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1 Hauptplatine
Die Hauptplatine ist das Herzstück des PC und wird auch Motherboard oder Mainboard genannt. Es enthält Bausteine zur internen Kommunikation zwischen den Komponenten, zur Stromversorgung dieser Komponenten und zur Verbindung mit peripheren Geräten.
Abb. 1: Hauptplatine (Begriffe werden später erläutert)
Komponenten:
Prozessor
Hauptspeicher
Steckplätze
BIOS
Standard-Typen:
Bekannte Hersteller:
Achtung:
Momentan gibt es fünf verschiedene Steckplätze für Prozessoren:
Slot 1 für Pentium III und Celeron
Slot 2 für Pentium III Xeon
Slot A für AMD K7-Athlon
Socket 7 für Pentium-kompatible Prozessoren von AMD und Cyrix
Socket 370 für Pentium III FC-PGA und gesockelten Celeron
1.1 Prozessor
Kernstück des PC, auch CPU (Central Processing Unit) genannt.
Die Rechenleistung ist direkt abhängig von:
Prozessorfamilie (Intel 80x86, Motorola 68000, IBM/Motorola/Apple PowerPC, ...)
Prozessortyp (80386, 80486, Pentium, ...)
Taktfrequenz (700 MHz, 800 MHz, 1000 MHz, ...)
Standard in der momentanen PC-Welt sind die Intel 80x86-Familie (Typ Pentium III) sowie das Konkurrenzprodukt von AMD (Typ K7-Athlon). Alle Prozessortypen beinhalten heute einen mathematischen Coprozessor, der bei Gleitkommaberechungen und trigonometrischen Funktionen eine immense Geschwindigkeitssteigerung bis zum Faktor 100 bringt.
Vorsicht:
Pentium-Prozessoren, die vor 1995 produziert wurden, haben teilweise einen fehlerhaften Coprozessor. Test durch Aufruf des wissenschaftlichen Taschenrechners mit folgender Gleichung:
4195835 - (4195835 / 3145727) * 3145727 = 0, ein fehlerhafter Pentium liefert 256 !!!
Systemleistungsvergleich von Intel-Prozessoren: (Quelle: PC-Technik für Systembetreuer, RRZN, 3. Auflage)
Prozessor-Typ |
Transistoren |
L1-Cache (kB) |
L2-Cache (kB) |
Taktfrequenz (MHz) |
MIPS |
Eingeführt |
8086 |
29.000 |
|
|
4,77 - 10 |
0,5 |
Jan. 1980 |
80286 |
130.000 |
|
|
8 - 25 |
1,2 - 2,66 |
Feb. 1982 |
80386-DX |
275.000 |
|
|
16 - 40 |
4 - 11,4 |
Okt. 1985 |
80386-SX |
275.000 |
|
|
16 - 33 |
3 - 5,2 |
Juni 1988 |
80486-DX |
1,2 Mio |
8 |
|
25 - 50 |
13 - 41 |
Apr. 1989 |
80486-DX2 |
1,2 Mio |
8 |
|
66/33 oder 80/40 |
54 |
März 1992 |
Pentium |
3,1 Mio |
16 |
|
(60)75 - 200 |
110 |
Nov. 1992 |
80486-DX4 |
1,2 Mio |
8 |
|
100/33 |
54 |
Nov. 1994 |
Pentium Pro |
1,4 Mio |
16 |
256/512 |
150, 166, 180, 200 |
150 |
Nov. 1995 |
Pentium MMX |
3,1 Mio |
32 |
|
166, 200, 233 |
110 |
Nov. 1996 |
Pentium II |
7,5 Mio |
32 |
512 |
350, 400, 450 |
366 |
Jan. 1997 |
Pentium III |
9,5 Mio |
32 |
512 |
450, 500 |
1200 |
Nov. 1999 |
Pentium III |
9,5 Mio |
32 |
512 |
600, 650, 700, 733 |
1616 |
Feb. 2000 |
Cache:
Schneller Zwischenspeicher zwischen Prozessor und Hauptspeicher (siehe 1.2).
