Einfuehrung - Till Hänisch

(PC-) Hardware
(c) Till Hänisch, BA Heidenheim 2006
Woraus besteht ein
Computer ?
von Neumann Architektur
aus: [Wikipedia]
Steuerwerk, Rechenwerk, Speicher, E/A
Verbindung durch Bus(se)
gemeinsamer Speicher für Daten und Programme
Speicherzellen fester Größe
(Alternative: Harvard-Architektur (Buffer Overflows !)
Hardware allgemein einsetzbar (nicht programmspezifisch)
Probleme: Performance der Verbindungen,
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unterschiedliche Anforderungen an Speicher --> Hierarchie
aus: [http://wb.rus.uni-stuttgart.de/pc/begriffe.asp]
CPU
Central Processing Unit
Führt Programme aus
einzelne (Maschinen-) Befehle z.B.
ADD AX,BX
MOV AX,[1000]
[Wikipedia]
wichtige Parameter:
Wortlänge (z.B. 32 Bit)
Taktfrequenz (z.B. 3 GHz)
Stromverbrauch (Kühlung !)
Architektur (RISC/CISC):
Reduced Instruction Set Computer
1 (einfacher) Befehl pro Takt
Complex Instruction Set Computer
mehere Takte je Befehl
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Chipsatz
Verbindung zwischen CPU und "Rest"
Northbridge: Speicher, Grafik-Bus
Southbridge: Peripherie, manchmal
auch Grafikkarte integriert
je nach Hersteller unterschiedlich
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Bilder: [Wikipedia]
DRAM
Dynamic Random Access Memory
Arbeitsspeicher
flüchtiger Halbleiterspeicher
pro Bit 1 Transistor + 1 Kondensator
Ladung im Kondensator fliesst ab,
muss (alle paar msec) aufgefrischt
werden
Einzelne Chips werden in DIMMs
zusammengefasst
schnell (ca. 10 ns)
groß: typ. 256-1024 MBit/Chip
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Flash-Speicher
dauerhafter Halbleiterspeicher:
Konfigurationsdaten (BIOS)
Memory Sticks, Cards usw.
langsamer als RAM
Löschen nicht beliebig oft (10.000
bis 1 Million mal)
beim Programmieren werden
Elektronen auf das (Floating) Gate
gebracht, die dann einen
Stromfluss zwischen Source und
Drain verhindern, beim Löschen
werden diese durch eine neg.
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Spannung wieder abgezogen
Grafikkarte
Prinzip
Video RAM enthält Pixel
(Picture Element)
Umwandlung in analoges
Signal für Monitor
(oder digital, DVI)
speparat oder On-Board
heute:
extreme Rechenleistung
grosser Speicher (z.B. 256 MB)
für 3D-Grafik (shading,
Texturen,...)
[www.die-grafkkarte.de]
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[Wikipedia]
(Röhren-) Monitor
Prinzip
Elektronenstrahl wird
zeilenweise über Bild geführt
und regt Farbstoff zum Leuchten
an (durch Lochmaske --> Pixel)
höherer Kontrast, bessere
Farbtreue als LCD
[dtv Lexikon der Information]
[Wikipedia]
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LCD-Display
Liquid Crystal Display
Prinzip:
2 gekreuzte Polarisationsfilter,
dazwischen Flüssigkristalle, die die
Polarisationsrichtung um 90 Grad
drehen (durchsichtig). Bei elektrischem
Feld Ausrichtung parallel zum Feld
--> keine Drehung --> undurchsichtig
alte Displays: Feld über ElektrodenGitter
TFT (Aktiv-Matrix-Displays): Je Pixel ein
Transistor
