Die physikalische Organisation der Netzwerke, beschreibt man als Netzwerktopologie. Die physikalische Zusammenstellung von einem Netzwerk spielt eine erhebliche Rolle, bezogen auf die Performance des Netzes. Ausergewöhliche Einflüsse, wie z.B. Ausfall eines Teilnehmers im Netzwerk sollten im Idealfall keine Auswirkungen auf die anderen Teilnehmer haben sollte. Um solche dinge zu unterbinden kann man schon bei der “Verkabelung” vorsorgen.

Die physikalischen Grundformen

Bus Topologie

Ring Topologie

Stern Topologie

Baum Topologie

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Man bezeichnet also mit den vier Größen lediglich die räumliche Ausdehnung von Netzen. Daher sollte man diese Begriffe nicht mit einem Intranet verwechseln, da das Intranet den Benutzerkreis in einem Netzwerk begrenzt.

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Das Kapitel Netzwerkgrundlagen, aus dem IT-Handbuch für Fachinformatiker, ist das nächste mit dem ich mich beschäftigen werde.
Schichtenmodelle sind das meist genutzte Werkzeug um eine Kommunikation in darzustellen bzw. in seine Bestandteile und Funktion “auseinander zu nehmen”. Das OSI-Referenzmodell der internationalen Standardisierungsorganisation ISO zählt wohl zu den bekanntesten. Deshalb schauen wir uns einmal genauer dieses Schichtenmodell an.

Die einzelnen Schichten

1. Bitübertragungsschicht (Physical Layer)
2. Sicherungsschicht (Data Link Layer)
3. Vermittlungsschicht (Network Layer)
4. Transportschicht (Transport Layer)
5. Kommunikationssteuerungsschicht (Session Layer)
6. Darstellungsschicht (Presentation Layer)
7. Anwendungsschicht (Application Layer)

1. Der Bitübertragungsschicht

Diese Schicht beschreibt die physikalische Bindung der Kommunikation. Dabei kann es sich um alle Möglichen Arten von “Leitungen” handeln. Ob Kabel, Laser oder andere drahtlose “Leiter”, wichtig ist, dass die Möglichkeit besteht die “Bits zu übertragen.

2. Die Sicherungsschicht

Diese Schicht sorgt wie der Name schon sagt für die Sicherung der physikalische Schicht. Sie beschreibt alle Notwendigkeiten, um die einzelnen Bits in einen Datenfluss umzuwandeln. Dabei werden die einzelnen Daten zu “Datenpaketen” (Datenframe) umgewandelt. Weiterhin werden mit Hilfe dieses Datenframes Überprüfungen durchgeführt, ob die Übertragung erfolgreich ausgeführt wurde, oder ob Übertragungsfehler entstanden sind.
Das MAC (Media Acces Protocoll) regelt dabei den Datenfluss, und sorgt dafür dass keine Datenkollisionen auftauchen. Das MAC bestimmt wer die “Leitung” wann nutzen darf. Die Sicherung und Adressierung der Datenpakete werden vom Logical Link Controll durchgeführt.

3. Vermittlungsschicht

Hier werden “Sender” und “Empfänger” identifiziert, und ein “Weg” für die Daten erstellt. Das Internet Protocoll, ist dabei das am meisten verbreitete Protokoll, für die Vermittlung von Datenpaketen.

4. Transportschicht

Hier wird festgelegt, auf welche Art und Weise die Datenpakete transportiert werden. Auch hierfür werden Protokolle eingesetzt, welche die Datenpakete für den Transport segmentieren und nach der Übertragung wieder zusammensetzen. Bei Datenaustausch zwischen Rechnern sind Transmission Control Protocol (TCP), und  Datagram Protocol (UDP) die bekanntesten.

5. Kommunikationssteuerungsschicht

Der Aufbau und die Aufrechterhaltung der Kommunikation wird in dieser Schicht beschrieben. Auch hier werden Protokolle verwendet, welche die Verbindung der Sender/Empfänger steuert und kontrolliert.

6. Darstellungsschicht

Hier werden die Daten in systemunabhängige Formate oder Codecs umgewandelt. Was dazu führt, das andere Systeme die Daten in einer einheitlichen Form erhalten, und sie somit auf ihre eigene Art weiter nutzen können. Ein Beispiel für einheitliche Formate ist u.a. ASCII.

7. Anwendungsschicht

Hier wird verschiedene Anwendungen, die Möglichkeit gegeben die übertragenen Daten zu nutzen. Auch hier werden verschiedene Protokolle angewendet. (z.B. Hypertext Transfer Protocol, FTP usw.)
Somit ergibt sich die Möglichkeit für Dateneingabe und Ausgabe(z.B. E-Mail Programme oder Remote logins auf anderen Systemen).

Was bringt mir das Schichtenmodell?

Es ist in vielen Bereichen, alltäglich einsetzbar. Fällt zu Hause einmal das Telefon aus, kann man prinzipiell schon nach dem Schichtenmodell vorgehen, indem man erst einmal den Physical Layer (das Kabel) überprüft. Ein Beispiel für den Übertragungsweg.
Es kann also Vorgehensweise bei einer Fehlersuche benutzt werden.

