Computertechnik Computersysteme Altes CS1-Skript SS 2007

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1 TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Datenverarbeitung Prof. Dr.-Ing. K. Diepold Computertechnik Computersysteme Altes CS-Skript SS 27 Sprung-Vorhersage, ~Kap. 8.2 BH-Phase Kap. 4.2., Zusatz- Logik für komplexe Befehle AF-Phase Gleitkomma Rechenwerk/ALU Kap BD-Phase Kap , 4.2.4, AF-Phase Integer Rechenwerk/ALU Kap , 4.2.6, Bus Kap...2 Takt TLB Befehls-Cache Kap. 6.3 Logik für Bus- Schnittstelle Kap. 5 TLB Daten-Cache Kap. 6.3 Mikroprogramm- Logik, ~ Kap

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3 Inhalt Motivation: Wie funktioniert ein Computer? Komponenten eines Computers Peripherie-Geräte und Netzteil Netzteil Grafikkarte... - DVD-ROM...-9 DVD-Brenner Festplatte Komponenten auf der Hauptplatine - Überblick Prozessor Arbeitsspeicher Busse GMCH = Graphics and Memory Controller Hub (B) ICH5 = Input/Output Controller Hub (5. Generation) (C) SIO-Controller = Super Input/Output Controller (D) Von Neumann-Architektur Harvard-Architektur Vom Algorithmus zum Prozessor Abstraktionsebenen Assembler- und Befehlssatz-Ebene Rechnerarchitektur auf Assembler- und Befehlssatz-Ebene Programme Anweisungen für den Prozessor Befehlssatz Register Arbeitsspeicher Anweisungen für den Assembler Anweisungen für den Loader Klassifizierung von Befehlssätzen Klassifizierung nach der Anzahl der Operanden Dreiadressmaschine Zweiadressmaschine Einadressmaschine Nulladressmaschine Klassifizierung nach der Bereitstellung der Operanden Register-Register-Architektur (Load-Store-Architektur) Register-Speicher-Architektur Akkumulator-Architektur Stack-Architektur Klassifizierung nach der Mächtigkeit der einzelnen Befehle CISC-Architektur RISC-Architektur VLIW-Architektur Klassifizierung nach Orthogonalität Performance auf Assembler- bzw. Befehlsatz-Ebene Begriff "Performance" Entstehung der Programmausführungs-Zeit Performance-Messung Gesetz von Amdahl

4 3 Assembler- und Befehlssatz-Ebene beim MMIX MMIX-Modellrechner Architektur Programmiermodell Register Allzweckregister (GPR = General Purpose Register) Spezialregister Speicherorganisation Textsegment Datensegment Poolsegment Stacksegment Für Betriebssystem reservierter Bereich Speicher-Zugriffsarten Befehlsformat Befehlstypen MMIX-Befehlssatz Loader-Befehle Assembler-Befehle Befehlssatz Nomenklatur und Operandenverwendung Laden und Speichern Laden von Registern mit Direktoperand Arithmetische Operationen Bitweise Verknüpfungen Schiebe-Befehle Vergleich von Zahlen Bedingte Zuweisungen Verzweigungen Sprünge und Funktionsaufrufe Interrupt-Befehle Gleitkomma-Konvertierung Andere Operationen Befehlscodierung Allgemein Codierung des Opcodes Codierung der Operanden Programmierung Funktionsaufrufe Motivation Ablauf der Verwendung einer Funktion (allgemein) Parameterübergabe in Registern Parameterübergabe auf dem Stack Erzeugung von Namensräumen Motivation Die Anweisung PREFIX Beispiel Beispiel: skalprodfkt.mms Lokale Marken Motivation Setzen von lokalen Marken Verwendung lokaler Marken als Sprungziel

5 4 Mikroarchitektur-Ebene Funktionseinheiten Befehlsspeicher Datenspeicher Registerblock Register D-Register Schieberegister Rechenwerk (ALU) Steuerung Multiplexer Demultiplexer Decoder Leitungen und Busse Zusammensetzen des Datenpfads Holen eines Befehls aus dem Befehlsspeicher Auswahl des nächsten Befehls Dekodieren des Befehls Bereitstellen der Operanden Ausführen des Befehls/Berechnung von Daten Steuerung der Auswahl der ALU-Funktion und des Direktoperanden Ergebnis in den Registerblock schreiben Ergebnis als Sprungziel verwenden Lesezugriffe auf den Datenspeicher Schreibzugriffe auf den Datenspeicher Performance des Single-Cycle-Datenpfads Aufbau der Funktionseinheiten auf Mikroarchitektur-Ebene Speicher Registerblock Register Schieberegister Rechenwerk Kombinatorischer Schieber (Shifter) Rechenwerk: Addition und Subtraktion Multiplikations-Werk Divisions-Werk Steuerung Zustandsautomat Mit Multiplexern Mit PLA Mit (P)ROM Ebene der Digitalen Logik Logikgatter UND-Verknüpfung (AND) ODER-Verknüpfung (OR) NICHT-Verknüpfung (NOT) NICHT-UND-Verknüpfung (NAND) NICHT-ODER-Verknüpfung (NOR) Exklusiv-ODER-Verknüpfung/Antivalenz (XOR) Performance auf Logik-Ebene: Gatterlaufzeiten Ein- und Ausgangspegel bei Logikschaltungen Entstehung von Gatterlaufzeiten

6 5.2.3 Kritischer Pfad Verkürzung des kritischen Pfads durch Verwendung zusätzlicher Hardware Aufbau der Kombinatorischen Funktionseinheiten Kombinatorische Schaltungen Rechenwerk: Logik-Einheiten NICHT-Einheit (NOT unit) ODER-Einheit (OR unit) UND-Einheit (AND unit) Rechenwerk: Addierer und Subtrahierer Bit Halbaddierer Bit Volladdierer Bit Ripple-Carry Addierer Bit Carry-Look-Ahead (CLA) Addierer Einstufiger Carry-Look-Ahead Addierer Zweistufiger Carry-Look-Ahead Addierer Dreistufiger Carry-Look-Ahead Addierer Status-Einheit Multiplexer Demultiplexer/Decoder Aufbau der Sequentiellen Funktionseinheiten Was bedeutet sequentiell? Speicher Register Additions- und Subtraktions-Werk Verwendung des Subtraktionswerks für Vergleichsoperationen Performance-Erhöhung auf Mikroarchitektur-Ebene Multi-Cycle-Datenpfad Pipelining Implementierung Auswirkung auf die Ausführungszeit Pipeline-Stufen-Füll-Diagramm Pipeline-Konflikte (Hazards) Daten-Konflikte (data hazards) Struktur-Konflikte (structural hazards) Steuerungs-Konflikte (control hazards) Cache Problemstellung Speicherhierarchie Cacheorganisationen Direktabgebildeter Cache (direct mapped cache) Vollassoziativer Cache (fully associative cache) Set-Assoziativer Cache (set associative cache) Schreibstrategien Write-Through Write-Back Verdrängungsalgorithmen LRU (least recently used) Zyklische Verdrängung Zufällige Verdrängung Verfahren zur Verringerung der Transfer-Zeit Prefetching Abhängigkeit der Miss-Rate von der Rahmengrösse Metriken

