Grundlagen von IT-Systemen

IT-Systeme

• IT-Systeme bestehen aus Hardware, Software und Kommunikationskomponenten.
• Sie dienen dem Erfassen, Verarbeiten, Speichern, Übertragen und Nutzen von Daten.
• Sie organisieren und verwalten Informationen für bestimmte Zwecke.

Daten vs. Informationen

• Daten werden zu Informationen, sobald sie vom Empfänger verstanden werden.
• Daten müssen in verständliche Informationen umgewandelt werden.

EVA-Prinzip

• Das EVA-Prinzip steht für Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe.
• Beispiel: Ein Buchstabe wird über die Tastatur eingegeben, in der CPU verarbeitet und auf dem Monitor angezeigt.
• Anderes Beispiel: Ein Headset nimmt Sprache über das Mikrofon auf (Eingabe), die Soundkarte verarbeitet die Töne, und die Ohrmuscheln geben sie aus (Ausgabe).

Hardware vs. Software

• Hardware sind physische Bauteile.
• Software sind Programme.

Komponenten der Systemeinheit

• Mikroprozessor.
• Bussystem.
• Festwertspeicher.
• Arbeitsspeicher.
• Eingabe-/Ausgabeschnittstellen (HDMI, USB etc.).
• Peripheriegeräte wie Grafik- und Soundkarten gehören ebenfalls zur Systemeinheit.

Peripheriegeräte

• Externe Peripheriegeräte sind z.B. Drucker, Monitor, Tastatur, Maus oder Beamer.

Festwertspeicher ROM

• ROM steht für Read-Only Memory

Arbeitsspeicher RAM

• RAM steht für Random Access Memory

Random bei RAM

• "Random" bedeutet, dass Daten nicht sequentiell, sondern auf verschiedenen Speicherchips abgelegt werden können.

ROM vs. RAM

• ROM ermöglicht nur lesenden Zugriff.
• RAM ermöglicht lesenden und schreibenden Zugriff.

CPU-Komponenten

• Speicherkontroller organisieren den Datenabruf und die Speicherung auf dem Arbeitsspeicher.
• Das Steuerwerk bzw. Leitwerk steuert den Ablauf der Befehlsverarbeitung.
• Die ALU (Arithmetic Logic Unit, Rechenwerk) führt die eigentlichen Berechnungen aus.
• Die Befehle für die Berechnungen stehen im Befehlssatz des Prozessors.
• Register sind die schnellsten und teuersten Speicher, die direkt bei der ALU liegen.

64-Bit-Architektur

• Eine 64-Bit-Architektur kann 64 0er- und 1er-Signale gleichzeitig verarbeiten.
• Ryzen- und Intel Core-Prozessoren nutzen solche Architekturen.
• Betriebssysteme wie Windows 10 64 Bit sind darauf angepasst.

CPU-Speicher

• L1-Cache (KB-Bereich).
• L2-Cache (ein- bis zweistelliger MB-Bereich).
• L3-Cache (zwei- bis dreistelliger MB-Bereich).
• Beispiel: i9 13900K hat L1 = 80KB, L2 = 2MB und L3 = 36 MB.

Funktion des Caches

• Der Cache dient der Zwischenspeicherung häufig verwendeter Daten, um schnellere Zugriffe zu ermöglichen.
• Der L3-Cache liegt in der Mitte zur Abstimmung der Speicherinhalte aller Kerne, außerhalb der L1- und L2-Caches.

Anzahl der Kerne

• Aktuelle Prozessoren haben 4 bis 16 Kerne.

Steckverbindung Prozessor/Motherboard

• Die physikalische Steckverbindung heißt Sockel.

Typische Steckverbindungen

• LGA (Land Grid Array): Kontaktflächen sind am Prozessor
• PGA (Pin Grid Array): Kontaktstifte sind am Prozessor

Verbindungstyp

• Prozessoren von AMD für AM5 verwenden ebenfalls LGA.

