Hardware - tom/EinfuehrungDV/... · CPU Hauptspeicher Zentraleinheit Periphere Geräte ... RAM (Random…

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Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 1
4 Hardware4 Hardware
4.1 Grundstruktur von ComputernComputer
Allgemeines Gert zur elektronischen Verarbeitung von Daten
zum Rechnen, fr Computerspiele und zur Bearbeitung von Bildern
Alte Rechenmaschinen
Basisstruktur unserer heutigen Computer
Wissenschaftler von Neumann in der 40-er Jahren des 20. Jahrhunderts
Grundstruktur von ComputernGrundstruktur von Computern
Die Datenverarbeitung ist ein Prozess, der sich in die folgenden Teilaufgaben zergliedert:
Eingabe, Verarbeiten, Speichern und Ausgeben von Daten
Eingabe
Einbringen von Daten in den Computer
Periphere Eingabegerte
Eingabedaten in nicht in binrer Form mssen

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Verarbeiten
Systematische Serie von Aktionen, die der Computer mit den eingegebenen Daten ausfhrt
Ausfhrung dieses Prozesses erfolgt
Voraussetzung fr die Verarbeitung
Daten mssen an definierten Orten gespeichert sein (Speicherpltzen)
Hauptspeicher (engl. Memory)
Externen Speichermedien (engl. Storages) wie Disketten und CD-ROM
Ausgeben der Daten
bertragung zu anderen Computern
Speicherung auf externen Gerten
Anzeige in einer uns Menschen verstndlichen Form
Berichte auf einem Drucker
Anzeigen von Bildern auf einem Bildschirm
Hren von Musik von Lautsprechern

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VonVon--NeumannNeumann--RechnerarchitekturRechnerarchitektur
von-Neumann-Rechnerarchitektur
Grundlage fr alle modernen Computersystem
Modellhaften Struktur :
Zentraleinheit
Periphere Gerte
ProzessorCPU
Hauptspeicher
Zentraleinheit
Periphere Gerte
Tastatur Maus Festplatte DruckerBildschirm
ProzessorCPU
Hauptspeicher
Zentraleinheit
ProzessorCPU
Hauptspeicher
ProzessorCPU
Hauptspeicher
Zentraleinheit
Periphere Gerte
Periphere Gerte
4.2 Computerklassen 4.2 Computerklassen
Personal Computer (PC)

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ComputerklassenComputerklassen
Handheld in der Hand haltbarer PC
Mobile PCs IN Handgre , PDA (Personal Digital Assistant)
Keine feste Tastatur
Leistung ist wesentlich geringer als die von Notebooks
Workstation
Spezieller Computer zur Durchfhrung von besonderen Aufgaben
Einzelnen PC in einem Netzwerk
Computer mit starker Prozessorleistung

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Videogame-Konsolen
Prozessoren wie in
Zustzlich verfgen sie ber spezielle Grafikkarten
Grorechner (Mainframe)
Rechenleistung ist um ein vielfaches Hher als die von normalen PCs
Daten von Hunderten oder Tausenden Benutzern werde gleichzeitig verarbeitet

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Supercomputer (Vektorrechner)
Computer der oberen Leistungsregion
Mehrprozessor-Architektur
Hohe Durchsatzrate bei numerischen Operationen
Verfgbarkeit von umfangreichen Massenspeichern
Server
Anderen Computern in einem Netzwerk zu dienen
Computer zum Zweck des Speicherns und Verteilens von Daten in einem Netzwerk
4.3 Aufbau von PCs4.3 Aufbau von PCs
Chip, Mikrochip oder Computerchip
Plttchen aus einem Halbleitermaterial (Silizium)
Mit integrierten Schaltkreisen ( IC Integrated Circuits)
Chips sind auf einer entsprechende keramischen Platine aufgesetzt
Einteilung nach der Funktionalitt
PC-Standardkonfiguration
Eigentlicher Rechner, Bildschirm, Tastatur, Maus, Drucker, Lautsprecher und Anschlssen zu einem Computernetzwerk
Scanner zur Eingabe von Bildern

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Hauptkomponenten PCHauptkomponenten PC
Hauptkomponenten
Stromversorgung (Netzteil)
Motherboard
Prozessor
Hauptspeicher
Festplattenlaufwerk
CD/DVD-Laufwerk
Steckkarten
freie Steckpltze
Kabel
http://www.tomshardware.de/praxis/20020906/index.html
PC NetzteilPC Netzteil
Netzteil
Gleichstrom im Niedervoltbereich (3,3 bis 12 V)
Schutz vor berspannungen sorgen
Schutz gegen kurzfristigen Netzausfall

