Grundlagen der Computer-Architektur: Komponenten erklärt

Grundlagen der Computer-Architektur

Hardware und Software

Hardware: Die physischen Komponenten, aus denen ein Computer besteht.

Software: Eine Sammlung von Anweisungen, die die verschiedenen Komponenten des Computers anweisen, bestimmte Aufgaben auszuführen.

Grundlegende Architektur

• CPU (Central Processing Unit): Die zentrale Verarbeitungseinheit, die Daten verarbeitet.
• Speicher (RAM und ROM): Speichert die zu verarbeitenden Informationen und die Ergebnisse.
• Motherboard: Die Hauptplatine, auf der Computerkomponenten direkt oder über Erweiterungssteckplätze verbunden sind.
• Ein-/Ausgabe-Peripheriegeräte: Ermöglichen den Austausch von Daten und Informationen mit der Außenwelt.
• Massenspeicher: Speichern Informationen dauerhaft.

Bussysteme

Alle diese Geräte sind durch Bussysteme miteinander verbunden, um Informationen untereinander auszutauschen. Ein Bus besteht aus einer Vielzahl von Leitungen, über die Informationen zirkulieren. Die Anzahl der Leitungen (8, 16, 32, 64 Bit) bestimmt die Busbreite und damit die Menge an Bits, die gleichzeitig übertragen werden kann, was ein wesentliches Merkmal der Computer-Architektur ist.

Der Mikroprozessor (CPU)

Der Mikroprozessor, auch CPU (Central Processing Unit) genannt, ist das Herzstück des Computers. Physisch ist es eine integrierte Schaltung (Chip) auf einer kleinen Siliziumplatte, die Millionen von Transistoren enthält. Die CPU ist dafür verantwortlich, die vom Benutzer eingegebenen Informationen zu verarbeiten, die notwendigen Berechnungen durchzuführen und das Ergebnis an das entsprechende Ziel zu senden.

Komponenten der CPU

• Steuerwerk (CU - Control Unit): Empfängt und interpretiert die Anweisungen. Es steuert die ALU direkt und andere Komponenten des Computers indirekt.
• Rechenwerk (ALU - Arithmetic Logic Unit): Führt die vom Steuerwerk angewiesenen arithmetischen (Addition, Multiplikation, Division etc.) und logischen Operationen aus.

Das Steuerwerk und das Rechenwerk sind durch interne Busverbindungen miteinander verbunden.

Chipsatz und Taktgeber

Chipsatz

Der Chipsatz befindet sich auf dem Motherboard und hat die Aufgabe, die externen Peripheriegeräte (über Kommunikationsanschlüsse und Erweiterungssteckplätze) zu verwalten und die Datenübertragung zwischen CPU und Speicher zu steuern. Er bestimmt auch, welche CPU-Modelle (z.B. Intel, AMD) unterstützt werden.

Taktgeber (Clock)

Der Taktgeber gibt die Geschwindigkeit an, mit der ein Computer grundlegende Operationen ausführt. Die Geschwindigkeit wird in Zyklen pro Sekunde (Hertz) gemessen. Die Taktfrequenz ist das Signal, das den Betrieb aller Komponenten synchronisiert.

Speicher

Speicher sind Geräte und Medien, die digitale Daten für einen bestimmten Zeitraum für die Verarbeitung bereithalten.

RAM (Random Access Memory)

Der Arbeitsspeicher (RAM) dient dazu, die Anweisungen und Daten zu speichern, die die CPU gerade verarbeitet, sowie die Ergebnisse dieser Verarbeitung temporär abzulegen.

RAM-Technologien

Moderne Speichertechnologien verwenden ein Taktsignal für Lese- und Schreibvorgänge, sodass sie immer mit dem Speichertakt des Busses synchronisiert sind.

• SDRAM (Single Data Rate Synchronous Dynamic RAM): Synchroner Speicher mit Zugriffszeiten von 25 bis 10 ns, verbaut in 168-Pin-DIMM-Modulen. Wurde in Pentium II, Pentium III sowie AMD K6, K7 Athlon und Duron Prozessoren verwendet.
• DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM): Synchroner Speicher, der Daten zweimal pro Taktzyklus sendet. Er wird in 184-Pin-DIMMs verbaut.
• DDR2-SDRAM: Eine Verbesserung des DDR-Speichers. Die Ein-/Ausgabe-Puffer arbeiten mit der doppelten Kernfrequenz, sodass pro Taktzyklus vier Datenübertragungen stattfinden. DDR2-Module haben 240 Kontakte.
• DDR3-SDRAM: Als Nachfolger von DDR2 verspricht DDR3 eine signifikante Leistungssteigerung bei niedrigerer Spannung. DDR3-DIMMs haben ebenfalls 240 Pins, sind aber aufgrund einer anders platzierten Kerbe nicht mit DDR2-Steckplätzen kompatibel.
• RDRAM (Rambus DRAM): Ein High-End-Speicher, der auf einem proprietären Protokoll der Firma Rambus basiert. Er wird in 184-Pin-RIMM-Modulen verbaut.

