Computer

Computer haben in den letzten Jahrzehnten nahezu alle Bereiche unseres Lebens erobert und viele davon tiefgreifend verändert. Dabei wurden die Geräte immer kleiner und leistungsstärker, was nicht zuletzt dazu führte, dass Computersysteme sowohl in unserem Alltag als auch in unserer Arbeitswelt heute allgegenwärtig sind. Doch trotz der unbestritten großen Bedeutung von Computertechnologien in unserer Gesellschaft und ihres enormen Potentials Veränderungen herbeizuführen, ist das Wissen um die Funktionsweise moderner Rechner unter den Nutzerinnen und Nutzern vergleichsweise gering. Das mag zum einen an der Komplexität heutiger Systeme liegen, die die Laiin bzw. den Laien eher davor zurückschrecken lässt, sich näher damit auseinander zu setzen, zum anderen schlicht und einfach daran, dass dieses Verständnis nicht unbedingt notwendig ist, um einen Rechner bedienen zu können. Ohne größeres technisches und informatisches Vorwissen vorauszusetzen, beschreibt dieses Buch auf verständliche, informative und unterhaltsame Weise den Aufbau und die grundlegende Arbeitsweise moderner Rechner – angereichert mit zahlreichen Illustrationen und ergänzt durch Links zu kurzen Web-Videos, in denen der Informatiker Professor Rolf Drechsler einzelne Themen prägnant und pointiert erklärt.

Mehrdeutige Aussagen, wie sie in unserer Alltagssprache häufig vorkommen, können zu Missverständnissen führen. Ein Computer kann mit ungenauen Kommandos erst recht nichts anfangen. Die Computertechnik greift daher auf die Logik zurück, mit der es möglich ist, ganz klar definierte Aussagen zu formulieren, und in der es eindeutige Regeln gibt, wie sich aus bestehenden Aussagen neue herleiten lassen. Der richtige Umgang mit logischen Ausdrücken ist daher der Schlüssel, um zu verstehen, wie moderne Computer funktionieren. Die Boolesche Algebra, die nach dem englischen Mathematiker und Logiker George Boole (1815–1864) benannt ist, bildet die Grundlage für den Entwurf von elektronischen Schaltungen, denn sie ermöglicht deren Beschreibung, Entwicklung und Optimierung. Mithilfe der Booleschen Algebra lassen sich durch logische Verknüpfung aus einfachen Aussagen komplexere zusammensetzen. Die drei Grundverknüpfungen bilden dabei die Booleschen Operatoren UND, ODER und NICHT. Die so verknüpften Aussagen können mit teilweise schon aus dem Schulunterricht bekannten Rechenregeln vielfältig umgeformt und vereinfacht werden.

Wozu ein Rechner grundsätzlich in der Lage ist und wozu nicht, wird maßgeblich durch seine Hardware definiert. Das Herzstück eines jeden Rechners ist der Prozessor, auch als CPU bezeichnet. Dank der CPU ist ein Rechner programmierbar, das heißt, er kann Programme, die sogenannte Software, ausführen. Mit dem physischen Aufbau eines Rechners hängt es schließlich auch zusammen, dass dieser binäre Informationen speichern und verarbeiten kann. Denn genau wie ein Lichtschalter kann auch ein elektronischer Schalter nur zwischen zwei Zuständen wechseln, weshalb er sich hervorragend zur Umsetzung logischer Verknüpfungen eignet. In der Digitaltechnik fungieren Transistoren als Schalter, die den Stromfluss in elektronischen Schaltungen regeln. Sie sind ein zentraler Bestandteil sogenannter Logikgatter, elektronischer Bauelemente, mit denen sich die Grundfunktionen der Aussagenlogik imitieren und Boolesche Funktionen realisieren lassen. Transistoren befinden sich heute in nahezu jedem elektronischen Gerät und kommen in modernen Prozessoren millionen- oder sogar milliardenfach vor.

Wie können mit Hilfe der Logikgatter, die jeweils nur die Zustände 0 und 1 abbilden können, ganze Texte, Bilder oder Töne erzeugt werden? Ebenso wie sich durch die logischen Verknüpfungen der Booleschen Algebra aus einfachen Aussagen komplexere zusammensetzen lassen, ist es durch die technische Verschaltung mehrerer Logikgatter möglich, Informationen abzubilden, die deutlich mehr als zwei Werte annehmen können. Um verstehen zu können, wie sich Buchstaben und Zahlen so in binäre 0en und 1en kodieren lassen, dass der Computer sie verarbeiten kann, muss man zunächst den Aufbau des Binärsystems kennen sowie die Umrechnung von Binärzahlen in andere Zahlensysteme, wie das Dezimalsystem, beherrschen. Grundsätzlich ist die Zuordnung der Zeichen zu den Binärfolgen vollkommen willkürlich wählbar. Im Laufe der Zeit entwickelten sich allerdings unterschiedliche Zuordnungsvorschriften, wobei die gebräuchlichste noch heute übliche Form der Zeichenkodierung der ASCII ist. Sollte bei der Kodierung dann doch mal etwas schiefgehen, helfen Fehlererkennungs- und Fehlerkorrekturverfahren, etwa die sogenannte Paritätskontrolle.

