Grundlagen der Informatik

Grundlagen der Informatik
Vertiefungsvorlesung
zu aktueller Hardware und Software
Teil 1
Prof. Dr.-Ing. Thomas Wiedemann
Fachgebiet Informatik / Mathematik
Überblick zur Vorlesung
• Aktueller Stand der Hardware
– Prozessoren, Speicher
– Festplatten und DVD/CD-ROM
– Drucker und andere Peripherie
• Quellen:
– PDF-Buch auf Website - PC-Hardware (Achtung : 43
MByte groß = 938 Seiten sehr ausführlich erklärt, nur
leider Stand 2001)
– diverse Webseiten www.amd.de
www.inf.ethz.ch/vs/publ/slides/hwcc2003.pdf
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Prozessoren
Bisherige Entwicklung
• Start mit 8bit Prozessoren (Bit Datenbus / 16 Bit -Adressen)
– ZILOG Z80 auch heute noch in kleineren Steuerungen, Takt bis 50 MHz
• erste 16 Bit Prozessoren ab etwa 1985
• Intel-Prozessoren als PC-Quasistandard durch IBM gesetzt:
– Intel 8088 mit intern 16 Bit, extern 8 Bit Datenbus, 4,77 MHz
– Ableitung des 8051 als immer noch aktueller MP im Automatisierungsbereich
– Intel 8086 echter 16bit-Prozessor mit intern und extern 16 Bit Datenbus,
Adressen 20 Bit durch Überlagerung von 16 Bit Adresse + 16 Bit Segmentadr.
– Intel 80386 erster, echter 32 Bit-Prozessor (Daten + Adressen 32 Bit)
– Intel 80486 32 Bit-Prozessor mit integriertem Mathematik-Coprozessor (float)
– Intel 80586 wegen Marketing und Schutzrechten als PENTIUM bezeichnet
– weitere, aktuelle Intel-Prozessoren werden mit PENTIUM I / II .... IV
bezeichnet (siehe Folgeseite)
– PENTIUM Celeron als Billigvariante, meist mit reduzierter Taktzahl
– aktuell Dual-Core und Quad-Core –Prozessoren mit 2 bzw. 4 Prozessorkernen,
erfordert jedoch spezielle Software zur Auslastung der Kerne
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Prozessoren -Aktuelle Begriffe
– MMX/SSE (Intel), 3DNow (AMD): Multimedia Befehlssatz
– Pipelining: Während ein Befehl bearbeitet wird, wird bereits der
nächste eingelesen und ecodiert
– Hyperthreading (Intel): Paralleler Betrieb interner CPU-Teile
CPU Cache
– Extrem schneller Speicher (teuer!), welcher als Assoziativspeicher arbeitet (erkennt anhand der Adresse ob er diese
Daten bereits gespeichert hat)
- nach 1. Zugriff erfolgen weitere Zugriff im Cache (-> Turboeffekt)
– direkt im oder „neben“ Prozessor, für häufig benötigte Daten
– arrangiert in verschiedenen Stufen (Level1, Level2)
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Prozessoren - Aktueller Stand
PENTIUM P4 Processor 661 interner Takt 1x 3.4 GHz für 90 € mit
• Level 1 Cache 16 KB , Level 2 Cache: 2048 KB
• Bustakt 800 MHz
• interne Core-Spannung 1,5 Volt (reduziert Verlustleistung)
Befehlssätze und Erweiterungen :
• MMX-Multimediaergänzungsbefehle,
• SSE2, Advanced Transfer Cache (ATC),
• Hyper Pipelined, NetBurst, Rapid
Execution Engine, Hyperthreading
- Technologien für parallele Ausführung von Befehlen und Prozessen
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Prozessoren - Aktueller Stand
AMD-Prozessoren
• starke Alternative zu PENTIUM, preislich oft günstiger
• gegenwärtig in Dresden gefertigt (-> Nr.1 Kaufargument )
Typen:
• ATHLON - teilweise leistungsfähiger als gleichgetakteter P4
• Angabe der Takfrequenz als "gefühlte" Taktfrequenz :
– "AMD Athlon XP 2800+" Werbeangabe == wie INTEL P4 mit 2800 MHz,
hat aber real nur 2083 MHz Takt
• DURON - etwas abgerüsteter (weniger L2-Cache) , aber dafür sehr
günstiger Prozessor - für Office-Anwendungen ausreichend
• Für aktuelle Spiele nur mit Übertaktung verwendbar.
