Grundlagen der Informatik. Teil IV Hardware

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1 Grundlagen der Informatik Teil IV Hardware Seite 1

2 Aufbau von Computersystemen Die Hardware besteht grundsätzlich aus Zentraleinheit und Peripherie Zentraleinheit : Mikroprozessor Arbeitsspeicher (RAM) Bus- und Anschluss-Systeme Ein-/Ausgabesystem. Peripherie (Komponenten, die an Zentraleinheit angeschlossen werden): Ausgabegeräte (Bildschirme, Beamer, Drucker, Plotter) Eingabegeräte (Tastatur, Maus, Scanner, Mikrofon) Ein- und Ausgabegeräte (Festplatten-Laufwerke, CD-ROM- bzw. DVD-Laufwerke, Modems, Netzwerkkarten) Seite 2

3 Aufbau von Computersystemen Seite 3

4 EVA-Prinzip EVA = Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe Eingabe: Über Eingabeeinheit (Tastatur, Maus, USB- Stick usw.) gelangen Daten in den Computer Verarbeitung dieser Daten findet in Zentraleinheit statt Ausgabe über Ausgabegerät (Bildschirm, Drucker, Festplatte usw.) Das EVA-Verfahren lässt sich durch die gesamte Geschichte der Computer verfolgen Seite 4

5 EVA-Prinzip Seite 5

6 Modellierung nach dem EVA-Prinzip Informatik modelliert reale Abläufe/Systeme ( Hardware ) durch Austausch und Verarbeitung von Informationen ( Software ) Beispiel: modelliert Postverkehr: Absender, Empfänger, Nachricht, Anlage From, To, Content, Attachment Briefumschlag, Siegel Verschlüsselung, Signatur Seite 6

7 Modellierung nach dem EVA-Prinzip Reales System zu modellierendes System = komplexer Gegenstand Einwirkungen verändern Gegenstand Dies hat Auswirkungen auf die Umwelt Software-Modell Einwirkungen = eingehende Informationen (Eingaben) Auswirkungen = ausgehende Informationen (Ausgaben) korrekt modelliert, wenn Eingaben so durch Informationsverarbeitung in Ausgaben überführt werden, dass der Zusammenhang zwischen Einwirkungen und Auswirkungen richtig widergespiegelt wird Seite 7

8 Modellierung nach dem EVA-Prinzip Hardware: Umwandlung von Eingangs- in Ausgangssignale Software: Abarbeitung eines Programms auf Eingabewerten Seite 8

9 Das von-neumann sche- Rechnermodell Grundkomponenten eines von-neumann-rechners: Prozessor (CPU) besteht aus Rechen- und Steuerwerk. Steuerwerk liest Befehle und deren Operanden nacheinander ein und interpretiert diese anhand seiner Befehlstabelle Das Rechenwerk führt die entsprechenden arithmetischen und logischen Operationen durch Arbeitsspeicher enthält die Befehle von ablaufenden Programmen und die zugehörigen Daten. Bussystem ist für den Transport von Daten zwischen den Einheiten wie dem Prozessor, dem Arbeitsspeicher und den Ein-/Ausgabeeinheiten zuständig Ein-/Ausgabeeinheiten nehmen neue Programme und Daten entgegen und geben fertig verarbeitete Daten aus Seite 9

10 Grundkomponenten eines von-neumann-rechners Seite 10

11 Grundkomponenten eines von-neumann-rechners Aufbau von heutigen Rechnern nach klassischer von- Neumann-Architektur Grundeinheiten physikalisch auf Hauptplatine (Mainboard) Prinzip der Funktionsweise: Auf den Inhalt der in einem Programmbefehl angegebenen Speicherzelle (Adresse einer Variablen mit Datum im Arbeitsspeicher oder Register) wird die im Befehl angegebene Operation angewendet, wie z. B.: Seite 11

12 Personal Computer heutige Personal Computer (PCs) Vorderseite: verschiedenen Wechsellaufwerke: CD-Brenner, DVD- Laufwerk und Diskettenlaufwerk. häufig Anschlussfeld mit wichtigen Anschlüssen Einschalt- und Reset-Knopf LEDs (PC eingeschaltet, Festplattenaktivitäten ) Rückseite: Anschlüsse für Monitor, Tastatur, Maus, Netzwerk, Drucker, etc. Seite 12

13 Personal Computer Seite 13

14 Personal Computer Komponenten-Computer bis 1981 nur Computer, Ersatzteile, Erweiterungen vom Hersteller 1981 IBM => erster Komponenten-Computer Hersteller halten sich an festgelegte Spezifikationen => Teile beliebig kombinierbar z.b. Prozessor (AMD), Grafikkarte (ATI), Mainboard (Asus) Seite 14

15 Die Zentraleinheit Hauptplatine = Mainboard = Motherboard Seite 15

16 Die Zentraleinheit Die Zentraleinheit => Komponenten der Hauptplatine auch Mainboard oder Motherboard Mikroprozessor (CPU = Central Processing Unit) Ausführung von Programme Steuerung und Verwaltung der das Herzstück eines Computers. RAM-Arbeitsspeicher (RAM = Random Access Memory) enthält die Programme, die gerade ausgeführt werden Enthält gerade verwendeten Daten. Seite 16

