Grundlagen der Informatik

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1 Grundlagen der Informatik Vertiefungsvorlesung zu aktueller Hardware und Software Teil 1 Prof. Dr.-Ing. Thomas Wiedemann Fachgebiet Informatik / Mathematik Überblick zur Vorlesung Aktueller Stand der Hardware Prozessoren, Speicher Festplatten und DVD/CD-ROM Drucker und andere Peripherie Quellen: PDF-Buch auf Website - PC-Hardware (Achtung : 43 MByte groß = 938 Seiten sehr ausführlich erklärt, nur leider Stand 2001) diverse Webseiten Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 2 1

2 Prozessoren Bisherige Entwicklung Start mit 8bit Prozessoren (Bit Datenbus / 16 Bit -Adressen) ZILOG Z80 auch heute noch in kleineren Steuerungen, Takt bis 50 MHz erste 16 Bit Prozessoren ab etwa 1985 Intel-Prozessoren als PC-Quasistandard durch IBM gesetzt: Intel 8088 mit intern 16 Bit, extern 8 Bit Datenbus, 4,77 MHz Ableitung des 8051 als immer noch aktueller MP im Automatisierungsbereich Intel 8086 echter 16bit-Prozessor mit intern und extern 16 Bit Datenbus, Adressen 20 Bit durch Überlagerung von 16 Bit Adresse + 16 Bit Segmentadr. Intel erster, echter 32 Bit-Prozessor (Daten + Adressen 32 Bit) Intel Bit-Prozessor mit integriertem Mathematik-Coprozessor (float) Intel wegen Marketing und Schutzrechten als PENTIUM bezeichnet weitere, aktuelle Intel-Prozessoren werden mit PENTIUM I / II... IV bezeichnet (siehe Folgeseite) PENTIUM Celeron als Billigvariante, meist mit reduzierter Taktzahl aktuell Dual-Core und Quad-Core Prozessoren mit 2 bzw. 4 Prozessorkernen, erfordert jedoch spezielle Software zur Auslastung der Kerne Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 3 Prozessoren -Aktuelle Begriffe MMX/SSE (Intel), 3DNow (AMD): Multimedia Befehlssatz Pipelining: Während ein Befehl bearbeitet wird, wird bereits der nächste eingelesen und ecodiert Hyperthreading (Intel): Paralleler Betrieb interner CPU-Teile CPU Cache Extrem schneller Speicher (teuer!), welcher als Assoziativspeicher arbeitet (erkennt anhand der Adresse ob er diese Daten bereits gespeichert hat) - nach 1. Zugriff erfolgen weitere Zugriff im Cache (-> Turboeffekt) direkt im oder neben Prozessor, für häufig benötigte Daten arrangiert in verschiedenen Stufen (Level1, Level2) Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 4 2

3 Prozessoren - Aktueller Stand PENTIUM P4 Processor 661 interner Takt 1x 3.4 GHz für 90 mit Level 1 Cache 16 KB, Level 2 Cache: 2048 KB Bustakt 800 MHz interne Core-Spannung 1,5 Volt (reduziert Verlustleistung) Befehlssätze und Erweiterungen : MMX-Multimediaergänzungsbefehle, SSE2, Advanced Transfer Cache (ATC), Hyper Pipelined, NetBurst, Rapid Execution Engine, Hyperthreading - Technologien für parallele Ausführung von Befehlen und Prozessen Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 5 Prozessoren - Aktueller Stand AMD-Prozessoren starke Alternative zu PENTIUM, preislich oft günstiger gegenwärtig in Dresden gefertigt (-> Nr.1 Kaufargument ) Typen: ATHLON - teilweise leistungsfähiger als gleichgetakteter P4 Angabe der Takfrequenz als "gefühlte" Taktfrequenz : "AMD Athlon XP 2800+" Werbeangabe == wie INTEL P4 mit 2800 MHz, hat aber real nur 2083 MHz Takt DURON - etwas abgerüsteter (weniger L2-Cache), aber dafür sehr günstiger Prozessor - für Office-Anwendungen ausreichend Für aktuelle Spiele nur mit Übertaktung verwendbar. Achtung: AMD-Prozessoren werden sehr heiß - unbedingt Hinweise zur Kühlung beachten - sonst Gefahr des Ausfalls Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 6 3