Taktfrequenz:
Intern: Verarbeitungsgeschwindigkeit im Prozessor
Extern: Verarbeitungsgeschwindigkeit zwischen Prozessor und Hauptplatine, üblicherweise 100 MHz oder 133 MHz
MIPS:
Millions of Instructions Per Second (Millionen von Anweisungen pro Sekunde).
1.2 Hauptspeicher und Cache
Der Hauptspeicher wird auch als Arbeitsspeicher oder RAM (Random Access Memory) bezeichnet. Programme und Daten werden i.a. von der Festplatte in den Hauptspeicher geladen und von dort zur Bearbeitung in den Prozessor geleitet. Es handelt sich um einen sogenannten "flüchtigen" Schreib-/Lesespeicher, d.h. nach Ausschalten oder Neustart des PC ist der Hauptspeicher gelöscht.
Die Speicherkapazität wird in Megabyte angegeben:
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Abb. 4: PS/2 SIMM |
Abb. 5: DIMM |
Speicherbaustein-Typen:
DIP-Baustein:
Dual Inline Package-Gehäuse (normaler Chip-Baustein); für 1 MB Speicher brauchte man neun 1 MBit-DIPs (8 Bit plus Parity-Bit); unhandlicher Einbau; völlig veraltet.
Größen: 256 kBit, 1 MBit
SIP-Modul:
Single Inline Package-Gehäuse; Modul bestehend aus 9 DIPs mit 32 Anschlußpins; behutsamer Einbau erforderlich; völlig veraltet.
Größen: 256 kB, 1 MB
SIMM-Modul:
Single Inline Memory Module; vergleichbar mit einem SIP-Modul, jedoch 30 Kontaktanschlüsse anstelle der Pins, dadurch unkomplizierter Einbau; lange Zeit aktuell; kaum noch erhältlich.
Größen: 256 kB, 1 MB, 4 MB
PS/2 SIMM-Modul:
72-poliger Kontaktanschluß; haben aufgrund höherer Chip-Kapazitäten normale SIMMs fast völlig vom Markt verdrängt; noch erhältlich.
Größen: 16 MB, 32 MB, 64 MB
DIMM-Modul:
Dual Inline Memory Module; Weiterentwicklung eines PS/2 SIMMs mit 168 Pins; als einzelnes Modul verwendbar; wegen Massenfertigung preiswert; aktueller Speicherbaustein.
Größen: 64 MB, 128 MB, 256 MB
Bemerkungen:
PS/2 SIMMs sind heute nur noch als EDO-Ausführung (Extended Data Output) erhältlich. Dadurch sind die Lesezugriffe bei neueren Motherboards zwar geringfügig schneller, ersetzen jedoch keineswegs den L2-Cache, wie oftmals fälschlicherweise angegeben wird!
DIMMs sind heute nur noch als SDRAM-Ausführung (Synchronous Dynamic Random Access Memory) erhältlich. Dadurch werden die Daten mit wesentlich höherer Taktfrequenz blockweise ausgegeben.
Aufgrund der üblichen schnellen Prozessoren haben heute fast alle erhältlichen PS/2 SIMMs eine Zugriffszeit von 60 ns (Nanosekunden), DIMMs sogar nur 7 ns.
PS/2 SIMMs und DIMMs sind üblicherweise nur noch mit 8 Chips bestückt. Auf das Paritybit zur Fehlererkennung durch Prüfsummenbildung kann wegen der hohen Zuverlässigkeit der modernen Chips verzichtet werden.
Speicher-Bänke:
Eine Speicherbank besteht aus 2 oder 4 SIMM-Steckplätzen bzw. 1 DIMM-Steckplatz, wobei jede Bank entweder leer oder voll bestückt sein muß. Eine Einzelbestückung ist nur bei DIMM-Steckplätzen möglich! Bei SIMM-Steckplätzen können folgende Probleme auftreten:
Es sind nur bestimmte Ausbaustufen möglich (2 bzw. 4 x 1 MB, 2 bzw. 4 x 4 MB, ...).