17 Die Zentraleinheit ROM-Speicher (ROM = Read-only-Memory) enthält Programm (BIOS bei IBM-PCs), das beim Einschalten Hardwarekomponenten überprüft und das Booten des Betriebssystems von einem Speichermedium (Festplatte, DVD) veranlasst Busse und Schnittstellen Kommunikation zwischen Bestandteilen des Mainboards Anschlüsse von Peripheriegeräten (z.b. Grafikkarte, Netzwerkkarte, Festplatte, Drucker usw.) Chipsatz fest auf dem Mainboard untergebrachte Schaltkreise Nothbridge, Southbridge Steuerung von Anschlüssen des Mainboards Clock (Taktgeber) Seite 17

18 Die Zentraleinheit Weitere Bestandteile des Motherboards, jedoch nicht zwingend Bestandteile der klassischen Zentraleinheit USB-Schnittstellen Mechanische Erweiterungssteckplätze Festplattencontroller, Diskettenlaufwerk-Controller, (HD-) DVD-Laufwerk-Controller Grafik-, Netzwerkkarte (onboard) Seite 18

19 Die Zentraleinheit Northbridge, Southbridge Benannt nach ihrer Lage auf der Platine Northbridge Sorgt für Datenfluss zwischen Prozessor, Arbeitsspeicher, Grafikkarte, Southbridge Southbridge Verwaltung von PCI-Express-Bus, S-ATA Schnittstellen, USB-Ports, parallele Schnittstelle, serielle Schnittstelle, Diskettenlaufwerk-Controller, Tastatur, Maus, ggf. onboard-peripherie Seite 19

20 Die Zentraleinheit Unterscheidung bei Motherboards durch Formfaktoren ATX, BTX, ITX Kleinere Boards => weniger Steckplätze Seite 20

21 CPU Prozessor = CPU (Central Processing Unit) Mikroprozessoren sind integrierte elektronische Schaltkreise ursprünglich wenigen Tausend Transistoren heute mehrere Millionen Transistoren Seite 21

22 CPU Komponenten eines Mikroprozessors Seite 22

23 CPU Ein Mikroprozessorbesteht ausfolgenden Komponenten: ALU (Arithmetic Logical Unit) Rechenwerk führt mathematische Operationen und logische Verknüpfungen durch Register spezielle Speicherplätze innerhalb des Prozessorkerns ALU rechnet mit Werten, die sich in Arbeitsregistern befinden Typische Prozessoren: relativ wenige Register (z. B. 2, 4, 6, 8) Steuerwerk Befehlszählerregister und Befehlsregister Kontrolle über Ausführung von Programmcodes initiiert andere Steuerungsfunktionen Befehlstabelle (Instruction Table), zur Dekodierung von Maschinenbefehlen eines Programms Seite 23

24 CPU Kommunikation zwischen CPU und anderen Komponenten über Busse (Datenleitungen) Datenbus Austausch von Daten mit dem Arbeitsspeicher Adressbus Übertragen der zugehörigen Speicheradressen Steuerbus Ansteuerung der Peripherie-Anschlüsse Seite 24

25 CPU Register prozessorinterne Speicherplätze Können jeweils ein (binäres) Datum bestimmter Länge (z. B. 32-Bit) Nur mit den Daten in den Arbeitsregistern können direkte logische Operationen durchgeführt werden Seite 25

26 CPU Arbeitsregister werden mit best. Befehlen (Namen) angesprochen (z.b. D1 D7, EAX EDX ) Sie können Daten (Datenregister) und je nach Prozessortyp auch Adressen (Adressregister) aufnehmen Befehlszählerregister beinhaltet immer die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls häufiger Name: Instruction Pointer (IP) Befehlsregister kann einen (binären) Maschinenbefehl aufnehmen Seite 26

27 CPU Funktionsweise eines Prozessors 1. Befehlszählerregister des Steuerwerks enthält die Adresse des nächsten Maschinenbefehls. Die Adresse des Befehls wird über den Adressbus an den Arbeitsspeicher übermittelt 2. Der Befehl wird aus dem Arbeitsspeicher über den Datenbus in das Befehlsregister übertragen. Mittels Dekodierlogik wird der Befehl analysiert und die Ausführung angestoßen 3. Der Befehl wird ausgeführt; abhängig vom jeweiligen Befehl wird dabei zusätzlich das Lesen von Daten aus dem Arbeitsspeicher, die Ansteuerung von Peripherieschnittstellen, das Rechnen in der ALU oder die Durchführung eines Sprungs im Programm erforderlich. Der Status der jeweiligen Operation wird im Statusregister (Flagregister) angezeigt. Seite 27

28 CPU 4. Falls ein Sprung stattfand, wird das Befehlszählerregister auf die entsprechende neue Adresse gesetzt, ansonsten wird das Befehlszählerregister um 1 erhöht 5. Der Prozessor fährt wieder mit dem 1. Schritt fort. Hardware Interrupts Bei Anfragen von der Hardware (wie z. B. Festplatte oder Soundkarte) unterbricht der Prozessor unter Umständen die Abarbeitung der Befehlssequenz des laufenden Prozesses und führt zunächst die angeforderte Kommunikation mit der Hardware durch, bevor er an der unterbrochenen Stelle wieder fortsetzt Vgl. Parallelverarbeitung Seite 28

29 CPU Klingt sehr abstrakt => Ist es auch für den Menschen praktisch unlesbar Lösung: Symbolische Maschinenbefehle (Assembler-Befehle) Zur Erleichterung der Programmierung => symbolische Schreibweise für Maschinenbefehle fast jeder Prozessortyp hat unterschiedliche Maschinenbefehle => für jeden Prozessortyp unterschiedliche Assemblerbefehle Seite 29

