[Ausbildung] Grundlagen Rechnerarchitektur

In diesem Kurs werden den Teilnehmern die Grundlagen einer modernen Rechnerarchitektur nähergebracht und damit gezeigt, was eigentlich ein Computer ist.

Dafür werden Videos und echte Hardware verwendet.

Voraussetzungen

  • Rechner zum Zerlegen
  • Metaplan-Wand mit Karten
  • Beamer + Lautsprecher

Dauer

1 Tag

Themen

Rechnerarchitektur, Computer

Ablauf

Zur Einführung in das Thema wird zunächst ein Video gezeigt:

Anschließend beginnen wir mit den einzelnen Komponenten, aus denen ein Rechner besteht.

Transistoren

Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement zum Steuern meistens niedriger elektrischer Spannungen und Ströme. Er ist der weitaus wichtigste „aktive“ Bestandteil elektronischer Schaltungen, der beispielsweise in der Nachrichtentechnik, der Leistungselektronik und in Computersystemen eingesetzt wird. Besondere Bedeutung haben Transistoren – zumeist als Ein/Aus-Schalter – in integrierten Schaltkreisen, was die weit verbreitete Mikroelektronik ermöglicht.

In diesem Zusammenhang wollen wir auch über Logikgatter sprechen.

Ein Transistor
Ein Transistor

Vertiefend wollen wir noch einmal Logikgatter betrachten:

Grundlegende Logik-Gatter
Grundlegende Logik-Gatter

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Mainboard

Die Hauptplatine (englisch Mainboard, auch Motherboard) ist die zentrale Platine eines Computers. Auf ihr sind die einzelnen Bauteile wie Prozessorsockel, RAM-Steckplätze, der BIOS-Chip mit der integrierten Firmware, Schnittstellen-Bausteine und Steckplätze für Erweiterungskarten montiert; die dafür notwendigen Leiterbahnen sind auf mehrere Lagen (Layer) aufgeteilt.

Mainboard
Mainboard

Der Rechner, den wir haben, schrauben wir nun soweit auseinander, dass wir das Mainboard einzeln in die Hand nehmen können.

Zur Vertiefung dient die Betrachtung des Anschluss-Panels:

Shield eines Mainboards
Shield eines Mainboards

Anschließend wird eine Karte mit der Aufschrift „Mainboard“ von den Schulungsteilnehmern an die Metaplanwand gehängt.

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Prozessor

Ein Prozessor ist ein (meist sehr stark verkleinertes) (meist frei) programmierbares Rechenwerk, also eine Maschine oder eine elektronische Schaltung, die gemäß übergebenen Befehlen andere Maschinen oder elektrische Schaltungen steuert und dabei einen Algorithmus (Prozess) vorantreibt, was meist Datenverarbeitung beinhaltet. Der weitere Artikel beschreibt ausschließlich diese Bedeutung, am Beispiel des Prozessors eines Computers. Am bekanntesten sind Prozessoren als Hauptprozessor, zentrale Recheneinheit oder (allgemeiner) zentrale Verarbeitungseinheit (kurz ZVE, englisch central processing unit, kurz CPU) für Computer, in denen sie Befehle ausführen; am verbreitetsten sind sie als Mikrocontroller in eingebetteten Systemen (etwa in Waschmaschinen, Ticketautomaten, DVD-Spielern, Smartphones usw.).

Ein Prozessor
Ein Prozessor

An dieser Stelle wird der Prozessor vom Mainboard entfernt und kann nur näher betrachtet werden.

In der Vertiefung schauen wir uns nochmal an, wie die Busse im Prozessor schematisch verlaufen.

Schematischer Aufbau eines Prozessors
Schematischer Aufbau eines Prozessors

Anschließend wird eine Karte mit der Aufschrift „CPU“ von den Schulungsteilnehmern an die Metaplanwand gehängt.

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Grafikkarte

Eine Grafikkarte steuert in einem Computer die Grafikausgabe. Bei Ausführung eines Programms berechnet der Prozessor die Daten, leitet diese an die Grafikkarte weiter und die Grafikkarte wandelt die Daten so um, dass der Monitor oder Projektor („Beamer“) alles als Bild wiedergeben kann. Grafikkarten werden entweder als PC-Erweiterungskarten (über die Bussysteme PCI, AGP oder PCI Express, früher auch ISA oder VLB) mit der Hauptplatine verbunden oder sind im Chipsatz auf der Hauptplatine enthalten. Mittlerweile ist die Integration so weit vorangeschritten, dass bereits in Hauptprozessoren Bestandteile für die Grafikausgabe vorhanden sind (bei Intel seit Core iX-Generation, bei AMD im Fusion-Programm).

