Grundlagen der Informatik
Ergänzung zum Buch
«Der Computer als Werkzeug»
Kapitel 2
Rolf Bänziger
1
Wieso wir uns mit Systemtechnik
befassen …
Prozessor
Intel® Core™ 2 Quad Core
Processor Q8200 (2.33 GHz,
1333 MHz, 4 MB Cache)
Grafikkarten
512 MB ATI® Radeon™ 4850
Graphics card
Festplatte
640 GB Serial ATA non Raid
(7200 rpm)
2
Motherboard, Hauptplatine
Chipset
(NorthBridge)
Chipset
(SouthBridge)
ROM
3
Die Zentraleinheit
• ist sozusagen das Herz der Hardware
• wird unterschiedlich definiert
• heisst auch CPU = Central Processing
Unit
• Beim PC ist die CPU der Prozessor
• Je nach Definition wird auch noch der
interne Speicher dazugezählt
4
Prozessor
Rechenwerk
Register
Steuerwerk
5
Prozessor
6
7
Prozessor
8
Einzel- und Mehrkernprozessoren
• Moderne PC verfügen heute über mehr als
nur einen Prozessorkern
• Core-2-Duo-Prozessoren lösen die SingleProzessoren ab
• Intel Core-2-Quad-Prozessoren verfügen
über vier Prozessorkerne und übertreffen
die Vorteile der Dualcore-Technologie
noch einmal
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Single-Core, Dual-Core
• Dual-Core = zwei
Prozessorkerne
• tiefere Taktfrequenz
als Single-Core, aber
mehr Leistung
zusammen!
• Dual-Core bringt in
nahezu allen Anwendungsgebieten
Vorteile gegenüber
Single-Core!
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Dual-Core, Quad-Core
vier Prozessorkerne
• Dual-Core = zwei
Prozessorkerne
• Quad-Core = vier
Prozessorkerne
• noch leistungsfähiger
als Dual-Core
• Aber: Nicht alle
Programme können
die vier Kerne voll
ausreizen
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12
Intel Core 2 Quad Prozessor
Werbespot von Intel:
http://www.intel.com/products/processor/core2quad/demo/d
emo.html
13
Der Taktgeber (Clock)
• Die CPU wird durch einen winzigen Taktgeber gesteuert. Der Kristall vibriert mit
einer immensen Zahl von Schwingungen
je Sekunde.
• Die Zahl der Schwingungen wird in Hertz
(Hz, MHz, GHz) gemessen.
• Moderne PCs arbeiten mit über 3 GHz
(= 3 Milliarden Schwingungen/Sekunde)
14
Der Taktgeber (Clock)
CPU
Kristall, Taktgeber
15
Takt: immer schneller ...
Jahr
Taktfrequenz
1979
bis 8 MHz
1985
bis 33 MHz
1995
bis 200 MHz
2005
bis ca. 3,6 GHz
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Aber: Der Takt ist nicht alles!
Wichtiger ist heute die Architektur des
Prozessors: Hat der Prozessor nur einen
Kern oder mehrere?
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Motherboard: Chipsatz (Chipset)
Chipset
(NorthBridge)
Chipset
(SouthBridge)
ROM
18
Motherboard: Chipsatz (Chipset)
19
Der Chipsatz (Chipset)
• Chipsätze kontrollieren und steuern den
Datenfluss auf dem Motherboard
• Ein Chipsatz besteht häufig aus zwei
Chips: der Northbridge und der Southbridge
• Der richtige Chipsatz ist wichtig für die
Leistungsfähigkeit eines PC
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Der interne Speicher
ROM (Read Only Memory)
RAM (Random Access Memory)
21
RAM
Random
Access
Memory
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RAM: Seine Eigenschaften 1
• ist ein flüchtiger Speicher: ohne Strom geht der
Inhalt verloren
• dient zur vorübergehenden Aufnahme von
Programmen und Daten während der Arbeit:
Wenn ich ein Worddokument bearbeiten will,
muss ich es öffnen, das heisst ins RAM
kopieren!
• ist ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff; mit Hilfe
eines Inhaltsverzeichnisses kann der Computer
bestimmte Daten lesen, ohne dass er sämtliche
Daten absucht
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RAM: Seine Eigenschaften 2
• heisst auch Arbeitsspeicher
• ist ein Schreib-Lese-Speicher: Der
Speicher kann gelesen und beschrieben
werden
• hat bei modernen PCs eine Grösse von
2 bis 4 GByte
• gibt es in verschiedenen Ausführungen
(DDR-RAM, Rambus usw.)
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RAM-Typen
• aktuell: DDR2- und DDR3-SDRAM
– verschiedene Ausführungen; Dual-ChannelRAM ist am leistungsfähigsten.
• Rambus (RD-RAM):
– schnellste Variante, weniger verbreitet, da teuer
• SDRAM: nur noch in alten Computern
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Den PC mit RAM aufrüsten
• Es gibt Dutzende von RAM-Typen
• Verwenden Sie möglichst gleiche RAMBausteine vom gleichen Hersteller
• Das Mischen von unterschiedlichen RAMBausteinen kann zu Problemen führen
• Grundsätzlich: Sparen Sie beim PC-Kauf
nicht am RAM!
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DDR-RAM
(Double Data RAM)
27
Rambus (RD-RAM)
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Motherboard: Das ROM
Chipset
(NorthBridge)
ROM
Chipset
(SouthBridge)
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ROM: Seine Eigenschaften
• ist ein Festwertspeicher
• enthält Mikroprogramme; Fachausdruck:
Firmware (weder Hard- noch Software)
• ist ein nicht flüchtiger Speicher: behält
den Inhalt auch dann, wenn kein Strom
fliesst
• ist viel kleiner als das RAM
• gibt es in verschiedenen Ausführungen
(EPROM, EEPROM usw.)
