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

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    17-Sep-2018

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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

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 2

    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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    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 3

    Grundstruktur von ComputernGrundstruktur von Computern

    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

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 4

    Grundstruktur von ComputernGrundstruktur von Computern

    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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    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 5

    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

    Tastatur Maus Festplatte DruckerBildschirm

    Periphere Gerte

    Tastatur Maus Festplatte DruckerBildschirm

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 6

    4.2 Computerklassen 4.2 Computerklassen

    Personal Computer (PC)

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    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 7

    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

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 8

    ComputerklassenComputerklassen

    Workstation

    Spezieller Computer zur Durchfhrung von besonderen Aufgaben

    Einzelnen PC in einem Netzwerk

    Computer mit starker Prozessorleistung

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    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 9

    ComputerklassenComputerklassen

    Videogame-Konsolen

    Prozessoren wie in

    Zustzlich verfgen sie ber spezielle Grafikkarten

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 10

    ComputerklassenComputerklassen

    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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    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 11

    ComputerklassenComputerklassen

    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

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 12

    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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    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 13

    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

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 14

    PC NetzteilPC Netzteil

    Netzteil

    Gleichstrom im Niedervoltbereich (3,3 bis 12 V)

    Schutz vor berspannungen sorgen

    Schutz gegen kurzfristigen Netzausfall

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    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 15

    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 Erweiterungskarten

    Slots fr den Hauptspeicher

    Schnittstellen

    MCH

    ICH

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 16

    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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    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 17

    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

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 18

    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:

  • 10

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 19

    ArbeitsspeicherArbeitsspeicher

    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

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 20

    ArbeitsspeicherArbeitsspeicher

    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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    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 21

    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

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 22

    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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    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 23

    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

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 24

    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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    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 25

    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)

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 26

    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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    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 27

    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

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 28

    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

  • 15

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 29

    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

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 30

    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

  • 16

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 31

    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

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 32

    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

  • 17

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 33

    PCPC--ArchitekturArchitektur

    Intel Pentium 4Processor

    MCH

    HauptspeicherGrafikkarte

    ICH

    AGP

    ATASchnittstelle

    USB

    LAN -InterfaceAudio

    Channel

    Schnittstellen/PortsSeriellParallelFireWire

    FSB

    Slots fr Erweiterungskarten

    Intel Pentium 4Processor

    MCH

    HauptspeicherGrafikkarte

    ICH

    AGP

    ATASchnittstelle

    USB

    LAN -InterfaceAudio

    Channel

    Schnittstellen/PortsSeriellParallelFireWire

    FSB

    Slots fr Erweiterungskarten

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 34

    Einbau neuer interner KomponentenEinbau neuer interner Komponenten

    Neue interne Komponenten in Form von Erweiterungskarten

    Achtung beim Kauf von Erweiterungskarten!

    Erweiterungskarten fr Notebooks:

  • 18

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 35

    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

    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 36

    Gerteschnittstellen / PortsGerteschnittstellen / Ports

    Bild aus: Parson/Onja. 2003

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    Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Einfhrung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 37

    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...