(PC-) Hardware (c) Till Hänisch, BA Heidenheim 2006

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1 (PC-) Hardware (c) Till Hänisch, BA Heidenheim 2006

2 Woraus besteht ein Computer?

3 von Neumann Architektur aus: [Wikipedia] Steuerwerk, Rechenwerk, Speicher, E/A Verbindung durch Bus(se) gemeinsamer Speicher für Daten und Programme Speicherzellen fester Größe (Alternative: Harvard-Architektur (Buffer Overflows!) Hardware allgemein einsetzbar (nicht programmspezifisch) Probleme: Performance der Verbindungen, 3 unterschiedliche Anforderungen an Speicher --> Hierarchie

4 aus: [

5 CPU Central Processing Unit Führt Programme aus einzelne (Maschinen-) Befehle z.b. ADD AX,BX MOV AX,[1000] [Wikipedia] wichtige Parameter: Wortlänge (z.b. 32 Bit) Taktfrequenz (z.b. 3 GHz) Stromverbrauch (Kühlung!) Architektur (RISC/CISC): Reduced Instruction Set Computer 1 (einfacher) Befehl pro Takt Complex Instruction Set Computer mehere Takte je Befehl 5

6 Chipsatz Verbindung zwischen CPU und "Rest" Northbridge: Speicher, Grafik-Bus Southbridge: Peripherie, manchmal auch Grafikkarte integriert je nach Hersteller unterschiedlich Bilder: [Wikipedia] 6

7 DRAM Dynamic Random Access Memory Arbeitsspeicher flüchtiger Halbleiterspeicher pro Bit 1 Transistor + 1 Kondensator Ladung im Kondensator fliesst ab, muss (alle paar msec) aufgefrischt werden Einzelne Chips werden in DIMMs zusammengefasst schnell (ca. 10 ns) groß: typ MBit/Chip 7

8 Flash-Speicher dauerhafter Halbleiterspeicher: Konfigurationsdaten (BIOS) Memory Sticks, Cards usw. langsamer als RAM Löschen nicht beliebig oft ( bis 1 Million mal) beim Programmieren werden Elektronen auf das (Floating) Gate gebracht, die dann einen Stromfluss zwischen Source und Drain verhindern, beim Löschen werden diese durch eine neg. 8 Spannung wieder abgezogen

9 Grafikkarte Prinzip Video RAM enthält Pixel (Picture Element) Umwandlung in analoges Signal für Monitor (oder digital, DVI) speparat oder On-Board [ heute: extreme Rechenleistung grosser Speicher (z.b. 256 MB) für 3D-Grafik (shading, Texturen,...) [Wikipedia] 9

10 (Röhren-) Monitor Prinzip Elektronenstrahl wird zeilenweise über Bild geführt und regt Farbstoff zum Leuchten an (durch Lochmaske --> Pixel) höherer Kontrast, bessere Farbtreue als LCD [dtv Lexikon der Information] [Wikipedia] 10

11 LCD-Display Liquid Crystal Display Prinzip: 2 gekreuzte Polarisationsfilter, dazwischen Flüssigkristalle, die die Polarisationsrichtung um 90 Grad drehen (durchsichtig). Bei elektrischem Feld Ausrichtung parallel zum Feld --> keine Drehung --> undurchsichtig alte Displays: Feld über Elektroden- Gitter TFT (Aktiv-Matrix-Displays): Je Pixel ein Transistor schneller, schärfer Bilder: [Wikipedia] 11

12 Massenspeicher

13 Festplatten magnetische Schicht Aufzeichnung in Spuren, unterteilt in Sektoren schneller, wahlfreier Zugriff (typ. 10 msec seek, 50 MByte/sec Transferrate, Kapazität GB) aus: [Westermann2001]

14 Magnetband Aufzeichnung auf Kunststoffband mit Magnetschicht. Bandkassetten sind austauschbar und billig (typ. etwa 5-50 EUR für Travan/DDS, 100 EUR aus: [Westermann2001] für DLT), Kapazität ca 4-20 GB (100 GB für LTO) gebräuchliche Aufzeichnungsverfahren: QIC Kassetten mit 1/4 Zoll breiten Bändern, alte Technik, billige Laufwerke TRAVAN Weiterentwicklung von QIC, 3M (Imation), höhere Kapazität DDS Datenaufzeichnung auf DAT (Audio) Kassetten,Schrägspuraufzeichnung billige Tapes DLT lineare Aufzeichnung, de facto Standard für Server Server, 1 2 Zoll SDLT Weiterentwicklung von DLT, servounterstützte Mehrkanalaufzeichnung, LTO Neuere Technologie,lineare Aufzeichnung, 1 2 Zoll (IBM, HP, Seagate)

15 tape libraries Wenn die Kapazität eines Bands nicht ausreicht, wird automatisierte Library mit einem oder mehreren Laufwerken und Platz für mehrere tapes verwendet. Kapazitäten ca. 1TB (1 Laufwerk, tapes) bis etwa 1000 TB (paar Schränke voll). Preis typ. ab etwa EUR

16 optische Medien Beispiel: CD eine Spur, Speicherung der Daten über untersch. optische Eigenschaften (Interferenz, Reflexionsvermögen) Kapazität 650 MB DVD: kleinerer Abstand zwischen Pits aus: [Westermann2001] Reicht die Kapazität eines Laufwerks nicht, werden auch hier Libraries ( Jukeboxen ) verwendet. Kapazität typ. 100 GB bis 1 TB

