2012 Ausbildung-Elektrotechnik Andreas R. [IT COMPUTER GUIDE] Dieser Guide wird euch das Thema Computer, und alles was damit zu tun hat, näherbringen. Powered by Ausbildung-Elektrotechnik.de
Inhalt Update... 3 E-Books... 3 Einleitung... 3 Hardware... 5 1. Der PC (Personal Computer)... 5 1.2 Bestandteile eines Computers... 5 1.2.1 Das Mainboard... 5 1.2.1.1 SATA... 6 1.2.1.2 PATA... 7 1.2.1.3 PCI/PCIe... 8 1.2.1.4 Frontpanel... 10 1.2.1.5 Frontanschlüsse I/O... 11 1.2.1.6 South/Northbridge... 12 1.2.1.7 Arbeitsspeicherbänke... 13 1.2.1.8 Chipsätze... 13 1.2.1.9 Prozessor (CPU) Sockel... 14 1.2.2 Arbeitsspeicher (RAM-Module)... 14 1.2.2.1 SO-DIMM (Small Outline Dual Inline Memory Module)... 14 1.2.2.2 DIMM (Dual Inline Memory Module)... 16 1.2.3 Grafikkarte... 19 1.2.4 Prozessor (CPU)... 21 1.2.5 Das Netzteil (PSU = Power Supply Unit)... 24 1.2.6 Die Festplatte (HDD = Hard Disk Drive)... 28 1.2.6.1 Aufbau einer Festplatte:... 29 1.2.6.2 Kapazität:... 30 1.2.6.3 Verschiedene Bauformen... 31 1.2.6.4 Solid-State Disk (SSD)... 32 1.2.7 BIOS... 33 1.2.8 Die Peripherie... 34 1.2.8.1 Der Bildschirm (Monitor)... 34 1.2.8.1.1 Der Röhrenmonitor (Kathodenstrahlröhrenbildschirm):... 34 1.2.8.1.2 Der TFT (LCD) Monitor:... 35 1.2.8.1.3 Der TFT (LED) Monitor:... 35 1.2.8.1.4 Der OLED Monitor:... 35 2
1.2.9 Eingabegeräte/Ausgabegeräte... 36 2. Software... 36 2.1 Das Betriebssystem (OS = Operating System)... 36 2.1.1 Der C64, ein Heimcomputer der 1980er Jahre... 37 2.1.2 Die grafische Benutzeroberfläche (GUI) von Apple... 37 2.1.3 Der Mac-OS-Nachfolger... 38 2.1.4 Disk Operating System (DOS)... 38 2.1.5 Microsoft Windows... 39 2.1.6 Linux (GNU/Linux)... 41 3. Information... 42 3.2 Rechtlicher Hinweis:... 42 3.3 Kontakt:... 42 3.4 Versionsübersicht:... 42 Update Besuchen Sie uns unter Ausbildung-Elektrotechnik.de und laden Sie die neuste Version dieses Guides herunter! Ihre Version können Sie unter 3.4 Versionsübersicht überprüfen. Wir würden uns auch über ein Feedback freuen. Besucht dazu folgenden Link. E-Books Wir haben auf unserer Homepage viele weitere nützliche E-Books veröffentlicht. Schau doch mal rein! Einleitung Dieses E-Book soll euch über das Thema IT, was von Jahr zu Jahr immer wichtiger wird, aufklären. Der Schwerpunkt in dieser Ausgabe wird sich auf das Thema Computer und alles darum legen. Da fast jeder mindestens einen PC (Personal Computer) besitzt oder zu mindestens einer im Haus steht wird das Thema immer wichtiger für jeden einzelnen und es wird Zeit sich damit zu beschäftigen. Dazu verfasse ich dieses E-Book, um euch über allgemeine Fragen rund ums Thema bestmöglich aufklären zu können. Vorab weg, dieses E-Book ist kostenlos erhältlich und für jedermann zugänglich, sollten Sie also dafür bezahlt haben, ausgenommen Sie haben auf meiner Website gespendet, sollten Sie Ihr Geld zurückverlangen. Die erste Frage was sich viele Leute stellen, wenn sie den Begriff IT hören, ist, was bedeutet dieses Kürzel eigentlich oder für was steht es im allgemeinen oder genauen? Ganz einfach, IT steht für Informationstechnik, welches ein Überbegriff für alles ist was mit dieser Technik zu tun hat. Es wird hier in 4 Gruppen der Informationstechnik unterscheiden, die da wären: 3
- Kommunikations-IT - Unterhaltungs-IT - Business-IT - Industrielle-IT Details zu den einzelnen Gebieten: Kommunikations-IT Wie die Bezeichnung Kommunikations-IT bereits verrät, liegt der Schwerpunkt in diesem Bereich bei der Telekommunikation. Der Austausch und die Übertragung von Daten zum Beispiel im Internet oder auch im Bereich der Telefonie stehen bei der Kommunikations-IT im Vordergrund. Unterhaltungs-IT Multimedia-Anwendungen und Spielkonsolen sind der Schwerpunkt der Unterhaltungs-IT. Dabei geht es auf der einen Seite darum, derartige Anwendungen zur Verfügung zu stellen, sie aber nicht nur anzubieten, sondern auch zu entwickeln. Auch die Entwicklung von passenden Ausgabegeräten, zum Beispiel von Spielekonsolen fällt in den Bereich der Unterhaltungs-IT. Gleichzeitig müssen aber auch neue Entwicklungen und Trends aufgegriffen und in Programme und Anwendungen integriert werden. Auch neue Elemente zur Wohnraumgestaltung wie ein Digitaler Bilderrahmen zählen im weitesten Sinne zur Unterhaltungs- IT. Business-IT beinhaltet die IT von Handel, Börse, Versicherungen, Banken und Steuerwesen. Industrielle-IT Industrielle-IT befasst sich mit der Vernetzung der Maschinen in Herstellungs- und Produktionsprozessen innerhalb eines Werkes, zunehmend aber auch über die Werk- und Firmengrenzen hinweg (Supply Chain). Neuerdings wird die Industrielle IT direkt an die Geschäftsprozesse angebunden. So entstehen etwa Schnittstellen zwischen den Bussystemen, die die Maschinen steuern, und den Ressourcen-Planungs-Systemen (ERP-Software). Soviel zu den einzelnen Themen der Informationstechnik und zur Einleitung. Wir beginnen nun mit dem Thema, für welches das E-Book auch gedacht ist, und zwar mit Computern. 4
