Technische Informatik

Thema 5
Geschichte und Architektur des “PC” (intel x86)
Geschichte und Gegenwart des "IBM
kompatiblen" PC

"UR"-PC im Jahre 1981

IBM wollte im aufkommenden Mikrorechnermarkt “dabei
sein”:
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


Entwicklung eines aus damaligen Standardkomponenten aufgebauten
Computers
modularer Aufbau -> Erweiterbarkeit durch den Anwender
1. PC: Kompromiss zwischen 16 Bit CPU und 8 Bit
Peripheriebausteinen, Betriebssystem MS-DOS 1.0
PC's sind bis heute zu ihrem Ursprung kompatibel
IBM PC/XT aus unserem Museum
Architektur IBM PC
Meilensteine der PC Architektur (eine
Auswahl)

1981 (12.August): IBM PC wird vorgestellt

-> 8088 Prozessor, 1MB adressierbar, 8 Bit Erweiterungsbus, ROM-BIOS, ROM-BASIC, MDA oder CGA, 360k Floppy,
Kassettenrecorder-Port

1982: erste IBM kompatible (Compaq)
1983: IBM PC/XT

-> 8086(8088?), Festplatte 10MB
1984: IBM PC/AT

-> 80286, 16MB adressierbar, 16 Bit Erweiterungsbus (als ISA lange Zeit Standard), 1.2MB Floppy, 20MB Festplatte, neue Tastatur
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
1985 intel 80386
1987: IBM PS/2
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-> 80386, 4 GB adressierbar, 32 Bit Mikrokanal (MCA) Erweiterungsbus, 1.44MB 3.5" Floppy, ESDI und SCSI Festplatten
1989 intel 80486
1993 intel Pentium (i586)
1995 intel Pentium Pro (i686)
2003: x86-64

-> AMD's Opteron, "schonende", abwärtskompatible Erweiterung der x86 32 Bit Architektur auf 64 Bit
2005: AMD Dual Core CPUs
2006 intel Core Architektur (Nachfolger von i686)
2006 Apple stellt auf intel Prozessoren um
2007 AMD Phenom II, AMD Opteron (K10) – erster x86 nativer Quadcore
2011 AMD Bulldozer

-> Beispiel-PC
2013 intel Haswell CPU Architektur
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-> Server-Beispiel
2014 intel Broadwell Architektur für Tablet-Systeme (core M)
Architektur eines modernen PC
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Im Allgemeinen besteht ein
moderner PC heute aus
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Rechnergrundgerät

Mainboard (1)









CPU (2) mit Kühler (3)
Arbeitsspeicher (4)
Erweiterungskarten (5)
Netzteil (6)
Festplatte (7)
opt. Laufwerk (8)
Bildschirm (9)
Tastatur (10)
Maus (11)
AMD FX-8150, 3.6 GHz, 16GB RAM, AMD
RADEON Graphic HD6670
Netzteil
Motherboard
Externspeicher
…und hinten
Tastatur und Maus (Abriss)

Tastatur


Anschluss 11Bit seriell über speziellen Tastatur-Controller (AT
oder PS/2 Anschluss) oder USB
jede Taste hat einen ‚SCAN‘-Code (ursprünglich 83, dann 84,
heute bis 105 Tasten )



Taste drücken:
Taste loslassen:
MAKE-Code
BREAK-Code
Maus



seriell (am COM-Port), am PS/2 (am erweiterten Tastatur-Port)
oder über USB angeschlossen
mechanische oder optische Positionsgeber zur Ermittlung der
Bewegung in zwei zueinander senkrechten Richtungen
1..n Tasten zur Selektion, Rollrad, ...
Tastatur
Mechanische Maus
1
2
3
4
5
Maus-Kugel
Lochscheiben
LED
Taster
Optischer Sensor
Optische Maus
Agilent ADNS-2610 optical mouse sensor IC
Monitor und Graphikkarte

relevante Leistungsparameter:




