PC-Technik Grundlagen PDF 2020

PC-Technik Grundlagen (Stand 2020) Karsten Bratvogel 1. Ausgabe, Januar 2021 PCT_2020 ISBN 978-3-86249-941-0 I PC-Technik – Grund...

PC-Technik Grundlagen (Stand 2020) Karsten Bratvogel 1. Ausgabe, Januar 2021 PCT_2020 ISBN 978-3-86249-941-0 I PC-Technik – Grundlagen 1 Informationen zu diesem Buch 4 7 Grafikkarten 71 7.1 Funktionsübersicht Grafikkarten 71 2 Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse 5 7.2 Grafikstandards 71 2.1 Aufbau und Funktion eines minimalen 7.3 Aufbau von Grafikkarten 73 Computersystems 5 7.4 Grafikprozessor und Beschleunigung 74 2.2 Definition Bussysteme 7 7.5 Grafikspeicher 77 2.3 Die Hauptplatine (Mainboard/Motherboard) 8 7.6 Bustypen und Schnittstellen für Grafikkarten 79 2.4 Komponenten des Mainboards 9 7.7 Passende Grafikkarte auswählen 82 2.5 Chipsatz 11 7.8 Übung 83 2.6 Central Processing Unit – CPU 12 2.7 CPU Prozessorsockel 14 8 Erweiterungssteckkarten 84 2.8 Weitere Komponenten eines Motherboards 18 8.1 Aufgaben von Erweiterungssteckkarten 84 2.9 Steckplätze 19 8.2 Netzwerkkarten 84 2.10 Anschlüsse 21 8.3 Den PC mit dem Internet verbinden 86 2.11 Baugrößen von Mainboard und Gehäuse 23 8.4 Soundkarten 89 2.12 Netzteil 25 8.5 Controller 92 2.13 Unterbrechungsfreie Stromversorgung 28 8.6 Übung 93 2.14 Übung 30 9 Externe Schnittstellen 94 3 Prozessor (CPU) 31 9.1 Die Legacy-Schnittstellen 94 3.1 Fertigungstechniken 31 9.2 USB 94 3.2 Merkmale von Prozessoren 31 9.3 FireWire (IEEE 1394) 97 3.3 Leistungsfähigkeit der Prozessoren messen 38 9.4 Thunderbolt 98 3.4 Intel-Prozessoren 40 9.5 eSATA (External SATA) 99 3.5 AMD-Prozessoren 43 9.6 USB4 100 3.6 Prozessorkühlung 45 9.7 Übung 100 3.7 Betriebsmodi des Prozessors 47 3.8 Übung 47 10 Massenspeicher 101 10.1 Einteilung von Speichermedien 101 4 Bussysteme 48 10.2 Flash-Speichermedien und Microdrives 101 4.1 PCI-Bus 48 10.3 Festplattenlaufwerke 102 4.2 PCI Express 51 10.4 Weitere Festplattenschnittstellen 106 4.3 Bussteckplätze in Notebooks 53 10.5 RAID-Systeme 108 4.4 Chronologische Übersicht aller Bussysteme 53 10.6 Optische Medien 109 4.5 Übung 54 10.7 Übung 111 5 Speicher 55 11 Ein- und Ausgabegeräte 112 5.1 Speichertechnologien 55 11.1 Tastatur 112 5.2 Der Arbeitsspeicher 58 11.2 Maus und Trackball 114 5.3 Speicheroptimierung 62 11.3 Scanner 115 5.4 Cache-Speicher 63 11.4 Drucker 116 5.5 Übung 64 11.5 Monitor 119 11.6 Der ergonomische Arbeitsplatz 123 6 I/O-Ports, DMA, IRQ, Speicheradressen 65 11.7 Übung 124 6.1 Wozu dienen I/O-Ports, DMA und IRQ? 65 6.2 I/O-Ports 65 12 Auswahlkriterien für PCs und Notebooks 125 6.3 DMA 66 12.1 Auswahlkriterien und Auswahlstrategien 125 6.4 IRQ 67 12.2 Stationäre Computer 127 6.5 Plug & Play 69 12.3 Mobile Computer 132 6.6 Übung 70 12.4 Spezielle Computervarianten 135 2 © HERDT-Verlag Inhalt I 13 PC montieren 136 17 Zugang zum Netzwerk und Internet 184 13.1 PC öffnen und schließen 136 17.1 Gemeinsamkeiten aller Desktop-Betriebssysteme 184 13.2 Sicherheitstechnische Prüfung 138 17.2 Netzwerkverbindungen einstellen 185 13.3 Arbeitsspeicher aufrüsten 140 17.3 Internetzugang – Grundlagen 189 13.4 Grafikkarte aus- und einbauen 141 17.4 Internetverbindung im Internet Explorer 13.5 Festplatte einbauen 142 einrichten 191 13.6 Optisches Laufwerk einbauen 145 17.5 Übung 194 14 Startvorgang des Computers 146 18 Betriebssystem und Desktop anpassen 195 14.1 Funktionsübersicht 146 18.1 Bildschirmeigenschaften und Ergonomie 195 14.2 BIOS-Einstellungen 148 18.2 Anzeige anpassen 195 14.3 Vorarbeiten für ein BIOS-Update 153 18.3 Windows-Komponenten hinzufügen 14.4 BIOS-Update mit einem Bootmedium bzw. entfernen 197 vorbereiten 157 18.4 Anwendungsprogramme installieren 14.5 BIOS-Update mit einem Bootmedium bzw. entfernen 198 durchführen 158 18.5 Programmkompatibilität 199 14.6 Updates mit einem Update-Tool (Live-Update) 159 18.6 Neue Hardware-Komponenten hinzufügen 200 14.7 Absturz beim BIOS-Update 159 18.7 Hardware manuell konfigurieren 201 14.8 EFI (Extensible Firmware Interface) – 18.8 Hardware unter Windows deaktivieren und Nachfolger des BIOS 160 deinstallieren 203 14.9 Booten eines Betriebssystems 160 14.10 Optionen des Systemstarts 162 19 Datensicherung durchführen 205 14.11 Übung 165 19.1 Sicherungsarten und -strategien 205 19.2 Datensicherungen mit Windows-Bordmitteln 208 15 Aktuelle PC-Betriebssysteme 166 19.3 Image-Sicherung mit einem 15.1 Übersicht zu PC-Betriebssystemen 166 Drittherstellerprogramm 214 15.2 Microsoft Windows 166 19.4 Übung 217 15.3 Eigenschaften von Windows 169 15.4 Die Architektur von Windows-Betriebssystemen 169 20 Daten von einem beschädigten 15.5 Dateisysteme für Windows 173 Datenträger retten 218 20.1 Daten auf beschädigten Speichermedien 218 15.6 Das Betriebssystem Linux 175 20.2 Archive überprüfen und wiederherstellen 220 15.7 Andere Betriebssysteme 176 15.8 Übung 177 20.3 Festplatten auf ihren Zustand überwachen 224 16 Betriebssystem installieren 178 21 Vor Schadsoftware schützen 225 16.1 PC für die Installation vorbereiten 178 21.1 Grundsätzliches zu Schadsoftware 225 21.2 Antivirenprogramme verwenden 226 16.2 Windows – Installationsmethoden 179 21.3 Windows-Sicherheit 228 16.3 Windows 10 (2004) im Grafikmodus installieren 180 16.4 Windows aktivieren 181 21.4 Funktion eines Antivirenprogramms testen 232 21.5 Client/Server-Antivirus-Software 232 16.5 Fehlerbehandlung 182 21.6 Übung 233 16.6 Übung 183 Stichwortverzeichnis 234 © HERDT-Verlag 3 1 PC-Technik – Grundlagen 1 Informationen zu diesem Buch Empfohlene Vorkenntnisse  Sie haben sich bereits Basiswissen im Bereich der Informationstechnologie angeeignet.  Sie besitzen Grundkenntnisse im Umgang mit dem Betriebssystem Microsoft Windows.  