1.1 Hardware

1.1 Hardware

Computertechnik zum Anfassen

Computertechnik bzw. Rechnertechnik ist der technische Bereich informationsverarbeitender Systeme. Meistens geht es um Computer die auf Digitaltechnik und Mikroelektronik aufbauen.

Computertechnik besteht aus den Teilbereichen

• Rechnerarchitekturen,
• Prozessorarchitekturen,
• Speichertechniken und
• Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine

Mit einer hohen Verbreitung findet man diese Computersysteme weltweit in unterschiedlichsten Ausführungen.

Hardware ist der Sammelbegriff für alle Geräte und Teile in der Computertechnik.

Die Software dagegen sind Programme und Betriebssysteme, die in einer Hardware abgelegt werden können.

Der CPU-Kern

Die CPU (Central Processing Unit) wird auch Prozessor genannt.

Die CPU führt Anweisungen aus, die von Programmen erteilt werden und dem Computer mitteilen, welche Daten er wie verarbeiten soll. Die CPU wird oft als das Gehirn des Computers bezeichnet, da er alle Kreisläufe enthält um Informationen zu verarbeiten und Daten zu speichern.

Die Geschwindigkeit eines Prozessors wird in Hertz (1/s) gemessen. Allgemein gilt, je höher die Hertz Zahl, desto schneller arbeitet der Computer.

Register

Als sehr schnelle prozessorientierte Speicher stellen sie extrem schnelle Verbindungen zu anderen Prozessorteilen bereit. Nur Daten, die in Registern stehen, können direkt abgearbeitet werden.

Steuerwerk

Das Steuerwerk ist die Verwaltungseinheit der CPU. Es holt, interpretiert und koordiniert die einzelnen Befehle und führt diese aus. Aus dem Arbeitsspeicher werden die einzelnen Befehle in den internen Speicher (die Register) ausgelesen. Der Weg der Ströme zwischen den einzelnen Bestandteilen führt über den Steuerbus.

Rechenwerk

Die Befehle an das Rechenwerk kommen direkt vom Steuerwerk, die Daten kommen aus dem Arbeitsspeicher und werden wieder in Registern abgelegt. Im Rechenwerk werden alle Befehle abgearbeitet. Die Berechnungen, die dort erfolgen, beruhen allein auf der Addition von Binärzahlen. Subtraktionen werden durch negative Additionen, Division und Multiplikation durch zusammengesetzte Additionen bzw. Subtraktionen durchgeführt.

Bussystem

Alle Teile der CPU sind durch ein Leitungssystem, das sogenannte Bussystem, miteinander verbunden.
Das Bussystem besteht aus aus folgenden Leitungen:

• Steuerbus: übertragt Steuersignale zwischen Steuerwerk und anderen Bestandteilen.
• Datenbus: ist für den Transport von Daten zwischen Arbeitsspeicher, Rechenwerk und Ein-/Ausgabeeinheit zuständig.
• Adressbus: übertragt Speicheradressen an den Arbeitsspeicher

Cache

Durch die Tatsache, dass Prozessor und Arbeitsspeicher beim Datenaustausch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten arbeiten, entsteht ein Flaschenhals. Der Prozessor möchte gerne arbeiten, er wäre viel schneller, der Arbeitsspeicher kann die Daten aber nicht so schnell bereitstellen. Der Cache stellt einen Pufferspeicher zwischen diesen beiden dar, auf dem Inhalte, die schon einmal vorlagen, als Kopien vorhanden sind, damit sie im Bedarfsfall schnell wieder zur Verfügung stehen. Damit die CPU Daten schnell verarbeiten kann und dabei keine Informationen vergisst, wird ein Cache eingesetzt. Im Cache speichert die CPU Daten und Befehle zwischen, um sie beim erneuten Zugriff schneller verfügbar zu haben.