Aber auch beim entwerfen von Netzwerkanwendungen müssen alle Layer analysiert und in die Konzeption mit eingebracht werden. Man gliedert bei der Konzeption meist die Hauptpunkte:

• Übertragungsweg
• Protokoll
• Anwendung

Dadurch ist also wiedereinmal die Möglichkeit gegeben, komplexe Systeme in vereinfachte Einzelteile zu trennen und zu bearbeiten. Somit ist es möglich einzelne Arbeiten (z.B. bei der Erstellung einer Kommunikation) aufzuteilen.

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Ich habe im Artikel 10 Fragen zu den letzten Unterkapiteln sehr knapp die Aufgaben der Northbridge erwähnt. Da ich aber gerne etwas ausfürhlicher darüber erzählen möchte, möchte ich mit diesem Artikel etwas ausführlicher darüber berichten.

Was ist die Northbridge?

Die Northbridge ist ein Teil der sogenannten Bridge Architektur. Es handelt sich dabei um einen Bus Controller, der die Anfragen der CPU an die RAM und Grafikkartensubsysteme auf dem Motherboard des Rechners weiterleitet. Es handelt sich somit um einen integrierten Baustein, der in “einigermaßen” modernen PCs zu finden ist.

Im Artikel Zusammenfassung vom Unterkapitel Datenübertragung und Bussysteme habe ich ebenfalls ein bisschen darüber geschrieben.

Wo ist die Northbridge plaziert?

Die Northbridge hängt wie auf dem unteren Bild zu sehen ist, zwischen CPU, RAM, Grafikkartenbussystem, und der Southbridge.

Was sind die Aufgaben der Northbridge?

Die Aufgabe der Northbridge ist es die vorhandenen Datenströme, für die CPU bereitzustellen. Ihre Datentransferrate ist aufgrund ihres breitbandigen Bussystems sehr hoch. Deshalb werden alle  Datenströme, welche verarbeitet werden müssen von ihr entgegengenommen und an die CPU weitergereicht. Die Aussenstelle für die CPU um mit dem restlichen System zu “sprechen” ist die Northbridge. Weiterhin kommuniziert sie mit der deutlicher langsameren Southbridge.

Warum baut man überhaupt eine Northbridge ein?

Die Northbridge entkoppelt die CPU, und alle anderen Komponeten von einander. Es können somit asynchrone Kommunikationen untereinander realisiert werden. Somit sind die einzelnen Teile voneinander entkoppelt, und können weiter arbeiten auch wenn eine Subkomponenten auf Daten von einer anderen Komponente wartet.

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Nachdem ich das Kapitel 3 vom IT-Handbuch für Fachinformatiker “durchgelernt” habe, ist mir die Idee gekommen, das Kapitel mit Fragen und Antworten zusammenzufassen.

Die Fragen beziehen sich auf das gesamte Themengebiet und es kann sein das manche Fragen in den vorherigen Artikeln gar nicht vorkommen. Doch mindestens im Buch sind sie sicher zu finden.

Welche Aufgaben hat die Northbridge?

Sie dient zur Anbindung der CPU an das System. Kontrolliert RAM, AGP und PCI Steckplätze. Im Artikel Welche Aufgaben hat die Northbridge habe ich diese Frage etwas tiefgründiger beantwortet.

Welche Probleme ergeben parallele Bussysteme?

Es gibt mindestens zwei Problemstellungen mit parallelen Bussystemen.

Elektromagnetisches Feld

Jeder Leiter, durch den ein Strom fließt, generiert ein elektromagnetisches Feld. Bei hochfrequenten Systemen, z.B. einem Computer, können zwischen den Leitern auf der Platine Störsignale erzeugt werden. Es muss daher so lange gewartet werden, bis an den Eingängen der digitalen Schaltkreise alle Signale angekommen sind. (Siehe Zu und Abschaltvorgänge bei Gleichspannung aus Wikipedia) Das elektromagnetische Feld erhöht sich, umso länger der Leiter ist. Somit sind parallele Bussystem für längere Distanzen ungeeignet.

Toleranzen in den Bauteilen (Schaltzeiten)

Die Eingänge/Ausgänge der parallelen Bussysteme sind Schaltkreise, bestehend aus  einzelnen Schaltern (Transistoren). Da jeder dieser einzelnen Schalter verschiedene Toleranzen für die Schaltzeiten haben kann, besteht die Gefahr von Fehlinterpretation der Daten.  Siehe Datenblatt min. bzw. max- Zeiten für ein NAND-Gatter

Festplattegrössen werden oft unterschiedlich angegeben. Was ist der Grund dafür?

Es gibt ein eindeutige Norm für die Grössenangabe von Festplatten. Es gibt zur Zeit zwei Normierungen die Verwendung finden.

Die SI-Präfix-Normung: Hier werden die Speicherkapazitäten zu Basis 10 berechnet. Das heist 1 KiloByte entsprechen somit 1000Byte. Im Gegensatz zum IEC-Präfix, dort entsprechen die Speichergrössen dem binären Zahlensystem.  1Kibibyte entsprechen 1024Byte. Hersteller geben jeweils eine dieser Normen an. Bei Kilobyte fällt der Unterschied nicht so extrem auf (2,4%). Allerdings im TeraByte-Bereich beträgt der Unterschied bereits 10%. Diese Angaben stammen aus Byte.

Was versteht man unter LBA und CHS bei Festplatten?

Siehe Artikel Aufbau und Funktionsweise der Festplatte.

Was sind die wichtigsten Anforderungen einer Festplatte?

• Zugriffszeiten
  Ist die Zeit die benötigt wird bis garantiert auf die Daten der Festplatte zugegriffen werden kann. Diese Zeit hängt von der Geschwindigkeit der Köpfe und der Drehzahl der Festplatte ab.
  
