Hardware, Rechnerarchitektur und Firmware-Grundlagen

Umfassende Karteikartensammlung zu den Themen Computerhardware, Komponenten des Mainboards, von-Neumann-Architektur, Bussysteme, Arbeitsspeicher sowie BIOS und UEFI.

Hardware

Die physischen Bauteile eines Computers (wie Prozessor, Speicher, Grafikkarte und Mainboard), welche die Funktionalität ermöglichen und für das Ausführen von Software notwendig sind.

Software

Die nicht-physischen Bestandteile eines Computersystems (wie das Betriebssystem und Anwendersoftware), welche die Hardware steuern.

Prozessor (CPU)

• zentrale Verarbeitungseinheit (Central Processing Unit) bzw. das „Gehirn“ des Computers

• führt Rechenoperationen und logische Operationen aus, interpretiert Befehle, verarbeitet Daten und regelt den Datenverkehr zwischen den Hardwarekomponenten

Primärspeicher

• Speicherbereich mit schnellem Zugriff,

• alle Daten und Programme abgelegt, die aktuell zur Verarbeitung benötigt werden

• besteht aus Cache, RAM und ROM

Sekundärspeicher

• Speicherbereich mit vergleichsweise langsamem Zugriff

• aktuell nicht verwendete Daten und Programme ausgelagert und langfristig auch nach dem Ausschalten gespeichert

• z. B. HDD oder SSD

Grafikkarte (GPU)

Hardwarekomponente zur Verarbeitung und Ausgabe von grafischen Daten.

Netzteil

Komponente, die alle Bauteile mit der benötigten elektrischen Spannung versorgt und das System vor Überspannung sowie Überhitzung schützt.

John-von-Neumann-Rechenarchitektur

Rechnerarchitektur, die in fünf grundlegende Einheiten gegliedert ist: Rechenwerk, Speicherwerk, Steuerwerk, Bussystem und Ein-/Ausgabewerk.

Rechenwerk (ALU)

• Bestandteil der CPU, der arithmetische und logische Operationen ausführt

• speichert Zwischenergebnisse im Akkumulator

Steuerwerk (CU)

• Komponente der CPU, die Befehle über Befehlsregister, Befehlszähler und Dekodierer entschlüsselt, weiterleitet

• Datenverkehr koordiniert und festlegt, welche Komponente wann senden darf

Speicherwerk

Der Hauptspeicher (RAM) der von-Neumann-Architektur, der Programme und aktuell verarbeitete Daten speichert, wobei jede Information über eine eindeutige Adresse angesprochen wird und der Zugriff auf alle Datenzellen gleich schnell erfolgt.

Adressbus

Teil des Bussystems, der ausschließlich für den Transport der angesprochenen Speicheradressen zuständig ist.

Datenbus

Teil des Bussystems, der die eigentlichen Nutzdaten zwischen den Komponenten transportiert.

Steuerbus

Teil des Bussystems, der Steuersignale und Befehle bezüglich der jeweiligen Rechen- und Übertragungsoperationen übermittelt.

Flaschenhalsproblem (von-Neumann)

Engpass, da eine Busleitung nur das Senden von Daten einer einzigen Komponente erlaubt; bei gleichzeitigem Senden kommt es zu Kollisionen und Datenverlust, weshalb die Übertragung auf eine Operation pro Taktzyklus begrenzt ist.

Befehlszyklus

1. FETCH (Befehl laden, Befehlszähler erhöhen)

2. DECODE (Befehl entschlüsseln)

3. FETCH OPERANDS (Operanden laden)

4. EXECUTE (Operation ausführen)

5. WRITE BACK (Ergebnis zurückschreiben)

Mainboard

• Auch Hauptplatine oder Motherboard genannt

• das zentrale Grundgerüst, das physische Steckplätze und elektronische Leiterbahnen bereitstellt, um alle Hardwarekomponenten miteinander zu verbinden und ihre Kommunikation zu gewährleisten

CPU-Sockel

Physischer Steckplatz auf dem Mainboard, in dem der Prozessor montiert wird und der mit der jeweiligen Prozessorarchitektur übereinstimmen muss.

Erweiterungsslots

Steckplätze auf dem Mainboard zur Installation von Erweiterungskarten, um den Computer an spezifische Anforderungen anzupassen oder dessen Funktionsumfang zu vergrößern.

Chipsatz

Schaltkreise auf dem Mainboard, die den Datenfluss, die Datenverarbeitung und die Kommunikation mit externen Geräten steuern.

Taktfrequenz (CPU)

Gibt an, wie viele Taktzyklen pro Zeiteinheit ausgeführt werden; wird in Gigahertz ($\text{GHz}$) gemessen, wobei ein Hertz einem Zyklus pro Zeiteinheit entspricht ($1\,\text{GHz} = 10^9\,\text{Takte}$).

Instructions per Cycle (IPC)

Effizienzmaß eines Prozessors, das angibt, wie viele Befehle beziehungsweise Aufgaben tatsächlich innerhalb eines einzelnen Taktzyklus abgearbeitet werden.

Kern

physische Recheneinheit, die unabhängig und parallel Befehle verarbeitet

Thread

virtueller Kern, der innerhalb eines physischen Kerns arbeitet

Cache-Stufen

Hierarchischer Zwischenspeicher: L1 ist am schnellsten und kleinsten (häufige Befehle); L2 ist größer und langsamer; L3 ist am größten und langsamsten und unterstützt den Datenaustausch zwischen den Prozessorkernen.