• L1 - sehr schnell, sehr klein, sitzt im Prozessorkern
• L2 - schnell, klein, sitzt im Prozessor
• L3 - langsam, groß, sitzt außerhalb des Prozessors

(https://imgur.com/suD65Rs)

Multiplier

Bei der Datenverarbeitung legt der Taktmultiplikator das Verhältnis einer internen CPU-Taktrate zum extern gelieferten Takt fest. Eine CPU mit einem 10-fachen Multiplikator erhält somit 10 interne Zyklen für jeden externen Taktzyklus. Ein System mit einem externen Takt von 100 MHz und einem 43-fachen Taktmultiplikator hat zum Beispiel einen internen CPU-Takt von 4,3 GHz. Die externen Adress- und Datenbusse der CPU verwenden ebenfalls den externen Takt als grundlegende Taktbasis; sie können jedoch auch ein (kleines) Vielfaches dieser Basisfrequenz verwenden, um Daten schneller zu übertragen.

Kurz: Multipliziert mit dem Bus-Speed ergibt sich die Taktrate des Prozessors

z.B: 100 Mhz x 43 Multiplikator = 4,3 Ghz

Multi Prozessor & Multi Core

Mit mehreren Prozessoren kann ein Computer buchstäblich zwei Dinge auf einmal tun (anstatt nur scheinbar zwei Dinge auf einmal zu tun, aber tatsächlich nur extrem schnell zwischen den Aufgaben zu wechseln). Mehrere Kerne sind fast dasselbe.

Der Vorteil mehrerer Kerne gegenüber mehreren Prozessoren besteht darin, dass sie sich einige Bits der CPU teilen, z. B. den Second-Level-Cache, wodurch sie noch effizienter arbeiten können, wenn sie einige Daten gemeinsam nutzen. Dadurch sind sie viel billiger in der Herstellung. Eine einzelne Dual-Core-CPU benötigt auch weniger Platz als zwei Single-Core-CPUs, was heutzutage, da alle auf Laptops umsteigen, ein wichtiger Faktor ist.

Hyper/Multi-Threading

Hyperthreading (Intel) und Multithreading (AMD) bezeichnen die gleiche Idee:

Der CPU Kern wird in zwei virtuelle Kerne unterteilt, welche parallel Rechenoperationen durchführen können. Das führt zu beschleunigten Rechenprozessen und wird heute in den meisten Rechnern angewendet.

Turbo Boost/Overclocking

Zur Leistungssteigerung können die Prozessoren übertaktet werden. Viele Prozessoren machen das bereits ab Werk (Turbo Boost/OC). Dabei wird die Taktrate des Prozessors kurzzeitig übertaktet und ggf. aus Temperaturgründen auch untertaktet. Mit einem höheren Takt sind wieder mehr Taktzyklen, sprich Arbeitsschritte, in gleicher Zeit möglich.

Datenspeicher

Die Aufgabe der CPU ist das Verarbeiten von Daten. Darin ist die CPU sehr schnell. Um schnell an neue Instruktionen und Daten zu kommen haben wir bereits Caches auf der CPU untergebracht, die sehr schnell sind aber nur wenig Speicherplatz bieten. Deshalb enthalten die meisten Computer neben einem Prozessor zusätzliche Datenspeicher.

Datenrate

ist die Anzahl der Male pro Sekunde (Frequenz), die ein Modul Daten sendet und empfängt.

RAM

Der Random-Access-Memory (= flüchtiger Speicher) verliert seinen Zustand nach Stromverlust, d.h. wenn der Rechner ausgeschalten wird, wird der Speicher gelöscht und die Inhalte sind verloren.

Die Bezeichnung Random heißt in diesem Fall nicht zufällig sondern “Speicher mit wahlfreiem Zugriff”.

Die CPU greift auf den Arbeitsspeicher zu, ohne nochmaligen Festplattenzugriff. Der RAM sollte im Rechner ausreichend zur Verfügung stehen, da dort aktuell laufende Programme und Daten abgelegt werden.

RAM wird zum speichern vorübergehender Informationen genutzt, die der Compter gerade im Moment verwendet.

Der RAM ist ein Schreib- und Lesespeicher mit direktem Zugriff. Er stellt quasi das Kurzzeitgedächtnis des Computers dar und hält Daten des Betriebssystems und aller laufender Programme, sowie die Programme selbst.

Da der RAM-Speicher Stromabhägig ist, ist er nur ein temporärer Speicher. Schaltet man den Computer aus oder trennt ihn vom Strom, werden wieder alle Bits auf 0 gesetzt. Alle Daten die sich im Speicher befanden gehen verloren! Deswegen ist der Arbeitsspeicher auch ein flüchtiger Speicher.

