Alle SbX-Inhalte zu dieser Lerneinheit findest du unter der ID: 6605. Lerneinheit 2 Zentraleinheit In dieser Lerneinheit lernen wir die verschiedenen Arten von Computersystemen und die Bestandteile von Personal Computern kennen. Wir erfahren, wie ein Prozessor arbeitet und welche Aufgaben ein Mainboard mit seinen Bestandteilen übernimmt. In dieser Lerneinheit beschäftigen wir uns mit Bauformen von Computern, Bestandteilen der Zentraleinheit, Mainboard, Prozessor, Chipset und Front Side Bus, Arbeitsspeicher und persistenten Speichern, verschiedenen Stufen von Caches sowie mit unterschiedlichen Formen von Datenbussen im PC. Lernen PDA Personal Digital Assistant 1 Arten von Computersystemen Vom PDA bis zum Großrechner Heute sind zahlreiche Arten von Computersystemen am Markt erhältlich. Das Angebot reicht vom kleinen PDA, mit dem wir unsere Adressen und Termine verwalten können, über Desktop- PCs, Notebooks, Server für kleine und große Netzwerke bis hin zu leistungsfähigen Großrechnern bzw. Supercomputern. Als Mainframe werden extrem leistungsfähige Großrechner bezeichnet. Leistung Entry-Level- Server Mid-Range- Server Mainframe Notebook Desktop-PC PDA Abb.: Arten von Computersystemen nach Leistung und Preis Preis Als Clones wurden in den 1980er Jahren IBM-kompatible PCs von Drittherstellern, wie z.b. Compaq, bezeichnet. Wir konzentrieren uns auf jene Geräte, die derzeit den größten Marktanteil haben: Computer auf Basis des 1981 von IBM entwickelten PCs. Bis dahin gab es keine Standards im Bereich der Hard- und Software. Jeder Computer hatte sein eigenes Betriebssystem. Programme waren auf anderen Systemen nicht lauffähig. Der enorme Erfolg des PCs beruhte vor allem darauf, dass IBM Nachbaulizenzen an Dritthersteller, wie z.b. Compaq, vergab. In der Folge entbrannte ein enormer Wettbewerb zwischen IBM und den Clones. Wirtschaftsinformatik Basic 15
Lernen Üben Sichern Wissen Der IBM-PC 1981: Intel 8088 Prozessor 4,77 MHz Taktfrequenz 16 kb Hauptspeicher 5,25-Zoll-Floppy Speicherkapazität 160 kb Betriebssystem: IBM PC-DOS 1.0 Preis: 1.565, USD L 1: Abb.: IBM-PC aus dem Jahr 1981 Die Geschichte des Personal Computers 1981 stellte IBM mit dem Personal Computer (PC) ein revolutionäres Konzept vor. Erstmals war es möglich, einen PC durch Steckkarten (auch von Drittanbietern) zu erweitern. Außerdem vergab IBM Lizenzen an andere Hersteller, die ebenfalls PCs produzierten und unter dem Logo IBM-kompatibel verkauften. Das Betriebssystem lieferte eine bis dahin wenig bekannte und kleine Softwarefirma: Microsoft. Microsoft lizenzierte MS-DOS für alle Produzenten IBM-kompatibler PCs, sodass MS-DOS bald zum Marktführer bei Betriebssystemen avancierte. Die Mitbewerber von IBM unterschätzten anfangs das Marktpotenzial des PCs. Wie reagierten eigentlich die Mitbewerber von IBM anlässlich der Markteinführung des PCs? ren Computer in diesem Segment vom Markt verdrängen Dass der PC innerhalb kürzester Zeit praktisch alle ande- würde, konnten Anfang der 1980er viele noch nicht ahnen. John Roach, Präsident der Firma Tandy, damals ein bekannter Computerhersteller, meinte zur Vorstellung des IBM-PCs: I don t think it s that significant. Sehen wir uns nun an, aus welchen Teilen ein PC heute besteht. Wir werden schnell feststellen, dass sich gegenüber den 1980ern einiges verändert hat. 2 Bestandteile eines PCs Die Teile eines Multimedia-Desktops Monitor Zentraleinheit Lautsprecher Tastatur Abb.: Bestandteile eines Multimedia-Desktops Maus Jeder PC bietet heute Anschlussmöglichkeiten für diverse Zusatzgeräte, wie z.b. für Speichermedien, CD- und DVD-Laufwerke, Videokameras, Fotoapparate, Drucker, Netzwerkkomponenten, Internet usw. Auch wer seinen PC immer bei sich haben möchte, kann aus verschiedenen Angeboten auswählen. 16 Wirtschaftsinformatik Basic