Übertragungsgeschwindigkeit i9-13900k

• Die Übertragungsgeschwindigkeit des i9-13900k liegt übertaktet bei 5,8 GHz.
• Allgemein liegen aktuelle CPUs bei 3 bis 5 GHz.

Die-Shot

• Ein Die-Shot ist ein Foto von dem Chip eines i9-13900K.
• Viele solcher Dies werden zusammen auf einem Wafer hergestellt.
• Wafer sind runde Scheiben, die meist aus Silizium bestehen und aus Halbleitermaterialblöcken (Ingots) geschnitten werden.
• Der rot markierte Viereck in einem Die-Shot ist der eigentliche Kern, der L3-Cache befindet sich in der Mitte, und die L1- und L2-Caches liegen in den Kernen.

ATX (Motherboard)

• ATX bezeichnet den Formfaktor eines Motherboards, d.h. Größe, Befestigungslöcher und Position des I/O-Panels sind standardisiert.

Weitere Formfaktoren

• (E-ATX), ATX, Micro ATX, Mini ITX (Der Größe nach sortiert von groß nach klein).

Einbau eines Kühlers

• Bei Towerkühlern können Heatpipes auf Spannungswandlern aufliegen, was zu Problemen führen kann.
• Passive Kühler über Spannungswandlern können einen schiefen Sitz des Kühlers verursachen.
• Alternativ kann eine AIO-Wasserkühlung verwendet werden.
• Schrauben diagonal anziehen und Wärmeleitpaste auftragen.

Motherboard-Anbindungen

• Je nach Motherboard kann die Nutzung des ersten M.2 SSD-Slots, der mit PCIe 5.0 verbunden ist, ungünstig sein, wenn die CPU 16 PCIe 5.0 Lanes bereitstellt.

Bussystem

• Das Bussystem stellt die Kommunikationswege zwischen Prozessor, Arbeitsspeicher, Chipsatz und angeschlossenen Karten/Peripherie dar.

Aktuelle Schnittstellen

• PCIe 5.0
• USB 3.2

Interne Schnittstellen

• PCIe x4
• PCIe x16
• PCIe x1

Verwendung der Slots

• PCIe x16 wird in der Regel für Grafikkarten verwendet.
• PCIe x1 wird für Erweiterungskarten verwendet
• Erweiterungskarten können grundsätzlich auch in größeren Steckplätzen verwendet werden.

PCIe x16 Lanes

• Ein PCIe x16 Slot hat nicht automatisch 16 Lanes.
• Bei SLI (zwei oder mehr Grafikkarten) können nicht alle x16 Slots 16 Lanes nutzen.
• Es kann passieren, dass der zweite x16 nur noch 8 Lanes unterstützt, oder dass beide x16 nur mit 8 Lanes arbeiten, abhängig vom Motherboard und Prozessor.

PCIe-Schnittstelle Leistung

• Die PCIe-Schnittstelle kann 75 Watt bereitstellen.
• Dadruch kann ein zusätzlicher Stromanschluss für die Erweiterungskarte gespart werden.

Probleme bei Towerkühlern

• Spannungswandler oder Kühlelemente um die CPU dürfen nicht zu hoch sein.
• Die Unterseite des Kühlers muss plan auf dem Heatspreader der CPU aufliegen, um Wärme abzutransportieren.

Externe Schnittstellen

• PS2
• VGA
• DP (DisplayPort)
• RJ45 (LAN)
• DVI
• USB
• HDMI
• Klinke (Audio)
• USB 2.0: schwarz
• USB 3.2 Gen 1: blau
• USB 3.2 Gen 2: rot

Hinweis zu USB 3.x

• Es gab ziemliches Chaos bei USB 3.x.
• Mit USB 4 soll sich das ändern, dann auch mit dem USB-C-Stecker.

Arbeitsspeicher/Hauptspeicher

• Flüchtiger Speicher (DRAM) benötigt regelmäßiges Refreshing.
• Kondensatoren werden mehrmals pro Sekunde mit Strom versorgt, um die Daten zu erhalten.
• Ungefähr 1000 Refreshs pro Minute.
• Bei Stromverlust gehen die Daten verloren.