• Datenübertragungsrate
  Wie viele Bytes können pro Sekunde von der Festplatte auf den Computer übertragen werden.
• Drehzahl
  Je schneller sich die Platten drehen, desto schneller ist die Zugriffszeit auf die Daten.
• Schnittstelle
  Die unterschiedlichen Schnittstellen (Serial Advanced Technology Attachment SATA) oder nur ATA ergeben unterschiedliche Geschwindigkeiten und Anschlussmöglichkeiten an den Computer.
  
• Mechanik
  Je nach Verarbeitung kann die Festplatte z.B. in einem Laptop oder “nur” in einem Desktop verwendet werden. Je nachdem ist sie gegen Stöße usw. unterschiedlich belastbar.
• Cache
  Je größer der Festplatten Cache, desto mehr Daten können proaktiv geladen werden. Somit reduziert sich die Zugriffszeit.
• Elektronik
  Je nachdem, wie die Elektronik gebaut wurde, wird mehr Strom verbraucht. Je intelligenter die Elektronik, desto schneller können Daten gelesen oder gespeichert werden. Weiterhin kann die Festplatte mit mehr Daten befüllt werden, wenn z.B. LBA anstatt CHS verwendet wird.

Erläutere den Zusammenhang zwischen Clustern und Sektoren einer Festplatte.

Ein Cluster sind ein oder mehrere Sektoren.
Cluster sind die kleinste vom Betriebssystem ansprechbare Einheit.
Mit Cluster kann erreicht werden, dass z.B. bei einem Fileserver auf einmal viele Sektoren ausgelesen werden. Somit reduziert sich die Zugriffszeit auf die einzelnen Dateien.
Nachteil: Wenn nur sehr kleine Dateien vorhanden sind, aber große Cluster deklariert worden sind, wird viel Festplattenplatz verschwendet.

Was ist der Vorteil von kleineren Clustern?

Umso kleiner die Cluster desto weniger Speicherplatz wird verschwendet, da die einzelnen Cluster eher gefüllt werden.

Beschreibe kurz die 3 einzelnen Schritte der Partitionierung.

Low Level Formatierung wird vom Hersteller durchgeführt. Hierbei wird die physikalische Einteilung in Spuren und Sektoren durchgeführt.
Die Partitionierung wird vom Anwender durchgeführt. Hier werden die Sektoren in einzelne Partitionen aufgeteilt. Weiterhin wird das das Dateiformat festgelegt. (z.B. ext3, NTFS usw.)

Bei der Highlevelformatierung wird die Festplattenstruktur entsprechend dem Dateisystem durchgeführt. (z.B. mkreiserfs um eine ReiserFS Formatierung durchzuführen.

Wodurch unterscheiden sich die RAID0, RAID1, RAID5 Verfahren?

Beim RAID 0 Verfahren spricht man vom Stripping bzw. Beschleunigung der Lese und Schreibgeschwindigkeit, da bei diesem Verfahren der Zugriff der daten auf zwei Festplatten verteilt wird. Dadurch werden weniger Kopfbewegeungen beim Zugriff der Platte benötigt.
RAID 1 dient zur Sicherheit, um Daten auf einer anderen Platte zusätzlich abzuspeichern. Damit wird garantiert, dass Daten immer auf zwei Festplatten abgespeichert sind.
RAID5 dient zur Steigerung der Lesegeschwindigkeit, zusätzlich wird durch Paritybits gegen Festplattenausfall vorgesorgt. Hier werden also die Vorteile der RAID 0 und RAID 1 Verfahren genutzt. Artikel zum RAID-Verfahren Wikipedia.

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Welche Art von Datenübertragung erfüllt denn nun die gewünschten Kriterien wie Geschwindigkeit und korrekte Übertragung?
Eigentlich erfüllen sowohl serielle als auch parallele Datenübertragung die gewünschten Kriterien. Es kommt ganz auf den Anwendungsfall darauf an. Für “längere” Distanzen z.B. von der Festplatte zum Prozessor eignen sich serielle Datenbusse. Daher werden auch seit einigen Jahren SATA-Festplatten eingesetzt. Hierbei werden die Daten über ein ein Kabel mit acht Adern “der Reihe nach” übertragen. Der Vorteil ist, dass man im Rechnergehäuse nun dünnere Kabel einsetzen konnte, und sich zusätzlich die Datenübertragungsrate erhöht hat. (Eine Beispielrechnung). Die parallele Datenübertragung weist Schwächen auf, wenn es um “längere Distanzen” geht. Darüber hinaus entstehen durch die eng zusammenliegenden parallelen Kabel Störsignale, welche sich noch zusätzlich erhöhen, umso länger das Kabel ist oder wenn das Kabel verformt wird ( z.B. Knick im Kabel).
Außerdem müssen bei der parallelen Übertragung die Signale auch gleichzeichtig ankommen. Und umso schneller man diese Daten auf langer Strecke “durchjagt”, entstehen Kollisionen. Somit wäre parallele Übertragung auf kürzeren Strecken besser.

Wo werden Sie eingesetzt?

