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Informatik
Hardware
Th Letschert
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Aufbau von Computersystemen
Zentraleinheit und Peripherie
– ZentraleinheitZur Zentraleinheit zählen
der Prozessor, der Arbeitsspeicher (RAM), die verschiedenen Bus- und Anschluss-Systeme sowie das Ein-/Ausgabesystem.
– PeripherieZur Peripherie gehören die Komponenten, die an die Zentraleinheit angeschlossen werden, nämlich:
Ausgabegeräte wie Bildschirme, Beamer, Drucker, Plotter
Eingabegeräte wie Tastatur, Maus, Scanner, Mikrofon Ein- und Ausgabegeräte wie Festplatten-Laufwerke,
CD-ROM- bzw. DVD-Laufwerke, Modems, Netzwerkkarten
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Aufbau von Computersystemen
Das EVA-Prinzip und der von-Neumann-Rechner
EingabeZuerst gelangen über eine Eingabeeinheit wie z.B. eine Tastatur, eine Maus, einen Memorystick usw. Daten in den Computer.
Verarbeitung
Die Verarbeitung dieser Daten findet dann in der Zentraleinheit statt.
Ausgabe Schließlich erfolgt die Ausgabe über ein Ausgabegerät wie Bildschirm, Drucker, Festplatte usw. erfolgt.
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Aufbau von Computersystemen
Komponenten eines von-Neumann-Rechners
Prozessor (CPU) Der Prozessor besteht aus
Steuerwerk Das Steuerwerk liest die Befehle und deren Operanden nacheinander ein und interpretiert diese anhand seiner Befehlstabelle. RechenwerkDas Rechenwerk führt die entsprechenden arithmetischen und logischen Operationen durch.
ArbeitsspeicherDer Arbeitsspeicher enthält die Befehle von ablaufenden Programmen und die zugehörigen Daten.
BussystemDas Bussystem ist für den Transport von Daten zwischen den Einheiten wie dem Prozessor, dem Arbeitsspeicher und den Ein-/Ausgabeeinheiten zuständig.
Ein- / AusgabeeinheitenDie Ein-/Ausgabeeinheiten nehmen neue Programme und Daten entgegen und geben fertig verarbeitete Daten aus.
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CPUSteuerwerk Rechenwerk
Bussystem
Speicher E/A-System
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Aufbau von Computersystemen
Aufbau heutiger Rechner
– Der heutige Aufbau von Rechnern folgt weitgehend dieser klassischen von-Neumann-Architektur.
– Bei heutigen PCs befinden sich diese Grundeinheiten physikalisch auf der so genannten Hauptplatine (Mainboard) und sind dort elektrisch verschaltet.
– Die Funktionsweise des von-Neumann-Rechners beruht auf folgendem sehr einfachen Prinzip:
Auf den Inhalt der in einem Programmbefehl angegebenen Speicherzelle wird die im Befehl angegebene Operation angewendet
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CPU Speicher
Befehl
Daten
Daten
Befehl
Befehl
Befehl
Daten
Dasten
Daten. . . . . .
1
23
4
1. Befehl laden2. Daten laden3. Befehl ausführen4. Daten speichern
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Aufbau von Computersystemen
Mainboard (auch Motherboard)
(Mikro-) Prozessor (CPU = Central Processing Unit)führt die Programme aus (Anwender und Systemprogramme)
RAM-Arbeitsspeicher (RAM = Random Access Memory) (Haupt-) Speicher enthält die Programme, die gerade ausgeführt werden sowie die dabei benötigten Daten.
ROM-Speicher (ROM = Read-only-Memory) enthält meist ein Programm (BIOS bei IBM-PCs), das beim Einschalten die wichtigsten Hardwarekomponenten überprüft und dann das Booten des Betriebssystems von einem Speichermedium wie einer Festplatte oder einer CD veranlasst.
Busse und Schnittstellen
Kommunikation zwischen den Bestandteilen des Mainboards und Anschluss von Peripheriegeräten
Chipsatzfest auf dem Mainboard untergebrachte Schaltkreise für die Steuerung für der Anschlüsse des Mainboards
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Zentraleinheit: Prozessor / Bus
Prozessor
Ein Prozessor besteht aus:ALU (Arithmetic Logical Unit)Rechenwerk für mathematische / logische Operationen
(Arbeits-) Register Speicherplätze für Daten innerhalb des Prozessors. Die ALU rechnet mit den Werten, die sich in den (Arbeits-) Registern befinden.