7 Motivation: Wie funktioniert ein Computer? In diesem Kapitel geben wir Ihnen eine kleine Einführung in den Vorlesungsstoff der Computertechnik. Dieses Kapitel ist jedoch mehr als nur eine Einführung. Es dient als Überblick über den Aufbau und die Funktionsweise gängiger Arbeitsplatzrechner. Während dieses Kapitel dabei einen kompletten PC betrachtet, fokussieren die restlichen Kapitel fast ausschliesslich auf den Prozessor. Ziel dieses Kapitel ist es, Ihnen das Umfeld von Prozessoren und die Interaktion von Prozessoren mit diesem Umfeld näherzubringen. Wenn Sie verstanden haben, welche Aufgabe Prozessoren in diesem Umfeld haben, dann kennen Sie automatisch auch das Funktionsvermögen von Prozessoren, wissen also, was so ein Prozessor eigentlich können muss. Dies ist die Voraussetzung für die restlichen Kapitel dieses Skripts, in denen wir uns einen eigenen Prozessor zusammenbauen werden.. Komponenten eines Computers In diesem Kapitel öffnen wir einen gewöhnlichen Arbeitsplatzrechner und schauen uns einmal an, was da alles drinnen steckt. Dabei werden wir die zutage tretenden Komponenten hinsichtlich Funktion und Aufbau untersuchen. Nachdem wir uns bis zu den auf der Hauptplatine befindlichen Komponenten vorgearbeitet haben, werden wir durch eine Abstraktion (Verstecken von Details) die prinzipielle Funktionsweise des PCs zu erläutern. Nach dieser Abstraktion werden wird wieder detailreicher, wenn wir das reale (nicht abstrahierte) Zusammenspiel der einzelnen Komponenten betrachten. Nachfolgende Abbildung zeigt den Arbeitsplatzrechner, den wir im Folgenden zerlegen werden. Abb. : Computer-Arbeitsplatz -5

8 Wir schrauben die Seitenverkleidung ab Abb. 2: Öffnen eines Computers und identifizieren die dann erscheinenden Komponenten. DR NT DB DL GK FP FW Abb. 3: Geräte in einem Computer -6

9 .. Peripherie-Geräte und Netzteil Netzteil Das mit NT gekennzeichnete Gerät ist das Netzteil. Es dient zur Stromversorgung des PCs. Abb. 4: Computer-Netzteil Computernetzteile wandeln die aus der Steckdose kommenden 23 V Wechselspannung in folgende Gleichspannungen um: +3,3 V und +5 V für das Mainboard (die grosse grüne Platine) und die darauf befindlichen bzw. damit verbundenen elektrischen Bauteile. +2 V für die Motoren der Laufwerke und Lüfter. -5 V und -2 V, die heutzutage meist gar nicht mehr verwendet werden, sondern zumeist nur noch aus Gründen der Kompatibilität zu älteren Geräten vorhanden sind (z.b. -5 V und -2 V für den ISA-Bus, der in der heutigen Zeit fast nur noch in der Industrie zur Maschinensteuerung (z.b. CNC-Fräßmaschine) verwendet wird oder -5 V zur ±5 V-Versorgung älterer Floppy- Controller, die zur Verstärkung des Lesesignals noch Operationsverstärker ohne Ladungspumpe einsetzen). Insbesondere der hohe Stromverbrauch des Hauptprozessors und der Grafikkarte erfordern die Bereitstellung hoher Ströme. Nachfolgende Abbildung zeigt eine typische Aufteilung der Leistung auf die +3,3 V, +5V und +2 V Leitungen. Die Leitung mit der Bezeichnung +5 VSB (SB = Standby) dient zur Versorgung bestimmter Rechner-Komponenten im Standby-Modus (z.b. Arbeitsspeicher). -7

10 Ausgangsspannung +3,3 V +5 V +5 VSB +2 V Strom (max.) 26 A 42 A 2,5 A 8 A Leistung (max.) 22 W 2,5 W 26 W max. Gesamtleistung 45 W Abb. 5: Typische Ausgangsleistung eines ATX-Netzteils Aufgrund dieser hohen Ströme erfolgt die Spannungsreduktion von 23 V auf die gewünschten Ausgangsspannungen nicht durch einen gewöhnlichen Transformator, sondern durch den Einsatz eines Schaltnetzteils. In PCs eingesetzte Schaltnetzteile haben oft folgenden Aufbau: 23 V ~ Gleichrichter Schalter Leistungs- = ~ HF-Trafo ~ = V = Gleichrichter Tiefpass- Filter Potentialtrennung Regler Abb. 6: Prinzip-Aufbau eines Schaltreglers 7 = 6 Eine mögliche Zuordnung der Komponenten ist in nachfolgender Abbildung angegeben Abb. 7: Identifizierung von Schaltregler-Komponenten -8

11 Der in Abb. 6 gezeigte Schaltregler funktioniert wie folgt: Die Netzspannung (23 V Wechselspannung, 5 Hz) wird an einen Gleichrichter () angelegt, der daraus eine Gleichspannung generiert. Über einen Leistungsschalter (2) wird diese Spannung der Primärseite eines HF-Trafos (3) zugeführt. Der Leistungsschalter sorgt durch permanentes Ein- und Ausschalten dafür, dass die am HF-Trafo angelegte Spannung mit einer Frequenz von ca. 2 2 khz ein- und ausgeschaltet wird. Der HF-Trafo (3) überträgt die an der Primärseite angelegte Spannung auf seine Sekundärseite. Der Gleichrichter (4) erzeugt aus der sekundärseitigen Wechselspannung wieder einen rein positiven Spannungsverlauf, der durch das Tiefpassfilter (5) auf einen Mittelwert gebracht wird. Dieser Mittelwert entspricht der aktuellen Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung dient als Eingang für den Regler (6), der zur Aufgabe hat, die Ausgangsspannung auf einem bestimmten Niveau zu halten. Dies erreicht der Regler durch Änderung des An-/Aus-Verhältnisses des Signals, das den Leistungsschalter steuert. Die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils ist dabei lediglich abhängig vom Tastverhältnis (Verhältnis der An-/Aus-Zeit) des Signals, das den Leistungsschalter ein- bzw. ausschaltet. Die Potentialtrennung (7), die in der Regel durch Optokoppler erreicht wird, verhindert, dass die 23 V Netzspannung über den Regelkreis zum Ausgang des Netzteils gelangt. Zwar müssen in Schaltreglern auch Trafos eingesetzt werden, diese können jedoch wesentlich kleiner gebaut werden, da sie durch die Verwendung einer hohen Frequenz (2 2 khz statt 5 Hz Netzfrequenz) wesentlich mehr Leistung (proportional zur Frequenz) übertragen können und die Windungsanzahl somit gering bleiben kann. Wenige Windungen auf der Sekundärseite geringer Innenwiderstand der Sekundärseite in der Sekundärseite wird wenig Leistung in Wärme umgewandelt guter Wirkungsgrad. Nachfolgend angegebene Steckerbelegung eines ATX-Netzteils zeigt, dass aufgrund der hohen Strombelastung bei +3,3 V und +5 V diese Spannungen über mehrere Kontakte parallel übertragen werden. +3,3 V +3,3 V -2 V ,3 V GND 3 3 GND PS_ON V GND 5 5 GND GND V GND 7 7 GND -5 V 8 8 PW_OK +5 V VSB +5 V 2 +2 V Abb. 8: Steckerbelegung eines (ATX-) Netzteils Die Signale PS_ON und PW_OK haben folgende Funktion: PS_ON ist die Abkürzung für Power supply on. Dieses Signal ist ein Eingangs-Signal und dient dazu, das Netzteil einzuschalten. Die Leitung PS_ON muss dabei auf Masse (GND für engl. Ground) gelegt werden. PW_OK ist die Abkürzung für Power ok. Dieses Signal liegt beim Einschalten des Netzteils auf Masse und wechselt auf einen Pegel von etwa 5 V, wenn sich die vom Netzteil gelieferte Spannung nach dem Einschalten stabilisiert hat. PW_OK ist auf der Hauptplatine mit dem Taktgeber des Prozessors verbunden und sorgt über die Reset-Leitung dafür, dass der Prozessor erst dann mit der Abarbeitung von Befehlen beginnt, wenn sich die Versorgungsspannung stabilisiert hat. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Prozessor in einen undefinierten Zustand gerät. -9