Sie sind mit der Bedienung eines Webbrowsers vertraut. Typografische Konventionen Im Text erkennen Sie bestimmte Programmelemente an der Formatierung. Wichtige Begriffe sind fett formatiert. Kursivschrift kennzeichnet alle vom Programm vorgegebenen Bezeichnungen für Schaltflächen, Dialog- fenster, Symbolleisten etc., Menüs bzw. Menüpunkte (z. B. Datei - Speichern), Internetadressen und vom Benutzer angelegte Namen (z. B. Rechner-, Benutzernamen). Symbole Hilfreiche Zusatzinformation Praxistipp Warnhinweis Hinweise zur verwendeten Hard- und Software  Die Abbildungen in diesem Buch wurden auf einem PC unter dem Betriebssystem Microsoft Windows 10 Pro erstellt. Ergänzende BuchPlus-Inhalte beziehen sich zum Teil auch auf das Betriebssystem Windows 8.1 Pro.  Alle Angaben beziehen sich auf den Stand November 2020.  Als „untere Hardware-Grenze“ wurde ein Intel Core 2 mit 4GB RAM oder vergleichbares System ausgewählt.  Typische Ausstattung: 4GB DDR-RAM, PCIe- und PCI-Slots, SATA-Laufwerke, PS/2 und/oder USB-Anschlüsse, 100 MBit LAN. Weiterführende Hinweise  Für die Schritt-für-Schritt-Anleitungen werden bevorzugt Tastenkombinationen und Befehle verwendet, da diese in nahezu allen Windows-Versionen gleich sind.  Im professionellen Umfeld ist „heise online“ die erste Adresse (https://www.heise.de), um sich bezüglich der aktuellen Entwicklung im IT-Bereich auf dem aktuellsten Stand zu halten. BuchPlus - unser Konzept: Problemlos einsteigen - Effizient lernen - Zielgerichtet nachschlagen Nutzen Sie dabei unsere maßgeschneiderten, im Internet frei verfügbaren Medien: Wie Sie schnell auf diese BuchPlus-Medien zugreifen können, erfahren Sie unter www.herdt.com/BuchPlus 4 © HERDT-Verlag Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse 2 2 Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse 2.1 Aufbau und Funktion eines minimalen Computersystems Obwohl es aus heutiger Sicht nicht mehr möglich zu sein scheint, genau zu bestimmen, ob Konrad Zuse oder John von Neumann einen größeren Teil zur Entwicklung der modernen Computertechnik beigetragen haben, verbindet man beide Namen mit Computersystemen, die mit binär codierten Zahlen arbeiten. Zumindest war es der Mathematiker von Neumann, der sein Referenzmodell einer breiteren Öffentlichkeit zugänglich gemacht hat. Von-Neumann-Architektur Bei der Von-Neumann-Architektur handelt es sich um ein Konzept, das eine universell einsetzbare Rechenmaschine realisiert, was zu diesem Zeitpunkt neu war. Das System    arbeitet nach dem EVA-Prinzip, das heißt, es besitzt Funktionsgruppen zur Eingabe, Verarbeitung und Aus- gabe von Daten. Die gesamte Verarbeitung erfolgt streng  sequenziell (nacheinander), wodurch das Ergebnis einer Operation, eindeutig vorausgesagt werden kann. Sie besteht im Wesentlichen aus vier Funktionseinheiten:   Rechenwerk  Hauptkomponenten des Verarbeitungsgerätes  Steuerwerk   Speicher   Ein- und Ausgabeeinheit . Eine weitere wichtige Komponente, das Bussystem (vgl. 2.2), bietet die Schnittstellen  für die Kommunikation der einzelnen Komponenten untereinander und mit der Außenwelt. Im PC sind wesentliche Teile dieser Architektur in einem zentralen Baustein zusammengefasst, der Central Processing Unit (CPU). Die CPU kontrolliert den kontinuierlichen Datenfluss zwischen den einzelnen Funktions- einheiten. Die Daten entstammen dem Arbeitsspeicher oder den angeschlossenen Geräten (Tastatur, Laufwerke etc.). Nach der Verarbeitung wird das Ergebnis der Operation an den Arbeitsspeicher oder an ein Gerät geschickt. Die CPU lädt eigenständig den nächsten auszuführenden Befehl zur Datenverarbeitung. Die eigentliche Arbeit der CPU ist das Berechnen und Verschieben von Daten. Zu diesem Zweck verfügt jede CPU über eine bestimmte Menge an Maschinenbefehlen, dem sogenannten Befehlssatz. Der Von-Neumann-Rechner arbeitet, wie bereits erwähnt, sequenziell: Befehle und Daten werden aus dem Speicher nacheinander abgearbeitet. Das Bussystem ist dabei häufig ein Flaschenhals, weil vor und nach jedem Verarbeitungsschritt dieselben Leitungen verwendet werden. Eine Verbesserung gelang mit der Entwicklung einer hierarchisch gegliederten Speicherstruktur, bestehend aus Registern und verschiedenen Speicherebenen (Cache-Ebenen). Häufig genutzte Daten und Befehle können dabei in schnellen separaten Cache-Speichern abgelegt werden. Darüber hinaus erreichen neue CPU-Generationen durch eine feinere Aufteilung der Funktions- einheiten und eine Erweiterung der Befehlssätze bereits eine teilweise parallele Arbeitsweise. So können pro Ausführungsschritt mehr Daten verarbeitet werden. Durch die Entwicklung von Systemen mit mehr als einem Prozessor oder mehreren Prozessorkernen wurde diese Parallelisierung in den letzten Jahren immer weiter vorangetrieben. © HERDT-Verlag 5 2 PC-Technik – Grundlagen Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die Funktionseinheiten einer CPU: Einheit Aufgabe IDU Befehlsdecoder: Alle eingehenden Befehle, die den Prozessor als Programm Instruction Decode Unit erreichen, werden in einen Mikrocode übersetzt und an die ausführende Einheit übergeben. EXU Ausführungseinheit: Alle Befehle, die nun im Mikrocode vorliegen, werden aus- Execution Unit geführt. COL Kontrolleinheit: Sie sorgt für eine Kontrolle im Ablauf der Mikrocodes. Control Logic BIL Bussteuereinheit: Sie überwacht und steuert den Bus. Bus Interface Logic ALU Arithmetisch-logische Einheit: Sie ist zuständig für die Ausführung arithmetischer Arithmetic Logic Unit (Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division) und logischer Rechenoperationen (UND, ODER, NICHT). FPU Fließkomma-Rechner: Von ihm werden Berechnungen mit Fließkommazahlen Floating