4 Prozessoren - Taktraten Mainboard (FSB) und CPU Clock Taktfrequenz unterschiedlich, Mainboard (FSB/ Core ) langsamer als CPU CPU führt mehrere interne Schritte pro Mainboard Takt durch Double-pumped und Quad-pumped Datenübertragung von 2 bzw. 4 Bit pro Takt 266MHz FSB = Double-Pumped 133MHz (AMD Athlon XP) 333MHz FSB = Double-Pumped 166MHz (AMD Athlon XP) 400MHz FSB = Quad-Pumped 100MHz (Intel Pentium 4) 533MHz FSB = Quad-Pumped 133MHz (Intel Pentium 4) Technik auch bei Hauptspeicher (DDR, Rambus) in Verwendung Multiplyer übersetzt zur CPU Clock Pentium III 500MHz, FSB 100Mhz, Multiplyer 5x Pentium4 2.40GHz, FSB 400MHz, Multiplyer 6x Pentium4 3.06GHz, FSB 533MHz, Multiplyer 6x Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 7 Prozessoren Sockeltypen unterschiedliche Konstruktion der Prozessorsockel für INTEL / AMD und deren Prozessorversionen (selbst bei gleicher PIN-Zahl nicht kompatibel) INTEL * Sockel 478 für Pentium 4 sowie der Mobile Pentium 4 und auf Pentium 4 basierten Celeron/Celeron D Prozessoren von Intel Sockel 775 ab 2004 (auch Sockel T) für Prozessoren der Pentium 4-, Celeron D- und Core 2-Familie. Sockel T hat Kontaktflächen statt Kontaktpins (Probleme mit elektromagnetischen Interferenzen (Antenneneffekt der PINs) AMD - Sockel A (auch: Sockel 462) oder engl. Socket A für Athlon-, Duron-, Athlon-XP- und Sempron-Baureihen. - Sockel 754 für AMD-Athlon-64- und Mobilprozessoren AMD Turion 64 und AMD Mobile Sempron. - Sockel AM2 mit 940 Pins (AM2+ ab Nov. 2007) für Athlon-64-Familie und Sempron-Prozessoren ab Revision F. Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 8 4

5 Mainboard - Architektur NAND-Gatter als ein universelles Element : entspricht UND-Verknüpfung mit anschließender Invertierung alle anderen Logikfunktionen ableitbar!! (?? Testat) Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 9 Mainboard-Erklärungen BUS-Systeme mit dem Ziel eines maximalen Datendurchsatzes sind für die einzelnen Bereiche spezielle Bus im Einsatz die Frequenzangaben stellen den Maximalen Durchsatz dar die Kopplung der Bus erfolgt durch spezielle Bausteine (Bridges) FSB - Front-Side-Bus - BUS unmittelbar an Prozessor (nur cm...) AGP- spezieller Bus für Grafikkarten PCI- universeller Bus für schnelle Steckkarten ISA - veraltet : langsamer Universal bus VESA - veralteter Grafikbus Weitere Mainboard-Komponenten CMOS - Uhr- und BIOS-Speicher Tastaturcontroller Festplatten- und Floppycontroller meist auch schon Soundkarte und Netzwerkkarte auf Mainboard Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 10 5

6 Mainboard-Ansicht Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 11 Aufbau eines PC-Rechners Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 12 6

7 Speicher Hauptspeicher: Bauformen SIMM (DRAM) Single Inline Memory Module mit 72 pins Ältere Rechner (Pentium II und davor) DIMM (SDRAM, DDR-SDRAM) Dual Inline Memory Module mit 168 pins Fast alle modernen Rechner (Pentium III/4, Athlon) - DDR (184Pins), DDR2 (240Pins) - mit doppelter oder vierfacher Datenrate (Double Data Rate) RIMM (RDRAM) - scheint sich NICHT durchzusetzen - zu teuer Rambus Inline Memory Module mit 184 pins Nur Pentium 4 (einige Modelle) ACHTUNG: IMMER NUR SPEICHER eines Typs einsetzen (zumindest paarweise)! Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 13 Speicher - Bezeichnungen Single-/Dual-Channel Neuere Mainboards/Chipsets unterstützen Zugriff auf Speicher mit zwei Kanälen (= doppelte Bandbreite) Zuerst nur für Rambus verfügbar, gibt es inzwischen auch erste Chipsätze, die DDR mit dual-channel ansteuern können! Marketing-Bezeichnungen DDR SDRAM 266-PC2100 / 333-PC /333 MHz Zugriffszeit (auf 133/166MHz double-pumped Bus) Bei 64Bit Datenbreite sind das ca. 2.1/2.7GB/s Rambus PC800/PC /1066 MHz Zugriffszeit (auf 400/533MHz dual-pumped Bus) Bei 2*16Bit Datenbreite ( dual-channel ) sind das ca. 3.2/4.2GB/s Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 14 7

