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Grundlagen der Informatik
Ergänzung zum Buch
«Der Computer als Werkzeug»
und «Informatik-Grundlagen»
Rolf Bänziger
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Wieso wir uns mit Systemtechnikbefassen …
ProzessorIntel® Core™ 2 Quad Core Processor Q8200 (2.33 GHz, 1333 MHz, 4MB Cache)
Grafikkarten512MB ATI® Radeon™ 4850 Graphics card
Festplatte640 GB Serial ATA non Raid (7200 Rpm)
3ROM
Chipset(North-Bridge)
Chipset(South-Bridge)
Motherboard, Hauptplatine
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Die Zentraleinheit
• ist sozusagen das Herz der Hardware
• wird unterschiedlich definiert
• heisst auch CPU = Central Processing Unit
• Beim PC ist die CPU der Prozessor
• Je nach Definition wird auch noch der interne Speicher dazugezählt
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ProzessorProzessor
RechenwerkRechenwerk RegisterRegister SteuerwerkSteuerwerk
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Prozessor
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Prozessor
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Der Prozessor: Bestandteile• besteht aus drei Hauptbestandteilen:
Rechenwerk, Steuerwerk, Register• Das Rechenwerk (ALU = arithmetic logic unit)
führt Berechnungen durch• Das Steuerwerk organisiert den Daten-
verarbeitungsprozess• Die Register sind winzige Speicherzellen, in
denen z. B. Zwischenergebnisse gespeichert werden
• Prozessoren erreichen interne Taktfrequenzen von bis zu 3,6 GHz (= 3,6 Milliarden Schwingun-gen je Sekunde!)
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Hyperthreading (HT)
Intel verwendet diesen Begriff im Zusam-menhang mit Prozessoren, die mehrere unabhängige Prozesse (Threads) schneller verarbeiten können. Der Trick: Dem Be-triebssystem werden zwei Prozessoren vorgegaukelt. Ziel von HT: schnellere Ver-arbeitung! Wenn bei Ihrem PC im Task-Manager zwei CPU-Auslastungsdiagramme angezeigt werden, ist Ihr Prozessor HT-fähig (s. nächste Folie)!
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Hyperthreading (HT)
2 CPU-Fenster
Wenn das Betriebssystem doppelt sieht …
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Der Taktgeber (Clock)
Kristall, Taktgeber
CPU
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Der Taktgeber (Clock)
• Die CPU wird durch einen winzigen Takt-geber gesteuert. Der Kristall vibriert mit einer immensen Zahl von Schwingungen je Sekunde.
• Die Zahl der Schwingungen wird in Hertz (Hz, MHz, GHz) gemessen.
• Moderne PCs arbeiten mit bis zu 3,6 GHz (= 3,6 Milliarden Schwingungen/Sekunde)
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Der Taktgeber (Clock)
Kristall, Taktgeber
CPU
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Takt: immer schneller ...
Jahr Taktfrequenz
1979 bis 8 MHz
1985 bis 33 MHz
1995 bis 200 MHz
2005 bis ca. 3,6 GHz
16ROM
Chipset(North-Bridge)
Chipset(South-Bridge)
Motherboard: Chipsatz (Chipset)
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Motherboard: Chipsatz (Chipset)
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Der Chipsatz (Chipset)
• Chipsätze kontrollieren und steuern den Datenfluss auf dem Motherboard
• Ein Chipsatz besteht häufig aus zwei Chips: der Northbridge und der South-bridge
• Der richtige Chipsatz ist wichtig für die Leistungsfähigkeit eines PC
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Der interne SpeicherDer interne Speicher
ROM (Read Only Memory)ROM (Read Only Memory)
RAM (Random Access Memory)RAM (Random Access Memory)
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RAM
Random AccessMemory
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RAM: Seine Eigenschaften 1
• ist ein flüchtiger Speicher: ohne Strom geht der Inhalt verloren
• dient zur vorübergehenden Aufnahme von Programmen und Daten während der Arbeit: Wenn ich ein Worddokument bearbeiten will, muss ich es öffnen, das heisst ins RAM kopieren!
• ist ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff; mit Hilfe eines Inhaltsverzeichnisses kann der Computer bestimmte Daten lesen, ohne dass er sämtliche Daten absucht
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RAM: Seine Eigenschaften 2
• heisst auch Arbeitsspeicher
• ist ein Schreib-Lese-Speicher: Der Speicher kann gelesen und beschrieben werden
• hat bei modernen PCs eine Grösse von rund 4 GByte
• gibt es in verschiedenen Ausführungen (SDRAM, DDR-RAM, Rambus usw.)
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RAM-Typen
• SDRAM: in älteren Computern
• aktuell: DDR-RAM (Double Data RAM): (Doppelter Datendurchsatz)– verschiedene Ausführungen; Dual-Channel-RAM ist am leistungsfähigsten.
• Rambus (RD-RAM): – schnellste Variante, weniger verbreitet, da
teuer
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DDR-RAM
(Double Data RAM)
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Rambus (RD-RAM)
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Chipset(North-Bridge)
Chipset(South-Bridge)
Motherboard: Das ROM
ROM
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ROM: Seine Eigenschaften
• ist ein Festwertspeicher• enthält Mikroprogramme; Fachausdruck:
Firmware (weder Hard- noch Software)• ist ein nicht flüchtiger Speicher: behält
den Inhalt auch dann, wenn kein Strom fliesst
• ist viel kleiner als das RAM• gibt es in verschiedenen Ausführungen
(EPROM, EEPROM usw.)