Point Unit durchgeführt. DC Daten-Cache-Speicher: Er dient als schneller Datenzwischenspeicher. Data Cache CC Befehls-Cache-Speicher: Er dient als schneller Befehlszwischenspeicher. Code Cache Steuerwerk oder Leitwerk Das Steuerwerk ist die mitunter umfangreichste Zusammenfassung unterschiedlicher Funktionsblöcke. Es besteht aus den verschiedenen Kontrolleinheiten, in denen sämtliche Vorgänge im Computer kontrolliert und gesteuert werden. Befehlsdecoder Der Befehlsdecoder (IDU – Instruction Decode Unit) ist auf dem Prozessor oft mehrmals in einer parallelen Anordnung vorhanden. Dies erlaubt eine kürzere Zeitspanne für die Befehlsdurchführung. Auch die Ausführungs- einheit (EXU – Execution Unit) ist bei vielen Prozessoren mehrfach vorhanden. Rechenwerk Zum Rechenwerk gehören neben der ALU (Arithmetic Logic Unit) und der FPU (Floating Point Unit) auch Register, in denen Daten zwischengespeichert werden können. Nur mithilfe der arithmetisch-logischen Einheit (ALU) kann der Prozessor Gleichheits- und Ungleichheitsprüfungen sowie Größenbestimmungen durchführen. Nur dann können alle Anweisungen eines Programms abgearbeitet werden. Speicher Die Von-Neumann-Architektur verwendete einen gemeinsamen Speicher, der sowohl Daten als auch Programme enthält, wodurch die Speichernutzung optimiert ist. Konkurrierende Systeme wie die Harvard-Architektur verwendet getrennte Speicher für Daten und Programme, wodurch eine erhöhte Fragmentierung (Zerstückelung) des Speicherraums in Kauf genommen werden muss. Informationen zur Harvard-Architektur finden sie hier:  https://de.wikipedia.org/wiki/Harvard-Architektur 6 © HERDT-Verlag Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse 2 2.2 Definition Bussysteme Informationsaustausch Das Bussystem verbindet Komponenten eines Personal Computers (Prozessor, Controller, Arbeitsspeicher, Eingabe-/Ausgabeports) elektrisch miteinander, damit ein Austausch von Informationen stattfinden kann. Bussysteme sind als Bündel elektrischer Leitungen realisiert, an die alle betreffenden Baugruppen parallel angeschlossen sind. Bussysteme sind vergleichbar mit Straßen oder Autobahnen, wobei die teilnehmenden Geräte, Orte entlang des Wegs sind. Die Datenleitungen entsprechen den einzelnen Fahrspuren und die Autos sind die Datenpakete. Echte Bussysteme zeichnen sich dadurch aus, dass sie mehreren Teilnehmern einen gemeinsamen Übertragungsweg bieten, bei dem die Teilnehmer nicht an der Datenübertragung zwischen anderen Teilnehmern beteiligt sind, z. B. indem sie Signale aufnehmen und weiterleiten. Dennoch können sich die Geräte gegenseitig behindern, indem sie den Bus überlasten und so einen „Stau“ erzeugen. Das komplexe Bussystem für die Kommunikation zwischen CPU, Speicherbaugruppe und Peripheriegeräten kann unter dem Begriff Systembus zusammengefasst werden. Dieser Systembus umfasst mehrere Teilfunktionen, die jeweils eigenständige Aufgaben übernehmen:  Datenbus  Adressbus  Steuerbus Der Systembus im PC Datenbus Alle zur Verarbeitung anstehenden Daten gelangen über den Datenbus von Speicherbaugruppen und Peripherie- geräten zum Prozessor und umgekehrt. Die Baugruppen sind parallel an den Datenbus angeschlossen. Daten für alle Komponenten werden zu verschiedenen Zeiten in beide Richtungen übertragen, der Datenbus arbeitet bidirektional. Die Anzahl der Leitungen bestimmt dabei die Busbreite. Verwendet werden 8, 16, 32 oder 64 Datenleitungen. Die Busbreite legt fest, wie viele binäre Zustände gleichzeitig übertragen werden können, bei 64 Leitungen beispielsweise 64 Bit oder umgerechnet 8 Byte. Die Busbreite ist neben der Taktfrequenz ein entscheidendes Leistungskriterium für den Datenbus. Adressbus Grundsätzlich kann zu jeder Zeit immer nur eine einzige Komponente Daten auf dem Datenbus übermitteln. Das System vergibt deshalb jeder Komponente am Systembus eine Adresse, mit der die Daten eindeutig zugeordnet werden können. Mittels dieser Adressen werden die Baugruppen vom Prozessor angesprochen. Wenn eine einzelne Baugruppe mit ihrer Adresse auf dem Adressbus angesprochen wird, wertet sie die auf dem Datenbus übermittelten Daten aus. Auf dem Adressbus und auf dem nachfolgend beschriebenen Steuerbus werden Signale unidirektional vom Prozessor zu den Speicherbaugruppen und Peripheriegeräten gesendet. Steuerbus Der Steuerbus regelt den Informationsfluss auf dem Systembus. Der Prozessor gibt über diesen Bus bekannt, ob sich die per Adresse angesprochene Komponente als Empfänger Informationsfluss im oder als Absender von Daten verhalten soll. Systembus Die einzelnen Schritte der Datenübertragung auf dem Systembus verdeutlicht obenstehendes Flussdiagramm. Diese Schritte werden für jeden Übertragungsvorgang erneut abgearbeitet. © HERDT-Verlag 7 2 PC-Technik – Grundlagen Erweiterungssteckplätze am Bussystem Viele Peripheriegeräte wurden und werden im Personal Computer über Erweiterungssteckplätze (Slots) mit dem System verbunden. Für die Kommunikation mit den Erweiterungskarten stehen verschiedene Controller zur Verfügung, die sich im Laufe der Jahrzehnte stetig weiterentwickelt haben. Ihre Aufgaben bestehen im Wesentlichen in einer Anpassung der hohen internen Übertragungsraten an die Fähigkeiten der Erweiterungs- karten und dem Austausch von Daten. CPU ALU CU I/O Speicher Datenbus / Steuerbus / Adressbus Erweiterungssteckplätze 2.3 Die Hauptplatine (Mainboard/Motherboard) Aufbau moderner Hauptplatinen Ein wesentliches Grundelement des Personal Computers ist die Hauptplatine, auch Motherboard oder Main- board genannt. Im Regelfall besteht das Motherboard aus einer Trägerplatte aus Kunstharz, Fiberglas oder Carbon und wird als Platine bezeichnet. Die Platine enthält