Lernkartensatz zur Kurseinheit 1 PDF

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24.8.2021

Woraus besteht der Kern eines PCs?

01744-PC-Technologie

- Hauptplatine Und auf Hauptplatine: - Prozessor - Speicher - Ein- / Ausgabebausteine und - schnittstellen

Embedded System

-> sind Spezialcomputer die Bestandteil größerer Systeme sind und werden kaum als Computer wahrgenommen -> müssen weites Leistungsspektrum abdecken und insbesondere bei Audiound Videoanwendungen bei minimalen Energiebedarf Leistungen erbringen, die bei Universalrechnern nur so genannte Supercomputer erreichen

Worauf basieren embedded Systeme meistens?

- auf Prozessoren, die für bestimmte Aufgaben optimiert wurden (Mikrocontroller, Signal- oder Netzwerkprozessoren)

System on a Chip (SoC)

-> Prozessorkerne werden hier zusammen mit zusätzlich benötigten digitalen Schaltelementen auf einem einzigen Chip realisiert -> ist eine Folge der Fortschritte in der Mikroelektronik

Was haben embedded Systeme mit Universalcomputern gemeinsam?

- stellen beide ein breites Spektrum von Funktionen bereit, die durch dynamisches Laden entsprechender Programme implementiert werden

Personal Digital Assistant (PDA)

- kleiner und leistungsschwacher Universalcomputer - verfügen über nichtflüchtigen Speicher, der im stromlosen Zustand die gespeicherten Daten behält - werden mit Stift oder über Touchscreen bedient und könnten handschriftliche Eingaben verarbeiten

Notebook

- im Vergleich zu PDAs haben Notebooks größeren Bildschirm, richtige Tastatur und ein Sensorfeld (Touchpad) - verfügen über deutlich höheren Speicher (RAM, HDD) und werden immer häufiger als Alternative zu ortsfesten Desktop-Computern verwendet - verwenden stromsparende Prozessoren zur Maximierung der Akkulaufzeit

Desktop-Computer, PCs (Personal Computer)

- sind Notebooks v.a. in Rechen- und Grafikleistung überlegen - durch Wärmeentwicklung als Folge der hohen Rechen- und Grafikleistung werden große Kühlkörper und Lüfter verwendet, welche die Wärme abführen

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Server

01744-PC-Technologie

- sind nicht einem Benutzer zugeordnet - liefern Dienstleistungen für viele über ein Netzwerk angekoppelte Desktops oder Notebooks und daher verfügen sie über hohe Rechenleistung (Compute Server), große fehlertolerierende und schnell zugreifbare Festplattenysteme (File Server, Video-Stream Server), einen oder mehrere Hochleistungsdrucker (Print Server) oder mehrere schnelle Netzwerkverbindungen (Firewall, Gateway) -> werden in der Regel nicht als Arbeitsplatzrechner benutzt und verfügen daher weder über leistungsfähige Grafikadapter noch über Peripheriegeräte zur direkten Nutzung (Monitor, Tastatur, Maus)

Cluster Computer

- mehrere Compute Server werden zusammengeschaltet um sehr rechenintensive Anwendungen zu beschleunigen - im einfachsten Fall werden sie über Switch mit Fast- oder Gigabit-Ethernet zusammengeschaltet (damit können einzelnen Server Daten untereinander austauschen durch gleichzeitige (parallele) Ausführung von Teilaufgaben die Gesamtaufgabe in kürzerer Zeit lösen

Wovon hängt die maximale Beschleunigung ab?

- von der Körnigkeit (Granularity) der parallelen Programme

Cluster-Computer sind vor allem für grobkörnige (coarse grained) Parallelität geeignet?

-> dabei sind Teilaufgaben zwar sehr rechenintensiv, die einzelnen Programmteile müssen jedoch nur geringe Datenmengen untereinander austauschen ✔ Richtig Falsch

Welche Anforderungen haben feinkörnige, parallele Programme?

- je feinkörniger, desto höher sind Anforderungen an das dem Cluster zu Grunde liegende Netzwerk - um hohe Beschleunigung feinkörniger Programme zu erreichen, muss Netzwerkverbindung sowohl hohe Datenrate bereitstellen als auch möglichst geringe Latenzen aufweisen

Grid-Computing

- Kernidee: auf jedem Grid-Knoten läuft permanenter Zusatzprozess (GridMiddleware) über den dann Leerlaufzeiten des betreffenden DesktopComputers für das Grid nutzbar gemacht werden können

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Was wird neben der Grid-Middleware benötigt?

01744-PC-Technologie

- ein Grid-Broker - sucht für jeden eingehenden Benutzerauftrag (Job) geeignete Computerkapazitäten (Resourcen) und leitet Ergebnisse nach Bearbeitung an Benutzer weiter

Abbildung: Übersicht über die verschiedenen Arten von Computersystemen

Wie werden moderne Prozessoren realisiert?