8 Festplatten Speichert Daten (Programme, OS) langsamer als Hauptspeicher, schneller als DVD, CD-ROM, Floppy - Innenansicht IBM 120GB Deskstar: Kenndaten: Kapazität: in Gigabytes Achtung: Multiple von 1000 statt 1024! 60GB Platte hat z.b. effektiv nur 57GB Transferprotokoll: Transferrate in Megabytes EIDE: ATA33, ATA66, ATA100, ATA133 SCSI: Ultra-SCSI, Wide-SCSI (teuer, inzwischen langsam, zu klein) - nur noch für Serveranwendungen einsetzen Serial-ATA-Generation mit 1,5 Gbit/s oder 3 Gbit/s = 150 Mbytes/s bzw. 300 Mbytes/s (ab 2006 neue Version mit 600 MB/s veröffentlicht Umdrehungszahl: Umdrehungen pro Minute (z.b. 5400, 7200) -> LÄRM!! Zugriffszeit (mittlere): in Millisekunden (z.b. 8-10ms) Cache: in Megabytes (z.b. 2-8MB) - interner RAM_Speicher in der Platte! Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 15 Festplatten: Kauftipps Mittelgrosse Platten oft am günstigsten Heute: 300 GB EIDE (ATA/100) für ca. 70 SCSI Festplatten sehr teuer (aber robust ) Passend zu Datentransferrate des Mainboards ATA100 Festplatte an ATA33 ausgebremst Zukünftig serielles Kabel SATA Höhere Umdrehungszahl = Schnellerer Zugriff Aber lauter (evtl. Flüstermodus vorhanden) Achtung bei alten Rechnern: BIOS unterstützt evtl. nicht mehr als 20GB! Zukunftskompatibilität? Grundlagen von EIDE, SCSI mehr als 15 Jahre alt Nächste Generation: Serial-ATA ( MB/s) Parallel ATA vs. Serial-ATA - breites Flachbandkabel Serial-ATA - schmaleres Flachbandkabel Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 16 8

9 Festplatten: Festplatten: Einbau (EIDE) Datenkabel (40-adrig) mit roter Kante (=Pin 1) mit 2 Steckern pro Kabel Rote Kante an Pin 1/2 am Mainboard An Festplatte/CD-ROM rote Kante zum Stromkabel hin zeigend Achtung: ATA66+ benötigt spezielles (80-adriges) Kabel! Bis zu 2 Festplatten/CD-ROM/DVDs an einem Kabel Ein Gerät muss als Master konfiguriert werden ( Jumper ), das andere als Slave (siehe Aufkleber auf Laufwerk) Schnelleres Gerät als Master am Kabelende, langsames (CDROM) als Slave in die Mitte Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 17 CD-ROM und DVD-Geräte Lesen und Beschreiben von CD s und DVD s in spiralförmigen Bahnen Relativ aufwändige Bahnsteuerung, im Gegensatz zu Festplatten mit konzentrischen Spuren, damit schwierigere Suche der Spur Anschluß (ATA/ SATA) analog zu Festplatten Parameter Geschwindigkeit : bei CD-LW : einfach = 176,4 KiB/s Bei DVD-LW : einfach = 1,385 MByte/s = eine Stunde pro 4,7-GB-Rohling Brennen mit Phase-Change-Technologie Konf.: Einfach/Double-Layer // ein- /zweiseitig DVD-Rohlinge mit DVD-RW (DVD-Forum) und DVD+RW (DVD+RW Alliance), DVD-RAM mit vorkonf. Sektoren Nachfolger : Blue-Ray / HD-DVD mit ca. 15 GByte oder 30 Gbyte (Double Layer), Hologramm-Disk mit ca Gbyte! Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 18 9

10 Drucker Laserdrucker arbeiten nach dem Prinzip der Elektrofotografie (Aufladung einer Bildtrommel, teilweise Belichtung mit Laserstrahl (oder LED-Zeile bei OKI) damit Entladung, Aufbringen von Toner, Tonertransfer auf Papier, Fixierung auf Papier durch Hitze) - Farblaser mit 4 Systemen für die Basisfarben Tintenstrahldrucker kleinste Tintentropfen werden durch Piezoschwinger oder Heizdraht auf über 40 m/s beschleunigt und auf Papier gerichtet Druckkosten höher, Gerätekosten geringer als Laserdrucker Grundlagen der Informatik I - 1 VL 12 - T.Wiedemann- Seite 19 10