in mehreren Schichten elektrische Leiterbahnen aus leitfähigen Metallen wie Kupfer, Silber oder Gold. Über diese Leiterbahnen werden sämtliche Chipsatzbestand- teile, Erweiterungssteckplätze (Slots), Steuergeräte (Controller) und Schnittstellen miteinander verbunden. Auf modernen Motherboards sind viele Controller im Chipsatz oder Mikroprozessor integriert und somit nicht mehr auf dem Motherboard zu finden. Während früher jede zusätzliche Funktion eines PCs durch eine eigene Erweiterungssteckkarte realisiert werden musste, sind die meisten benötigten Funktionen auf modernen Mainboards bereits enthalten. Dies betrifft die Schnittstellen für den Anschluss elementarer Geräte wie Maus, Tastatur oder Grafik und heutzutage ebenfalls gebräuchliche Anschlüsse für die Soundausgabe oder das Netzwerk. Normalerweise sind Onboard-Komponenten weniger leistungsfähig als Erweiterungssteckkarten mit entsprechender Funktionalität. Diese Einschränkung trifft insbesondere auf Onboard- oder im Mikroprozessor integrierte Grafikchips zu und hier besonders im 3D-Bereich. Für die Nutzer solcher Funktionen (z. B. 3D-Design, PC-Spiele) ist es wichtig, vor dem Erwerb solcher Mainboards zu prüfen, ob sich die mitgelieferte Grafik abschalten und durch eine geeignete Grafikkarte ersetzen lässt. Achten Sie beim Einbau eines Mainboards auf mechanische Spannungsfreiheit und ausreichend Abstand zwischen Leiterbahnen/Bauteilen und Gehäuse. Verwenden Sie das vorgesehene Montagematerial. Wenn das Mainboard nicht ohne hohen Kraftaufwand eingebaut werden kann, sollten Sie die Einbaulage des Mainboards dringend überprüfen oder ein anderes Gehäuse auswählen. Andernfalls könnten Mikrorisse in der Platine ent- stehen, die gravierende Fehlfunktionen oder Ausfälle zur Folge haben. Lesen Sie vor dem Zusammenbau die Anleitungen der Hersteller sorgfältig durch, denn oft ersparen Sie sich durch die richtige Einbaufolge viel Zeit und Arbeit. Beachten Sie die Handhabungsvorschriften für die elektrostatisch gefährdeten Bauelemente und richten Sie Ihren Arbeitsplatz entsprechend ein. 8 © HERDT-Verlag Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse 2 Aufgaben des Mainboards Das Mainboard bietet im Wesentlichen die folgenden Funktionen:  Verteilung der elektrischen Versorgungsspannungen  Vorverdrahtete Leitungswege (Leiterbahnen) für den Austausch von Kontrollsignalen und Daten  Bereitstellung verschiedener Sockel, Steckplätze und Schnittstellen zum Anschluss von Komponenten  Anschlussmöglichkeiten von Standardgeräten wie Maus oder Tastatur 2.4 Komponenten des Mainboards Allgemeiner Überblick                              ATX Mainboard – Gigabyte GA-X99-UD5-WIFI  Prozessorsockel für die Aufnahme des Mikroprozessors  Steckplätze für den Arbeitsspeicher (Quad Channel)  24-poliger Stromversorgungsanschluss (ATX)  8-poliger Anschluss für zusätzliche Motherboard-Stromversorgung (2 x 4-Pol.)  Kühlkörper des Chipsatzes  USB 3.0-Anschlüsse für Gehäuseschnittstellen  USB 2.0-Anschlüsse für Gehäuseschnittstellen © HERDT-Verlag 9 2 PC-Technik – Grundlagen  Anschluss für CPU-Lüfter  PCIe 16x Steckplätze (Slots)  PCIe 2x Steckplätze (Slots)  Anschluss für zusätzliche Systemlüfter  ATX-Anschlussfeld mit externen Anschlüssen (Schnittstellen)  Heatpipe (Wärmeübertrager) 7 Segmentanzeigen für Diagnoseausgaben  SATA-Anschlüsse (Schnittstellen)  Anschlussfeld für Gehäuseschalter  M.2 Schnittstellen mit eingesetztem WLAN Modul Prozessorsockel Der Prozessorsockel stellt einen Steckverbinder dar, der einen Mikroprozessor (auch als CPU – Central Processing Unit – oder nur Prozessor bezeichnet) aufnimmt. Das Einsetzen des Prozessors erfolgt heutzutage ohne Kraft- aufwand, was wichtig ist, da das Verbiegen eines einzigen Anschlusses zu Fehlfunktionen führt. Zu diesem Zweck verfügt der Prozessorsockel meist über einen Hebelmechanismus, der den Prozessor auf dem Sockel fixiert. Dieses Verfahren erleichtert auch den Austausch des Prozessors bei Reparaturen oder einer Aufrüstung des Computersystems. Oft benötigt jeder neue Prozessortyp eine höhere und anders angeordnete Anzahl an Kontaktstiften (Pins), wodurch auch jeweils ein eigener Sockeltyp erforderlich wird. Dabei werden verschiedene Ausführungen unterschieden:  Pin Grid Array (PGA)-Sockel: Die CPU hat an der Unterseite Pins, die in die Löcher im Sockel passen. Wenn die CPU richtig sitzt, wird der elektrische Kontakt hergestellt, indem die Pins durch eine Verschiebemechanik eingeklemmt werden. Die Pins an der CPU können sehr leicht verbiegen, wenn die CPU beim Einsetzen oder Herausnehmen verkantet.  Flip Chip Pin Grid Array (FC-PGA)-Sockel: Eine modifizierte Form des Pin Grid Arrays, bei dem der DIE (Halbleiterchip des Prozessors) auf der Oberseite des Trägermaterials montiert ist. Diese Maßnahme verbessert die Wärmeableitung. Um den DIE vor Beschädigungen zu schützen, wird dieser oft mit einem Heatspreader (Wärmeverteiler aus Kupfer oder Aluminium) versehen, der wiederum die Abwärme des Prozessors an ein darauf befindliches Kühlsystem (Kühlkörper mit Lüfter oder Flüssigkühlung) abgibt.  