Der Suspend schaltet den PC automatisch ab, wenn er nicht benutzt wird, und ermöglicht das rasche Weiterarbeiten, wenn der Benutzer eine beliebige Taste drückt. Notebook Tablet-PCs Abb.: Varianten mobiler Personal Computer PDAs Mobile Geräte stehen den Desktops in puncto Leistungsfähigkeit keineswegs nach. Die Herausforderung bei der Entwicklung besteht vor allem im Erzielen einer möglichst langen Akkulaufzeit. Neben Stromsparfunktionen (Suspend- Modi) werden Notebooks mit speziellen Mobilvarianten von Mikroprozessoren ausgestattet, die sich auch während des Betriebes abschalten können, wenn nicht die volle Rechenleistung benötigt wird. Durch ihre geringere Leistungsaufnahme entwickeln sie weniger Hitze und benötigen weniger Strom. Welche Vorteile bietet ein Desktop- PC gegenüber einem Notebook? Welche Vorteile bietet ein Notebook gegenüber einem Desktop-PC? Der Desktop-PC kann leicht mittels Steckkarten oder Festplatten erweitert werden. Außerdem sind Zentraleinheit und Monitor getrennt, sodass man bei einem PC-Neukauf den Monitor weiterverwenden kann. Mit einem Notebook kann man überall arbeiten. Die Stromversorgung erfolgt über einen Akku, der auch gegen Stromausfall schützt. Wagen wir nun einen ersten Blick unter die Haube. Aus welchen Bestandteilen setzt sich die Zentraleinheit zusammen? 3 Bestandteile der Zentraleinheit Wir machen einen Blick unter die Haube des Desktops DVD-RW Festplatte Prozessor mit Kühler Netzteil Mainboard Speichersockel Abb.: Bestandteile der Zentraleinheit eines Desktop-PCs Wirtschaftsinformatik Basic 17
Lernen Üben Sichern Wissen Bestandteile der Zentraleinheit Andere Begriffe für Mainboard sind Motherboard und Hauptplatine. 1 Das Mainboard enthält Prozessor-Sockel, Chipset, Steckplätze für Hauptspeicher und für Erweiterungskarten sowie I-/O-Schnittstellen für Ein- und Ausgabegeräte. Das Mainboard ist eine Platine, die mit zahlreichen hochintegrierten Schaltkreisen bestückt ist. Es enthält Anschlussmöglichkeiten (Schnittstellen) für Tastatur, Maus, USB-Geräte, Lautsprecher, Netzwerkkabel, Monitor usw. Erweiterungskarten können in freie Steckplätze (z.b. PCI oder PCI-Express) eingebaut werden. Das Mainboard und seine Aufgaben besprechen wir gleich näher. 2 Über Flachbandkabel werden die Massenspeicher an einen Controller am Mainboard angeschlossen. Das Mainboard enthält Anschlüsse für Massenspeicher wie Festplatten, CD- oder DVD-Laufwerke sowie Controller für diese Geräte. Das Netzteil versorgt alle Bauteile des PCs mit Strom. 3 Alle Geräte der Zentraleinheit werden mit Strom aus dem Netzteil versorgt. Alle Teile des PCs befinden sich in einem Gehäuse, das mit einem Netzteil ausgerüstet ist und den Strom aus der Steckdose in eine Wechselspannung von 5 V und 12 V umwandelt. Die Leistungsfähigkeit des Netzteils wird in Watt angegeben und muss größer als die Gesamtleistung aller angeschlossenen Komponenten des PCs sein. Abb.: PC-Netzteil Ü 1: Öffnen wir unseren PC, indem wir die Abdeckung abnehmen. Nun suchen wir die oben beschriebenen Teile und benennen sie richtig. Ü 2: Welche Teile benötigen wir, wenn wir einen PC selbst zusammenstellen wollen? Erstelle eine Einkaufsliste. Sehen wir uns nun das Mainboard etwas genauer an. Es nimmt Teile wie den Mikroprozessor oder den Speicher auf und ist ein wichtiger Bestandteil der Zentraleinheit. 4 Mainboard Die Hauptplatine ist die Basis für jeden Computer Jumper, BIOS und Chipset Die Konfiguration des Mainboards erfolgt über Jumper und das BIOS. 1 Die Konfiguration des Mainboards erfolgt über Jumper (Steckkontakte). Abb.: Jumper Wenn wir eine Aufrüstung unseres PCs vornehmen oder selbst einen PC zusammenbauen, so müssen wir die richtigen Einstellungen gemäß der Mainboard-Beschreibung über Jumper durchführen. Eine falsche Konfiguration der Einstellungen kann Hardwareschäden, z.b. an Prozessor oder Speicher, verursachen! 18 Wirtschaftsinformatik Basic
BIOS Basic Input Output System 2 Das BIOS ist die Betriebssoftware des Mainboards und startet das Betriebssystem des PCs. Drücken wir gleich nach dem Einschalten des PCs die Taste Entf bzw. F10 (herstellerabhängig), so gelangen wird in das Setup des Mainboards das sogenannte BIOS. I-/O-Schnittstellen Mikroprozessor mit Kühler Steckplätze Das Chipset besteht aus North- und Southbridge. Die Northbridge befindet sich näher am Prozessor als die Southbridge. Chipset Abb.: Mainboard und seine wichtigsten Bestandteile Speicher- Steckplätze AMD hat beim Athlon 64 einen Teil der Northbridge bereits im Prozessor integriert. 