Die serielle Übertragung wird bei allen Datenübertragungen über größere Entfernungen verwendet, da sie ja wie oben erwähnt sehr störsicher sind. Also u.a. bei:

• internen Festplatten
• externen Festplatten
• Maus und Tastatur
• USB ist ebenfalls ein serieller Bus
• Firewire

Parallele Datenübertragung :

• Alles was an die SCSI-Schnittstelle passt ( Drucker, Scanner, usw.)
• CD/DVD-ROM
• Brenner
• Floppy
• Zip

Auf dem Mainboard wird aufgrund der physikalisch “kurzen Wege” ebenfalls parallele Datenübertragung angewendet.

Wie funktioniert die Kommunikation der Peripheriegeräte mit dem Prozessor?

Sehen wir uns mal in vereinfachter Form ein Mainboard in einer sogenannten “Bridge-Architektur” an:

Nehmen wir an, wir möchten Daten aus unserer SATA-Festplatte oder USB-Stick verarbeiten. Was in jedem Fall klar ist, ist das diese Daten seriell übertragen werden. Und das geschieht bis zur Southbridge. Bei der Southbridge handelt es sich um eine Recheneinheit (Prozessor), welche die Schnittstellen zu Peripheriegeräten verwaltet. Zusätzlich nimmt er die eingehenden parallelen und seriellen Daten entgegen, und passt sie für die weitere Verarbeitung an.
Die nächste Etappe ist die Northbridge( auch Master Controller Hub genannt). Sie verbindet den Prozessor mit dem RAM. Da die CPU mittlerweile höher taktet als der RAM hat man diese Teile getrennt und über die Northbridge verbunden. Auch die Grafikkarte ist direkt mit der Northbridge verbunden, da auch hier korrekte Daten in sehr schneller Form ausgetauscht werden müssen. Die Northbridge ist sozusagen der Vermittler. Er koordiniert die unterschiedlichen Taktraten von RAM, CPU, und Peripherie.
Die letzte Schnittstelle vor der CPU ist der Frontside Bus (FSB). Dieser Bus ist eine Direktverbindung von der Northbridge zur CPU. Je höher die Datenübertragungsrate eines FSB ist, umso effizienter kann die CPU arbeiten.

Auf welches Bauteil achte ich besonders bei einem Rechner?

Diese Antwort kann man nicht geben, denn das Zusammenspiel der einzelnen Bauteile bestimmt die optimale Leistung. Aber man kann sagen, dass das Mainboard die Hauptrolle darin spielt. Somit sollte man bei der Auswahl eines Rechners zumindest mal

• CPU-Typ
• Arbeitsspeicher
• Chipsatz
• Geschwindigkeit des FSB

mit anderen vergleichen. Andere Bauteile wie Grafikkarte, Soundkarte, Größe der Festplatte usw. hängen wieder mal vom Anwendungsfall ab.

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Da ja jede Hardware auch über bestimmte Schnittstellen mit anderen Teilen, und letztendlich mit der CPU, kommunizieren muss, spricht man prinzipiell von Datenübertragung. Daten müssen also von A nach B. Doch was ist dabei wohl am wichtigsten? Die Daten sollten so wie der Sender sie abgeschickt hat auch beim Empfänger ankommen. Weiterhin sollte dieser Vorgang so schnell wie möglich durchgeführt werden. Wir halten also fest: “Wir möchten korrekte Daten, so schnell wie möglich versenden bzw. empfangen.

Serielle und parallele Datenübertragung

Nehmen wir also an, wir möchten Daten über ein Kabel übertragen. Was man im Voraus schon sagen kann ist dass serielle Daten hintereinander Bitweise übertragen werden. Im Gegensatz zur parallelen Übertragung, bei der die Datenbits auf mehreren “Adern” nebeneinander übertragen und am Ende der “Leitung” wieder zusammengesetzt werden.
Wird denn auch der Datenstrom geprüft?
Ja, jede Übertragung wird mit einem Startbit eingeleitet, und ein Stoppbit gekennzeichnet das Ende der Übertragung. Um zu prüfen ob der Datenstrom korrekt angekommen ist, werden zusätzlich Prüfbits (Paritätsbits) mitversendet.
Man unterscheidet bei solch einer Prüfung zwischen gerader (even) und ungerader (odd) Parität. Ein Beispiel:
Wir versenden folgenden Datenstrom 0100.1110 setzen zusätzlich das Paritätsbit 1 und sagen dem Empfänger, dass er eine ungerade Parität erwarten soll. Also ein ungerade Anzahl von “einsen”. Somit erhält der Empfänger den Datenstrom mit einer zusätzlichen 1. Daraus ergibt sich eine ungerade Anzahl an “einsen” im Datenstrom und der Empfänger kann davon ausgehen, dass kein Übertragungsfehler aufgetreten ist.

Doch was nun?

Ist das wirklich so einfach?
Welche Art von Datenübertragung erfüllt denn nun die gewünschten Kriterien?
Wo werden Sie eingesetzt?
Wie funktioniert die Kommunikation der Peripheriegeräte mit dem Prozessor?
Wozu die vielen Anschlüsse an meinem PC?
Sind die nun seriell oder parallel?
Betrachten wir im nächsten Artikel diese Fragen, und versuchen diese zu klären, indem wir das Zusammenspiel der Komponenten einmal beschreiben.