Ball Grid Array (BGA)-Sockel: Die CPU hat an der Unterseite kleine runde Lotperlen, die auf entsprechende versenkte Kontakte im Sockel aufgelegt werden. Mechanisch ist diese Variante sehr robust. Um die CPU zu fixieren und den elektrischen Kontakt herzustellen, muss lediglich die CPU von oben auf den Sockel gepresst werden. BGA ist besonders für Sockel mit vielen Pins geeignet. Weitere Varianten: FC-BGA, Micro-FC-BGA (Flip Chip Ball Grid Array)  Land Grid Array (LGA)-Sockel: Die CPU hat an der Unterseite ein Schachbrettmuster von Kontaktflächen, die auf kleinen Kontaktfedern im Sockel aufliegen. Weitere Variante: FC-LGA auch FCLGA (Flip Chip Land Grid Array) Alle aktuellen Intel-Desktop-CPUs und der AMD Ryzen Threadripper benutzen einen LGA-Sockel. Außerdem findet man auf AMD Motherboards verschiedene Nullkraft PGA Sockelvarianten, die als PGA-ZIF (Zero Insertion Force) bezeichnet werden. Taktfrequenz und Speichercontroller Die Firmen Intel und AMD haben verschiedene Sockel mit einer unterschiedlichen Anzahl und Anordnung von Pins speziell für ihre Prozessoren entwickelt. Auf die heute verbreiteten Sockel können unterschiedliche Prozessoren des jeweiligen Herstellers mit verschiedenen Taktfrequenzen platziert werden. Dabei errechnet sich die Taktfrequenz des Prozessors aus einem internen Multiplikator und der Taktfrequenz des Speichercontrollers. Bei älteren Systemen befindet sich der Speichercontroller, außerhalb des Prozessors, im Chipsatz (vgl. Abschnitt 2.5) und wird über einen Front Side Bus angesprochen. Bei neueren Prozessoren (seit ungefähr 2008) ist der Speichercontroller innerhalb des Prozessorgehäuses untergebracht. Seit 2011 enthalten die meisten CPUs zusätzlich alle Funktionen der Northbridge (PCIe-Controller für die Grafik, Speichercontroller, schnelle Anbindung an die Southbridge). 10 © HERDT-Verlag Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse 2 Der restliche Chipsatz wird bei Intel mittels QuickPath (QPI) oder Direct Media Interface (DMI) angebunden, AMD benutzt dafür HyperTransport (HT) oder Unified Media Interface (UMI). Ein Front Side Bus (FSB) wird nicht mehr benötigt, es gibt lediglich einen System- oder Referenztakt. Weitere Informationen zu Prozessoren (vgl. Kapitel 3) und ihren Funktionen finden Sie hier:  https://de.wikipedia.org/wiki/Prozessorsockel  https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Mikroprozessoren_von_AMD  https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Mikroprozessoren_von_Intel 2.5 Chipsatz Entwicklung des Chipsatzes Beim PC bezeichnet der Begriff „Chipsatz“ eine unbestimmte Anzahl von Bausteinen, die zusammengefasst wurden, um auf dem Mainboard zahlreiche Steuerungsaufgaben zu übernehmen und für das Zusammenspiel dieser Komponenten zu sorgen. Vor der Einführung der Bridge-Architektur in den 1990er Jahren bestand der Chipsatz aus einzelnen Schaltkreisen, die auf dem Motherboard verteilt waren. Nach und nach wurden bestimmte Funktions- gruppen in eigenständigen Gehäusen zusammengefasst. Wegen der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der zu steuernden Hardwarekomponenten entstanden zwei integrierte Schaltkreise, die oberhalb und unterhalb der CPU auf dem Motherboard platziert wurden und, dadurch bedingt, die Bezeichnungen Northbridge und Southbridge erhielten. Infolge der technischen Weiterentwicklungen entstanden verschiedene Architekturen für den Chipsatz. Bridge-Architektur  Bei der Bridge-Architektur handelt es sich und die älteste Form einer Chipsatzkonstruktion. Das vereinfachte Blockbild zeigt, dass alle Hochleistungskomponenten, wie Grafik und Arbeitsspeicher,  über die Northbridge  mit der CPU  verbunden sind. Ein Bussystem, genannt Front Side Bus (FSB) sorgt für den Daten- austausch zwischen der Northbridge und der CPU. Während einer Übergangszeit wurden am FSB auch die Steckverbinder für Erweite- rungskarten angebracht. Diese verlegte man später zur  Southbridge , um höhere Arbeitsgeschwindigkeiten zwischen der CPU und der Northbridge zu ermöglichen. Alle langsameren Komponenten sind an der Southbridge angeschlossen. Bridge-Architektur, Blockdiagramm Hub-Architektur Im Rahmen der technischen Weiterentwicklung entstand die Hub- Architektur. CPU, Grafik und Arbeitsspeicher sind weiterhin direkt miteinander verbunden. Der bisher als Northbridge benannte Chip heißt nun Memory Controller Hub (MCH) . Alternativ zum MCH  kann auch ein Graphics Memory Controller Hub (GMCH) installiert sein, der zusätzlich zu den MCH-Funktionen eine Grafikausgabe realisiert. Der I/O Controller Hub (ICH)  stellt nahezu alle Verbindungen zu den sonstigen Geräten her und bietet eine Anschlussmöglichkeit  für Erweiterungskarten. Der zusätzliche I/O Chip  dient der Kompatibilität zu klassischen Schnittstellengeräten. Dies ist nötig, da der Datenaustausch zwischen MCH und ICH über ein so genann- tes Hub Interface erfolgt. Über diese Schnittstelle lassen sich ver-  schiedenartige Controller Hub-Typen mit dem MCH verbinden, Hub-Architektur, Blockdiagramm um das Gesamtsystem funktionell zu erweitern. © HERDT-Verlag 11 2 PC-Technik – Grundlagen Erweiterte Hub-Architektur Wegen wachsender Leistungsansprüche entstand die erweiterte Hub-Architektur. Grafik- und Speichercontroller befinden sich innerhalb der CPU. Das ermöglicht eine optimale Geschwindigkeit im Datenaustausch zwischen diesen drei Komponenten. Memory Controller Hub (MCH) und I/O Controller Hub (ICH) teilen sich ein gemeinsames Gehäuse . Daher spricht man in diesem Zusammenhang auch von einen  „Einchip“-Chipsatz. Der zusätzliche I/O Controller entfällt, da in dieser Konstruktion klassische Schnittstellen wie Seriell (COM) oder Parallel (LPT) nicht mehr direkt unterstützt werden. Je nach Hersteller gibt es noch einen PS/2 Kombi- oder zwei PS/2- Anschlüsse (Tastatur/Maus). Erweiterte Hub Architektur, Blockdiagramm Obwohl sich oftmals schon ein Grafikchip in der der CPU befindet, ist die Grafikleistung im Vergleich zu einer separaten Grafikkarte meist geringer. Dies liegt unter anderem daran, dass der bereits im System vorhandene Arbeitsspeicher für die Grafikoperationen benutzt wird. Eigenständige Grafikkarten verfügen in der Regel über modernere Grafikchips und einen schnelleren dedizierten Grafikspeicher. Daher bauen die Hersteller, besonders