Hardware 1. Der PC (Personal Computer) In diesem Punkt werde ich euch die Grundbestanteile, im Einzelnen, von einem Computer erklären. Was sich in den letzten Jahren alles getan hat und wie die Zukunft, laut den Entwicklern, aussehen könnte. 1.2 Bestandteile eines Computers 1.2.1 Das Mainboard Zu der wohl wichtigsten und wohl bekanntesten Komponente zählt das Mainboard, auch Motherboard genannt. Diese Baugruppe verbinden Prozssor, Arbeitsspeicher, Addon-Karten und Peripherie mit einander. Diese Verbindungen werden über Bus-Leitungen geschaffen. Es wird beim Mainboard grundlegend in 2 Gruppen gegliedert, welche vom Chipsatz ausgehend ist. Die eine Gruppe sind die Boards mit einem Intel Chipsatz und die andere mit einen AMD Chipsatz. Beim Kauf wird als aller erstes nach diesen Kriterium ausgewählt. Diese Wahl legt auch fest, welcher Prozessor (Intel oder AMD) mit dem Board genutzt werden kann. Chipsatz ist aber nicht gleich Chipsatz. Es gibt von Intel, wie auch von AMD, viele Verschiedene Chipsätze und CPU Sockel (Steckplatz für den Prozessor), welche Generationsabhängig sind. 5
1.2.1.1 SATA Auf diesem Bild sieht man die Anschlüsse für die Festplatten des Systems. Die 4 weißen Stecker sind, in diesem Fall, schon die neuen SATA3 bzw. SATA 6Gb/s Anschlüsse. Die Farbe Weiß ist nicht ausschlaggebend, bei anderen Mainboard Hersteller können sich die Farben unterscheiden. Ob es sich wirklich um eine SATA3 oder doch um eine SATA2-Schnittstelle handelt kann ganz einfach im Board Handbuch nachgelesen werden. Es wird unter folgenden Anschlüssen unterschieden: Onboard (Fest auf dem Mainboard integriert): S-ATA1 (1,5 Gb/s) S-ATA2 (3,0 Gb/s) S-ATA3 (6,0 Gb/s) mini-sata (hauptsächlich auf Notebooks zu finden) Hinweis: SATA steht für Serial Advanced Technology Attachment. 6
Extern: e-sata Bei dem e-sata Anschluss handelt es sich von der Bandbreite her um ein SATA2 Anschluss. 1.2.1.2 PATA Der Vorgänger der SATA Schnittstellen war der P-ATA Anschluss oder auch IDE (Integrated Drive Electronics). Von dieser Schnittstelle gibt es auch verschiedene Unterarten. ATA-1 (1989 1999, ANSI X3.221-1994) ATA-2 (1994 2001, ANSI X3.279-1996) ATA-3 (1996 2002, ANSI X3.298-1997) ATA/ATAPI-4 (seit 1997, ANSI NCITS 317-1998) ATA/ATAPI-5 (seit 1999, ANSI NCITS 340-2000) ATA/ATAPI-6 (seit 2000, ANSI NCITS 361-2002) ATA/ATAPI-7 (seit 2001, ANSI INCITS 397-2005) ATA-8 (seit 2005, ANSI INCITS 452-2008) ACS-2 (seit 2008) Hinweis: ATA steht für Advanced Technology Attachment. Dieser Anschluss ist, obwohl er noch sehr selten genutzt wird, auf manchen neuen Mainboards noch vorhanden. Dies wird sich aber im Laufe der Jahre ändern und er wird komplett von SATA oder 7
IT Guide Powered by Ausbildung-Elektrotechnik.de anderen, noch kommenden, Schnittstellen abgelöst. Da der PATA Anschluss auf dem Mainboard zu viel Platz einnimmt und seine Übertragungsrate sehr begrenzt ist. 1.2.1.3 PCI/PCIe Auf diesem Bild sind die 2 PCIe Schnittstellen zu sehen. Der große schwarze Steckplatz ist ein PCIe 16x Schnittstelle und wird als Erweiterungsslot für Grafikkarten genutzt. Der kleine weiße kann für Addon-Karten wie Netzwerkkarte, Soundkarte usw. genutzt werden. Auch hier werden unter verschieden Versionen unterschieden: - Hinweis: PCIe steht für Peripheral Component Interconnect Express. PCIe 1.0/1.1 PCIe 2.0/2.1 PCIe 3.0/3.1 (Nur mit den Chipsatz Ivy Bridge nutzbar) Vorgängermodell: - PCI Der untere Anschluss zeigt Einen PCI Anschluss! 8
Technische Daten: Datenrate PCI Express Burstrate ohne Protokoll-Overhead PCIe 1.0/1.1 PCIe 2.0/2.1 PCIe 3.0 Taktrate 1,25 GHz 2,5 GHz 4,0 GHz Transfers/s (je Lane und Richtung) 2,5 GT/s 5,0 GT/s 8,0 GT/s Kodierung 8b10b 8b10b 128b130b Lanes (Breite) x1 250 MB/s 500 MB/s 985 MB/s x2 500 MB/s 1000 MB/s 1969 MB/s x4 1000 MB/s 2000 MB/s 3938 MB/s x8 2000 MB/s 4000 MB/s 7877 MB/s x16 4000 MB/s 8000 MB/s 15754 MB/s x32 8000 MB/s 16000 MB/s 31508 MB/s 9
1.2.1.4 Frontpanel Dieses Bild zeigt das Frontpanel (weiße Stifftleiste). Hier werden HDD-LED, Power-LED, SPEAKER, Reset-Taster und Einschaltknopf des Gehäuses angeschlossen. Manche Panel haben auch noch einen USB Anschluss, wo die 2 Front-USB vom Gehäuse angeschlossen werden können. Dieses Board hat dafür extra einen Anschluss (Blaue Buchse). Der Connector CHA_FAN2 dient dazu einen Gehäuselüfter (3PIN) anzuschließen. 10