30 CPU Beispiele symbolischer Maschinenbefehle (Assembler-Befehle): MOV BX, $7A35 Hole aus dem Arbeitsspeicher den Wert, der an der Adresse 7A35 steht, und lege ihn im Arbeitsregister BX ab. ADD BX, 20 Addiere den Wert 20 zum Inhalt des Rechenregisters BX. CMP BX, 50 Vergleiche den Wert im Register BX mit 50. Falls in BX der Wert 50 steht, wird ein bestimmtes Bit (Flag) im Zustandsregister gesetzt. JE $B7F4 Falls der vorherige Vergleich gleich ergeben hat (Flag ist im Zustandsregister gesetzt), springe zur Programmadresse B7F4. JE steht für jump if equal, also Springe, wenn gleich. Seite 30

31 CPU Prozessoren können nur mit binären Werten umgehen Also Übersetzung von Assember-Befehlen in Maschinenbefehle automatische Übersetz-Programme => Assembler Beispiele (Intel80x86) Seite 31

32 CPU Seite 32

33 CPU Maschinenbefehle bestehen aus mehreren Teilen: Befehl (OP-CODE) Operand (mit Angabe der Adressierungsart) Operandenwert bzw. Adresse Jedes Bit hat eine spezielle Bedeutung Interpretation im Steuerwerk veranlasst verschiedene Reaktionen Maschinenbefehle können verschiedene Längen und Anzahl von Operanden haben Seite 33

34 CPU Kategorien von Maschinenbefehlen Seite 34

35 CPU Arithmetische und logische Befehle erlauben Berechnungen und logische Entscheidungen in einem Programm Sprungbefehle ermöglichen Abweichungen vom linearen Fluss eines Programms Mit diesen wird, zusammen mit arithmetischen und logischen Befehlen, die Vielfalt im Verhalten eines Programms und die sprichwörtliche Intelligenz von heutigen Computern erreicht. Seite 35

36 CPU Transportbefehle dienen zum Transport der Daten zwischen Prozessor, Arbeitsspeicher und Ein-/Ausgabeeinheiten Prozessorkontrollbefehle werden zur Priorisierung von wichtigen Aufgaben und allgemein zur internen Organisation und zur Verwaltung des Prozessors benötigt Seite 36

37 CPU Leistungsmerkmale von Prozessoren Die Wortbreite eines Prozessors Wortbreite der Arbeits- bzw. Datenregister legt die maximale Größe von Ganzzahlen und die Genauigkeit von Gleitpunktzahlen fest Wortbreite des Datenbusses legt fest, wie viele Bits gleichzeitig aus dem Arbeitsspeicher gelesen oder in ihn geschrieben werden können Wortbreite der Adressregister und des Adressbusses legt die maximale Größe von Speicheradressen fest, und somit auch, wie viel Arbeitsspeicher ein Prozessor überhaupt adressieren kann Breite des Steuerbusses legt u.a. die Art der Peripherieanschlüsse fest, die ein Prozessor zulässt. Seite 37

38 CPU Leistungsmerkmale von Prozessoren Seite 38

39 CPU Leistungsmerkmale von Prozessoren Taktfrequenz (clock rate) wird zur Beurteilung der Prozessor-Geschwindigkeit herangezogen Flasche Annahme: es geht hauptsächlich um die Taktfrequenz Unterschied: Anzahl nötiger Zyklen um Befehle auszuführen Seite 39

40 CPU Leistungsmerkmale von Prozessoren Abhängig von Größe des Arbeitsspeichers Arbeitsspeicher voll => Auslagern von Daten auf Festplatte Längere Ladezeit Seite 40

41 CPU Leistungsmerkmale von Prozessoren Benchmarks Maße zur Leistungsbewertung Software für Benchmark-Tests Programmpakete, die Befehlsfolgen enthalten, die reale Anwendungen widerspiegeln Seite 41

42 CPU Leistungsmerkmale von Prozessoren MIPS Million Instructions per Second Anzahl der Befehle, die ein Prozessor in einer Sekunde ausführen kann FLOPS Floating Point Operations Per Second Anzahl der Gleitpunktoperationen, die ein Prozessor in einer Sekunde ausführen kann Seite 42

43 CPU Einsatzbereiche von Prozessoren Prozessoren für PCs (Rechner) Seite 43

44 CPU Einsatzbereiche von Prozessoren Prozessoren für PCs (Rechner) Seite 44

45 CPU Einsatzbereiche von Prozessoren Prozessoren für PCs (Rechner) neue 64-Bit-Prozessoren Erhöhung der Rechenleistung Erhöhung des adressierbaren Arbeitsspeichers (über 4 Gbyte) Mehrkern-Prozessoren Echtes Multitasking, bzw. Multithreading Seite 45

46 CPU Einsatzbereiche von Prozessoren Proprietäre Prozessoren: Vor allem in Großrechnern, auch Mainframes genannt IBM, SUN verwenden eigene Prozessoren Prozessoren in Embedded Systemen: Typenvielfalt nahezu unüberschaubar ständig zunehmend von kostengünstigen und stromsparenden 4-, 8- und 16-Bit- über 32- bis zu 64-Bit- und speziellen 128-Bit-Prozessoren (z. B. für schnelle Grafikverarbeitung) Seite 46