Steuerwerk Kontrolle der Ausführung, nutzt dabei spezielle Register
Befehlszählerregister Befehlsregister …
Bus / DatenleitungBusse verbinden die CPU mit anderen Komponenten auf dem Mainboard
– Datenbus: Austausch von Daten mit dem Arbeitsspeicher
– Adressbus: Übertragen der Speicheradressen.
– Steuerbus: Ansteuerung der Peripherie-Anschlüsse
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Steuerwerk ALU
RAM E/A-System
Register
Bus
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Zentraleinheit: Prozessor
Register
Prozessor-interne Speicherplätzefür binäres Datum bestimmter Länge (z. B. 32-Bit)Arbeitsregister werden
vom Speicher geladenmit arithm. / logischen Operationen manipuliertin den Speicher geschrieben
SteuerregisterBefehlszähler: Adresse des nächsten BefehlsBefehlsregister: Befehl der gerade ausgeführt wird· · ·
Registergröße (z.B. 32, 64 Bit)beeinflusst Leistungsfähigkeit des Prozessors
Pro Befehl manipulierbare Datenmenge Größe des adressierbaren Speichers
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Zentraleinheit: Prozessor
Funktionsweise Prozessor 1.Das Befehlszählerregister des Steuerwerks enthält die Adresse des
nächsten Maschinenbefehls. Die Adresse des Befehls wird über den Adressbus an den Arbeitsspeicher übermittelt.
2.Der Befehl wird aus dem Arbeitsspeicher über den Datenbus in das Befehlsregister geladen. Mittels Dekodierlogik wird der Befehl analysiert und die Ausführung angestoßen.
3.Der Befehl wird ausgeführt; abhängig vom jeweiligen Befehl wird dabei zusätzlich das Lesen von Daten aus dem Arbeitsspeicher, die Ansteuerung von Peripherieschnittstellen, das Rechnen in der ALU oder die Durchführung eines Sprungs im Programm erforderlich. Der Status der jeweiligen Operation wird im Statusregister (Flagregister) angezeigt.
4.Falls ein Sprung stattfand, wird das Befehlszählerregister auf die entsprechende neue Adresse gesetzt, ansonsten wird das Befehlszählerregister um 1 erhöht.
5.Der Prozessor fährt wieder mit dem 1. Schritt fort.
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Zentraleinheit: Prozessor
Maschinencode / Assemblercode
Maschinenbefehle:
Bit-Folgen mit festgelegter Bedeutung (für Menschen unles- / unschreibbar)Spezifisch für jeden Prozessortyp
Assembler (symbolischer Maschinencode)les- / schreibbare Darstellung der Maschinen-Befehle
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100000111100001000001111 Maschinenbefehl : addiere 0F zu Register EDX
83C20F Maschinenbefehl in Hex
add edx,0Fh entsprechender Assemblerbefehl
Beispiel (Intel 80x86)
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Zentraleinheit: Prozessor
Leistungsmerkmale eines Prozessors
Wortbreite Datenregister
Größe / Genauigkeit von Werten Datenbus
wie viele Bits können gleichzeitig gelesen / geschrieben werden Adressregister / Adressbus
maximale Größe von Speicheradressen, addressierbarer Speicherbereich Steuerbus
Art der möglichen Peripherieanschlüsse
Taktfrequenz Frequenz des Taktsignals das die CPU steuert IPC-Rate (Instructions per Cycle): Befehle pro Takt: <=1,
durch Parallelverarbeitung: > 1
Leistungsaufnahme zunehmend wichtig (green IT)
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Zentraleinheit: Prozessor
Leistungsmerkmale eines Prozessors
Leistungsbewertung MIPS – Million Instructions per Second
Anzahl der Befehle, die ein Prozessor in einer Sekunde ausführen kann. Dieser Wert wird durch so genannte Benchmark-Tests gemessen. Benchmarks sind Programmpakete, die Befehlsfolgen enthalten, die reale Anwendungen widerspiegeln.
