Zentraleinheit Lernen

1 Grundlagen der Informatik
Lerneinheit 2: Zentraleinheit
Lerneinheit 2
Zentraleinheit
Alle SbX-Inhalte zu dieser Lerneinheit findest
du unter der ID: 6605.
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
1 Arten von Computersystemen
Vom PDA bis zum Großrechner
PDA
Personal Digital
Assistant
Als Mainframe
werden extrem leistungsfähige Großrechner bezeichnet.
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 DesktopPCs, Notebooks, Server für kleine und große Netzwerke bis hin zu leistungsfähigen Großrechnern bzw. Supercomputern.
Mainframe
Leistung
Entry-LevelServer
Mid-RangeServer
Notebook
Desktop-PC
PDA
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ID: 6606.
Als Clones
wurden in den 1980er
Jahren IBM-kompatible
PCs von Drittherstellern,
wie z.B. Compaq, bezeichnet.
Wirtschaftsinformatik Basic
Preis
Abb.: Arten von Computersystemen nach Leistung und Preis
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“.
15
Lernen
Üben
Sichern
Wissen
L 1:
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.
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
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Mr. What und
Ms. Check
Abb.: IBM-PC aus dem Jahr 1981
Wie reagierten eigentlich die Mitbewerber von IBM anlässlich der Markteinführung des PCs?
Die Mitbewerber von
IBM unterschätzten
anfangs das Marktpotenzial des PCs.
Dass der PC innerhalb kürzester Zeit praktisch alle anderen Computer in diesem Segment vom Markt verdrängen
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
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Tastatur
Maus
Abb.: Bestandteile eines Multimedia-Desktops
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.
PDAs
Notebook
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Mr. What und
Ms. Check
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 (SuspendModi) 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.
Tablet-PCs
Abb.: Varianten mobiler Personal Computer
Welche Vorteile bietet ein DesktopPC 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
Speichersockel
Mainboard
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Wirtschaftsinformatik Basic
Abb.: Bestandteile der Zentraleinheit eines Desktop-PCs
17
1 Grundlagen der Informatik
Lerneinheit 2: Zentraleinheit
Lernen
Üben
Sichern
Wissen
Bestandteile der Zentraleinheit
1 Das Mainboard enthält Prozessor-Sockel, Chipset, Steckplätze für Hauptspeicher
und für Erweiterungskarten sowie I-/O-Schnittstellen für Ein- und Ausgabegeräte.
Andere Begriffe für
Mainboard sind
Motherboard und
Hauptplatine.
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.
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.
Das Netzteil versorgt
alle Bauteile des PCs
mit Strom.
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
1 Die Konfiguration des Mainboards erfolgt über Jumper (Steckkontakte).
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.
Die Konfiguration des
Mainboards erfolgt
über Jumper und
das BIOS.
Abb.: Jumper
18
Eine falsche Konfiguration der Einstellungen kann Hardwareschäden, z.B. an Prozessor oder Speicher, verursachen!
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
bzw. F10 (herstellerabhängig),
so gelangen wird in das Setup des Mainboards – das sogenannte BIOS.
Entf
I-/O-Schnittstellen
Mikroprozessor
mit Kühler
Steckplätze
Das Chipset besteht
aus North- und Southbridge. Die Northbridge
befindet sich näher am
Prozessor als die
Southbridge.
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Chipset
SpeicherSteckplätze
Abb.: Mainboard und seine wichtigsten Bestandteile
3 Das Chipset steuert die Datenströme zwischen Prozessor, Hauptspeicher und Grafikkarte (Northbridge) und den Steckplätzen für Peripheriegeräte (Southbridge).
Prozessor
Front Side Bus
AMD hat beim Athlon
64 einen Teil der Northbridge bereits im Prozessor integriert.
Northbridge
Serial-ATA
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ID: 6606.
Mr. What und
Ms. Check
Speicher
Southbridge
Grafikkarte
PCI/PCIe
I/O
USB Ethernet
Abb.: Chipset
Wovon hängt die Wahl des
richtigen Mainboards ab?
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.