in ihre leistungsfähigsten Mikroprozessor-Modelle keine, einfachere oder ältere Grafikchips ein, da sie von einer oder mehreren Grafikkarten im PC-System ausgehen. Für hochkomplexe Aufgaben wie 3D-Design oder Spiele sind die integrierten Grafikchips meist weniger geeignet, jedoch bewältigen sie alle Standardaufgaben, auch in Verbindung mit mehreren Bildschirmen. In aktuellen technischen Beschreibungen und Darstellungen taucht häufig der Begriff PCH auf. Der Platform Controller Hub (PCH) ist wie bereits beschrieben, ein in HUB-Architektur gefertigter Chipsatz. Da der PCH modular konstruiert ist, findet man je nach Chipsatztyp unterschiedliche Schnittstellen und Controller vor. Werden bestimmte Funktionen benötigt, sollte bei der Auswahl des Motherboards auch der verbaute Chipsatz berück- sichtigt werden. Beispielsweise unterstützt der Intel Z270 Chipsatz das Übertakten (Overclocking) eines PC-Systems, während der zeitgleich veröffentlichte Intel B250 Chipsatz diese Funktion nicht unterstützt. Weitere Unterschiede finden sich in der Anzahl der verwendeten PCI-Lanes, USB 3.0 Ports, SATAe, PCIe und M.2 Anschlüsse. 2.6 Central Processing Unit – CPU Jedes Motherboard unterstützt aufgrund seiner Architektur nur eine bestimmte Reihe von verwendbaren Mikro- prozessoren (CPU). Welche dies sind, kann der technischen Dokumentation des Motherboards entnommen werden. Dies sollte man vor der Selbstmontage eines PC-Systems prüfen, da es vorkommt, dass ein Hersteller die Spezifikation des Sockels verändert, jedoch die Bezeichnung beibehält. Im einfachsten Fall kann der Sockel den gewünschten Prozessor nicht aufnehmen, jedoch sind auch Inkompatibilitäten bei der Ausführung von Software und Beschädigungen der Hardware denkbar. Ebenfalls notwendig kann auch das Update des BIOS (vgl. 2.8) sein, um neue Prozessortypen zu betreiben. Prozessorreihen Sowohl Intel als auch AMD decken ein breites Spektrum an unterschiedlichsten Mikroprozessoren ab, die sich in unterschiedliche Zielsegmente einteilen lassen. Nachfolgend gekürzte Übersichten: Bezeichnung Typen im Segment Zielgruppe lt. Hersteller Intel Core Prozessoren I3, I5, I7, I9, Core X Einfache Büroanwendungen bis Highend Gaming Intel Xeon Prozessoren Xeon Platinum, Xeon D, Xeon W, Xeon E Serversysteme/Workstations Intel Atom Prozessoren Atom X, Atom C, Atom P Mobilgeräte, Embedded Systeme und energieeffiziente Server 12 © HERDT-Verlag Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse 2 Bezeichnung Typen im Segment Zielgruppe lt. Hersteller Intel Pentium Prozessoren Prozessoren mit 2-4 Kernen, zusätzlich 2in1-Computer, Notebooks, Desktop G-Serie, J-Serie, N-Serie PC, All-in-One-PC Intel Celeron Prozessoren Prozessoren mit 2-4 Kernen, zusätzlich Einfache Consumer Software und G-Serie, J-Serie, N-Serie HD Audio/Video Intel Itanium Prozessoren 97xx und 95xx Serie mit 4-8 Kernen und Hochleistungssysteme für unter- großem Cache nehmenskritische Anwendungen Intel Quark Prozessoren Mikrocontroller und 1 Kern Prozessoren IoT-Geräte 2in1-Computer, die auch als Convertibles bekannt sind, verfügen über eine abnehmbare Tastatur, sodass dieses Mobilgerät wahlweise als Notebook oder Tablet verwendet werden kann. Das IoT – Internet of Things – auch als Internet der Dinge bezeichnet, vernetzt eindeutige physische Systeme (Things) über eine, dem Internet nachempfundene, Struktur und ermöglicht so die Interaktion zwischen den Geräten. Zu diesem Zweck werden eigenständige Sensoren oder Kleinstcomputer eingesetzt, die auch ohne Aktion eines Anwenders Reaktionen auslösen können. Ein Beispiel wäre die automatische Öffnung einer gesicherten Tür, sobald sich der Inhaber eines RFID (radio-frequency identification) Chip annähert. IoT Geräte verfügen in der Regel nur über eine minimale Ausstattung und eine geringe Rechenleistung. Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal zu ähnlich arbeitenden Geräten der Automatisierungstechnik ist die standardisierte Anbindung an ein Netzwerk. Die Firma AMD ordnet in ihrer Grobübersicht den Verwendungszweck einem bestimmten Anwendertyp zu. Daher ist es nötig, die Produktbeschreibungen genauer zu studieren oder mithilfe von sogenannten Benchmarks (Leistungsvergleich) das jeweilige Konkurrenzprodukt von Intel zu bestimmen. Bezeichnung Typen im Segment Verwendung lt. Hersteller AMD Ryzen Threadripper/PRO Diverse Threadripper Modelle Desktop/Workstation AMD Ryzen Ryzen 3,5,7, 9/z.T. auch mit int. Grafik Desktop AMD Athlon Athlon 3000 mit Radeon Grafik Desktop AMD Ryzen PRO Ryzen 7 PRO/5 PRO der Reihe 4000 Desktop für Unternehmen AMD Athlon PRO Athlon PRO 3000 Serie Desktop für Unternehmen AMD Ryzen Mobile Ryzen 3,5,7,9 (4000) mit Radeon Grafik Notebook AMD Athlon Mobile Athlon 3000 mit Radeon Grafik Notebooks AMD Ryzen PRO Mobile Ryzen 7 PRO/5 PRO der Reihe 4000 Notebook für Unternehmen AMD PRO A-Series A4, A6 Notebook für Unternehmen AMD EPYC – 1 Sockel Modelle Diverse EPYC Modelle der 7xxx Reihe Serversysteme AMD EPYC – 2 Sockel Modelle AMD Ryzen/EPYC Embedded Diverse Typen Embedded Systems Beide Hersteller bieten für jeden Anwendungsbereich eine Vielzahl möglicher Prozessoren, die sich oftmals nicht unerheblich im Preis unterscheiden. Dies macht den Vergleich für den Käufer interessant. Unter eingebetteten Systemen (Embedded Systems) versteht man technische Systeme, in denen Computereinheiten genau definierte Aufgaben übernehmen. Diese Aufgaben sind zumeist Steuerungs-, Codierungs-, Filter- und Überwachungsaufgaben. Beispiele für ein Embedded System sind Haushalts- und Medizingeräte, Geräte der Unterhaltungselektronik wie Fernseher und DVD-Player, Mobiltelefone oder Netzwerkrouter. Da der Fokus dieser