-> in CMOS-Technologie

Was gibt die Strukturgröße an?

- sie gibt an, wie klein man die geometrischen Strukturen zur Realisierung der Transistoren auf dem Chip ätzen kann

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Warum werden immer kleinere Strukturgrößen angestrebt?

01744-PC-Technologie

1) - bei Herstellung werden gleich mehrere Chips auf einer Halbleiterscheibe (Wafer) geätzt - aus verfahrenstechnischen Gründen hängt Ausbeute (= Prozentsatz funktionsfähiger Chips) von der Chipfläche ab - daher darf Fläche der einzelnen Chips auf dem Wafer nicht zu groß werden - um das erreichen muss man bei steigender Zahl an Transistoren die Strukturgröße verringern 2) - maximal mögliche Taktfrequenz hängt sowohl von Geschwindigkeit der Funktionsschaltnetze (ALUs) als auch von den Signallaufzeiten auf den Verbindungsleitungen zwischen den Registern und diesen Funktionsschaltnetzen ab - demnach kann Taktfrequenz erhöht werden, wenn Strukturgröße verkleinert wird

Welcher Nachteil ergibt sich aus der Verkleinerung der Strukturgröße?

- durch höhere Transistorendichte pro Flächeneinheit steigt auch die spezifische Wärmeleistung (gemessen in Watt pro Quadratzentimeter) - da Halbleiterbausteine bei Temperaturen > 100° C zerstört werden, muss für ausreichende Wärmeableitung bzw. Kühlung gesorgt werden

Was machen die Prozessorhersteller um die Wärmeleistung zu reduzieren (speziell bei Notebooks)?

- sie entwickeln intelligente Power-Management-Systeme - damit können dann bspw. die Taktfrequenz als auch Betriebsspannung per Software geregelt werden Randinfo: die Leistung hängt quadratisch von der Spannung in linear von der Frequenz ab

Silicon-on-Insulator (SOI)

- durch vergrabene Oxid-Schicht gelingt es die Transistoren auf dem Chip vollständig zu isolieren - damit kann bei unveränderter Architektur die Prozessorleistung um 30% gesteigert werden - bei gleicher Taktrate kann Leistungsaufnahme um 70% reduziert werden

Kupfertechnologie

- zur Herstellung werden hier von leitenden Verbindungen zwischen den Transistoren Kupfer anstatt Aluminium verwendet - Wiederstand der Leiterbahnen sinkt dadurch um 40%, Signallaufzeiten werden gekürzt und Taktrate kann bis zu 35% erhöht werden

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01744-PC-Technologie

Dual-Core- und Multicore-Prozessoren

- im Gegensatz zu Hyper-Threading, bei dem den Prozessoren nur zwei logische Prozessoren bereitgestellt werden, hat man bei MulticoreProzessoren echte Hardware-Parallelität (Multiprocessing) - Betriebssystem muss nicht mehr zwischen den beiden Programmfäden (Threads) umschalten - wegen hoher Wärmeentwicklung bei dicht nebeneinander liegenden Prozessorkernen muss jedoch Taktfrequenz reduziert werden - es kommt bei dieser Architektur aber auch verstärkt zu Zugriffskonflikten bei den gemeinsamen schnellen Zwischenspeichern (Caches) und dem Hauptspeicher

Wie wirkt sich die Erhöhung der Speicherbandbreite auf die Leistung des Computersystems aus?

- sehr positiv, da bislang noch große Geschwindigkeitsunterschiede zwischen Register- und Speicherzugriff bestehen (= Speicher-Flaschenhals)

Wie wird Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleistet?

- Hersteller implementieren Schutzmechanismen für Prozessoren, die ein unerlaubtes Ausführen von Programmen verhindern (Viren werden meist durch Pufferüberläufe eingeschleust und die Hardware soll dann das Schreiben nach einem Überlauf blockieren) - Zuverlässigkeit könnte durch das parallele Betreiben von drei Prozessorkernen realisiert werden; Ergebnisse aller Prozessoren werden vergleichen und wenn einer abweicht so sind Ergebnisse wahrscheinlich fehlerhaft

Definition: PC

- ist ein Rechner, der nur von einer Person (oder wenigen Personen) genutzt wird - dem Benutzer steht die gesamte Rechenleistung exklusiv zur Verfügung - verfügt über alle Hard- und Softwarekomponenten, die zur interaktiven Arbeit mit lokalen Anwendungen nötig sind - verfügen über Netzwerkschnittstellen um mit anderen Rechnern Daten auszutauschen oder auf zentrale Dateiserver bzw. auf das Internet zugreifen

