In diesem Kurs werden den Teilnehmern die Grundlagen einer modernen Rechnerarchitektur nÀhergebracht und damit gezeigt, was eigentlich ein Computer ist.
DafĂŒr werden Videos und echte Hardware verwendet.
Rechnerarchitektur, Computer
Zur EinfĂŒhrung in das Thema wird zunĂ€chst ein Video gezeigt:
AnschlieĂend beginnen wir mit den einzelnen Komponenten, aus denen ein Rechner besteht.
Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement zum Steuern meistens niedriger elektrischer Spannungen und Ströme. Er ist der weitaus wichtigste âaktiveâ Bestandteil elektronischer Schaltungen, der beispielsweise in der Nachrichtentechnik, der Leistungselektronik und in Computersystemen eingesetzt wird. Besondere Bedeutung haben Transistoren â zumeist als Ein/Aus-Schalter â in integrierten Schaltkreisen, was die weit verbreitete Mikroelektronik ermöglicht.
In diesem Zusammenhang wollen wir auch ĂŒber Logikgatter sprechen.
Vertiefend wollen wir noch einmal Logikgatter betrachten:
Grundlegende Logik-Gatter
https://de.wikipedia.org/wiki/Transistor
https://de.wikipedia.org/wiki/Logikgatter
Die Hauptplatine (englisch Mainboard, auch Motherboard) ist die zentrale Platine eines Computers. Auf ihr sind die einzelnen Bauteile wie Prozessorsockel, RAM-SteckplĂ€tze, der BIOS-Chip mit der integrierten Firmware, Schnittstellen-Bausteine und SteckplĂ€tze fĂŒr Erweiterungskarten montiert; die dafĂŒr notwendigen Leiterbahnen sind auf mehrere Lagen (Layer) aufgeteilt.
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:
https://de.wikipedia.org/wiki/Hauptplatine
Ein Prozessor ist ein (meist sehr stark verkleinertes) (meist frei) programmierbares Rechenwerk, also eine Maschine oder eine elektronische Schaltung, die gemĂ€Ă ĂŒbergebenen Befehlen andere Maschinen oder elektrische Schaltungen steuert und dabei einen Algorithmus (Prozess) vorantreibt, was meist Datenverarbeitung beinhaltet. Der weitere Artikel beschreibt ausschlieĂlich 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) fĂŒr Computer, in denen sie Befehle ausfĂŒhren; am verbreitetsten sind sie als Mikrocontroller in eingebetteten Systemen (etwa in Waschmaschinen, Ticketautomaten, DVD-Spielern, Smartphones usw.).
An dieser Stelle wird der Prozessor vom Mainboard entfernt und kann nur nÀher betrachtet werden.
In der Vertiefung schauen wir uns nochmal an, wie die Busse im Prozessor schematisch verlaufen.
Schematischer Aufbau eines Prozessors
https://de.wikipedia.org/wiki/Prozessor
Eine Grafikkarte steuert in einem Computer die Grafikausgabe. Bei AusfĂŒhrung 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 (âBeamerâ) alles als Bild wiedergeben kann. Grafikkarten werden entweder als PC-Erweiterungskarten (ĂŒber die Bussysteme PCI, AGP oder PCI Express, frĂŒher 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 fĂŒr die Grafikausgabe vorhanden sind (bei Intel seit Core iX-Generation, bei AMD im Fusion-Programm).
Die Grafikkarte wird aus Ihrem Slot gehoben. Eventuelle KĂŒhler werden abgeschraubt.
Auch hier wollen wir uns noch einmal einen schematischen Aufbau anschauen.
Schematischer Aufbau einer Grafikkarte
https://de.wikipedia.org/wiki/Grafikkarte
Der Arbeitsspeicher oder Hauptspeicher (englisch core, main store, main memory, primary memory) eines Computers ist die Bezeichnung fĂŒr den Speicher, der die gerade auszufĂŒhrenden Programme oder Programmteile und die dabei benötigten Daten enthĂ€lt. Der Hauptspeicher ist eine Komponente der Zentraleinheit. Da der Prozessor unmittelbar auf den Hauptspeicher zugreift, beeinflussen dessen LeistungsfĂ€higkeit und GröĂe in wesentlichem MaĂe die LeistungsfĂ€higkeit der gesamten Rechenanlage.
Ein Riegel Arbeitsspeicher
Der Arbeitsspeicher wird aus dem Mainboard gelöst.
Hier wollen wir die Entwicklung von Datenrate und GröĂe des Arbeitsspeichers ĂŒber die Zeit betrachten.