1.2.1.5 Frontanschlüsse I/O Hier sieht man die Anschlüsse des Mainboards. Von links beginnend ein.. S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface) Dieser Anschluss dient zur Audioübertragung mithilfe von Lichtwellen. HDMI (High Definition Multimedia Interface) Diese Schnittstelle dient zur Übertragung von Bild in High Definition (Hochauflösend) und Mehrkanal-Audiotonspuren. Die Aktuellste Version (1.4a) ist sogar in der Lage 3D Material zu übertragen. Zur Pinbelegung. DVI/VGA (Digital Visual Interface/Video Graphics Array) Diese beiden Anschlüsse sind Displayports. Der Unterschied ist, das der DVI ein digitales und der VGA-Anschluss ein analoges Signal ausgibt. Die meisten Systeme haben beide Anschlüsse zur Verfügung. Bei Spiele und Blu-Ray-Filme wird der DVI oder am besten der HDMI empfohlen! 11
USB (Universal Serial Bus) Der USB Anschluss ist eine allbekannte Allzwecks-Schnittstelle. An diesen Port kann allmögliche Peripherie angeschlossen werden, wie Maus, Tastatur, Externe Festplatten, Diverse Adapater, USB-Sticks, Soundkarten, Drucker, Scanner, Kameras usw. Die neue Generation von USB (USB3.0) bietet eine noch Höhere Übertragungsrate, welche sogar die SATA2 Schnittstelle übertrifft. Möglich sollen, in der Theorie, 5.0 Gbps (Gigabit per Second). USB2.0 schaffte nur 480 Mbps (Megabit per second). Ethernet/LAN RJ45 (Local Area Network) Dies ist eine Netzwerkbuchse, nicht zu verwechseln mit dem alten Modemanschluss (RJ11). Dieser Anschluss dient zur Einbindung ins Heimnetzwerk und ans Internet (über ein Modem bzw. Router) Übertragungsraten: - 10Mbit - 100Mbit - 1000Mbit (1 Gbps) 7.1 HD-Audio Diese Anschlüsse dienen zur Verbindung mit einen, bis zu 7.1 Kanal, Audiosystem. 1.2.1.6 South/Northbridge Die Diversen Kühler auf den Mainboards dienen zur Kühlung der South/Northbridge. 12
1.2.1.7 Arbeitsspeicherbänke Hier werden die Bänke für die Arbeitsspeicher abgebildet. Dieses Board Unterstützt die neuen bzw. aktuellen DDR3- Module. Dies ist an der Kerbe zu erkennen. Steht aber auch auf der Mainboardschachtel oder im Handbuch. Dort wird auch genau beschrieben welche Taktung und welche Speichergrößen pro Bank und insgesamst unterstützt werden. Die aktuell größten einzelnen Riegel (Module) haben 8GB Speicher. 1.2.1.8 Chipsätze Die Chipsätze sind so umfangreich, das ich hier einfach einen Link einfüge, dort könnt Ihr euch alle Nötigen Informationen heraussuchen. Link: Intel Chipsätze Link: AMD Chipsätze 13
1.2.1.9 Prozessor (CPU) Sockel Der CPU Sockel bestimmt, welcher Prozessor bzw. welche Prozessor Serie (Generation) auf dem Mainboard unterstützt und verbaut wird. Wie zum Beispiel die neue Core-I3,5 und 7- Serie, welche den Sockel 1155/1156 (Alt) nutzt. Auch hier bitte die Information aus dem folgenden Link nehmen. Link: Intel Sockel Link: AMD Sockel 1 1.2.2 Arbeitsspeicher (RAM-Module) Ebenso wichtig wie der Prozessor ist natürlich auch die Wahl des richtigen Arbeitsspeichers. Die Boards, welche heut zu Tage ausgeliefert werden, sind Standartmäßig mit einem DDR3- RAM Sockel und Conrtoller ausgestattet, welcher der Nachfolger von dem DDR2 RAM ist. Natürlich ist Arbeitsspeicher nicht gleich Arbeitsspeicher. Es wird auch hier, wie bei den Mainboards, unter zwei großen Kategorien unterschieden: Die beiden Hauptgruppen SO-DIMM und DIMM werden durch ihr Einsatzgebiet voneinander unterschieden. SO-DIMM werden Hauptsächlich in Notebooks und DIMM in Desktop PCs verbaut. 1.2.2.1 SO-DIMM (Small Outline Dual Inline Memory Module) SO-DIMM DDR1 14
SO-DIMM DDR2 SO-DIMM DDR3 Diese Module sind vor allem in Notebooks, Netbooks und Mini-PCs verbaut. Hier sind die Unterschiede der einzelnen Module auf einen Blick dargestellt. 15
1.2.2.2 DIMM (Dual Inline Memory Module) SD RAM DIMM DDR DIMM DDR2 DIMM DDR3 16
Diese Module sind vor allem in Desktop PC und Servern verbaut. Hier sind die Unterschiede der einzelnen Module auf einen Blick dargestellt. Unterscheidungsmerkmale Es wird bei den RAM (Random Access Memory)-Modulen nicht nur unter der Jeweiligen Bauform unterschieden. Es sind noch die Kriterien wie Busgeschwindigkeit (Latenz), Taktung in Mhz, Dual-Channel-und Quad-Channel Fähigkeit, ECC und NON-ECC Modulen und vorallem der Speichergröße. Latenzen (Beispiele): DDR400 CL2-2-2-5 10 ns - 10 ns - 10 ns - 25 ns (CAS-tRCD-tRP-tRAS) DDR500 CL3-3-2-8 12 ns - 12 ns - 8 ns - 32 ns DDR777 CL2-3-2-9 14 ns - 14 ns - 6 ns - 46 ns DDR2-667 CL5-5-5-15 15 ns - 15 ns - 15 ns - 45 ns DDR2-800 CL4-4-4-12 10 ns - 10 ns - 10 ns - 30 ns DDR2-800 CL5-5-5-15 12,5 ns - 12,5 ns - 12,5 ns - 37,5 ns DDR2-1066 CL4-4-4-12 7,5 ns - 7,5 ns - 7,5 ns - 22,5 ns DDR2-1066 CL5-5-5-15 9,38 ns - 9,38 ns - 9,38 ns - 28,13 ns DDR3-1333 CL7-7-7-24 10,5 ns - 10,5 ns - 10,5 ns - 36 ns DDR3-1333 CL8-8-8 17