Unterlage auf PC-Systemen liegt, würden die Themen IoT, Embedded Systems und Mikrocontroller den Umfang sprengen. AMD und Intel bieten auf ihren Webseiten umfangreiches Informations- material, Videos und Spezifikationen zur Einsicht an:  https://www.amd.com/en/products/embedded  https://www.intel.de/content/www/de/de/products/processors/quark.html © HERDT-Verlag 13 2 PC-Technik – Grundlagen Besonders im Bereich Mikrocontroller gibt es zahlreiche alternative Hersteller und Lösungsansätze. Einen Einstieg in das Thema findet man hier:  https://de.wikipedia.org/wiki/Mikrocontroller  https://www.mikrocontroller.net/ 2.7 CPU Prozessorsockel Ausschlaggebend für die Auswahl eines Motherboards mit passendem Sockel sind der Hersteller und die Architektur der CPU. Dabei beschränkt sich die Auswahl in nahezu allen Fällen auf die Hersteller Intel und AMD. Intel Die nachfolgende Tabelle berücksichtigt die üblichen Desktop- und Workstation-Sockeltypen seit 2011: Bezeichnung Sockeltyp Anschlüsse Markteinführung Prozessor Mikroarchitektur 2011 LGA 2011 2011 Sandy- und Ivybridge 1155 LGA 1155 2011 Sandy- und Ivybridge 1150 LGA 1150 2013 Haswell und Broadwell 2011v3 LGA 2011 2014 Haswell-E, Broadwell-E 1151 LGA 1151 2015/2017 Skylake, Kaby Lake, Coffee Lake 2066 LGA 2066 2017 Skylake X/Kaby Lake X Skylake W/Cascade Lake X 1200 LGA 1200 2020 Comet Lake Novellierter LGA 1151 Da Intel die Bezeichnung des zuletzt in 2017 überarbeiteten Sockels 1151 belassen hat, ist es zur eindeutigen Unterscheidung notwendig, die entsprechende Mikroarchitektur des Prozessors mit zu betrachten. Diese umfasst sowohl Konstruktion und Umfang des Befehlssatzes als auch das Zusammenwirken der Einheiten und deren Kommunikationsstruktur. Intel verwendet sogenannte Codenamen, um die Architektur des Prozessors zu beschreiben. Auch wird dies in der Generation des Prozessors ausgedrückt, die man in der Dokumentation finden oder von der ersten Ziffer der Prozessorbezeichnung ableiten kann: z. B. Intel Core i9-8950HK = 8. Generation LGA 1151 (Sky-/Kaby Lake) LGA 1151 (Coffee Lake) Hersteller Intel Intel Erscheinungsdatum Q3/2015 Q3/2017 CPU Codenamen Skylake/Kaby Lake Coffee Lake Generation 6/7 8/9 LGA 2066 Sockel Der im Jahr 2017 eingeführte Sockel 2066 ersetzt den bisher im Highend Segment üblichen Sockel 2011v3 und ermöglicht die Produktion von Desktop PCs oder Workstations mit, in Kaby Lake X-, Skylake X- oder Skylake W Architektur gefertigten Prozessoren. Diese Prozessortypen wenden im Desktop Segment von Intel als X-Series und Extreme Edition bezeichnet. Im Bereich der Workstations finden Xeon-W-Prozessoren Verwendung. Der Nachfolger der Skylake-W-Architektur wurde 2019 mit der Cascade-Lake-Architektur eingeführt. 14 © HERDT-Verlag Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse 2 Intel Core Desktop Prozessoren der Extreme und X-Serie – Generation 9 und 10 Typ Sockel Veröffentlichung Intel Core i9 – 109xx XE (Extrem Edition) FCLGA2066 Q4/2019 Intel Core i9 – 109xx X (X-Series) FCLGA2066 Q4/2019 Intel Core i9 – 9820 X (X-Series) FCLGA2066 Q472018 Intel Core i7 – 9800 X (X–Series) FCLGA2066 Q4/2018 Intel Core i9 – 99xx X (X-Series) FCLGA2066 Q4/2018 Intel Core i9 – 9980 XE (Extrem Edition) FCLGA2066 Q4/2018 Intel Core Desktop Prozessoren der Generationen 9 und 10 Im September 2020 startete Intel seine neueste Generation von Core Prozessoren, die den Code Namen „Tiger Lake“ und die Generationsnummer 11 trägt. Von diesem Generationswechsel sind in einem ersten Schritt zunächst die Mobilprozessoren der Reihen i3, i5 und i7 betroffen. Weitere Modelle werden zu einem späteren Zeitpunkt folgen. Weiterhin erhältlich sind die Prozessoren der 9. und 10. Generation. Typ Sockel Veröffentlichung Intel Core i9 – 10900K FCLGA1200 Q2/2020 Intel Core i9 – 10850K FCLGA1200 Q3/2020 Intel Core i9 – 10900T FCLGA1200 Q2/2020 Intel Core i9 – 10900 FCLGA1200 Q2/2020 Intel Core i9 – 9900KS FCLGA1151 Q4/2019 Intel Core i9 – 9900K FCLGA1151 Q4/2018 Intel Core i9 – 9900T FCLGA1151 Q2/2019 Intel Core i9 – 9900 FCLGA1151 Q2/2019 Der Buchstabe K in der Produktbezeichnung zeigt an, dass dieser Prozessortyp übertacktet werden kann, was besonders für Spieler interessant ist. Hier ist der Multiplikator frei wählbar ist. Da der Bustakt intern in der CPU entsprechend dem Wert des Multiplikators erhöht wird, ergibt sich hieraus die Arbeitsgeschwindigkeit des Prozessors. Beispiel: Bustakt 100 MHz x Multiplikator 44 = 4,4 Ghz. Intel bietet für das Übertakten ein eigenes HowTo an:  https://www.intel.de/content/www/de/de/gaming/resources/how-to-overclock.html Der Buchstabe T kennzeichnet eine Energieoptimierung, die zu einem erheblich geringeren Stromverbrauch führt: Typ Verlustleistung Intel Core i9 – 10850K, Intel Core i9 – 10900K 125 W Intel Core i9 – 10900T 35 W Intel Core i9 – 10900 65 W Seit der Generation 10 verwendet Intel ein neues Bezeichnungsschema, welches nun auch die Leistungsfähigkeit der prozessorintegrierten Lösung berücksichtigt (G1-G7). Einen kompletten Überblick über die Bezeichnungen finden Sie hier:  https://www.intel.de/content/www/de/de/processors/processor-numbers.html © HERDT-Verlag 15 2 PC-Technik – Grundlagen Typ Sockel Veröffentlichung Intel Core i7 – 10700K FCLGA1200 Q2/2020 Intel Core i7 – 10700T FCLGA1200 Q2/2020 Intel Core i7 – 10700 FCLGA1200 Q2/2020 Intel Core i7 – 9700K FCLGA1151 Q4/2018 Intel Core i7 – 9700T FCLGA1151 Q2/2019 Intel Core i7 – 9700 FCLGA1151 Q2/2019 Mit 14 Modellen ist das i5 Produktsegment besonders ausgeprägt und bietet Prozessoren mit unterschiedlichen Taktraten. Die Tabelle fast diese Typen zusammen. X steht stellvertretend für 4, 5 oder 6. Typ Sockel Veröffentlichung Intel Core i5 – 10600K