47 CPU Einsatzbereiche von Prozessoren Preise 0,10 Euro => 4-Bit- Prozessor über 1000 Euro => neue 32- oder 64-Bit-Prozessoren Verwendung in PCs, Workstations, Server (32- bzw. 64-Bit) => weniger als 5% Verwendung in Embedded Systems => über 95% 90% sind s.g. Mikrocontroller, also inkl. Speicher (ROM, RAM), Timer, I/O-Ports, etc. Seite 47

48 CPU weitere Komponenten heutiger Prozessoren Schnelle Cache-Speicher während des Ablaufs eines Programms, muss jedes zu bearbeitende Datum aus dem Arbeitsspeicher geholt und nach Veränderung wieder dorthin zurückgeschrieben werden Entscheidend für Geschwindigkeit: Zugriffsgeschwindigkeit zum Arbeitsspeicher Heutige Mikroprozessoren: zusätzlich Cache-Speicher sehr schnelle, kleine Zwischenspeicher Speicherung zuletzt ausgeführter Befehle und bearbeiteter Daten Seite 48

49 CPU weitere Komponenten heutiger Prozessoren mehrstufigen Speicherarchitektur: Level-1-Cache direkt im Prozessorkern selbe Taktrate wie der Prozessor 16 Kilobyte oder 128 Kilobyte Level-2-Cache außerhalb des Prozessors auf dem Mainboard oder auch im Prozessor, aber nicht im Prozessorkern schneller als der normale Arbeitsspeicher, langsamer als der Level- 1-Cache 512 oder 1024 Kilobyte Seite 49

50 CPU weitere Komponenten heutiger Prozessoren RAM (Arbeitsspeicher) Speicherung der verwendeten Programme Speicherung verwendeter Daten Swapping bzw. Paging Wenn Arbeitsspeicher nicht ausreicht Auslagern von Daten auf Festplatte Seite 50

51 CPU Leistungssteigerung Meteorologie: für weiter verbesserte Wettervorhersagen Physik: für die Überprüfung von Modellen zum Aufbau und der Struktur der Materie und des gesamten Kosmos Medizintechnik: für noch erheblich bessere Auflösung von bildgebenden Tomographie-Verfahren und die Darstellung auch von 3-D-Bildern in Echtzeit, d. h. innerhalb weniger 1/10 Sekunden Pharmazie: für das 3-D-Design von komplizierten Proteinen zur Herstellung neuer Medikamente Gen-Forschung: für die Untersuchung der Funktionalität der aus den nun bekannten Genen synthetisierten Proteine Privatanwender z.b. für Video-Bearbeitung Seite 51

52 CPU Leistungssteigerung Konzepte und Techniken für Leistungssteigerung: Einsatz von schnellen Zwischenspeichern Einsatz von zusätzlichen, speziellen Co-Prozessoren Einsatz von RISC-Prozessoren bzw. -Konzepten Einsatz von Parallel-Verarbeitung Seite 52

53 RAM Anzahl der Register eines Prozessors beschränkt => separater, großer, adressbezogener Speicher für Daten vor Verfügbarkeit von Halbleiterspeichern => Kernspeicher jedes Bit durch wenige Millimeter großen Ferritring realisiert Seite 53

54 RAM RAM = Random Access Memory Speicher mit wahlfreiem Zugriff Arbeitsspeicher Internes Speichermedium Flüchtig => Ständige Stromversorgung (um Daten zu halten) Basiert auf Halbleitertechnik Seite 54

55 RAM Seite 55

56 RAM Speicherzellen können geschrieben und gelesen werden Direkter Zugriff auf jedes Byte ROM (Read-Only-Memory) => nur lesen RAMs sind byte-orientiert jede Speicherzelle 1 Byte groß Jede Speicherzelle besitzt eigene Adresse Die in einem Befehl maximal bearbeitbare bzw. adressierbare Anzahl von Bytes hängt von der Bus- bzw. Registerbreite des verwendeten Prozessors ab Seite 56

57 RAM Unterscheidung: DRAM SD-RAM DDR-SD-RAM SRAM Seite 57

58 RAM DRAM (Dynamic RAM) Langsam aber kostengünstig => Verwendung in Arbeitsspeicher- Modulen Zugriffszeit: ns Dynamisch => ständige Stromversorgung, sonst Datenverlust (flüchtig) SD-RAM (Synchronous DRAM) Arbeitet im Prozessortakt Zugriffszeit: bis zu 6,5 ns dynamisch Seite 58

59 RAM DDR-SD-RAM (Double Data Rate SD-RAM) DDR 1 => 184 Pins DDR 2 & 3 => 240 Pins Nachfolger SD-RAM Jeweils doppelte Geschwindigkeit Wie könnte das realisiert sein? Lesen bzw. Schreiben bei auf- und absteigender Flanke Zugriffszeit: 6 30 ns dynamisch SRAM (Static RAM) Schneller als SD-RAM aber teuer Zugriffszeit: 3 20 ns Verwendung in Cache-Speichern Seite 59

60 RAM RD-RAM (Rambus-RAM) Benannt nach Hersteller Rambus Schneller als SD- oder DDR-RAM Spezielles Mainboard nötig Seite 60

61 RAM Speichervermögen von RAM-Modulen in wird angegeben in Megabyte Speichervermögen einzelner RAM-Chips auf einem Modul wird angegeben in Mbit (Megabit) 1GB benötigt also z.b. 8 Chips à 1024 Mbit oder 16 x 512 Mbit, etc. Seite 61