12 Grafikkarte Die in Abb. 3 auf Seite -6 mit GK gekennzeichnete Einsteck-Platine ist die Grafikkarte. Anschluss für den Stecker für zusätzliche Stromversorgung Monitor (DVI) Speicherchips mit Kühlkörper BIOS Anschluss für den Monitor (VGA) GPU mit Kühlkörper (GPU = Graphics AGP-Anschluss Processing Unit) (Verbindung zum Prozessor) Abb. 9: Grafikkarte Die Grafikkarte besteht aus folgenden Komponenten: GPU (Graphics Processing Unit): Der Prozessor der Grafikkarte. Die GPU implementiert die von der Grafikkarte bereitgestellten Funktionen: + Kommunikation mit dem PC-Prozessor (hier über AGP) + Ansteuerung der Speicherchips + RAMDAC Wandlung der digitalen Bildinformationen in analoge Bildschirm-Signale (s.u.) + Kommunikation mit dem Monitor (über VGA oder DVI) + Beschleunigung von 3D-Funktionen Speicherchips, um Bilddaten und sonstige anfallende Daten abspeichern zu können BIOS (Basic Input Output System), um die Grafikkarte auch schon vor dem Laden von Grafikkartentreibern verwenden zu können (s.u.) AGP-Anschluss (oder auch PCI-Express) zur Kommunikation mit dem PC-Prozessor VGA- bzw. DVI-Anschluss zur Kommunikation mit dem Monitor -

13 Die Grafikkarte hat im wesentlichen zwei Aufgaben: Sie dient als Schnittstelle zwischen Computer und Bildschirm. Sie beschleunigt grafikrelevante Berechnungen (insbesondere 3D-Berechnungen). Als Schnittstelle zwischen Computer und Bildschirm übersetzt die Grafikkarte die Daten, die der Prozessor liefert, in Signale, die der Bildschirm zur Anzeige benötigt. Die Grafikkarte verfügt über einen sog. Grafik-Speicher (oft auch Video-Speicher genannt). In diesen Speicher schreibt der Prozessor die Daten, die er als Bild angezeigt bekommen will. Die Grafikkarte liest diese Daten aus und erzeugt aus diesen Daten die entsprechenden Bildschirm-Signale. Die einzelnen Byte im Video-Speicher werden direkt auf Pixel -Farben abgebildet. Die Farbe eines einzelnen Pixels ergibt sich dabei aus der Kombination eines roten (R), grünen (G) und blauen (B) Bildschirmpunkts. Nachfolgende Abbildung zeigt, wie die im Video-Speicher abgelegten Byte der Intensität (Helligkeit) der jeweiligen Bildschirmpunkte (Grundfarben) zugeordnet werden. Video-Speicher in der Grafikkarte Bildschirm pro Grundfarbe Byte 24 Bit Farbtiefe x3f x x78 xff xe8 Pixel R G B R G B R B R G B R G R G B R G B R B R G B R G Abb. : Abbildung der im Video-Speicher abgelegten Werte auf die Intensität von Bildschirm-Punkten Durch Ändern einzelner Byte im Grafik-Speicher kann der Prozessor die Intensität jedes rot (R)-, grün (G)- oder blau (B)-Anteils eines Pixels ändern. Soll ein Pixel beispielsweise Rot erscheinen, werden den zugehörigen drei Byte im Grafik-Speicher die Werte R = xff, G = x, B = x zugeordnet. Grün entspricht dann R = x, G = xff, B = x und ein dunkles Grau etwa R = x6, G = x6, B = x6. Zum Verständnis der Umwandlung der im Grafik-Speicher der Grafikkarte abgelegten Byte in ein Bildschirm-Signal ist es sinnvoll zu wissen, wie diese Bildschirmsignale überhaupt aussehen. Bildschirm-Signale, die aus dem DVI-Anschluss kommen, sind digital und können in der Regel nur von TFT-Bildschirmen verwendet werden. Die Signale, die aus dem VGA (Video Graphics Array)-Anschluss einer Grafikkarte kommen, sind analog und so aufgebaut, dass sie sich sehr leicht von einem Röhrenmonitor verarbeiten lassen. Aus diesem Grund schauen wir uns erst einmal kurz an, wie ein Röhrenmonitor funktioniert (auch wenn diese gerade von TFT-Bildschirmen vom Markt gedrängt werden). Pixel ist ein aus picture element zusammengesetztes Kunstwort und bezeichnet die Punkte, aus denen gerasterte Bilder aufgebaut sind. Die Farbe eines Pixels wird dabei aus den drei Grundfarben rot, grün und blau zusammengemischt. -

14 Ein (Farb-)Röhrenmonitor enthält drei Kathoden, die jeweils einen Elektronenstrahl aussenden. Jeder Elektronenstrahl (und somit jede Kathode) ist dabei für eine der drei Grundfarben (RGB) zuständig. Die drei Elektronenstrahlen können in der Röhre durch sog. Ablenkspulen derart abgelenkt werden, dass der Auftreffpunkt der Elektronenstrahlen auf der Bildschirmvorderseite horizontal und vertikal verschoben werden kann. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung kann man den Elektronenstrahl somit an einer beliebigen Stelle auf der Vorderseite der Bildröhre auftreffen lassen. Abb. : Durch geeignete Spannungen an den Ablenkspulen kann der Auftreffpunkt der drei Elektronenstrahlen beliebig in horizontaler und vertikaler Richtung verschoben werden. Um aus den Elektronenstrahlen Farben erzeugen zu können, sind innen auf der Bildschirmvorderseite abwechselnd phosphorhaltige Stoffe aufgebracht, die bei Elektronenbeschuss entweder Rot, Grün oder Blau leuchten. Damit die Elektronenstrahlen immer nur die drei zu einem bestimmten Pixel gehörigen Punkte treffen und nicht auch noch benachbarte, ist zwischen den Kathoden und der fluoreszierenden Schicht noch eine Lochblende eingebaut. Kathoden 3 Elektronenstrahlen Lochblende R G B R G B R B R G B R G R G B R G B R Spulen zur Ablenkung der Elektronenstrahlen Fluoreszierende Schicht B R G B R G Abb. 2: Die von den Kathoden abgegebenen drei Elektronenstrahlen werden von Spulen abgelenkt und treffen dann auf eine Lochblende, welche die Elektronenstrahlen genau auf die rot, grün oder blau fluoreszierenden Punkte des gewünschten Pixels fokussiert. -2