17 RAID Großrechnerplatten waren teuer Ersatz durch (billige) Standardplatten Redundant Array of Inexpensive Disks Heute: nicht wegen (niedrigem) Preis, sondern wegen Ausfallsicherheit und/oder Performance: Redundant Array of Independent Disks verschiedene Level, wichtig sind 0,1,5 Implementierung durch (SCSI) Controller oder in Software

18 RAID 0 striping: Daten werden sequentiell über mehrere Platten verteilt. Transferrate der Platten addiert sich (etwa) --> Höhere Performance bei großen, im wesentlichen sequentiellen Zugriffen. Anwendung: z.b. Video-Server, Datenbank-logs aus: [Westermann2001]

19 RAID 1 Mirroring: Daten werden auf einer zweiten Platte gespiegelt (Fällt eine aus, kann auf der zweiten weitergearbeitet werden). Performance wie bei Einzelplatte, doppelter Platzbedarf. Anwendung z.b. Betriebssystem-Platte aus: [Westermann2001]

20 RAID5 Striping + Parity Schreibzugriffe immer auf zwei Platten (Daten + Parity) --> Schreiben langsamer als Einzelplatte, lesen schneller. Bei Ausfall einer Platte können deren Daten aus den anderen und Parity wieder hergestellt werden, bei richtiger Konfiguration auch im laufenden Betrieb, ggf. mit hot spare Platte Anwendung: eigentlich immer, wenn es auf Ausfallsicherheit ankommt aus: [Westermann2001]

21 Busse

22 PCI Peripheral Component Interconnect Anbindung von interner Peripherie: Grafik, Netzwerk, Sound, Plattencontroller usw. Standard 1992, Intel Nachfolger von ISA/VLB/AGP 32 Bit parallel 33,33 bzw MHz Takt Bus, max. 10 Geräte dynamische Konfiguration Bilder: [Wikipedia] Varianten: PCI-X: 64 Bit, 133/266 MHz Takt PCI-Express (2004): seriell, 250 MByte/sec pro Lane z.b. PCIe x 16 für Grafikkarten

23 ATA/SATA Anbindung von Festplatten/CD/DVD Advanced Technology Attachment with Packet Interface (ATAPI) Erweiterung von IDE IDE: Integrated Disc Electronics Intelligenz im Laufwerk, Anschluss (praktisch) direkt an ISA-Bus Bilder: [Wikipedia] SATA: Serial ATA schneller:150 MByte/sec, SATA/II 300 flexibler: 2 m Länge (xsata 8m), dünnes Kabel, failover (2 Rechner) hot-plug fähig

24 USB Anbindung von externer Peripherie: Maus, Tastatur, Drucker, Scanner, Webcam usw. Massenspeicher externe Festplatten, CD usw. USB-Stick [ Standard 1996, Intel Hot pluggable Stromversorgung (max. 500 ma) Länge max. 5 m Erweiterung durch Hubs USB 1/2 1,5/60 MByte/sec Bilder: [Wikipedia]

25 IEEE 1394 Standard 1995, versch. Firmen im Multimediabereich setzen 1394 ein Apple (Firewire), Sony (ilink) ursprünglich als Multimedia-Bus entwickelt. asynchroner oder isochroner Datentransfer (400/800 Mb/sec). Bis zu 63 Geräte je Bus Immer stärker auch als Schnittstelle zu Platten,... aus: [Westermann2001]

26 schnell (siehe links) serielle Verbindung (dünnes Kabel) unterschiedlich schnelle Geräte auf einem Bus einfache Konfiguration (keine IDs,... einstellen) plug and play, hot pluggable, peer-to-peer enumeration: Adressen werden automatisch vergeben Adressen für Zugriffe haben 64 Bit (6 Bit phys. device ID, 10 Bit Bus ID, 48 Bit Adresse --> 256 TB Adressraum) 16 Bit Node ID --> max Geräte an einem Bus Kabellänge max. 4,5m je Segment, max. 16 hintereinander --> max. 72 m viele neuere Entwicklungen, z.b. IP over Firewire,...

27 Aktuelle PC Hardware Quelle: c t Magazin 24/2005

28 Komponenten

29 Motherboard Verbindung zwischen CPU, Speicher, Peripherie durch versch. Busse

30 Motherboard aus: [Wikipedia] 1 CPU 2.1Northbridge 2.2 Southbridge 3 Hauptspeicher (RAM) Sockel 4 AGP Slot 5 PCI Slot 7 Sound 8 IO Chip (Seriell, Infrarot...) 9 BIOS 10 Stromversorgung 12 ATA (Festplatte, CD...)

31 Aktuelle Technologien 64 Bit Software PCI Express DDR2 Speicher Serial ATA II HD Audio Multi Core CPU

32 Aktuelle Prozessoren Intel Pentium D Pentium 4 Extreme Pentium 4 Celeron AMD Athlon 64 X2 Athlon 64 Sempron aus: [

33

34 Speichertypen DIMM Chip Takt GB/sec PC DDR ,33 MHz 5,3 PC DDR ,67 MHz 4,2 PC DDR MHz 3,2 PC3200 DDR MHz 3,2 PC2700 DDR ,67 MHz 2,7 Typ. 512MB bis 2 GB, max. 4 GB (problematisch) möglichst zwei gleiche

35 Grafikkarten

36 Anschlüsse PCI (Express) Erweiterungskarten Serial ATA, DIE Festplatten USB Externe Tastaturen, Drucker, Platten,... Firewire Schnelle Massenspeicher, (Video-) Kameras PCMCIA Erweiterungskarten (Laptops)

37 Audio Meistens On-board AC97,HDA einfach, billig Höhere Anforderungen, sep. Sound Creative, EMU, VIA Oder externe USB oder Firewire

38 Büro-PC Heim-PC Gamer Multimedia-PC Was kaufen???