Bildschirmdiagonale in Zoll, z.B. 20"
Auflösung in Pixel (Breite x Höhe), z.B. 1680x1050
Bildwiederholrate, z.B 60 Hz
heute gebräuchlich:

LCD-Monitor


basierend auf Flüssigkristalltechnik, TFT-Technik vorherrschend
digitale Ansteuerung optimal (DVI Anschluss, auch HDMI)


an analogen Graphikkarten mit Umsetzung -> nicht perfekt
teilweise noch:

CRT-Monitor



analoge Ansteuerung (15 pol. VGA Anschluss)
basierend auf die klassische Kathodenstrahltechnik (FS-Gerät)
Vorteile: mehrere Auflösungen exakt darstellbar,
CRT Monitor, Röhre
1:
2:
3:
4:
5:
6:
7:
8:
Glühkathoden
Elektronenstrahlen
Bündelungsspulen
Ablenkungsspulen
Anodenanschluss
Lochblende
Phosphorschicht
mit roten, grünen
und blauen
Subpixeln
Nahansicht der
phosphorbeschichteten Innenseite
des Bildschirms
LCD Monitor, Panelaufbau
1:
2,3:
4
5,6
7
8
9
10
11
Glasplatten
Polarisationsfilter
RGBFarbmaske
Datenleitungen
Polymerschicht
Abstandshalter
Thin Film
Transistors
front
electrode
rear
electrodes
Videoprojektor (Beamer )

Verschiedene Technologien

Bilderzeugung

DLP


LCD


im Prinzip LCD, aber mit Spiegel
hinter dem Panel
Kathodenstrahlröhren


Analog LCD-Display, auch 3x LCD möglich
LCoS


Mikro-Spiegel-Technologie
…, Lichtquelle entfällt
Lichtquelle



UHP Lampe (Gasentladung, Bogenlampe)
LED
Halogen-Glühlampe (nicht mehr angewendet)
Graphikkarte
einfach
besser
Graphikkarte mit GPU (VGA)
P r o g r a m m a b le
V id e o - C o n t r o lle r
C o n tr o lle r R e g is te r s
P ix e l A d d r e s s e s &
B y te
D ig ita l to A n a lo g
C o n v e r te r = D A C
G r a p h ic
GPU
V id e o - M e m o r y
1 0 2 4 x 7 6 8 x 3 2 B it
G re e n
B y te
B lu e
M ic r o p r o g r a m
M e m o ry
B y te
D ig ita l to A n a lo g
C o n v e r te r = D A C
D ig ita l to A n a lo g
C o n v e r te r = D A C
E m p ty
M ic r o p r o g r a m C a ll
M e m o ry
R e a d /W r ite
B y te
S y s t e m B u s c o n n e c t e d t o C P U , m a in m e m o r y , h a r d d is k e t c .
G ro u n d
R e g is te r R e a d /W r it e
P r o c e s s in g U n it
m in 6 P in s
R ed
M o n it o r C a b le C o n n e c t o r
V -S y n c H -S y n c
C lo c k F r e q u e n c y
VGA und DVI
HDMI
(High Definition Multimedia Interface)
TDMS

Transition-Minimized Differential Signaling (TMDS) ist ein von Silicon Image entwickelter
Übertragungsstandard, um unkomprimierte Multimediadaten digital zu einem Gerät zu transportieren.

Dieser Standard wurde entwickelt, um elektromagnetische Störungen, wie sie bei der analogen Übertragung
auftreten, im Normalfall vollständig zu eliminieren. Bei DVI- oder HDMI-Übertragungen wird TMDS dazu
benutzt, sehr hochauflösende Bildschirme anzusteuern.Wegen des Skin-Effekts können bei den
vorgesehenen Leitungslängen bis 15 m zur Zeit max. 165 Megapixel pro Sekunde übertragen werden, was
bei 60 Hz Bildwiederholfrequenz einer maximalen Auflösung von 1600 × 1200 Pixel (UXGA) bzw.
1920 × 1200 (WUXGA), wenn Grafikkarte und Monitor „reduced blanking“ unterstützen, entspricht.