62 RAM Verschiedene Bauformen von RAM-Bausteinen: SIMM-Module (Single Inline Memory Modules) Datenbreite: 32 Bit 72 Anschlusspins Heute nur noch selten verwendet (z.b. Drucker) DIMM-Module (Double Inline Memory Modules) SD-RAM, DDR-RAM Datenbreite: 64 Bit Pins auf Vorder- und Rückseite führen unterschiedliche Signale => 184 Pins (DDR 1) bzw. 240 Pins (DDR 2 & 3) Zugriff mit Taktfrequenz des Mainboards RIMM-Module (Rambus Inline Memory Modules) Seite 62

63 RAM Dynamic vs. Static Beide flüchtig (kein Strom => keine Daten) Nachteil Dynamic RAM: während des laufenden Betriebes ständige refreshes nötig (im Abstand von Millisekunden) Vorteil Dynamic RAM: Benötigt 1 Transistor & 1 Kondensator pro Bit (Static RAM benötigt jeweils 4) mehr Speicherplatz auf gleicher Fläche Seite 63

64 ROM ROM = Read-Only-Memory Beim Einschalten eines Rechners muss ein Programm abgearbeitet werden können Prüfen von Hardware-Komponenten z.b. Laden des Betriebssystems von einer Festplatte RAM dazu nicht geeignet Embedded Systems => i.d.r. keine Festplattenspeicher Speicherung auch ohne Stromversorgung Seite 64

65 ROM Verschiedene Arten von Halbleiter-ROMs ROM Wird bei Herstellung mit einer festen Funktionalität versehen, die nicht mehr geändert werden kann PROM (Programmable ROM) kann einmal mit einem speziellen PROM-Brenner programmiert werden EPROM (Erasable PROM) kann mit einem speziellen EPROM-Brenner beschrieben und mit UV-Licht durch ein speziell eingebautes Fenster gelöscht und erneut beschrieben werden Seite 65

66 ROM Flash-EPROM kann, ohne speziellen EPROM-Brenner, mit spezieller Software erneut beschrieben werden Verwendung in BIOS-Bausteinen, Speicherkarten (z.b. Digicam) Seite 66

67 ROM direkter adressbezogener Speicherzugriff (vgl. RAM) Direkte Abarbeitung von Programmen in ROMS Kein Kopieren von Festplatte in Arbeitsspeicher nötig! In der Entwicklung: Halbleiterspeicher, mit Lese- und Schreibzugriff, die ohne Spannung Daten behalten => FRAMs (Ferro-RAMs) Wenn FRAMs gleiche Speicherdichte, Zugriffszeit, Preis wie RAM => Wegfallen des Bootvorgangs bei PCs Seite 67

68 RAM vs. ROM Unterschiede zwischen RAMs und ROMs: Lese-/Schreib-Möglichkeiten (RW; read-write) Zugriffszeiten (ZZ; für R/W) Speicherpermanenz ohne Spannungsversorgung (SP) Realisierbare Speichergröße (SG) Seite 68

69 ROM ROMs mit einem Betriebssystem Frühe PCs => einfaches Betriebssystem und BASIC-Interpreter fest in ROM-Baustein Beim IBM-PC, 1980er Jahren Betriebssystem auf Diskette => Laden in Arbeitsspeicher Vorteil: einfachere Änderbarkeit und Wahlfreiheit des Softwareprodukts Heute: in speziellen Anwendungsfällen Betriebssystem/Anwendungssoftware in ROMs Seite 69

70 ROM Software in ROMs, wie z.b.: In Geräten (Handys, Organizern, PDAs), also in Embedded Systems in speziellen Webserver-, Firewall- oder Router-Boxen meist ein einfaches Linux-Betriebssystem enthalten in speziellen Industrie-PCs Bei Verwendung in rauer Umgebungen/Produktionsstätten Wenn keine Verwendung von Festplatten möglich Seite 70

71 BIOS BIOS = Basic Input/Output System ein Chip (bei IBM-PCs) auf Mainboard Enthält s.g. Firmware enthält (Basis-Steuerlogik für den Start des Rechners) Flash-PROM Zusätzlich kleiner, batteriegepufferten RAM-Baustein (Konfigurationsparameter und System-Uhrzeit Batterie leer => Konfigurationseinstellungen gelöscht Rechner starten => BIOS wird ausgeführt Hardwaretests mit Kontrollmeldungen Bootloader => laden des Betriebssystems von der Festplatte Seite 71

72 BIOS Die wesentlichen Funktionen POST (Power-On Self Test) Selbsttest beim Einschalten Testet die wichtigsten Hardware- Komponenten (Grafikkarte, Arbeitsspeicher) Beispiel Tonfolge Strich = lang Stern = kurz Fehler bei Fehleranzeige durch Tonfolge => *** RAM _ * Motherboard _** Grafikkarte ***** Prozessor ****** Tastaturcontr. * Alles ok Seite 72

73 BIOS Einfache Kommunikation mit der Hardware Einstellen der Rechneruhr Definieren der Boot-Priority Übergabe der Kontrolle an den Datenträger Nach erfolgreichem POST => Übergabe der Kontrolle an Datenträger Programm im Master Boot Record (Startsektor, kurz MBR) wird in Arbeitsspeicher geladen und ausgeführt Seite 73