schneller, schärfer
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Bilder: [Wikipedia]
Massenspeicher
Festplatten
magnetische Schicht
Aufzeichnung in Spuren, unterteilt in
Sektoren
schneller, wahlfreier Zugriff
(typ. 10 msec seek, 50 MByte/sec
Transferrate, Kapazität 100-200 GB)
aus: [Westermann2001]
Magnetband
Aufzeichnung auf Kunststoffband mit
Magnetschicht. Bandkassetten sind
austauschbar und billig (typ. etwa
5-50 EUR für Travan/DDS, 100 EUR
für DLT), Kapazität ca 4-20 GB
aus: [Westermann2001]
(100 GB für LTO)
gebräuchliche Aufzeichnungsverfahren:
QIC
Kassetten mit 1/4 Zoll breiten Bändern, alte Technik, billige Laufwerke
TRAVAN Weiterentwicklung von QIC, 3M (Imation), höhere Kapazität
DDS
Datenaufzeichnung auf DAT (Audio) Kassetten,Schrägspuraufzeichnung
billige Tapes
DLT
lineare Aufzeichnung, de facto Standard für Server Server, 1⁄2 Zoll
SDLT
Weiterentwicklung von DLT, servounterstützte Mehrkanalaufzeichnung,
LTO
Neuere Technologie,lineare Aufzeichnung, 1⁄2 Zoll (IBM, HP, Seagate)
tape libraries
Wenn die Kapazität eines Bands nicht
ausreicht, wird automatisierte Library
mit einem oder mehreren Laufwerken
und Platz für mehrere tapes
verwendet. Kapazitäten ca. 1TB (1
Laufwerk, 10-20 tapes) bis etwa 1000
TB (paar Schränke voll).
Preis typ. ab etwa 10.000 EUR
optische Medien
Beispiel: CD
eine Spur, Speicherung der Daten über
untersch. optische Eigenschaften
(Interferenz, Reflexionsvermögen)
Kapazität 650 MB
DVD: kleinerer Abstand zwischen Pits
aus: [Westermann2001]
Reicht die Kapazität eines Laufwerks
nicht, werden auch hier Libraries
(”Jukeboxen”) verwendet. Kapazität typ.
100 GB bis 1 TB
RAID
•
•
•
•
Großrechnerplatten waren teuer
•
•
•
Redundant Array of Independent Disks
Ersatz durch (billige) Standardplatten
Redundant Array of Inexpensive Disks
Heute: nicht wegen (niedrigem) Preis, sondern wegen
Ausfallsicherheit und/oder Performance:
verschiedene Level, wichtig sind 0,1,5
Implementierung durch (SCSI) Controller oder in Software
RAID 0
striping: Daten werden sequentiell über mehrere Platten verteilt.
Transferrate der Platten addiert sich (etwa) --> Höhere Performance
bei großen, im wesentlichen sequentiellen Zugriffen.
Anwendung: z.B.Video-Server, Datenbank-logs
aus: [Westermann2001]
RAID 1
Mirroring: Daten werden auf einer zweiten Platte gespiegelt (Fällt eine
aus, kann auf der zweiten weitergearbeitet werden). Performance wie
bei Einzelplatte, doppelter Platzbedarf.
Anwendung z.B. Betriebssystem-Platte
aus: [Westermann2001]
RAID5
Striping + Parity
Schreibzugriffe immer auf zwei Platten (Daten + Parity) --> Schreiben
langsamer als Einzelplatte, lesen schneller. Bei Ausfall einer Platte
können deren Daten aus den anderen und Parity wieder hergestellt
werden, bei richtiger Konfiguration auch im laufenden Betrieb, ggf. mit
hot spare Platte
Anwendung: eigentlich immer, wenn es auf Ausfallsicherheit ankommt
aus: [Westermann2001]
Busse
PCI
Peripheral Component Interconnect
Anbindung von interner Peripherie:
Grafik, Netzwerk, Sound,
Plattencontroller usw.
