheit läuft nichts. Das Central Processing Unit – zu deutsch – zentrale Verwaltungseinheit ist der Motor jedes Rechners. „Der Prozessor ist das Gehirn des Computers“ stellte der Buchautor Ron White fest.

Um das Verhältnis eines Prozessors zum Rechner zu verbildlichen, hilft der Avocado-Vergleich. Ein Rechner kann man sich wie eine Avocado vorstellen: Der Rechner ist das Fruchtfleisch mit der Schale. Der Avocadokern ist der Prozessor.  Ohne Avocadokern gibt es keine Avocado, so wie es ohne Prozessor keinen Rechner gibt. In seinem Kern sind alle lebenswichtigen DNA-Informationen gespeichert. Die DNA des Prozessors besteht aus Grundrechenarten, mit denen Aufgaben gelöst werden.

Der Prozessor empfängt ständig Stromimpulsen anderer Hardware-Komponenten, die ihm mitteilen, wie viele Bits und Bytes ihm zur Verfügung stehen. Zur selben Zeit hört er unermüdlich Befehle von einem anderen Programm, genauer von der Maschinensprache.  Die Maschinensprache kommuniziert dem Prozessor, wie er die Bits und Bytes verarbeiten soll, denn es stehen dem Prozessor nur vier verschiedene Grundrechenarten zur Verfügung. Der Prozessor addiert, subtrahiert, multipliziert und dividiert fleißig jedes Sekunde, wenn der Computer angeschaltet ist.

Der Prozessor als Führungskraft fragt  also die restlichen Geräte im Computer ständig ab, wie, womit und wie lange sie noch mit einer Aufgabe beschäftigt sind: Techniker nennen diesen Prozess ‚busy-waiting‘. Der Prozessor hält die Verbindung zu allen Geräten auf dem Motherboard. Er ist deswegen immer Stand-By-Modus. Nutzen wir eine Anwendung – z.B. wenn wir eine Webseite aufzurufen – unterbricht der Prozessor seine kontinuierliche Arbeit (‚Interrupt‘) und verteilt die neue Arbeitsaufgaben an Festplatte und Mikrochips.

 

Im Inneren des Prozessor befindet sich eine Handvoll Schubladen, die sogenannten Register. Diese Register holen sich durch einen Bus die benötigten Daten von einem Massenspeicher (z.B. die Festplatte). Prozessoren werden bislang mit 32 oder 64 Bitspuren hergestellt, zu mehr reicht es in der Digitaltechnik noch nicht.“Stellen Sie sich also den Prozessor als eine Kombination aus Additionsmaschine und Verkehrspolizist vor, wobei der Verkehr auf bis zu 64 Fahrspuren bei Lichtgeschwindigkeit läuft“, erklärte der amerikanische Buchautor Dan Gookin die Funktionsweise.  Prozessoren können 64 Bit, also 8 Byte gleichzeitig verarbeiten. 8 Byte können also in einem Takt verarbeitet werden.

Woraus besteht ein Prozessor? Er wird aus mehreren Schichten von Wafern aus Silizium hergestellt. „Ein Prozessor wächst mit über 100 Fertigungsschritten pro Wafer in mehreren Etagen heran. Es ist das kunstvollste, komplizierteste Gebilde, das die Technik des Menschen je hervorgebracht hat, “ hieß es in einer Studie des Bundeswissenschaftsministerium 2004.

Weil es oft zu lange dauert, ständig Daten aus dem Speicher in den Prozessor zu laden, haben Informatiker ein Cache auf der Festplatte eingerichtet. Ein Cache ist ein kleiner Schnellzugriff, in dem die wichtigsten Daten gespeichert werden, die wir öfter als andere anklicken. Weil damit der Zugriff schneller wird, heißt der Cachespeicher auch „Beschleunigungsspeicher“. Man kann sich ein Cache vorstellen wie eine Hamsterbacke. Die Daten im Cache sind die Körner, die der Hamster in seiner Backe hält, um schnell in mageren Zeiten auf sie zugreifen zu können. Durch einen sogenannten „Prefetch“ baut das Cache schon die Körner, bzw. Datenauswahl fűr den Prozessor vorausschauend zusammen. Sie prognositzieren die statistische Wahrscheinlichkeit, welche Daten benötigt werden.

 

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Das Cache