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PC MotherboardPC Motherboard
Motherboard (Hauptplatine)
Kernstck des Computers
Chipsatz (ICH, MCH)Controller
Spezielle eigenstndige Prozessoren
Prozessor
Slots fr Erweiterungskarten
Slots fr den Hauptspeicher
Schnittstellen
MCH
ICH
Prozessor
Slots fr den Hauptspeicher
Schnittstellen
MCH
ICH
Steckkarten und Steckkarten und SlotsSlots
Tendenz:
Anzahl der Steckkarten wird kleiner
Slots
Standardisierte Sockel fr die Steckkarten
Slots sind untereinander und mit dem Motherboard verbunden
Vorteil der Anwendung eines standardisierten Steckkarten-Konzepts

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4.4 Arbeitsspeicher4.4 Arbeitsspeicher
Arbeitsspeicher (engl. Memory)
Speicherung von
Speicher besteht aus einzelnen digitalen Speicherelementen
Zugriff immer auf eine Gruppe von Bits (Speicherzelle)
Jeder Speicherzelle hat ihre eigene Adresse
Unterschiedliche Arten von Speicherchips
Speichervermgen, den Zugriffszeiten und dem Preis unterscheiden.
Kapazitt des physischen Arbeitsspeicher fr PCs :
256 MB bis 2 GB
ArbeitsspeicherArbeitsspeicher
RAM (Random Access Memory)
Auf jede Speicherzelle des Arbeits-speichers kann direkt zugegriffen werden
Gegensatz :
Name RAM :
Einteilung der Speicherchips fr den Arbeitsspeicher nach den technischen Wirkprinzipien:

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DRAM ist ein flchtiger Speicher
Dynamische Speicherelemente mssen in regelmigen Abstnden elektrisch aufgefrischt werden
Refresh im Mikrosekunden-Bereich
Ausschalten des Computers oder bei Stromausfall
SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memeory)
Speicherchips fr Hauptspeicher und Grafikkarte
DDR-SDRAMS (Double Data Rate)
Weiterentwicklung der SDRAMs
Auch DDR-RAM genannt
Statischer RAM (SRAM)
bentigen auf Grund ihrer Konstruktion
SRAM-Chip sind
Warum nicht der gesamte Arbeitsspeicher aus den schnellsten Chips?
RAM Speicherchips
DRAMDynamischer RAM
SRAMStatischer RAM
SDRAMSynchroner DRAM
DDR-SDRAMDouble Data Rate SDRAM
RDRAMRaster DRAM
ArbeitsspeicherGrafikkarteKurze Refreshzyklen
ProzessorcacheLange Refreshzyklen
RAM Speicherchips
DRAMDynamischer RAM
SRAMStatischer RAM
SDRAMSynchroner DRAM
DDR-SDRAMDouble Data Rate SDRAM
RDRAMRaster DRAM
ArbeitsspeicherGrafikkarteKurze Refreshzyklen
ProzessorcacheLange Refreshzyklen

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CacheCache--KonzeptKonzept
Lsung:
Jede Ebene: Kompromiss aus
berwindung von Synchronisationsproblemen : Cache (Puffer)-Konzept Level 1 und Level 2 Cache am Prozessor
Teile des Arbeitsspeichers werden fr schnelle Zugriffe bereitgestellt
CPU
Level 1 Cache
Level 2 Cache
Hauptspeicher
Zugriffszeit Kosten CPU
Level 1 Cache
Level 2 Cache
Hauptspeicher
Zugriffszeit Kosten
Virtueller SpeicherVirtueller Speicher
Organisatorisch-logische Sicht auf den Hauptspeicher:
RAM (Hauptspeicher), Virtueller Speicher, ROM und CMOSVirtueller Speicher (Virtual Memory)
Problem:
Mehrere Programme gleichzeitig gestartet
Jedes Programm bentigt seinen Speicherplatz im Arbeitsspeicher
Knnen alle Programme gleichzeitig laufen, wenn
Lsung:
Nutzung freie Speicherkapazitt auf einer Festplatte
Swapping :

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ROMROM
ROM (Read Only Memory)
Speicher kann nur gelesen werden
Daten und Befehle sind vom Hersteller auf dem Chip fest eingeschrieben
Speicherform ist
Enthlt BIOS
Neustart eines Computers
RAM-Arbeitsspeicher ist leer
Notwendigen BIOS-Befehle
Betriebssystem
Erst nachdem das Betriebssystem geladen worden ist, sind auch die peripheren Gerte nutzbar
CMOSCMOS
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
Spezieller flchtiger Speicher, Strom wird durch spezielle Batterien geliefert
CMOS-Speicher enthlt die hardwareseitigen Einstellungen (hardware settings) des Computers
Verfgbarer Speicherplatz
Verfgbarkeit von externen Laufwerken
Struktur der Festplatte
Auf den CMOS-Speicher wird ebenfalls beim Starten des Computers zurckgegriffen.
Speicherung dieser Informationen im ROM?
Beim Wechseln einer Festplatte
Bei einer nderung der Systemkonfiguration