FLOPS – Floating Point Operations Per SecondAnzahl der Gleitpunktoperationen, die ein Prozessor in einer Sekunde ausführen kann. Dieser Wert lässt sich ebenfalls Benchmark-Tests ermitteln.
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Zentraleinheit: Prozessor
Einsatzbereiche von Prozessoren
PC / kleine Server: X86-Architektur Intel / AMD 32 / 64 Bit
Großrechner (Mainframe): Spezial-Architektur IBM / Sun >= 64 Bit enthalten viele (vielkernige) Prozessoren und Spezialprozessoren
in Form von vielen Prozessor-Einheiten : CPUs+Speicher besonders hohe Zuverlässigkeit
eingebettete Systeme: X86-Architektur / Spezial-Architektur unüberschaubare Vielfalt an Spezial- und Standardprozessoren 4 – 128 Bit
Einsatz weniger als 5% direkt in PCs, Workstations und Servern über 95% werden in Geräten, d.h. in so genannten Embedded Systemen
eingesetzt. Hiervon sind etwa 90% der Prozessoren so genannte Mikrocontroller, die neben dem Prozessor zusätzliche weitere HW „on Chip“ enthalten, wie z.B. Speicher (ROM, RAM), Timer, I/O-Ports, ADCs usw..
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Z10 Prozessor(IBM)
Z80 Prozessor(Zilog)
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Zentraleinheit: Prozessor
Cache
Zwischenspeicher zwischen CPU und (Haupt-) Speicher (RAM)
enthält zuletzt verwendete Daten und Befehle
Level-1-Cache direkt im Prozessorkern untergebracht wird mit derselben Taktrate betrieben wie der Prozessor selbst. Klein
Level-2-Cache Entweder auf dem Mainboard untergebracht oder im Prozessor,
aber nicht im Prozessorkern. Der Level-2-Cache ist schneller als der normale Arbeitsspeicher,
jedoch langsamer als der Level-1-Cache, dafür größer
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CPU
Cache
RAM
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Zentraleinheit: Prozessor
Speicherhierarchie
CPU: Zugriff nur auf Haupt-Speicher
Hauptspeicher alle Daten und Befehle eines Programms in Ausführung
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CPU
Cache
RAM
Festplatte
Nutzung beschleunigt Programmausführung
Nutzung verlangsamt Programmausführung
cachen
swappen
Speicherhierarchie - Register - Level-1 Cche - Level-2 Cache - RAM (Speicher) - Platte - andere Datenträger
CD ···lesen/schreiben
Swapping / Paging
Reicht der Haupt-Speicher nicht aus, dann muss ein Teil der Daten temporär auf die Festplatte ausgelagert werden.System wird sehr stark verlangsamt
Programm inAusführung
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Zentraleinheit: Arbeits- (Haupt-) Speicher
Arbeitsspeicher
Enthält alle Daten und Befehle eines Programms in Ausführung
Direkter Zugriff auf Byte-AdressenCPU greift direkt auf einzelne Speicherstellen zuByte-, Wort-/ Doppelwort lesen / schreiben(Von Platte kann nur in großen Blöcken gelesen werden)
RAMDer Arbeitsspeicher besteht im Wesentlichen aus Speicherbausteinen, die man als RAM (Random Access Memory = Speicher mit wahlfreiem Zugriff ) bezeichnet.Bei allen RAM-Bausteinen gilt, dass ihr Inhalt „flüchtig“ ist, d.h. dass sie nur so lange den gespeicherten Wert behalten, wie sie mit Strom versorgt werden. Nach Abschalten des Rechners sind Daten im Arbeitsspeicher verloren.
Zwei Arten von RAM:DRAM (Dynamic RAM) langsam, kostengünstigSRAM (Static RAM) schnell, teurer (meist für Register und Cache-Speicher)
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Zentraleinheit: ROM
ROM : Read only Memory
Nicht-flüchtiger SpeicherAblage konstanter Daten Inhalt geht nicht verloren, wenn Strom abgeschaltet wird.