DIMM

• DIMM steht für Dual Inline Memory Module, ein Formfaktor für Arbeitsspeicher.
• Gesendete und empfangene Signale können auf Vorder- und Rückseite unterschiedlich sein.

Unterschiede der DDR-Generationen

• Anzahl der Kontakte.
• Speicherkapazität.
• Position der Kerbe.
• Arbeitsspeicher und Slot im Motherboard müssen kompatibel sein.

Aktuelle DDR-Standards

• DDR5 beim Arbeitsspeicher (voraussichtlich DDR6 Anfang 2025 bei Servern).
• GDDR6x bei Grafikkarten (GDDR7 von Samsung in den nächsten Monaten).

DDR-Abkürzung

• DDR steht für Double Data Rate.
• Korrekt wäre DDR-SDRAM (synchronous dynamic random access memory).

Zusatzinfo Arbeitsspeicher

• Ein EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) befindet sich auf jedem Riegel.
• Der EEPROM kann vom Motherboard richtig erkannt und optimal genutzt werden um die Daten aus zu lesen.

Speicherkapazität DDR

• 16 GB und 32 GB sind üblich.
• Meist als Kits mit 2 x 16 GB oder 2 x 32 GB verkauft.

Hinweis SRAM

• Im Prozessor Caches wird SRAM verwendet.
• SRAM ist schneller und benötigt keinen Refresh.

Speichergeschwindigkeiten

• Aktuelle Speicherriegel erreichen 3000 MHz (DDR4) bis 6000 MHz (DDR5).

Massenspeicher

• SSD steht für Solid State Drive.
• SSD-Daten werden elektronisch gespeichert.
• Flash-basierte Speicher wie NAND-Flash werden verwendet.
• SSDs sind langsamer als Cache- und Arbeitsspeicher, aber günstiger.
• Daten werden in Blöcken gespeichert und gelöscht.
• Jeder Block hat eine begrenzte Anzahl an Speicherdurchgängen, was die Haltbarkeit beeinflusst.
• Wear Leveling verteilt Speichervorgänge gleichmäßig, um die Abnutzung zu reduzieren.

SSD-Anbindung

• Über SATA 3 oder M.2 (direkt auf dem Motherboard als Steckkarte über PCIe).

Vorteile von M.2 SSDs

• M.2 SSDs haben direkten Kontakt zum Motherboard für höhere Geschwindigkeiten im als normale SSDs mit Kabel.
• Beide verwenden PCIe als Schnittstelle.

Theoretische Geschwindigkeiten

• 2,5" SSD: bis zu 600 MB/s
• M.2 SSD NVMe: bis zu 12400 MB/s (Bei PCIe 5.0)
• HDD (7.200 U/min): bis zu 160 MB/s

NVMe

• NVMe (Non-Volatile Memory Express) ist eine Schnittstelle/Kommunikationsprotokoll.
• Speziell für den Betrieb von M.2 SSDs über den PCIe-Bus entwickelt

HDD

-Festplattenlaufwerk.

HDD-Datenspeicherung

• Mechanisch und magnetisch.
• Ein Schreibkopf am Ende eines Aktuatorarms erzeugt magnetische Ausrichtungen auf rotierenden Scheiben.
• Diese Ausrichtungen werden als 0 und 1 interpretiert.
• HDDs sind anfälliger für Beschädigungen durch Stöße, da sie mechanische Teile enthalten.
• SSDs und HDDs können über SATA 3 angebunden werden.

Speicherkonzepte HDD

• Longitudinal recording (Horizontal) oder Perpendicular recording

ATX-Netzteil

• ATX ist der Standardformfaktor für Netzteile, unabhängig vom Motherboard-Formfaktor.

Typische Spannungen des Netzteils

• 3,3 V
• 5 V
• 12 V

80 Plus Siegel

• Die Siegel geben Auskunft über den Wirkungsgrad des Netzteils, wobei höhere Siegel einen besseren Wirkungsgrad bedeuten.
• 80 Plus bedeutet, dass mindestens 80 % des Stroms effektiv genutzt werden können, der Rest geht als Wärme verloren.

