Komponenten Ihres Computers: Motherboard, Prozessor & RAM

Das Motherboard, auch Hauptplatine genannt, ist das zentrale Element eines Computers. Es verbindet nahezu alle Geräte miteinander und sorgt dafür, dass sie korrekt funktionieren. Das Mainboard bestimmt die Kapazität der Komponenten eines Computers und dessen weitere Ausbaumöglichkeiten.

Ein Motherboard besteht aus einer Kunststoffplatte mit gedruckten Schaltungen, einem Satz von Chips sowie verschiedenen Arten von Steckern und Buchsen.

Das Motherboard: Aufbau und Formfaktoren

Formfaktoren des Motherboards

AT:

Von IBM entwickelt, war der AT-Standard der erste in der Größe 12x13,2 Zoll (ca. 30,5 x 33,5 cm). Er integrierte die meisten Elemente auf einer Platine.

Baby AT:

Kleiner als der AT-Standard, aufgrund der höheren Integration von Komponenten. Wurde für PCs von den 286ern bis zu den ersten Pentium-Modellen verwendet.

ATX:

Von Intel entwickelt und am weitesten verbreitet. Kennzeichnend sind die Anordnung der Komponenten, bei der CPU und Arbeitsspeicher näher am Netzteil (PSU) platziert sind, um die Kühlung zu verbessern. Das Motherboard hat nur einen Stromanschluss, und die Laufwerksanschlüsse sind näher an der CPU. Es ermöglichte das Hinzufügen weiterer Elemente.

Mini-ATX:

Eine kompakte ATX-Version, kleiner, aber mit der gleichen Länge der Elemente.

Micro-ATX:

Eine noch kleinere Version mit den gleichen Funktionen und voll kompatibel mit ATX-Gehäusen (eingeführt 1997).

LPX:

Wurde häufig in vielen Desktop-Computern verwendet. Integrierte Peripheriegeräte (z.B. Soundkarte, Grafikkarte, Modem) waren üblicher. Nutzte eine Riser-Card für spezielle Steckkarten.

NLX:

Ähnlich wie LPX, ermöglichte aber den Aus- und Einbau ohne Werkzeuge.

BTX:

Von Intel im Jahr 2004 entwickelt, um die Position der CPU anzupassen und die Luftzirkulation zu verbessern, da die Wärmeentwicklung zunahm. Die CPU wurde direkt unter dem Netzteil-Lüfter platziert, um eine bessere Kühlung zu gewährleisten. Dieses Modell war aus Platzgründen nicht sehr erfolgreich.

WTX:

Von Intel im Jahr 1998 für Server mit mehreren CPUs und Festplatten entwickelt.

Motherboard-Komponenten im Detail

Die wichtigsten Komponenten, die auf der Hauptplatine zu finden sind:

• Sockel für den Mikroprozessor
• Speichersteckplätze (DIMM oder SIMM)
• Chipsätze (Northbridge, Southbridge)
• Das BIOS (Basic Input/Output System)
• Erweiterungssteckplätze (PCI, AGP, PCI Express)
• Externe E/A-Anschlüsse (z.B. PS/2, seriell, parallel, USB, LAN, S/PDIF, Audio, FireWire, VGA, DVI, Joystick)
• Interne Anschlüsse (z.B. IDE, SATA, FDD, USB-Header, Frontpanel-Anschlüsse, CD-IN, Lüfteranschlüsse, S/PDIF-Header)
• Stromanschlüsse (ATX, ATX 12V)
• CMOS-Batterie

Der Prozessor: Das Herzstück des Computers

Wie bereits in Punkt 2 erwähnt, ist der Prozessor die wichtigste Komponente des Computers. Er steuert die Ausführung aller Operationen der anderen Komponenten.

Physisch ist der Prozessor ein Chip mit Millionen von Transistoren, die auf einer Siliziumplatte integriert sind. Seine Größe hängt vom Gerät ab, in dem er verbaut wird (z.B. Computer, PDA, Mobiltelefon).

