Die wichtigsten Komponenten eines Personalcomputers (PCs)

(Vgl. auch das Kapitel über die Intel-Rechnerarchitektur)

Wir beschreiben im Folgenden wesentliche Komponenten, die sich auf der Hauptplatine (Motherboard) eines PCs finden. Das Zusammenwirken der Komponenten garantiert eine Reihe integrierter Bausteine (ICs), die Chipsatz (Northbridge und Southbridge) genannt werden.

CPU

Zentraler Bestandteil ist der Prozessor bzw. die CPU (Central Processing Unit). Als CPU werden im PC Prozessoren der Familie x86 von Intel eingesetzt; es existieren mehrere Nachbauten dieser Prozessorfamilie von anderen Herstellern, die allerdings alle zu einem sehr hohen Grad kompatibel zum Intel-Original sein müssen. Im Prozessor finden alle Datenverarbeitungsvorgänge statt. Somit stellt er gewissermaßen das "Herz" eines jeden Computers dar.

Die wesentlichen Schaltelemente der CPU sind Transistoren, die zu sogenannten Gattern zusammengeschaltet sind, die schalten oder Boole'sche Operationen ausführen können. Daher gilt die Anzahl der Transistoren - beim Pentium 4 werden 42 Millionen angegeben - als Leistungsmaß. Darüber hinaus ist die Integrationsdichte, die Anzahl der Transistoren pro mm², für Leistungsbedarf und die Verlustleistung und damit auch für die Datenverarbeitungsgeschwindigkeit entscheidend. Angegeben wird Letztere gelegentlich in

MIPS (million instructions per second)

für Ganzzahloperationen oder

FLOPS (floating point operations per second)

für Gleitkommaoperationen. Für die Datenverarbeitungsgeschwindigkeit sind aber auch der Prozessortakt, der normalerweise ein Vielfaches des Bustaktes ist, und die Anzahl und die Breite der Register (Speicher im Prozessor) verantwortlich.

Darüber hinaus enthalten moderne Prozessoren zur Steigerung ihrer Leistung schnelle Pufferspeicher, Cache (=geheimes Waffenlager), des Typs SRAM (Static Random Access Memory), die logisch gesehen zwischen Hauptspeicher und CPU-Registern liegen. Physisch sind sie entweder in die CPU integriert (Level 1), oder sie liegen auf der Systemplatine als eigener Baustein (Level 2). Damit können mehr Daten bereit gehalten werden, ohne dass die CPU auf den verhältnismäßig langsamen Hauptspeicher zugreifen muss. Waitstates (Wartezustände), wo die CPU für einige Taktzyklen im Leerlauf ist, bis für die weitere Verarbeitung benötigte Daten im Register verfügbar sind, werden dadurch vermieden oder zumindest reduziert.

Bei Mikroprozessoren unterscheidet man grundsätzlich:

RISC (Reduced Instruction Set)

Konzept:

In der CPU werden nur die einfachsten, am häufigsten verwendeten Befehle als Schaltungen realisiert, die CPU verfügt über einen reduzierten Befehlssatz.

Konsequenzen:

+: einfacher Chipaufbau, schnelle Verarbeitung der häufigsten Befehle in der Regel in einem Taktzyklus, billige Entwicklung und Herstellung

-: komplexe Befehle müssen durch Software emuliert werden

Beispiele: PowerPC, MIPS, Alpha, SPARC.

CISC (Complex Instruction Set Computer)

Konzept:

In der CPU werden sowohl einfache, als auch komplexe Befehle (z.B. Gleitkomma-Berechnungen) als Schaltungen realisiert, die CPU verfügt über einen komplexen (dh. umfangreichen) Befehlssatz von in der Regel mehr als 300 Befehlen.

Konsequenzen:

Komplexer Chipaufbau, verlangsamte Verarbeitung einfacher Befehle, rasche Verarbeitung komplexer Befehle, teure Entwicklung und Herstellung.

Beispiele: INTEL, AMD.

Dazu kommen in den letzten Jahren

Hybride Architekturen

Konzept:

Prozessoren mit RISC-Kern und CISC-Erweiterungen

Konsequenzen:

Sehr komplexer Chipaufbau. rasche Verarbeitung einfacher Befehle, rasche Verarbeitung komplexer Befehle, teure Entwicklung und Herstellung, Kompatibilität zu älteren Prozessor-Typen, die auf CISC-Technologie aufbauten.

Für spezielle Einsatzgebiete wie etwa Multimedia-Anwendungen wurden darüber hinaus Prozessoren mit Befehlssatzerweiterungen geschaffen: MMX (Multi-Media extensions), SSE (Streaming SIMD Extensions), 3DNow! uam.

