Mainboards

Bauformen

1. Das AT-Board

Diese Form ist eine ältere Bauart und bringt einige Nachteile mit sich, da sich hinter den Karten Steckplätzen der Prozessor und andere Bauteile befinden. Dadurch lassen sich nicht in beliebige Slot´s überlange Karten stecken. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass für die Schnittstellen nach außen evtl. weitere Slot´s verloren gehen. Die Anschlüsse befinden sich auf Slotblechen und müssen über Flachbandkabel mit dem Mainboard verbunden werden. Weiterhin gab es keine USB Schnittstelle.

LPX Board´s sind die Desktopversion des AT-Board´s. Sie haben meistens die

Grafik- und Soundkarte schon Onboard. Erweiterungskarten werden auf eine Riserkarte gesteckt, die die Karten Parallel zum Mainboard verlaufen lässt, um an Bauhöhe einzusparen.

2. Das ATX-Board

Beim ATX Mainboard wurde das Layout um 90° gedreht, wodurch sich keine hohen Bauteile mehr hinter den Slot´s befinden. Weiterhin befindet sich der Schaltregler des Mainboard´s und der Chipsatz jetzt hinter dem Netzteillüfter, wodurch sich eine bessere Kühlung ergibt. Das Mainboard hat auch einen anderen Spannungsversorgungsstecker erhalten, der sich grundlegend in zwei Dingen vom alten unterscheidet:

a. Das Netzteil kann vom Mainboard ausgeschaltet werden b. Die 3,3 V werden direkt im Netzteil erzeugt und müssen nicht auf dem Mainboard umgerichtet werden.

Bei dieser Bauform befinden sich die Schnittstellen auf dem Board und nehmen somit keine Slotöffnung in Anspruch.

Für den Lowcost-Bereich gibt es ein Micro-ATX-Board, welches speziell auf den Celeron-Prozessor zugeschnitten wurde.

NLX-Board´s sind der ATX-Nachfolger der LPX Board´s. Auch hier gibt es das Micro- NLX- Board speziell für Celeron Prozessoren.

BIOS

BIOS steht für "Basic Input Output System". Wie der Name schon sagt, handelt es

sich um ein einfaches Ein- und Ausgabesystem, das nach dem Starten des Rechners geladen wird, noch bevor das Betriebsystem hochfährt. Schließlich schlummert das Betriebsystem vor jedem Einschalten auf der Festplatte, der Speicher ist noch leer. Der Computer ist zu diesem Zeitpunkt "dumm". Er weiß nicht, wie er von der Festplatte lesen kann, wie sie beschaffen ist oder ob überhaupt eine eingebaut ist. Das BIOS stellt die Verbindung zwischen Software und Peripherie her. Es bezieht seine Hardwareinformationen aus dem CMOS-RAM, die beim BIOS-Setup verändert werden können.

CMOS-RAM und Echtzeituhr

Im CMOS-RAM werden die Hardwareinformationen gespeichert, die man im BIOS- Setup einstellt. Sie werden dann bei jedem Start des PC´s vom BIOS ausgelesen. Die Echtzeituhr wurde dem PC spendiert, damit auch bei ausgeschaltetem Computer die Uhr weiterläuft und nicht bei jedem Einschalten neu gestellt werden muß. Damit der CMOS-RAM seine Daten bei ausgeschaltetem Computer nicht verliert und die Uhr weiterläuft, gibt es eine Batterie. Früher wurden NICD-Akkus benutzt, die wegen ihrer begrenzten Haltbarkeit von durchschnittlich 3 Jahren aber durch Lithium Batterien mit einer Haltbarkeit von 10 Jahren ersetzt wurden.

CPU

Der Prozessor ist das eigentliche Gehirn des Computers. Von CPU (Central Prozessing Unit) werden Ein- und Ausgaben der Daten verarbeitet, Berechnungen durchgeführt und Daten verglichen oder zwischengespeichert. So wie der Motor in einem Auto die Fahrleistungen bestimmt, ist der Prozessor unmittelbar für die Leistung des Rechners verantwortlich. Der Prozessor selbst ist lediglich ein flaches, quadratisches Bauteil, das je nach Typ mit einer Vielzahl von kleinen Beinchen auf der Hauptplatine festgelötet ist oder aber an seiner Unterseite Hunderte von kleinen Stiften aufweist, mit denen es in einen speziellen Prozessor-Sockel gesteckt wird. Es gibt verschiedene Bauformen, die immer wieder verändert wurden damit CPU und Cache schneller werden. Die Taktgeschwindigkeit ist eine der entscheidensten Angaben bei Prozessoren, denn sie ist ein Mass für die Geschwindigkeit, mit der ein Rechner und die weiteren elektronischen Bauteile in seiner Umgebung arbeiten. Der Takt wird in Megahertz gemessen, was die Anzahl der Millionen Schwingungen pro Sekunde bedeutet. Eine 150 MHz, CPU arbeitet also mit 150 Millionen Takten pro Sekunde. Heute sind es bis zu 1,5 GHz (1500 MHz) möglich.