• Achtung: AMD-Prozessoren werden sehr heiß - unbedingt Hinweise
zur Kühlung beachten - sonst Gefahr des Ausfalls
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Prozessoren - Taktraten
Mainboard (FSB) und CPU Clock
• Taktfrequenz unterschiedlich, Mainboard (FSB/„Core“) langsamer als CPU
– CPU führt mehrere „interne“ Schritte pro Mainboard Takt durch
• „Double-pumped“ und „Quad-pumped“
– Datenübertragung von 2 bzw. 4 Bit pro Takt
• 266MHz FSB = Double-Pumped 133MHz (AMD Athlon XP)
• 333MHz FSB = Double-Pumped 166MHz (AMD Athlon XP)
• 400MHz FSB = Quad-Pumped 100MHz (Intel Pentium 4)
• 533MHz FSB = Quad-Pumped 133MHz (Intel Pentium 4)
– Technik auch bei Hauptspeicher (DDR, Rambus) in Verwendung
• „Multiplyer“ übersetzt zur CPU Clock
– Pentium III 500MHz, FSB 100Mhz, Multiplyer 5x
– Pentium4 2.40GHz, FSB 400MHz, Multiplyer 6x
– Pentium4 3.06GHz, FSB 533MHz, Multiplyer 6x
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Prozessoren – Sockeltypen
• unterschiedliche Konstruktion der Prozessorsockel für
INTEL / AMD und deren Prozessorversionen (selbst bei
gleicher PIN-Zahl nicht kompatibel)
INTEL * Sockel 478 für Pentium 4 sowie der Mobile
Pentium 4 und auf Pentium 4 basierten Celeron/Celeron
D Prozessoren von Intel
• Sockel 775 ab 2004 (auch Sockel T) für Prozessoren der
Pentium 4-, Celeron D- und Core 2-Familie. Sockel T hat
Kontaktflächen statt Kontaktpins (Probleme mit elektromagnetischen Interferenzen (Antenneneffekt der PINs)
AMD - Sockel A (auch: Sockel 462) oder engl. Socket A für
Athlon-, Duron-, Athlon-XP- und Sempron-Baureihen.
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Sockel 754 für AMD-Athlon-64- und Mobilprozessoren
AMD Turion 64 und AMD Mobile Sempron.
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Sockel AM2 mit 940 Pins (AM2+ ab Nov. 2007) für
Athlon-64-Familie und Sempron-Prozessoren ab
Revision F.
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Mainboard - Architektur
• NAND-Gatter als ein universelles Element :
– entspricht UND-Verknüpfung mit anschließender Invertierung
– alle anderen Logikfunktionen ableitbar !! (?? Testat)
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Mainboard-Erklärungen
BUS-Systeme
• mit dem Ziel eines maximalen Datendurchsatzes sind für die
einzelnen Bereiche spezielle Bus im Einsatz
• die Frequenzangaben stellen den Maximalen Durchsatz dar
• die Kopplung der Bus erfolgt durch spezielle Bausteine (Bridges)
• FSB - Front-Side-Bus - BUS unmittelbar an Prozessor (nur cm ...)
• AGP- spezieller Bus für Grafikkarten
• PCI- universeller Bus für schnelle Steckkarten
• ISA - veraltet : langsamer Universal bus
• VESA - veralteter Grafikbus
Weitere Mainboard-Komponenten
• CMOS - Uhr- und BIOS-Speicher
• Tastaturcontroller
• Festplatten- und Floppycontroller
• meist auch schon Soundkarte und Netzwerkkarte auf Mainboard
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Mainboard-Ansicht
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Aufbau eines PC-Rechners
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Speicher
Hauptspeicher: Bauformen
• SIMM (DRAM)
– Single Inline Memory Module mit 72 pins
– Ältere Rechner (Pentium II und davor)
• DIMM (SDRAM, DDR-SDRAM)
– Dual Inline Memory Module mit 168 pins
– Fast alle modernen Rechner (Pentium III/4, Athlon)
- DDR (184Pins), DDR2 (240Pins) - mit doppelter oder
vierfacher Datenrate (Double Data Rate)
• RIMM (RDRAM) - scheint sich NICHT durchzusetzen - zu teuer
– Rambus Inline Memory Module mit – 184 pins
– Nur Pentium 4 (einige Modelle)
ACHTUNG: IMMER NUR SPEICHER eines Typs einsetzen (zumindest
paarweise) !
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Speicher - Bezeichnungen
• Single-/Dual-Channel
– Neuere Mainboards/Chipsets unterstützen Zugriff auf Speicher
mit zwei Kanälen (= doppelte Bandbreite)
– Zuerst nur für Rambus verfügbar, gibt es inzwischen auch erste
Chipsätze, die DDR mit „dual-channel“ ansteuern können!