Übersicht über wichtige CPU-Modelle und ihr Einsatzgebiet

Hauptspeicher

Der CPU unmittelbar zugeordnet ist der Hauptspeicher (Memory; RAM = Random Access Memory). Der Hauptspeicher wird zum Abspeichern und Lesen von Zwischenergebnissen und von Programmen benötigt. Hinsichtlich seiner Funktionsweise darf man sich den Hauptspeicher logisch als zweispaltige Liste mit den Spaltenüberschriften Adressen und Daten vorstellen.

Bus

Die Kommunikation der auf der Hauptplatine befindlichen oder mit ihr verbundenen Geräte untereinander erfolgt über den Systembus, ein Bündel paralleler Leitungen. Man unterscheidet:

Datenbus:

8, 16, 32, 64, 128 Bit Breite für den Transport von Instruktionen und Daten. Die Breite des Datenbusses in Bit heißt auch Wortlänge und gibt die Anzahl der Bits an, die pro Takt über den Bus transportiert werden können.

Adressbus:

16, 20, 32, 64 Bit Breite für den Transport von Speicheradressen. Die Breite des Adressbus gibt die Anzahl der (direkt) adressierbaren Speicherzellen im Hauptspeicher an. Es gilt

Anzahl der Speicherzellen = 2^{Adressbusbreite}

Steuerbus:

Für die Übertragung von Steuersignalen.

Am Systembus wird zur Datenübertragung eine von einem Taktgeber produzierte pulsierende Spannung mit fixer Frequenz verwendet, wobei nicht alle Teile des Bus mit der gleichen Frequenz arbeiten müssen. Der in der Regel schnellste Bus ist der Front Side Bus (FSB), der die CPU mit dem Hauptspeicher verbindet. Typische Taktraten waren lange 133 MHz bzw 267 MHz. Beim P4 von Intel werden 800 MHz angegeben. Zusätzlich wird zur Steigerung der Datentransferrate am FSB und auch im Prozessor eine andere Bitcodierung (mehrere Spannungsstufen, Flankenkodierung) verwendet.

Der außerhalb des FSB liegende externe Bus ist dann wesentlich langsamer getaktet, im Falle des PCI-Busses mit 33 MHz.

BIOS

Das Motherboard weist ferner Read Only Memory (ROM) auf. In diesem befinden sich Programme und Daten, die der PC beim Einschalten benötigt (z.B. das aktuelle Datum und die Uhrzeit sowie Informationen über die Konfiguration des Rechners). Außerdem befinden sich viele Hilfsprogramme zum Ansprechen von Tastatur, Grafikkarte etc. im ROM (im so genannten BIOS = Basic Input/Output System). Wenn ein modernes Betriebssystem einmal auf dem Computer läuft (nach Beendigung des Startvorgangs), werden diese Routinen allerdings nicht mehr verwendet.

EFI

Das BIOS erschien erstmals auf den IMP-PCs in den 1980er Jahren und wurde seither von den Boardherstellern mehrfach an die Anforderungen neuerer Hardware angepasst. Das dadurch entstandene Flickwerk genügt aber schon seit langem nicht mehr den Anforderungen, besonders was die neuere 64Bit-Architektur anlangt. Daher einigten sich einige namhafte Hard- und Softwarehersteller wie intel, AMD, Apple oder Microsoft auf einen BIOS-Nachfolger, das EFI (Extensible Firmware Interface) bzw. UEFI (Unified EFI). EFI soll einfacher zu bedienen sein und unter anderem folgende Dienste zusätzlich anbieten:

• Einfache Erweiterbarkeit
• Unterstützung des Bootens über das Netzwerk
• BIOS Emulation
• Bootloader
• GPT (GUID Partition Table), eine flexiblere Partitionstabelle für Dateisysteme, die einen Master Boot Record verwenden.

Ein- und Ausgabegeräte

Für die Verbindung zur Außenwelt stehen zumindest Tastatur und Maus sowie ein Bildschirm zur Verfügung. Während Tastatur und Maus direkt mit dem Motherboard verbunden sind, wird der Bildschirm meistens über eine eigene Grafikkarte ("Grafikadapter"), die ihrerseits mit dem Motherboard verbunden ist, angeschlossen. Für bestimmte Aufgaben werden allerdings weder Tastatur oder Maus oder Bildschirm benötigt; es ist deshalb auch denkbar, einen PC ohne diese Bestandteile zu betreiben (etwa für eine Maschinensteuerung). Der Computer muss in diesem Fall über andere Datenverbindungen mit der "Außenwelt" (Maschine) verbunden sein.