Unterarten des RAM

• DDR
• Dual/Quad Channel
• Single/Dual Rank
• SO-/-Dimm

DDR - Double Data Rate

Doppelte Datenrate bei halber Frequenz

Taktsignale ähneln einer Rechteckwelle, und Double Data Rate bedeutet einfach, dass die Daten sowohl bei der steigenden als auch bei der fallenden Flanke des Taktsignals übertragen werden. Durch diese Verdopplung der Datenrate kann eine 1600-MHz-Welle beispielsweise 3200 Mal pro Sekunde Daten übertragen. Da die Datenfrequenz bei DDR doppelt so hoch ist wie die Taktfrequenz, wird häufig der Begriff MT/s (Mega-Transfers pro Sekunde) verwendet.

Dual Channel und Quad Channel

• Speicherbänke auf Mainboard
• Channel = getrennter BUS zur CPU (2x, 4x), gleichzeitiger Zugriff
• Funktioniert nur bei gleicher Bestückung/Hersteller/Model

Single und Dual Rank

• Single Rank RAM hat Speicherchips auf nur einer Seite des Moduls, was oft zu geringerer Leistung führt, jedoch kann es in manchen Systemen kompatibler sein.
• Dual Rank RAM hat Chips auf beiden Seiten des Moduls, was üblicherweise höhere Leistung ermöglicht, besonders bei intensiven Aufgaben und in bestimmten Konfigurationen.
• Nicht verwechseln mit Sided (Dual Sided können z.B. Single Ranked sein)
• Rank = Datenbereich der mit einigen oder allen Speicherchips erstellt wird; 64 Bit
• Hohe Taktraten nur bei Single-Rank möglich (Bei Dual immer nur ein Rank zugreifbar)

Heute übliche Bauformen

DIMM steht für Dual Inline Memory Module: Die heutigen DIMMs haben zwei 64-Bit-Schnittstellen, eine auf jeder Seite, und werden im Allgemeinen entweder als UDIMMs (auch bekannt als DIMMs, Long DIMMs usw.) für Desktops oder als SODIMMs (Small Outline DIMMs) für Notebooks verkauft. Einige kompakte Desktop-Platinen verwenden SODIMMs, in der Regel (aber nicht ausschließlich), um Platz für vier Module auf einer Hauptplatine zu schaffen, die sonst nur zwei unterstützen würde.

• SO-DIMM = Laptops / kleinere Bauweise
• DIMM = Workstations/Server
• Vorgegeben durch Mainboard

ROM

Der Read-Only-Memory (= Nicht flüchtiger Speicher ) verliert im Gegensatz zum RAM nicht seinen Zustand nach einem Stromverlust. Die Daten bleiben also auch bei einem Neustart erhalten und können weiterverwendet werden.

ROM wird zum speichern dauerhafter Anweisungen genutzt, durch die der Computer z.B. weiß, wie er hochfahren soll oder das Betriebssystem lädt.

Unterarten:

• PROM (einmal beschreibbar) - Programmable ROM
• E/EPROM (mehrfach beschreibbar) - Electrically Erasable Programmable ROM
• Einsatz: BIOS, Firmware, medizische Geräte …
• (E/EP)ROMs werden bevorzugt dort Eingesetzt, wenn sich Konfigurationen selten ändern und die Daten Netzausfall-sicher gespeichert werden müssen

Speichergrößen

• 1 Bit = 0 oder 1 auf Transistor (Grundbaustein)
• 1 Byte (B) = 8 Bit = Wert 0-255
• 1 Kilo-Byte (KB) = 1024 Byte
• 1 Mega-Byte (MB) = 1024 Kilobyte = 1.073.741.824 Byte
• 1 Terabyte (TB) = 1.024 Gigabyte = 1.099.511.627.776 Bytes
• 1 Petabyte (PB) = 1.024 Terabyte = 1.125.899.906.842.624 Bytes
• Exabyte (EB), Zettabyte (ZB), Yottabyte (YB), …

Maximaler Speicher vorgegeben durch Prozessor (Speicher Seiten Adressierbar)

Taktrate

• Abhängig von Prozessor-/Bus- Takt und Arbeitsspeicher
• Taktraten werden in Schritten vorgegeben
• Bsp DDR4: 1600, 1866, 2133, 2400 … 3200, 3600
• Angegeben werden die Taktraten meist in MHz
• 1MHz = 1.000.000 Hz (= 1/s)

Timings

Die Latenzzeit ist die Zeit, die ein Speichervorgang benötigt, um gestartet zu werden.