15 Führt man die drei Elektronenstrahlen wie in nachfolgender Abbildung angegeben über den Bildschirm, werden alle rot, grün und blau fluoreszierenden Punkte von den zugehörigen Elektronenstrahlen getroffen. Abb. 3: Weg der drei Elektronenstrahlen über den Monitor An den Ablenkspulen zur horizontalen Ablenkung muss also eine periodisch ansteigende Spannung (Sägezahn) Hsync anliegen, so dass die drei Elektronenstrahlen von links nach rechts wandern. Hat Hsync einen bestimmten negativen Wert, dann befindet sich der Elektronenstrahl ganz links. Hat Hsync einen bestimmten positiven Wert, dann befindet sich der Elektronenstrahl ganz rechts. Bei den Ablenkspulen zur vertikalen Ablenkung muss ebenfalls eine von einem bestimmten negativen Wert bis zu einem bestimmten positiven Wert ansteigende Spannung Vsync angelegt werden, so dass die drei Elektronenstrahlen von oben nach unten wandern. Vsync muss dabei jedoch eine um die Anzahl der Bildzeilen niedrigere Frequenz als Hsync haben. So gelangen die drei Elektronenstrahlen erst dann am unteren Ende der Bildröhre an, wenn alle Zeilen von links nach rechts durchlaufen wurden. Nachfolgende Abbildung zeigt die von einem VGA-Anschluss gelieferten Signale. Hsync und Vsync sind dabei die gerade besprochenen Spannungen zur Positionierung der drei Elektronenstrahlen, R, G, und B sind die Spannungen, welche die Strahlungsintensität der zugehörigen Kathoden und damit die Intensität jeder Pixel-Grundfarbe steuern. R G B Hsync Vsync t. Zeile 2. Zeile letzte Zeile. Zeile Abb. 4: Signale am VGA-Anschluss. Bild 2. Bild -3

16 Zur Umwandlung der im Grafik-Speicher abgelegten Daten in die analogen Signale R, G und B verwenden Grafikkarten sog. RAMDACs. Diese RAMDACs wenden auf die im Grafik-Speicher (Grafik- RAM; RAM = Random Access Memory, s.u.) abgelegten Byte eine Digital-/Analog-Wandlung (DAC = Digital Analog Converter) an. Die Daten werden dabei byteweise ausgelesen und dann in die analogen Spannungen umgewandelt, die am VGA-Anschluss (vgl. Abb. 4) der Grafikkarte herauskommen. Nachfolgende Abbildung zeigt den Verlauf der Daten auf dem Weg vom Prozessor zum Bildschirm. x3f x x78 xff xe8 RAMDAC (für Rot) RAMDAC (für Grün) RAMDAC (für Blau) c:\> Prozessor Video-Speicher auf der Grafikkarte Digital-Analog-Wandler (RAMDAC) VGA- Buchse Bildschirm Abb. 5: Datenverlauf vom Prozessor zum Bildschirm Die Darstellung von Bildern auf dem Bildschirm funktioniert wie folgt: Der Prozessor schreibt die Farbwerte für die Pixel in den Video-Speicher. Die im Video-Speicher liegenden Daten werden permanent vom RAMDAC in VGA-Signale ü- bersetzt und über die VGA-Buchse an den Bildschirm ausgegeben, der das Bild dann anzeigt. Das am Bildschirm angezeigte Bild bleibt solange dasselbe, bis der Prozessor andere Werte in den Video-Speicher der Grafikkarte schreibt. Die Daten, die der Prozessor in den Video-Speicher schreibt, müssen jedoch erst berechnet werden, was im Vergleich zu den von der Grafikkarte auszuführenden Aktionen (Auslesen der Daten aus dem Grafik-Speicher und Wandlung durch die RAMDACs [und der Darstellung am Bildschirm]) relativ lange dauert. Nehmen Sie an, auf den Bildschirm soll eine Linie mit einer bestimmten Dicke und einer bestimmten Länge gezeichnet werden, wie z.b. die nachfolgend abgebildete Linie. Abb. 6: Linie Um im Grafik-Speicher für jedes Pixel die Intensität der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau ablegen zu können, muss der PC-Prozessor zunächst berechnen, welche Pixel beim Zeichnen der Linie mit welcher Farbe eingefärbt werden müssen. -4

17 Ausgehend von einer mathematischen Beschreibung der Linie, z.b. der Geradengleichung y = mx + t, kann man bestimmen, welche Pixel von der Linie überhaupt getroffen werden. Nachfolgende Abbildung zeigt, wie ein kurzer Ausschnitt der Linie auf den Pixeln 2 zu liegen kommt. Farbpunkte auf dem Bildschirm einzelne Pixel zu zeichnende Linie Abb. 7: Ausschnitt der Linie Für alle Pixel, die von der Linie berührt werden, muss der Prozessor jetzt berechnen, zu welchem Teil die Pixel von der Linie bedeckt werden. Bedeckt die Linie den Pixel vollständig, wird er schwarz eingefärbt, d.h. im Grafik-Speicher werden an der entsprechenden Speicherstelle für Rot, Grün und Blau jeweils die Werte eingetragen. Bedeckt die Linie die Pixel nur zu 4 Prozent, so trägt die Farbe der Linie (hier schwarz) auch nur zu 4 Prozent zur Farbe des Pixels bei. Die restlichen 6 Prozent der Farbe des Pixels entsprechen der ursprünglichen Farbe des Pixels (bei uns also der Farbe weiss). Mit RGB schwarz = (,, ) und RGB weiss = (255, 255, 255) ergibt sich damit für die neue Farbe RGB neu = (,4 +,6 255,,4 +,6 255,,4 +,6 255), also der neue Farbwert RGB neu = (53, 53, 53). Die Pixel-Darstellung der Linie ergibt sich damit wie folgt: Abb. 8: Pixeldarstellung der Linie Der Übergang von der Darstellung Linie mit y = mx + t in die Pixeldarstellung wird in der Computergrafik als rendern bezeichnet. Das Vorgehen, von der Linie berührte Pixel nicht einfach in der Farbe der Linie darzustellen, sondern die Farbe des Pixels aus dem prozentualen Anteil der Überdeckung zu Mischen, wird Antialiasing genannt. 2 Im obersten linken Pixel ist noch einmal dargestellt, wie die Pixel auf dem Bildschirm durch rote, grüne und blaue Punkte erzeugt werden. -5