Effizienzkurven

• Die Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen der Auslastung eines Netzteils und dessen Wirkungsgrad.
• Je eher die Wirkungsgrade erreicht werden, desto besser die Wattzahl.
• Die rote Linie zeigt die gemessene Effizienz und die Effizienzklasse eines Netzteils.

Anschlüsse am Netzteil

• 24 Pin ATX Stromanschluss für das Motherboard, SATA, PCIe und CPU
• 24 Pin ATX Stromstecker für das Mainboard
• 4 Pin Stromstecker für den Prozessor
• 6/8 Pin PCIe Stecker für Grafikkarten
• SATA 3 Datenkabel
• SATA Stromkabel

Maximale Wattzahlen

• 6 Pin PCIe: max. 75 Watt
• 8 Pin PCIe: max. 150 Watt
• 12 Pin (z.B. RTX 4090): max. 600 Watt

Bestimmung der benötigten Wattzahl

• Addiere die Maximalwerte aller Bauteile und plane einen Puffer ein.
• Nutze Websites/Rechner von MSI o. Ä. Achtung die Festplatten nicht vergessen, die benötigen auch Strom!

Modulares Netzteil

• Modulare Netzteile ermöglichen das Abziehen von Kabeln, was das Kabelmanagement vereinfacht.

AC vs. DC

• AC ist Wechselstrom, DC ist Gleichstrom.
• Das Netzteil wandelt Wechselstrom aus der Steckdose in Gleichstrom um.
• Trafos reduzieren das ganze auf geringere Spannungen z.B. 3,3V, 5V und 12V.

Schutzschaltungen

OVP (Überspannungsschutz) UVP (Unterspannungsschutz) SCP (Kurzschlussschutz) OPP (Überlastschutz) OTP (Übertemperaturschutz) OCP (Überstromschutz) SIP (Schutz bei Überspannungen und gegen zu hohen Einschaltstrom)

Kapazität Grafikkarten

• Aktuelle Grafikkarten haben 8 GB bis 16 GB Speicher.

GPU vs. CPU

• Die CPU ist schneller und kann komplexere Berechnungen durchführen, hat aber weniger Kerne und die Befehle werden sequentiell abgearbeitet.
• GPUs sind auf parallele Verarbeitung ausgerichtet und führen einfachere Berechnungen gleichzeitig auf vielen Kernen aus.
• CPUs werden für allgemeine Aufgaben eingesetzt, GPUs sind spezialisiert auf grafikintensive Aufgaben wie 3D-Rendering, Videobearbeitung und maschinelles Lernen.
• Der Nachteil einer integrierten Grafikeinheit in der CPU ist geringere Leistung, erhöhte Wärmeentwicklung und geteilter Arbeitsspeicher.

Aufgabe der GPU

• Die GPU verarbeitet Grafiken und Bilder für die Anzeige auf einem Bildschirm.
• Sie ist für Parallelverarbeitung optimiert und hat tausende Kerne.

Anbindung der Grafikkarte

• Über PCIe.
• Eigene Stromversorgung bei mehr als 75 Watt erforderlich.

Displaytypen

• LCD/LED: Hintergrundbeleuchtung, kein echtes Schwarz, höhere Helligkeit, IPS-Panel mit gutem Betrachtungswinkel.
• Funktionsweise von LCDs: Zwei Polarisationsfilter und Flüssigkristalle steuern die Lichtverteilung.
• OLED: Selbstleuchtende Pixel, echtes Schwarz, bessere Reaktionszeit, mögliche Einbrenneffekte, organische LEDs.

E-Paper

• E-Paper verbraucht nur beim Bildwechsel Strom.
• Besteht aus Kapseln mit schwarzen, weißen oder farbigen Teilchen.
• Langsamere Reaktionszeit.
• Geringer Energieverbrauch, Nutzung von Tageslicht, z.B. bei Preisschildern