Die zentrale Verarbeitungseinheit (= der Prozessor) wird als CPU (Central Processing Unit) bezeichnet. Sie ist das Herz des PCs und umfasst

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1 Informaionsechnik - KOMPAKT Compuer-Hardware. Übersich Uner Hardware verseh man die physischen Besandeile von Compueranlagen. Hardware läss sich immer anfassen Jeder PC verfüg allgemein über drei wesenliche Einheien: Eingabe- und Zenrale Verarbeiungseinhei Ausgabewerk Daen- und Programmspeicher E ingabe V erarbeiung A usgabe EVA-Prinzip Die zenrale Verarbeiungseinhei (= der Prozessor) wird als CPU (Cenral Processing Uni) bezeichne. Sie is das Herz des PCs und umfass Seuer- und Leiwerk (conrol uni) Ablaufseuerung Auslesen, Inerpreieren, Weierleien von Programmbefehlen und Daen Rechenwerk ALU (arihmeic logical uni) arihmeische und logische Operaionen Kernsrukur einer von Neumann-Maschine (947) (nach: John von Neumann, ungarisch-amerikanischer Mahemaiker, ) Der Haupspeicher (=Arbeisspeicher) enhäl das auszuführende Maschinenprogramm und die Daen (emporär). Das Leiwerk führ die Kommunikaion mi der Umwel (Peripherie) und inernen Komponenen des Compuers durch. Das Seuerwerk seuer die Prozessabläufe im Rechner Das Bussysem dien als Verbindung zwischen diesen Komponenen. Informaionsechnik - KOMPAKT von 22

2 2. Zahlensyseme Das uns Menschen geläufige Zahlensysem basier auf der Zahl. Jede Zahl wird als Summe von Poenzen zur Basis dargesell: Dezimalsysem (Basis ) Symbolvorra: = * 2 + 8* + 5* = 85d = 85 In der Wel der Compuer und der Seuerungen spielen andere Zahlensyseme eine wesenliche Rolle: Hexadezimalsysem (Basis 6) Symbolvorra:..9, A..F 85 = *6 + 9*6 = B9h = B9 6 Okalsysem (Basis 8) Symbolvorra: = 2* *8 + *8 = 27o = 27 8 Binärsysem (Basis 2) Symbolvorra:, 85 = *2 7 + *2 6 + *2 5 + *2 4 + *2 3 + *2 2 + *2 + *2 = b = 2 Übung: ) Selle 255d als h, o, b dar FFh, 377o, b 2) Decodiere CDh, CDo CDh = 25d, CDo Ø 3) Decodiere b b = 63d 3. Der Prozessor Die Seuerung des PCs erfolg über elekrische Signale. Das Verhalen des Prozessors wird hierbei von Programmen in Form von Maschinencode besimm. Maschinensprache = Sprache die auf den zwei Zusänden und basier Beispiel: Maschinencode: Inerpreaion: Befehl Daen Mnemonisch: mov al, 6 h (Assemblersprache) Inerpreaion: der hexadezimale Wer 6 (97 dezimal) soll ins Regiser (= Speicherzelle) 'al' (Akkumulaor Lowword) geladen werden (bei x86-prozessoren). Jeder Prozessor ha seinen eigenen Befehlssaz. Das heiß, er verseh nur ganz besimme Folgen von Nullen und Einsen. Befehlsablauf in der von Neumann-Maschine: Im Folgenden wird die Abarbeiung zweier Befehlszeilen exemplarisch dargesell: mov al, 5Dh add al, 4Bh Informaionsechnik - KOMPAKT 2 von 22