18 Die für die Render-Vorgänge benötigten Berechnungen werden von optimierten Assembler-Routinen durchgeführt, die im Betriebssystem verankert sind. Diese Routinen können über die Schnittstelle des Betriebssystems aufgerufen werden, so dass jeder Programmierer Linien, Kreise, aber auch einzelne Punkte auf dem Bildschirm zeichnen kann. Obwohl die Render-Vorgänge bereits als optimierter Assembler-Code geschrieben sind, dauert deren Ausführung (im Vergleich zur Darstellung der im Video-Speicher abgelegten Daten auf dem Bildschirm) relativ lange. Würden die langsamen Render-Vorgänge direkt auf dem Grafik-Speicher ausgeführt werden, dann würden Objekte bereits dann auf dem Bildschirm erscheinen, wenn sie noch gar nicht fertig berechnet sind, was vom Betrachter insbesondere bei bewegten Objekten als sehr störend empfunden würde (flickern). Aus diesem Grund wird beim Rendern nicht direkt in den Grafik-Speicher, sondern in einen sog. Back- Buffer gerendert, der ebenfalls auf der Grafikkarte zu finden ist. Ist das Bild fertig gerendert, werden Grafik-Speicher und Back-Buffer vertauscht. Dabei werden die in den Puffern enthaltenen Daten jedoch nicht kopiert, sondern es wird den RAMDAC-Bausteinen einfach mitgeteilt, dass sich der Grafik- Speicher jetzt an einer anderern Adresse befindet. Der ehemalige Grafik-Speicher wird dann automatisch zum Back-Buffer. x3f x x78 xff xe8 wird gerade dargestellt RAMDAC (für Rot) RAMDAC (für Grün) c:\> RAMDAC (für Blau) x4c x38 x79 x xfe wird gerade erstellt und im Anschluss dargestellt Prozessor Front- und Back-Buffer Digital-Analog-Wandler (RAMDAC) VGA- Buchse Bildschirm Abb. 9: Front- und Back-Buffer Um das Verhältnis von Grafik-Speicher und Back-Buffer zu verdeutlichen, wird der Grafik-Speicher auch oft Front-Buffer genannt. -6

19 Zu Beginn dieses Abschnitts hatten wir erwähnt, dass die Grafikkarte nicht nur als Schnittstelle zwischen Computer und Bildschirm dient, sondern auch 3D-Berechnungen beschleunigt, worauf wir im Folgenden kurz eingehen werden. In der 3D-Computergrafik (wie z.b. bei PC-Spielen) werden Objekte bzw. deren Oberflächen durch Polygone (z.b. Dreiecke) modelliert (vgl. nachfolgende Abbildung). Abb. 2: Modellierung von Objekten durch Polygone (Daten für die Grafikkarte) Diese Modellierung wird vom PC-Prozessor durchgeführt. Wenn sich beispielsweise in einem PC- Spiel Personen bewegen, berechnet der PC-Prozessor permanent die Positionierung der verschiedenen Polygone. Die Polygone haben natürlich ganz bestimmte Oberflächeneigenschaften wie Farbe, Struktur etc. Diese Oberflächeneigenschaften übergibt der Prozessor zusammen mit den 3D- Koordinaten der berechneten Polygonpunkte der Grafikkarte, die die aktuelle Szene dann in ein normales Bild umwandelt (vgl. nachfolgende Abbildung). Abb. 2: Von der Grafikkarte erzeugtes Bild Die Grafikkarte initialisiert dabei jedes Polygon mit der zugehörigen Oberfläche (Struktur und Grundfarbe). Anschliessend berechnet die Grafikkarte für jede Polygon-Position die gerade aktuellen Lichtverhältnisse der Umgebung und ändert das Erscheinungsbild der Polygone dementsprechend. Ausserdem berechnet die Grafikkarte, welche Polygone von anderen verdeckt werden und wandelt so das dreidimensionale Bild in ein zweidimensionales Bild um. Im Anschluss rendert die Grafikkarte die Polygone, d.h. sie erzeugt aus den Polygonen die Farbwerte der einzelnen Pixel, die sie dann in den Back-Buffer überträgt. Zur Darstellung des Bilds auf dem Bildschirm müssen dann nur noch Front- und Back-Buffer umgeschaltet werden. -7

20 Die Berechnungen zur Oberflächenstrukturierung, Beleuchtung und Verdeckung sind sehr aufwendig. Ohne Grafikbeschleunigung müssten diese Berechnungen alle vom PC-Prozessor ausgeführt werden. Mit Grafikbeschleunigung kann die Arbeit des PC-Prozessors auf die Berechnung der Polygon- Positionen beschränkt bleiben, da die Grafikkarte den Rest erledigt. Da die Grafikkarte auf diese Art von Berechnungen spezialisiert ist, kann sie diese wesentlich schneller ausführen als der PC- Prozessor. Darüber hinaus arbeitet die Grafikkarte parallel zum Prozessor, so dass die Grafikkarte beispielsweise ein Bild rendern kann, während der PC-Prozessor gerade die Polygon-Positionen des nächsten Bildes berechnet. -8

21 DVD-ROM Das in Abb. 3 auf Seite -6 mit DR gekennzeichnete Gerät ist das DVD-ROM-Laufwerk. DVD-ROM-Laufwerke dienen zum Lesen von DVDs und CDs. Diese Laufwerke können also keine Daten aufzeichnen (ROM = Read Only Memory nur lesen), sondern sie lediglich lesen. Um den Aufbau eines DVD-ROM-Laufwerks leichter verstehen zu können, schauen wir uns erst einmal an, wie Daten auf einer DVD gespeichert werden. Wie in nachfolgender Abbildung gezeigt, besteht eine DVD aus Spuren, die spiralförmig von innen nach aussen verlaufen. Abb. 22: Spuren auf einer DVD -9

22 Die Spuren bestehen dabei aus einer Folge verschieden langer Erhöhungen, den sog. Pits, die auf dem sog. Land aufgebracht sind. Pits Land Abb. 23: Pits und Land Pits und Land sind aus dem gleichen Material und mit einer Aluminium-Schicht verspiegelt, so dass sowohl Pits als auch das Land auftreffendes Licht reflektieren. Die reflektierende Seite ist mit einer Schicht aus Polycarbonat vor Kratzern geschützt, die andere Seite dient der Beschriftung der DVD. Von der Seite betrachtet, ergibt sich für Pits und Land somit folgendes Bild: Drehrichtung Beschriftung der DVD/Etikett Land Pit Leseseite der DVD Abb. 24: Aufbau einer DVD-ROM Polycarbonat Träger (Land) reflektierende ALU-Schicht -2

23 Zum Auslesen der DVD wird die Leseseite der DVD mit einem Laser bestrahlt und das von der ALU- Schicht reflektierte Laser-Licht von einem Photo-Detektor aufgefangen. Drehrichtung Beschriftung der DVD/Etikett Land Pit Leseseite der DVD Polycarbonat Träger (Land) reflektierende ALU-Schicht Halbdurchlässiger Spiegel Laser Photo-Detektor Abb. 25: Prinzip-Darstellung eines DVD-ROM-Laufwerks Auswertung der Signale Umwandlung in einzelne Byte Angenommen, die DVD bewegt sich in der angegebenen Drehrichtung. Was für ein Licht-Signal kommt dann beim Photo-Detektor an? Auf den ersten Blick scheint sich beim Photo-Detektor keine Änderung des Licht-Signals zu ergeben, da sowohl die Pits als auch das Land das Laser-Licht reflektieren. Wenn die Höhe der Pits auf dem Land jedoch ein Viertel der Wellenlänge des Lasers beträgt, erscheint das von den Pits reflektierte Licht wesentlich dunkler als das vom Land reflektierte Licht. Warum? Nachfolgende Abbildung zeigt mehrere Licht-Wellen. Die oberen beiden Wellen sind dabei in Phase, die unteren beiden sind gegenphasig, haben also einen Phasenversatz von 8. einzelne Lichtwellen Summe konstruktive Interferenz: destruktive Interferenz: Abb. 26: Konstruktive und destruktive Interferenz Man erkennt deutlich, dass sich bei der Addition beider Wellen bei gleichphasigen Wellen eine gleichartige Welle mit grösserer Amplitude ergibt. Die Wellen überlagern sich also konstruktiv, man spricht von konstruktiver Interferenz. gegenphasigen Wellen beide Wellen genau auslöschen. Die Wellen überlagen sich also destruktiv, man spricht von destruktiver Interferenz. -2