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ROM: Das BIOS (1)
• Im ROM befindet sich das BIOS, das Basic Input Output System.
• Es bezeichnet eine Schnittstelle zwischen der Hardware und dem Betriebssystem
• Es stellt das Grundbetriebssystem des Computers dar
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ROM: Das BIOS (2)
• Das BIOS besteht aus:– Selbsttest-Routinen– Urladeprogramm (auch Bootstrap genannt)– Steuerung von systemnahen Ein- und
Ausgaberoutinen beim Arbeiten– Konfigurationsprogramm: enthält Ein-
stellungen (Anzahl Laufwerke, Reihenfolge der Laufwerke beim Booten)
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ROM: Das BIOS (3)
Wollen Sie einmal einen Blick ins BIOS-Setup werfen?
Drücken Sie gleich nach dem Start Ihres Computers Delete (bei manchen Computern ist es F2 oder F10).
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Cache-Speicher• ist ein Pufferspeicher; dient dazu, Engpässe zu
überbrücken• sorgt dafür, dass der Prozessor immer mit Daten
versorgt wird und nicht warten muss; das RAM ist dem Prozessor zu langsam
• gibt es meistens in zwei Stufen: First-Level-Cache (L1-Cache) und Second-Level-Cache (L2-Cache)
• Ohne Cache wäre der PC wesentlich weniger leistungsfähig! Celeron-Prozessoren haben kleinere Cache-Speicher und sind daher billiger
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Cache-Speicher: L1-Cache
• befindet sich im Prozessorkern oder direkt daneben
• ist ein ziemlich kleiner Speicher: 16, 32 oder 64 kByte
• hält Daten und Anweisungen bereit, die der Prozessor demnächst verarbeiten muss
• wird in Prospekten oder Offerten selten erwähnt
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Cache-Speicher: L2-Cache
• ist bei modernen PC im Prozessor-gehäuse untergebracht
• hat eine Grösse zwischen 256 kByte und 2 MByte (also auch ziemlich klein)
• hält Daten bereit, die der Prozessor dem-nächst verarbeiten muss
• wird in Prospekten oder Offerten oft als wichtiges Leistungsmerkmal erwähnt
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Prozessor-Kern
L1-Cache
L2-Cache
North-Bridge RAM
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Das Bussystem
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Busse
• sind Datenkanäle, welche die Kompo-nenten des PC miteinander verbinden
• Verkehrsbusse transportieren Menschen• Computerbusse transportieren
– Adressen (jede Speicherstelle des RAM hat eine bestimmte Adresse, ähnlich wie eine Hausnummer)
– Daten– Steuersignale
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Busse
• sind mit Strassen vergleichbar: je breiter sie sind und je schneller die Bits trans-portiert werden können, desto leistungs-fähiger sind sie
• Auf einem Motherboard existieren ver-schiedene Busse mit unterschiedlichen Takten und unterschiedlichen Busbreiten
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FSB: Der Frontsidebus
Der FSB kümmert sichum den Schwerverkehrzwischen CPU und RAM.
Taktfrequenzen: 800–1333 MHz
Wir sprechen von einem externen Takt.
39ROM
Chipset(North-Bridge)
Chipset(South-Bridge)
PCI-Bus: rot = Steckplätze, Slots
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PCI: Peripheral Component Interconnet
Breite: 32 Bit
Takt: 33 MHz
Einsatz: Zusatzkarten, z. B.Netzwerkkarten
41ROM
Chipset(North-Bridge)
Chipset(South-Bridge)
AGP-Bus: rot = Steckplatz, Slot
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AGP: Accelerated Graphics Port
Hochgeschwindig-keitsbus für Grafikkarten; der PCI-Bus ist zu langsam!
43ROM
Chipset(North-Bridge)
Chipset(South-Bridge)
ISA-Bus: rot = Steckplätze, Slots
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ISA-Bus: Industrial Standard Architecture• veralteter Bus («lahme Ente»)
• Taktfrequenz: etwa 8 MHz
• Breite: 16 Bit
• für spezielle Karten
• Neuste PC verfügen über einen oder gar keinen ISA-Slot
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PCI Express: löst PCI und AGP abDer PCI Express ist der Nachfolger des AGP-Busses für Grafikkarten und ergänzt den bisherigen PCI-Bus um zwei bis vier Steckplätze für schnelle Erweiterungskarten. Die Daten werden seriell (hintereinander) und mit sehr hoher Geschwindigkeit über mehrere Fahrbahnen, sog. Lanes, trans-portiert. Es gibt Lanes für das Senden und für das Empfangen von Daten.
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Rot umrandet: der PCI-Express (zwei Ausführungen);dazwischen drei herkömmliche PCI-Slots
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USB(Universal Serial Bus)
Drucker,Digitalkamera,Maus, externerCD-Brenner,externe Harddisk
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Serielle Schnittstelle
(RS232)
Modem,Maus, Analyse-Geräte
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Parallele Schnittstelle (LPT1)für den Drucker
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Für den Anschluss von digitalen Videogeräten, z. B. Videokameras (Camcorders)
FireWire-SchnittstelleIEEE 1394
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