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BIOS NEu
Das Bios (Basic Input Output System) ist ein Programm, dass heutzutage auf fast jedem Rechner zu finden ist. Dieses Programm wird auf einen Microchip (nichtflüchtigen Speicher) geschrieben, welcher dann auf der Hauptplatine integriert wird. Beim Booten des Rechners initialisiert sich das Bios und erstellt eine Kommunikation zwischen Hardware und Betriebssystem.
Es handelt sich somit wiederum um ein Eigenständiges System, dass Werte abfragt und daraufhin Verarbeitungsaufgaben durchführt. Man spricht dabei von Mikrokontrollern. Die Anwendungen von Mikrokontrollern sind bei vielen Geräten vorzufinden wie z.B. bei  “CD-/DVD-Playern”, “Waschmaschinen” und anderen Geräten.

Die Bios Hardware

Das Bios befindet sich also auf einem Chip, doch was ist das für ein Chip? Es handelt sich hierbei um einen ROM-Speicher (Read-Only Memory), der wie der Name schon sagt nur zum Lesen gedacht ist. Doch das ist so auch nicht ganz richtig, denn beim Bios-Chip handelt es sich üblicherweise um einen PROM, EPROM, oder EEPROM.

Das Bios im PC

Wir wissen nun, dass das Bios ebenfalls auf der Hauptplatine steckt und während dem Hochfahren des Rechners anfängt etwas zu tun. Die Dinge die getan werden, könnte man wie folgt beschreiben:

• Beim Einschalten des PCs wird das auszuführende BIOS-Programm in den Arbeitspeicher geschrieben, damit der Prozessor sofort anfangen kann dieses Programm zu “berechnen”.
• Als nächstes wird der sogenannte POST durchgeführt. Auch bekannt als Power On Self Test. Bei diesem Test werden verschiedene Hardwarekomponeten auf Funktion überprüft (u.a. CPU, Grafikkarte, und zusätzlich Peripheriegeräte).
• Wurde der POST abgeschlossen wird die “Kontrolle” des Rechners an das Betriebssystem übergeben.

Bios Setup Einstellungen

Beim Hochfahren eines PCs hat man üblicherweise die Möglichkeit durch bestimmte Tasten oder Tastenkombinationen in das Bios-Setup-Menü zu gelangen. Dort hat man die Möglichkeit gewissen Einstellungen vorzunehmen wie:

• Anschlüsse für Peripheriegeräte ein- oder auszuschalten.
• Nach bestimmten Zeiträumen ohne Aktivität den Monitor und Rechner in ein Stand-By-Betrieb zu stellen.
• Passwort für das Setup-Menü vom Bios festlegen.
• Default-Werte der Bios-Einstellungen laden.
• usw.

Was sagt uns das?

Das Bios ist also ein eigenständiges System, ein sogenannter “Mikrokontroller”.
Er hilft uns, unseren PC zu starten und benötigte Komponenten zu initialisieren und dem Betriebssytem zu “übergeben”. Das Bios ist zwar über ein Menü konfigurierbar, allerdings nicht so einfach mit neuem Code beschreibbar. Kurz gesagt, erweckt der Mikrokontroller in dem das Biosprogramm eingeschrieben wurde unseren Rechner zum Leben.

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In Computern werden RAMs (RandomAccesMemorys) von Zentraleinheiten (CPUs) als Arbeitsspeicher oder Hauptspeicher eingesetzt, auf den sie wahlfrei zugreifen können. Das bedeutet, dass auf jedes Byte direkt zugegriffen werden kann, ohne dass das vorherige oder folgende Byte einen Bezug dazu hat. Die Daten werden in einem RAM so lange gespeichert, bis sie durch neue Daten überschrieben werden und so lange wie das RAM von einer Versorgungsspannung versorgt wird. Man spricht dabei von Halbleiterspeichern. Früher waren Prozessor und Arbeitsspeicher fest vereint, doch da Prozessoren immer schneller getaktet werden konnten und die Arbeitspeicher da nicht mithalten konnten, entkoppelte man sie schliesslich. Auf heutigen Mainboards werden sie an die Northbridge gekoppelt.

Im Prinzip unterscheidet man

zwei Arten von RAMs:

SRAM – Static Random Access Memory

SRAM ist statisch, was bedeutet, dass der Speicherinhalt mittels Flip-Flops gespeichert wird und so nach dem Abruf des Speicherinhaltes erhalten bleibt. Dadurch ist der Stromverbrauch sehr hoch, da die Daten ja erhalten werden müssen, was aber ein schnelles Arbeiten innerhalb des Speichers ermöglicht.

Aufgrund seines hohen Preises und des großen Stromverbrauchs wird SRAM nur als Cache- oder Pufferspeicher mit geringen Kapazitäten verwendet.

DRAM – Dynamic Random Access Memory

Das Dynamic RAM (DRAM) benötigt nicht nur das Anliegen einer Spannung, sondern der Inhalt jeder einzelnen Speicherstelle muss mit jedem Taktzyklus aufgefrischt werden (Refresh). Es ist vergleichsweise günstig herzustellen und hat einen niedrigeren Stromverbrauch.

Warum sind RAMs so wichtig für die Performance meines Rechners

Nehmen wir an unser Prozessor hat eine schwierige mathematische Berechnung durchzuführen, und benötigt um auf die Lösung zu kommen immer mal wieder Zwischenergebnisse. Diese Zwischenergebnisse speichert er sich im RAM ab und ruft sie wieder auf sobald er mit der Berechnung fortfahren möchte. Ist die Anzahl der “Zwischenergebnisse einmal so hoch, dass sie nichtmehrauf die RAMs passen, werden sie auf die Festplatte ausgelagert (Bei Linux spricht man dabei vom Swap-Bereich).
Und genau das ist der Punkt, an dem Geschwindigkeit verloren geht. Denn der Zugriff auf die “Zwischenergebnisse” im Auslagerungsspeicher, ist um Faktoren höher als der Zugriff auf den RAM. Um Daten von der Festplatte bereitzustellen werden ca. 20 Millisekunden benötigt. Die Zugriffszeit auf den Arbeitsspeicher beträgt dagegen nur ca. 25 Nanosekunden, was einem Dreihunderttausendstel davon entspricht.

