Flipflop

Unter Flipflop denken wir einen Schuh, der beim Gehen leise unter unseren Fűßen knallt. Das Geräusch, das dabei im Takt entsteht, hört sich wie ein „Flip“… und „Flop“- Laut an. Ähnlich wie in der Schuhmode ist der Flipflop in der Digitaltechnik ein Zustand, bei dem ein Fuß seinen Laufimpuls an einen Transportgegenstand weitergibt. In diesem Falle ist der Transportgegenstand kein Schuh, sondern der Impuls wird an einen elektrischen Transistor weitergegeben. Das ist ein ganz winziges Metallteilchen, dass den Zustand „An“ (Flip) oder „Aus“ (Flop) speichern kann. Und die dafűr benötigte Energie entstammt nicht den Laufimpuls der Muskeln unseres Fußes, sondern aus dem Strom aus der Steckdose. Der Strom steuert sämtliche Vorgänge in den Mikrochips, mit denen der Computer reichlich bestückt ist. Ohne Chips kein Computer, denn es gäbe keine Speichermöglichkeiten.

Dieser Flip-Flop-Transistor bildet das Fundament des Computers. Ohne diesen Flipflop-Mechanismus würden viele Prozesse still stehen. Wahrscheinlich könnten wir einen Laptop noch nicht mal hochfahren.

Den Flip-Flop-Transistor nennt man fachsprachlich auch „bistabile Kippstufe“, weil der Transistor immer zwischen zwei Zuständen hin- und herkippt. Er kippt zwischen den simplen Zuständen „der Strom fließt“ (An) und „der Strom fließt nicht“ (Aus).  Wenn wir mit den Flipflops laufen, speichern diese nicht, wieviele Schritte wir gelaufen sind. Wir sehen höchstens Abnutzungserscheinungen an der Schuhsohle. Flip-Flop-Transistoren hingegen speichern jeden Schritt. Denn anhand der Schrittreihenfolge kann man erkennen, welche Informationen (An = 1, Aus = 0) in den Transistoren gespeichert worden sind.

Zur Erinnerung: Jede noch so kleinste Information auf dem Computer wird mit Nullen und Einsen abgespeichert, das primitive, aber sehr effektive Alphabet sämtlicher (sic!) Digitalisierungsprozesse.

Wenn der winzige Transistor auf der Chipkarte diese Binärzahlen einprägen soll, gibt ihm der Taktgenerator den Befehl in Stromimpulsen durch.

Fűr die Ziffer 0 bestimmt der Taktgenerator den Zustand „aus“. Für die Ziffer 1 hingegen  im Kontrast der Zustand „an“. Wenn der Taktgenerator also in einem Takt keinen Strom auf dem Chip durchfließen lässt, so weiß der Transistor, beispielweise das er die Ziffer Null speichern soll.  Das sind enorm viele elektrische Pfeile in einem Bruchteil einer Sekunde: An, An, Aus, An….oder: Flip, Flip, Flop, Flip.

Wird der Computer heruntergefahren und möchte man in einer späteren Sitzung auf gespeicherte Daten zurűckgreifen, so tastet der Prozessor dieses eingeprägte An-Aus-Muster der Transistorenkette auf dem Chip ab und stellt die Informationen zur Verfűgung.

 

 

Elektrizität

Es mag banal  klingen, aber die wichtigste Voraussetzung für die Digitalisierung ist: Strom. Ohne Elektrizität ist ein Computer nur eine tote Hülle mit Metallschrott. Insofern beruht diese ganze Digitalisierung auf einem zweihundert Jahre alten Erfindung. Und auch Informatikerinnen können sich nicht der politischen Frage entziehen, ob wir Atom- oder Kohlekraftwerke oder Erneuerbare Energien für die Stromproduktion einsetzen sollten. Das Wort „Strom“ kommt übrigens aus dem Althochdeutschen stroum für „schnell fließendes Wasser“.

Durch einen Stromfluss  kann der Computer die Binärdaten erst einspeichern. Strom ist das Schmiermittel für den Verkehr der Daten, diese werden „Huckepack“ durch den Strom transportiert. Strom besteht aus Elektronen, “ die hat noch niemand jemals gesehen“, bemerkte  Peter Lustig nebenbei. Elektronen als Bestandteil von winzigen Atomen werden gezielt von einem Kraftwerk in die Stromleitung gedrückt, damit sie „vorne“ – an der Steckdose – wieder hinauspurzeln und Energie für das Akkuladegerät von Smartphone oder Computer erzeugen.

Die Maßeinheit Ampere beschreibt die Anzahl der Elektronen, die sich fortbewegen.

Die Maßeinheit Volt beschreibt aus der Spannung des Stroms, also die Kraft oder der Druck, mit der die Elektronen durch das Stromkabel vorwärts geschoben werden.

Die  Maßeinheit Watt bezeichnet die Leistung des Stroms, gemessen in Energieumsatz der Elektronen mal Zeitspanne.

Strom kommt immer als Wechselstrom aus der Steckdose zum Computer, das heißt die Stromrichtung ändert sich im Kabel permanent, circa  50-mal pro Sekunde. Es ist mit einer ständigen Wechsel der Stromrichtung einfacher Spannungen umzuwandeln. Der Stromfluss muss von der Hochspannung im  Kraftwerk schließlich sich so weit reduziert werden, bis er der Niedrigspannung meiner Steckdose (230 Volt) entspricht. Transformatoren, die schmutzig-grauen Stromkästchen neben dem Fußgängerweg, wandeln den Wechselstrom aus dem Kraftwerk in die richtigen Stärke um. Und das Ladeskabel meines hp-Laptops braucht sogar noch weniger Strom als meine Steckdose zur Verfügung stellt: Es zapft nur 90 Watt ab.

Elektrischer Strom erzeugt immer Wärme, deswegen steigt die Temperatur des Computers bei seinem Gebrauch an. Dort wo am meisten Strom verbraucht wird – im Prozessor – wird es am heißesten. Wenn man mit der Hand an der Belüftungsgittern seines Laptops entlangbewegt, spürt man beispielsweise die heiße Luft, da wo der Prozessor installiert ist. Ohne diese Belüftung wäre der Computer schon längst geschmolzen.

 

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.