3 Das Chipset steuert die Datenströme zwischen Prozessor, Hauptspeicher und Grafikkarte (Northbridge) und den Steckplätzen für Peripheriegeräte (Southbridge). Abb.: Chipset Front Side Bus Serial-ATA I/O USB Ethernet Prozessor Southbridge Northbridge PCI/PCIe Speicher Grafikkarte Steckplätze Das Chipset verbindet den Prozessor mit den restlichen Teilen eines PCs. Die Northbridge stellt eine besonders schnelle Verbindung zu Grafikkarte und Hauptspeicher her. Die Southbridge ist für die Verbindung zu anderen Geräten, wie Festplatte, USB und Steckkarten, zuständig. AMD ging beim Athlon 64 erstmals dazu über, die Speicheranbindung der Northbridge direkt in den Prozessor zu integrieren. Wovon hängt die Wahl des richtigen Mainboards ab? Für jeden Prozessortyp gibt es spezielle Mainboards, da der Prozessor und das Chipset eine Einheit bilden. Sehen wir uns nun das Herz eines Computers, den Prozessor, genauer an. Er ist in der Regel der teuerste Teil in einem PC und verdient daher entsprechend viel Aufmerksamkeit. Wirtschaftsinformatik Basic 19
Lernen Üben Sichern Wissen 5 Mikroprozessor Der Prozessor ist das Herz eines Computers CPU bedeutet Central Processing Unit und ist der englische Fachbegriff für Mikroprozessor. Die wichtigsten Hersteller für PC-Mikroprozessoren sind Intel (z.b. Pentium-Prozessor) und AMD (z.b. Athlon-Prozessor). Hergestellt werden Prozessoren in Reinräumen, also in partikelfreier Umgebung, auf sogenannten Wafern. Ein Wafer enthält Cores (Kerne) für mehrere Prozessoren. Die Produktion von Mikroprozessoren erfolgt in staubfreier Umgebung. Das Bild zeigt die Produktionsumgebung bei Intel. Prozessor mit Kühlkörper Wafer Core Abb.: Wafer und Prozessor-Cores Die Architektur eines Prozessors wurde von dem Mathematiker und Physiker John von Neumann im Jahr 1945 erstmals beschrieben. Nach ihr ist auch heute noch jeder Prozessor aufgebaut. Aufbau eines Mikroprozessors ALU Arithmetic Logical Unit (Rechenwerk) XOR bedeutet entweder...oder. OR ist eine Kombination aus XOR und AND. NOT dreht alle Bits in ihr Gegenteil um. Intel-kompatibel bedeutet, dass der Prozessor die x86-maschinensprache benutzt, die heute z.b. von Windows oder Linux unterstützt wird. 1 Das Rechenwerk (ALU) ist für arithmetische und logische Funktionen zuständig. Die arithmetische Einheit des Rechenwerks kann z.b. zwei Binärzahlen addieren. Durch wiederholtes Addieren in einer Schleife wird eine Multiplikation ausgeführt: z.b. 2 * 5 = 2 + 2 + 2 + 2 + 2 Eine häufig benutzte logische Operation ist die AND-Operation (logisches Und): z.b. 1010 AND 1100 = 1000. Nur wenn beide Bits 1 sind, ist das Ergebnis der Operation 1, sonst 0. Weitere logische Operationen sind OR, XOR und NOT. 2 Das Steuerwerk führt Befehle in Maschinensprache aus. Jeder Prozessor kennt seine eigene Maschinensprache. Wir unterscheiden bei der Befehlsverarbeitung zwei grundsätzlich verschiedene Code-Sets: CISC (Complex Instruction Set Code) verwendet eine große Zahl an fix im Prozessor gespeicherten Befehlen. PC-Prozessoren wie Intel Pentium 4 oder AMD Athlon 64 sind CISC- Prozessoren. RISC (Reduced Instruction Set Code) benutzt eine sehr kleine Zahl an fixen Prozessorbefehlen, die dafür aber sehr schnell abgearbeitet werden können. Vorteile sind u.a. kurze Entwicklungszyklen durch den einfacheren Aufbau und günstigere Produktionskosten. RISC-Prozessoren werden z.b. von Apple (IBM-PowerPC siehe Bild) oder Sun (Sun Sparc) verwendet. Abb.: IBM-PowerPC 20 Wirtschaftsinformatik Basic
Cache ist ein sehr schneller Zwischenspeicher, der Speicherzugriffe beschleunigt. 3 Register sind kleine, extrem schnelle Speichereinheiten für Zwischenergebnisse, wie z.b. von Rechenoperationen. Zur Erhöhung der Rechengeschwindigkeit werden Prozessoren mit Caches und zusätzlichen Fließkommarechenwerken ausgestattet. Zur effizienteren Bearbeitung von Befehlen wird das Pipelining verwendet. Die Taktfrequenz gibt den Rhythmus der Verarbeitung in MHz oder GHz an. Pipelining ermöglicht die Parallelverarbeitung von Befehlen. Die Geschwindigkeit eines Prozessors ist nicht nur von der Taktfrequenz abhängig. ALU Arithmetic Logical Unit Peripherie-Bus János Neumann alias John von Neumann, geboren 1903 in Budapest, gestorben 1957 in Washington, war der Begründer des Von- Neumann-Rechnermodells. Steuerwerk Prozessor Register Abb.: Von-Neumann-Rechnermodell RAM ROM Der von Intel entwickelte 8086-Mikroprozessor war der Urgroßvater aller Personal-Computer- Prozessoren und verwendete erstmals den x86-befehlssatz. Folgende Architekturen haben sich im Lauf der Zeit entwickelt: Architektur eines Mikroprozessors Der Intel-Pentium-4- Prescott-Die fasst 125 Mio. Transistoren. Die Gatelänge eines Transistors beträgt 90 Nanometer. x86-kompatible 64-Bit-Prozessoren sind z.b. Athlon 64 und Opteron von AMD bzw. Pentium 4 (Prescott) und Xeon (Potomac) von Intel. 