24 Betrachtet man die Pits und das Land auf der DVD von der Leseseite her, fällt folgendes auf: konstruktive Interferenz destruktive Interferenz Ansicht von unten (Leseseite) Laser destruktive Interferenz Abb. 27: Auftreffen des Lasers auf der DVD Trifft der Laser auf reines Land, wird er einfach reflektiert. Trifft der Laser jedoch auf ein Pit, so trifft er neben dem Pit auch noch auf Land, da der Radius des Laserstrahls grösser ist als die Breite eines Pits. Das reflektierte Laser-Licht enthält also sowohl Licht, das vom Land reflektiert wurde, als auch Licht, das vom Pit reflektiert wurde. Nachfolgende Grafik zeigt diese Situation von der Seite betrachtet. Darunter ist das von der DVD-Spur reflektierte Laser-Licht abgebildet, das dann auf den Photo-Sensor trifft. Ansicht von der Seite (Querschnitt) von der Leseseite reflektiertes Laserlicht konstruktive Interferenz (es wird viel Licht reflektiert) destruktive Interferenz (es wird fast kein Licht reflektiert, da sich die Wellen gegenseitig auslöschen) Abb. 28: Reflexionen an der DVD Die rotierende DVD reflektiert also beim Auftreffen des Laserstrahls auf Land das komplette Licht. beim Auftreffen des Laserstrahls auf Pits fast kaum Licht. -22

25 Der Photo-Detektor bekommt dabei bei rotierender DVD eine Folge von Licht an/licht aus mit, die er als Rechteck-Spannung an einen im DVD-Laufwerk eingebauten Chip weiterleitet. Spannung Abb. 29: Vom Photo-Detektor erzeugte Rechteck-Spannung Zeit Dieser Chip tastet die Rechteckspannung ab und wandelt die darin gespeicherte Information in Bits um. Die Bits sind jedoch nicht direkt als Pits und Land codiert. Das hat folgende Gründe: Sich rasch ändernde Bitfolgen wie z.b. können vom Laser nicht mehr aufgelöst werden. Bei sich sehr langsam ändernden Bitfolgen wie z.b. geht die Synchronisation verloren, d.h. es kann nicht genau gezählt werden ob jetzt bspw. 23 oder 24 Nullen in der Bitfolge vorkamen. Das liegt daran, dass die Umdrehungsgeschwindigkeit der DVD während des Lesens schwanken kann und Zeitmessungen dadurch nur für relativ kurze Zeiten in die von der aktuellen DVD-Spur zurückgelegte Strecke (und damit die Anzahl der Bits) umgerechnet werden kann. Aus diesen Gründen hat man bei der Standardisierung der DVD folgendes festgelegt: es müssen auf der DVD immer zwei Pit-Stellen bzw. zwei Land-Stellen in Folge auftreten, d.h. es darf keine Kombinationen oder geben. nach spätestens zehn Pit-Stellen oder zehn Land-Stellen muss ein Wechsel stattfinden. Zwischen zwei Einsen können also zwei bis zehn Nullen auftreten. Dies führt zur sog. Eight-to- Fourteen-Modulation (EFM), in der ein Byte (8 Bits) durch 4 sog. Channel-Bits kodiert wird. 3 Damit auch beim Aneinanderfügen von Channel-Codewörtern die obige Forderung nicht verletzt wird, werden zwischen zwei Channel-Codewörtern noch drei sog. Merge-Bits eingefügt. Zur Codierung eines Bytes sind somit = 7 Bits notwendig. Diese Bits werden zusammen mit weiteren Bits zur Fehlerkorrektur und Adressierung als Pits und Lands auf die DVD gepresst. Aus Gründen der Fehlerrobustheit werden gesetzte Bits () dabei immer nur als Pit-/Land- bzw. Land- /Pit-Übergang codiert. Eine Folge von Pits oder Lands entspricht immer gelöschten Bits (). Abb. 3: Codierung der Bits in Pit-/Land-Übergange 3 Von den mit 4 Bit darstellbaren 2 4 Bitkombinationen entsprechen lediglich 267 Kombinationen den oben genannten Forderungen. Von diesen 267 gültigen Folgen wurden 256 ausgewählt, um ein Byte (8 Bit, also 2 8 = 256 verschiedene Werte) zu codieren. -23

26 Zur Erhöhung der Speicherkapazität können auf jeder DVD-Seite Daten auf zwei Ebenen, den sog. Layern abgespeichert werden. Der dem Laser nähere Layer ist dabei halbtransparent ausgeführt, so dass der Laser von diesem zwar reflektiert wird, der untere Layer aber auch noch erreicht werden kann. Die Auswahl der Layer erfolgt durch Einstellung des Brennpunkts des Lasers (Bewegung der Linse) entweder auf den einen oder den anderen Layer. reflektierender Layer halbtransparenter Layer verschiebbare Linsen Abb. 3: Doppel-Layer DVD Die Verschiebung der Linsen kann beispielsweise über Schrittmotoren oder Elektromagnete erfolgen. Nachfolgende Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau einer DVD-Mechanik. Linse DVD Antriebsmotor Gewindestange Spulen zur vertikalen Positionierung der Linse Motor zur horizontalen Positionierung der Linse Abb. 32: Prinzip-Aufbau einer DVD-Mechanik Im echten DVD-Laufwerk sieht das folgendermaßen aus: Abb. 33: DVD-Laufwerk -24

27 In der Grossaufnahme kann man den Motor zum horizontalen Verschieben der Linse gut erkennen: Auflagepunkt für die DVD (Antrieb) Motor zum horizontalen Verschieben der Linse Linse Abb. 34: Innenleben eines DVD-ROM-Laufwerks Die horizontale Positionierung der Linse erfolgt folgendermaßen: Zunächst wird die ungefähre Position der Linse durch Parameter wie Spurbreite, mittlere Pit- Länge etc. berechnet. Anschliessend wird die Linse an die berechnete Position gefahren und und es werden einige Daten gelesen; die gelesenen Daten enthalten dabei in einem Header abgelegte Adressinformation. Header mit Adress-Information Daten Trailer Abb. 35: Auf der DVD werden Adressinformationen im Header gespeichert Diese Adressinformation wird jetzt weiterverwendet, um eine genauere Positionierung der Linse vorzunehmen. -25

28 Vergrössert man den Bildausschnitt noch weiter, kann man auch gut die Elektromagnete/Spulen erkennen, mit denen die Linse vertikal positioniert wird: Spulen zur Positionierung der Linse Linse Spulen zur Positionierung der Linse Abb. 36: Vertikale Positionierung der Linse durch Elektromagnete/Spulen -26