12 ns - 12 ns - 12 ns DDR3-1600 CL7-7-7 8,75 ns - 8,75 ns - 8,75 ns DDR3-1600 CL9-9-9 11,25 ns - 11,25 ns - 11,25 ns Taktung: Die Taktung eines Arbeitsspeicher erkennt man an der Bezeichnung, wie DDR3-1600. Hier stet das 1600 für eine Taktung von 1600Mhz. Eine hohe Taktung ist vorallem bei Spielen hilfreich, ich empfehle 1600Mhz. Die sind auch vom Preis her immer noch erschwinglich. Dual und Quad-Channel: Diese Fähigkeit ist wichtig, wenn mehrere Module verbaut sind. Sie haben z.b. 2x 4GB Module verbaut. Sind diese Dual-Channel fähig, können diese schneller und besser miteinander kommunizieren und Ihr System wird nicht unnötig ausgebremst. Diese Funktion muss auch das Board unterstützen. Man sieht das sofort, wenn bei 4 Bänken jeweils 2 in einer selben Farbe sind. Die Speichermodule dann in die gleichfarbigen Bänke montieren! Das gleiche gilt für das Quad-Channel, hier können dann 4 Speicher im Channel genutzt werden. Es wird empfohlen immer gleiche Speichermodule mit gleichen Eigenschaften und am besten vom gleichen Hersteller zu verbauen! ECC und NON-ECC (Fehlerkorrekturverfahren): ECC steht für die englische Abkürzung Error-Correcting Code was man in Deutsch Fehlerkorrekturverfahren nennt. Diese dienen dazu, Fehler bei der Speicherung und Übertragung von Daten zu erkennen und wenn möglich, zu korrigieren. Fehlererkennungsverfahren beschränken sich auf eine reine Fehlererkennung. Dazu wird vor der Datenspeicherung oder Übertragung den Nutzdaten zusätzliche Redundanz in Form zusätzlicher Bits hinzugefügt, die auf der Zielseite zur Bestimmung von Fehlern und Fehlerpositionen genutzt wird. Diese Funktion wird nur bei Industriellen PC und Servern eingesetzt, da diese Module sehr Teuer sind. Ebenfalls muss das Mainboard diese Funktion unterstützen. Es kann kein ECC Speicher in ein NON-ECC Board verbaut werden und umgekehrt. 18
Speichergrößen: Auf was beim Speicherkauf immer als aller erstes geachtet wird ist natürlich die Speichergröße. Aktuell gibt es schon einzelne Module mit bis zu 8GB Speicher. Der Trend geht immer zu mehr Speicher. Doch man muss es nicht übertreiben. Für ein normales System mit Windows 7 als OS (Operating System zu deut. Betriebssystem) reichen 4GB Arbeitsspeicher vollkommen aus. Das OS belagert ca. 1,5GB der Rest steht für Anwendungen zur Verfügung. Für Anwender die High End Spiele spielen wird ein Speicher von 8-16GB empfohlen, alles darüber wird niemals vom System genutzt. Hinweis: Zur vollen Nutzung des verbauten Arbeitsspeicher muss Windows 7 64Bit installiert werden. Windows XP unterstützt allgemein nur 3GB. 1.2.3 Grafikkarte Seit der neuen Chipsatzgeneration Sandy Bridge und deren Nachfolger ist es, dank dem integrierten Grafikprozessor im eigentlichen Prozessor, das ein PC ohne externe Grafikkarte genutzt werden kann ohne auf Spiele zu verzichten. Vor allem der neue Chipsatz Ivy-Bridge von Intel besitzt mit der integrierten HD4000 eine starke Leistung, welche es sogar ermöglicht aktuelle Spiele in HD-Auflösung flüssig zu Spielen. Dies reicht für jeden Normalen PC Nutzer aus. Natürlich kann wer, wer es liebt Spiele in gestochen Scharfer Grafik zu spielen, mit so einer eingeschränkten Grafikleistung nicht viel Anfange. Deswegen gibt es die Möglichkeit, und das ohne großen Aufwand, eine externe Grafikkarte einzubauen. 19
Die Neusten Grafikkarten unterstützen bereits PCI3.0. Die Vorgängerschnittstellen waren: AGP (Accelerated Graphics Port) PCI PCIe 1.0 PCIe 2.0 PCIe 3.0 (Neuster Standard) Bei solchen Grafikkarten ist dem Preis fast keine Grenze gesetzt. Es gibt einzelne Gamer- Grafikkarten welche 1000 kosten und es ist aktuell möglich bis zu 4 in ein System zu integrieren. Dies nennt man dann Quad-SLI (NVidia) und CrossFire (ATI). Diese zwei sind auch die führenden Hersteller für Grafikprozessoren. Die Leistung addiert sich dann aber nicht, sondert steigt bei 2 verbauten Grafikkarten um ca. 30%. Dies ist vom Modell abhängig. Bei der Auswahl einer Grafikkarte wird wieder unter bestimmten Kriterien unterschieden. Taktung/Taktfrequenz Streaming-Prozessoren Speichergröße/Taktung Stromverbrauch (Bei Gamer eher zweitranig) Baugröße Eine solche Grafikkarte kann dann schnell mal 225Watt verbrauchen, dies natürlich nur unter Volllast. Hier sollte das Netzteil ausreichend Leistung bereitstellen können, aber dazu mehr unter dem Punkt Netzteil. 20