Abgrenzung PC Workstation

-> Workstations sind PCs mit schneller Netzwerkschnittstelle und die über besonders schnelle Grafiksysteme verfügen

Definition: Server

- stellt Betriebsmittel (Dateisysteme, Drucker, Internetverbindungen etc.) für andere Rechner bereit

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01744-PC-Technologie

Definition: Notebook/Laptop

- fasst alle Komponenten eines PC auf kleinstem Raum zusammen - werden mit Akkus betrieben und sind daher portabel - weitere Miniaturisierung: Handheld, Palmtop

Grundlegende Komponenten innerhalb der Systemeinheit eines PCs

- Hauptplatine mit integrierten Schnittstellen - Grafikkarte(n) - Schnittstellenkarte für PCI-Express oder andere Bussysteme - Festplattenlaufwerk(e), HDD - Diskettenlaufwerke - CD-ROM-, DVD-Laufwerke - Monitor, Tastatur, Maus

Beschreibung und Funktion der Hauptplatine

- auf Hautplatine befinden sich Prozessor, Hauptspeicher und Steckplätze für Bussysteme mit unterschiedlicher Geschwindigkeit - über speziell auf die Prozessoren abgestimmte Chipsätze werden die genormten Peripheriebus-Signale aus den Prozessorbus-Signalen abgeleitet - an diese Busse können über Steckkontakte Schnittstellenkarten angeschlossen werden die dann standardisierte Schnittstellen für Massenspeicher oder Peripheriegeräte bereitstellen - oft vorhanden sind auch bereits einfache parallele und serielle Standardschnittstellen sowie eine ganze Menge von USB-Schnittstellen - ebenso vorhanden: SATA in paralleler oder serieller Form für magnetomotorische und optische Massenspeicher mit integriertem Laufwerkscontroller (IDE); Netzwerkschnittstelle

Abbildung: prinzipieller Aufbau einer Hauptplatine

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01744-PC-Technologie

Welche Funktion hat der Chipsatz?

- ist eine Sammlung von mehreren hochintegrierten Bausteinen, die insbesondere die Verbindung der Komponenten (CPU, RAM, Grafikkarte, Steckkarten) und die Unterstützung der Kommunikation zwischen ihnen zur Aufgabe haben - enthalten außerdem noch eine ganze Reihe von Steuermodulen zum Anschluss interner und externer Geräte

Wie werden die im PC-Bereich eingesetzten Mikroprozessoren bezeichnet?

- als x86-kompatible Prozessoren - lassen sich auf den ersten 16-Bit-Prozessor (Intel 8086) aus dem Jahr 1979 zurückführen

Worüber entscheidet die Leistungsfähigkeit eines x86-Prozessor?

- die komplexe virtuelle Speicherverwaltung und ihrer Unterstützung durch die Speicherverwaltungseinheit (MMU)

Abbildung: Foto einer Hauptplatine

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Woraus besteht ein Chipsatz?

01744-PC-Technologie

- meist aus ein bis drei Chips die benötigt werden, um den Prozessor mit dem Speichersystem und Ein-/Ausgabebussen zu koppeln -> hat großen Einfluss auf Leistungsfähigkeit eine Computerssystems und muss daher optimal auf den eingesetzten Prozessor und verwendeten Speicher-/Bustypen zugeschnitten sein -> Bausteine des Chipsatzes übernehmen im eigentlichen Sinne die Steuerung des Systems

Wozu werden Brückenbausteine benötigt?

Brückenbausteine müssen auf die Zeitsignale (Timing) des Prozessors abgestimmt werden.

- Prozessor, Speichersystem und Ein-/Ausgabebusse arbeiten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten - Brückenbausteine (Bridges) gleichen vorhandenen Geschwindigkeitsunterschiede aus und sorgen für optimalen Datenaustausch zwischen den Komponenten ✔ Richtig Falsch

Was ist ist die Aufgabe der Brückenbausteine?

- insb. die elektrisch/physikalische Anpassung der verschiedenen Bussignale sowie die Brücksichtigung der unterschiedlichen Übertragungsleistungen

Was ist die im Allgemeinen die Aufgabe des BIOS?

- Chipsätze verfügen über z. T. sehr unterschiedliche Komponenten, Anschlüsse, Register und Funktionen - BIOS versteckt diese Unterschiede vor dem Betriebssystem, welches meist für viele Prozessortypen und Familien einsetzbar sein muss - BIOS ermöglicht dem Betriebssystem und den darunter laufenden Anwendungsprogrammen den Zugriff auf die Hardware-Komponenten - muss genaue Kenntnisse über Aufbau der Hauptplatine, Anzahl der Steckplätze sowie verwendeten Bausteine und Komponenten besitzen

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Was sind die wesentlichen Aufgaben des BIOS?

