Wie funktioniert die Software eines Computerchips?

Was mir bis heute nicht aufgegangen ist, ist die Funktion von Software und Hardware.

Ich kann mir erklären, dass ein Computerchip eine komplexe Maschine ist.
Diese besteht aus Leiterbahnen und Transistoren und ist logisch angeordnet.
So werden kleine Lampen angesteuert die ein Bild simulieren.
Das ganze passiert durch elektrische Signale.

Soweit verstehe ich wie ein Computer funktioniert.

Doch spätestens bei der Software hört mein Verständnis gänzlich auf.
Was ist die Software ?

Was passiert, wenn ein Computerchip programmiert wird ?

Ich meine die Software wird doch nur simuliert und existiert gar nicht !
Die Änderungen müssen also alle direkt die Hardware betreffen.
Strukturiert man also durch Programmierung lediglich Transistoren von 0 (an) auf 1 (aus) um oder wie ?

5okrates schrieb:Strukturiert man also durch Programmierung lediglich Transistoren von 0 (an) auf 1 (aus) um oder wie ?

 
Stark vereinfacht, aber grundsätzlich ja. Software/Programme basiert/basieren auf Algorithmen/Anweisungen mit denen letztendlich Transistoren gesteuert werden.

transistoren scheinst du schon verstanden zu haben(schalter in dem fall 0/1)
schaue dir nun "gatter" an(aus transistoren gebaut - AND, OR usw...)
damit laesst sich dann "rechnen"(addieren, subtrahieren, ...) und es lassen sich logische operationen ausfuehren(negieren z.b)

des weiteren schaue dir zahlensysteme an(vor allem binaer und hexadezimal)

damit wird einiges viel klarer;)

@5okrates

das was an dem Chip "programmiert" wird ist ein sogenannter EEPROM oder halt Flash-Speicher. In diesen wird das fertige Programm eine sogenannte "binary" gespielt.

Dies sind spezifische Befehle, die halt die jeweilige CPU und restliche Hardware genauso ansteuern können wie vorgesehen, also Maschinencode.
Dieser wurde vorher "übersetzt" bzw. kompiliert, da es viel zu kompliziert wäre selber diesen Maschinencode zu schreiben (so war es evt. noch in den 50ern).

Am Ende sind es nur Befehle in Form von 0 und 1, die halt die jeweiligen Transistoren steuern. Das Prinzip hat sich in den letzten 60 Jahren eigentlich nicht geändert. Selbst der schnellste Core i7 bzw. die schnellste Geforce GTX1080 arbeitet noch nach dem selben Schema.

Auch ein Grund warum irgendwann die Grenze erreicht ist und etwas vollkommen neues her muss. Stichwort Quantencomputer.
Das Ganze Spiel kann man nicht ewig weiter optimieren und forttreiben.

Ich meine das Intel oder Nvidia auch schon mal was in der Richtung gesagt hat, also das die Grenzen des Machbaren in greifbarer Nähe sind.

Für den Fall, dass jemand in der Nähe von Paderborn ist, der keinen Schimmer von dem ganzen Computerszeug hat,

http://www.hnf.de/start.html

nach einem Besuch in dem größten Computermuseum der Welt versteht der auf einmal Dinge ...

Nur mal so als Tipp, auch wenn es ein wenig offtopic ist.

Da hier ja schon vielfach was zur Elektrotechnik-Schiene gesagt wurde (obwohl ja mehr die Frage an die
Funktionsweise von Software gerichtet war) mal noch was zum Berechnungsmodell bzw. der Turingmaschine.

Die Turingmaschine ist das Mathematische-Modell unserer heutigen Rechner, so gesehen ist jeder Pc eine Turingmaschine.
Zur Turingmaschine findest du im Netz endlose Erklärungen und Beispiele, wovon einige sicherlich auch halbwegs anschaulich
deren Funktionsprinzip erklären.

Nun aber zur Software bzw. den Programmen. Der Rechner ist nicht nur eine Turingmaschine sondern auch eine Sonderform
der Turingmaschine, die sogenannte universelle Turingmaschine. Diese ist in der Lage beliebige andere Turingmaschinen zu
simulieren. Nichts anderes sind Programme ... Turingmaschinen die von unserer universellen Turingmaschine (Rechner) simuliert werden.

Nun etwas weniger abstrakt, jedes Programm ist auf Festplatte gespeichert, sobald es ausgeführt wird, wird es in den Arbeitsspeicher
geladen und der zum Programm zugehörige Befehlssatz wird von der CPU abgearbeitet (Dies stellt die Simulation der Turingmaschine dar).

Dann doch nochmal was Hardwarenahes, aber dafür sehr anschaulich:

Let´s Build - 8 Bit Computer

Der gute Mann baut in dieser kurzen Serie einen eigenen 8-Bit Computer (eigentlich nur die CPU) aus einfachen NAND-Gattern und
ein paar Transitoren. Er erklärt auch anschaulich wie das Ganze funktioniert (angefangen bei 0 und 1 bzw. den Transitoren bis hin zum Zusammenspiel aller Komponenten).

Okay wir sind jetzt in das Gespräch eingestiegen,
nun versuche ich es auf dasjenige zu vertiefen,
was mich wirklich interessiert.

Z.B dieser Satz : "In diesen wird das fertige Programm eine sogenannte "binary" gespielt."