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Der Mikroprozessor ist für die Ausführung von Programmen und für die Verwaltung der Hardware zuständig. Ein PC kann mehrere Prozessoren besitzen. Im Serverbereich, sowie für professionelle Multimediaanwendungen ist dies oft der Fall.

Aufbau eines Mikroprozessors

Schematisch gesehen besitzt ein Mikroprozessor die folgenden Bestandteile:

• Die ALU ist das moderne Rechenwerk
• Das Register spezielle Speicherstelle innerhalb der CPU
• Das Steuerwerk sorgt dafür, dass Befehle vom Register ins Rechenwerk gelangen.
• Die Befehlstabelle dort ist je nach Befehl ein “passendes Verhalten hinterlegt” (Ähnlich der Tabelle wie in der Dechiffriermaschine)
• Die Datenleitungen(Busse) sind die Verbindungen zur “Aussenwelt”.
• Die Cache Speicher sind kleine, aber sehr schnelle Zwischenspeicher, in denen Daten oder Befehle abgelegt werden, die bald wieder benötigt werden.

Wie arbeitet ein Prozessor?

Der Prozessor ist also eine Zusammensetzung von Transistoren, welche alle Rechenvorgänge mit Hilfe vom Binärsystem löst. Also Prinzipiell die Zahl 1 für Schalter an, und 0 für Schalter aus. Für die meisten ergibt dies natürlich keinen Sinn doch wie man im vorherigen Kapitel anhand der Turing-Maschine erkannt hat, ergeben sich durchaus Möglichkeiten Rechenoperationen mit dieser Art zu lösen.
Befehle landen natürlich in passender Maschinensprache beim Prozessor, und werden vorher von z.B. Compilern in dieses passende “Format” übersetzt.
Man kann die Verarbeitung im Prozessor prinzipiell folgendermaßen beschreiben:

1. Der aktuelle Befehl wird aus dem Programm gelesen; die Stelle wird durch den Befehlszeiger des Prozessors angezeigt.
2. Der Prozessor schlägt die Nummer des erhaltenen Befehls in der Befehlstabelle nach und liest je nach Befehl die passende Anzahl darauf folgender Bytes als Parameter dieses Befehls. Dabei rückt der Befehlszeiger hinter das letzte Parameter-Byte, um für das Lesen des nächsten Befehls bereit zu sein.
3. Der Befehl wird ausgeführt. Dies ist der komplexeste Teil der Prozessortätigkeit, denn je nach konkretem Befehl kann das Lesen von Daten aus dem Arbeitsspeicher, die Ansteuerung von Peripherieschnittstellen, das Rechnen in der ALU oder die Durchführung eines Sprungs im Programm dazugehören.
4. Falls ein Sprung stattfindet, wird der Befehlszeiger an die entsprechende neue Position gesetzt. Andernfalls geht es an der nach dem Lesen der Parameter ermittelten Stelle weiter.

Leistungsmerkmale

Dass Prozessoren im Lauf der Jahre immer leistungsfähiger wurden, dürfte allgemein bekannt sein und ist für technische Geräte fast selbstverständlich. Es ist allerdings wichtig, die verschiedenen Leistungsmerkmale zu kennen und zuordnen zu können. Um die Leistungsfähigkeit eines Prozessors in Erfahrung einschätzen zu können beachte man folgende Komponenten:

Wortbreite

Die Wortbreite legt fest, wie lang ein Maschinenwort des Prozessors sein kann, d. h. aus wie vielen Bits es maximal bestehen kann. Ausschlaggebend sind dabei folgende Werte:

• Arbeits- oder Datenregister: Die Wortbreite bestimmt die maximale Größe der verarbeitbaren Ganz- und Gleitkommazahlen. Im Normalfall stimmen die Wortbreiten überein und betragen bei aktuellen PC’s 64 Bit.
• Datenbus: Anhand der Wortbreite ist festgelegt, wie viele Bits gleichzeitig aus dem Arbeitsspeicher in die CPU eingelesen werden können.
• Adressbus: Je größer die Wortbreite desto größer der ansprechbare Arbeitsspeichers.
• Steuerbus: Anhand der Wortbreite wird die Anzahl der ansteuerbaren Peripherieanschlüsse festgelegt.

Die Taktfrequenz

Mit der Taktfrequenz wird angegeben wie viele Befehle der Prozessor pro Sekunde ausführen kann. Bei den meisten Prozessoren werden mehrere Takte pro Befehl benötigt. Also einen Takt um den Befehl zu lesen, einen zweiten um das erste Wort zur Verarbeitung einzulesen, einen dritten Takt um das zweite Wort einzulesen und einen vierten Takt um die beiden Wörter miteinander zu addieren.

Betrachten wir als nächstes den Arbeitsspeicher

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In diesem Kapitel wird der Aufbau und einzelne Bestandteile von Computern beschrieben. Der Fokus liegt dabei auf den Elementen der Zentraleinheit, und wichtige Peripheriegeräte.