1 16-Bit-Architektur 1978 stellt Intel die 8086- und 8088-Prozessoren für den IBM-PC vor. Gemeinsam mit dem etwas später entwickelten 80286 verfügen diese Prozessoren über einen 16-Bit-x86-Befehlssatz. Die Zeit der 8-Bit-Prozessoren geht damit zu Ende. 2 32-Bit-Architektur 1985 kommt der Intel 80386-Prozessor auf den Markt. Er begründet eine neue Ära, die bis zum Pentium 4 andauert. Der ia32-befehlssatz erweitert den x86-befehlssatz der 16-Bit- Architektur und ist vollständig abwärtskompatibel. 3 64-Bit-Architektur 2003 beginnt für x86 das dritte Zeitalter. AMD bringt einen zu x86 kompatiblen 64-Bit- Befehlssatz mit dem Namen AMD64 im Athlon-64-Prozessor auf den Markt. Intel muss wenig später den Erfolg von AMD anerkennen und mit dem EM64T-Befehlssatz nachziehen. Der von Intel favorisierte ia64-befehlssatz für die Itanium-Prozessoren kann sich mangels Kompatibilität zu x86 gegen AMD nicht durchsetzen. Der neue Befehlssatz AMD64/ EM64T wird von Linux und Windows XP Professional x64 Edition unterstützt. Eine breite Akzeptanz von x64 wird mit der Markteinführung von Windows Vista erwartet. Welche Prozessoren werden in Notebooks verwendet? Bei Notebooks werden zur Erzielung möglichst langer Akkulaufzeiten stromsparende Mobilprozessoren benutzt. Wirtschaftsinformatik Basic 21
Lernen Üben Sichern Wissen Stimmt es, dass die Geschwindigkeit eines Prozessors nur von der Taktfrequenz abhängt? Nein, das stimmt nicht. Die Taktfrequenz ist nur ein Faktor, der für die Rechenleistung eines Prozessors ausschlaggebend ist. Andere Faktoren sind Architektur (16 bit, 32 bit, 64 bit), Code-Set (CISC, RISC), Größe der Caches, Anzahl der Cores usw. Was bedeutet Dual-Core? Core steht für den Prozessorkern. Dual-Core bedeutet, dass in einem Prozessor zwei Kerne enthalten sind. Dadurch kann bei gleicher Taktfrequenz die Leistung eines Prozessors weiter gesteigert werden. Theoretisch ist die Vervielfachung der Kerne noch weiter steigerbar (Multi-Core). Wir wissen nun, dass der Prozessor ein sehr wichtiger Bestandteil des Computers ist. Zuvor haben wir schon gesehen, dass der Prozessor mit dem Chipset eng verbunden ist. Doch wie funktioniert die Anbindung des Prozessors an das Chipset? 6 Front Side Bus Der Datenhighway zum Prozessor FSB Front Side Bus Wie wir beim Mainboard schon gesehen haben, wird der Prozessor an die Northbridge des Chipsets angebunden. Diese Anbindung erfolgt über den Front Side Bus: Der AMD Athlon 64 hat keinen FSB mehr, da die Northbridge mit dem Speichercontroller im Prozessor integriert ist. Front Side Bus Northbridge Prozessor DDR bei AMD QDR bei Intel ODR bei 8xAGP Speicher Grafikkarte PCI-Express Abb.: Schematische Darstellung des Zusammenspiels von Prozessor und Chipset über den Front Side Bus Front Side Bus und Prozessor 1 Der Front Side Bus (FSB) verbindet den Prozessor mit der Northbridge. Die Taktfrequenz des Prozessors ist von jener des Front Side Bus abhängig und beträgt immer ein Vielfaches der Taktfrequenz des FSB. Quadruple Data Rate (QDR) überträgt vier Datenpakete je Takt. Double Data Rate (DDR) überträgt zwei Datenpakete je Takt. 2 Die Art der Datenübertragung am Front Side Bus ist vom Prozessor abhängig. Der Front Side Bus ist in der Lage, mehrere Datenpakete während eines Taktzyklus zu übertragen. Intel-Prozessoren wie der Pentium 4 benutzen QDR. Bei einer FSB-Taktfrequenz von 200 MHz werden hierbei vier Datenpakete je Takt zur Northbridge übertragen. AMD setzt für die Athlon-Prozessoren DDR ein. Bei einem 200-MHz-FSB werden je Taktrate zwei Datenpakete übertragen. 22 Wirtschaftsinformatik Basic