Wichtig ist auch eine Grafikkarte gut zu kühlen. Sie besitzt zwar einen eigenen Kühler mit meist 2-3 Lüftern, aber man sollte stets dafür sorgen das die Luft im Gehäuse gut strömen kann und man einen Luftfluss hat. Am besten ist am Gehäuseboden bzw. hinten unten einen Lüfter zu platzieren, welcher Kalte Luft von außen einzieht und ein 2 Lüfter welcher oben die warme Luft hinaus bläst. 1.2.4 Prozessor (CPU) Bei einer solchen Aufstellung darf natürlich der Prozessor als Kopf bzw. Rechenzentrale im Computer nicht fehlen. Als erstes für was steht den eigentlich CPU? Das Kürzel steht für Central Processing Unit was zu Deutsch Hauptrecheneinheit heißt. Der CPU übernimmt die Steuerung und die Verarbeitung von allen Prozessen. Eine CPU besteht prinzipiell aus den Funktionsgruppen Register, Recheneinheit (ALU - Arithmetic Logic Unit), Befehlsdecoder und Adresseinheit. Die Adresseinheit ist dafür zuständig, Daten und Befehle aus dem Speicher zu lesen oder in diesen zu schreiben. Befehle werden vom Befehlsdecoder verarbeitet, der die anderen Einheiten entsprechend steuert. In den Registern werden Daten für die unmittelbare Verarbeitung gespeichert, gegenüber dem Speicher ist der Zugriff auf Daten in den internen Registern meist erheblich schneller. In modernen CPUs finden sich sehr viel feiner unterteilte Funktionseinheiten sowie mehrfach ausgeführte Einheiten, die das gleichzeitige Abarbeiten mehrerer Befehle erlauben. Zusätzlich finden sich auch häufig spezialisierte Recheneinheiten z. B. für Vektorfunktionen. Aufbau der CPU: Moderne CPUs bestehen üblicherweise aus mehreren, übereinanderliegenden Schichten von dotiertem Silizium, die Millionen von Transistoren bilden, deren Schaltvorgänge die Rechenleistung bereitstellen. CPUs werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Anwendungsbereiche an den jeweiligen Einsatzbereich angepasst. Beispielsweise müssen Spezialversionen für Luft- und Raumfahrt besonders hohen Temperaturen und Strahlungsexposition im laufenden Betrieb fehlerfrei standhalten, während Mobilprozessoren eine hohe IPC-Rate, geringe Leckströme und einen niedrigen Energieverbrauch aufweisen müssen. Diesen Bedürfnissen wird auf verschiedene Arten und Weisen Rechnung getragen: So wird bereits mit der Auswahl des Befehlssatzes (CISC oder RISC) eine fundamentale Entwurfsentscheidung getroffen, deren Implikationen in 21
den jeweiligen Spezialartikeln näher erläutert werden. Anschließend wird ein möglichst effizienter Mikrocode entwickelt, der optimal an Randbedingungen wie Cachegrößen, Speicherbandbreite und -latenzen sowie die internen Funktionseinheiten angepasst wird. Der in einer Hardwarebeschreibungssprache vorliegende logische Entwurf des Prozessors wird sodann an einen Hochleistungscomputer übergeben, der die Leiterbahnen routet, d. h., eine optimale Anordnung mit möglichst wenig Transistoren sowie minimaler Verlustleistung zu ermitteln sucht (sogenannte Technology Binding oder Technology Mapping). Da diese Routingprobleme NP-vollständig sind, sind nur Näherungsberechnungen möglich, die sich im Detail noch erheblich verbessern lassen. Aus diesen Bahnberechnungen werden Masken erstellt, die mittels Fotolithografie zur Belichtung von Wafern eingesetzt werden, die anschließend geätzt werden. Die Fertigung eines heutigen Mikroprozessors umfasst weit über 100 Einzelschritte, in deren Verlauf bereits ein einziger Fehler den gesamten Prozessor unbrauchbar machen kann. In der Endkontrolle werden die Prozessoren schließlich hinsichtlich ihrer Taktfestigkeit klassifiziert, wobei anhand eines für jeden Prozessortyp individuell entwickelten Testprogramms physikalische Eigenschaften wie Signalpegel bei verschiedenen Takten überprüft werden. Hierbei wird besonders auf laufzeitkritische Signalwege auf dem CPU- Die geachtet, um Speed Paths (Fehler durch Signalverzögerungen) zu verhindern. Allgemein lässt sich feststellen, dass der Validierungsaufwand moderner Prozessoren gewaltige Ausmaße angenommen hat, und trotz aller Anstrengungen nicht alle Fehlersituationen vor der Auslieferung überprüft werden können. Der letzte in allen Funktionen (und Fehlern!) vollständig verifizierte x86-prozessor war der 80286. Daher liefern alle Hersteller sogenannte Errata-Listen, in denen Fehler aufgelistet werden. So musste beispielsweise Intel den berühmten FDIV-Bug in frühen Pentium-CPUs eingestehen, der auf mehrere fehlende Einträge in einer internen Lookup-Tabelle der FPU zurückzuführen ist. Im Laufe der Zeit vergrößerte sich aufgrund der immer besser werdenden Technik die Anzahl der vom Prozessor unterstützten Befehle. Heute finden sich überwiegend 32- und 64-Bit- Prozessoren, wobei die gängigsten Betriebssysteme für den Anwender maximal 64, meist aber nur 32 Bit unterstützen. Daran lässt sich schon erkennen, dass die Software im Falle der Prozessoren der Hardware hinterherhinkt. Die in den 1980er Jahren entwickelten 386er waren die ersten 32-Bit-Prozessoren der Intel 80x86-Familie. Im Jahre 2006 wurde von der Firma ARM der erste kommerzielle ungetaktete, asynchrone Prozessor vorgestellt, der ARM996HS. Da er ohne Taktung auskommt, weist ein asynchroner Prozessor eine im Hochfrequenzbereich geringere und wesentlich weniger prägnante Abstrahlung auf und verbraucht während Prozesspausen keinen nennenswerten Strom 22
