Grundbegriffe der Hardware

In diesem Abschnitt geht es darum, was ein Computer ist und aus welchen Bestandteilen er sich zusammensetzt. Ziel ist ein brauchbares mentales Modell von der Maschine und ihrer Funktionsweise. Als Literatur dazu eignet sich:

Küstenmacher, W. (1993). MS-DOS 6 mühelos! München: Systhema-Verlag. [Preis: 24,90 DM]
Minasi, M. (1998). PC Hardware 98: Das umfassende Expertenbuch. Düsseldorf u.a.: Sybex.
Norton, P. (1986). Inside the IBM PC. New York: Brady.
Patterson, D. A., Kiser, D. S. & Smith, D. N. (1989). Computing unbound. New York: Norton.

Geschichtliches:

in den 40er Jahren: tonnenschwere Röhrencomputer, die ganze Räume füllen;

1951: erste in Serie gebaute Computer; 1957 wird der Transistor erfunden

seit 1965 sogenannte Minis (die etwa so groß wie ein Kühlschrank sind; etwa seit erster Sendung von Startreck);

1971 wird der erste Mikroprozessor (Chip) von Intel vorgestellt, er arbeitet mit vier Bit und hat eine Taktfrequenz von 0.1 MHz.

ca. 1977 werden erste Computer für unter 2000 $ verkauft, vor allem an Bastler und Hacker: Es entstanden Firmen wie APPLE, Commodore und Tandy, deren Geschäftsführung improvisiert und laienhaft war;

seit 1978/79: IBM PC auf der Basis des Intel 8086 / 8088 Prozessors mit 16 Bit (der leistungsfähigere Prozessor von Motorola, der 68000, wurde damals von IBM nicht gewählt, weil er schlecht verfügbar war);

Die seitdem eingesetzten Personal Computer werden nach deren Hauptprozessor benannt; Folgende weitere Entwicklung fand auf diesem Sektor statt:

AT mit 80286 Prozessor ermöglicht Multi-User und Multi-Tasking;

80386 als erster 32-Bit-Prozessor; Intel versuchte, die Prozessoren immer schneller und deren Datenbus immer breiter zu machen. Parallel dazu arbeitete Motorola an RISC (Reduced Instruction Set Computer) -Prozessoren, die wegen des geringeren Overheads bei gleicher Taktfrequenz deutlich schneller sind.

Aktuell sind die verschiedenen Pentium-Prozessoren (diese Bezeichnung wurde von Intel anstelle von 80586 bewählt, da sie sich urheberrechtlich schützen läßt);

Modell	Taktfrequenz	besondere Neuerung
4004	0.1	erste CPU, als "Computer auf einem Chip" gefeiert
8086	4.77	16-Bit-Prozessor, CPU der ersten Generation von PCs
80286	8 / 12	Multi-User und Mulit-Tasking möglich
80386	16 - 33	erste 32-Bit-CPU
80386SX	16	nur 16-Bit, aber billiger
80486	25 - 100	32-Bit-Datenbus, 8 kByte interner Cache und Koprozessor
Pentium	75 - 200	64-Bit-Datenbus, 8 kByte interner Cache, zwei Befehle in einem Taktzyklus durchführbar (pipelining)
Pentium Pro	150 - 200	Dual-Independent-Bus-(DIB)-Architektur: zwei unabhängige Bussysteme erhöhen Datendurchsatz auf das Dreifache; auf 32-Bit-Operationen spezialisiert
Pentium MMX	150 - 233	Muliti-Media-Extensions auf dem Prozessor
Pentium II (Klamath)	233 - 300	32 kByte interner Cache und 256 kByte externer Cache auf einer Prozessorkarte (sog. slot 1)
Tillamook	200 - 233	Pentium-Prozessor mit besonders geringem Stromverbrauch
Pentium II (Deschutes)	333 - 450	Pentium II mit geringerem Stromverbrauch
Celeron	266 / 300	kein L2-Cache, recht langsam
Celeron A (Mendocino)	300 / 333	L2-Cache direkt im Prozessor (also auch mit dessen Geschwindigkeit!)
Merced	500 ?	für Anfang 1999 geplant, voller 64-Bit-Prozessor

Arten von Computern heute:

Großrechner (Mainframe: schnell und für große Datenmengen ausgelegt; an der Uni momentan ZEUS1, eine Challenge von Silicon Graphics (SGI) mit 768 MB RAM und acht MIPS R4400 Prozessoren mit 150 MHz Taktfrequenz);