Thermal Design Power (TDP)

In Watt ($\text{W}$) angegebene Kenngröße, die beziffert, wie viel Wärme ein Prozessor maximal erzeugt, und somit die Auslegung des Kühlsystems bestimmt.

Integrated Memory Controller (IMC)

Direkt in den Prozessor integrierter Speicher-Controller, der den eigentlichen Lese- und Schreibzugriff auf die speicherlogikfreien RAM-Module steuert.

Virtueller Arbeitsspeicher

Mechanismus zur Auslagerung von Daten auf die Festplatte, wenn der physische Arbeitsspeicher nicht mehr ausreicht, was die Zugriffszeiten verlängert und das Gesamtsystem verlangsamt.

HDD (Hard Disk Drive)

• Magnetisches Speichermedium mit rotierenden Platten und Leseköpfen

• besitzt hohe Zugriffszeiten

• erzeugt Betriebsgeräusche

• empfindlich gegenüber Stößen

SSD (Solid State Drive)

• Elektronisches Speichermedium ohne bewegliche Teile

• Stoßsicherheit

• geräuschlosen Betrieb

• kurze Zugriffszeiten

  • prozessbedingt teurer und bietet oft geringere Kapazitäten als HDDs

Lokales Bussystem

Bussystem, das alle direkt auf dem Mainboard montierten internen Komponenten unmittelbar miteinander verbindet.

Peripheres Bussystem

Über Erweiterungsschnittstellen an das lokale Bussystem angebundener Bus, der das Mainboard mit Peripheriegeräten (z. B. Laufwerke, Tastatur, Maus) verbindet.

Initiator und Follower

Rollenverteilung auf dem Bus:

• Initiator kann eigenständig und unaufgefordert eine Kommunikation starten

• Follower verhält sich passiv und darf ausschließlich auf empfangene Anfragen antworten

Serielles Bussystem

Bus, der Daten Bit für Bit hintereinander über einen einzelnen Datenkanal (wie eine Einbahnstraße) versendet; günstig, meist für längere Strecken ausgelegt (z. B. USB).

Paralleles Bussystem

Bus, der Daten zeitgleich über mehrere parallele Leitungen (wie eine Autobahn) überträgt; vorrangig für kurze Distanzen verwendet.

BIOS

Basic Input/Output System; eine auf einem nichtflüchtigen Speicherchip des Mainboards gespeicherte Firmware, die Hardware initialisiert, den Bootloader startet und die Schnittstelle zwischen Hardware und Betriebssystem darstellt.

CMOS

Complementary Metal-Oxide-Semiconductor; spezieller flüchtiger Speicherbereich für veränderbare BIOS-Einstellungen (z. B. Systemzeit), der durch eine Pufferbatterie auch bei ausgeschaltetem PC mit Strom versorgt wird.

Power-On Self-Test (POST)

Vom BIOS/UEFI koordinierte Hardware-Prüfungsroutine beim Einschalten.

Reihenfolge bei BIOS:

• 1. CPU

• 2. System (Chipsatz & BIOS)

• 3. Grafikkartenspeicher

• 4. Arbeitsspeicher

• 5. Tastatur

• 6. Datenträger

Master Boot Record (MBR)

• spezieller Festplattenbereich älterer Systeme, der den Bootloader lädt

• unterstützt Festplattengrößen von maximal $2\,\text{TB}$ und maximal $4$ primäre Partitionen

UEFI

• Unified Extensible Firmware Interface

• moderne Firmware-Architektur und Nachfolger des BIOS, der Beschränkungen bezüglich Partitionsanzahl und Datenträgergröße überwindet und eine grafische, sichere Startumgebung bietet

GUID Partition Table (GPT)

Standard-Partitionstabellen-Layout unter UEFI, welches Datenträger mit mehr als $2\,\text{TB}$ Kapazität sowie bis zu $128$ primäre Partitionen ermöglicht.

EFI-Systempartition (ESP)

• Spezielle Systempartition auf einer GPT-Festplatte

• möglich mehrere Bootloader abzulegen

• Start unterschiedlicher Betriebssysteme über einen Boot-Manager möglich

Compatibility Support Module (CSM)

• Bestandteil der UEFI-Firmware, der die Abwärtskompatibilität zu älteren Systemen wahrt

• verhält sich wie traditionelles BIOS

Secure Boot

Sicherheitsfunktion des UEFI, die vor dem Laden des Betriebssystems prüft, ob die zu startenden Boot-Dateien über eine gültige digitale Signatur einer vertrauenswürdigen Stelle verfügen.

Schutz-MBR (Protective MBR)

Sicherheitseintrag auf einer GPT-Festplatte, der verhindert, dass rein MBR-fähige Altsysteme den Datenträger als unpartitioniert einstufen und die bestehenden Partitionen überschreiben.

Firmware-Authentifizierung

Sicherheitsmechanismus von UEFI, der Aktualisierungsdateien vor der Installation verifiziert, um Manipulationen durch Schadsoftware zu unterbinden.

Netzwerkfähigkeiten von UEFI

Fähigkeit von UEFI, bereits vor dem Starten des Betriebssystems Netzwerkprotokolle zu nutzen, um Diagnosen, Reparaturen oder Fernwartung durchzuführen.