Netzwerkhardware, sowie der Einsatz und Funktion davon wird dabei beabsichtlich nicht erwähnt, da es in einem späteren Kapitel detaillierter behandelt wird.

Das Kapitel wird mit dem EVA-Prinzip (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe) eingeleitet, da ja für jeden Schritt verschiedene Bauteile verwendet werden. Als Beispiel die Tastatur für die Eingabe, der Rechnerkern für die Verarbeitung, und der Monitor als Ausgabemedium verwendet.

Die Zentraleinheit im Rechner und die einzelenen Bestandteile werden als erstes Unterkapitel beschrieben. Darunter befinden sich u.a. die Hauptplatine und ihre einzelnen Komponenten, sowie Aufbau und Funktion der CPU.

Auch der Arbeitsspeicher als Hardwarekomponente wird beschrieben. Darunter ebenfalls die verschiedenen Bauformen von RAM-Bausteinen, un die Verwendung davon im Zusammenhang mit der Rechnerperformance.

Das Bios in Funktion und Verwendung wird ebenfalls in diesem Kapitel beschrieben.

Peripheriegeräte werden als sämtliche, zusätzliche Geräte beschrieben die an den Computer angeschlossen werden können. Hier wird unterschieden zwischen Massenspeicher, Eingabegeräten, und Ausgabegeräten. Sound-Hardware wird dabei sowohl als Eingabegerät als auch als Ausgabegerät betrachtet.

Das Zusammenspiel aller Bauteile wird also in diesem Kapitel erklärt und wichtige Dinge hervorgehoben. Als nächstes werden wir uns also mal die Zentraleinheit anschauen.

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Ein Unterkapitel der Mathematischen und technische Grundlagen sind Automatentheorien und -simulationen.
Um die Funktionsweise von Computern nachvollziehen zu können, wurden im Lauf ihrer Entwicklungsgeschichte zahlreiche mathematisch-theoretische Modelle entworfen, die die grundlegenden Arbeitsschritte einer solchen Maschine verdeutlichen sollen.
Automatentheorien beschreiben nicht die elektrotechnischen Details von Computern, sondern die mathematischen Aspekte ihrer Funktionsweise. Somit sind Automatentheorien Algorithmentheorien, welche auf vielen verschiedenen Rechnern angewendet werden können.
Nehmen wir uns also vorerst mal den endlichen Automat nach Turing vor.

Die Turing Maschine

Zuerst einmal erhielt die Turing Maschine ihren Namen von ihrem Entwickler. Alan Turing. Dieser Herr kam während des zweiten Weltkriegs zu sehr viel Ruhm, da er eine Schlüsselfigur war bei der Entschlüsselung der deutschen Chiffriermaschine Enigma.
Einer der ersten von Turing erstellten Algorithmen wurde eingesetzt um ein Gespräch zu simulieren. Dabei wurden eingegebene Texte in Rückfragen umgewandelt. Hier ein Auszug:

Der User gibt ein: I am afraid of computers.
Das Programm Antwortet: You have your mind on computers, it seems.
User: Yes.
Programm: I see...  Well, why do you say this is so?
User: Because computers make me nervous.
Programm: Is it because computers make you nervous that you came to me?
...usw.

Das Aussehen der Maschine wird ähnlich einer “Schreibmaschine” beschrieben. Doch man tut sich denke ich einfacher, wenn man sich die Turing-Maschine nicht als Maschine sondern eher als eine Methode mathematischen Denkens vorstellt.

Was macht diese Maschine

Je nach gelesenem Zeichen und je nach bisherigem Zustand wird die Maschine in verschiedene definierte Zustände versetzt. Die Zustände bestehen beispielsweise in der Bewegung des Bandes in eine der beiden Richtungen, das Lesen des jeweils nächsten Zeichens, das Schreiben eines Zeichens und so weiter. Ein spezielles Zeichen muss die Maschine jeweils in den Zustand “Programmende” schalten.
Die Tatsache, dass es endlich viele verschiedene Zustände gibt, in denen sich eine solche Maschine befinden kann, begründet die Bezeichnung “endlicher Automat”.
Dieser Automat nimmt also Eingaben entgegen und liefert festgelegte Werte zurück, bis schließlich das Ende des Programms erreicht wurde.

Wozu braucht man einen Turing Test

Turing-Maschinen sind in der Lage, jedes beliebige berechenbare Problem zu lösen. Deshalb ist ein wichtiges Kriterium für die Funktionalität einer Programmiersprache die Frage, ob sie Turing-vollständig ist, das heißt alle Probleme lösen kann, mit denen auch die Turing-Maschine zurechtkommt.

Warum wird diese Maschine erwähnt und was bringt sie mir

Vielleicht ja so.
Ich hinterlege in meiner Maschine folgendes.

somit kann sich hinter einer nicht sinnvollen Zeichenkette wie “QKPPZ” doch etwas sinnvolles, wie “HALLO” verbergen.
Was kann man noch? Ich möchte Telefonnummern kopieren. Also soll meine Maschine die Nummern einlesen und genauso auch wieder ausgeben. Da ich in meiner Tabelle das auch so hinterlegt habe ist das kein Problem.
Somit ist festzustellen, dass man prinzipiell in jedem Rechner eine Turing-Maschine findet. Der Rechner nimmt also eine Eingabe entgegen und verarbeitet diese nach festgelegtem Ablauf und schreibt dann etwas zurück.
Dadurch ergibt sich die Möglichkeit die Tabellen so zu erweitern, das ich die Kopierfunktion zum Multiplizieren nutzen kann. Kopiere die eingegebene Zahl n-mal und ich kann somit ein passendes Ergebnis erhalten.
Man kann also erkennen, dass sich hinter komplizierten Vorgängen meist nur einfache Logiken verbergen. Und setzt man mehrere einfache Logiken zusammen kann man evtl. eine anfangs schwierig erscheinende Anforderung doch lösen. Oder aber andersherum, indem man ein nicht zu verstehendes Problem in mehrere kleinere, verständliche “Probleme” auseinander nimmt.