29 DVD-Brenner Das in Abb. 3 auf Seite -6 mit DB gekennzeichnete Gerät ist ein DVD-Brenner. DVD-Brenner funktionieren im Prinzip genauso wie DVD-Leser. Die DVD-Medien sind jedoch anders aufgebaut: Unterhalb der Reflektierenden Schicht ist eine spezielle Schicht eingebracht, die sich bei Bestrahlung mit sehr starkem Laser-Licht dunkel färbt und das Licht dann nicht mehr so gut reflektiert. Auf diese Weise wird die gegenphasige Auslöschung der DVD-ROM nachgeahmt. Drehrichtung Beschriftung der DVD/Etikett Schutzschicht Land Pit Leseseite nicht reflektierende schwarze Punkte Polycarbonat reflektierende Schicht Abb. 37: Beschreibbare DVD (DVD-R) Bei beschreibbaren DVDs muss das Laufwerk die Adresse der zu beschreibenden Stellen finden können. Nachfolgende Grafik zeigt das Verfahren, das bei der DVD+RW angewendet wird: Die Pits werden in eine Art Spurrille, den sog. Grooves geschrieben. Die Seiten der Grooves sind jedoch nicht gerade, sondern durch eine Modulation von Sinus-Signalen geprägt. Diesen wellenförmigen Seiten kann das DVD-Laufwerk die Information über die aktuelle Position auf der DVD entnehmen und damit Daten adressieren. Grooves (Vertiefungen) Land Pits Abb. 38: Adressierung von beschreibbaren DVDs Im Gegensatz zu einmal beschreibbaren DVDs (DVD-R) müssen mehrfach beschreibbare DVDs auch gelöscht werden können. Dies wird durch eine spezielle Metall-Legierung als Reflexionsschicht erreicht: In Abhängigkeit der Stärke des Lasers, der die DVD beschreibt, wird das Material entweder amorph (ungeordnete Anordnung der Moleküle, schlecht reflektierend) oder kristallin (regelmäßige Anordnung der Moleküle, gut reflektierend). -27

30 Festplatte Das in Abb. 3 auf Seite -6 mit FP gekennzeichnete Gerät ist die Festplatte. Abb. 39: Festplatte Die Festplatte ist ein magnetisches Speichermedium, das sehr grosse Datenmengen aufnehmen kann. Aufgrund des technischen Fortschritts können ca. alle 2 Monate Festplatten mit doppelter Kapazität hergestellt werden. Im Inneren bestehen Festplatten in der Regel aus ein bis vier drehbar gelagerten festen Platten (deswegen der Name Festplatte im Gegensatz zur biegsamen Floppy-Disk [engl. floppy = schlapp]), die übereinander montiert sind und immer gleichzeitig gelesen bzw. beschrieben werden. Die Platten sind in der Regel entweder aus Aluminium oder aus Glaskeramik gefertigt und mit einer magnetisierbaren Oberfläche (z.b. Eisenoxyd, Kobalt etc.) beschichtet, auf der noch eine Schutzschicht aus Graphit aufgebracht wird. Armpositionierung (Elektromagnet) Permanentmagnet Schreib-/Lese-Kopf schwenkbarer Arm magnetisierbare Speicherplatte Anschluss für die Elektronik Abb. 4: Aufau einer Festplatte -28

31 Das Abspeichern von Daten auf die Festplatte erfolgt durch die sog. Schreib-/Leseköpfe, die (wie bei einer Audio-Cassette) Teile der Plattenoberfläche magnetisieren (vgl. nachfolgende Abbildung). Magnetfeldlinien Spule + - Schreib-/Lesekopf N N S S N N S S N N S magnetisierbare Schicht Bewegungsrichtung der Platte Trägermaterial aus Glaskeramik Stromverlauf beim Schreiben t Abb. 4: Datenspeicherung auf der Festplatte durch Magnetisierung Nachfolgende Abbildung zeigt den Vorgang der Magnetisierung der Festplatte. + Spule - Magnetfeldlinien geordnete Elementarmagnete ungeordnete Elementarmagnete N S Magnetisierung (Äquivalent-Magnet) keine Magnetisierung Abb. 42: Magnetisierung -29

32 Die Schreib-/Leseköpfe haben die Gestalt eines auf einer Seite aufgesägten O und sind mit einer Spule umgeben. Wird die Spule bestromt, bildet sich in ihr ein Magnetfeld, das durch den Schreib- /Lesekopf (eine Art Ferrit) geleitet wird. Da Feldlinien stets geschlossen sind, bildet sich zunächst im Luftspalt des Schreib-/Lesekopfes (die aufgesägte Stelle ) ein Magnetfeld. Wird der Spalt in die Nähe der magnetisierbaren Platte gebracht, schließen sich die Feldlinien nicht mehr über die Luft, sondern über das magnetisierbare Material, da sich Feldlinien leichter über magnetische Leiter als über magnetische Nichtleiter schließen. 4 Durch die magnetische Kraft der Feldlinien werden die im Plattenmaterial befindlichen Elementarmagnete dabei so geordnet, dass sie ihre Nord-Süd-Ausrichtung alle in dieselbe Richtung haben. Die Feldlinien der Elementarmagnete heben sich dann also nicht mehr gegenseitig auf (wie auf der rechten Seite von Abb. 42), sondern bilden zusammen einen Äquivalent-Magneten (linke Seite von Abb. 42). Diese Äquivalent-Magnete bilden die in Abb. 4 gezeigten Magnetfeldlinien, die dauerhaft erhalten bleiben. Schaltet man die Stromversorgung der Spule des Schreib-/Lesekopfes ab, lässt sich mit dem Schreib- /Lesekopf die zuvor auf die Platte aufgebrachte Magnetisierung wieder detektieren. Magnetfeldlinien Strommessung (siehe Stromverlauf) Spule N N S S N N S S N N S + OpAmp - Schreib-/Lesekopf magnetisierbare Schicht Bewegungsrichtung der Platte Trägermaterial aus Glaskeramik Stromverlauf beim Lesen t t t 2 Abb. 43: Auslesen von der Festplatte Detektiert werden dabei lediglich die Grenzen unterschiedlicher Magnetisierung, die sich in kurzen Stromstößchen (einige µa) äussern (vgl. Abb. 43). Diese Unterschiede im Stromverlauf werden mit geeigneten elektrischen Schaltungen verstärkt, detektiert und dann ausgewertet. Die abgespeicherte Information steckt dabei in den unterschiedlichen Längen zwischen den Stromstößen. In Abb. 43 ist erkennbar, dass die Zeit t wesentlich kürzer ist als die Zeit t 2. Diese Zeitunterschiede werden von dem auf der Festplatte integrierten Controllerchip (Festplatten-Controller) registriert, ausgewertet und in einzelne Byte dekodiert. Diese Byte stellen dann die auf der Festplatte abgespeicherte Information dar. Um die Oberfläche der Festplatte nicht zu beschädigen, sind die Schreib-/Leseköpfe auf einem sog. Schlitten montiert, der im Betrieb durch den von den Platten verursachten Luftzug nach oben gedrückt wird. Die Schreib-/Leseköpfe liegen also beim Schreiben/Lesen nicht auf den Platten auf, sondern schweben ganz knapp über ihnen. Wird die Festplatte ausgeschaltet, verringert sich die Rotation der Platten und der Luftzug reicht nicht mehr aus, um die Köpfe über den Platten schweben zu lassen. Deshalb wird der schwenkbare Arm, auf dem die Köpfe montiert sind, in eine Park-Position gezogen. 4 Das ist wie beim elektrischen Strom, der auch lieber durch einen Leiter als durch einen Nichtleiter fließt: Überbrückt man einen Widerstand (Nichtleiter) mit einem Draht (Leiter), dann fließt der ganze Strom durch den Draht und nicht durch den Widerstand. -3

