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Der Bau eines PCs - Referat
Der Bau eines PCs
von Jonas Hüsken
Mai 2022
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 3
2. Die Geschichte des Computers 3
3. Die Komponenten eines Computers 5
3.1 Das Mainboard 5
3.2 Der Prozessor 7
3.3 Die Grafikkarte 8
3.4 Der Arbeitsspeicher 9
3.5 Die Festplatte 9
3.6 Das Netzteil 10
4. Der Bau meines Computers 10
Schlusswort 13
1. Einleitung
Ich habe dieses Thema für meine Achtklassarbeit gewählt, weil mich Computer schon länger interessieren und ich immer schon selbst einen bauen wollte. Ich habe dann angefangen, mich darüber zu informieren und habe mich dann für dieses Thema entschieden. Im theoretischen Teil der Arbeit beschäftige ich mich mit der Geschichte des Computers und wie er funktioniert.
2. Die Geschichte des Computers
Die Geschichte des Computers reicht bis in die Antike. Computer ist ein lateinisch-englisches Wort und bedeutet soviel wie Rechenmaschine oder einfach Rechner. Die damaligen Computer waren jedoch eher wie ein mechanischer Taschenrechner. Die vermutlich erste Rechenmaschine, das Räderwerk von Antykera, wurde 100 vor Christus erfunden. Doch durch die Völkerwanderungen ging viel Wissen verloren, welches erst im 13. Jahrhundert wiederentdeckt wurde. Die ersten richtigen Rechenmaschinen wurden im 17. Jahrhundert entwickelt. 1623 baute Wilhelm Schickard die erste „Vier-Spezies-Maschine. Sie beherrschte Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division. Dieses Gerät war der erste mechanische Rechner. Er ähnelte einem mechanischen Uhrwerk. Bei einer Uhr handelt es sich ja auch um eine Zahlenmaschine, die allerdings nur die Addition von eins beherrscht. Mit der Zeit wurde diese Technik bis heute weiterentwickelt. Dieses Gerät war der erste mechanische Rechner. 1837 entwarf Charles Babbage eine „Analytische Maschine“, die ebenfalls die vier Grundrechenarten beherrschte und programmierbar war. Die dazu gehörige Software hatte Babbages Mitarbeiterin Ada Lovelace geschrieben (damit galt sie als erste Programmiererin überhaupt). Heute weiß man, dass Babbages mit Dampf betriebene Maschine funktioniert hätte, doch ihr Bau scheiterte an mangelnden Einzelteilen und finanziellen Mitteln.
1938 entwickelte Konrad Zuse den Zuse Z3, welcher die Entwicklung der Computer als erster Digitalrechner revolutionierte. 1946 erschien mit dem ENIAC der erste Röhrencomputer. Ab 1958 wurden statt Röhren meist Transistoren als Schaltelement verwendet. Dadurch wurden die Computer um einiges kleiner, da Röhrencomputer meist ganze Räume in Anspruch nahmen. 1970 wurden dann die ersten Mikroprozessoren entwickelt. Da Mikroprozessoren besonders klein sind, sind sie ein sehr wichtiger Teil der Entwicklung von Personal Computern (PCs). Im Jahre 1975 entwarf Ed Roberts den Altair 8800. Er gehörte zu den ersten Vorläufen der PCs. Einer der ersten PCs war der von Apple entwickelte Apple II.
1992 entwickelte Microsoft Windows 3.1 und 1995 Windows 95. Seitdem arbeiten die meisten PCs mit Windows. Mit der Zeit entwickelten sich PCs, Notebooks, Smartphones und Tablets rasant immer weiter. Heutzutage hat fast jeder ein internetfähiges Gerät und Computer und das Internet sind aus unserer heutigen Welt kaum noch wegzudenken.
3. Die Komponenten eines Computers
Die Hauptkomponente eines Computers ist das Mainboard, oder auch Motherboard genannt. Dann gibt es noch den Prozessor, die Grafikkarte, den Arbeitsspeicher, die Festplatte, das Netzteil, die Lüfter und die Kühler. Das Ganze wird dann zusammengebaut und in das Gehäuse geschraubt.