Schreibweise z.B. 20-19-19-43 (CL-RCD-RP-RAS)

• CL: CAS (= column address strobe) Latency - Die Anzahl der Taktzyklen, die erforderlich sind, um auf Daten in einer neuen Spalte zuzugreifen, wenn die richtige Zeile bereits geöffnet ist.
• RCD: RAS to CAS Delay = Die Mindestanzahl von Taktzyklen, die der Speicher-Controller warten muss, bis eine neue Zeile geöffnet wird.

• RP: RAS precharge = Die Mindestanzahl von Taktzyklen, die der Speicher-Controller warten muss, bis die aktuelle Zeile geschlossen ist.
• RAS: Active to precharge Delay = Die Mindestanzahl von Taktzyklen, die der Speicher-Controller zwischen dem Öffnen und Schließen einer Zeile warten muss.
• CMD (Befehlsrate): Die Anzahl der Zyklen, die ein Befehl präsentiert werden muss, um sicherzustellen, dass er vom Speicher gelesen wird. Typische sind 1T und 2T. Eine Zahl von z.B. 20 bedeutet, dass 20 Taktzyklen verstreichen

Beispiel:

• Bei 2666 Mhz sind das 2.666.000.000 Zyklen pro Sekunde
• Formel:
• 1000 / Taktrate * 2 * Timing = X ns
• 1000 / 2666 * 2 * 20 = 15,00… ns
• ~15ns für einen einzelnen Befehl

Bandbreite

Allgemein: Die Datenübertragungsrate (Datentransferrate, Datenrate) ist in der IT die Übertragungsgeschwindigkeit, mit der eine bestimmte Datenmenge innerhalb eines Zeitintervalls über einen Übertragungskanal übertragen wird. Die Speicherbandbreite ist die maximale Geschwindgkeit mit der Daten in den Hauptspeicher (RAM) der Rechners geladen werden können in GB/s.

(Takt der Speicherzellen (in MHz) × Bit pro Übertragung × Prefetch) / 8 Bit/Byte

wobei Prefetch = Datenleitungen (Vorgegeben durch Design)

Beispiele

• DDR4-3200: (400 * 64 * 8) / 8 = 25,6 Gbyte/s bei 0,6250ms Takt
• DDR5-3200: (200 * 64 * 16) / 8 = 2 * 12,8 Gbyte/s bei 0,6250ms Takt
• DDR5-6400: (400 * 64 * 16) / 8 = 2 * 25,6 Gbyte/s bei 0,3125ms Takt

Ränge: Verringerung der Latenzzeit durch Redundanz

Für eine CPU würde es den Prozess erheblich verlangsamen, wenn sie warten müsste, bis jeder Schreib- oder Lesevorgang abgeschlossen ist, bevor sie den nächsten startet. Interleaving ist eine Methode, die es ermöglicht, einen Befehl zu starten, während ein anderer beendet wird. Benutzer können die Fähigkeit ihrer CPU, dies zu tun, unterstützen, indem sie die Anzahl der Ranks pro Kanal von einem auf zwei erhöhen. Dies kann durch den Einbau von zwei Single-Rank-DIMMs oder einem Dual-Rank-DIMM in jedem Kanal erreicht werden.

• Die meisten Speicher, die ab 2017 bis heute hergestellt werden, verwenden 8Gb (Gigabit) ICs.
• Die meisten Speicher-ICs haben eine 8-Bit-Schnittstelle.
• Acht 8-Bit-ICs können verwendet werden, um einen einzigen 64-Bit-Rank zu füllen.
• Die Gesamtkapazität für acht 8Gb-ICs beträgt 8 GB (Gigabyte).
• Daher haben die meisten 32-GB-Speicher-Kits vier Ranks.

Großspeicher

Die bisherigen Speicher sind recht klein und werden für aktuelle Prozesse oder zum Starten des Betriebssytems genutzt. Es fehlen Speicher, mit denen wir große Mengen an Daten speichern können, die wir nicht immer direkt für die CPU zur Verfügung stellen müssen.