Cache

Der Cache spielt vor allem bei Mainboards und Festplatten eine Rolle. Bei PC´s gibt es zwei Caches:

-Der 1st-Level-Cache sitzt im Prozessor zwischen Prozessor und 2nd-Level-Cache. Er läuft mit vollem Prozessortakt.

-Der 2nd-Level-Cache sitzt auf der Prozessorplatine zwischen 1st-Level-Cache und Hauptspeicher (mittlerweile ist er auch im Prozessor integriegriert). Er läuft mit halben Prozessortakt.

Wenn die CPU Daten beim Cachekontroller anfordert, ermittelt er zuerst, ob sich die Daten schon im Cache befinden. Wenn ja, werden sie einfach vom Cache gelesen und zum Prozessor geschickt. Befinden sich die Daten nicht im Cache, werden die Daten aus dem L2-Cache bzw. Hauptspeicher in den Cache und den Prozessor gelesen. Es werden alle Daten gelesen, da die Wahrscheinlichkeit hoch ist, daß nachfolgende Daten auch noch benötigt werden. Im ersten Fall muß die CPU, wegen des schnellen Caches, nur kurz auf die Daten warten. Im zweiten Fall dauert es einige Zeit, bis die Daten zur Verfügung stehen und muß deshalb Pausen einlegen. Das schreiben von Daten ist etwas komplizierter. Wenn die CPU Daten schreibt, sucht der Cachekontroller zuerst im Cache. Befinden sich die Daten darin, werden sie Daten im Cache abgelegt. Bei einem Cache-Hit gibt es zwei Möglichkeiten des Zurückschreibens in den L2-Caches bzw. Speicher (Write Through und Write Back).

Der Hauptspeicher

Der Hauptspeicher ist das Gedächtnis des Computers. Hier werden die Daten laufender Programme zwischengelagert, Damit sie dem Prozessor bei Bedarf zur Verfügung stehen. Der Hauptspeicher besteht aus zwei Arten von Speichern:

• Arbeitsspeicher (RAM) Die CPU liest Daten aus dem Arbeitsspeicher, verarbeitet, organisiert oder berechnet sie und legt diese Informationen dann wieder im Arbeitsspeicher ab. Diese Vorgänge bezeichnet man auch als lesen von Daten aus dem Speicher bzw. schreiben von Daten in den Speicher. Der Arbeitsspeicher ist derjenige Teil des Hauptspeichers, der sowohl gelesen als auch beschrieben werden kann. Wegen dieser Fähigkeit wird der Arbeitsspeicher auch Schreib-Lese-Speicher genannt, oder einfach RAM (Random Access Memory). Es ist ein sogenannter flüchtiger Speicher, der die Daten nur solange speichert, wie der Rechner eingeschaltet ist und mit Strom versorgt wird. Beim ausschalten des Computers wird der Arbeitsspeicher gelöscht.

• Festspeicher (ROM) In Festspeicher stecken unter anderem alle Programme und Daten, die der PC unmittelbar nach dem Einschalten benötigt um richtig arbeiten zu können. Die im

ROM fest gespeicherten Daten können nur gelesen werden. Daher die

Bezeichnung ROM, eine Abkürzung von Read Only Memory, was Nur-Lese- Speicher heisst.

Chipsatz

Die hochintegrierten ICs des Chipsatzes führen im Grunde zwei Aufgaben aus

• Host-Bridge (North-Bridge)

Die Host-Bridge Kontrolliert das Zusammenspiel zwischen CPU, Cache, Speicher, AGP, PCI-Bus und stellt die notwendigen Schnittstellen zur Verfügung.

• 2. PCI-to-ISA-Bridge (South-Bridge)

Die PCI-TO-ISA-Bridge unterstützt die CPU bei der Datenbeschaffung und dem Datentransport. Er Kommuniziert mit der Host-Bridge über den PCI-Bus und stellt den ISA-Bus zur Verfügung. Außerdem beinhaltet sie den IDE- und USB Kontroller.

Dementsprechend werden die wichtigsten ICs auch häufig als Controller-Bausteine bezeichnet. Der Chipsatz muss genau auf den eingesetzten Prozessor und die restlichen Systemkomponenten abgestimmt sein.