3.1 Das Mainboard
Von dem Mainboard aus werden alle andere Teile des PCs mit Strom und Informationen versorgt. Auf dem Mainboard werden Prozessor und Arbeitsspeicher (RAM) befestigt. Das technisch Wichtigste auf dem Mainboard ist der Chipsatz. Er sorgt dafür, dass die Komponenten miteinander kommunizieren können. Früher bestand der Chipsatz aus zwei Einheiten, die Southbridge und die Northbridge. Eine ist für Dinge wie Prozessor, Arbeitsspeicher und Grafikkarte zuständig und die andere kümmert sich um die Übertragung von Dingen wie Internet, Audio oder Maus und Tastatursignal. Doch heutzutage werden immer mehr dieser Aufgaben von dem Prozessor übernommen. Es können nur bestimmte Mainboards mit bestimmten Prozessor-Typen zusammenarbeiten. Die Daten werden mithilfe sogenannter Bussysteme übermittelt (das sind diese zackigen Linien, die man vielleicht schon einmal auf einer Platine gesehen hat.) Es gibt mehrere Busse. Der Datenbus überträgt die Daten, der Adressbus ermittelt Speicheradressen und der Steuerbus steuert dieses Bussystem.
Auf dem Motherboard befinden sich verschiedene Anschlüsse, unter anderem der PCI Express, an dem zum Beispiel Grafikkarten angeschlossen werden. Die aktuelle Version ist PCI 3.0 und mit dieser Version können 16 Gigabyte pro Sekunde, also 137.438.953.472 Einsen und Nullen pro Sekunde, übertragen werden.
Die Steckplätze für den Arbeitsspeicher (RAM) liegen auf einem Mainboard direkt neben dem Prozessor, was daran liegt, dass der RAM immer sehr eng mit der CPU zusammenarbeitet. Der Prozessor lagert nämlich die Daten für die aktuell verwendeten Programme im RAM aus. Das muss sehr schnell gehen und da können ein paar Zentimeter Abstand einen Unterschied machen. Auch beim RAM gibt es verschiedene Varianten, die nur mit bestimmten Mainboards zusammenpassen, man muss also aufpassen, was man kauft. Ebenfalls um den Prozessor herum befinden sich auf dem Mainboard Spannungswandler. Sie wandeln die Spannung des Stroms, den das Mainboard bekommt, in Spannungswerte um, die die CPU benötigt. Am Rand des Mainboards befinden sich Anschlüsse für USB, Netzwerk, Monitore, Lautsprecher und Mikrofon. Ein sehr wichtiger Teil des Mainboards ist das BIOS (Basic Input/Output System). Das ist eine Software, die sich auf dem Mainboard befindet. Nach dem Start des PCs überprüft das BIOS, ob die Hardware des PCs funktioniert und startet dann das Betriebssystem. Die Einstellungen des BIOS werden auf einem kleinen Speicher gespeichert, welcher Strom benötigt um diese Daten nicht zu verlieren. Dafür ist die BIOS-Batterie zuständig.
3.2 Der Prozessor
Der Prozessor, welcher auch CPU also Central Processing Unit genannt wird, ist sozusagen das Gehirn jedes PCs. Er rechnet wie alle Komponenten mit den Zahlen 1 (Strom fließt) und 0 (kein Strom fließt), sogenannten Binärkodes alles aus, was was der PC machen soll. Er besteht meist aus mehreren Kernen, welche jeweils aus einem Steuerwerk, einem Rechenwerk, zwei Arten von Cache Speichern und Registern bestehen. Außerdem hat er noch einen gemeinsamen Cache, den sich die Kerne teilen und einen Speichermanager. Das Steuerwerk sorgt dafür, dass Befehle aus dem Speicher geladen und interpretiert werden. Dafür werden sehr schnelle Speicher, sogenannte Register benutzt: Das Befehlsregister mit dem aktuellen Befehl, den Befehlszähler, welcher die Speicheradresse des nächsten Befehl enthält und ein Statusregister, der dann Status der aktuellen Aktion speichert.
Dann gibt es noch einen Befehlsdecoder, welcher aus aus Einsen und Nullen Befehle macht. Diese Befehle werden dann an das Rechenwerk weitergeleitet. Das Ergebnis landet dann wieder im Steuerwerk.
Der Speichermanager sorgt dafür, dass Daten aus der CPU mit dem des RAMs, wo die Daten des aktuellen Programms liegen ausgetauscht werden. Der RAM ist zwar schnell, doch nicht schnell genug. Deshalb gibt es im Prozessor noch den Cache. Er ist in drei Ebenen unterteilt: Den Level-1-Cache, der sich direkt im Prozessor befindet und so zwar sehr schnell ist aber auch sehr klein; den Level-2-Cache, welcher außerhalb des Kerns liegt also langsamer ist aber dafür auch größer. Und den Level-3-Cache, der noch größer ist und langsamer.