Früher waren Prozessoren fest mit dem Mainboard verlötet, was ein Problem darstellte, da sie nicht ausgetauscht werden konnten. Obwohl ein Prozessor eine lange Lebensdauer hatte, war seine Entwicklung sehr langsam. Heute ist das anders: Prozessoren werden über spezielle Sockel verbunden, was einen einfachen Austausch und zukünftige Upgrades ermöglicht.

Interne Prozessor-Architektur

Die Entwicklung von Prozessoren beinhaltet die Integration von immer mehr Komponenten auf einem Mikrochip, um sie schneller und effizienter zu machen. Dennoch ist nicht immer der schnellste Prozessor die beste Wahl. Ein guter IT-Experte muss einen Prozessor basierend auf spezifischen Anforderungen auswählen, unter Berücksichtigung von Kapazität, Preis und Anwendungsbereich.

Moderne Busse mit hohen Geschwindigkeiten sind entscheidend für Betriebssysteme wie Windows Vista oder 7 oder für die Echtzeit-Dekompression von Videoformaten.

Aktuelles CPU-Blockschaltbild

Die ersten Mikroprozessoren hatten nur die grundlegenden Komponenten (ALU, Register), wie von Von Neumann beschrieben. Jede Entwicklung der CPU führte zur Aufnahme neuer Funktionalitäten, die sie schneller und leistungsfähiger machten.

Heutige Prozessoren arbeiten mit Dual- oder Quad-Core-Architekturen, mit bis zu vier separaten Prozessorkernen, die jeweils über eigene Ressourcen verfügen.

Diese Architektur ermöglicht die gleichzeitige Ausführung von Multimedia-Anwendungen. Die Idee ist, parallel zu arbeiten, wobei jeder Kern seine Aufgaben erledigt und nicht auf die anderen warten muss.

Moderne Architekturen integrieren oft:

• FPU (Floating Point Unit)
• Cache auf den Ebenen L1, L2 und L3
• Front Side Bus (FSB) oder später BSB (Back Side Bus)
• RAM-Speicher-Controller
• Busse mit höherer Bandbreite

Prozessor-Funktionen und Leistungsparameter

Geschwindigkeit des Prozessors

Die Geschwindigkeit wird in MHz oder GHz gemessen (1000 MHz = 1 GHz). Es gibt zwei Arten von Geschwindigkeiten:

• Intern: Die Geschwindigkeit, mit der der Prozessor intern arbeitet.
• Extern oder System-Bus (FSB): Die Geschwindigkeit, mit der der Prozessor mit dem Motherboard kommuniziert. Diese ist langsamer als die interne Geschwindigkeit.

Aus diesen beiden Geschwindigkeiten ergibt sich das Konzept des Multiplikators, der das Verhältnis zwischen der internen Prozessorgeschwindigkeit und der FSB-Geschwindigkeit angibt.

Beispiel: Bei einem Pentium IV Prozessor mit einer Geschwindigkeit von 2,0 GHz und einem 500 MHz Bus, wie hoch ist der Multiplikator?

Interne Geschwindigkeit: 2,0 GHz = 2000 MHz
FSB-Geschwindigkeit: 500 MHz

Der Multiplikatorwert ergibt sich aus der Division der internen Geschwindigkeit durch die FSB-Geschwindigkeit:
2000 MHz / 500 MHz = 4

Der Multiplikator ist 4. Daher: Pentium IV 2,0 GHz (500 MHz x 4).

Der Cache-Speicher

Der Cache-Speicher ist ein sehr schneller Zwischenspeicher zwischen der CPU und dem RAM. Er ist langsamer als die CPU, aber viel schneller als der RAM, wenn auch kleiner. Er wird verwendet, um häufig benötigte Daten für den schnellen Zugriff zu speichern. Der Cache-Speicher ist in hierarchische Ebenen unterteilt: L1, L2 und L3. L1 ist der CPU am nächsten, ist am schnellsten, aber am kleinsten. L2 und L3 folgen in dieser Reihenfolge: Je höher die Ebene, desto geringer die Geschwindigkeit, aber desto größer die Kapazität.

