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ja wie funktioniert denn nun so eine Maschine?
Klar es fließen Elektronen durch (ferromagnetische) Leiter z. B. Kupfer.
Wenn wir uns mal auf das Wesentliche, also den Prozessor und ein wenig Speicher beschränken und alles drumherum wie Festplatten, CD-Laufwerke, Tastatur oder die Titan-Neon-Hyperflow-Supercooling-Einheit weglassen:
a) Mit Magnetismus hat das Ganze nichts zu tun.
b) Kupfer ist von allen relevanten, elektrisch leitenden Materialen jenes, das am wenigsten zum Rechenprozess beiträgt. Schaltvorgänge wären ohne Halbleitermaterialien, von denen das bekannteste sicher Silizium ist, nicht möglich. Kupfer dient lediglich als Zuleitung, die Halbleiterscheibe wird mit den Anschlüssen des Chips zudem eher mit Goldfäden verbunden.
c) In modernen Schaltkreisen wird nicht mehr der Strom genutzt, sondern einzig das Vorhandensein einer Spannung. Das, was an Strom in den Prozessor rauscht, sind Verluste, die beim Weitergeben einer Spannung entstehen. Das kannst du dir ein bisschen wie bei einer Eimerkette vorstellen: Da fließt auch kein Wasser, aber es wird trotzdem immer neues Wasser benötigt.
Aber was passiert in der CPU wie weiss der Strom wohin er fließen muss, im Motherboard und wie wird dieser Stromfluss ausgewertet und weiterverarbeitet?
Halbleiter
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In normalen Leitern werden Elektronen wie in einer Perlenkette weitergereicht, schiebt man vorne eins rein, fällt hinten eins raus, die dazwischen hüpfen jeweils zum nächsten Atom.
In Halbleitern kann man, technisch-physikalisch nicht so ganz korrekt dargestellt, Löcher in dieser Perlenkette produzieren oder aber einen Überschuss an Elektronen vorsehen. Diese Unregelmäßigkeit stört den Elektronenfluss bzw. unterbricht ihn, nur durch eine zusätzliche Spannung in diesem Bereich bringt man den Kram wieder in Bewegung (Spannung bedeutet immer, das Elektronen angezogen oder abgestoßen werden). Alternativ kann man auch zusätzliche Elektronen in den Bereich "einschießen" bzw. "absaugen", diese Technik ist aber in modernen Rechensystemen wegen des Stromverbrauchs nicht mehr in Verwendung, siehe Punkt c) oben.
Das Ganze funktioniert übrigens auch andersrum, man kann durch eine zusätzliche Spannung alle Elektronen aus einem Bereich "verjagen" und damit den Fluss unterbrechen.
Transistor
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Grundbaustein ist immer der Transistor, ein in der Funktion simples Bauteil, das als Schalter eingesetzt wird: Es hat drei Anschlüsse, einen Eingang, einen Ausgang, dazwischen der (Halbleiter-) Schalter. Der Schalter wird über den dritten Anschluss gesteuert, wird Spannung angelegt, öffnet der Schalter, wird sie weggenommen, schließt der Schalter (oder umgekehrt, je nach verwendetem Halbleiter, das tut jetzt aber erstmal nichts zur Sache).
Binärlogik
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Mit zwei solchen Schaltern kannst du schon zwei wichtige, wenn nicht die wichtigsten Logikschaltungen bauen, die Und- und die Oder-Schaltung. Hängst zu zwei Schalter in Reihe, hast du eine Und-Schaltung, das bedeutet, Schalter 1 UND Schalter 2 müssen eingeschaltet sein, um die gesamte Schaltung (das Ergebnis) einzuschalten:
(+)····Schalter 1····Schalter 2····Lampe····(-)
Analog läuft es bei der Oder-Schaltung, nur das die Schalter hier parallel sitzen. Es kann daher Schalter 1 ODER Schalter 2 die Lampe zum Leuchten bringen:
(+)·····Schalter 1···
· ·
···Schalter 2·····Lampe·····(-)
Eine Und-Schaltung wird meist mit einem &, eine Oder-Schaltung mit einem | gezeichnet. Als dritte Schaltung gibt es noch das Nicht, als Einzelschaltung bekommt es meist ein !. (Es gibt noch andere Darstellungmöglichkeiten, die lassen sich hier aber schlechter wiedergeben, deshalb bleibe ich der Einfachheit halber bei denen sicher auch aus Programmiersprachen bekannten.)
Mit diesen drei Grundschaltkreisen kannst du nicht nur weitere Logikschaltungen, sondern auch einen kompletten Computer aufbauen.
Rechnen
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Mit unseren Und- und Oder-Schaltungen können wir jetzt schon rechnen, genauer gesagt eine binäre Addition durchführen. Es gibt vier Möglichkeiten, zwei Binärzahlen zu addieren:
A B Q R
0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 0 = 1
1 + 1 = 0, Übertrag 1
Du wirst schnell erkennen, dass das in den ersten drei Zeilen eine Oder-Schaltung ist:
A ····
|··· Q
B ····
Für den Fall 1 + 1 müssten wir das noch etwas erweitern:
A ····
|·······
B ···· ·
&··· Q (Summe)
A ···· ·
&···!···
B ···· ·
········· R (Übertrag)
Fertig ist die 1-Bit-Addierschaltung. Du wirst sie unter Elektronikern auch als Exklusiv-Oder-Schaltung finden, das ist eine Oder-Schaltung, die nur dann "Ein" ausgibt, wenn wirklich nur ein einzelner Eingang "ein" ist.
Speicherzellen
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Da wir das Ergebnis auch irgendwo zur Weiterverarbeitung hinpacken wollen, muss es in einer Speicherzelle gespeichert werden. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten, eine wäre das Flipflop. In dem Artikel wirst du nicht nur sehen, dass sich auch eine Speicherzelle wieder aus den drei oben beschriebenen Logikzellen zusammensetzt (bzw. zweien davon, dem Und und dem Nicht (im Schaltzeichen als ° am Ausgang zu erkennen), zusammengefügt zu einem NAND (not and)), sondern auch irgendwo einen Takteingang entdecken, der es ermöglicht, Schrittweise vorzugehen, eine essentielle Grundlage jeder Programmierung.
Computer
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Erscheint dir bis hierhin zu banal für einen richtigen Computer? Ist es auch, aber der Prozessor in deiner Kiste unterm Schreibtisch verfügt über gut und gerne 20 bis 30 Millionen Transistoren. Bedenke: Ein Computer ist stockdoof, aber sauschnell.
Gunnar Bittersmann
JürgenB