Computerarbeitsplatz

Wie funktioniert ein Computer?

RAM

RAM ist die Abkürzung für “Random-Access-Memory” und bedeutet auf Deutsch “Speicher mit wahlfreiem Zugriff”. Dieser Speicher wird im Computer als Arbeitsspeicher verwendet, aber auch in allen anderen Arten von elektronischen Geräten?
Wahlfreier Zugriff bedeutet, dass man jede Speicherzelle über ihre Speicheradresse direkt ansprechen kann. Man muss also nicht den Inhalt des Speichers sequenziell, d. h. von Anfang bis Ende, auslesen, sondern kann zu einem bestimmten “Punkt” – der Speicheradresse – springen, und dort das Lesen beginnen.
Die Besonderheit des RAM ist, dass der Speicher sowohl gelesen, als auch beschrieben werden kann. Außerdem ist er ein flüchtiger Speicher: Sobald die Stromzufuhr unterbrochen wird, ist der gesamte Inhalt verloren. Allerdings gibt es einen RAM-Typen, der auch ohne Stromzufuhr den Inhalt beibehält. Dieser wird dann aber NVRAM genannt.

ROM

ROM ist die Abkürzung für “Read-Only Memory” und bedeutet auf Deutsch “Nur-Lese-Speicher”. Er ist nur lesbar, und kann nicht beschrieben werden. Der ROM zählt zu den nicht-flüchtigen Speichern, d. h. sein Inhalt bleibt auch ohne Stromzufuhr erhalten. Er findet im Computer vor allem im BIOS Verwendung.
ROM gibt es mit Bausteinen mit reversibler und irreversibler Programmierung. Reversibel bedeutet, dass man durch bestimmte Verfahren den Inhalt löschen, und die Speicherbausteine neu beschreiben kann, wohingegen irreversibel bedeutet, dass der Speicherbaustein nur ein einziges Mal beschrieben werden kann.
Wie der RAM bietet auch der ROM wahlfreien Zugriff auf die darin enthaltenen Daten.

Cache

Der Cache ist ein Puffer-Speicher, das heißt, er hat die Aufgabe, Kopien zwischenzuspeichern, um für einen zukünftigen Zugriff auf bestimmte Daten, diese schneller wieder zur Verfügung stellen zu können.
Programmierer können nicht beeinflussen oder entscheiden, welche Inhalte im Hardwarebasierten Cache zwischengespeichert werden. Das ist Aufgabe des Betriebssystems.
Prozessoren benutzen den hardwarebasierten Cache um die nächsten Maschinenbefehle zwischenzuspeichern, weil der Zugriff auf diesen extrem schnell ist. Mehrkernprozessoren haben einen sehr großen Nutzen vom Cache, weil jeder Kern bestimmte Aufgaben lösen kann, und die Ergebnisse mit dem anderem Kern schnell ausgetauscht werden können. Der Prozessorcache hat zwischen 64 KB und 12 MB Speicher.
Es gibt aber auch softwarebasierte Caches, wie z. B. bei der Verwendung des Webbrowsers. Hier werden aufgerufene Internetseiten auf der Festplatte oder dem Arbeitsspeicher zwischengespeichert, damit diese beim nächsten Abruf schneller zur Verfügung stehen.
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Steuerbus, Datenbus, Adressbus

Bus“ ist eine Zusammenfassung von parallelen Leitungen an die mehrere Funktionsblöcke oder Komponenten eines Rechners angeschlossen sind, er verbindet also die wichtigsten Bauteile eines Rechners.
Die Anzahl der Leitungen bestimmt die sogenannte Busbreite, welche zusammen mit der Taktfrequenz maßgebend für die Übertragungsgeschwindigkeit ist.
Der Datenbus übermittelt, wie der Name schon sagt, Daten, und wird unterteilt in den internen und externen Datenbus. Der Interne wird hauptsächlich innerhalb der CPU verwendet, der externe für Peripheriegeräte? ect.
Der Adressbus spricht den Speicher an und sorgt für deren Übertragung.
Der Steuerbus regelt jegliche Datenübertragung und kontrolliert, ob Leitungen genutzt werden oder nicht.
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DVD

Die DVD (Digital Versatile Disc oder Digital Video Disc) zählt als Weiterentwicklung der CD. Sie fasst Vergleich cd dvdmindestens 4,7 GB Speicherplatz und kann je nach verwendeter Datenrate einen abendfüllenden Spielfilm abspielen (zw. 60 – 480 Minuten).