3.3 Die Grafikkarte
Die Grafikkarte, auch GPU (Graphics Processing Unit) berechnet das Bild, welches auf dem Monitor angezeigt werden soll. Eine Grafikkarte setzt sich aus einer Platine, Spannungswandlern, dem Videospeicher und einem Grafikprozessor zusammen. Die Platine ist sozusagen das Mainboard der Grafikkarte. Auf ihr befindet sich alles was für die Berechnung eines Bildes notwendig ist. Auf der Platine ist auch ein PCI-Express-Anschluss, mit dem man die Grafikkarte mit dem Mainboard verbinden kann. Die meisten modernen Grafikkarten brauchen sehr viel Strom. Je nach Model ist sie sogar die Komponente eines PCs, welche am meisten Strom verbraucht. Diesen Strom bekommt sie zum einen über den PCI-Anschluss und zum anderen über Kabel, die vom Netzteil zur Grafikkarte führen. Doch da die Grafikkarte eine bestimmte Spannung braucht, wandeln die Spannungswandler diesen Strom in die passende Spannung um. Wie die CPU, hat die GPU auch einen kleinen RAM. Der VRAM (Video Random Access Memory), wird dazu genutzt Daten zwischen zu speichern. Je mehr Kapazität dieser VRAM hat, desto komplexere Grafiken und Videos kann er abspielen. Der Grafikchip macht an sich das gleiche wie die CPU, doch sie sind trotzdem unterschiedlich aufgebaut. Während in einer CPU nur ein paar Kerne vorhanden sind, haben Grafikkarten mehrere tausend, wodurch sie mehr Aufgaben gleichzeitig erledigen kann. Dafür haben CPUs einen deutlich höheren Takt, wodurch Aufgaben schneller verarbeitet werden.
3.4 Der Arbeitsspeicher
Der RAM – Random Access Memory oder auch Arbeitsspeicher speichert Daten anders als die Festplatte nur für kurze Zeit zwischen und auch nur wenn er Strom bekommt. Er ist auch um ein Vielfaches schneller. Anders als bei Flash, bei dem man nur auf Speicherblöcke zugreifen kann, oder ROM Read Only Memory, der nur lesen kann, kann man beim RAM auf jede Speicherzelle zugreifen und er kann sowohl Daten speichern, als auch lesen. Er speichert Daten wahlfrei. Deshalb auch „random“ access Memory, was nichts mit Zufall zu tun hat. In diesem Arbeitsspeicher werden Programme und Daten von externen Speicherträgern und Festplatten geladen. Zur schnellen Verarbeitung kann der Prozessor darauf zugreifen, verarbeiten und danach wieder in den Arbeitsspeicher schreiben.
3.5 Die Festplatte
Eine Festplatte ist das Speichermedium in einem PC. Alle Dokumente, Bilder, oder Programme werden dort gesichert. Es gibt HDDs (Hard Disc Drives) und SSDs (Solid State Drives). Eine HDD speichert alles auf einer sich drehenden Metallscheibe und sieht von innen ein bisschen wie ein kleiner Plattenspieler aus. Wenn ein magnetischer Impuls des Schreib-und Lesekopfes auf eine Stelle dieser Scheibe angesetzt wird, bleibt dieser Bereich magnetisiert. Auf diese Art können mit Einsen und Nullen, welche am Ende einen Text ergeben, in Form von magnetisch und nicht magnetischen Stellen auf der Scheibe geschrieben werden. Eine SSD ist schneller aber dafür auch teurer. In der SSD werden die Daten in einem Flash Speicher gespeichert, welcher keine mechanischen Teile hat und somit energiesparender, schneller und geräuschlos ist. Es gibt mehrere Flashmodule, welche mit dem Speichermanager verbunden sind. In diesen Modulen werden Speicherzellen in Pages zusammengefasst, welche dann in Blöcke zusammengefasst werden. In einem Block befinden sich zwischen 128 und 256 Pages. Daten werden immer blockweise geschrieben und gelöscht. Man könnte zwar auch Pages löschen doch die Spannung, welche dazu benötigt werden würde, würde einen schnellen Verschleiß verursachen.
3.6 Das Netzteil
Um all die Komponenten mit Strom zu versorgen, braucht man ein Netzteil. Es vermindert die 220V-Spannung aus der Steckdose und gleicht Stromschwankungen aus. Hier muss man schauen wie viel Watt (1 Watt = 1 Joule pro Sekunde) man für seinen PC benötigt.