Datenraten: Single Data Rate Double Data Rate Quadruple Data Rate Octal Data Rate 3 Der Front Side Bus ist eine Hochgeschwindigkeitsverbindung zur Anbindung des Speichers und der Grafikkarte an den Prozessor. Front Side Bus Die Datenrate gibt an, wie viele Datenpakete je Taktzyklus über den Front Side Bus übertragen werden. Wir unterscheiden die Datenraten SDR, DDR, QDR und ODR. Grafikkarte und Speicher sind über den FSB an die Northbridge angeschlossen. Northbridge Southbridge Abb.: 915G-Chipset für Pentium 4 Prozessor (Quelle: Intel) Die Southbridge verwaltet Geräte mit niedrigerer Datentransferleistung, wie z.b. Audio, USB, Festplatten (Serial-ATA) und Netzwerkkarte. Beachte Prozessor, Northbridge und Southbridge bilden gemeinsam das Chipset. L 2: Der Intel-Pentium-4-(Prescott-)Prozessor ist mit 133- und 200-MHz-FSB erhältlich. Welche Prozessor-Taktfrequenzen sind möglich? Prozessor-Taktfrequenzen mit 133-MHz-FSB: 2,26 GHz (17x), 2,4 GHz (18x), 2,8 GHz (21x), 2,93 GHz (22x). Prozessor-Taktfrequenz mit 200-MHz-FSB: 2,8 GHz (14x), 3 GHz (15x), 3,2 GHz (16x), 3,4 GHz (17x), 3,6 GHz (18x), 3,8 GHz (19x). Ü 3: In einem Datenblatt ist zu lesen: PC mit Intel-Pentium-4-Prozessor, 3,2 GHz, FSB 800. Welche Taktfrequenz hat der Front Side Bus tatsächlich? In einem Datenblatt habe ich von einem 800- MHz-FSB bei einem Intel Pentium 4 gelesen. Kann das stimmen? Auf Datenblättern wird gerne etwas übertrieben. Tatsächlich ist damit ein 200-MHz-FSB mit QDR gemeint, denn 200 MHz * 4 = 800 MHz. Der AGP (Accelerated Graphics Port) ist ein Hochgeschwindigkeits- Bussystem, mit dem Grafikkarten mit der Northbridge verbunden werden. Wo kommen die Datenraten zum Einsatz? Die verschiedenen Datenraten SDR, DDR, QDR und ODR kommen z.b. bei AGP-Grafikkarten zum Einsatz. Hier gibt es je nach Datenrate die Modelle 1xAGP, 2xAGP, 4xAGP und 8xAGP. AGP gilt aber bereits als veraltet. Heute werden PCI-Express-Grafikkarten eingesetzt. Die Bezeichnung x16 bei PCI-Express steht übrigens für die Anzahl der Datenleitungen und nicht wie bei AGP für die Datenrate. Eine Linkliste zu zur Zentraleinheit findest du unter Wir haben gesehen, dass die Northbridge den Speicher und die Grafikkarte an den Prozessor anbindet. Nun wollen wir uns mit dem Speicher genauer beschäftigen. Wirtschaftsinformatik Basic 23
Lernen Üben Sichern Wissen 7 Speicher Die große Schreibtischlade für den Prozessor Der Prozessor hat mit seinen Registern nur ein sehr begrenztes Speichervolumen. Ein Computer benötigt daher einen vom Prozessor getrennten Arbeitsspeicher. RAM Random Access Memory ROM Read Only Memory Arbeitsspeicher (Hauptspeicher) Abb.: RAM und ROM am Beispiel des Personal Computers Basic Input Output System (BIOS) Speicherarten Als Refresh wird das ständige Versorgen des RAM mit Strom bezeichnet. BIOS Basic Input Output System Speicherkosten in Euro pro MiB Arbeitsspeicher 1973: 75.000 1977: 5.000 1981: 400 1984: 130 1987: 20 1990: 7 1995: 3 2001: 0,08 2005: 0,03 (Computer Bild 21/05) 1 Der Hauptspeicher (RAM) wird als schneller Arbeitsspeicher für den Prozessor verwendet. Eine Speicherstelle kann vom Prozessor direkt adressiert werden. Abb.: 1 GB RAM-Speichermodul Im RAM werden Programme und Daten während der Arbeit mit dem PC abgelegt und laufend verändert. Diese Form des Speichers benötigt eine ständige Stromversorgung, um Daten halten zu können. 2 Persistente Speicher (ROM) benötigen keine Stromversorgung zur Datenhaltung. Der Zugriff auf die Daten erfolgt blockweise. Beim Mainboard haben wir gesehen, dass zum Betrieb des PCs eine Betriebssoftware (BIOS) erforderlich ist, die den Start des Betriebssystems bewirkt. Das BIOS wird aus einem a) ROM (Read Only Memory), b) EPROM (Eraseable Programmable Read Only Memory) oder c) EEPROM (Electrically Eraseable Programmable Read Only Memory) geladen. Bei den ROM-Speichern handelt es sich generell um persistente Speicher, die Daten auch ohne Stromversorgung halten. Im Gegensatz zum RAM kann aber der Inhalt des Speichers nicht direkt adressiert, sondern nur blockweise gelesen werden. Deshalb ist der Zugriff deutlich langsamer als beim RAM. L 3: Der Gegenwert für 1 MiB Arbeitsspeicher betrug im Jahr 1973 ein Haus, im Jahr 1984 ein Fahrrad, im Jahr 1990 ein Brathuhn und im Jahr 2005 ein Gummibärchen. L 4: EEPROMs werden unter dem Namen Flash-Speicher bei Memory-Sticks und Speicherkarten für Digitalkameras (z.b. Compact-Flash) verbreitet eingesetzt. 24 Wirtschaftsinformatik Basic
