Mainboard und Prozessor - prototyping-lab/technisches-grundlagenprojekt GitHub Wiki

Thema: Was ist ein Computer

Mainboard und CPU

Mainboard

Ein Mainboard ist die Hauptplatine des Computers (auch Motherboard genannt) und dadurch Träger der wichtigsten elektronischen Bestandteile des PC. Das heißt es verbindet die verschiedenen Teile des PC miteinader und gewährleistet so eine reibungslose Zusammenarbeit.

Die Trägerplatine unterliegt einer Normung, um einen herstellerübergreifenden Einbau zu ermöglichen. Dies wird als Formfaktor bezeichnet.

Das Mainboard ist sehr empfindlich und muss vorsichtig eingebaut werden, da sich ansonsten Mikrorisse in den Leiterbahnen bilden konnen, die eine einwandfreie Funktion verhindern.

Auf einem Mainboard befinden sich in der Regel die folgenden Komponenten:

Sockel for den Hauptprozessor (CPU)
Chipsatz (Hilfsprozessoren)
IC for das BIOS/UEFI
Batterie, die bei Abschaltung vom 230-V-Netz die Energieversorgung der Systemuhr übernimmt
Hilfskomponenten
Steckplätze for den Hauptspeicher (RAM-Speicher, Arbeitsspeicher)
Steckplätze for Erweiterungskarten
Schnittstellenanschlüsse (z.B. HDMI, USB)
Anschluss for die Spannungsversorgung des Mainboards

Prozessor (CPU)

Der Prozessor ist das Kernstück und somit die zentrale Verarbeitungseinheit

Mehrere Millionen Transistoren sind auf einem nur wenige Quadratzentimeter großen Tragermaterial - dem Mikrochip - angebracht.

Zum Schutz vor mechanischen Einflüssen ist der Mikrochip in einem Gehäuse untergebracht und der elektrische Anschluss am Mainboard erfolgt über äußere Kontakte.

Der Prozessor ist in verschiedene Funktionsblöcke unterteilt mit jeweils unterschiedlichen Aufgabengebieten. Der wichtigste Funktionsblock ist der Befehlsdecoder, dieser übersetzt die eingehenden Befehle, die als Programm übergeben werden,in den sogenannten Mikrocode und übergibt sie anschließend an anderen Funktionsblöcke im Prozessor.

Die zentralen Funktionseinheiten einer CPU werden als Prozessorkern bezeichnet. Ein Mehrkernprozessor besteht aus zwei, vier oder einer anderen Anzahl gleicher Kerne, die gemeinsam auf einem einzigen Mikrochip untergebracht sind. Je mehr Kerne ein Prozessor hat, desto leistungsfähiger ist er.

Die Leistungsfähigkeit eines Prozessors wird durch die Geschwindigkeit mit der er selbst arbeitet bestimmt. Der CPU-Takt ist ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der ein Prozessor arbeitet, dieser wird durch MHz oder GHz angegeben. Jedoch hängt die Perfomance des PC nicht nur vom Prozessor ab, auch andere Komponente (Arbeitsspeicher, Festplatte, ...) beeinflussen diese.

Prozessoren unterscheiden sich vor allem in ihrer Größe und Taktung und in der Integration weiterer Funktionseinheiten in den CPU-Chip.

Man unterscheidet zwischen einer Von-Neumann-Architektur und einer Harvard-Architektur. Bei der Von-Neumann-Architektur gibt es keine Trennung zwischen dem internen Speicher für Daten und für Programmcode. Dies vereinfacht die Speicherverwaltung.Bei der Harvard-Architektur werden Daten und Programme in getrennte Speicherräume gelegt. Hierbei wird die Leistungsfähigkeit gesteigert, aber auch der Verwaltungsaufwand steigt.

Prozessor-Performance

Um eine Leistungssteigerung des Prozessors zu bewirken, werden unterschiedliche Maßnahmen eingesetzt, z.B:

Höhere Taktung (CPU-Kerns und Chachespeicher)
Vergrößerung der Kernzahl
Größere Anzahl parallel arbeitender Funktionsblocke
Verkleinerung der internen Bauteile um kürzere Signallaufzeiten und schnellere Bearbeitungen zu ermöglichen
Umstellung auf moderne Prozessoren die, anstatt der klassischen Prozessoren mehrere Befehle zu jedem Zeitpunkt ausführen können
Befehlssatzerweiterung
Verwenden von Spezialfunktionen wie die Turbo-Boost Technologie 2.0, die kurzzeitig alle Prozessorenkerne durch gesteuerte Übertaktung zur Überschreitung der Leistungsaufnahme führen
Pipelining = Holen und Decodieren von Befehlen um Wartezeiten zu reduzieren welches ein verkürzen der Verarbeitungszeiten zufolge hat
Hyperthreading = Rechenwerke werden möglichs effizient auf mehrere parallel laufenden Threads verteilt

Ein Performance-Gewinn hängt zudem von Komponenten wie dem Chipsatz, des Arbeitsspeichers der Busssysteme etc. ab.

Prozessor Kühlung

Da durch höhere Taktfrequenzen, kleinere Halbleiterstrukturen und neue Prozessorgehäuse die maximal zulässige CPU-Temperatur sinkt, ist die Anforderung an die Kühlung der Prozessoren ständig angestiegen.

Zusätzlich zu den obligatorischen Kühlkörper mit einem möglichst gerinen Wärmewiderstand ist ein Ventilator auf dem Prozessor erforderlich der die Wärme leistungsstark und schnell abführt.

Quellen