Was ist das Programm ?

Für mich existiert in einer Maschine ausschließlich Hardware und keine Software.
Die Maschine denkt nicht.
Sie hat keine psychischen Eigenschaften wie Bewusstsein.

Mithin ist das Programm also was genau ?

@5okrates

hmm ein fertiges Programm. Von mir aus eine exe-Datei unter Windows bspw.

Mithin ist das Programm also was genau ?

eine folge von anweisungen(befehlen) - mathematische, logische, transportbefehle und natuerlich auch ablaufsteuerungen(bedingungen, schleifen, ...)

Wie kann eine Maschine Anweisungen, mathematische, logische Befehle erkennen ?

5okrates schrieb:Wie kann eine Maschine Anweisungen, mathematische, logische Befehle erkennen

vielleicht bessere Frage wie kann sie sie verarbeiten.

Okay das heißt es bleibt dabei, die Software existiert nicht, sie wird simuliert.
Bei der Programmierung wird nicht die Software eingestellt, sondern die Hardware.

@5okrates
auf was willst du genau hinaus?
kann es sein dass du ein paar der Begriffe "durcheinander" bringst?


Was verstehst Du unter "erkennen"?

5okrates schrieb:die Software existiert nicht

ich wuerde meinen sie existiert auf verschiedenen ebenen;)

zum einem in meinem kopf, dann in form von text, aus dem dann folgen von nullen und einsen werden und letztlich als die elektrischen potentiale(ein/aus) auf den leitungen und bausteinen der hardware.

@5okrates
Sag doch gleich dass dich das Technische gar nicht 
Interessiert und du auf den philosophischen Aspekt raus willst.

Ich finde ein Programn hat hinsichtlich dieses Aspekts Ähnlichkeit mit einem geschriebenen Text. Der Text entsteht auch im Kopf des Schreibers und wird dann durch das Schreiben Teil der "Realität".

Genauso ist es mit einem Programm, es ist sehr wohl real und existiert, aber es ist wohl trotzdem nicht exakt das Selbe wie die Gedanken aus denen es entstanden ist.

Sogar das Simulieren passt zur Analogie mit dem Text. Simulieren wir nicht auch die Gedanken eines Anderen wenn einen Text lesen ?

@5okrates

Grob gesagt: Quellcode wird durch das kompilieren zu einer Ansammlungen von Einsen und Nullen. Diese liegen im Speicher des Mikrocontrollers vor. Ein Taktwerk "arbeitet" sich nun durch die einzelnen Speicherstellen durch, indem es die Speicherzellen der Reihe nach anspricht, und den an dieser Speicherstelle hinterlegten Zustand dem Befehlsdecoder zuführt. Dieser steuert dann entsprechend von außen das "Rechenwerk" des Prozessors an. Dies ist tatsächlich ein aus digitalen Gattern aufgebautes logisches Konstrukt, das je nach anliegendem Bitmuster eine unterschiedliche Operation ausführt. Dies kann z.B. sein, einen Wert in Register zu legen. Dazu müsste im Speicher also der Befehl für das Ablagen im Register, gefolgt von dem abzulegenden Wert stehen. Der nächste Befehl bewirkt dann bespielsweise meinetwegen ein Shift des Registers nach links.
Die Summer der Befehle wird als Befehlssatz des Mikrocontrollers bezeichnet.

Ein Befehlscode in Assembler geschrieben für den (uralten) 8051 Controller
MOV A, #55 RL A

Würde dann kompiliert in Hexadezimaler Schreibweise wie folgt aussehen:
0x 74 55 23
was binär
0111 0100 0101 0101 0010 0011
geschrieben wäre.
Das erste Byte (also die ersten acht Bit) würden dann dem Rechner sagen, dass die nächsten acht Bit in das interne Arbeitsregister zu schreiben sind, danach würden diese acht Bit in das Register abgelegt. Mit den letzten acht Bit des Codes oben, würde das Register um eine Stelle nach Links geschoben werden.
Ein Quellcode z.B. in C geschrieben ist nochmals eine Abstraktionsebene höher im Vergleich zu dem Assemblercode, im Grunde passiert aber hier auch nur, dass der Kompiler den Quellcode in Maschinenbefehle umsetzt.

"zum einem in meinem kopf, dann in form von text, aus dem dann folgen von nullen und einsen werden 

[...] (was passiert hier ?)

und letztlich als die elektrischen potentiale(ein/aus) auf den leitungen und bausteinen der hardware."

Wie werden die Nullen und Einsen in elektrische Potentiale umgewandelt ?
Meines Erachtens gibt es keine Nullen und Einsen im Computer, sie werden nur durch leuchtende Lampen simuliert !
Alles was auf dem Monitor steht, ist simuliert ... es existiert nicht, nur als Bild aus kleinen Lampen, welches uns etwas sagen kann ...
Das heißt im Computer selbst kann nichts digital existieren, sondern ausschließlich Elektronik ...

"Dies ist tatsächlich ein aus digitalen Gattern aufgebautes logisches Konstrukt,"

Wie soll etwas digitales in einer Maschine existieren die elektronisch funktioniert ?

@5okrates bitte beschäftige Dich mit den elementaren Grundlagen - sonst hat das alles hier keinen Sinn. - Du fängst hier an zu Philosophieren und ignorierst physikalische Gesetzmäßigkeiten und technische Prinzipien.