Um größere Datenmengen einzulesen oder dauerhaft zu speichern, stehen so genannte Massenspeicher zu Verfügung. Diese sind beispielsweise Festplatten, Magnetbänder, Memory Sticks, Disketten. Von diesen kann der Prozessor über einen Controller Daten lesen oder Daten auf sie schreiben. Das ist notwendig, weil mit Ausnahme des CMOS-RAM, das batteriegepuffert ist, alle RAMs ihren Inhalt verlieren, wenn die Spannungsversorgung abgeschaltet wird (d.h. wenn der PC abgeschaltet wird). Alle im RAM gespeicherten Daten gehen damit verloren.

Weitere Kommunikationswege mit der Außenwelt stellen die serielle und parallele Schnittstelle des PCs dar. Die parallele Schnittstelle wird (wenn überhaupt noch) dazu verwendet, um einen Drucker anzuschließen. Die serielle Schnittstelle wird meistens verwendet, um ein Modem mit dem PC zu verbinden. Es existieren allerdings viele andere, allerdings seltener benützte Verwendungszwecke für die serielle Schnittstelle. Die Bedeutung dieser beiden Schnittstellenarten tritt freilich mehr und mehr in den Hintergrund, weil sie durch leistungsfähigere Schnittstellen, die überdies bequemer zu handhaben sind, verdrängt werden. Bei diesen Schnittstellen handelt es sich um den Universal Serial Bus (USB) und die so genannte FireWire-Schnittstelle. Beide Schnittstellen werden in einem eigenen Abschnitt besprochen.

Viele PCs besitzen außerdem einen Netzwerkadapter. Damit wird der PC in ein lokales Netzwerk (LAN = Local Area Network) eingebunden. Über diese Netzwerkschnittstelle können Daten mit beliebigen weiteren Rechnern (die keine PCs sein müssen) ausgetauscht werden.

Die folgende Abbildung zeigt ein Blockschaltbild für die Hauptplatine eines PCs. Die Abbildung ist mit freundlicher Genehmigung des Heise Zeitschriften Verlags dem Heft 24/2007 der Zeitschrift c't entnommen worden.

Stromversorgung

Ein wesentlicher Bestandteil im Gehäuse eines PCs ist auch der Netzteil. Schließlich müssen alle oben erwähnten Komponenten des Rechners mit elektrischer Energie versorgt werden. Der Netzteil weist zunächst einen oder zwei Stecker für die Versorgung des Motherboards auf. Die am Motherboard eingesetzten Steckkarten werden in der Regel über die Busverbindung vom Motherboard versorgt. Diskettenlaufwerke und Festplatten werden direkt vom Netzteil mit entsprechenden Kabeln und Steckern mit elektrischer Energie beliefert.

Man sollte bedenken, dass ein PC die aufgenommene elektrische Leistung praktisch ausschließlich als Wärme wieder abgibt. Sie muss aus dem Gehäuse wieder entweichen, damit die PC-Komponenten nicht zu heiß werden. Die weit verbreiteten ATX-Gehäuse von PCs besitzen einen ATX-Netzteil, der gemäß ATX-Spezifikation mit einem Lüfter ausgestattet sein muss, weil das Netzteil auch für die Systemkühlung herangezogen wird. Bis zu einem Drittel der Wärmeenergie kann allerdings über die Blechflächen des Gehäuses abgegeben werden, sofern es nicht zwecks Schalldämmung mit speziellen Dämmmaterial verklebt ist. In diesem Fall muss man der Belüftung des PC-Gehäuses besonderes Augenmerk schenken.

Der besseren Orientierung auf einem Mainboard kann schließlich noch die folgende Abbildung dienen. Die Abbildung zeigt den Blick ins Innere eines PCs aus dem Jahr 2007. Man erkennt, dass nur mehr sehr wenige Steckplätze vorhanden sind; von links nach rechts: 2 PCI-, 1 PCIe x1- (weiß) sowie 1 PCIe x16-Steckplatz (schwarz). Links im Vordergrund erkennt man die SATA-Anschlüsse (rote Kabel) für Festplatte und DVD-Laufwerk. Ein großer Lüfter sitzt über einem Intel-Prozessor.

Ein Floppy-Disk-Laufwerk existiert nicht mehr: der Anschluss für das zugehörige Flachbandkabel ist ebensowenig besetzt wie die Anschlüsse für die IDE-Festplatten (vorne Mitte); dahinter befinden sich lediglich zwei Steckplätze für den Hauptspeicher, wovon einer mit einem 512MB-Riegel besetzt ist.