1. Erster Prozessorkern (Core 1) 2. Zweiter Prozessorkern (Core 2) 3. Dritter Prozessorkern (Core 3) 4. Vierter Prozessorkern (Core 4) 5. Erster erweiterter Zwischenspeicher (Advanced Smart Cache) 6. Zweiter erweiterter Zwischenspeicher (Advanced Smart Cache) 23
1.2.5 Das Netzteil (PSU = Power Supply Unit) Das Netzteil hat die Aufgabe den Computer mit verschiedenen Spannungen zu versorgen. Die neuen Netzteile können von 100V-240V (Primärseite) betrieben werden (Diese Information bitte aus dem jeweiligen Datenblatt entnehmen, da dies keine Norm ist) und liefern am Ausgang (Sekundärseite) 3,3V, 5V, 12V -12V und Ground (GND). Diese Spannungen werden dann auf eine Vielzahl von Steckern verteilt: Hier die Auflistung der einzelnen Stecker und ihrer Funktion bzw. ihren Einsatzbereich. 24
Der ATX20+4Pin Stecker Dieser Stecker wird zur Spannungversorgung des Mainboards benötigt. Dieser Stecker war bei älteren Mainboards ohne den 4Pin Zusatz, deswegen ist der Stecker so ausgelegt, das der Zusatzstecker auch weggelassen werden kann. Besitzt das Board einen den Großen ATX-Steckplatz, also mit dem 4Pin Zusatz, muss dieser auch angeschlossen werden. Um die Funktion eines Netzteils (PSU) zu testen gibt es einen einfachen Trick. Hierzu wird einfach eine Brücke von dem Grünen zu einem der Schwarzen Kabel gesetzt z.b. mit einer Büroklammer. Dann muss das Netzteil anlaufen und der Lüfter sich drehen. Hierzu gibt es auch diverse Adapter zu kaufen, die aber nicht notwendig sind. Nach dem Überbrücken können die einzelnen Spannungen mit einem Voltmeter (oder Multimeter) nachgemessen werden. Pinbelegung: 25
Der 4Pin CPU-Stecker (Neu 8Pin) Dieser Stecker versorgt den CPU und Graphikchip mit 12V Spannung. Ist dieser nicht angeschlossen liefert das System kein Bild. Die neueren Mainboards benötigen den 8Pin Stecker. Der 4Pin Molex-Stecker Dieser Stecker Versorgt Komponenten, wie das Laufwerk, Festplatten, Lüfter, Addon Karten usw. mit Spannung. Dieser Stecker kann mit diversen Adapter erweitert werden. 26
Dieser Stecker dient ebenfalls dazu um Komponenten wie Laufwerke und Festplatten mit Spannung zu versorgen. Diesen Anschluss haben manche ältere Komponenten noch nicht, da muss dann auf den Molex Stecker zurückgegriffen werden oder man nutzt einen Adapter. Der PCI Express Stromstecker 6pin Der PCI Stromstecker wird für externe Grafikkarten benötigt. Die neueren benötigen meist 2 dieser Stecker. Die High-End Modelle nutzend en 6+2 PCI Express Stromstecker. 27
Der PCI Express Stromstecker 6+2pin Dies ist der Nachfolger von dem PCI Express Stromstecker 6pin. Dieser wird ebenfalls für Grafikkarten benötigt. Zurzeit nutzen diesen Anschluss aber nur die High-End Modelle. 1.2.6 Die Festplatte (HDD = Hard Disk Drive) Die Festplatte dient als Hauptspeichermedium im Computer. Dort werden alle Daten, sowie das Betriebssystem gespeichert. Dies erfolgt durch magnetisieren der einzelnen Cluster auf der Scheibe. So entsteht ein Binärcode aus 1 und 0, welche der Computer als Daten erkennt und lesen und verarbeiten kann. Ein Computer besitzt meistens eine Systemfestplatte (C:/). Dort ist auch das Betriebssystem hinterlegt bzw. abgespeichert. Sind weitere Festplatten im Computer verbaut oder mehrere Partitionen auf einer Festplatte so werden diese Alphabetisch zugeordnet. Sind zum Beispiel 2 Festplatten verbaut, wird die Hauptfestplatte (mit dem Betriebssystem) mit dem Laufwerksbuchstaben C: und die nachfolgenden mit dem Laufwerksbuchstaben D: bezeichnet. 28
Eine weitere Festplatte wäre dann E: und so weiter. Hier werden auch Laufwerke wie CD, DVD und Blu-Ray-Laufwerke mit einbezogen. 1.2.6.1 Aufbau einer Festplatte: Eine Festplatte besteht aus folgenden Baugruppen: einer oder mehreren rotierbar gelagerten Scheiben (engl.: Platter, plural: Platters), einer Achse, auch Spindel genannt, auf der die Scheiben übereinander montiert sind, einem Elektromotor als Antrieb für die Scheibe(n), beweglichen Schreib-/Leseköpfen (Heads), jeweils einem Lager für Platter (meistens hydrodynamische Gleitlager) sowie für die Schreib- /Leseköpfe (auch Magnetlager), einem Antrieb für die Schreib-/Leseköpfe (engl.: Actuator, deutsch: Aktor), der Steuerelektronik für Motor- und Kopfsteuerung, einem DSP für Verwaltung, Bedienung des Interfaces, Steuerung der Schreib/Leseköpfe. Modulation und Demodulation der Signale der Schreiblese-Köpfe erfolgt dabei durch integrierte Spezialhardware und wird nicht direkt vom DSP durchgeführt. Benötigte Verarbeitungsleistung der Demodulation liegt im Bereich ~10 7 MIPS. DDR-RAM für Betriebssystem, Programm, temporäre Daten und Festplattencache. Üblich sind derzeit 2 bis 64 MB. der Schnittstelle zum Ansprechen der Festplatte von außen und einem stabilen Gehäuse Bilder zu den einzelnen Komponenten: Dieses Bild zeigt einen ausgebauten Lesekopf einer Festplatte. Dieser Kopf ist so geschichtet, das er alle Scheiben (Ober und Unterseite) erreichen kann. Hier ist der einzelne Lesekopf in Großaufnahme zu sehen. Diese beschreibt und liest von den Scheiben (Platter). 29