Speichermedien werden dazu benötigt, Daten längerfristig bei ausgeschaltetem Computer zu speichern oder aber auch um Daten zu sichern.

Lochband, Floppy, CDs, Flash

Optische Speicher

Optische Speicher sind runde beschichtete Platten in die mit einem Laser in die oberste Schicht Informationen eingebrannt werden. Ein vom Laser erzeugtes Loch steht für “1”. Die Spur besteht aus unzähligen solcher Löcher. Da ein Laser nur “1” einbrennen aber keine “0” aus “1” erzeugen kann, sind diese optischen Speicher i.d.R. nur einmal beschreibbar.

HDD (Hard Disk Drives)

Bei HDD Festplatten werden speziell beschichtete, runde Platten aus Metall oder Kunststoff als Datenträger eingesetzt. Diese Platten drehen sich mit hoher Geschwindigkeit, Schreibleseköpfe tasten die Oberfläche der Platten ab und lesen die Informationen aus bzw. beschreiben die Platte.

Zum Schreiben wird die hartmagnetische Beschichtung der Scheibenoberfläche entsprechend der aufzuzeichnenden Information berührungslos magnetisiert. Durch die Remanenz (verbleibende Magnetisierung) erfolgt das Speichern der Information. Das Lesen der Information erfolgt durch berührungsloses Abtasten der Magnetisierung der Plattenoberfläche.

Es ist kein linearer Durchlauf erforderlich (vgl. Magnetband/Lochstreifen) sondern kann direkt als sequentiell adressiertes Speichermedium zu einer bestimmten Speicherstelle gelangen.

SSD

Ein Flash-Speicher besteht aus einer Vielzahl kleiner, einzelner, elektronischer Speicherelemente, welche jeweils 1 Bit in Form von elektrischer Ladung aufnehmen können.

Um eine permanente, stromunabhängige Speicherung zu erreichen, sind die einzelnen Speicherelemente durch eine nicht leitende Oxidschicht isoliert. Beim Beschreiben der Speicherzelle wird der sogenannte Tunneleffekt genutzt, um Ladungen durch die nicht leitende Oxidschicht zu transportieren. Da die Oxidschicht bei diesem Vorgang leicht beschädigt wird, sind nur eine gewisse Anzahl von Schreib- bzw. Löschzyklen durchführbar, bevor die Oxidschicht soweit zerstört ist, dass keine permanente Speicherung mehr möglich ist. Wichtige Daten sollten wegen der begrenzten Haltbarkeit regelmäßig gesichert werden!

S.M.A.R.T

Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (SMART bzw. S.M.A.R.T., deutsch: System zur Selbstüberwachung, Analyse und Statusmeldung) ist ein Industriestandard zur Überwachung von Festplattenlaufwerken (HDD) und Solid-State-Drives (SSD) und dient der Vorhersage eines möglichen Ausfalls des Speichermediums. Es werden dabei die Werte verschiedener Sensoren mit Hilfe von unterschiedlichen Parametern ausgewertet.

RAID

Ein RAID (Redundant Array of Independent Disks) dient zur Organisation mehrerer physischer Massenspeicher (HDD/SSD) zu einem logischen Laufwerk mit dem Ziel eine höhere Ausfallsicherheit oder höheren Datendurchsatz zu garantieren. Zwischen den verschiedenen RAID-Typen gibt es ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Schutznivau, Leistung und Kosten.

Man kann zwischen physischen RAIDs und Software-RAIDs unterscheiden:

• Physisch: dedizierte Hardware mit zusätzlichen Festplattenkonnektoren und Recheneinheiten
• Software: Festplatten wie gewöhnlich angeschlossen, Steuerung und Organisation rein über Software gesteuert

Der RAID-Level definiert den Grad der Leistung oder des Schutzes, den der RAID anbietet. Jeder RAID Level hat seine Vorteile

• RAID 0: Festplatten-Striping
• RAID 1: Spiegelung von Festplatten
• RAID 10: Festplattenspiegelung und Striping
• RAID 2: Striping und Hamming-Code-Parität
• RAID 3: Paritätsfestplatte
• RAID 4: Paritätsfestplatte und Block-Level-Striping
• RAID 5: Festplatten-Striping mit Parität
• RAID 50: Festplatten-Striping und verteilte Parität
• RAID 6: Festplatten-Striping mit doppelter Parität
• RAID 7: Nicht-Standard mit Caching

RAID 0: Festplatten-Striping

Das einfache Festplatten-Striping teilt alle Daten in Chunks auf und verteilt diese auf alle Speicherplatten. Dieser RAID bietet hohe Leistung und Datendurchsätze, da die Last der Datenspeicherung auf mehrere physische Laufwerke aufgeteilt wird. Es gibt keine Parität , mit der sichergestellt wird, dass Daten erfolgreich geschrieben wurden und auch keine Datenredundanz. Es sind mindestens 2 Festplatten notwendig.