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Logik

In der Informatik wird die Logik eingesetzt um Aussagen als eindeutig wahr oder eindeutig falsch zu setzen. Somit sind Sätze welche als Frage oder z.B. als Meinung formuliert werden als keine eindeutige Aussage zu werten.
Unter mathematischen Aussagen versteht man z.B. Gleichungen oder Ungleichungen.
Um mehrere Aussagen zu Verknüpfen wird die boolesche Algebra angewendet. In der Informatik werden Aussagen meist in einer Wahrheitstabelle aufgeführt. Eine wahre Aussage wird durch den Wert 1, und eine falsche Aussage durch den Wert 0 gekennzeichnet. Zur boolesche Algebra gehören logische Schlussfolgerungen, Umkehrschluss, sowie die Und-Oder- Verknüpfung. Ein besonderer Operator ist das “Exklusive-Oder”, das ebenfalls dazugehört. Hierbei ist Aussage nur dann wahr, wenn genau nur eine Aussage zutrifft. Um das leichter zu verstehen ist das folgende Beispiel hilfreich.
Wenn ich entweder mit dem Bus oder mit dem Auto fahre, gelange ich zur Arbeit (ich kann auf keinen Fall mit Bus und Auto gleichzeitig fahren).

Zahlensysteme

Der Computer selbst hat mit dem Dezimalsystem nichts zu tun. Lediglich die Ein- und Ausgabe dieser Form ist wichtig, da für Anwender dieses Zahlensystem am gängisten sind.
Das Dualsystem ist für den Computer das wichtigste, da er intern damit arbeitet. Das Dulasystem verwendet die Basis 2, was demzufolge für den Computer passend ist, da er zum Arbeiten die Ziffern 0 und 1 benötigt. Das Hexadezimalsystem wird gerne dazu benutzt um z.B. Byte-Inhalte darzustellen. Hierbei handelt ee sich um ein Stellenwertsystem mit der Basis 16, wobei die Zahlen von 0 bis 9 und von A bis F dargestellt werden.

Bits und Bytes

Eine einzelne Binärstelle, die ein Rechner speichert, wird als Bit bezeichnet. Jedem Computer ist es nach festgelegten Standart möglich, mindestens 8 Bit grosse Blöcke zu verarbeiten. Diese 8 Bit grossen Blöcke werden als Bytes bezeichnet.
16 Bit grosse Blöcke werden als Word und 32 Bit grosse Blöcke als DoubleWord bezeichnet.
Auch für bytes werden Vervielfältigungen verwendet. Hierbei wird allerdings nicht der wahre Faktor Tausend benutzt, sondern das Binäre “2hoch10″, was 1024 ergibt.

Elektronische Grundlagen

Alle mathematischen und logischen Funktionen werden in einem realen Computer durch elektronische Schaltungen realisiert. Man spricht dabei von der Schaltalgebra. Beispiele für Schaltungen
Schaltungen werden auch für Speicherbausteine benutzt. Um zu ermöglichen, einen “Wert” dauerhaft zu speichern wird die Flip-Flop-Schaltung als Grundbaustein verwendet. Beispiel und Erklärung einer Flip-Flop-Schaltung
Beispiel Flip-Flop-Schaltung

Algorithmen

Um Algorithmen darzustellen gibt es zum Einen die Algebraische Darstellung, in der Abläufe und Verknüpfungen mit Hilfe von festgelegten mathematischen Zeichen dargestellt werden. Aber auch die Anschaulich-sprachliche Darstellung wird sehr häufig genutzt. Bei dieser Methode werden Algorithmen mit Hilfe von Alltagssprache ausformuliert. Bei der Diagrammdarstellung werden genormte Diagramme wie u.a das Flussdiagramm, oder die Unified Modeling Language (UML) eingesetz.

Komplexität

Algorithmen werden durch Ihre Berechnungszeit in Komplexitätsklassen aufgeteilt:

1. O(1) statische Komplexität: Die Rechenzeit bleibt ungeachtet der Quantität N immer etwa gleich; dies ist ein Idealzustand, der selten erreicht wird. Der aktuelle Linux-Kernel 2.6 enthält einen O(1)-Scheduler. Es dauert also unabhängig von der Anzahl der laufenden Prozesse immer ungefähr gleich lang, auszuwählen, welcher als Nächster an der Reihe ist.
2. O(log(N)) die logarithmische Komplexität.
3. O(N2 ) quadratische Komplexität entsteht zum Beispiel bei Problemen, die die tabellarische Verknüpfung von Werten beinhalten.
4. O(NK ) die polynomielle Komplexität herrscht bei zahlreichen mehrdimensionalen Algorithmen.
5. O(KN ) exponentielle Komplexität kommt bei Problemen vor, die durch mehrfaches Ausprobieren. verschiedener Kombinationsmöglichkeiten gelöst werden.

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