74 Busse & Schnittstellen Busse und Schnittstellen Kommunikation zwischen den einzelnen Bestandteilen des Mainboards Anschlüsse für Peripheriegeräte (Grafikkarten, Festplatten, Drucker usw.) Transport von Daten zwischen Einheiten auf Mainboard, Prozessor, Arbeitsspeicher, Ein- /Ausgabeeinheit über internes Bussystem Seite 74

75 Busse & Schnittstellen Verschiedene Arten von Bussen Bei internem Bussystem, aus Geschwindigkeitsgründen => parallele Übertragung mehrerer Bits Anzahl parallel zu übertragender Bits abhängig von verfügbaren Busleitungen am Chip Anzahl korreliert mit Bitlänge und maximaler Datengröße der Prozessorregister Seite 75

76 Busse & Schnittstellen Im Einzelnen werden die folgenden Busse unterschieden: Datenbus: dient der bidirektionalen Übertragung von Daten zwischen den Einheiten Adressbus: dient der unidirektionalen Übermittlung von Adressen zum Speicher (oder zu den Ein- /Ausgabeeinheiten) Steuerbus: dient zur Koordination exklusiver Zugriffe auf den Daten- und Adressbus (Bus reservieren, freigeben ) Seite 76

77 Busse & Schnittstellen Busstruktur heutiger PCs Seite 77

78 Busse & Schnittstellen Interne und externe Kommunikation Für die Kommunikation zwischen Prozessor, den einzelnen Bestandteilen des Mainboards und den angeschlossenen Peripheriegeräten werden verschiedene Techniken eingesetzt Polling Interrupt Requests (IRQs) Seite 78

79 Busse & Schnittstellen Polling von Daten Bei diesem Verfahren fragt der Prozessor in bestimmten Zeitabständen bei einem Gerät nach, ob Daten zur Übertragung anstehen Interrupt Requests (IRQs) Bei diesem Verfahren kann eine Kommunikation mit dem Prozessor von einem Gerät durch Auslösung bestimmter Signale, so genannter IRQs (Interrupt Requests), begonnen bzw. angefordert werden Seite 79

80 Busse & Schnittstellen Möglichkeiten zur Übertragung von Kommunikationsdaten: E/A-Port- bzw. Basisadressen legen den Beginn eines vereinbarten Adressblocks fest, der für den Austausch der Daten zwischen dem Prozessor und dem jeweiligen Gerät verwendet wird Memory Mapped I/O Prozessoren besitzen nicht immer spezielle Adressbereiche für Ein-/Ausgabegeräte. Adressen für E/A-Geräte können prinzipiell auch im Adressbereich des Arbeitsspeichers liegen DMA-Kanäle (Direct Memory Access) und Bus Mastering sind spezielle Verfahren zur direkten Übertragung von Gerätedaten in den Arbeitsspeicher und umgekehrt, ohne dass die Daten den Prozessor passieren müssen Seite 80

81 Busse & Schnittstellen Anschlüsse für Erweiterungskarten PCI-Anschluss (Peripheral Component Interface) ist der Standard-Kartenanschluss für PCs (32-Bit, 33 MHz) AGP-Anschluss (Accelerated Graphics Port) ist ein spezieller Anschluss für Grafikkarten (64-Bit, >= 66 MHz) PCMCIA-Anschluss (Personal Computer Memory Card International Association) wird auch als PC- Card-Anschluss und häufig bei Notebooks als externer Anschluss für spezielle kleine Einsteckkarten eingesetzt Seite 81

82 Busse & Schnittstellen Anschlüsse für Laufwerke EIDE (Enhanced Integrated Device Electronics) auf den meisten PC-Mainboards integriert 2 Anschlüsse / je zwei Geräte (Master und ein Slave) Seite 82

83 Busse & Schnittstellen Anschlüsse für Laufwerke SCSI (Small Computer System Interface) erlaubt den Anschluss von 7 Geräten Wide-SCSI sogar 15 Geräte Seite 83

84 Busse & Schnittstellen Anschlüsse für Laufwerke S-ATA (Serial Advanced Technology Attachment) Nachfolgetechnolgie zu IDE / EIDE (auch P-ATA) mit schneller serieller Datenübertragung ATA => Protokoll zur Übertragung (auch Verwendet bei EIDE) Neuerung: Daten werden seriell übertragen (Bit für Bit) und nicht, wie bei den alten ATA-Standards, in 16-Bit-Wörtern Vorteile: Bei kurzzeitigen Störungen weniger Datenverlust höhere Datentransferrate vereinfachte Kabelführung Hot-Plug Seite 84

85 Busse & Schnittstellen Weitere Anschlüsse für Peripheriegeräte Meist seriell und Hot-Plug USB-Anschluss (Universal Serial Bus) USB 1.0 / 1.1 => Übertragungsrate: 12 MBit/s USB 2.0 => Übertragungsrate: 480 MBit/s IEEE-1394-Schnittstelle (FireWire) Übertragungsrate: 400 MBit/s FireWire 800 => Übertragungsrate: 800 MBit/s Seite 85

86 Busse & Schnittstellen Drahtlose Schnittstellen Infrarot-Anschlüsse Vgl. Fernbedienungen Sichtkontakt zw. Gerät und Empfangsstation Funk-Anschlüsse (Bluetooth) fast immer Mikrowellen Frequenzbereich: 2,4 GHz (weil lizenzfreies Frequenzband) WLAN (Wireless LAN) Seite 86