3 mov al, 5Dh ( ): CU Befehlszähler auslesen und akuelle Adresse auf Adressbus legen Befehlszähler erhöhen Haupspeicher über Seuerbus zur Bereisellung des nächsen 8 Bi sarken (Befehls-)wores anweisen RAM Ensprechende Adresse auslesen und (Befehls-) Wor auf Daenbus legen Über Sausbus bereigeselle Daen melden CU Befehlswor abholen und in Befehlsregiser schieben (kopieren) DEC Befehl inerpreieren Operand erforderlich CU Befehlszähler auslesen und akuelle Adresse auf Adressbus legen Befehlszähler erhöhen Haupspeicher über Seuerbus zur Bereisellung des nächsen 8 Bi sarken (Daen-)wores anweisen RAM Ensprechende Adresse auslesen und (Daen-) Wor auf Daenbus legen Über Sausbus bereigeselle Daen melden CU Daenwor abholen und in Daenregiser schieben (kopieren) Haupspeicher über Seuerbus zum Freimachen des Daenbusses anweisen RAM Daenbus freimachen Über Sausbus freien Daenbus melden DEC Befehl ganzheilich inerpreieren Daen vom Daenregiser in das Lowword des Akkumulaors schieben (kopieren) Fech- und Inerpreaionsphase add al, 4Bh ( ): Fech- und Inerpreaionsphase analog oben DEC Befehl ganzheilich inerpreieren ALU anweisen, Daen des Daenregisers zu denen im Lowword des Akkumulaors hinzu zu addieren ALU Addiion durchführen und Ergebnis im Lowword des Akkumulaors ablegen Ausführungsphase Ausführungsphase Die Geschwindigkei, mi der das Seuer- und Leiwerk Befehle und Daen verarbeien kann, is der Arbeisak (auch Sysem- oder Prozessorak). Bei einem PC-Sysem mi einem Sysemak von 4 GHz werden pro Sekunde von einem Takgeber 4 Milliarden Schalimpulse an die CPU gegeben. Die Zei dazwischen wird Takzyklus genann. Je nach Ar eines Maschinenbefehls werden zu dessen Abarbeiung ein oder mehrere Takzyklen benöig. Exerne Sysemkomponenen (auch der Haupspeicher) können durch die nowendige Buskommunikaion nur langsamer angesprochen werden. Die Geschwindigkei is der Busak. Dieser is je nach Geräeyp unerschiedlich. Zur Geschwindigkeisopimierung seh daher ein zusäzlicher schneller Speicher zur Verfügung, der vom Haupspeicher gelesene Daen zwischenspeicher, der Cachespeicher. Muss innerhalb kurzer Zei erneu auf diese Daen zugegriffen werden, werden sie ohne Buskommunikaion direk aus dem Cachespeicher gelesen. Firs Level Cache (L-Cache): - im Prozessor inegrier - sehr schnell (Prozessorak) - klein Second Level Cache (L2-Cache): - in Prozessornähe auf dem Mainboard - of halber Prozessorak oder Busak - größer Informaionsechnik - KOMPAKT 3 von 22

4 4. Die Haupplaine (= Moherboard oder Mainboard). Über die Haupplaine werden alle Komponenen mieinander verbunden: inerne Baugruppen exerne Geräe (Peripheriegeräe) Die Verbindung erfolg über Hardware-Schnisellen. Die Informaionsüberragung finde über Busse sa: Daenbus überräg Daen zwischen Compuerbesandeilen innerhalb eines Compuers oder zwischen verschiedenen Compuern Adressbus überräg Speicheradressen, von denen die Daen zu lesen bzw. an die die Daen zu schreiben sind Seuerbus bewerksellig die Seuerung des Bussysems (Inerrup-, Buszugriff-, Takung-, Rese- und Sausleiungen) Es werden zwei grundsäzlich unerschiedliche Techniken zur Daenüberragung verwende: Biserielle Daenüberragung: die Binärsellen werden nacheinander über ein einziges digiales Signal als Impulsfolge dargesell. MSB firs = V = 2 V = V = 3 V = 5 V = 6 V = 8 V = 9 V = 7 V = 4 V Biparallele Daenüberragung: für jede Binärselle zu überragender Daen wird ein digiales Signal benöig. In den Beispielen werden mi vier Bis codiere Spannungswere einmal biseriell über eine Daenleiung, einmal biparallel über vier Daenleiungen überragen. Zur Codierung wurde der BCD-Code verwende. MSB LSB MSB = Mos Significan Bi (Höchsweriges Bi) LSB = Leas Significan Bi (Niederwerigses Bi) Wesenliche Besandeile des Moherboards neben Schnisellen und Bussen sind der Chipsaz und das BIOS. Der Chipsaz (besehend aus Norhbridge und Souhbridge) unersüz den Prozessor bei der Seuerung der Kommunikaion der Einzelkomponenen unereinander: Norhbridge: - dich an der CPU - synchronisier den Daenransfer und die Daenseuerung zwischen CPU (Prozessor), Arbeisspeicher, Cache und AGP oder PCI-Express-Grafikkare - direke Verbindung zwischen Norhbridge und CPU = Fron Side Bus Souhbridge: - dich an den PCI-Seckpläzen - Daenransfer und die Daenseuerung zwischen peripheren Geräen (PCI-Bus, ISA-Bus, ATA, ec.) Das BIOS (Basic Inpu- Oupu- Sysem) is in einem Speicherbausein, der Informaionen permanen speicher, einem Nur-Lese-Speicher (ROM = Read only Memory) gespeicher. Es seh somi dem Seuer- und Leiwerk der CPU unmielbar zur Verfügung. Das BIOS enhäl ein Urladeprogramm, das für das Booen des Compuers (Laden des eigenlichen Beriebssysems) zusändig is Funkionen, mi denen grundlegende Einsellungen der Hardwarekomponenen vorgenommen werden können Informaionsechnik - KOMPAKT 4 von 22