1.2.6.2 Kapazität: Als Kapazität wird die Speichergröße einer Festplatte bezeichnet. Zu beginn des Computerzeitalters waren das jedoch nur ein paar Megabytes, was heut zu Tage schon ein Bild hat. Um genau zu sein hatte die erste Festplatte, welche im Jahre 1956 auf den Markt kam nur 5 Megabyte (MB) speicher. Das entspricht ca. einem Song im MP3-Format. Heute sind bis zu 4 Terabyte einer einzelnen Festplatte möglich. Das entspricht dem 800 000-Fachen (im Vergleich einer HDD mit 5MB). Einzelne Stufen: Name (Symbol) Unterschie [G 1] Bedeutung d (gerundet) Kilobyte (kb) [G 2] 10 3 Byte = 1.000 Byte 2,40 % Megabyte (MB) 10 6 Byte = 1.000.000 Byte 4,86 % Gigabyte (GB) Terabyte (TB) Petabyte (PB) Exabyte (EB) Zettabyte (ZB) 10 9 Byte = 1.000.000.000 Byte 10 12 Byte = 1.000.000.000.000 Byte 10 15 Byte = 1.000.000.000.000.000 B yte 10 18 Byte = 1.000.000.000.000.000.0 00 Byte 10 21 Byte = 1.000.000.000.000.000.0 00.000 Byte 7,37 % 9,95 % 12,6 % 15,3 % 18,1 % IEC- Name (IEC- Symbol) Kibibyte [G 3] 2 (KiB) Bedeutung 10 Byte = 1.024 Byte Mebiby te (MiB) 220 Byte = 1.048.576 Byte Gibibyt e (GiB) Tebibyt e (TiB) Pebibyt e (PiB) Exbibyt e (EiB) Zebibyt e (ZiB) 2 30 Byte = 1.073.741.824 Byte 2 40 Byte = 1.099.511.627.776 Byte 2 50 Byte = 1.125.899.906.842.624 Byte 2 60 Byte = 1.152.921.504.606.846.976 Byte 2 70 Byte = 1.180.591.620.717.411.303.424 B yte Leider ist die Berechnung der Festplatte falsch. So kommt es auch, wenn man eine 1000GB Festplatte kauft, nur ca. 931GB nutzen kann. Das kommt daher, dass ein Kilobyte eben nicht aus 1000 Byte besteht sondern aus 1024. Durch diese Falsche Umrechnung kommen die fehlenden GB zustande. Leider wurde das bis heut noch nicht anerkannt und geändert. Schade darum! 30
1.2.6.3 Verschiedene Bauformen Auch die Festplatten sind in vielen Verschieden Bauformen (Baugrößen) erhältlich. Die benötigte Größe wird durch den Verwendungszweck bestimmt. 1,8 (Zoll) Diese Baugrößen werden vor allem in kleinen Mobilen Geräten verbaut, wie Netbooks oder auch im IPod. Da diese Festplatten jedoch viel zu Stoßempfindlich sind, wurden sie in den letzten Jahren durch Flashspeicher (z.b. Solid State Disks) ausgetauscht. Bei dieser Bauform sind bis zu 320GB möglich (Stand: 2011). 2,5 (Zoll) Diese Festplatten werden in jedem Notebook verwendet. Sie finden sich auch in Geräten wie Spiele-Konsolen (PlayStation 3) oder in Festplatten-Receiver. Bei dieser Bauform sind bis zu 1,5TB möglich (Stand: 2011) 3,5 (Zoll) Diese Größe findet man in den meisten Desktop Computer und vor allem in Server, da Sie bis zu 4TB Speichergröße bieten (Stand:2011). 5,25 (Zoll) Diese Bauform wird seit 1998 nicht mehr Verkauft. Diese stammt noch aus den Anfängen des Computerzeitalters. Man kann die Größe mit einem Einbau-CD Laufwerk vergleichen, diese werden auch in einen 5,25 Schacht verbaut. Die maximale Kapazität bei dieser Baugröße war 47GB, was zu dieser Zeit eine riesen Menge an Platz war! Für einen normalen Menschen waren diese Festplatten damals unerschwinglich. 31
1.2.6.4 Solid-State Disk (SSD) Die SSD ist der Nachfolger der herkömmlichen Festplatte. Diese Technik basiert auf einen Flashspeicher, wie zum Beispiel ein USB- Stick. Hier werden die Daten mit Hilfe von Milliarden kleinen Transistoren gespeichert. Das Prinzip bleibt gleich. Ein geschlossener bzw. leitender Transistor ist eine logische 0 und ein offener, nicht leitender, Transistor eine logische 1. Diese Technik hat den großen Vorteil auf bewegliche Teile verzichten zu können, was den Verschleiß verringert und die Lebensdauer deutlich steigert. Ebenso sinkt auch der Strombedarf und SSD sind komplett lautlos und extrem Stoß unempfindlich. Diese Festpklattentechnik ermöglicht auch deutlich höhere Datenraten im Lesen sowie im Schreiben. Diese SSD waren vor ein paar Jahren noch kaum zu bezahlen, doch von Jahr zu Jahr wird diese Technik weitschichtiger genutzt und es kommt in immer mehr System zum Einsatz, was natürlich den Preis senkt. In ein paar Jahren schon wird die SSD die herkömmliche Festplatte komplett abgelöst haben. Aufbau: Dieses Bild zeigt den Vereinfachten Aufbau der Samsung M 830 SSD, welche auch oben als Bild abgebildet ist. 32
