Allgemeine Funktion

Das Mainboard - auch Motherboard oder Hauptplatine genannt - ist der

Hauptbestandteil jeden PCs. Es stellt die Schnittstelle zwischen allen

eingesteckten Bauteilen dar und hält sie auch an ihrem Platz. Nicht nur

die Zentraleinheit CPU ist hier untergebracht, sondern auch sämtliche

Bausteine, die die interne Kommunikation steuern und als Schnittstelle

mit anderen externen peripheren Geräten kommunizieren. Insofern ist

das Mainboard auch das Bauteil innerhalb eines PCs, das letztendlich

die gesamte Leistungsfähigkeit eines Rechners beeinflusst. Eine

superschnelle Festplatte oder eine gute Grafikkarte wird ihre

Leistungsfähigkeit niemals ausreichen können, wenn der Datenfluss zum

und vom Mainboard als Bremse dient. Das Mainboard beinhaltet die

gesamte Steuerungslogik für den Computer, in der Regel den Prozessor,

in einem speziellen Sockel und den Chipsatz, worunter man sich eine

Reihe auf der Platine verlöteter integrierter Bausteine vorstellen kann.

Ein besonders wichtiger Baustein des Chipsatzes, das BIOS, spielt eine

entscheidende Rolle. Weiter sitzen auf dem Mainboard die Bausteine,

die für die Speicherung von Daten zuständig sind, mit denen der

Prozessor arbeitet: der Arbeitsspeicher und sogenannte Cache-

Speicher-Chips. Eine CPU und der Arbeitsspeicher machen noch kein

lauffähiges Mainboard aus. Die Host-Bridge ist einer der wichtigsten

Teile des Mainboard´s. Es stellt die Verbindung zwischen Prozessor,

AGP, Hauptspeicher und PCI-Bus her. Die PCI-TO-ISA-Bridge

funktioniert wie eine PCI-Steckkarte und stellt den ISA-Bus zur

Verfügung. Außerdem beinhaltet sie den IDE- und USB-Kontroller. Der

Kontroller für die Seriellen, Parallelen, PS/2, Disketten und Keyboard

Schnittstellen, befindet sich im I/O Kontroller. Er ist über den ISA-Bus

angeschlossen. Auf dem Mainboard befindet sich außerdem noch der

Taktgeber, die Echtzeituhr und ein Schaltregler, der die Spannung für

den Prozessor transformiert. Als letztes gibt es noch die sogenannten

FD- und HD-Controller. Diese regeln den Datentransfer zwischen

Speichermedien, wie z.B. Diskette, Festplatte und CD-Rom mit dem

Mainboard.

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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 "

B

asic

I

nput

O

utput

S

ystem". 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.

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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).

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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.

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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.

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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.

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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

EDV-Grundlagen

PC Welt

PC Professionell

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ATX-Board

AGP

Serielle

Parallele

USB und PS2

Schnittstel

le

Schnittstelle

CPU

mit

Kühler

North-

PCI

Bridge

South-

SD-

Bridge

RAM

BIOS

Strom-

zufuhr

EIDE ( UDMA 100 )

Floppy -

Batterie

Kontroller

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