Eine Grafikkarte
Eine Grafikkarte

Die Grafikkarte wird aus Ihrem Slot gehoben. Eventuelle Kühler werden abgeschraubt.

Auch hier wollen wir uns noch einmal einen schematischen Aufbau anschauen.

Schematischer Aufbau einer Grafikkarte
Schematischer Aufbau einer Grafikkarte

Anschließend wird eine Karte mit der Aufschrift „Grafikkarte“ von den Schulungsteilnehmern an die Metaplanwand gehängt.

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Arbeitsspeicher

Der Arbeitsspeicher oder Hauptspeicher (englisch core, main store, main memory, primary memory) eines Computers ist die Bezeichnung für den Speicher, der die gerade auszuführenden Programme oder Programmteile und die dabei benötigten Daten enthält. Der Hauptspeicher ist eine Komponente der Zentraleinheit. Da der Prozessor unmittelbar auf den Hauptspeicher zugreift, beeinflussen dessen Leistungsfähigkeit und Größe in wesentlichem Maße die Leistungsfähigkeit der gesamten Rechenanlage.

Ein Riegel Arbeitsspeicher
Ein Riegel Arbeitsspeicher

Der Arbeitsspeicher wird aus dem Mainboard gelöst.

Hier wollen wir die Entwicklung von Datenrate und Größe des Arbeitsspeichers über die Zeit betrachten.

Datenrate (GB/s)
PC2-3200 3,2
PC2-4200 4,2
PC2-5300 5,3
PC2-6400 6,4
PC3-6400 6,4
PC3-8500 17
PC3-10600 21,2
PC3-12800 25,6
Arbeitsspeicher Entwicklung Datenrate
Arbeitsspeicher Entwicklung Datenrate
RAM 1945 - 2005
RAM 1945 – 2005
RAM 2008 - 2016
RAM 2008 – 2016

Anschließend wird eine Karte mit der Aufschrift „Arbeitsspeicher“ von den Schulungsteilnehmern an die Metaplanwand gehängt.

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Festplatte

Ein Festplattenlaufwerk (englisch hard disk drive, Abkürzung HDD), oft auch als Festplatte oder Hard Disk (abgekürzt HD) bezeichnet, ist ein magnetisches Speichermedium der Computertechnik, bei welchem Daten auf die Oberfläche rotierender Scheiben (auch: „Platter“) geschrieben werden. Zum Schreiben wird die hartmagnetische Beschichtung der Scheibenoberfläche entsprechend der aufzuzeichnenden Information berührungslos magnetisiert. Durch die Remanenz (verbleibende Magnetisierung) erfolgt das Speichern der Information. Das Lesen der Information erfolgt durch berührungsloses Abtasten der Magnetisierung der Plattenoberfläche.

Eine frühe Festplatte
Eine frühe Festplatte

Die Festplatte wird ausgebaut und komplett zerlegt, um die Bestandteile zu sehen.
HINWEIS: Die Festplatte ist nicht wieder herzustellen und die Daten sind verloren!

Noch einmal ein Blick auf die Adressierung der Sektoren und die Größenverhältnisse.

Festplatte, Adressierung der Sektoren
Festplatte, Adressierung der Sektoren
Größenverhältnisse in einer Festplatte
Größenverhältnisse in einer Festplatte

Weiterhin hier ein Vergleich von Festplatten von 1956 und Heute:

IBM 350 (1956) Aktuell Faktor
Kapazität 5 MByte 4 TByte 800.00
Scheibengröße 24 Zoll 3,5 Zoll 7
Umdrehungen/Minute 1200 7200 6
Gewicht 1000 kg 0,78 kg 128
Abstand Kopf / Scheibe 20,32µm 10 nm 2032
Zugriffszeit 600 ms 3,5 ms 171
Transferrate 0,0088 MByte/s ca. 125 MByte/s 14.000
Datendichte 2 KBit/inch² 1142,86 Gbyte/inch² 69 Mio.

Anschließend wird eine Karte mit der Aufschrift „Festplatte“ von den Schulungsteilnehmern an die Metaplanwand gehängt.