Physikalisch stehen dazu drei differenzielle TMDS-Leitungen mit je max. 1,650 Gbit/s für die Daten und eine
differenzielle Taktleitung mit der Taktfrequenz von 1/10 der Datenrate (max. 165 MHz) zur Verfügung. In
einer erweiterten Version mit einem breiteren DVI-Stecker werden sechs differenzielle TMDS-Leitungen
genutzt, um max. 330 Megapixel pro Sekunde zu transportieren, was eine Auflösungen von z. B.
2048 × 1536 Pixel (QXGA) bei 60 Hz Bildwiederholfrequenz ermöglicht. Die maximale Auflösung, die
derzeit von DVI unterstützt wird, ist 2560 × 1600 Pixel bei 60 Hz.
aus Wikipedia
Audio Ein- und Ausgabe
Rechnergrundgerät




standardisierte Gehäusebauformen (ATX, microATX, vgl.
http://www.formfactors.org)
Netzteil
mindestens PowerOn-Taste (Reset, Sleep... optional) und
einige LEDs
Mainboard (Motherboard, Hauptplatine)


CPU, Intern-Speicher, Erweiterungskarten
Externspeicher



Diskettenlaufwerk(e)
Festplattenlaufwerk(e)
CD-ROM (auch DVD, CD/RW,...)
Netzteil

heute üblich:


Schaltnetzteil (Switching Power Supply)
Spannungen (klassisch)


+12V,+5V, +3,3V, -12V, (-5V) jeweils gegen Masse
alt: AT-Netzteil



verbreitet: ATX-Netzteil (vgl. ATX-Spezifikation)




2 (3) 6-polige Anschlüsse, Netzschalter extern
Anschlüsse für Massenspeicher
20-poliger ATX oder 24-poliger EATX-Anschluss, Einschalter über Board
4 oder 8 poliger P4 +12V-Anschluss
Anschlüsse für Massenspeicher, Grafikkarte, ...
Leistungsaufnahme:

ca. 150-1000W
Netzteil
Mainboard

Tendenz:


zunehmende Integration der wichtigsten Komponenten
wichtige Mainboard-Komponenten







Prozessor (z.B. Intel ..., AMD...)
Chipsatz
RAM-Steckplätze
ROM (BIOS), heute meist Flash-BIOS (EEPROM)
Erweiterungsbus Steckplätze ([ISA,] PCI, [AGP,] PCI-E)
Schnittstellen-Anschlüsse (seriell, parallel, USB, IEEE1394, Tastatur,
Maus, Audio, (Monitor) ...)
Anschlüsse für Externspeicher
(SATA, (Floppy), USB, ...)
Ursprüngliches IBM PC Mainboard
der heutige Stand
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

die Verbindungen der wichtigsten Komponenten werden
durch den Chipsatz realisiert (beinhaltet auch abwärtskompatible Komponenten des "UR"-PC)
der Chipsatz besteht oft aus einer "North-Bridge" und
einer "South Bridge" oder aus sogenannten HUB's
North Bridge (oder Memory Controller Hub, MCH):

verbindet Prozessor (über Front Side Bus, FSB)
[,Arbeitsspeicher (RAM)] und AGP/PCI-E Steckplatz


Neuere Prozessoren (AMD, intel ab Core i) haben eigenen
Speichercontroller
South Bridge (auch I/O Controller Hub, ICH)

verbindet North-Bridge mit Standard-I/O Komponenten (USB,
LAN, SATA,...) und realisiert PCI, PCI-E-Bussystem
Bsp. 1: AMD990FX Chipsatz
Heute: z.B. ASUS Crosshair V Formula
PCI-E
Prozessorsockel
PCI
Chipsatz
RAM
Bsp. 2 Intel Romley Platform
Dell Server R620 (Romley)