Eine DVD besteht aus zwei 0,6 mm großen Halbdiscs, die Rücken an Rücken zusammengeklebt werden (engl. bonding). Bei den meisten DVD´s wird nur eine der beiden Halbdiscs beschrieben, es ist aber auch möglich beide Seiten mit Daten zu füllen. Häufig findet das Anwendung bei sehr langen Spielfilmen. Zudem können auf einer Halbdisc eine oder zwei Informationsschichten (Layer) befinden.
Der Laser erkennt auf der DVD “Pits” (Vertiefungen) oder “Lands” (normaler Bereich). Diese Signale liefern einen Binärcode je nach Signal werden also Nullen oder Einsen ausgelesen. Dadurch dass die Abschnitte länger sind, stören kleine Kratzer nicht so stark, da der Laser den Abschnitt auch nach dem Kratzer noch lesen kann. Die neue Lasertechnik sorgt dafür, dass die Pits auf der DVD kleiner gemacht werden können (= Spurdichte), als auf der CD. Die Spirale in der diese angeordnet sind liegt auch näher zusammen, daher ist auf einer DVD mehr Speicherplatz, als auf einer CD die die gleiche Fläche zur Verfügung hat.
Die DVD wird wie die CD Rom in einen spiralförmigen Track beschrieben. Der Abstand der Tracks beträgt bei der DVD 0,74 µm (= Mikrometer) (CD: 1,6 µm), im Vergleich dazu beträgt der Durchmesser eines menschlichen Haares ungefähr 70 µm.
Bei industriell gefertigten DVD´s (auch Audio CD´s und CD-ROM´s) sind die Pits in das Material gepresst. Bei DVD´s die mit einem DVD-Brenner gebrannt wurden, werden die Pits auf der Metallschicht nicht reflektierend gemacht. Dies geschieht durch Laserenergie. Das ist dafür verantwortlich, dass bei gebrannten DVD´s die Teile die mit Daten beschrieben sind, sich farblich abheben. Im Gegensatz zu den gepressten DVD´s sind die gebrannten wesentlich empfindlicher und unterliegen einem Alterungsprozess.

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Die Grafikkarte

Die Grafikkarte steuert in einem PC die Bildschirmanzeige, dabei wandelt sie Daten so um, dass der Bildschirm alles als Bild wiedergeben kann. Grafikkarten gibt es entweder als PC-Erweiterungskarten mit der Hauptplatine verbunden oder im Chipsatz auf der Hauptplatine. Wichtigste Bestandteie modernder Grafikkarten sind:
GPU (Graphics Processing Unit) (2), VIDEO RAM (Random Access Memory)(3) und Anschlüsse für externe Geräte (z.B. Monitor)(1)
Video RAM: wiederbeschreibbarer Grafikspeicher=> bezeichnet einen physisch vom Arbeitsspeicher getrennten, für die Auffrischung von Bildinhalten optimierten Baustein
Hardwareschnittstellen Verbindung zwischen Grafikkarte und Mainboard (darüber werden die Daten von der Grafikkarte an das Mainboard übertragen) bekannteste Schnittstellen: PCI, AGP, PCI-Express (= aktuellste, Stand 2010). Externe SignalausgängeDVI-Out/Mini-DVI: liefert ein digitales Signal, und somit die beste erreichbare Bildqualität an Bildschirmen mit DVI-Eingang. HDMI-Out: Videosignal wird ebenfalls digital ausgegeben auch DVI-D können darüber übertragen werden, womit DVI-Geräte kompatibel zu HDMI sind
Grafikkarte