Bei Speichererweiterung müssen eventuell alte SIMMs ersetzt werden.
Motherboards für PS/2 SIMMs besitzen meistens 2 oder 3 Bänke mit jeweils 2 Steckplätzen,
Motherboards für DIMMs besitzen meistens 2 bis 4 Bänke mit jeweils 1 Steckplatz.
Cache:
Ein aus schnellen statischen Speicherbausteinen zusammengesetzter Zwischenspeicher zwischen Prozessor und Hauptspeicher, sprich: Käsch. Dadurch werden Wartezyklen (Waitstates) beim Zugriff des Prozessors auf den Hauptspeicher vermieden und die Performance erheblich gesteigert. Die Auswahl der Daten, die im Cache abgelegt werden, verwaltet der Cache-Controller.
Funktion:
Prozessor will Daten vom Hauptspeicher lesen:
Daten werden auf Verdacht im voraus in den Cache gelesen. Ein erneuter Zugriff auf diese Daten kann dann vom viel schnelleren Cache erfolgen (Cache-Hit). Stehen dagegen die angeforderten Daten nicht im Cache (Cache-Miss), so muß zunächst vom langsamen Hauptspeicher gelesen werden. Dabei wird zugleich der Cache mit den neuen Daten aktualisiert.
Prozessor will Daten in den Hauptspeicher schreiben:
Daten werden in den Cache geschrieben, Prozessor kann schnell weiterarbeiten. Erst wenn Zeit ist oder der Cache voll ist, werden diese in den Hauptspeicher geschrieben (nicht beim Write-Through-Cache, siehe Cache-Arten).
Es gibt zwei Cache-Ebenen (siehe Prozessortabelle in 1.1):
L1-Cache (First-Level-Cache):
Cache direkt im Prozessor-Chip, daher sehr schnell, aber auch relativ klein (8 - 32 kB).
L2-Cache (Second-Level-Cache):
Bei Pentium II und Pentium III direkt im Prozessor-Chip, sonst spezielle Speicherchips auf der Hauptplatine. Wesentlich teurer und mehr stromverbrauchend als normale SIMMs, daher oftmals in Notebooks nicht vorhanden. Übliche Größe 256 kB oder 512 kB.
Cache-Arten:
Write-Through Cache:
L2-Cache schreibt Daten sofort in den Hauptspeicher, der Prozessor muß abwarten.
Write-Back Cache:
L2-Cache speichert Daten und schreibt sie erst dann in den Hauptspeicher, wenn Zeit ist oder der Cache voll ist, der Prozessor kann schnell weiterarbeiten.
Pipelined Burst Cache:
Funktionsweise wie beim Write-Back Cache, jedoch werden schon die nächsten Adressen übermittelt, bevor der Prozessor die vorangehenden Daten eingelesen hat.
Speicherausstattung abhängig vom Betriebssystem (jeweils minimal / empfohlen):
MS-DOS / Windows 3.x: 8 MB / 16 MB
Windows 95/98: 64 MB / 128 MB
Windows NT/2000: 128 MB / 256 MB
Zum momentanen Zeitpunkt liegen die Speicherpreise auf folgendem Niveau:
64 MB-DIMM (133 MHz): ca. 69,- DM
128 MB-DIMM (133 MHz): ca. 115,- DM
256 MB-DIMM (133 MHz): ca. 219,- DM
Am günstigsten ist es momentan, den oben empfohlenen Speicherausbau mit 128 MB-Bausteinen durchzuführen. Im Hinblick auf spätere Erweiterbarkeit ist dabei auf die maximale Bestückbarkeit der Hauptplatine zu achten.