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4.5 Prozessor4.5 Prozessor
Prozessor oder CPU (Central Processing Unit)
Aufgabe : CPU fr PCs ist auf einem Chip
Logische Einteilung in die beiden Komponenten Steuerwerk (Control Unit) und Rechenwerk (Arithmetic Logic Unit)
ProzessorProzessor
1. 2. 3. 4.
Hauptspeichermit Daten
Hauptspeichermit Befehlen
Rechen-werk
Steuerwerk
CPU
12
4
3
Hauptspeichermit Daten
Hauptspeichermit Befehlen
Rechen-werk
Steuerwerk
CPU
12
4
3

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Prozessorleistung und PCProzessorleistung und PC--LeistungLeistung
Prozessor beeinflusst wesentlich die Gesamtleistung eines Computers
Allgemeine Aussage:
Mit steigender Prozessorleistung steigt auch die Geschwindigkeit zur Abarbeitung der Aufgabe
Aber
Ein alter Computer erhlt einen neuen, wesentlich schnelleren Prozessor:
Leistungsfhigkeit des Prozessors wird durch folgende technische Parameter bestimmt
Taktfrequenz, Wortbreite, und Cache
Leistungsparameter von ProzessorenLeistungsparameter von Prozessoren
TaktfrequenzEine interne Uhr sendet Signale in einem bestimmten Takt an die unterschiedliche KomponentenTakt beeinflusst Geschwindigkeit
Die Anzahl der ausfhrbaren Befehle pro Zeiteinheit ist die begrenztTaktfrequenz in Megahertz (MHz) bzw. Gigahertz (GHz)
Wortbreite
Anzahl von Bits, die vom Prozessor parallel verarbeitet wird
Abhngig von
Aktuelle Wortbreiten: 32- oder 64-Bit

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Leistungsparameter von ProzessorenLeistungsparameter von Prozessoren
CacheProblem:
Ausfhrungszeit von Verarbeitungsbefehlen ist krzer als die vonTransportbefehlen
Gesamtleistungsfhigkeit des Computers wird begrenzt durch
Lsung des Problems:
ein oder mehrer Cache-Speicher aus schnellen Speicherchips
4.6 Bus4.6 Bus--Systeme, Hubs und Systeme, Hubs und GerteschnittstellenGerteschnittstellen
Wie knnen die Komponenten untereinander verbunden werden?
Direkte Verbindung der einzelnen Komponenten Nachteil:
Sehr aufwendige Umsetzung
Direkte Verbindung

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BusstrukturBusstruktur
Bus Sammelleitung zur Kommunikation
Nur ein bertragungskanal
Anschluss aller Komponenten an diesen bertragungskanal
bertragungskanal besteht aus mehradrigen Leitungen
Bussysteme unterscheiden sich hauptschlich in der bertragungsrate der Daten
PCI (Peripherial Component Interconnect)
USB (Universal Seriell Bus)
Busstruktur
Hub (Sternstruktur)Hub (Sternstruktur)
Hub [Nabe, Mittelpunkt, Verteiler] Jede Komponente ist dem Hub verbunden
Zentrale organisiert den Datenfluss zwischen den beteiligten Komponenten
PC-Architekturen mit zwei Hubs
MCH (Memory Controller Hub)
ICH (I/O Controller Hub)
HubHubSternstruktur

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PCPC--ArchitekturArchitektur
Intel Pentium 4Processor
MCH
HauptspeicherGrafikkarte
ICH
AGP
ATASchnittstelle
USB
LAN -InterfaceAudio
Channel
Schnittstellen/PortsSeriellParallelFireWire
FSB
Intel Pentium 4Processor
MCH
HauptspeicherGrafikkarte
ICH
AGP
ATASchnittstelle
USB
LAN -InterfaceAudio
Channel
Schnittstellen/PortsSeriellParallelFireWire
FSB
Einbau neuer interner KomponentenEinbau neuer interner Komponenten
Neue interne Komponenten in Form von Erweiterungskarten
Achtung beim Kauf von Erweiterungskarten!
Erweiterungskarten fr Notebooks:

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Gerteschnittstellen / PortsGerteschnittstellen / Ports
Anschluss eines externes Gerts ber
Gerteschnittstelle (Port)
Einteilung der Gerteschnittstellen nach der bertragungsart
Serielle
Bits werden nacheinander verschickt
Parallele
Mehrere Bits werden parallel bertragen
Gerteschnittstellen / PortsGerteschnittstellen / Ports
Bild aus: Parson/Onja. 2003

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Schnittstellen / PortsSchnittstellen / Ports
Schnittstelle Name Eigenschaft Verwendung
Serieller Port, 56 Kbps
Maus, Externes Modem
Paralleler Port, 12 000 Kbps
Drucker, Externes Bandlaufwerk
Universeller Serieller Bus, 480 000 Kbps
Tastatur, Drucker, MP3-Player
Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die...