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Motherboard

Das Mainboard (deutsch: Hauptplatine) stellt die zentrale Verbindungseinheit im Computer dar. Über sie werden alle wichtigen Hardware-Komponenten angeschlossen und mit Strom versorgt.
Unabhängig von Hersteller, Bauart und Alter verfügen Mainboards grundsätzlich über einen CPU-Sockel, also einen Steckplatz für den Prozessor, verschiedene Chipsätze (North- und Southbridge) und eine Vielzahl an Steckplätzen und Anschlüssen ( Strom, USB, Arbeitsspeicher, sonstige Peripherie).
Auf vielen Mainboards sind heutzutage bereits Sound-, Netzwerk- und Grafiklösungen fest integriert (Fachbegriff „onBoard“) und müssen somit nicht mit Steckkarten aufgerüstet werden.
Die aktuell üblichen Steckplätze für Grafikkarten, Netzwerkcontroller, Soundkarten oder sonstige Erweiterungskarten sind PCI (Peripheral Component Interconnect) und PCI Express. Ab und zu findet man noch einen AGP-Steckplatz (Acclerated Graphics Port), ein inzwischen veralteter Anschluss für Grafikarten.
Die üblichen externen Anschlüsse sind USB 2.0 (aktuell auch 3.0), Firewire, PS2, Soundausgänge (Digital/Analog), Grafikausgänge (DVI und HDMI aktuell, VGA jedoch auch noch häufig). Intern findet man für DVD-Laufwerke und Festplatten mittlerweile den Anschluss-Standard S-ATA (Serial – Advanced Technology Attachment). Der veraltete Standard IDE (Integrated Drive Electronics) hat mittlerweile ausgedient.
Des Weiteren gibt es noch Anschlüsse für die Frontblende (LEDs, Einschaltknopf, etc.)

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Prozessor

Der Prozessor ist die zentrale Recheneinheiten von Computern. Über ihn werden sämtliche Befehle ausgeführt.
Hauptbestandteile des Prozessors sind die Register, das Rechenwerk (Arithmetisch-logische Einheit, ALU), das Steuerwerk und der Speichermanager (Memory Management Unit, MMU), der den Arbeitsspeicher verwaltet. Zu den zentralen Aufgaben des Prozessors gehören arithmetische und logische Operationen, das Lesen und Schreiben von Daten im Arbeitsspeicher, das Ausführen von Sprüngen im Programm sowie die Steuerung und Verwaltung der Peripheriegeräte (Maus, Tastatur, Monitor, Drucker etc.)
Prozessoren werden heute meist im Bereich der Eingebetteten Systeme (engl. Embedded Systems) eingesetzt. PCs enthalten meist mehrere Prozessoren, wobei der Hauptprozessor (Zentralprozessor) alle weiteren steuert. Im allgemeinen Sprachgebrauch ist mit „Prozessor“ meist der Zentralprozessor (CPU = Central Processing Unit) eines Computers gemeint, also das funktionale Kernstück eines elektronischen Rechners, das heute normalerweise auf einem Mikrochip integriert ist. Die moderne Form des Prozessors ist der Mikroprozessor, der alle Bausteine des Prozessors auf einem Chip vereinigt. Moderne PC-Prozessoren sind Multikernprozessoren mit zwei, vier oder noch mehr Kernen (etwa der Intel Core 2 oder der AMD Athlon X2).

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Festplatte

FestplatteDie Festplatte, auch HDD (Hard Disk Drive) genannt, ist ein magnetisches Speichermedium der Computertechnik zur Sicherung von Daten. Das maximale Speichervolumen für den Home-User liegt aktuell bei 3 Terabyte.
Hauptbestandteile der Festplatte sind die Magnetplatten (der physikalische Speicherort der Daten), die Schreib- und Leseköpfe (zum Beschreiben bzw. Auslesen der Daten auf den Magnetplatten), mechanische und elektronische Elemente zur Steuerung und das vereinende Gehäuse (staub-, wasser- und stoßresistent).
Die Speicherung der Daten erfolgt mittels Induktion auf der Oberfläche der rotierenden Magnetscheiben. Das Auslesen der Information erfolgt durch Abtastung der Magnetisierung der Plattenoberfläche. In Abgrenzung zu sequentiell adressierbaren Speichermedien wie Magnetband oder Lochstreifen werden Festplatten den direktadressierbaren Speichermedien (engl. direct access storage devices, DASD) zugerechnet, da auf die Daten direkt zugegriffen werden kann.
Magnetische Festplatten organisieren ihre Daten – im Gegensatz zu Direktzugriffsspeichern (der sie in Bytes oder in kleinen Gruppen von 2 bis 8 Bytes anordnet) – in Datenblöcken (wie z. B. 512, 2048 oder 4096 Byte), weshalb dieses Verfahren auch blockbasierte Adressierung genannt wird. Dabei können seitens der Hardware immer nur ganze Datenblöcke oder Sektoren gelesen und geschrieben werden.
Die Speicherkapazität einer Festplatte berechnet sich aus der Größe eines Sektors (512 Byte, 2048 Byte oder 4096 Byte) multipliziert mit der Anzahl der verfügbaren Sektoren. Die Größe der ersten Festplatten wurde in Megabyte angegeben, ab etwa 1997 in Gigabyte, und mittlerweile gibt es Platten im Terabyte-Bereich.
Für den mobilen Gebrauch kommen die „externen“ Festplatten zum Einsatz. Sie unterscheiden sich in der kleineren Bauform und teilweise in den Anschlussarten (nicht S-ATA oder IDE, sondern Firewire und USB).