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SSD / USB

Ein Solid-State-Drive bzw. eine Solid-State-Disk (kurz SSD), seltener auch Halbleiterlaufwerk,[3] ist ein nichtflüchtiger Datenspeicher der Computertechnik. Die Bezeichnung „Drive“ (englisch für Laufwerk) bezieht sich auf die ursprüngliche und übliche Definition für dieses Medium von Computern, jedoch enthalten SSDs anders als herkömmliche Bauarten keine beweglichen Teile. Die Bauform und die elektrischen Anschlüsse können den Normen für Laufwerke mit magnetischen oder optischen Speicherplatten entsprechen, müssen dies aber nicht. Sie können zum Beispiel auch als PCIe-Steckkarte ausgeführt sein. Wird eine magnetische Festplatte mit einem Solid-State-Speicher zu einem Gerät kombiniert, spricht man von einer Hybridfestplatte (engl. hybrid hard drive, HHD; auch engl. solid state hybrid drive, SSHD).

USB-Stick mit 256MB Speicher
USB-Stick mit 256MB Speicher

Hier können wir am Rechner selber leider nichts sehen. Eventuell vorhandene USB-Sticks können zerlegt werden.

Wir wollen uns die Entwicklung der Datenraten über die USB-Versionen hinweg anschauen.

VERSION max (MB/s)
1.0 1
2.0 40
3.0 300
3.1 900
3.2 1800
Datenraten in den USB-Versionen
Datenraten in den USB-Versionen

Weiterhin wollen wir uns verschiedene USB-Stecker anschauen:

Anschließend wird eine Karte mit der Aufschrift „SSD“ von den Schulungsteilnehmern an die Metaplanwand gehängt.

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CD / DVD / BluRay

Die Compact Disc (kurz CD, englisch für kompakte Scheibe) ist ein optischer Speicher, der Anfang der 1980er Jahre zur digitalen Speicherung von Musik von Philips/PolyGram und Sony eingeführt wurde und die Schallplatte ablösen sollte. Zuanfangs war die einzige Nutzung der Compact Disc die für digitale Audiodaten, daher wird sie auch oft als Synonym für die Compact Disc Digital Audio (CD-DA) bezeichnet. Später kamen jedoch weitere Nutzungen hinzu, so etwa zur Speicherung von Daten als CD-ROM, für Videos als VCD oder für interaktive Daten als CD-i. Als beschreibbare CD-R löste sie Ende der 1990er Jahre die Compact Cassette als bevorzugtes Audio-Aufnahmemedium im Privatbereich ab, wurde aber in den 2000er Jahren durch die MP3-Technologie weitgehend verdrängt.

Bilder einer Schallplatte
Bilder einer Schallplatte

Am Rechner nehmen wir das optische Laufwerk und zerlegen es in seine Bestandteile.

Wir betrachten die Entwicklung der Medien anhand der Verkleinerung der Bauweise und der Vergrößerung der verfügbaren Daten.

 

Entwicklung von optischen Medien
Entwicklung von optischen Medien
CD DVD HD DVD Blu-ray Disc
Speicherkapazität (SL/DL/TL/QL): 540–900 MB 4,7/8,5 GB 15/30/51 GB 25/50 & 66/100 & 128/200 GB
Markteinführung: 1982(noch erhältlich) 1996(noch erhältlich) 2005(bereits eingestellt) 2006(noch erhältlich)
Datenrate (1×): 1,228 MBit/s (Daten),
1,411 MBit/s (PCM-Audio)
11,08 MBit/s 36,55 MBit/s 36 MBit/s
Laser-Wellenlänge: 780 nm (Infrarot) 650 nm (Rot) 405 nm (Violett) 405 nm (Violett)
Fokusdurchmesser: 650 nm 542 nm 312 nm 238 nm
Spurabstand: 1,60 µm 0,74 µm 0,40 µm 0,32 µm
Laserpunkt: 2,11 µm 1,32 µm 0,76 µm 0,58 µm

Anschließend wird eine Karte mit der Aufschrift „ODD“ von den Schulungsteilnehmern an die Metaplanwand gehängt.

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Maus

Die Maus ist ein Eingabegerät (Befehlsgeber) bei Computern. Der allererste Prototyp wurde 1963 nach Zeichnungen von Douglas C. Engelbart gebaut; seit Mitte der 1980er Jahre bildet die Maus für fast alle Computertätigkeiten zusammen mit dem Monitor und der Tastatur eine der wichtigsten Mensch-Maschine-Schnittstellen. Die Entwicklung grafischer Benutzeroberflächen hat die Computermaus zu einem heute praktisch an jedem Desktop-PC verfügbaren Standardeingabegerät gemacht.

Bilder eine alten optomechanischen Maus
Bilder eine alten optomechanischen Maus

Wenn eine Maus verfügbar ist, kann diese nun zerlegt werden.

Zur Vertiefung noch einmal einen Techniken schematisch erklärt:

Techniken einer Maus
Techniken einer Maus

Anschließend wird eine Karte mit der Aufschrift „Maus“ von den Schulungsteilnehmern an die Metaplanwand gehängt.