5 5. Der Arbeisspeicher (= Haupspeicher) Während der Programmausführung häl der Prozessor die Programmdaen im Arbeisspeicher. Direkes Arbeien des Prozessors mi dem exernen Speicher wäre zwar möglich, aber viel zu langsam. Prinzip des konvenionellen Daenransfers: (am Beispiel Laden von Daen ) CPU Exerne Adresse des ersen Daenwores auf den Adressbus legen Daenwor über den Seuerbus vom exernen Speicher anfordern EXT Adresse auslesen, Daenwor von ensprechender Adresse lesen und auf Daenbus legen Über Seuerbus bereigeselle Daen melden CPU Daenwor abholen und in Daenregiser speichern Exernen Speicher über Seuerbus zum Freimachen des Daenbusses auffordern EXT Daenbus freimachen und freien Daenbus über Seuerbus melden CPU Inerne Adresse für das erse Daenwor auf den Adressbus legen Daenwor aus Daenregiser auf Daenbus legen Haupspeicher über Seuerbus zum Abholen der Daen auffordern RAM Daenwor abholen und an ensprechende Adresse schreiben Über Seuerbus abgehole Daen melden Dieser Vorgang wiederhol sich bis alle benöigen Daenwörer vom exernen Speicher in den Haupspeicher kopier wurden. Hierfür sind viele Takschrie nowendig, in denen der Prozessor nich für die Ausführung anderer Befehle zur Verfügung seh, und somi wird die Ausführungsgeschwindigkei anderer laufender Programme verringer. Daher seh in modernen PC-Sysemen ein direker Speicherzugriff DMA (= Direc Memory Access) zur Verfügung. Der DMA-Conroller übernimm bei ansehenden Daenransfers zwischen exernen Geräen und Haupspeicher das Bussysem von der CPU. Die CPU kann die Abarbeiung anderer Programme forsezen, während der DMA-Conroller den Daenransfer abwickel (bei größeren Daenmengen ewa mal schneller als beim konvenionellen Daenransfer). Der Arbeisspeicher is ein Schreib-Lese-Speicher: RAM (Random Access Memory) = Speicher mi wahlfreiem Zugriff. D.h. jede Speicherzelle kann über ihre Speicheradresse direk angesprochen werden, der Speicher muss also nich sequenziell oder in Blöcken ausgelesen werden. Bei der Adressierung wird daher zwischen Zeilen- und Spalenadressen unerschieden. Das RAM beseh aus Halbleier-Bauseinen, die ihre gespeicheren Informaionen nur bei anliegender Beriebsspannung behalen. 6. Permanenspeicher Um die Daen nach dem Abschalen nich zu verlieren, werden diese auf Permanenspeichern (= Hinergrundspeicher, Massenspeicher) gesicher. Permanenspeicher / \ Magneisch Opisch Elekronisch - Band - CD - SD-Card - Diskee - DVD - CompacFlash - Fesplae - BlueRay - USB Sick Informaionsechnik - KOMPAKT 5 von 22