87 Busse & Schnittstellen Serielle vs. parallele Datenübertragung Unterscheidung: Art der Datenübertragung Seriell: Datenübertragung einzelner Bits nacheinander Parallel: Übertragung mehrerer Bits gleichzeitig auf nebeneinander liegenden Leitungen (z. B. 8, 16, 32 oder 64 Bits) Vorteile serieller Datenübertragung: weniger Strom deswegen über größere Entfernungen Störunanfälliger Seite 87

88 Peripherie Zur Peripherie zählen alle Geräte, die an einen Rechner angeschlossen sind Eingabe-, Ausgabe- oder gleichzeitig Ein- und Ausgabegeräte Geräte, zur Speicherung von Daten (Massenspeicher ) Seite 88

89 Peripherie Seite 89

90 Peripherie Massenspeicher Massenspeicher Unterscheidung: physikalisches Schreib- und Leseverfahren Magnetische Datenträger Optische Datenträger Magneto-optische (MO) Datenträger Seite 90

91 Peripherie Massenspeicher Magnetische Datenträger Bits werden durch magnetische Bereiche mit gegensätzlicher Polarität dargestellt z. B. Festplatte, Diskette, ZIP-/JAZ-Laufwerke, Bandlaufwerke (Streamer) Optische Datenträger Daten werden auf einer reflektierenden Metallfläche gespeichert Abtastung durch Laserstrahl Bits werden durch hineingebohrte Löcher (Pits) und unveränderte (nicht gebohrte) Stellen (Land) dargestellt Seite 91

92 Peripherie Massenspeicher Magneto-optische (MO) Datenträger Mischverfahren aus magnetischen und optischen Schreib- und Lesevorgängen verwendet Seite 92

93 Peripherie magnetische Datenträger Unterschiedliche Realisierungen von magnetischen Datenträgern 1. Rotierende runde Scheibe, bei der ein Schreib- /Lesekopf sich nach außen und innen bewegen kann Während Scheibe rotiert, bewegt sich der Schreib-/Lesekopf => praktisch beliebiger, schneller Zugriff auf Daten Wichtigster Massenspeicher: Festplatte HDD (Hard Disk Drive) Wechseldatenträger (wie z. B. Diskette, ZIP-Diskette usw.) Seite 93

94 Peripherie magnetische Datenträger 2. Magnetbänder bei denen ein langes, dünnes Band unter dem Schreib-/Lesekopf entlanggezogen wird. Ein Zugriff auf Daten ist hier nur der Reihe nach hintereinander (sequenziell) möglich Seite 94

95 Peripherie HDD Geöffnetes Festplatten-Laufwerk und Plattenstapel mit Zylindern, Spuren und Sektoren Seite 95

96 Peripherie HDD Scheibenförmiges Trägermaterial (Substrat) Meist Aluminium mit magnetisierbarer Schicht Vorteile HDD: Große Speicherkapazität Geringe Zugriffszeit, bei hoher Datensicherheit und günstigem Preis Seite 96

97 Peripherie HDD Hohe Speicherkapazität => mehrere übereinander angeordnete Scheiben Plattenstapel => Zylinder Zugriff über Schreib-/Lesekopf (berührungslos) Seite 97

98 Peripherie HDD Diskette: 300 U/min HDD: 5400, 7200, und mehr U/min Diskette Kunststoffscheibe flattert bei hohen Umdrehungszahlen => Aluminiumplatte nicht Seite 98

99 Peripherie HDD Berührungslose Abtastung Abstand: 1 Mikrometer Bernoulli-Effekt Bei hohen Umdrehungsraten bildet sich Luftpolster zwischen Platte und S-L-Kopf Headcrash Berührung des Schreib-/Lesekopfes mit Scheibe Auswirkung: Datenverlust, Beschädigung des S-L-Kopfes Seite 99

100 Peripherie HDD HDD-Gehäuse sind luft- und staubdicht Wenn Staub im Gehäuse, Beeinträchtigung des S-L-Kopfes Festplatten rotieren dauerhaft Anlaufen lassen und Stoppen nur bei Zugriffen => stark erhöhte Schreib-Lese-Zeiten Seite 100

101 Peripherie HDD Zugriffszeiten: HDD: 6ms Diskette: ms Datendurchsatz: HDD: Kbyte/s Diskette: Kbyte/s Seite 101

102 Peripherie HDD Aufzeichnungsdichte: BPI = Bits per Square-Inch = Bits pro Quadratzoll Auch: FCI = Flux Changes per Inch Moderne HDD: 30 Giga-BPI Seite 102

103 Peripherie HDD HDD werden beim Ausschalten geparkt Bei Trennung vom Stromnetz => Autopark-Funktion Fahren der S-L-Köpfe in datenlosen Bereich (Landing-Zone) Fixierung der S-L-Köpfe Seite 103

104 Peripherie HDD Datenorganisation Einrichtung von Datenspuren konzentrische Kreise durch s.g. Low-Level-Formatierung Übereinanderliegende Spuren eines Plattenstapels => Zylinder Je dichter die Spuren, desto mehr Datenvolumen Spurdichte = TPI = Tracks per Inch = Spuren pro Zoll Innere Spur: kleineste Datenmenge Seite 104

105 Peripherie HDD Unterteilung in Sektoren Ältere Festplatten: kürzeste Spur definierte maximale Anzahl Sektoren => Platzverschwendung! 1 Sektor = 512 Datenbytes Lösung: Zone-Bit-Recording (ZBR-Verfahren) Seite 105