Workstation (parallele Prozesse; an der Uni vor allem SUN (demnächst kommen für den Fachbereich Psychologie 15 neue SUN Ultra 10 Workstations) und SGI Indy, aber auch PC´s, die unter UNIX oder Windows NT laufen; die Grenze wird fließend);

PC (Microcomputer, hier IBM-kompatible PC´s; unter diese Kategorie fallen aber auch Apple, Atari, Amiga);

Bestandteile eines PC

Vor sich sehen Sie Zentraleinheit, Bildschirm, Tastatur, Maus. Alles außer der Zentraleinheit wird als Peripherie bezeichnet (auch Drucker, Scanner, usw.).

Bestandteile der Zentraleinheit:

Großes Netzteil mit Lüfter;
Diskettenlaufwerk(e); CD-ROM;
Festplatte(n);

Hauptplatine, auf der insbesondere der Prozessor, der Speicher und das BIOS sitzen.Der Bus stellt die Kommunikationsleitungen zwischen dem Hauptprozessor und dem Speicher bzw. den Erweiterungskarten dar. Es existieren unterschiedliche Varianten. Wichtig bei der Benutzung des Bus ist, daß direkt auf den Speicher zugegriffen werden kann (DMA, Direct Memory Access) bzw. daß die einzelnen Komponenten direkt miteinander kommunizieren können (Bus Mastering)

System	Funktionsweise
ISA	(Industry Standard Architecture) von IBM eingeführter Standard für AT-Systeme, wird mit nur 8.33 Mhz betrieben
EISA	(Extended Industry Standard Architecture) Nachfolger von ISA, kann 32 Bit Datenbusbreite unterstützen
Local Bus	wurde in 486ern oft verwendet, konnte sich aber nicht gegen den PCI-Standard durchsetzen
MCA	(Micro Channel Architecture) von IBM zur Ablösung von ISA auf den Markt gebrachter 32-Bit-Bus; wegen Inkompatibilität und Lizenzgebühren kein Markterfolg
PCI	(Peripheral Component Interconnect Bus) Taktfrequenz bis 66 (oder sogar 100) Mhz, Plug&Play zur automatischen Erkennung von Hardware möglich
AGP	(Accelerated Graphics Port) besonders schnelle Grafiksystem, das direkt Speicher aus dem Arbeitsspeicher beziehen kann; höhere Bandbreite und Datendurchsatz als bei PCI

Speicher: bei älteren Rechnern in Form Chips, die direkt auf die Hauptplatine gedrückt werden; bei neueren Rechnern als SIMM (Single Inline Memory Module) mit 30- oder 72-poligen Anschlußleisten

Cache (speichert momentan ausgeführte Kommandos, so daß diese nicht erneut eingelesen werden müssen; versucht außerdem, den als nächstes benötigten Code bereitzustellen. Es wird zwischen L1-Cache (in der CPU) und L2-Cache (extern) unterschieden. Die Trefferrate beträgt üblicherweise ca. 95%, so daß diese Art des Speichers sehr wichtig ist. Dieser Speicher ist teuer, da statisch) Achtung: mit 256 kByte Cache lassen sich nur 64 MB Hauptspeicher cachen; bei 512 kByte sind es immerhin 128 MB!

RAM (Random Access Memory; dynamisch, d.h. refresh notwendig; Arbeitsspeicher, kann durch Auslagerung inaktiver Teile auf Festplatte virtuell vergrößert werden); dabei kann unterschieden werden zwischen

DRAM (dynamic RAM); etwa alle 72 ns (Nanosekunden, also Millionstel Sekunden) muß der Speicher einen Impuls bekommen, der die darin enthaltenen Inhalte (elektrischen Spannungen) aufrechterhält; sie würden sonst zerfallen. Je schneller der Prozessor ist, desto schneller muß auch dieser Impuls stattfinden (ist bei neuen Rechnern zu beachten, die Speicher mit einer Zugriffszeit von 12 ns benötigen). Dieser "Auffrischungssimpuls" macht diese Art des Speichers langsamer. Das sog. EDO-RAM kann einen Burst-Modus realisieren: Nach Zugriff auf ein Speichersegment kann des Rest wesentlich schneller eingelesen werden. Schnell getaktete Bus-Systeme benötigen PC-100-SDRAM.

SRAM, sog. statisches RAM; Hier bleiben die Speicherinhalte länere Zeit erhalten; sehr schnelle Art von Speicherbausteinen, aber extrem teuer (Verwendung vor allem bei schnellen Grafikkarten).