RAID 1: Spiegelung von Festplatten

Bei der Festplattenspiegelung werden alle Daten auf zwei separate Festplatten geschrieben. Fällt eine Platte aus, kann von der andern die Daten abgerufen werden. Es sind mindestens zwei Festplatten notwendig.

RAID 5: Festplatten-Striping mit Parität

Die Daten werden wie bei anderen Striping Methoden auf die Festplatten im Verbund verteilt. Die Paritätsinformationen, die zur Rekonstruktion der Daten im Falle eines Festplattenausfalls benötigt werden, sind ebenfalls diagonal über die Festplatten des RAIDs verteilt. Dieser RAID erfordert mindestens drei Festplatten. Durch die Kombination von Striping und Parität kann eine einzelne Festplatte ausfallen ohne Daten zu verlieren; die meisten RAID5 Implementierungen unterstützten den Hot Swap einer ausgefallenen Platte.

RAID 6: Festplatten-Striping mit doppelter Parität

RAID 6 erhöht die Zuverlässigkeit gegenüber RAID 5, indem die Paritätsdaten auf mehrere Festplatten verteilt und die Überlappung von I/O-Vorgängen zur Leistungssteigerung ermöglicht. In einem RAID können so zwei Festplattenausfälle möglich sein, bevor Daten verloren gehen. RAID 6 erfordert mindestens 4 Laufwerke.

RAID 10: Festplattenspiegelung und Striping

Der verschaltelte RAID kombiniert Festplattenspiegelung mit Striping. Dieser RAID erfordert mindestens vier pyhsische Festplatten. Die Daten werden gleichzeitig auf zwei oder mehr Laufwerke verteilt und es kann zu schnellerer Datenverarbeitung führen. Die Hälfte der Kapazität wird für die Redundanz benötigt.

RAID 50: Festplatten-Striping und verteilte Parität

Ein weiterer verschachtelter RAID Level, der Striping und verteilte Parität kombiniert erfordert mindestens sechs Festplatten. Während RAID 5 nur den Ausfall einer einzelnen Festplatte übersteht, kann der RAID 50 den Ausfall mehrerer Festplatten überdauern.

Main-/Motherboard

Das Motherboard (Hauptplatine) ist die zentrale Platine des Computers.

Sie besteht aus einer Leiterplatte, auf der die einzelnen Bestandteile des Computers untergebracht sind.

Auf der Hauptplatine werden alle PC Komponenten montiert.

CPU, Motherboard und Arbeitsspeicher zusammen werden als Zentraleinheit (ZE) bezeichnet.

Auf dem Motherboard sind neben dem Prozessor, ROM, RAM und Chipsatz noch eine Reihe von verschiedenen Anschlüssen wie AGP, PCI, PCIe IDE, Sound, Firewire, USB etc. angebracht. Der Chipsatz beinhaltet heute üblicherweise die Northbridge und die Southbridge, welche den Datentransfer zwischen den einzelnen Komponenten steuern.

Auf dem Motherboard gibt es Interne und Externe Schnittstellen, die dadurch unterschieden werden, ob sie von außerhalb des Gehäußes zugänglich sind.

Interne Peripherie

• 66 MHz, 32-Bit-Adressbus/Datenbus
• max. 266 MByte/s. (AGPx8: max. 2,1 GByte/s)
• Vorgänger von PCI Express

PCI-Express:

• Peripheral Component Interconnect Express
• CPU und I/O Hub
• High-Speed Serieller Standard Anschluss
• Bsp X1: max. ~1,25 GHz, 32- bzw. 64-Bit-Datenbus

alternativ PCI-E/PCX:

North/South-Side Anschluss

Mit steigender Integrationsdichte wurden wichtige und häufig genutzte Schnittstellen in den Chipsatz integriert. So entstand die Aufteilung in zwei, manchmal auch mehr Chips. Sieht man die prinzipielle Verschaltung des Chipsatzes als Landkarte, so befindet sich die Northbridge im Norden und die Southbridge im Süden. Die Bezeichnungen stammen ursprünglich von Intel.