106 Peripherie HDD Zone-Bit-Recording (ZBR-Verfahren) Einteilung von Platten in Spurgruppen Pro Gruppe maximale Anzahl an Sektoren definiert Je kleiner die Gruppen, desto bessere Ausnutzung des Platzes Höherer Rechenaufwand für Festplattencontroller => weil bei jedem Zugriff Berechnung der Menge von Spuren auf jeweiligem zu lesenden Sektor erforderlich Lösung: Zusammenfassen von Spuren zu Zonen, in der die Anzahl der Sektoren gleich ist Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Speicherplatz Seite 106

107 Peripherie HDD Low-Level-Formatierung durch Hersteller Festlegen des Dateisystems (je nach Betriebssystem) durch Verbraucher FAT32, bzw. NTFS (Windows) EXT3, EXT4 (Linux) Seite 107

108 Peripherie HDD Formel zur Berechnung des Speicherplatzes einer HDD Speicherkapazität = Anz. Zylinder * Sektoren pro Spur * Sektorengröße * Anz. Köpfe Seite 108

109 Peripherie optische Datenträger Compact Disc (CD) und Digital Versatile Disc (DVD) optischer Datenträger 1982 von Sony und Philips entwickelt Ablösung der Schallplatte Seite 109

110 Peripherie optische Datenträger CD Seite 110

111 Peripherie optische Datenträger Verschiedene physikalische Formate Seite 111

112 Peripherie optische Datenträger Speicherkapazität der CD sollte erhöht werden zwei unterschiedliche Konzepte: Sony / Philips: Multimedia-CD (MMCD) Toshiba / Time Warner: Super Density CD (SD). Auf Druck der Filmindustrie 1995 Einigung auf Standard: DVD Seite 112

113 Peripherie optische Datenträger zunächst reines Speichermedium für Videodaten DVD = Digital Video Disc andere Verwendungsmöglichkeiten DVD = Digital Versatile Disc (versatile = vielseitig) aktueller offizieller Standpunkt des DVD-Forums: DVD einfach drei Buchstaben ohne exakt festgelegte Bedeutung Seite 113

114 Peripherie optische Datenträger DVD 4,7 Gbyte (oder DoubleLayer) Formate DVD-Video, DVD-Audio, DVD-ROM, Hybrid-DVD Beschreibbare DVD: DVD-RAM, DVD R, DVD+R, DVD RW, DVD+RW, DVD R DL, DVD+R DL Beschreibbare Formate: visuelle Unterscheidung der Farbe aufgrund unterschiedlicher Legierungen Seite 114

115 Peripherie optische Datenträger Blue-Ray-Disc violetter Laser (405nm Wellenlänge) Vgl. DVD: 650nm CD: 780nm Formate BD-ROM, BD-R, BD-RE R.I.P. HD-DVD 25 GB (Double Layer: 50 GB) Entwicklung: TDK: 6-lagig, 200 GB Pioneer: 16-lagig, 400 GB Seite 115

116 Peripherie optische Datenträger Seite 116

117 Peripherie optische Datenträger Funktionsweise Oberfläche einer CD mit sehr dünner Metallschicht Abtastung mit Laserstrahl Vertiefungen in dieser Oberfläche (Pits) wechseln sich mit der normalen Fläche (Land) ab => Bitmuster Seite 117

118 Peripherie optische Datenträger Aufbau einer CD Seite 118

119 Peripherie optische Datenträger Oberfläche einer CD mit Pits und Lands Seite 119

120 Peripherie optische Datenträger Seite 120

121 Peripherie Herstellung von optischen Datenträgern CDs werden in Spritzgussmaschinen gespritzt Nicht gepresst wie bei Schallplatten Anlagen zur Herstellung werden trotzdem Presswerk genannt industrielle Herstellung: spritzen auf Glas-Master / Stamper (Negativ) anschließend Auftragen von Reflexions- und Schutzschicht Seite 121

122 Peripherie Herstellung von optischen Datenträgern CD-R / CD-RW reflektierende Schicht: Silber-Indium-Antimon-Tellur-Legierung polykristalline Struktur, reflektierende Eigenschaften Seite 122

123 Peripherie Herstellung von optischen Datenträgern Schreibstrahl bei maximale Leistung: Erhitzten des Materials auf 500 bis 700 C => Verflüssigung des Materials => Verlust polykristalliner Struktur (amorpher Zustand) => Verlust von Reflexionskraft polykristalline Bereiche => Pits amorphe Bereiche => Land Seite 123

124 Peripherie Herstellung von optischen Datenträgern Löschen des Datenträgers: Schreibstrahl erhitzt amorphe Bereiche mit niedriger Leistung auf etwa 200 C Legierung kehrt in polykristallinen Zustand zurück und wird damit wieder reflexionsfähig Seite 124

125 Peripherie Weitere Massenspeicher USB-Sticks als Wechseldatenträger Ersatz für 3,5-Zoll-Diskette (Floppy-Disk) Flash-Speicherchips (Halbleiter-Speicher) Seite 125

126 Peripherie Speicherhierarchie Speicherhierarchie in Rechnersystemen Lese-/Schreib-Möglichkeiten Zugriffszeiten Speicherpermanenz realisierbare Speichergrößen Seite 126

127 Peripherie Speicherhierarchie Speicherhierarchie in Rechnersystemen Lese-/Schreib-Möglichkeiten Zugriffszeiten Speicherpermanenz realisierbare Speichergrößen Seite 127

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