Wie groß ist der Arbeitsspeicher eines PCs? Auf Seite 16 ist ein IBM-PC aus dem Jahr 1981 mit seinen technischen Daten abgebildet. Damals hatte ein PC 16 KiB Arbeitsspeicher. Moderne Geräte haben einen Arbeitsspeicher von 1 GiB oder mehr. Um Speicherzugriffe zu beschleunigen, werden sehr schnelle Speicherbausteine als Pufferspeicher eingesetzt. Wo wir diese schnellen Pufferspeicher in unserem PC finden, verrät uns der nächste Abschnitt. Die Funktionsweise eines Caches beruht auf der Lokalitätseigenschaft: die Wahrscheinlichkeit, dass Daten nach einem Zugriff erneut benötigt werden, ist umso größer, je kürzer der letzte Zugriff auf diese Daten zurückliegt. 8 Cache Der flinke Pufferspeicher Der Begriff Cache (gesprochen Kä:sch ) bezeichnet einen Puffer, einen schnellen Zwischenspeicher. Er beschleunigt den Zugriff auf Daten, indem diese im Cache abgelegt und gesucht werden. Level-1-Cache Level-2-Cache Festplatte Festplatten-Cache Prozessor Level-3-Cache Abb.: Die verschiedenen Cache-Levels in einem PC RAM Die (gesprochen Dei ) bezeichnet den Prozessorkern. Liegt der Cache on-die, so ist er im Prozessor integriert. Cache-Typen 1 Der Level-1-Cache ist Teil des Prozessorkerns und speichert Adressen, Befehle und Zwischenergebnisse. Der L1-Cache ist relativ klein. Ein Intel-P4-Prescott-Prozessor hat z.b. 16 KiB L1-Cache, ein P4-Northwood hat 8 KiB und ein AMD-Athlon-64-San-Diego 128 KiB. 2 Der Level-2-Cache puffert größere Datenbestände oder Programmabschnitte. In modernen Prozessoren ist auch der L2-Cache im Prozessor integriert. Er wird mit der vollen Prozessortaktrate angesteuert. Der L2-Cache beträgt im Intel-Pentium-4-Prescott 1 MiB, im Pentium-4-Northwood 512 KiB und im AMD-Athlon-64-San-Diego 1 MiB. 3 Der Level-3-Cache ermöglicht eine Beschleunigung von Speicherzugriffen. Liegen L1- und L2-Cache on-die, so kann die Geschwindigkeit für Speicherzugriffe durch einen am Mainboard integrierten L3-Cache weiter gesteigert werden. 4 Ein Festplatten-Cache ist in der Festplatte eingebaut und beschleunigt deren Datenzugriff. Moderne Festplatten besitzen einen Cachespeicher mit einer Größe zwischen 1 MiB und 8 MiB. Dadurch können öfter benötigte Daten direkt aus dem Cache gelesen und Plattenlesezugriffe reduziert werden. Wirtschaftsinformatik Basic 25
Lernen Üben Sichern Wissen Warum macht man den Cache im Prozessor nicht noch viel größer, um die Geschwindigkeit weiter zu steigern? Da gibt es zwei Probleme: Erstens kostet der Cache im Prozessorkern Platz und damit Geld. Zweitens sinkt die Effizienz des Caches mit seiner Größe, denn die zwischengespeicherten Daten müssen im Cache gesucht werden und das kostet Rechenzeit. Der durchschlagende Erfolg des IBM-PCs in den 1980er Jahren wurde durch eine Technologie ermöglicht, die damals absolut herausragend war. Über einen standardisierten Datenbus konnte der PC mit Steckkarten verschiedener Hersteller erweitert werden. 9 Datenbus Ein PC kann jederzeit erweitert werden Der Datenbus verbindet das Chipset und den Prozessor mit Peripheriegeräten, wie z.b. Netzwerkkarte, Soundkarte oder Festplatten. Dem standardisierten Datenbus hat der PC seinen enormen Markterfolg zu verdanken. ISA, PCI, AGP und PCI-Express ISA Industry Standard Architecture PCI Peripheral Component Interconnect AGP Accelerated Graphics Port PCIe PCI-Express ist skalierbar von x1 bis x32. 1 Der ISA-Bus war bis zum 80386-Prozessor der Standardbus in jedem PC. Aus dem Kürzel ISA leitete sich der Begriff Industriestandard-PC für IBM-kompatible PCs ab. Der 8-Bit-ISA-Bus wurde mit den Intel-Prozessoren 8086 und 8088 eingesetzt. Für den 80286 wurde der ISA-Bus auf 16 Bit erweitert. Der Vesa-Local-Bus wurde für die 80386-Prozessor-Familie eingeführt und beendete schließlich die Weiterentwicklung der auf dem ISA- Bus basierenden Datenbus-Varianten. 