Direkt ZugreifbarWie RAM-Bausteine von der CPU direkt Byte-addressbar lesbar
Code im ROM: Sofort ausführbarCPU kann nur Daten und Befehle von RAM/ROM lesen:
ROM enthält Betriebssystem (Handy, etc., PCs der frühen 1980er) ROM enthält Code der Betriebssystem von Platte in RAM läd BIOS: ROM + (RAM mit Batterie): HW testen, Betriebssystem laden
Eingebettete SystemeEingebettete müssen oft ganz ohne Festplatte auskommen: Alle Daten im ROM
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Zentraleinheit: Busse und Schnittstellen
Busse und Schnittstellen
Bus-SystemDatentransport auf dem Mainboard
Systembus: CPU <~> Speicher
<~> Ein-/Ausgabe-Einheiten Erweiterungsbus:
Anschluss von Ergänzungs- / Erweiterungskarten
SchnittstelleAnschlusspunkt für Karten / Geräte
PCI-Anschluss (Peripheral Component Interface)Standard-Kartenanschluss für PCs
AGP-Anschluss (Accelerated Graphics Port) spezieller Anschluss für Grafikkarten
IDE / EIDE (Enhanced Integrated Device Electronics) SCSI (Small Computer System Interface) S-ATA (Serial-Advanced Technology Attachment) Nachfolgetechnolgie zu IDE /
EIDE USB / Firewire Hot-Plug Schnittstellen Bluetooth: Funkanschluss
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CPU
North-Bridge
South-Bridge
AGP
RAM
LAN
USBISA IDE
Prozessorbus
PCI-Bus
AGP-Bus
Speicher-Bus
Bridge: Verbindung von Bus-Systemen
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Peripherie
Peripherie
alle Geräte, die an den Rechner angeschlossen sind Eingabe: Maus, Tastatur, Scanner, ···
Ausgabe: Drucker, Graphikkarte / Bildschirm, ···
Ein- und Ausgabegeräte: Netzkarte, ···
MassespeicherGerät, das zur Speicherung von Daten dient
Magnetische SpeicherFestplatten, floppy-disc
Optische SpeicherCD, DVD
Halbleiter-Speicher USB-Stick SSD (solid state drive) Platte
„Festplatte“ in Halbleiterbausteinen
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Inneres einer Festplatte(aus Herold, et al. GdI)
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Modell eines einfachen Prozessorsystems
Registermaschine– Modell eines Rechners
entspricht dem Arbeitsprinzip eines Prozessors (von-Neumann-Rechner)Basis von Maschinen- / Assemblerprogrammen
– Komponenten Prozessor Speicher E/A-Einheiten
– Prozessor Akkumulator:
Vor der Ausführung einer zweistelligen Operation befindet sich der eine Operand im Datenspeicher und der andere im Akkumulator. Danach befindet sich das Ergebnis im Akkumulator.
Befehlsregister: Enthält immer den momentan auszuführenden Befehl.
Befehlszähler:Enthält den momentan auszuführenden Befehl.
– Befehl Befehlsadresse, auszuführenden Operation der Operandenadresse
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Modell eines einfachen Prozessorsystems
Registermaschine– Arbeitsweise
Die Registermaschine durchläuft für jeden Befehl denBefehlszyklus:
1. Befehl holen 2. Operand holen3. Befehl dekodieren 4. Operation ausführen 5. Befehlszähler ändern
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Beispiel Assemblerprogramm (aus Herold, et al. GdI)
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Modell eines einfachen Prozessorsystems
Programmausführungprinzipielle Vorgehensweise
– Eingabe: Der Programmtext wird mit Hilfe eines Editor-Programms vom Entwickler eingetippt und in einer Datei abgespeichert
– Übersetzen: Der Compiler (ein Programm) übersetzt den Text in Maschinencode und speichert ihn in einer Datei
– Binden: Der Binder (engl. Linker, ein Programm) kombiniert (verbindet) das Maschinenprogramm mit dem Maschinencode aus Bibliotheken für Standardkomponenten zu einem ausführbaren Programm (eine Datei).
– Laden: Das Betriebssystem lädt das Maschinenprogramm aus der Datei (Festplatte) in den Hauptspeicher
– Starten: Die erste Adresse des Programms wird vom Betriebssystem in das Programmregister (= Befehlszähler) der CPU geladen
– Ausführen: Die CPU lädt einen Befehl des Programms nach dem anderen und führt ihn aus.
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