Computertechnik oder auch Rechnertechnik ist der technische Bereich, der sich mit informationsverarbeitenden Anlagen und Geräten beschäftigt. In der Regel geht es um Computer. Die Grundlagen der Computertechnik bauen auf der Digitaltechnik und der Mikroelektronik auf.
Computertechnik besteht aus den Teilbereichen Rechnerarchitekturen, Prozessorarchitekturen, Speichertechniken und die Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine. Anwendung findet Computertechnik in Mikroprozessoren, Computern im allgemeinen und hardwarenaher Software. Die Computertechnik oder Rechnertechnik ist ein Bestandteil vieler Studiengänge. Zum Beispiel Informatik, Elektrotechnik und Automatisierungstechnik.
Motherboard / Mainboard
Das Motherboard ist der Grundbaustein eines Computers. Das Motherboard ist die Platine, auf der alle Systemkomponenten eines Computers eine physikalische und logische Verbindung erhalten. Die wichtigsten und einige leistungsbeeinflussenden Bauteile sind fest auf dieser Platine miteinander verbunden.
Im wesentlichen bestimmt die Ausstattung des Motherboards über System-Leistung, Erweiterbarkeit und Zukunftsfähigkeit eines Computersystems. Die meisten Motherboards sind auf eine bestimmte Anwendung mit einem bestimmten Prozessor zugeschnitten. Man kann also nicht jeden beliebigen Prozessor auf jedem Motherboard verwenden. Der Einsatz eines Prozessors hängt vom Motherboard bzw. vom Prozessorsockel und dem Chipsatz ab.
Speicherarchitektur
Speicher dienen in der Computertechnik zur Aufbewahrung von Informationen in binärer Form. In der Regel sind das Folgen von Nullen und Einsen. Gespeichert werden Programme und Informationen. Je nach Verarbeitungszustand befinden sich diese Daten an unterschiedlichen Stellen innerhalb der Speicherarchitektur eines Computersystems.
Ein optimaler Datenspeicher würde aus einem Datenträger bestehen, der große Datenmengen dauerhaft aufnehmen kann und gleichzeitig sehr schnell ist. An allen drei Eigenschaften hat man bei der Entwicklung von Datenspeichern immer wieder gearbeitet. Leider waren alle Anforderungen zusammen nie erfüllbar. Entweder war der Speicher zu klein, zu langsam oder hat bei abgeschalteter Energieversorgung seinen Speicherinhalt verloren. Aus diesem Grund hat man eine zweistufige Speicherarchitektur entwickelt, die zwischen Primärspeicher und Sekundärspeicher unterscheidet.
Prozessor / CPU
Der Prozessor, Hauptprozessor oder die CPU ist heutzutage das Herzstück eines jeden elektronischen Geräts. Er wird in Smartphones, Taschenrechnern und in Computern, für die er eigentlich erfunden wurde, eingesetzt. Eine Welt ohne diese Rechengenies ist undenkbar.
Die bekanntesten Prozessoren stammen von Intel und AMD. Es gibt aber noch viele weitere Prozessor-Hersteller. Doch die spielen in den weiteren Ausführungen weniger eine Rolle. Im Bereich der Entwicklung und Herstellung von Prozessoren haben Intel und AMD eine führende Rolle. Das betrifft vor allem den Markt-Bereich für Embedded-PCs, Server, Desktop und Notebooks. Im Bereich der Smartphones, Tablets und Haushaltsgeräte spielen Intel und AMD keine Rolle.
Prozessor-Architektur
Die Architektur moderner Prozessoren ist sehr komplex. Um ein Grundverständnis für die Arbeitsweise von Prozessoren zu bekommen, verwendet man eine vereinfachte Architektur, die auch für moderne Prozessoren gültig ist.
Obwohl jeder Mikroprozessor für eine spezielle Anwendung entwickelt wird, sind sie vom Grundaufbau her alle gleich. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die logische Zusammensetzung eines Prozessors.
Ein Prozessor besteht grob gesehen aus Rechenwerk, Leitwerk und internem Speicher. Über ein Bus-Interface greift der Prozessor auf einen externen Bus, den Systembus zu. Moderne Prozessoren haben zusätzlich interne Speicher, einen integrierten Speichercontroller und Coprozessor-ähnliche Verarbeitungseinheiten, die in den Chip integriert sind.