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RAID

RAID (Redundant Array of independent Disks) ist die Verknüpfung von mehreren physischen Festplatten zu einem zusammenhängenden Laufwerk.
Ziel eines RAIDs ist es, den Datendurchsatz zu steigern und eine höhere Ausfallsicherheit sowie Datensicherheit zu gewährleisten.
Raidsysteme

RAID 0

Bie RAID Level 0 (Striping) werden mindestens zwei Festplatten zu einem logischen Laufwerk verbunden. Die Daten werden auf beiden Festplatten verteilt. Diese RAID-Variante gewährleistet einen höheren Datendurchsatz. RAID Level 0 wird auch als unechtes RAID bezeichnet, da keine Datenredundanz besteht. Ist eine Festplatte defekt, so ist eine Datenrettung nicht mehr möglich.

RAID 1

Bei RAID Level 1 (Mirroring) werden die Daten einer Festplatte auf eine weiter gespiegelt. Werden also zwei 500 GB Festplatten zu einem RAID Level 1 verbunden, erhält man ein RAID-System mit 500 GB Speicherkapazität. Die restlichen 500 GB der anderen Festplatte werden zur Datensicherung genutzt

RAID 5

Im Level 5 (Mirroring & Striping) sind mindestens 3 Festplatten vorhanden. Die Daten werden auf allen Festplatten verteilt. Dazu wird auf jeder Festplatte zusätzlich eine Paritätsinformation gespeichert. Aus den Paritäts-Informationen kann der Datenbestand einer defekten Festplatte wiederhergestellt werden. Bei diesem RAID wird hohe Redundanz (RAID 1) und der hoher Geschwindigkeitszuwachs (RAID0) vereint. Wenn eine Festplatte des RAID 5 ausfällt, kann diese einfach durch eine neue ausgetauscht werden
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Flashspeicher

Flash-Speicher sind digitale Speicherchips; die genaue Bezeichnung lautet Flash-EEPROM. Sie gewährleisten eine nichtflüchtige Speicherung bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch. Flash-Speicher sind portabel und miniaturisiert, es lassen sich jedoch im Gegensatz zu gewöhnlichem EEPROM-Speicher bei neuen Flash-EEPROM Bytes, die kleinsten adressierbaren Speichereinheiten, nicht einzeln löschen. Flash-Speicher sind auch langsamer als gewöhnliche Festwertspeicher (ROM).
Der Flash-Speicher besteht aus einem Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MISFET), einem Source-Drain-Strecke, einem Floating Gate und einem Control Gate.
Elektrische Ladung wird durch Anlegen einer hohen positiven Spannung über das Control Gate und die Source-Drain-Strecke auf das Floating Gate gebracht und auf dem Transistor gespeichert. Wenn das Floating Gate somit negativ geladen ist, wirkt es dem Control Gate entgegen und hält damit den Flash Transistor geschlossen.
Vor dem Wiederbschreiben eines Flash Speichers muss erst ein teilweiser Löschvorgang erfolgen, da die Bytes nur in Gruppen angesteuert werden können. Aus diesem Grund besitzen zum Beispiel USB-Sticks einen eigenen Microcontroller.
Es existieren zwei unterschiedliche Flash Speicherarten:
NAND: viel Speicherplatz, wenig Raum, hohe Zugriffszeit
NOR: kurze Zugriffszeit, zwecks Parallelschaltung