Kühler

Früher wurden oft die Passivkühler zur Kühlung verwendet, da die älteren Prozessoren nicht viel Hitze erzeugten. Die moderne Prozessorkühler sind eine Kombination aus einem leistungsstarken Aktivkühler und den Kühlrippen (Passivkühler) auf denen er montiert ist. Für Prozessoren, die nicht übertaktet werden sollen, muss der Kühler lediglich leistungsstark genug sein, die CPU- Temperatur auch an einem heißen Sommertag nicht den zulässigen Maximalwert überschreiten zu lassen. Bei aktuellen Prozessoren für PCs liegt dieser je nach CPU- Typ zwischen 65 und 85 Grad Celsius. Gutes Kühlen ist aus zwei Gründen besonders wichtig: Zum einen produzieren übertaktete CPUs mehr Wärme (die Leistungsaufnahme wächst linear mit der Taktfrequenz und quadratisch mit der Spannung), die von leistungsschwachen Kühlern nicht mehr abgeleitet werden kann. Als Folge davon wird die zulässige Betriebstemperatur überschritten. Im schlimmsten Fall kann dies zu Schäden an der CPU führen. Zum anderen ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Prozessor auf eine bestimmte Taktfrequenz übertakten lässt, um so höher, je geringer die CPU-Temperatur ist. Beim Übertakten gilt also: je kühler, desto besser.

Busse und Schnittstellen

Wichtigstes Leistungsmerkmal eines Busses ist die sogenannte Busbreite, sie legt fest, wie viele Daten parallel über den Bus geschleust werden können. Es gibt insgesamt drei Gruppen von Bussen mit verschiedenen Aufgaben:

• Datenbus (über diese Leitungen werden Daten zwischen CPU, dem restlichen Chipsatz und den Erweiterungssteckplätzen ausgetauscht).

• Adressbus (darüber werden Daten an ganz genau definierten Stellen im RAM abgeholt oder hinterlegt)

• Steuerbus (kontrolliert wer gerade Daten senden oder empfangen darf)

Es gibt sehr viele verschiedene Bussysteme, die für unterschiedliche Konfigurationen geeignet sind. Hier sind die wichtigsten:

ISA-Bus (Industry Standard Architecture)

Der ISA-Bus ist arbeitet mit 16-Bit Datenleitungen. Er besitzt einen Zusatzstecker mit zusätzlichen 8-Bit Daten-, 4-Bit Address-, 4 DMA- und 9 weiteren IRQ-Leitungen. Unter optimalen Bedingungen werden in der Praxis maximal 5-6 Mbyte Daten pro Sekunde übertragen, was für moderne Windows-Grafik einfach zu wenig ist.

MCA-Bus (Micro Channel Architecture)

Der MCA-Bus hat im Grunde die selben Eigenschafen, wie der ISA-Bus, nur daß er mit 10 MHz getaktet wurde und Bus-Mastering unterstützte. Außerdem konnte man die Karten über die Software konfigurieren. Er war vollkommen inkompatibel zum ISA-Bus, deswegen konnte er sich im PC-Bereich nicht durchsetzen, obwohl er ein zuverlässiges Bussystem ist und mit grösseren Datenübertragungsraten arbeitet als ISA-Bus.

EISA-Bus (Extended Industry Standard Architecture)

Der EISA-Bus ist Kompatibel zum ISA-Bus, hat deshalb auch nur 8,33 MHz. Dafür hat er aber eine 32-Bit breite Daten-, und Adressleitung. Der EISA ist über die Software konfigurierbar.

Local-Bus Der Local-Bus ist ein nicht standartisierter Bus zur Aufnahme von Speichererweiterungskarten. Er ist eine 32-Bit Erweiterung hinter dem ISA-Bus und lief mit der Prozessortaktgeschwindigkeit.

Vesa-Local-Bus

Der Vesa-Local-Bus wurde aus dem Local-Bus abgeleitet und standardisiert. Er ist also nicht mehr für Speichererweiterungskarten gedacht. Er besitzt die gleichen Vor- /Nachteile des Vorgängers, hat einen 32-Bit Transfer und arbeitet mit max. 40 MHz.

PCI-Bus

Der PCI-Bus ist ein moderner Bus. Abgetrennt durch die Host-Bridge ist er unabhängig vom Prozessor. Er arbeitet auch mit 32-Bit und mit maximal 33 MHz. Die Karten können über Software konfiguriert werden.

AGP

Der Accelerated Graphics Port ist speziell für Graphikkarten zugeschnitten. Ein großer Vorteil besteht darin, dass dieser Anschluß unabhängig vom Bussystem arbeitet, damit muss die Graphikkarte den Bus nicht mit anderen Karten teilen und die anderen Busse werden nicht durch die Datenmenge belastet. AGP arbeitet mit 66 MHz und kann bei einem Takt 2x Daten übertragen, der neue sogar 4x. Außerdem beherrscht der AGP Pipelining und besitzt zusätzlich zu der 32-Bit Datenbreite noch

8 zusätzliche Bits.