Speicherart	Funktionsweise
DRAM (Dynamic RAM)	Die Ladungen müssen zyklisch mit einem Refresh-Impuls aufgefrischt werden, daher langsam
EDO-DRAM (Extended Data-Out)	Daten aus dem selben Speichersegment wie die zuletzt angeforderten werden besonders schnell ausgelesen; außerdem werden Datenwerte noch zum Auslesen bereit gehalten, während bereits die nächste Adresse angelegt wird
RDRAM (Rambus DRAM)	etwa 10 mal schneller als normales DRAM, besondere Speichercontroller und Hauptplatinen erforderlich
SDRAM (synchronouos DRAM)	Nachfolger von EDO-RAM, der sich mit dem Systemtakt synchronisiert und so Zeitverzögerungen beim Zugriff verhindert
SRAM (static RAM)	kein Refresh nötig, daher schneller und leichter ansteuerbar; Nachteile sind die höhere Leistungsaufnahme und Erwärmung

ROM (Read Only Memory, sehr langsam, darum "Spiegelung im RAM (shadow RAM); enthält ganz grundlegende Systemprogramme; steuert den Bootvorgang, d.h. sagt dem Rechner, was er nach dem Einschalten tun muß, da er anfangs noch gar nichts weiß);

Hauptprozessor, evtl Coprozessor zur Leistungssteigerung, insbesondere für Fließkomma-Arithmetik; Unterschiedliche Busbreite intern (im Prozessor) und extern (zur Peripherie; wieviele Daten können gleichzeitig verarbeitet werden). Die Rechner in diesem Raum, sog. 486-er, besitzen 32-bit Prozessoren und auch einen 32 bit breiten Datenbus. Im Prozessor ist der Coprozessor bereits integriert.

Grafikkarte; hierdurch ist z.B. die maximale Auflösung festgelegt; sollte heute eine PCI- oder AGP-Karte sein:

640 x 480 Punkte, der Standard-VGA-Modus (funktioniert heute bei fast allen Rechnern; insbesondere bei Notebooks immer noch Standard; oft 16 Mio Farben);
800 x 600 Punkte, der Super-VGA-Modus (z.B. bei dem hier verwendeten Display); bei 14- oder 15-Zoll-Monitoren und besseren Notebooks zu empfehlen (oft 64 000 Farben);
1024 x 968 Punkte (in den Pools bei besseren Rechnern; viel Platz, aber größerer Monitor wird benötigt; weniger Farben darstellbar, meist nur 256 oder 16 Farben; Bildschrimdarstellung kann langsam werden);
1168 x 1024 Punkte (bei Pcs weniger gebräuchliches Format, z.B. bei Worktations öfter);
1200 x 1600 Punkte (neuester Standard für höchste Auflösung; z.B. für CAD).
Die maximale Anzahl darstellbarer Farben hängt von der Auflösung und dem auf der Grafikkarte verfügbaren Speicher ab; heute sollte man Karten mit mindestens 2 MB Speicher kaufen.

Netzwerk (PC´s hier sind nur Clients, der Server, von dem die Software geladen wird steht an einem anderen Ort); Programm muß in den Arbeitsspeicher gelangen, egal von wo aus (lokal oder vom Server). Gerechnet wird aber lokal, d.h. auf dem Prozessor des einzelnen Rechners.
spezielle Zusatzkarten (Soundkarte, TV-Karte, Radio-Karte; aber auch Steuerkarten für anzuschließende Geräte, etc).
andere Massespeicher, vor allem zur Datensicherung (Streamer oder ZIP-Drive).

Modem zur Verbindung mit anderen Rechnern (zur Uni ist mittlerweile ein graphische Verbindung über die Telefonleitung möglich; bald soll auch eine ISDN-Verbindung bereitgestellt werden.
Bemerkung zur Geschwindigkeit von Rechnern: Ein wichtiges Merkmal eines Rechners ist dessen Geschwindigkeit. Sie kann von folgenden Gegebenheiten abhängen:

Taktfrequenz dess Hauptprozessors;
Busbreite (intern und extern);
Verfügbarer RAM-Speicher; Art des Speichers (SIMM, PS/2, EDO);
Geschwindigkeit der Festplatte;
Fragmentierung der Festplatte;
Geschwindigkeit der Grafikkarte;
eingestellte Bildschirmauflösung und Farbtiefe;
Betriebssystem, ...

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Last modified 11-5-98