2 1992 stellte Intel den PCI-Bus vor. Gemeinsam mit dem AGP beherrschte diese Technologie den PC-Markt zehn Jahre lang. PCI Abb.: ISA und PCI ISA Ab dem 80486-Prozessor wurde PCI zum Standard. Mit dem Pentium II wurde zusätzlich der AGP für Grafikkarten eingeführt. PCI arbeitete mit 32 oder 64 Bit und einer Taktrate von 33 oder 66 MHz. Die maximale Datentransferrate betrug 528 MiB/s. Weiterentwicklungen stellten PCI-X mit 133 MHz (max. 1066 MiB/s) und PCI-X mit 266 MHz (max. 2133 MiB/s) dar. Der AGP ermöglichte eine Hochgeschwindigkeitsverbindung zwischen Northbridge und Grafikkarte. Als maximale Datenübertragungsrate konnten mit 8x-AGP 2133 MiB/s erzielt werden. 3 PCI-Express ist der Nachfolger von PCI und AGP. Er bietet einen höheren Datendurchsatz und mehr Flexibilität. PCIe Abb.: PCI-Express und PCI PCI Bei PCI-Express beträgt der Datendurchsatz für jede 32 Bit breite Verbindung (Lane) bis zu 250 MiB/s. Durch Koppelung von Lanes kann das entsprechend Vielfache an Datendurchsatz erzielt werden (z.b. 4000 MiB/s bei PCIe-x16 für eine Grafikkarte). In Consumer-PCs werden PCIe-x16- und PCIe-x1-Slots eingebaut (siehe Bild). Für Netzwerkserver sind zusätzlich x2, x4, x8 und x32 vorgesehen. 26 Wirtschaftsinformatik Basic
Warum wurde zusätzlich zu PCI auch noch AGP eingeführt? Aufgrund der steigenden Leistungsanforderungen von Grafikkarten an den Datenbus (z.b. für 3D-Spiele) war rasch klar, dass PCI bald an seine Leistungsgrenzen stoßen würde. Mit dem AGP wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass er direkt an die Northbridge angebunden wurde, während PCI an die Southbridge gekoppelt war. Kann eine PCIe-x1-Karte auch in einen x2- oder x4-slot gesteckt werden? Ja, PCIe-Steckplätze sind abwärtskompatibel. Eine x1- Karte kann daher in jeden PCIe-Slot gesteckt werden. Aber eine x16-karte passt nur in einen x16- oder x32-slot. Üben Übungsbeispiele Ü 4: Ordne die Begriffe mittels Verbindungslinien den Abbildungen zu: Mid-Range-Server PDA Notebook Desktop-PC Entry-Level-Server Smartphone Ü 5: Beschrifte die Teile der Zentraleinheit: Wirtschaftsinformatik Basic 27
Lernen Üben Sichern Wissen Ü 6: Ergänze die Tabelle: Teile der Zentraleinheit Schnittstellen Netzteil Front Side Bus Chipset Aufgabe Verarbeitung der Daten Träger aller Bauteile Konfiguration des Mainboards Ü 7: Nenne drei 64-bit-Prozessoren in CISC-Ausführung. Ü 8: Aus welchen Komponenten besteht das Chipset? Ü 9: Welche Datenrate wird bei einer 8x-AGP-Grafikkarte verwendet? Ü 10: Auf einem Flugzettel ist zu lesen: Multimedia-PC mit 3,8 GHz Pentium 4 HT, 800 MHz FSB. Berechne a) die tatsächliche FSB-Taktfrequenz und b) den FSB-Prozessor-Multiplikator! a) b) Ü 11: Kreuze die richtigen Aussagen an: w Das BIOS enthält alle Programme. w Persistente Speicher behalten die Daten auch ohne Stromzufuhr. w Der RAM-Speicher wird auch Arbeitsspeicher genannt. w ROM bedeutet Release Once Memory. Ü 12: Ordne die folgenden Begriffe anhand ihrer Ziffern der Chipset-Grafik von Intel zu: 1. Front Side Bus 2. RAM 3. Northbridge 4. Southbridge 5. Datenbus 6. QDR 7. Prozessor Abb.: 915G-Chipset für Pentium-4-Prozessor (Quelle: Intel) 28 Wirtschaftsinformatik Basic
Ü 13: Ordne die folgenden Datenbusse chronologisch nach deren Markteinführung: Datenbus PCI AGP ISA 16 bit Vesa-Local-Bus PCI-Express ISA 8 bit Reihenfolge Ü 14: Welche Datenbus-Standards sind in der folgenden Grafik enthalten? ID: 6607 Zusätzlich zu diesen Übungen findest du in SbX eine Internetaufgabe. Sichern In dieser Lerneinheit haben wir wichtige Bestandteile der Zentraleinheit und deren Funktionen kennengelernt: Netzteil Mainboard Chipset und Front Side Bus Das Netzteil versorgt die Komponenten des PCs mit Strom. Die Leistungsfähigkeit des Netzteils muss größer als die Gesamtleistung aller angeschlossenen Komponenten sein. Das Mainboard integriert alle Komponenten eines PCs. Es enthält den/die Sockel für Prozessoren sowie Steckplätze für den Arbeitsspeicher und Erweiterungskarten. Das Chipset besteht aus Prozessor, Northbridge und Southbridge. Alle Komponenten des Chipsets sind optimal aufeinander abgestimmt. Die Verbindung zwischen Prozessor und Northbridge wird als Front Side Bus (FSB) bezeichnet. Die Taktfrequenz des FSB bestimmt jene des Prozessors über einen Multiplikationsfaktor. Die Datenraten SDR, DDR, QDR und ODR werden zur Übertragung mehrerer Datenpakete in einem Taktzyklus des FSB verwendet (wie z.b. ODR bei 8x-AGP). Wirtschaftsinformatik Basic 29