Standard 1992, Intel
Nachfolger von ISA/VLB/AGP
32 Bit parallel
33,33 bzw. 66.66 MHz Takt
Bus, max. 10 Geräte
dynamische Konfiguration
Bilder: [Wikipedia]
Varianten:
PCI-X: 64 Bit, 133/266 MHz Takt
PCI-Express (2004):
seriell, 250 MByte/sec pro Lane
z.B. PCIe x 16 für Grafikkarten
ATA/SATA
Anbindung von Festplatten/CD/DVD
Advanced Technology Attachment
with Packet Interface (ATAPI)
Erweiterung von IDE
IDE: Integrated Disc Electronics
Intelligenz im Laufwerk,
Anschluss (praktisch) direkt an ISA-Bus
SATA: Serial ATA
schneller:150 MByte/sec, SATA/II 300
flexibler: 2 m Länge (xSATA 8m),
dünnes Kabel, failover (2 Rechner)
hot-plug fähig
Bilder: [Wikipedia]
USB
Anbindung von externer Peripherie:
Maus, Tastatur, Drucker, Scanner,
Webcam usw.
Massenspeicher
externe Festplatten, CD usw.
USB-Stick
[www.linux-usb.org]
Bilder: [Wikipedia]
Standard 1996, Intel
Hot pluggable
Stromversorgung (max. 500 mA)
Länge max. 5 m
Erweiterung durch Hubs
USB 1/2 1,5/60 MByte/sec
IEEE 1394
Standard 1995, versch. Firmen im
Multimediabereich setzen 1394 ein
Apple (Firewire),
Sony (iLink)
ursprünglich als Multimedia-Bus
entwickelt.
asynchroner oder isochroner
Datentransfer (400/800 Mb/sec). Bis
zu 63 Geräte je Bus
Immer stärker auch als Schnittstelle
zu Platten,...
aus: [Westermann2001]
schnell (siehe links)
serielle Verbindung (dünnes Kabel)
unterschiedlich schnelle Geräte auf einem Bus
einfache Konfiguration (keine IDs,... einstellen)
plug and play, hot pluggable, peer-to-peer
enumeration: Adressen werden automatisch
vergeben
Adressen für Zugriffe haben 64 Bit (6 Bit phys. device ID, 10 Bit Bus ID,
48 Bit Adresse --> 256 TB Adressraum)
16 Bit Node ID --> max. 65535 Geräte an einem Bus
Kabellänge max. 4,5m je Segment, max. 16 hintereinander --> max. 72 m
viele neuere Entwicklungen, z.B. IP over Firewire,...
Aktuelle PC Hardware
Quelle: c‘t Magazin 24/2005
Komponenten
Motherboard
Verbindung zwischen
CPU, Speicher,
Peripherie durch
versch. Busse
Motherboard
1 CPU
2.1Northbridge
2.2 Southbridge
3 Hauptspeicher (RAM) Sockel
4 AGP Slot
5 PCI Slot
7 Sound
8 IO Chip (Seriell, Infrarot...)
9 BIOS
10 Stromversorgung
12 ATA (Festplatte, CD...)
aus: [Wikipedia]
Aktuelle Technologien
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•
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•
64 Bit Software
PCI Express
DDR2 Speicher
Serial ATA II
HD Audio
Multi Core CPU
Aktuelle Prozessoren
• Intel
–
–
–
–
Pentium D
Pentium 4 Extreme
Pentium 4
Celeron
• AMD
– Athlon 64 X2
– Athlon 64
– Sempron
aus: [www.cpumuseum.de]
Speichertypen
DIMM
Chip
Takt
GB/sec
PC2-5300
DDR2-667
333,33 MHz 5,3
PC2-4200
DDR2-533
266,67 MHz 4,2
PC2-3200
DDR2-400
200 MHz
3,2
PC3200
DDR400
200 MHz
3,2
PC2700
DDR333
166,67 MHz 2,7
Typ. 512MB bis 2 GB, max. 4 GB (problematisch)
möglichst zwei gleiche
Grafikkarten
Anschlüsse
• PCI (Express)
– Erweiterungskarten
• Serial ATA, DIE
– Festplatten
• USB
– Externe Tastaturen, Drucker, Platten,...
• Firewire
– Schnelle Massenspeicher, (Video-) Kameras
• PCMCIA
– Erweiterungskarten (Laptops)
Audio
• Meistens On-board
– AC97,HDA einfach, billig
• Höhere Anforderungen, sep. Sound
– Creative, EMU, VIA
• Oder externe
– USB oder Firewire
Was kaufen ???
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Heim-PC
Gamer
Multimedia-PC