Wie ein Computer arbeitet

Die meisten von uns betrachten den Computer als elektronisches Wunder, obwohl er im Prinzip sehr einfach gebaut ist. Sein Kernstück ist eine arithmetische und logische Einheit (Prozessor oder Zentraleinheit), in der die vier Grundrechenarten ausgeführt und Zahlenvergleiche angestellt werden können. Das alles geschieht außerordentlich schnell. Darüber hinaus braucht ein Computer einen Speicher, der möglichst viele Zahlen einspeichern und auf Befehl wieder ausgeben kann. Die Programmierung
Die Grundlage jeder Computerbenutzung ist die Programmierung, d. h. die Übersetzung des Problems – eine Berechnung oder welche Aufgabe auch immer – in eine für den Computer verständliche Sprache. Die Elemente dieser Sprache sind ganz einfache Einzelschritte, und ein Programm besteht daher aus einer Vielzahl derartiger Einzelschritte in der richtigen logischen Reihenfolge. Die Überlegenheit des Computers gegenüber dem Menschen besteht einmal darin, dass er keine Fehler macht, wenn er richtig programmiert ist, zum anderen in seiner ungeheuren Schnelligkeit. Er macht Hunderte oder Tausende von Rechnungen in jeder Sekunde, speichert Zwischenresultate und ruft sie bei Bedarf blitzschnell wieder auf. Auch die Einzelbefehle des Programms liegen zum sofortigen Zugriff im Speicher bereit. Um z. B. die Multiplikation 683-67 zu programmieren, zerlegt man die Teilfaktoren in ihre Potenzsummen: 683 = 6 102 + 8 10 + 3 • 10°und 67« 6 • 101 + 7 • 10°. Das Produkt wird dann wie folgt berechnet: 683 • 67 = (6 • 102) • [(6 • 101) + (7 • 10°)] + (8 • 101) [(6 • 101) + (7 • 10°)] + (3 • 10°) • [(6 • 101) + (7 • 10«)]. Für den Menschen sind solche Multiplikationen zwar mühsam, aber man würde deshalb wohl noch keinen Computer bemühen. Der Computer macht an sich dasselbe wie der Mensch, aber er muss alle primitiven Einzelschritte vorprogrammiert bekommen, wie dieses Produkt zeigt. Das Programm muss die Rechenmethode bis ins kleinste analysieren. Trotz dieser Primitivität kann aber der Computer anfallende Rechnungen von bereits ausgerechneten Ergebnissen abhängig machen und so gewissermaßen Entscheidungen treffen. Die Zwischenergebnisse müssen gespeichert werden. Das Binärsystem
Die Menschen verwenden wohl hauptsächlich aus anatomischen Gründen (Fingeranzahl) das Dezimalsystem zum Rechnen. Es hat die Ziffern 0 bis 9. Auch einen Computer kann man so konstruieren, dass er im Dezimalsystem rechnet, aber es geht sehr viel einfacher mit dem Binärsystem (Dualsystem), das nur die Ziffern 0 und 1 kennt. Der Grund dafür ist, dass diese beiden Ziffern durch die beiden Stellungen eines elektrischen Schalters äquivalent dargestellt werden können: »Ein« entspricht 1 und »Aus« entspricht 0. Binärzahlen sind länger als Dezimalzahlen, weil sie ja nur über zwei Ziffern verfügen. Deshalb sind Binärrechnungen für den Menschen unbequem, obwohl sie wesentlich einfacher verlaufen als Dezimalrechnungen. Der Computer arbeitet aber so schnell, dass die Länge der Zahlen für ihn keine Rolle spielt. Das Binärsystem vereinfacht auch die Konstruktion der Speicher. Die zur Zeit häufigsten sind Ferritkernspeicher. Jeder Kern ist ein Ferritring von etwa 1 mm Durchmesser, der von einem Strom magnetisiert werden kann. Die Polarisation der Magnetisierung hängt von der Stromrichtung ab, eine Richtung repräsentiert »Null«, die andere »Eins«. Tausende solcher Kerne bilden eine Kernspeichermatrix, die bei entsprechender Adressierbarkeit Zahlen in Binärform speichern kann, die sich auch jederzeit wieder abrufen lassen. Ferritkernspeicher haben extrem kurze Zugriffszeiten und sind äußerst zuverlässig. Es gibt aber noch viele andere Arten von Speichern wie etwa die noch schnelleren Halbleiterspeicher. Der interne Speicher eines Computers wird durch externe Speicher ergänzt, von denen das Magnetband oder die Magnetplatte die häufigsten sind. Die Zentraleinheit
Da ein Computer nicht mehr als eine Zahl auf einmal lesen oder speichern kann, muss man die einzelnen Programmschritte mit einer elektronischen Uhr steuern. Diese erzeugt ständig »Taktimpulse« (bis zu mehreren Millionen pro Sekunde), die die Werte »1« oder »0« haben und gleichzeitig die Ziffern einer Binärzahl darstellen. Die Zahl 100110 (dezimal 38) wird daher übersetzt als »kein Impuls, Impuls, Impuls, kein Impuls, kein Impuls, Impuls«, wobei die Einerstelle zuerst gelesen wird. Jede Zahl im Computer ist eine solche Impulsgruppe, und um ein Durcheinander zu vermeiden, erhält jede Gruppe dieselbe Länge. Wenn z. B. die volle »Wortlänge« aus 16 Impulsen besteht, muss man den eben aufgezählten 6 Zeichen noch zehnmal »kein Impuls« hinzufügen. Die Wörter können als Impulsgruppen im Kernspeicher abgesetzt und wieder hervorgeholt werden. Sind die Zahlen erst einmal eingelesen worden (automatisch und vom Programm kontrolliert), so kann der Computer in Ausführung seines bereits gespeicherten Programms mit ihnen operieren. Wenn zwei Zahlen addiert werden sollen, schaltet ein Codewort im Programm den Computer so, dass die beiden Zahlen Impuls für Impuls in den Addierer gefüttert werden, dessen Ausgangsimpulsgruppe dann die Summe darstellt. All diese zum Teil recht kompliziert anmutenden Einzelheiten können aber nicht darüber hinwegtäuschen, dass die verblüffenden Fähigkeiten eines Computers in den Programmen begründet liegen und damit beim menschlichen Programmierer, der sie sich ausgedacht hat.

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Info 23.11.2017 19:22
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