Bauformen: Die SSD ist in der Bauform 1,8, 2,5 und als 3,5 erhältlich. Es gibt auch SSD-PCIe Karten, welche vor allem in der Industrie zu finden sind. Da kostet eine 3,2TB SSD-PCIe Karte schon mal 17 000. 1.2.7 BIOS Das BIOS (Basic Input/Output System) ist das Grundprogramm eines jedes Computers. Hier können diverse Einstellungen des Mainboards angepasst und verändert werden. ACHTUNG! Das BIOS ist kein Spielzeug, welches man nach Belieben ändern kann. Eine Falsche Einstellung im BIOS kann zu defekt bzw. zum nicht mehr gebrauchen des Mainboards führen. Deswegen sollten die Einstellungen im BIOS nicht verändert werden und falls doch, dann nur von einen Fachmann, welcher Erfahrung und Ahnung im Umgang mit dem BIOS hat. 33
Das BIOS steuert auch die Taktfrequenz der CPU. Hier ist es auch möglich diese zu ändern um ein Übertakten der CPU herbeizuführen. Dies kann auf lang oder kurz zur Beschädigung und Zerstörung der CPU und des Boards führen! Ein hilfreiches Feature des BIOS ist der Hardware-Monitor. Hier wird aktueller Takt, Core-Spannung, Lüfterspannung, RPM (Drehzahl) des Lüfters, welche auch verändert werden kann, uvm. Das BIOS ist für einen, der weiß wie man es bedient, ein wertvolles Feature um den Computer mit diversen Einstellungen zu verbessern. 1.2.8 Die Peripherie Als Peripherie wird in der Computer Sprache alles bezeichnet, was extern an den PC angeschlossen werden kann. Hierzu zählen zum Beispiel Drucker, Bildschirm, Maus, Tastatur usw. Ich liste hier ein Paar dieser Geräte und erkläre dessen Funktion. 1.2.8.1 Der Bildschirm (Monitor) Was natürlich bei einem Computer nicht fehlen darf ist der Monitor (Bildschirm). Dieser wird zu Grafischen Darstellung des Computers gebraucht. Hier gibt es verschiedene Bauformen bzw. Techniken. 1.2.8.1.1 Der Röhrenmonitor (Kathodenstrahlröhrenbildschirm): weniger Stromaufnahme, schafft. Viele von euch werden sich wohl noch gut an diesen alten Platzfresser erinnern. Dies war die erste Technik, welche es ermöglichte eine Grafische Darstellung des Computers auszugeben. Die ersten Modelle waren nur Schwarz/Weiß (SW) fähig. Zur späteren Zeit kamen auch Farbmodelle auf den Markt. Diese wurden über einen analogen Displayport (VGA) am Rechner angeschlossen. Heut zu Tage werden diese Geräte nicht mehr Verkauft (außer Private Altlasten), da das Nachfolgermodell einfach Platzsparender ist und ein besseres Bild, bei 34
1.2.8.1.2 Der TFT (LCD) Monitor: Der LCD (Light Crystal Display) ist der Nachfolger vom Röhrenmonitor und die erste Technik, welche eine Hochauflösende Darstellung (HD, Full HD) ermöglichte. Diese Modelle verfügen meist über alle gängigen Displayschnittstellen, wie VGA (Alt), DVI und HDMI. Es gibt teilweise auch Modelle mit einem integrierten TV Tuner, welcher eine Nutzung als TV ermöglicht (Receiver meist benötigt). 1.2.8.1.3 Der TFT (LED) Monitor: Der LED Monitor nutzt ebenfalls ein LCD-Panel zur Bilddarstellung. Der einzige Unterschied zu seinem Vorgängermodell liegt bei der Hintergrundbeleuchten, welche hier, wie der Name schon sagt, aus LED (Light Emetting Diode). Dies ermöglicht eine extrem flache Bauweise (1,7cm Dicke) und verringert den Stromverbrauch auf ca. 50Watt (Modellabhängig). 1.2.8.1.4 Der OLED Monitor: Der OLED Monitor besteht aus eine ganz dünnen und flexiblen Folie. Diese Technik wird heut zu Tage schon bei den Smartphones genutzt. Diese Technik bietet den höchsten Kontrast und die schärfeste Farbendarstellung. Ein weiterer wichtiger Punkt ist der extrem geringe Stromverbrauch, welcher für den Mobile Einsatz entscheidend ist. Es gibt auch schon die ersten OLED Monitore bzw. Fernseher, welche aber aktuell noch unbezahlbar sind. Dies wird aber auf kurz oder lang das LED/LCD Modell ablösen. 35
1.2.9 Eingabegeräte/Ausgabegeräte Die Eingabegeräte, wie Maus, Tastatur oder Touchscreen, werden dazu benötigt um dem Rechner Befehle mitzuteilen, was dieser zu tun hat. In der Fachsprache nennt man das auch Input (Eingabe). 2. Software Nun solltet Ihr einen guten Einblick in den Hardwaretechnischen Aufbau eines Computers erhalte haben. Dies ist aber nur die Hälfte, denn kein PC funktioniert ohne Software. Wir beginnen mal mit dem Betriebssystem, welches jeder kennen sollte. 2.1 Das Betriebssystem (OS = Operating System) Das Betriebssystem bildet die Optische Einheit des Computers bzw. die Bedienoberfläche, mit welcher der User (Benutzer) den Computer, mit Hilfe zahlreicher Anwendungen (Programmen) steuern kann. Das war nicht immer so leicht und übersichtlich, wie mit den aktuellen Betriebssystemen wie MAC OS oder Windows 7. Ich werde euch die einzelnen Betriebssysteme ein bisschen deutlicher erklären. Die folgenden Informationen sind Auszüge aus Wikipedia.de und sind rechtlich zur Verbreitung freigegeben. 36