All den Operationen, die ein Computer ausführen kann, liegen binäre Funktionen zugrunde, die sich durch logische Verknüpfungen zusammensetzen lassen. Auf Basis dieser Funktionen ist es möglich, digitale Schaltungen zu bauen, die Rechenvorgänge durchführen können. Da sich alle Grundrechenarten auf die Addition zurückführen lassen, ist das Addierwerk ein zentrales Element des Rechenwerks der CPU. Zu den digitalen Schaltungen, aus denen sich ein Addierwerk zusammenbauen lässt, gehören die Halbaddierer, die zwei 1Bit-Zahlen addieren können, und die Volladdierer, die in der Lage sind, zwei 1 Bit-Zahlen sowie einen Übertrag zu addieren. Addierwerke können wiederum auf verschiedene Arten umgesetzt werden, etwa als serielles Addierwerk oder als Paralleladdierwerk. Der Weg von der Funktionsbeschreibung einer Schaltung bis hin zum realisierbaren Schaltplan wird als Logiksynthese bezeichnet. Diese ermöglicht es, eine bestimmte Aufgabenstellung, wie die Addition zweier Zahlen, in bestmöglichster Weise in die Hardware umzusetzen.

Sprachen, die es ermöglichen, mit dem Computer zu kommunizieren, heißen Programmiersprachen. Und im Gegensatz zu menschlichen Sprachen sind sie immer eindeutig, das heißt, jede Zeichenkombination hat eine ganz bestimmte Bedeutung. Mit Hilfe von Programmiersprachen lassen sich Anweisungen so präzise formulieren, dass sie vom Rechner problemlos ausgeführt werden können. Auf diese Weise entstehen ganze Computeranwendungen und -programme, die Informationen verarbeiten. Programmiersprachen lassen sich je nach Abstraktionsebene in Maschinensprachen, Assemblersprachen und höhere Programmiersprachen unterscheiden. Die Maschinensprache besteht aus 0en und 1en und kann damit direkt vom Computer ausgeführt werden. Allerdings ist der Binärcode für den Menschen nicht ohne weiteres verständlich, weshalb Programme heute zumeist in höheren Programmiersprachen geschrieben werden. Diese müssen dann zunächst von einem sogenannten Compiler in Maschinencode übersetzt werden, damit sie vom Rechner ausführbar sind.

Was macht eigentlich ein Rechnerarchitekt? Antwort: Er legt exakt fest, wie ein Rechner aufgebaut sein muss, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen – alles andere als eine triviale Aufgabe angesichts der Millionen und Milliarden von Einzelkomponenten in modernen Computern. Die Anforderungsspezifikation, die definiert, was von einem System geleistet werden soll, ist der Startpunkt eines jeden Rechnerentwurfs und entscheidet maßgeblich über dessen Erfolg. Darauf aufbauend muss der Rechnerarchitekt entscheiden, welche Systemfunktionen in Hardware und welche in Software, also in Form von Programmen, realisiert werden sollen. Schließlich muss er sich überlegen, wie er die Hardware so konzipiert, dass sie die funktionalen und nichtfunktionalen Anforderungen an das System erfüllt. Dabei steht vor allem eine Frage im Mittelpunkt: Welche Möglichkeiten gibt es, in der Entwurfsphase auf die Leistungsfähigkeit des zu entwickelnden Systems Einfluss zu nehmen und diese zu verbessern, ohne dabei jedoch die Kosten in die Höhe zu treiben? Dabei geht es unter anderem um die Erhöhung der Rechenleistung, die sich zum Beispiel durch das sogenannte Pipelining oder die Anordnung der Speicher innerhalb eines Systems optimieren lässt.

Die Leistungsfähigkeit, Kompaktheit und Allgegenwart moderner Computer ist schlichtweg beeindruckend. Computerchips sind heute so klein und unauffällig, dass sie selbst in den kleinsten Alltagsgeräten Platz finden. Das menschliche Fortschrittsstreben einerseits und die Grenzen dessen, was technisch realisierbar ist andererseits stellen den Rechnerarchitekten vor immer neue Herausforderungen. Jedoch: Die Miniaturisierung und das von Moore vorhergesagte Wachstum stoßen irgendwann an ihre physikalischen und ökonomischen Grenzen. Ein Umdenken findet statt: Es geht nicht länger nur darum, die Chips immer kleiner und besser zu machen. Stattdessen stehen die Anwendungen im Mittelpunkt, aus denen abgeleitet wird, welche Chips in der immer mobileren Welt der Computer benötigt werden – eine Strategie, die auch mit „more than Moore“ (zu Deutsch „mehr als Moore“) umschrieben wird. Die Suche nach Möglichkeiten, die Rechenleistungen von Computern auch über die physikalischen Grenzen der Miniaturisierung hinaus zu steigern, geht weiter: Während die einen in unserem Erbgut die Hardware der Zukunft sehen, wollen andere Quanten bändigen und für Rechenoperationen nutzen.

Wir hoffen, liebe Leserinnen und Leser, dass wir Ihnen in diesem Buch auf anschauliche und unterhaltsame Weise ein grundlegendes Verständnis von der Funktionsweise moderner Computer wie Smartphone, Tablet und Co. vermitteln konnten. Heutige Rechner sind hochkomplexe miniaturisierte Systeme, die riesige Datenmengen in kürzester Zeit verarbeiten können. Der Inhalt dieses Buches hätte daher auch um einiges subtiler und detaillierter ausfallen können. Allerdings war es uns in erster Linie wichtig, deutlich zu machen, dass die Arbeitsweise von Computern kein Hexenwerk ist, sondern vielmehr auf dem logischen Zusammenspiel unterschiedlicher Komponenten basiert – zugegebenermaßen einer sehr großen Anzahl von Komponenten. Wir würden uns freuen, wenn Sie durch die Lektüre dieses Buches einen Einblick in ein aus unserer Sicht hochspannendes und hochdynamisches Thema gewinnen konnten, das unser aller Leben heute und in Zukunft maßgeblich mitbestimmen wird.