Steckplätze
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
1 Grundlagen der Informatik
Lerneinheit 2: Zentraleinheit
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.
Wafer
Prozessor mit
Kühlkörper
Die Produktion von
Mikroprozessoren erfolgt in staubfreier Umgebung. Das Bild zeigt
die Produktionsumgebung bei Intel.
Core
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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 CISCProzessoren.
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
1 Grundlagen der Informatik
Lerneinheit 2: Zentraleinheit
3 Register sind kleine, extrem schnelle Speichereinheiten für Zwischenergebnisse,
wie z.B. von Rechenoperationen.
Cache
ist ein sehr schneller
Zwischenspeicher, der
Speicherzugriffe
beschleunigt.
Pipelining
ermöglicht die Parallelverarbeitung von
Befehlen.
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.
ALU
Arithmetic Logical Unit
Peripherie-Bus
Die Geschwindigkeit
eines Prozessors ist
nicht nur von der Taktfrequenz abhängig.
Steuerwerk
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ID: 6606.
Register
RAM
Prozessor
Abb.: Von-Neumann-Rechnermodell
ROM
János Neumann
alias John von Neumann, geboren
1903 in Budapest,
gestorben 1957 in
Washington, war der
Begründer des VonNeumann-Rechnermodells.
Der von Intel entwickelte 8086-Mikroprozessor war der „Urgroßvater“ aller Personal-ComputerProzessoren und verwendete erstmals den x86-Befehlssatz. Folgende Architekturen haben sich
im Lauf der Zeit entwickelt:
Architektur eines Mikroprozessors
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.
Der Intel-Pentium-4Prescott-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.
Mr. What und
Ms. Check
Wirtschaftsinformatik Basic
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-BitArchitektur und ist vollständig abwärtskompatibel.
3 64-Bit-Architektur
2003 beginnt für x86 das „dritte Zeitalter“. AMD bringt einen zu x86 kompatiblen 64-BitBefehlssatz 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.
21
Lernen
Üben
Mr. What und
Ms. Check
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.
Prozessor
Diese Abbildung findest
du in der PowerPointPräsentation unter
ID: 6606.
Northbridge
Front Side Bus
DDR bei AMD
QDR bei Intel
Speicher
ODR bei
8xAGP
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.
2 Die Art der Datenübertragung am Front Side Bus ist vom Prozessor abhängig.
Quadruple Data Rate
(QDR) überträgt vier
Datenpakete je Takt.
Double Data Rate (DDR)
überträgt zwei Datenpakete je Takt.
22
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.
Wirtschaftsinformatik Basic
1 Grundlagen der Informatik
Lerneinheit 2: Zentraleinheit
3 Der Front Side Bus ist eine Hochgeschwindigkeitsverbindung zur Anbindung des
Speichers und der Grafikkarte an den Prozessor.
Datenraten:
Single Data Rate
Double Data Rate
Quadruple Data Rate
Octal Data Rate
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.
Front Side Bus
Northbridge
Grafikkarte und Speicher sind über
den FSB an die Northbridge angeschlossen.
Southbridge
Diese Abbildung findest
du in der PowerPointPräsentation unter
ID: 6606.
Beachte
Die Southbridge verwaltet Geräte
mit niedrigerer Datentransferleistung,
wie z.B. Audio, USB, Festplatten (Serial-ATA) und Netzwerkkarte.
Abb.: 915G-Chipset für Pentium 4 Prozessor (Quelle: Intel)
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?
Mr. What und
Ms. Check
Der AGP (Accelerated
Graphics Port) ist ein
HochgeschwindigkeitsBussystem, mit dem
Grafikkarten mit der
Northbridge verbunden
werden.
In einem Datenblatt habe ich von einem 800MHz-FSB bei einem Intel Pentium 4 gelesen. Kann
das stimmen?
Wo kommen die Datenraten zum Einsatz?
Auf Datenblättern wird gerne etwas übertrieben. Tatsächlich ist damit ein 200-MHz-FSB mit
QDR gemeint, denn 200 MHz * 4 = 800 MHz.
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 ID: 6606.
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
Diese Abbildung findest
du in der PowerPointPräsentation unter
ID: 6606.