Lernen Üben Sichern Wissen BIOS Prozessor Speicher Cache Datenbus Das Basic Input Output System ist die Basis-Betriebssoftware für das Mainboard und die angeschlossenen Komponenten. Über ein Setup-Programm kann der PC konfiguriert werden. Das BIOS startet das Betriebssystem. Der Prozessor enthält gemäß dem Von-Neumann-Modell Rechenwerk, Steuerwerk und Register. Er verarbeitet Befehle in Maschinensprache, kann Berechnungen durchführen und deren Ergebnisse speichern. Nach der Anzahl der eingebauten Befehle werden CISC- und RISC- Prozessoren unterschieden. Beispiele für Prozessoren unterschiedlicher Architekturen sind der 8086 (16 bit), der 80386 (32 bit) und der AMD Athlon 64 (64 bit). Der Arbeitsspeicher (RAM) ergänzt die sehr geringe Speicherkapazität des Prozessors. Daten können direkt adressiert werden. Persistente Speicher (ROM) gibt es in verschiedenen Ausführungen. Sie unterscheiden sich vom RAM dadurch, dass sie Daten ohne Stromversorgung halten können und nur einen blockweisen Zugriff auf die Daten ermöglichen. Ein Cache ist ein schneller Zwischenspeicher (Puffer), der Datenzugriffe beschleunigt. Level-1- und Level-2-Cache befinden sich in der Regel im Prozessorkern. Level-3-Cache ist ein spezieller Hochgeschwindigkeitsspeicher am Mainboard. Der Festplatten-Cache beschleunigt den Zugriff auf die Daten einer Festplatte. Der Datenbus bindet Erweiterungskarten in den PC ein. Der ISA-Bus ermöglichte den Markterfolg des Industriestandard-PCs. Die nächste Generation, PCI, später ergänzt mit AGP, beherrschte über zehn Jahre lang den Markt für PC-Erweiterungskarten, bis mit PCI-Express ein neuer, flexiblerer Standard etabliert wurde. Bei PCIe können mehrere Datenleitungen (Lanes) zum Erzielen höherer Datentransferraten kombiniert werden, woraus sich die Bezeichnungen x1, x2, x4, x8, x16 und x32 ergeben. ID: 6608 Zusätzlich findest du in SbX eine zusammenfassende Bildschirmpräsentation. Wissen Wiederholungsfragen und -aufgaben 1. Nenne mindestens fünf Bestandteile einer Zentraleinheit. 2. Nenne die Bestandteile eines Prozessors nach dem Von-Neumann-Modell und erkläre die Aufgaben der ALU. 3. Was bedeuten die Begriffe SDR und DDR im Zusammenhang mit dem FSB? 4. Überprüfe die folgenden Angaben auf ihre Korrektheit: Intel Pentium 4 mit 3,3 GHz/FSB 133 MHz. Erkläre deine Antwort. 5. Nenne die Elemente des Chipsets und erkläre anhand dieser Elemente, wie ein Chipset aufgebaut ist. 6. Welche Formen von Cache-Speichern befinden sich in einem Intel-Pentium-4-Prozessor? 7. Erkläre die einzelnen Stufen des Cachings. 8. Was versteht man unter Dual Core bei einem Mikroprozessor? 9. Welcher Speichertyp wird bei Speicherkarten für Digitalkameras eingesetzt? Wodurch unterscheiden sich diese Speichertypen von RAM? 10. Welche Aufgaben hat das BIOS? 30 Wirtschaftsinformatik Basic
11. Erkläre den Unterschied zwischen PCI, AGP und PCI-Express. 12. Erkläre den Unterschied zwischen CISC und RISC. 13. Im technischen Datenblatt eines Servers mit AMD-Opteron-Prozessor sind die Kürzel x86 und AMD64 zu finden. Erkläre diese Begriffe. 14. Welche Eigenschaften eines Prozessors sind für ein Notebook besonders wichtig? 15. In einem Datenblatt ist zu lesen: 16 kb L1-Cache on-die. Was bedeutet das? ID: 6609 Zusätzlich zu diesen Aufgaben findest du in SbX ein Online-Quiz. Lerncheck Ich kann jetzt w... die Bestandteile der Zentraleinheit nennen und deren Bedeutung erklären. w... die Funktionsweise, Architektur und das Code-Set von Mikroprozessoren beschreiben. w... das Zusammenwirken von Mainboard, Prozessor und Chipset erklären. w... die Bezeichnungen für die Bestandteile der Zentraleinheit in technischen Beschreibungen und Berichten verstehen und deren Wichtigkeit für eine Kaufentscheidung einschätzen. w... den Markterfolg des PCs begründen. In der nächsten Lerneinheit beschäftigen wir uns mit weiteren Geräten wie Grafikkarte und Massenspeicher für PCs. Beispielsweise sehen wir uns an, wie Festplatten und optische Laufwerke funktionieren. Wirtschaftsinformatik Basic 31