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
https://de.wikipedia.org/wiki/Arbeitsspeicher
Ein Festplattenlaufwerk (englisch hard disk drive, AbkĂŒrzung HDD), oft auch als Festplatte oder Hard Disk (abgekĂŒrzt HD) bezeichnet, ist ein magnetisches Speichermedium der Computertechnik, bei welchem Daten auf die OberflĂ€che rotierender Scheiben (auch: âPlatterâ) geschrieben werden. Zum Schreiben wird die hartmagnetische Beschichtung der ScheibenoberflĂ€che entsprechend der aufzuzeichnenden Information berĂŒhrungslos magnetisiert. Durch die Remanenz (verbleibende Magnetisierung) erfolgt das Speichern der Information. Das Lesen der Information erfolgt durch berĂŒhrungsloses Abtasten der Magnetisierung der PlattenoberflĂ€che.
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 GröĂenverhĂ€ltnisse.
Festplatte, Adressierung der Sektoren
GröĂenverhĂ€ltnisse in einer Festplatte
Weiterhin hier ein Vergleich von Festplatten von 1956 und Heute:
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IBM 350 (1956) Aktuell Faktor KapazitĂ€t 5 MByte 4 TByte 800.00 ScheibengröĂe 24 Zoll 3,5 Zoll 7 Umdrehungen/Minute 1200 7200 6 Gewicht 1000 kg 0,78 kg 128 Abstand Kopf / Scheibe 20,32”m 10 nm 2032 Zugriffszeit 600 ms 3,5 ms 171 Transferrate 0,0088 MByte/s ca. 125 MByte/s 14.000 Datendichte 2 KBit/inchÂČ 1142,86 Gbyte/inchÂČ 69 Mio.
https://de.wikipedia.org/wiki/Festplattenlaufwerk
Ein Solid-State-Drive bzw. eine Solid-State-Disk (kurz SSD), seltener auch Halbleiterlaufwerk,[3] ist ein nichtflĂŒchtiger Datenspeicher der Computertechnik. Die Bezeichnung âDriveâ (englisch fĂŒr Laufwerk) bezieht sich auf die ursprĂŒngliche und ĂŒbliche Definition fĂŒr dieses Medium von Computern, jedoch enthalten SSDs anders als herkömmliche Bauarten keine beweglichen Teile. Die Bauform und die elektrischen AnschlĂŒsse können den Normen fĂŒr Laufwerke mit magnetischen oder optischen Speicherplatten entsprechen, mĂŒssen dies aber nicht. Sie können zum Beispiel auch als PCIe-Steckkarte ausgefĂŒhrt sein. Wird eine magnetische Festplatte mit einem Solid-State-Speicher zu einem GerĂ€t kombiniert, spricht man von einer Hybridfestplatte (engl. hybrid hard drive, HHD; auch engl. solid state hybrid drive, SSHD).
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 ĂŒber die USB-Versionen hinweg anschauen.
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VERSION max (MB/s) 1.0 1 2.0 40 3.0 300 3.1 900 3.2 1800
Datenraten in den USB-Versionen
Weiterhin wollen wir uns verschiedene USB-Stecker anschauen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Solid-State-Drive
https://de.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus
Die Compact Disc (kurz CD, englisch fĂŒr kompakte Scheibe) ist ein optischer Speicher, der Anfang der 1980er Jahre zur digitalen Speicherung von Musik von Philips/PolyGram und Sony eingefĂŒhrt wurde und die Schallplatte ablösen sollte. Zuanfangs war die einzige Nutzung der Compact Disc die fĂŒr digitale Audiodaten, daher wird sie auch oft als Synonym fĂŒr die Compact Disc Digital Audio (CD-DA) bezeichnet. SpĂ€ter kamen jedoch weitere Nutzungen hinzu, so etwa zur Speicherung von Daten als CD-ROM, fĂŒr Videos als VCD oder fĂŒr 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 verdrĂ€ngt.
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 VergröĂerung der verfĂŒgbaren Daten.