IDE (Intelligent Drive Electronics)

Diese Schnittstelle hat eine Datenbreite von 16-Bit. An einem IDE-Kanal können bis zu 2 Geräten angeschlossen werden. Die IDE hat eine maximale Datenrate von 8,3MB/s. Aufgrund der Beschränkung von 504MB pro Festplatte wurde eine Erweiterung mit neuen Modi hinzugefügt. Die Erweiterung wird Enhanced IDE genannt. Bei EIDE beträgt die maximale Datenrate jetzt 16,6MB/s, das recht wenig ist, deshalb wurde UltraDMA/33 / 66 / 100 entwickelt, welche durch neue Protokolle den Datendurchsatz auf 33,3 / 66,6 / 100 MB/s erhöhen.

Seriell

Hier werden die Daten hintereinander übertragen, d.h. sie hat eine Datenleitung zum Senden und eine zum Empfangen. Diese Schnittstelle hat eine geringe Übertragungsgeschwindigkeit.

Parallel

Die Parallele Schnittstelle besitzt 8 Datenleitungen. Die 8-Bit werden in einem Takt übertragen. Da die Schnittstelle speziell für den Anschluß von Druckern entwickelt wurde, gibt es 4 Steuerleitungen, über die der PC mit dem Drucker kommunizieren kann. Neuere Versionen erlauben auch eine bidirektionale Übertragung. Dadurch können auch Geräte wie CD-Rom´s oder Scanner angeschlossen werden. Diese Schnittstelle hat zwar eine hohe Übertragungsrate, dafür treten aber häufiger Übertragungsfehler auf, als bei der seriellen Schnittstelle.

Floppy Kontroller

Der Floppy Kontroller übernimmt die Ansteuerung der Diskettenlaufwerke. Es können zwei Laufwerke an einen Kontroller angeschlossen werden.

PS/2

Der PS/2 Anschluß ist kompatibel zur Keyboard Schnittstelle. Er besitzt nur einen anderen Stecker. Hier kann man Tastatur und Maus anschliessen (nur ATX Board)

Keyboard

Die Keyboard Schnittstelle ist eine einfache serielle Schnittstelle, welche die Verbindung zur Tastatur herstellt (nur bei AT-Board).

USB (Universal Serial-Bus)

Der USB ist der Nachfolger der seriellen Schnittstelle. Sie bietet eine höhere Übertragungsrate von bis zu 10MBit/s und man kann bis zu 127 Geräte anschließen.

Interrupt Kontroller

Interrupts werden dazu gebraucht, die Aufmerksamkeit des Prozessors auf sich zu lenken. Gäbe es keine Interrupts, müsste der Prozessor dauernd nachsehen, ob neue Daten vorhanden sind. Das wäre eine Verschwendung an Rechenleistung, wenn der Prozessor die ganze Zeit die Tastatur abfragen würde, obwohl man nur 2-3 mal pro Sekunde eine Taste drückt. Viel besser ist es, wenn die Tastatur dem Prozessor sagt, daß eine Taste gedrückt wurde und dieser holt dann, wenn er Zeit hat, das Zeichen aus dem Tastaturpuffer. Um dem Prozessor das zu sagen, benutzt er eine Interruptleitung. Da der Prozessor aber nur einen Interrupteingang besitzt, gibt es den Interrupt-Kontroller. Er stellt 15 Interrupts zur Verfügung. Wird ein Interrupt ausgelöst, sendet er zunächst eine Interruptanforderung an den Prozessor. Antwortet dieser, schickt der Kontroller als erstes die Interruptnummer an den Prozessor. Antwortet der Prozessor erneut, bekommt er einen Zeiger auf den Interrupt-Handler vom Kontroller geliefert.

DMA Kontroller (Direct Memory Access)

Der DMA-Kontroller dient dazu, die CPU bei der Datenübertragung von einer Karte zum Hauptspeicher oder umgekehrt zu entlasten. Wenn eine Karte über einen DMA- Kanal den DMA anfordert, kann sie direkt in den Speicher schreiben oder vom Speicher lesen. Der DMA Kontroller steuert dabei, wohin die Daten im Speicher geschrieben werden.

Programmierbarer Intervall Timer

Der Intervall Timer, dient in erster Linie dazu, auf jedem Computer mit unterschiedlichen Taktfrequenzen die gleichen Intervalle erzeugen zu können. Dies wird dadurch erreicht, indem der Interrupt Timer einfach in jedem PC mit derselben Frequenz arbeitet. Er besitzt mehrere unabhängige Zähler, mit denen die Frequenz weiter geteilt werden kann.

Der PC hat neben der Echtzeituhr noch eine Systemuhr. Sie wird durch den Timer 18,2 mal pro Sekunde weitergezählt.

Quellen:

PC-Hardware 98 Buch

PC Professionell