Normalerweise ist der L1-Cache in zwei Teile geteilt: einen für Anweisungen und einen für Daten. Höhere Ebenen sind oft nicht geteilt. Beim Kauf eines Prozessors werden die Cache-Spezifikationen oft wie folgt angegeben:

1. 64 KB + 64 KB: Bedeutet 64 KB für Daten und 64 KB für Anweisungen.
2. 2 x 5 MB: Bedeutet zwei Cache-Ebenen, jede mit 5 MB Kapazität.
3. 2 MB: Dieser Cache wird von allen Ebenen gemeinsam genutzt.

Stromversorgung des Mikroprozessors

Der Mikroprozessor erhält Strom vom Motherboard. Es gibt zwei Arten von Spannungen:

• Extern: Ermöglicht die Kommunikation des Prozessors mit dem Chipsatz (z.B. Northbridge) und beträgt in der Regel 3,3 V.
• Intern: Wird für die interne Kommunikation des Mikroprozessors verwendet und ist niedriger als die externe Spannung, oft zwischen 1,8 V und 2,4 V.

TDP (Thermal Design Power)

Die TDP gibt die maximale Wärmemenge an, die das Kühlsystem eines Computers abführen muss. Wenn ein Mikroprozessor beispielsweise einen TDP-Wert von 20 W hat, bedeutet dies, dass Lüfter und Kühlkörper benötigt werden, die diese Wärmemenge effektiv ableiten können.

Es ist wichtig zu beachten, dass bei unzureichender Kühlung Schäden an der CPU und anderen Motherboard-Komponenten entstehen können, bis hin zum Durchbrennen.

Spezielle Befehlssätze

Diese speziellen Befehlssätze sind darauf ausgelegt, die Leistung in Multimedia-Anwendungen zu verbessern, indem sie bestimmte Operationen effizienter ausführen. Sie werden beispielsweise verwendet, um unkomprimierte Videos in Echtzeit anzuzeigen (z.B. MPEG-2, MPEG-4).

Jeder Prozessor-Generation wird eine neue Reihe von Befehlssätzen hinzugefügt, um die Leistung weiter zu verbessern. Dies begann mit den MMX-Befehlssätzen von Intel und AMD und reicht heute bis zu SSE4 bei neueren Prozessoren.

Architekturen: 32-Bit und 64-Bit

Wenn wir von 32-Bit-, 64-Bit- oder sogar 128-Bit-Architekturen sprechen, beziehen wir uns auf die Bandbreite der Register der ALU (Arithmetic Logic Unit) oder die Breite der Adress- und Datenbusse.

32-Bit-Architekturen wurden für Anwendungen mit kleinen oder mittleren Anforderungen entwickelt. Sie stellen eine maximale Adressierungsfähigkeit von 4.294.967.295 Bytes (ca. 4 GB) RAM dar. Ein Überlauf oder Unterlauf tritt auf, wenn dieser Grenzwert überschritten oder unterschritten wird.

Derzeit sind 64-Bit-Computer Standard, obwohl viele Anwendungen immer noch mit 32 Bit arbeiten können. 64-Bit-Systeme können deutlich mehr Arbeitsspeicher adressieren und größere Datenmengen pro Taktzyklus verarbeiten.

Arbeitsspeicher (RAM): Typen und Parameter

Der Arbeitsspeicher ist ein Speichersystem, das für die Speicherung von Daten zuständig ist, auf die die CPU schnell zugreifen muss. Wir unterscheiden verschiedene Speichertypen für den schnellen Zugriff:

Grundlegende Speichertypen

RAM (Random Access Memory):

Der Hauptarbeitsspeicher, der schnelles Lesen und Schreiben ermöglicht. Er ist flüchtig, d.h., Daten gehen verloren, wenn der Computer ausgeschaltet wird. Aktuelle Kapazitäten liegen typischerweise zwischen 8 GB und 64 GB.

Cache:

Der der CPU am nächsten gelegene Speicher. Schneller als der RAM, aber kleiner. Er enthält häufig genutzte Daten und ist in Hierarchien (L1, L2, L3) organisiert.

CMOS:

Speichert Konfigurationsdaten der Hardware (z.B. Datum, Uhrzeit, Boot-Reihenfolge). Er hat eine geringe Kapazität und wird durch eine Batterie mit Strom versorgt.