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- Ausführung des PC-Selbsttests (POST), der automatisch beim Start aufgerufen wird (bspw. wird Größe des RAMs ermittelt und Test der Speicherzellen durchgeführt) - Konfiguration der auf Hauptplatine oder in Steckplätzen eingesetzten Komponenten, insb. der am PCI- / PCIe-Bus angeschlossenen Geräte - Ausführung eines Setup-Programms, durch das Anwender BIOS-Daten ändern und Einfluss auf den Systembetrieb nehmen kann (bspw. manuelle Zuweisung von Interrupt-Kanälen zu bestimmten Komponenten)

Abbildung: BIOS zwischen Betriebssystem und Hardware-Bausteinen

Abbildung: Blockschaltbild einer Hauptplatine mit Hub-Architektur

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North Bridge

01744-PC-Technologie

- verbindet Prozessor mit allen Komponenten, die möglichst schnellen Datentransfer benötigen (insb. RAM und Grafikkarte) - wird auch als Speicher-Controller-Hub (Memory Controller Hub, MCH) bezeichnet, da sie sich insb. um die Steuerung der Zugriffe auf den angeschlossenen RAM kümmern muss - einige MCHs enthalten eigenen Grafikcontroller, sie werden dementsprechend als Graphics Memory Controller HUB (GMCH) bezeichnet -> wegen weit reichenden Funktionen wird sie auch als System Controller Hub bezeichnet -> muss Datenfluss zwischen verschiedenen Komponenten steuern und setzt dazu Schreib- und Leseanforderungen des Prozessors, des Grafikcontrollers oder eine Komponente an der South Bridge in Speicher-Buszyklen um (muss dafür Protokollanpassungen zwischen Prozessorbus, Speicherbus und Grafikcontroller-Schnittstelle vornehmen) -> zum Geschwindigkeitsausgleich werden transportierte Daten zwischengespeichert

South Bridge

- verbindet Prozessor oder RAM mit einer Reihe von integrierten oder extern hinzugefügten Controllern, die insb. zur Steuerung von Massenspeichernoder Ein-/Ausgabegeräten dienen - wird auch als Ein-/Ausgabehub (I/O Controller Hub, ICH) bezeichnet - enthält dazu insb. eine Vielzahl von USB-Schnittstellen - sichert die Kompatibilität zu älteren Systemkomponenten (bspw. RTC) -> regelt Kommunikationsverbindungen und -vorgänge zwischen den unterschiedlichen Ein-/Ausgabeeinheiten -> stellt eine Reihe von internen Controllern zur Verfügung, die seit Anfangstagen des PCs dazugehören (wie eben die RTC, CMOS-RAM, Tastaturcontroller, DMA-Controller etc.) -> bietet häufig allgemein verwendbare digitale Ein-/Ausgabeleitungen (GPIO), die Anwender unter Programmkontrolle für beliebige Steuer- und Abfrageaufgaben einsetzen kann

Super-I/O-Baustein

- einfache Komponenten sind häufig in Super-I/O-Baustein integriert, der über LPC-Schnittstelle ab die South Bridge angeschlossen wird - Super-I/O-Baustein wird überflüssig werden, da Komponenten direkt in South Bridge integriert oder über USB angeschlossen werden können - Beispiele: IrDA, Floppy Disk Controller (FDC), MIDI etc.

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01744-PC-Technologie

Firmware Hub (FWH)

- in FWH ist BIOS untergebracht - nach dem Einschalten des PCs wird Inhalt des BIOS-Speichers aus ROM gelesen und in besonderen Bereich des RAMs abgelegt, von dem aus der schneller bearbeitet werden kann (Shadowing) - FWH enthält überlicherweise noch Komponente zur Erzeugung von Pseudo-Zufallszahlen (Random Number Generator, RNG), die bspw. für Verschlüsselungsalgorithmen benutzt werden können - FWH wird gewöhnlich im Multiplexbetrieb gemeinsam mit Super-I/OBaustein über LPC-Schnittstelle angesprochen

Hub Interface

- North und Southbridge sind durch schnelle dedizierte Verbindung miteinander gekoppelt (= Hub Interface) - bei Intel: Direct Media Interface (DMI) mit bis zu 2 GB/s - AMD setzte früher HyperTransport-Bus ein (max. 52 GB/s), bei neueren Chipsätzen verwendet AMD jedoch einen 4x4 PCIe-Bus (PCIe-x4) der max. 4 GB/s übertragen kann

Bei neueren Chipsätzen spricht man auch von einer Hub-Architektur. ✔ Richtig Falsch North Bridge: Wo werden die zwischengespeicherten Daten abgelegt?

- in Registersätzen die als Warteschlangen organisiert sind (FIFO) und für jede Übertragungsrichtung (R/W) und Quelle/Ziel-Kombination getrennt vorhanden sind - Puff...