• Marketing-Bezeichnungen
– DDR SDRAM 266-PC2100 / 333-PC2700
• 266/333 MHz „Zugriffszeit“ (auf 133/166MHz „double-pumped“ Bus)
• Bei 64Bit „Datenbreite“ sind das ca. 2.1/2.7GB/s
– Rambus PC800/PC1066
• 800/1066 MHz „Zugriffszeit“ (auf 400/533MHz „dual-pumped“Bus)
• Bei 2*16Bit Datenbreite („dual-channel“) sind das ca. 3.2/4.2GB/s
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Festplatten
• Speichert Daten (Programme, OS)
– langsamer als Hauptspeicher, schneller als DVD, CD-ROM, Floppy
- Innenansicht IBM 120GB Deskstar:
Kenndaten:
– Kapazität: in Gigabytes
• Achtung: Multiple von 1000 statt 1024!
• „60GB“ Platte hat z.B. effektiv nur 57GB
– Transferprotokoll: Transferrate in Megabytes
• EIDE: ATA33, ATA66, ATA100, ATA133
• SCSI: Ultra-SCSI, Wide-SCSI (teuer, inzwischen langsam,
zu klein) - nur noch für Serveranwendungen einsetzen
• Serial-ATA-Generation mit 1,5 Gbit/s oder 3 Gbit/s = 150 Mbytes/s bzw. 300
Mbytes/s (ab 2006 neue Version mit 600 MB/s veröffentlicht
– Umdrehungszahl: Umdrehungen pro Minute (z.B. 5400, 7200) -> LÄRM!!
– Zugriffszeit (mittlere): in Millisekunden (z.B. 8-10ms)
– Cache: in Megabytes (z.B. 2-8MB) - interner RAM_Speicher in der Platte !
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Festplatten: Kauftipps
• Mittelgrosse Platten oft am günstigsten
– Heute: 300 GB EIDE (ATA/100) für ca. 70 €
– SCSI Festplatten sehr teuer (aber „robust“)
• Passend zu Datentransferrate des Mainboards
– ATA100 Festplatte an ATA33 „ausgebremst“
Zukünftig serielles Kabel SATA
• Höhere Umdrehungszahl = Schnellerer Zugriff
– Aber lauter (evtl. Flüstermodus vorhanden)
• Achtung bei alten Rechnern:
– BIOS unterstützt evtl. nicht mehr als 20GB!
• Zukunftskompatibilität?
– Grundlagen von EIDE, SCSI mehr als 15 Jahre alt
– Nächste Generation: Serial-ATA (150-600MB/s)
Parallel ATA vs. Serial-ATA - breites Flachbandkabel
Serial-ATA - schmaleres Flachbandkabel
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Festplatten: Festplatten: Einbau (EIDE)
• Datenkabel (40-adrig) mit roter Kante (=Pin 1) mit 2 Steckern pro Kabel
– Rote Kante an Pin 1/2 am Mainboard
– An Festplatte/CD-ROM rote Kante zum Stromkabel hin zeigend
– Achtung: ATA66+ benötigt spezielles (80-adriges) Kabel!
• Bis zu 2 Festplatten/CD-ROM/DVDs an einem Kabel
– Ein Gerät muss als „Master“ konfiguriert werden („Jumper“), das andere als
„Slave“ (siehe Aufkleber auf Laufwerk)
– Schnelleres Gerät als Master am Kabelende, langsames (CDROM) als Slave in
die Mitte
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CD-ROM und DVD-Geräte
• Lesen und Beschreiben von CD´s und DVD´s in
´spiralförmigen Bahnen
• Relativ aufwändige Bahnsteuerung, im
Gegensatz zu Festplatten mit konzentrischen
Spuren, damit schwierigere Suche der Spur
• Anschluß (ATA/ SATA) analog zu Festplatten
Parameter Geschwindigkeit :
• bei CD-LW : einfach = 176,4 KiB/s
• Bei DVD-LW : einfach = 1,385 MByte/s = eine
Stunde pro 4,7-GB-Rohling
• Brennen mit Phase-Change-Technologie
• Konf.: Einfach/Double-Layer // ein- /zweiseitig
• DVD-Rohlinge mit DVD-RW (DVD-Forum) und
DVD+RW (DVD+RW Alliance), DVD-RAM mit
vorkonf. Sektoren
• Nachfolger : Blue-Ray / HD-DVD mit ca. 15
GByte oder 30 Gbyte (Double Layer),
Hologramm-Disk mit ca. 1024 Gbyte !
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Drucker
• Laserdrucker
– arbeiten nach dem Prinzip der Elektrofotografie
(Aufladung einer Bildtrommel, teilweise Belichtung
mit Laserstrahl (oder LED-Zeile bei OKI) damit
Entladung, Aufbringen von Toner, Tonertransfer auf
Papier, Fixierung auf Papier durch Hitze)
- Farblaser mit 4 Systemen für die Basisfarben
• Tintenstrahldrucker
kleinste Tintentropfen werden
durch Piezoschwinger oder
Heizdraht auf über 40 m/s
beschleunigt und auf Papier
gerichtet
Druckkosten höher,
Gerätekosten geringer als
Laserdrucker
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