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ROM: Das BIOS (1)
• Im ROM befindet sich das BIOS: Basic
Input Output System; es besteht aus:
– Selbsttest-Routinen
– Urladeprogramm (auch Bootstrap genannt)
– Steuerung von systemnahen Ein- und
Ausgaberoutinen beim Arbeiten
– Konfigurationsprogramm: enthält Einstellungen (Anzahl Laufwerke, Reihenfolge
der Laufwerke beim Booten)
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ROM: Das BIOS (2)
Wollen Sie einmal einen Blick ins BIOS
werfen? Drücken Sie gleich nach dem Start
Ihres Computers Delete (bei manchen
Computern ist es F2 oder F10).
Online-Infos über das BIOS (wer es ganz
genau wissen möchte …)
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Cache-Speicher
• ist ein Pufferspeicher; dient dazu, Engpässe zu
überbrücken
• sorgt dafür, dass der Prozessor immer mit Daten
versorgt wird und nicht warten muss; das RAM
ist dem Prozessor zu langsam
• gibt es meistens in zwei, manchmal auch in drei
Stufen: First-Level-Cache (L1-Cache) und
Second-Level-Cache (L2-Cache)
• Ohne Cache wäre der PC wesentlich weniger
leistungsfähig! Celeron-Prozessoren haben
kleinere Cache-Speicher und sind daher billiger
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Cache-Speicher: L1-Cache
• befindet sich im Prozessorkern oder direkt
daneben
• ist ein ziemlich kleiner Speicher: 16, 32
oder 64 kByte
• hält Daten und Anweisungen bereit, die
der Prozessor demnächst verarbeiten
muss
• wird in Prospekten oder Offerten selten
erwähnt
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Cache-Speicher: L2-Cache
• ist bei modernen PC im Prozessorgehäuse untergebracht
• hat eine Grösse bis zu 12 MByte
• hält Daten bereit, die der Prozessor demnächst verarbeiten muss
• wird in Prospekten oder Offerten oft als
wichtiges Leistungsmerkmal erwähnt
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ProzessorKern
L1Cache
L2Cache
NorthBridge
RAM
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Das Bussystem
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Busse
• sind Datenkanäle, welche die Komponenten des PC miteinander verbinden
• Verkehrsbusse transportieren Menschen
• Computerbusse transportieren
– Adressen (jede Speicherstelle des RAM hat
eine bestimmte Adresse, ähnlich wie eine
Hausnummer)
– Daten
– Steuersignale
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Busse
• sind mit Strassen vergleichbar: je breiter
sie sind und je schneller die Bits transportiert werden können, desto leistungsfähiger sind sie
• Auf einem Motherboard existieren verschiedene Busse mit unterschiedlichen
Takten und unterschiedlichen Busbreiten
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FSB: Der Frontsidebus
Der FSB kümmert sich
um den Schwerverkehr
zwischen CPU und RAM.
Taktfrequenzen: 800 bis
1333 MHz
Wir sprechen von einem
externen Takt.
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PCI-Bus: rot = Steckplätze, Slots
Chipset
(NorthBridge)
Chipset
(SouthBridge)
ROM
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PCI: Peripheral Component Interconnet
(am Aussterben)
Breite: 32 Bit
Takt: 33 MHz
Einsatz:
Zusatzkarten, z. B.
Netzwerkkarten
42
AGP-Bus: rot = Steckplatz, Slot
(am Aussterben)
Chipset
(NorthBridge)
Chipset
(SouthBridge)
ROM
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AGP: Accelerated Graphics Port
Hochgeschwindigkeitsbus für
Grafikkarten; der PCIBus ist zu langsam!
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ISA-Bus: rot = Steckplätze, Slots
(am Aussterben)
Chipset
(NorthBridge)
Chipset
(SouthBridge)
ROM
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ISA-Bus:
Industrial Standard Architecture
•
•
•
•
•
veralteter Bus («lahme Ente»)
Taktfrequenz: etwa 8 MHz
Breite: 16 Bit
für spezielle Karten
Neuste PC verfügen über einen oder gar
keinen ISA-Slot
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PCI Express:
löst PCI und AGP ab
Der PCI Express ist der Nachfolger des
AGP-Busses für Grafikkarten und ergänzt
den bisherigen PCI-Bus um zwei bis vier
Steckplätze für schnelle Erweiterungskarten.
Die Daten werden seriell (hintereinander)
und mit sehr hoher Geschwindigkeit über
mehrere Fahrbahnen, sog. Lanes, transportiert. Es gibt Lanes für das Senden und
für das Empfangen von Daten.
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Rot umrandet: der PCI-Express (zwei Ausführungen);
dazwischen drei herkömmliche PCI-Slots
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USB
(Universal
Serial Bus)
Drucker,
Digitalkamera,
Maus, externer
CD-Brenner,
externe Harddisk
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Serielle
Schnittstelle
(RS232)
Modem,
Maus,
AnalyseGeräte
(verliert an
Bedeutung)
50
Parallele Schnittstelle (LPT1)
für den Drucker
verliert immer mehr an Bedeutung
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FireWire-Schnittstelle
IEEE 1394
Für den Anschluss von
digitalen Videogeräten,
z. B. Videokameras
(Camcorders)
52
Schnittstellen
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Chipset - Rolf Bänziger