ROM (Read Only Memory)

Der Festwertspeicher (ROM) ist ein Nur-Lese-Speicher, dessen Inhalt nicht oder nur schwer geändert werden kann. Er wird hauptsächlich zur Speicherung von Firmware verwendet.

• BIOS-ROM: Enthält Herstellerinformationen, die auch beim Ausschalten des Computers nicht verloren gehen. Das BIOS (Basic Input/Output System) ist für den Startvorgang des Computers unerlässlich. Moderne BIOS-Chips sind oft EEPROMs (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), die aktualisiert werden können.

Cache-Speicher

Ein sehr schneller RAM-Pufferspeicher. Man unterscheidet zwischen L1-Cache (im Prozessor integriert) und L2-Cache (auf dem Motherboard oder im Prozessor).

Virtueller Speicher (Swap)

Der virtuelle Speicher, auch Auslagerungsdatei (Swap-Datei) genannt, ist eine Erweiterung des physischen RAMs auf der Festplatte. Wenn der Arbeitsspeicher nicht ausreicht, lagert das System Daten in diesen virtuellen Speicher aus.

Erweiterungskarten

Dies sind Komponenten, die dem Computer zusätzliche Funktionen hinzufügen (z.B. Grafik, Sound, Netzwerk).

Steckplatz-Typen

• ISA: Ein veralteter 16-Bit-Steckplatz.
• PCI: Ein schnellerer Steckplatz mit 32 oder 64 Bit. Varianten sind PCI-X und PCI-Express.
• AGP (Advanced Graphics Port): Ein 32-Bit-Steckplatz speziell für Grafikkarten.

Kommunikationsanschlüsse

Interne Anschlüsse

Befinden sich auf dem Motherboard und dienen zum Anschluss interner Geräte (Festplatte, DVD-Laufwerk, Lüfter).

Externe Anschlüsse

Dienen zum Anschluss externer Geräte. Die häufigsten sind:

• PS/2: Für Tastatur und Maus.
• Seriell (COM): Überträgt Daten Bit für Bit.
• Parallel (LPT): Überträgt Daten Byte für Byte.
• USB (Universal Serial Bus): High-Speed-Übertragung. Geräte können im laufenden Betrieb angeschlossen werden.
  • USB 1.1: bis zu 12 Mbit/s
  • USB 2.0: bis zu 480 Mbit/s
• FireWire (IEEE 1394): Ähnlich wie USB 2.0, wird häufig zur Übertragung von Videodaten verwendet.
• Infrarot (IrDA): Ermöglicht die kabellose Verbindung von Geräten.

Massenspeicher

Je nach Aufzeichnungstechnologie werden Massenspeicher unterteilt in magnetische, optische, magneto-optische und Flash-Speicher.

Magnetische Speicher

Speichern Daten durch Magnetisierung. Sie müssen vor der Verwendung formatiert werden.

• Festplatte (HDD - Hard Disk Drive): Ein nichtflüchtiges Speichergerät, auf dem meist das Betriebssystem gespeichert ist.
• Diskette: Veraltetes Medium zum Datentransfer.

Optische Speicher

Runde Scheiben, auf denen Informationen mit einem Laser geschrieben und gelesen werden.

• CD-ROM, CD-R, CD-RW
• DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW
• HD DVD und Blu-ray

Magneto-optische Speicher

Ein kombiniertes System, das Laser und Magnetismus zur Datenspeicherung nutzt.

Flash-Speicher

Die Speicherung basiert auf Speicherzellen (Transistoren), die Elektronen halten, um die Zustände 0 und 1 darzustellen.

Ausgabegeräte (Monitore)

Monitore ermöglichen die Visualisierung von Informationen. Wichtige Merkmale sind:

• Pixel: Die kleinste darstellbare Einheit, bestehend aus drei Subpixeln (Rot, Grün, Blau - RGB).
• Punktabstand (Dot Pitch): Der Abstand zwischen zwei Pixeln, ein Maß für die Bildschärfe.
• Auflösung: Die Anzahl der Pixel in Breite und Höhe.
• Bildschirmgröße: Die Diagonale des Bildschirms.
• Bildwiederholfrequenz (Hz): Wie oft das Bild pro Sekunde neu aufgebaut wird.

Monitortypen

• CRT (Cathode Ray Tube): Kathodenstrahlröhre.
• LCD (Liquid Crystal Display): Flüssigkristallanzeige.
• Plasma: Verwendet ionisiertes Gas zur Bilderzeugung.
• TFT (Thin Film Transistor): Eine fortschrittliche Art von LCD.
• OLED (Organic Light Emitting Diode): Organische Leuchtdioden, die selbst Licht emittieren.

Farbkodierung

Jede RGB-Farbe wird mit einem Byte (8 Bit) kodiert, was einen Intensitätswert von 0 bis 255 ermöglicht. Beispiele: Rot (255,0,0), Grün (0,255,0), Blau (0,0,255).