In der Northbridge wird der Datenfluss zwischen Prozessor (CPU), dem Arbeitsspeicher (RAM), der Grafikkarte (GPU) und dem Peripherie-Bus gesteuert. Über den Peripherie-Bus lässt sich ein Computer mit Steckkarten um Schnittstellen und Controller erweitert.

Die Southbridge ist mit der der Northbridge über einen Bus (PCI) oder eine Direktverbindung verbunden. Obwohl die Southbridge hauptsächlich für die Steuerung der Peripherie-Schnittstellen zuständig ist, hat sie trotzdem Verbindung über Interrupt-Leitungen zum Prozessor und über den SMB zum Arbeitsspeicher.

Externe Peripherie

Die Rückseite eines Computers bietet oft unterschiedliche Anschlüsse. An diesen Anschlüssen können externe Peripheriegeräte angeschlossen werden,

• Stromversorgung: Netzanschluss meist mit Spannungswandler im Gehäuse (PC) oder Netzteil am Kabel (Laptop/Tablet).
• Eingabegeräte: Maus, Tastatur, Scanner, usw. Mithilfe von Eingaberäten werden Daten in den Computer eingegeben.
• Ausgabegeräte: geben Daten von einem Computer aus. Zu den Ausgabegeräten gehören Bildschirm, Lautsprecher, Drucker, usw.

• PS/2-Schnittstelle: heute kaum noch vorhanden für Maus (grün) und Tastatur (violett). Wurde ersetzt durch USB
• USB (Universal Serial Bus): Diese sind USB-2.0-Bus sowie der USB-3.0-Bus (USB1.1 kaum mehr verwendet). USB-2.0 überträgt mit einer max. Geschwindigkeit von 60 MByte/s und USB-3.0 mit 625 MByte/s. USB 3.0 kann optisch von den anderen unterschieden werden, der Stecker ist blau. Das Besondere daran ist, dass die Geräte auch während des Betriebes an- und abgeschlossen werden können. Sie werden vom Computer automatisch erkannt (Hot-Plugging).

Video Ausgang

• VGA (Video Graphics Array): ist ein analoger Bildübertragungsstandard der nur noch selten vorkommt
• DVI (Digital Visual Interface): liefert ein digitales Bildsignal und eine sehr hohe Bildqualität. Er liefert keinen Ton und benötigt mehr Platz als ein HDMI.
• HDMI (High Definition Multimedia Interface): Er ist platzsparend und liefert ein digitales Bild- und Tonsignal. Liefert somit wie DVI eine hohe erreichbare Bildqualität.
• Display Port: ist ein universeller und lizenzfreier Bild- und Tonübertragungsstandard und wird mit seiner sehr hohen Qualität und geringen Größe sehr häufig verwendet. Er kann mehrere Bildschirme über ein Kabel versorgen (Kompabilität erforderlich)

Audio Ein-/Ausgang

• Aux-Buchse: bekannt von vielen nicht-kabellosen Kopfhörern eine einfache Buchse für Ton ein-/ausgang in Stereo qualität.
• Soundanschluss: in der minimalen Ausführung mit drei Anschlüssen in Aux Größe. Blau ist der Audioeingang, Grün der Soundausgang und Rot ist für den Mikrofonanschluss.

Controller Schnittstellen

I2C, UART, SPI, Serial

Als Peripheriegerät werden Komponenten bezeichnet, die die Möglichkeiten eines Computers erweitern. Sie befinden sich außerhalb der Zentraleinheit.

• interner Peripherie (innerhalb des Computergehäuses)
• externer Peripherie (auserhalb des Computergehäuses)

Das Motherboard in Übersicht

GPU

Die Grafikkarte dient zur Anzeigensteuerung des Bildschirmes.

Sie ist entweder schon auf der Hauptplatine als eigener Chipsatz enthalten (onboard) oder als Erweiterungskarte über einen Steckplatz mit dem Motherboard verbunden (üblicherweise über PCI, AGP oder PCI-Express).