ROM (Read-Only Memory):

Speichert die Boot-Sequenz des Computers (z.B. BIOS/UEFI). Dieser Speicher kann normalerweise nicht vom Benutzer gelöscht, aber bei Bedarf aktualisiert (geflasht) werden.

Grafikspeicher (VRAM):

Speicher, der sich auf der Grafikkarte befindet und für Grafik-Anwendungen verwendet wird. Er ist in der Regel sehr groß (mehrere GB) und wird von der Grafikkarte selbst verwaltet. Bei Laptops wird der Grafikspeicher oft mit dem Haupt-RAM geteilt (Shared Memory).

Wichtige Speicherparameter

• Geschwindigkeit: Wird in Hertz (Hz) gemessen, aktuell in Megahertz (MHz) oder Gigahertz (GHz). Sie gibt die Anzahl der Operationen an, die pro Sekunde durchgeführt werden können.
  Beispiel: Ein 800 MHz Speicher kann 800 Millionen Operationen pro Sekunde ausführen.
• Bandbreite: Die Datenmenge, die pro Sekunde übertragen werden kann (rein oder raus), gemessen in MB/s oder GB/s.
• Dual Channel: Ermöglicht den parallelen Zugriff auf zwei Speichermodule gleichzeitig, was die Bandbreite verdoppelt. Hierfür müssen die Module identisch sein (gleicher Typ, gleiche Kapazität).
• Latenz: Die Wartezeit, bis die angeforderten Daten im Speicher gefunden und bereitgestellt werden.
• CAS Latency (CL): Gibt die Latenz in Taktzyklen an, von der Anforderung der Daten bis zu deren Bereitstellung.
• Zugriffszeit (Access Time): Die Zeit, die für den Zugriff auf den Speicher selbst benötigt wird. Sie wird in Nanosekunden (ns) gemessen.
• ECC (Error-Correcting Code): Ein System zur Fehlererkennung und -korrektur im Speicher. Es erkennt Speicherfehler und kann diese in einigen Fällen reparieren, was die Systemstabilität erhöht. Wird hauptsächlich in Servern und Workstations eingesetzt.

Arbeitsspeicher-Technologien (RAM-Typen)

Der Arbeitsspeicher ist das Speicherelement zwischen der CPU und dem sekundären Speicher (z.B. Festplatte). Seine Hauptaufgabe ist es, die Geschwindigkeit zu verbessern, mit der Daten und Anweisungen für die CPU verfügbar sind. Er ist flüchtig.

SRAM (Static RAM):

Ein Speichertyp, der Informationen dauerhaft speichert, solange er mit Spannung versorgt wird. Er besteht aus Tausenden von Transistoren, nimmt mehr Platz ein, hat weniger Kapazität, ist aber deutlich schneller. Wird derzeit hauptsächlich als Cache-Speicher verwendet.

DRAM (Dynamic RAM):

Ein Speichertyp, der ständig neu geschrieben werden muss. Er besteht aus Kondensatoren, die ihre Ladung verlieren. Daher muss er regelmäßig aufgefrischt werden, um die Informationen zu erhalten. DRAM wird in PCs als Hauptarbeitsspeicher verwendet.

VRAM (Video RAM):

Speicher, der speziell für Grafikkarten angepasst ist. Es handelt sich oft um eine Variante von DRAM oder SRAM mit Optimierungen für Grafikanwendungen, um kostengünstig zu sein.

SDRAM (Synchronous DRAM):

Dieser Speichertyp synchronisiert sich mit dem Systemtakt, was das Lesen und Schreiben im Burst-Modus ermöglicht. Er war weit verbreitet, arbeitete mit einem 64-Bit-Bus und Geschwindigkeiten von 100 oder 133 MHz.

(Wir können die Geschwindigkeit eines Speichers berechnen, wenn wir die Bandbreite und die Busbreite kennen. Beispiel: PC100 = 8 Bytes/Takt * 100 MHz = 800 MB/s)

DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM):

Ermöglicht den parallelen Betrieb, wodurch die doppelte Datenrate pro Taktzyklus erreicht wird (z.B. 200 oder 266 MHz effektive Geschwindigkeit). Dies ist eine Weiterentwicklung von SDRAM.