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LCD Monitor

LCD (Liquid Crystal Display) bedeutet zu deutsch Flüssigkristallanzeige. Sie werden benutzt um mit Hilfe von Strom Flüssigkristalle zu steuern, die durch ihre Ausrichtung das Licht beeinflußen, wodurch eine bestimmte Farbe entsteht.
Im Bild unten ist der Aufbau einer LCD-Zelle dargestellt. Zwei Glasplatten schließen das Flüssigkristall ein, innen sind sie mit einer Elektrodenschicht überzogen, die dafür benutzt wird die Kristalle zu beeinflußen, außen sind Polarisationsfilter angebracht, die das Licht in einer bestimmten Weise beeinflußen. Hinter der Zelle befindet sich meist eine Lichtquelle die das Licht hindurch schickt.
Auf der Innenseite der Glasplatte befinden Farbfilter, um nach den Grundsätzen der additiven Farbmischung Monitorfarben zu erzeugen.

Wenn der Monitor jetzt in Betrieb genommen wird, ändern die Elektroden durch ein Magnetfeld die Anordnung der Flüssigkristallmoleküle. Die Lichtquelle schickt Licht los, dieses passiert den ersten Polarisationsfilter in dem es dazu gebracht wird einheitlich zu schwingen, das nennt man Polarisation.
Durch die Polarisierung und die Anordnung der Kristalle nimmt das Licht einen bestimmten Weg durch die Zelle. Dieser Weg wird durch ein Magnetfeld, aufgebaut mit Hilfe der Elektrodenschicht gesteuert.
Dann kommt das Licht an den Farbfiltern an, die es eine bestimmte Farbe annehmen lassen. Die Farbfilter sind wichtig für die erzeugte Farbe, jenachdem wie das Licht gelenkt wird erzeugen diese Filter eine beliebige Farbe. Sie bestehen meist aus den Farben Rot, Grün und Blau den sogenannten RGB Farben, mit diesen Farben ist es möglich jede andere Farbe zu erschaffen. Bei weißem Licht werden alle drei gleichzeitig benutzt wie in der Abbildung gezeigt, bei schwarzem wird einfach die Anordnung der Moleküle verändert, sodass kaum Licht hindurch kommt. Möchte man nur eine der drei Farben haben, lässt man die Kristalle sich so anordnen, dass zum Beispiel nur die rote Zelle Licht durchlässt.
Der Aufbau der Zelle ist so konstruiert, dass es wie ein Lichtventil wirkt. So kann nicht nur bestimmt werden, welche Farben angezeigt werden, sondern auch wie stark die Helligkeit sein soll. Die Glasplatte dient der Stabilität, der Isolierung und Haltbarkeit.
Ein anderer wichtiger Bestandteil sind die Polarisationsfilter, während der erste dafür gedacht ist das Licht zu polarisieren, ist die Hauptaufgabe des zweiten, wenn es in einem bestimmten Winkel zum ersten eingerichtet ist, dass das Licht in diesem Winkel einfallen muss, sollte es die Zelle verlassen wollen. Auch diese Aufgabe übernehmen die mit den Elektroden gesteuerten Flüssigkristalle in der Zelle.
Die Hintergrundbeleuchtung erzeugt weißes Licht, das gleichmäßig die ganze Fläche beleuchtet.
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Touchscreen


Laserdrucker

Die Trommel wird  negativ aufgeladen. Der Laserstrahl trifft auf den Umlenkspiegel, der ihn dann  auf einen Punkt der Trommel, der schwarz werden soll, lenkt.
Der Laserstrahl neutralisiert die Entladung. Die Trommel dreht sich und die Stellen, die neutralisiert wurden gelangen zum Toner, der negativ geladene Teilchen enthält, diese haften auf dem Papier, welches positiv geladen ist und daher den Toner anzieht.
Mittels eines Heizelementes wird Toner ins Papier eingebrannt.
Der Toner wird danach wieder von der Walze entfernt, damit mit diese wieder neu negativ geladen werden kann.
Der Druckvorgang geschieht nicht Zeilen-, sondern Seitenweise.
Analog funktioniert auch ein Fotokopierer




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