1.3 Bussysteme
Der interne Bus verbindet verschiedene Komponenten auf der Hauptplatine miteinander, der externe Bus versorgt die Steckplätze (Slots) für Hardware-Erweiterungen, z.B.:
Grafikkarte
SCSI-Controller
Netzwerkkarte
Soundkarte
Heutige Hauptplatinen haben einen Großteil dieser Erweiterungen bereits Onboard. Dies hat Vor-, aber auch Nachteile:
+ Schnellere Datenübertragung als auf dem externen Bus
+ Slots bleiben für etwaige Erweiterungen frei
+ Billiger für den Hersteller
– Hardware-Updates schwer durchführbar
– Bei Defekt muß gesamte Hauptplatine getauscht werden
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Abb. 6: PCI-SCSI-Controller |
Abb. 7: ISA-Soundkarte |
Steckplatz-Bussysteme:
ISA (Industry Standard Architecture); max. Übertragungsrate 8,33 MB/s:
Der Klassiker; sehr weit verbreitet; 16 Bit breit; 8,33 MHz Taktfrequenz; kann nur auf 16 MB Hauptspeicher zugreifen; für zusätzliche Schnittstellen- oder Soundkarten vollkommen ausreichend, nicht jedoch für Grafikkarten, SCSI-Controller oder schnelle Netzwerkkarten bei Pentium-Rechnern.
MCA (Micro Channel Architecture); max. Übertragungsrate 20 MB/s:
Nur noch in alten IBM-Rechnern vorhanden; 32 Bit breit; 10 MHz Taktfrequenz; völlig inkompatibel zum ISA-Bus sowie hoher Preis für Hauptplatinen und Erweiterungskarten; konnte sich nicht durchsetzen.
EISA (Extended Industry Standard Architecture); max. Übertragungsrate 33 MB/s:
Nur noch in Servern zu finden; 32 Bit breit; 8,33 MHz Taktfrequenz; kann auch mit ISA-Karten bestückt werden (abwärtskompatibel); hat sich aufgrund des hohen Preises für Hauptplatinen und Erweiterungskarten nie richtig durchgesetzt.
VLB (VESA Local Bus, VESA = Video Equipment Standards Association); max. Übertragungsrate 66 MB/s:
Auf Hauptplatinen mit 80486-Prozessor zu finden; 32 Bit breit; 40 MHz Taktfrequenz; max. 2 Steckplätze bei 40 MHz; längst vom PCI-Bus abgelöst.
PCI (Peripheral Component Interface); max. Übertragungsrate 267 MB/s:
Der heutige Standard bei Pentium-Boards; 64 Bit breit; 66 MHz Taktfrequenz; Grafikkarten, SCSI-Controller und schnelle Netzwerkkarten nur noch in PCI-Ausführung erhältlich.
AGP (Accelerated Grafik Port); max. Übertragungsrate 533 MB/s:
Neuere PCI-Boards besitzen zusätzlich einen AGP, der nur für eine entsprechende 3D-Grafikkarte gedacht ist; verwendet normalen Hauptspeicher für Texturen.
Weitere Bussysteme:
PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association):
Standard bei Notebooks für scheckkartengroße Erweiterungen, z.B. Netzwerkkarte oder Modem; meistens die einzige Erweiterungsmöglichkeit bei Notebooks.
USB (Universal Serial Bus); max. Übertragungsrate 12 MB/s:
Neuer Standard für die Verbindung von externen Geräten; sämtliche Peripherie kann beliebig miteinander kombiniert werden (z.B. Tastatur, Maus, Drucker, Modem, ...); hohe Datenübertragungsrate; jetzt erst so richtig im Kommen, da immer mehr Peripherie erhältlich.
1.4 BIOS, CMOS, Setup
Das BIOS (Basic Input Output System) ist die Schnittstelle zwischen Betriebssystem (z.B. MS-DOS) und der Hardware. Es ist fest in einem ROM-Chip (Read Only Memory) auf der Hauptplatine einprogrammiert und stellt Grundprogramme zum Ansprechen von Disketten- und Festplattenlaufwerken, Grafikkarten, seriellen und parallelen Schnittstellen usw. zur Verfügung. Die meisten Programme greifen über diese Grundprogramme auf die Hardware zu. Die Rechnerleistung is