DDR2 SDRAM:

Eine Weiterentwicklung von DDR-SDRAM mit verbesserter Geschwindigkeit und geringerer Leistungsaufnahme (weniger Wärmeentwicklung). Erreichte Geschwindigkeiten von 400 MHz und eine Gesamtkapazität von bis zu 2 GB pro Modul. Ein Nachteil war die erhöhte Latenz im Vergleich zu DDR.

DDR3 SDRAM:

Die nächste Entwicklung nach DDR2, mit noch höheren Geschwindigkeiten, geringerem Energieverbrauch und Modulen mit Kapazitäten von bis zu 8 GB. Auch hier stieg die Latenz weiter an.

Vorteile von DDR3 gegenüber früheren Generationen:

• Höhere Geschwindigkeit
• Größere Kapazität pro Modul
• Geringere Spannung, dadurch weniger Wärmeentwicklung

Nachteil:

• Höhere Latenz

Speichermodule: Bauformen und Kompatibilität

Speichermodule sind kleine Leiterplatten, die mehrere Speicherchips umfassen.

Gängige Speichermodule

SIMM (Single In-line Memory Module):

Ältere Speichermodule, die in den 80er und 90er Jahren verwendet wurden. Heute veraltet.

DIMM (Dual In-line Memory Module):

Speichermodule mit 168 Pins und zwei Kerben. Sie wurden für SDRAM verwendet und hatten Speicherkapazitäten von 32 MB bis 2 GB.

DDR DIMM:

Speichermodule mit 184 Pins und einer Kerbe in der Mitte, speziell für DDR-SDRAM.

DDR2 DIMM:

Speichermodule mit 240 Pins und einer mittigen Kerbe, die jedoch anders positioniert ist als bei DDR DIMMs. Für DDR2-RAM.

DDR3 DIMM:

Speichermodule mit 240 Pins, deren Kerbe ebenfalls mittig, aber an einer anderen Position als bei DDR2 DIMMs ist. Für DDR3-SDRAM.

RIMM (Rambus In-line Memory Module):

Speichermodule mit 168 bis 232 Pins. Sie waren viel schneller als die vorherigen Typen und hatten in der Regel einen Kühlkörper. Ihre Kosten waren sehr hoch, und sie wurden für RDRAM-Speicher verwendet.

Spezielle Speichermodule

FB-DIMM (Fully Buffered DIMM):

Speichermodule mit 240 Pins und einer mittigen Kerbe an einer speziellen Position. Sie werden hauptsächlich in Servern eingesetzt und bieten sehr hohe Geschwindigkeiten, erzeugen aber viel Wärme und haben längere Latenzzeiten. Sie sind zudem sehr teuer. Die Datenübertragung erfolgt seriell.

GDDR (Graphics Double Data Rate):

Speicher, der speziell für integrierte Grafiklösungen, insbesondere für Spiele, entwickelt wurde. Diese Speicher sind sehr schnell und werden direkt von der Grafikkarte gesteuert. Sie basieren auf der DDR-SDRAM-Technologie.

SODIMM (Small Outline DIMM):

Kleinere Speichermodule für Laptops und andere kompakte Geräte, die SDRAM-Technologien nutzen.

Micro-DIMM:

Noch kleinere Speichermodule für DDR- und DDR2-Technologien, die nicht mit den vorherigen kompatibel sind.

Buffered Modules (Registered DIMM / RDIMM):

Speicher mit einem Puffer zwischen den Speicherchips und dem Speichercontroller. Dieser Puffer verbessert die Zuverlässigkeit der Daten, führt aber zu längeren Zugriffszeiten (Latenz). Sie werden hauptsächlich in Servern eingesetzt, wo Stabilität wichtiger ist als maximale Geschwindigkeit.

Unbuffered Modules (Unbuffered DIMM / UDIMM):

Speicher, der direkt mit dem Speichercontroller (oft in der Northbridge oder CPU) kommuniziert. Dies macht sie schneller, aber potenziell weniger stabil bei sehr großen Speicherkapazitäten oder in Umgebungen, die höchste Zuverlässigkeit erfordern.