ROM
Random Access Memory
Read Only Memory
Arbeitsspeicher
(Hauptspeicher)
Basic Input Output
System (BIOS)
Abb.: RAM und ROM am Beispiel des Personal Computers
Speicherarten
1 Der Hauptspeicher (RAM) wird als schneller Arbeitsspeicher für den Prozessor
verwendet. Eine Speicherstelle kann vom Prozessor direkt adressiert werden.
Als Refresh wird das
ständige Versorgen
des RAM mit Strom bezeichnet.
Abb.: 1 GB RAM-Speichermodul
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)
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
Mr. What und
Ms. Check
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.
8 Cache
Der flinke Pufferspeicher
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.
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.
Festplatte
Level-1-Cache
Level-2-Cache
Festplatten-Cache
Prozessor
Diese Abbildung findest
du in der PowerPointPräsentation unter
ID: 6606.
Abb.: Die verschiedenen
Cache-Levels in einem PC
Level-3-Cache
RAM
Cache-Typen
Die (gesprochen „Dei“)
bezeichnet den
Prozessorkern.
Liegt der Cache on-Die,
so ist er im Prozessor
integriert.
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
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Lerneinheit 2: Zentraleinheit
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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
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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 ISABus 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
ISA
Abb.: ISA und PCI
3 PCI-Express ist der Nachfolger von PCI und AGP. Er bietet einen höheren Datendurchsatz und mehr Flexibilität.
PCI
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ID: 6606.
26
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.
PCIe
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.
Abb.: PCI-Express und PCI
Wirtschaftsinformatik Basic
Mr. What und
Ms. Check
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 x1Karte 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
1 Grundlagen der Informatik
Lerneinheit 2: Zentraleinheit
Lernen
Üben
Sichern
Wissen
Ü 6:
Ergänze die Tabelle:
Teile der Zentraleinheit
Aufgabe
Schnittstellen
Verarbeitung der Daten
Träger aller Bauteile
Netzteil
Front Side Bus
Konfiguration des Mainboards
Chipset
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
w
w
w
Das BIOS enthält alle Programme.
Persistente Speicher behalten die Daten auch ohne Stromzufuhr.
Der RAM-Speicher wird auch Arbeitsspeicher genannt.
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
1 Grundlagen der Informatik
Lerneinheit 2: Zentraleinheit
Ü 13:
Ordne die folgenden Datenbusse chronologisch nach deren Markteinführung:
Datenbus
Reihenfolge
PCI
AGP
ISA 16 bit
Vesa-Local-Bus
PCI-Express
ISA 8 bit
Ü 14:
Welche Datenbus-Standards sind in der folgenden Grafik enthalten?
Zusätzlich zu diesen Übungen findest du in SbX eine Internetaufgabe.
ID: 6607
Sichern
In dieser Lerneinheit haben wir wichtige Bestandteile der Zentraleinheit und deren
Funktionen kennengelernt:
Netzteil
Das Netzteil versorgt die Komponenten des PCs mit Strom. Die Leistungsfähigkeit des Netzteils muss größer als die Gesamtleistung aller angeschlossenen Komponenten sein.
Mainboard
Das Mainboard integriert alle Komponenten eines PCs. Es enthält den/die Sockel für Prozessoren sowie Steckplätze für den Arbeitsspeicher und Erweiterungskarten.
Chipset und
Front Side Bus
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
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.
Prozessor
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 RISCProzessoren unterschieden. Beispiele für Prozessoren unterschiedlicher Architekturen sind der
8086 (16 bit), der 80386 (32 bit) und der AMD Athlon 64 (64 bit).
Speicher
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.
Cache
Ein Cache ist ein schneller Zwischenspeicher (Puffer), der Datenzugriffe beschleunigt. Level-1und 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.
Datenbus
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.
Zusätzlich findest du in SbX eine zusammenfassende Bildschirmpräsentation.
ID: 6608
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?
Zusätzlich zu diesen Aufgaben findest du in SbX ein Online-Quiz.
ID: 6609
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
1 Grundlagen der Informatik
Lerneinheit 2: Zentraleinheit