6 Magneisches Speicherverfahren Aufbau: Träger: Nich magneisierbares Band oder Scheibe bspw. Aus Aluminium-Legierungen Beschichung: Dünner magneisierbarer Belag bspw. aus Eisenoxid oder Kobal von ewa µm Särke Funkion: Das Speichern von Daen erfolg durch geziele Magneisierung kleinser vom Schreib-Lesekopf (Magnekopf = winziger Elekromagne) angeseuerer Flächen der Beschichung, die ensprechend ihrer Polariä (Nord/Süd) den binär inerpreieren Wer oder annehmen. Magneisierung ungeordnee Elemenarmagnee geordnee Elemenarmagnee Das Lesen der Daen wurde früher über das Indukionsverfahren durchgeführ (ein beweger Magne bewirk in einer umgebenden Spule eine Indukionsspannung). Moderne Verfahren beruhen auf der Messung des akuellen magneischen Widersandes, der von der Polariä der Elemenarmagnee abhäng. Speicherung in magneischen Dipolen Opisches Speicherverfahren Aufbau: Träger: Durchsichige Kunssoffscheibe (Polycarbona) mi mikromeerkleinen Veriefungen (Pis) und Zwischenräumen (Lands), die zu einer langen, spiralförmigen Spur angeordne sind. Beschichung: Die Oberfläche wird mi einem dünnen Aluminiumfilm bedampf und durch einen Lacküberzug geschüz. Pi Land Funkion: Die CD wird von unen mi einem Lasersrahl abgease. Triff der Srahl auf ein Land oder ein Pi wird er reflekier und über einen halbdurchlässigen Spiegel einer Foodiode zugeführ. Triff der Srahl auf einen Übergang, wird er nich vollsändig reflekier. Die Scheibe wird koninuierlich abgease. Abasungen mi vollsändiger Reflekion werden als Kanalbi der Werigkei, mi unvollsändiger Reflekion als Kanalbi der Werigkei inerpreier. Aus dem so ausgelesene Daensrom werden über ein spezielles Decodierungsverfahren die eigenlichen Daen gewonnen. Speicherung in Lands und Pis Informaionsechnik - KOMPAKT 6 von 22

7 Elekronisches (chipbasieres) Speicherverfahren Uner einem Chip verseh man in der Mikroelekronik den (Halbleier-) Träger inegrierer Schalkreise (Schalung mi elekronischen Baueilen und Verdrahung). Bei den Speicherchips unerscheide man zwischen flüchigen (RAM) und nich flüchigen Speichern (ROM und Flash). Funkion: Die Speicherzellen von RAM-Speichern beruhen im Wesenlichen auf Schalungen aus zwei rückgekoppelen Transisoren (Flipflops). Ob in einer solchen Schalung eine oder eine gespeicher is, läss sich über einen kurzen Sez- oder Rücksezimpuls feslegen. Bei ausgeschaleer Beriebsspannung gehen die Informaionen jedoch verloren. Bei Flashspeichern wird die in Form einer elekrischen Ladung auf speziellen Transisoren gespeicher. Auch beim Abschalen der Beriebsspannung bleib diese Ladung erhalen. Das Ausräumen dieser Ladung kann i.a. nur blockweise erfolgen. Virueller Speicher Fesplaen können vom Prozessor als Auslagerungsspeicher benuz werden, wenn der Arbeisspeicher des Compuers zur Bearbeiung einer Aufgabe nich ausreich. Der reserviere Bereich der Fesplae wird solange nowendig vom Prozessor wie eine Arbeisspeicher- Erweierung angesehen, aufgrund der vergleichsweise langen Zugriffszeien allerdings uner erheblichen Performance-Einbußen. 7. Grafikkaren... demnächs im Unerrich und dann auch hier... Informaionsechnik - KOMPAKT 7 von 22