Weitere Infos:


Tastatur

Eine Tastatur ist ein Eingabegerät, das als Bedien- und Steuerelement eine Anzahl von mit den Fingern zu drückenden Tasten enthält. Heute sind die meisten Tastaturen elektronische Tastaturen. Es gibt aber auch andere Funktionsprinzipien, wie beispielsweise mechanische oder pneumatische Tastaturen. Tastaturen gibt es für eine Vielzahl technischer Geräte, darunter für Computer, Fernbedienungen, Telefone und Handys. Weitere mögliche Eingabegeräte und Varianten sind weiter unten aufgeführt.

Comodore 64 mit integrierter Tastatur
Comodore 64 mit integrierter Tastatur

Auch hier: Wenn eine Tastatur dabei war, kann diese nun zerlegt werden.

Noch einmal zur Erinnerung die Schaltmatrix einer Tastatur

Matrix einer Tastatur
Matrix einer Tastatur

Anschließend wird eine Karte mit der Aufschrift „Tastatur“ von den Schulungsteilnehmern an die Metaplanwand gehängt.

Weitere Infos:


Lautsprecher

Lautsprecher sind Wandler, die ein (meist elektrisches) Eingangssignal in mechanische Schwingungen, als Schall wahrnehmbar, umwandeln.

Sie dienen meist der Schallerzeugung zur Wiedergabe von Sprache und Musik für den Menschen mit einem typischen Arbeitsbereich bei Frequenzen von 20 bis 50 Hz bis hinauf zu 20 kHz. Es gibt allerdings auch andere Einsatzbereiche, wie Sonar unter Wasser, Ultraschall (für Tiere oder für Ultraschallreinigungsgeräte) oder Untersuchungen der Vibrationsempfindlichkeit von Geräten oder Gebäuden. In den 1970er-Jahren gab es Ultraschallfernbedienungen. Auch einfache Entfernungsmessgeräte benutzen gelegentlich Lautsprecher.

PC-Lautsprecher
PC-Lautsprecher

Falls Lautsprecher vorhanden sind, können diese zerlegt werden.

Zur Vertiefung noch einmal die Darstellung der Wandlung von Spannung in Schall

Darstellung der Wandlung von Spannung in Schall
Darstellung der Wandlung von Spannung in Schall

Anschließend wird eine Karte mit der Aufschrift „Lautsprecher“ von den Schulungsteilnehmern an die Metaplanwand gehängt.

Weitere Infos:


Netzteil

Ein Netzteil ist ein eigenständiges Gerät oder eine Baugruppe zur Energieversorgung von Geräten oder Baugruppen, die andere Spannungen und Ströme benötigen, als vom Stromnetz bereitgestellt wird. Ausgangsspannung und maximaler Ausgangsstrom können fest eingestellt oder variabel sein.

Netzteil eines PCs
Netzteil eines PCs

Das Netzteil darf nun zerlegt werden, darauf achten, dass kein Strom mehr fließt. Das Netzteil darf anschließend nicht mehr verwendet werden!

Zur Wiederholung noch einmal der Ablauf der Stromwandlung

Ablauf der Stromwandlung in einem Netzteil
Ablauf der Stromwandlung in einem Netzteil

Anschließend wird eine Karte mit der Aufschrift „Netzteil“ von den Schulungsteilnehmern an die Metaplanwand gehängt.

Weitere Infos:


Monitor

Ein Computermonitor ist ein Bildschirm, der primär zum Anschluss an einen Computer gedacht ist. Insbesondere in den Jahren zwischen 1985 und 2005 entwickelten sich Fernsehgeräte und Computermonitore sehr weit auseinander (Qualität, Bildraten, Signale, Pegel, Stecker), seit 2010 wachsen diese wieder zusammen.

Monitor
Monitor

Bei dem Auseinanderbauen eines modernen Monitores wird nicht viel neues sichtbar sein, darauf kann verzichtet werden.

Zur Vertiefung noch die Darstellung eines OLED-Displays.

Aufbau eines OLED-Displays
Aufbau eines OLED-Displays

Anschließend wird eine Karte mit der Aufschrift „Netzteil“ von den Schulungsteilnehmern an die Metaplanwand gehängt.

Weitere Infos:


BONUS-RUNDE!

Bonusrunde!!!
Bonusrunde!!!

Entwicklung der Rechnergeschwindigkeit

Rechengeschwindigkeit von Supercomputern
Rechengeschwindigkeit von Supercomputern

Der PC-Building-Simulator:

Link zu Steam

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