4. Der Bau meines Computers
Ich habe mich zuerst über ein halbes Jahr hinweg mit Computern und was man dafür braucht beschäftigt und habe dann die Komponenten gewählt, die ich für meinen PC verwenden wollte. Eine der schwersten Aufgaben war, eine Grafikkarte zu einem vernünftigen Preis aufzutreiben. Zurzeit sind Grafikkarten und generell Chips sehr teuer und schwer zu bekommen. Das hat verschiedene Gründe. Zum Beispiel mussten durch Corona viele Fabriken schließen und die Nachfrage stieg an. Ein zweiter, sehr wichtiger Grund ist, das Cryptowährungen, wie Bitcoin oder Ethereum sehr wertvoll geworden sind. Das Problem an diesen Währungen ist nur, dass alle Transaktionen in einer Datenbank gespeichert und verschlüsselt werden und für die Ver- und Entschlüsselung wird sehr viel Rechenleistung benötigt. Man kann seine Grafikkarten für diese Transaktionen zur Verfügung stellen und bekommt dann Geld in Form von der jeweiligen Währung ausgezahlt. Das Ganze scheint sich so sehr zu lohnen, dass einige Menschen ganze Lagerhallen voller Grafikkarten besitzen und sie dafür zur Verfügung stellen.
Ich habe die Komponenten dann bestellt und zusammengebaut. Beim Zusammenbau muss man darauf achten, das man nicht mit statischer Elektrizität geladen ist, da sonst beim Berühren elektronische Teile beschädigt werden können. Als erstes habe ich das Mainboard zum Einbauen bereit gemacht, also die CPU auf dem Mainboard platziert und befestigt, die RAM-Riegel in die Steckplätze gesteckt und die SSD befestigt. Danach habe ich das Mainboard in das Gehäuse geschraubt. Als das Mainboard im Gehäuse war habe ich das Netzteil darin befestigt. Nachdem ich das getan habe, habe ich den CPU-Kühler auf die CPU montiert, die Grafikkarte eingebaut und die Gehäuselüfter in das Gehäuse geschraubt und dafür gesorgt, dass alles mit Strom versorgt wird. Nachdem man den PC eingeschaltet hat, landet man normalerweise im „Boot Menü“. Diese Menü ist je nach Mainboard etwas unterschiedlich aber eigentlich funktionieren alle gleich, doch die Grafikkarte hat aus irgendeinem Grund kein Bild angezeigt. Zum Glück habe ich einen Prozessor mit einer kleinen Grafikeinheit gekauft. Also konnte ich die Grafikkarte wieder ausbauen und diese schwache, aber für unkomplizierte Anwendungen ausreichende Grafikeinheit, der CPU, benutzen und über diese haben wir dann ein Bild bekommen. Man muss sich dann für ein Betriebssystem entscheiden, zum Beispiel Windows oder Linux. Die sind eigentlich alle gleich gut aber je nachdem wofür man den PC benutzen möchte, sind manche eben besser oder schlechter geeignet. Ich habe mich für Windows 10 entschieden, weil es viele Programme gibt, die nur für Windows verfügbar sind. Als nächstes braucht man einen anderen PC von dem man dann aus dem Internet das Betriebssystem herunterlädt und auf einen USB Stick überträgt. Aber wenn dieser PC kein Windows hat kann man nicht das gleiche Windows bekommen, was man mit einem Windows-PC bekommen würde und da wir nur Apple-PCs im Haus haben, habe ich eben diese andere Version genommen. Doch als ich es dann auf meinen PC übertragen wollte, kam nur immer die Meldung, das keine Speicherpartitionen erstellt werden konnten. Ich habe zusammen mit meinem Vater einiges ausprobiert doch es hat nicht geklappt. Ich habe dann einen Freund gefragt ob ich versuchen kann es von seinem Windows-PC herunter zuladen. Als ich es damit versucht habe, kam die Meldung, dass Windows aus einem unbekanntem Grund nicht installiert werden konnte. Ich habe mir dann für 15€ eine 100-GB-SSD gekauft, auf welche Windows installiert werden konnte. Wenn man Windows installiert und sich angemeldet hat, muss man noch ein paar Treiber installieren. Die Aufgabe von Treibern ist es, am Computer angeschlossene Hardware zu erkennen und mit dieser zu kommunizieren. Sie sind wie Vermittler. Ganz simpel könnte man also sagen, dass Treiber wie Dolmetscher funktionieren, die die Sprache der jeweiligen Hardware für den Computer übersetzen.
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