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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