RAM - Random Access Memory
RAM bezeichnet einen Speichertyp dessen Speicherzellen über ihre Speicheradressen direkt angesprochen werden können. In diesem Zusammenhang wird auch von "wahlfrei" gesprochen, was sich auf "random" bezieht und nichts mit "Zufall" oder "zufälligem Zugriff" zu tun hat. In diesem Zusammenhang spricht man von "Speicher mit wahlfreiem Zugriff" oder "Direktzugriffsspeicher". Auf andere Speicherarten (zum Beispiel Flash) kann man nur blockweise zugreifen. RAM erlaubt den Zugriff auf jede einzelne Speicherzelle. Bei ROM (Read-Only-Memory, Nur-Lese-Speicher) funktioniert das genauso. Bei RAM funktioniert es lesend, wie auch schreibend. Doch wird die Stromversorgung abgeschaltet gehen die Daten im RAM verloren.
Grafikkarten
Die Grafikkarte berechnet visuelle Daten und gibt sie über eine Schnittstelle aus, an der ein Bildschirm angeschlossen ist. Auf dem Bildschirm wird dann die Benutzeroberfläche von Betriebssystem und Anwendungsprogrammen dargestellt.
Grafikkarten bzw. deren Funktionen bestimmen maßgeblich die Systemleistung und Eigenschaften eines Computers. Wobei die Leistung der Grafikkarte in der Hauptsache für Computerspiele und umfangreiche Grafikdarstellungen relevant ist. In komplexen Spielszenen berechnet die Grafikkarte detaillierte Objekte und die richtige Beleuchtung. Während der Hauptprozessor allgemeine Berechnungen erledigt und zum Beispiel das Verhalten von Spielfiguren berechnet, übernimmt die Grafikkarte die Berechnung beispielsweise von physikalischen Phänomenen, Explosionen und einstürzenden Gebäuden. Wenn die Bildschirmdarstellung bei diesen Bewegungen oder Verschiebungen ruckelt, dann ist die Grafikkarte, insbesondere der Grafikprozessor (GPU), bei der aktuell gewählten Auflösung und Detailtiefe nicht leistungsfähig genug.
Zunehmend wird die Grafikverarbeitung von der Grafikkarte in den Hauptprozessor verlagert. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Zeit der Grafikkarten vorbei ist. Es ist eher so, dass die Grafikfunktionen, die bereits "onboard" im Chipsatz integriert sind, gleich in den Prozessor zu integrieren. Konsequenterweise muss die Grafikausgabe dann auch vom Prozessor aus erfolgen.
Anders als man denkt profitieren Bildbearbeitungsprogramme vor allem von einer schnellen CPU und viel Arbeitsspeicher. Die Grafikkarte bzw. der Grafikprozessor verbessert in der Hauptsache die Geschwindigkeit der Bildschirmdarstellung. Zum Beispiel beim Verschieben von Fenstern und Bildelementen, stufenloses Zoomen und Drehen der Zeichenfläche. Nur in bestimmten Fällen unterstützt die Grafikkarte das Computersystem direkt bei der Verarbeitung von Bild- und Videodaten. Zum Beispiel beim Abspielen und Transcodieren von Videos.
Wie produziert eine Grafikkarte ein Bild?
Die Darstellung bzw. Berechnung eines Bildes beginnt in der Software. Zum Beispiel in einem Spiel oder einer Bildbearbeitungssoftware. Innerhalb des Programmcodes werden auch Befehle zur Darstellung von Bildinformationen abgearbeitet. Diese Befehle werden an das Betriebssystem übergeben. Hier steht zum Beispiel DirectX oder OpenGL zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung. Ein Grafikkarten-Treiber übersetzt dann die Befehle von DirectX, die dann von der Grafikkarte ausführt werden. Jede Grafikkarte benötigt einen eigenen Treiber für jedes Betriebssystem, um optimal zu arbeiten. Betriebssysteme stellen auch Standard-Treiber zur Verfügung. Die unterstützen aber nur rudimentäre Funktionen. Ein Treiber dient als Schnittstellen zwischen Hardware und Software.Die Pixel werden in Pipelines nacheinander verarbeitet. Im Optimalfall stehen mehrere Pipelines zur Verfügung. Dann können mehrere Bearbeitungsschritte parallel ablaufen und der Bildaufbau schneller berechnet werden. Innerhalb der Pipeline gibt es die Shader, die den Pixelflächen Farben oder geometrische Formen geben können. Shader treten vor allem dann in Aktion, wenn grafische Effekte gefordert sind. Ist ein Bild vollständig, dann vergisst die Grafikkarte alle Berechnungen und beginnt beim nächsten Bild mit den Berechnungen wieder von vorn. Nur die geladenen Vertex-Buffer, Texturen und Shader-Programme bleiben erhalten, wenn die GPU sie im nächsten Bild wieder benötigt. Es werden dann nur neue Daten ergänzt. Zum Beispiel dann, wenn neue Objekte oder Details im Bild auftauchen.