Moderne Grafikkarten besitzen eine eigene GPU (Graphical Processing Unit – Grafikprozessor), eigenen Speicher und oft sogar ein eigenes Kühlsystem in Form eines Ventilators, im Extremfall sogar eine Wasserkühlung. Ein Grafikkarte kann unterschiedliche Ausgänge haben, an die der Bildschirm angeschlossen werden kann (vgl Videoausgänge oben).

Aktuelle high-end Grafikkarten sind im Grafik-, Design- und Spielbereich im Einsatz. Sie besitzen einen oder mehrere Prozessoren (GPUs) und einen eigenen Arbeitsspeicher (VRAM) der bis zu 24 GByte groß sein kann. Es gibt auch PCs, die mehr als eine Grafikkarte besitzen, man spricht von Multi-GPU, diese bündeln ihre Rechenleistung.

Die Auflösung der Grafikkarte gibt an, wie viele Bildpunkte (Pixel) damit maximal dargestellt werden konnen. Je höher die Anzahl der dargestellten Bildpunkte, umso größer ist die Informationsdichte am Bildschirm, die dargestellten Inhalte werden jedoch immer kleiner.

1024 x 768 (786.432 Pixel) bedeutet beispielsweise eine Bildschirmausgabe von 1024 Pixeln Breite und 768 Pixeln Höhe.

Gute Bildschirme und Grafikkarten können eine Auflösung von 1920 x 1080 (2.073.600 Pixel) darstellen, man spricht hier auch von „Full HD”.

Die Farbtiefe der Grafikkarte gibt an, wie viele Farbabstufungen gleichzeitig am Bildschirm angezeigt werden können.

• 8 Bit: Farbtiefe: 28 = 256 Farben
• 16 Bit: 216 = 65536 Farben
• 24 Bit: 224 = ca. 16,7 Millionen Farben
• 32 Bit: Über 4 Milliarden Farben

Netzwerkkarte

Viele Motherboards haben einen Netzwerkadapter onboard (als Chipsatz integriert), eine Netzwerkkarte kann aber auch über PCI auf das Motherboard gesteckt werden. Die Netzwerkkarte ermöglicht dem Computer die Verbindung zu einem Netzwerk und damit zu anderen Computern. Der Zugang zum Internet wird dadurch ermöglicht. Der Chipsatz hat die Aufgabe den Übergang zwischen PC und dem Netzwerk zu verwalten. Der Standard Netzwerkanschluss nennt sich RJ45.

Heutzutage sind Netzwerkkarten auch oft mit WLAN ausgestattet.

Soundkarte

Die Soundkarte ist für die Umwandlung von Tönen und Geräuschen aus dem Binären in ein Analog-Signal, welches von den Lautsprechern verstanden wird, sowie für die Übertragung dieses Signals zum Kabel zuständig. Onboard bedeutet wieder, dass das Motherboard bereits die erforderlichen Chips und Anschlüsse bereitstellt. Eine Soundkarte ist aber auch als eigene PCI Steckkarte (oder auch als USB Gerät) erhältlich. Eine Soundkarte bietet nach außen sowohl Anschlüsse für Lautsprecher oder Kopfhörer (Line out) als auch Anschlüsse für ein Mikrofon (Line in).

Arten von Computern

Unterschieden werden kann zwischen:

• Größe (Super, Mainframe, Mini, Micro)
• Mechanismus (Analog, Digital, Hybrid)
• Zweck (Allgemein, Spezifisch)

Beispiel Größe

• Personal Computer (PC, Desktop)
• Server (“19, “10, 1HE, 5HE)
• Großrechner/Mainframe https://www.cio.de/i/detail/artikel/3684309/1/3340067/EL_mediaN1000C/

Supercomputer

hier: HPE-Frontier-Supercomputer des Oak Ridge National Laboratory mit 1,2 Exaflops/s

Eingebettete Computersysteme

Quantencomputer

Weiterführende Links

• https://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/1401041.htm
• https://courses.minnalearn.com/de/courses/digital-revolution/the-computing-revolution/computer-basics/
• https://www.pcgameshardware.de/Mainboard-Hardware-154107/Specials/PCI-Express-Lanes-Routing-erklaert-1168801/2/
• https://eater.net/8bit

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& Diskussionen

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