33 Die Park-Position sind Spuren am Innenrand der Platten, da dort die Plattengeschwindigkeit am geringsten ist, der Abrieb beim Landen der Köpfe also gering bleibt. Da die Spuren im Landebereich der Köpfe nicht zum Abspeichern von Daten verwendet werden, tritt kein Datenverlust auf. Um auf der Festplatte gespeicherte Informationen zu finden, müssen die Daten auf der Festplatte in irgendeiner Form organisiert sein. Dazu werden die einzelnen Platten in sog. Spuren aufgeteilt. Spuren Sektor Abb. 44: Spuren und Sektoren bei einer Festplatte Da die Platten übereinander montiert sind, bilden die übereinander liegenden Spuren jeweils einen Zylinder, weswegen man mit dem Begriff Zylinder alle übereinander liegenden Spuren meint. Platten Alle übereinander liegenden Spuren bilden jeweils einen Zylinder Abb. 45: Zylinder Aktuelle Festplatten verfügen über mehrere tausend Zylinder, also mehrere tausend Spuren pro Plattenoberfläche, wobei die Platten auch beidseitig beschrieben werden. Da die Spuren mehrere Mega- -3

34 byte (MB) gross sein können, werden die Platten zudem noch in Sektoren (vgl. Abb. 44) eingeteilt. Die Sektoren sind dabei so gross, dass sie (je nach Hersteller) ca. 57 Byte an Daten speichern können. Ca. 6 dieser Byte werden für Verwaltungsinformation verwendet. Werte zur Synchronisation für den Taktgenerator, der die Zeit zwischen zwei Stromstössen (vgl. Abb. 43) nur messen kann, wenn er die genaue Umdrehungsgeschwindigkeit der Platte kennt. Prüfsummen Speicherung der Nummer des aktuellen Zylinders Speicherung der Nummer des aktuellen Sektors Speicherung der Nummer des aktuellen Schreib-/Lesekopfs Start- und Ende-Marken für den Datenbereich mehrere Leer-Byte als Toleranzzone für unterschiedliche Umdrehungsgeschwindigkeiten Die restlichen Byte sind die Nutzdaten des Sektors, welche in der Regel 52 Byte lang sind. Das Aufbringen dieser Verwaltungsinformation wird Grundformatierung genannt. Sie steht im Gegensatz zur logischen Formatierung, bei der Betriebssystem-spezifische Daten zur Verwaltung von Dateien auf die Platten geschrieben werden (z.b. ein Inhaltsverzeichnis). Um Daten aus einem bestimmten Sektor einer bestimmten Spur einer bestimmten Platte auslesen zu können, werden die Schreib-/Leseköpfe über dem gewünschten Zylinder positioniert und der von der Festplatte gelieferte Datenstrom gelesen. Der Festplatten-Controller wartet solange, bis er in dem Datenstrom des betreffenden Schreib-/Lesekopfs die gewünschte Sektor-Nummer detektiert, macht sich dann lesebereit und liest beim Auftreten der nächsten Start-Marke solange Werte ein, bis er eine Ende-Marke detektiert. Da alle Schreib-/Leseköpfe an einem einzigen schwenkbaren Arm befestigt sind, können alle zu einem Zylinder gehörigen Spuren gleichzeitig gelesen werden. Die Positionierung der Schreib-/Leseköpfe ist dabei eine sehr heikle Angelegenheit. Betrachten Sie dazu die in nachfolgender Tabelle angegebenen typischen Daten einer Festplatte: Abmessung der Schreib-/Leseköpfe Dicke des Luftkissens, auf dem die Köpfe schweben Umdrehungsgeschwindigkeit der äußeren Spuren (Radius = 4 cm, 72 U/min),3 mm x, mm 2 nm km/h Spurabstand (bei 5 Spuren pro cm) 6,7 µm Bit-Abstand,5 µm Abb. 46: Festplatten-Daten Um uns diese Daten besser vor Augen führen zu können, rechnen wir sie einmal so um, dass die Dicke des Luftkissens cm beträgt, die Schreib-/Leseköpfe also cm über den Platten schweben. Zur Skalierung müssen wir dann alle Festplatten-Parameter mit cm / 2 nm = 5. multiplizieren. Es ergeben sich dann folgende Werte: Abmessung der Schreib-/Leseköpfe Dicke des Luftkissens, auf dem die Köpfe schweben Umdrehungsgeschwindigkeit der äußeren Spuren (Radius = 4 cm, 72 U/min) Spurabstand (bei 5 Spuren pro cm) Bit-Abstand 5 m x 5 m cm 55.. km/h 3,35 m 25 cm Abb. 47: Skalierte Festplatten-Daten -32

35 Nach dieser Skalierung wären die Schreib-/Leseköpfe gut eineinhalb mal so lang und ein halbes mal so breit wie die Münchener Frauenkirche hoch ist und würden mit einer Geschwindigkeit, mit der sie in 2,6 Sekunden die Erde umrunden, nur cm über dem Boden gleiten. Dabei würden Sie Daten auslesen und schreiben, die nach links und rechts nur 3,35 m von anderen Daten entfernt sind und nach vorne und hinten bereits nach 25 cm an ihre Nachbarn stoßen. Eine unvorstellbare Leistung! Typische Festplattenlaufwerke haben eine durchschnittliche Zugriffszeit von ca. 8 ms, das bedeutet, sie benötigen ca. 8 ms, um ein Drittel aller auf der Oberfläche befindlichen Spuren zu überqueren und dann zielsicher auf der richtigen Spur zu landen. In unserem Skalierungs-Beispiel beträgt die Entfernung, die in den 8 ms von den Schreib-/Leseköpfen in Frauenkirche-Grösse zurückgelegt werden müssen, gute 5 km. Das entspricht einer Seitwärts-Geschwindigkeit von 625. km/h (in knappen 4 Minuten um die Erde). Wie kann so eine schwierige Aufgabe gelöst werden? Modernste Regelungstechnik macht s möglich! Da die Schreib-/Leseköpfe im Betrieb nicht auf den Platten aufliegen, ergibt sich bei der Bewegung der Arme so gut wie keine Reibung. Die Arme können also mit minimalstem Kraftaufwand bewegt werden. Sie lassen sich also auch ruckfrei anfahren und abbremsen. Der Antrieb erfolgt dabei durch magnetische Kräfte: Am drehbar gelagerten Arm ist an der Hinterseite eine Spule angebracht, deren Magnetfeld sich vom Festplatten-Controller steuern lässt. Im Gehäuse der Festplatte sind zwei sehr starke Permanent-Magnete montiert, zwischen denen die Spule des drehbaren Arms eingebettet ist. Wird die Spule bestromt, stößt sie sich vom Permanent-Magneten ab und bewegt dabei die Schreib- Leseköpfe über die Platten. Permanent- Magnet zum Halten des Arms in der Parkposition Permanent- Magnete Spule (am Arm montiert) Drehlager zur Rotation des Arms drehbar gelagerter Arm Abb. 48: Mechanik zur Armpositionierung -33