 Entwicklung von optischen Medien
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CD DVD HD DVD Blu-ray Disc SpeicherkapazitĂ€t (SL/DL/TL/QL): 540â900 MB 4,7/8,5 GB 15/30/51 GB 25/50 & 66/100 & 128/200 GB MarkteinfĂŒhrung: 1982(noch erhĂ€ltlich) 1996(noch erhĂ€ltlich) 2005(bereits eingestellt) 2006(noch erhĂ€ltlich) Datenrate (1Ă): 1,228 MBit/s (Daten),
1,411 MBit/s (PCM-Audio) 11,08 MBit/s 36,55 MBit/s 36 MBit/s Laser-WellenlÀnge: 780 nm (Infrarot) 650 nm (Rot) 405 nm (Violett) 405 nm (Violett) Fokusdurchmesser: 650 nm 542 nm 312 nm 238 nm Spurabstand: 1,60 ”m 0,74 ”m 0,40 ”m 0,32 ”m Laserpunkt: 2,11 ”m 1,32 ”m 0,76 ”m 0,58 ”m
https://de.wikipedia.org/wiki/Compact_Disc
https://de.wikipedia.org/wiki/DVD
https://de.wikipedia.org/wiki/Blu-ray_Disc
Die Maus ist ein EingabegerĂ€t (Befehlsgeber) bei Computern. Der allererste Prototyp wurde 1963 nach Zeichnungen von Douglas C. Engelbart gebaut; seit Mitte der 1980er Jahre bildet die Maus fĂŒr fast alle ComputertĂ€tigkeiten zusammen mit dem Monitor und der Tastatur eine der wichtigsten Mensch-Maschine-Schnittstellen. Die Entwicklung grafischer BenutzeroberflĂ€chen hat die Computermaus zu einem heute praktisch an jedem Desktop-PC verfĂŒgbaren StandardeingabegerĂ€t gemacht.
Bilder eine alten optomechanischen Maus
Wenn eine Maus verfĂŒgbar ist, kann diese nun zerlegt werden.
Zur Vertiefung noch einmal einen Techniken schematisch erklÀrt:
https://de.wikipedia.org/wiki/Maus_(Computer)
Eine Tastatur ist ein EingabegerĂ€t, das als Bedien- und Steuerelement eine Anzahl von mit den Fingern zu drĂŒckenden Tasten enthĂ€lt. Heute sind die meisten Tastaturen elektronische Tastaturen. Es gibt aber auch andere Funktionsprinzipien, wie beispielsweise mechanische oder pneumatische Tastaturen. Tastaturen gibt es fĂŒr eine Vielzahl technischer GerĂ€te, darunter fĂŒr Computer, Fernbedienungen, Telefone und Handys. Weitere mögliche EingabegerĂ€te und Varianten sind weiter unten aufgefĂŒhrt.
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
https://de.wikipedia.org/wiki/Tastatur
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 fĂŒr 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 (fĂŒr Tiere oder fĂŒr UltraschallreinigungsgerĂ€te) oder Untersuchungen der Vibrationsempfindlichkeit von GerĂ€ten oder GebĂ€uden. In den 1970er-Jahren gab es Ultraschallfernbedienungen. Auch einfache EntfernungsmessgerĂ€te benutzen gelegentlich 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
https://de.wikipedia.org/wiki/Lautsprecher
Ein Netzteil ist ein eigenstÀndiges GerÀt oder eine Baugruppe zur Energieversorgung von GerÀten oder Baugruppen, die andere Spannungen und Ströme benötigen, als vom Stromnetz bereitgestellt wird. Ausgangsspannung und maximaler Ausgangsstrom können fest eingestellt oder variabel sein.
Das Netzteil darf nun zerlegt werden, darauf achten, dass kein Strom mehr flieĂt. Das Netzteil darf anschlieĂend nicht mehr verwendet werden!
Zur Wiederholung noch einmal der Ablauf der Stromwandlung
Ablauf der Stromwandlung in einem Netzteil
https://de.wikipedia.org/wiki/Netzteil
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/1112041.htm
Ein Computermonitor ist ein Bildschirm, der primÀr zum Anschluss an einen Computer gedacht ist. Insbesondere in den Jahren zwischen 1985 und 2005 entwickelten sich FernsehgerÀte und Computermonitore sehr weit auseinander (QualitÀt, Bildraten, Signale, Pegel, Stecker), seit 2010 wachsen diese wieder zusammen.
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
https://de.wikipedia.org/wiki/Computermonitor
https://kompendium.infotip.de/oled-displays.html
Entwicklung der Rechnergeschwindigkeit
Rechengeschwindigkeit von Supercomputern
Der PC-Building-Simulator:
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[Ausbildung] Grundlagen Rechnerarchitektur In diesem Kurs werden den Teilnehmern die Grundlagen einer modernen Rechnerarchitektur nÀhergebracht und damit gezeigt, was eigentlich ein Computer ist.