FCLGA1200 Q2/2020 Intel Core i5 – 10x00T FCLGA1200 Q2/2020 Intel Core i5 – 10x00 FCLGA1200 Q2/2020 Intel Core i5 – 9600K FCLGA1151 Q4/2018 Intel Core i5 – 9x00T FCLGA1151 Q2/2019 Intel Core i5 – 9x00 FCLGA1151 Q1/Q2 – 2019 Auch die i3 Reihe richtet sich mit seinen 11 Prozessormodellen an eine breite Masse. Daher ist diese ebenfalls tabellarisch zusammengefasst. X=3 oder 1; Y=2 oder 0. Typ Sockel Veröffentlichung Intel Core i3 – 10x00T FCLGA1200 Q2/2020 Intel Core i3 – 10xy0 FCLGA1200 Q2/2020 Intel Core i3 – 9350K FCLGA1151 Q2/2019 Intel Core i3 – 9x00T FCLGA1151 Q2/2019 Intel Core i3 – 9xy0 FCLGA1151 Q2/2019 Während in der 8. Generation einige Prozessormodelle gemeinsam mit Intel Optane Memory gehandelt wurden, gibt Intel nun nur noch Empfehlungen für PC-Systeme, Notebooks und kompatible Motherboards. Weitere Informationen finden Sie hier:  https://www.intel.de/content/www/de/de/products/audience/optane-memory.html Informationen zur Intel vPro Technologie und dem Optane Memory Modul entnehmen Sie bitte dem Abschnitt 3.4. Intel Celeron Desktop Prozessoren ab 2018 Typ Sockel Veröffentlichung Intel Celeron G49xx FCLGA1151 Q2/2018 – Q2/2019 Intel Celeron G59xx FCLGA1200 Q2 – Q3/2020 Intel Celeron J3455E/J3355E FCBGA1296 Q3/2019 Intel Celeron J4025/J4125 FCBGA1090 Q4/2019 16 © HERDT-Verlag Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse 2 Intel Xeon Workstation Prozessoren ab 2018 Typ Sockel Veröffentlichung Intel Xeon W-3175X FCLGA3647 Q4/2018 Der im Jahr 2017 von Intel, eigentlich für Serverprozessoren, entwickelte Sockel findet auch bei dem einzigen Workstation Xeon Verwendung. Er verfügt über 3647 Kontakte, um bis zu 512 GB DDR4 Speicher in bis zu 6 Kanälen adressieren zu können. AMD Im Vergleich dazu folgt eine Übersicht der verfügbaren Sockel für aktuelle AMD Desktop Prozessoren: Bezeichnung Sockeltyp Anschlüsse Markteinführung TR4 LGA 4094 Q3/2017 AM4 PGA-ZIF 1331 Q1/2017 sTRX4 LGA 4094 2019 AMD hat die Vielfalt der bisherigen Sockel aufgegeben und konzentriert sich bei seinen aktuellen Desktop- prozessor-Modellen auf die Sockel TR4 (Threadripper 1000/2000), AM4 (Ryzen 1000/2000/3000/5000) und den neuen sTRX4 Sockel für den Threadripper 3000. Der schon länger bekannte AM3+ Sockel ist im Feld noch vertreten, wird jedoch nicht mehr für Neuentwicklungen benutzt. AMD Desktopprozessoren Typ Sockel Veröffentlichung AMD Ryzen Threadripper sTRX4 Q4/2019 – Q3/2020 Threadripper 3990X, 3970X, 3960X AMD Ryzen Threadripper TR4 Q4/2017 – Q4/2018 Threadripper 2990WX, 2970WX, 2950X, 2920X AMD Ryzen AM4 Q3/2019 – Q2/2020 Ryzen 9 5950X, 5900X Ryzen 7 5800X Ryzen 5 5600X Ryzen 9 3950X, 3900X Ryzen 7 3800X, 3700X Ryzen 5 3600X, 3600 Ryzen 3 3300X, 3100 AMD Athlon mit Radeon Grafik AM4 Q3/2019 Athlon 300GE, 300GE AMD Ryzen PRO AM4 Q3/2019 – Q3/2020 Ryzen 3,5,7 PRO Serie 4000 Ryzen 9,7,5,3 PRO Serie 3000 AMD Athlon PRO 3000 Serie AM4 Q3/2020 Athlon Gold PRO 31xx, Silver PRO 3125GE © HERDT-Verlag 17 2 PC-Technik – Grundlagen 2.8 Weitere Komponenten eines Motherboards Nicht alle der folgenden Komponenten werden standardgemäß von jedem Chipsatz berücksichtigt. Der Hersteller des Motherboards bestimmt, welche Komponenten unterstützt werden. Komponente Kapitel/Ergänzender Lerninhalt Integrierte Grafikeinheit oder Grafikanbindung über PEG (PCI Express for 7.6 Graphics) oder Anbindung über den Grafikkartensteckplatz Speicher-Controller (meist integraler Teil moderner Prozessoren) – PCI (Peripheral Component Interconnect) / PCI-X (PCI-Extended) Controller 4.1 PCIe (PCI Express) 4.3 Controller für Laufwerke:  IDE (Integrated Device Electronics) IDE-Laufwerke.pdf  EIDE (Enhanced IDE) IDE-Laufwerke.pdf  ATA (Advanced Technology Attachment) IDE-Laufwerke.pdf  SATA (Serial ATA) 10.4  eSATA (External Serial ATA) 9.5  SCSI (Small Computer System Interface) SCSI-Festplatten.pdf  SAS (Serial Attached SCSI) 10.3  FDD (Floppy Disk Drive) FloppyDisk.pdf  M.2 10.4  U.2 10.4 Controller für externe Schnittstellen:  USB (Universal Serial Bus) 9.2  FireWire (IEEE 1394) 9.3  Thunderbolt 9.4 Sound 8.4 Netzwerk 8.2 Legacy-Schnittstellen:  ISA (Industry Standard Architecture) 2.9  EISA (Extended ISA) -  PS/2 (Personal System/2) für Tastatur und Maus 9.1  Parallele Schnittstelle (IEEE 1284) –  Serielle Schnittstelle (RS-232) – Weitere Komponenten (z. B. RAID-Controller) 10.5 Ergänzende Lerninhalte: IDE-Laufwerke.pdf, SCSI-Festplatten.pdf, FloppyDisk.pdf Hier finden Sie Informationen zu den entsprechenden Komponenten aus der Tabelle. 18 © HERDT-Verlag Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse 2 BIOS-Chip Er gehört zwar nicht direkt zum Chipsatz des Mainboards, aber ohne den BIOS-Chip ist der PC nicht lauffähig. Deswegen verdient er in diesem Kontext eine besondere Beachtung. Im BIOS-Chip sind die Programmroutinen untergebracht, die zum Starten des Computers und zum Erkennen und Ansprechen der elementaren Hardware notwendig sind. Die Software, die in diesen Chip programmiert ist, kann bei Bedarf durch eine neuere Version aktualisiert werden, BIOS-Update oder „Flashen“ des BIOS genannt. Manche Mainboards verfügen über einen zweiten BIOS-Chip, um das Motherboard nach einem fehlgeschlagenen BIOS-Update oder anderen BIOS-Problemen wieder in Betrieb nehmen zu können. Ein BIOS- BIOS-Chip Problem könnte die Veränderung oder Löschung des Chips durch eine Schadsoftware sein. Das BIOS-Programm ist die erste Software, die beim Einschalten des Computers ausgeführt wird. Zu diesem Zweck nimmt jeder Mikroprozessor an einer vorgegebenen Speicherzelle seine Arbeit auf, lädt den dort gespeicherten Befehl und führt diesen aus. Der Speicher des BIOS muss daher ein ROM (Read Only Memory) sein (vgl. 5.1). 2.9 Steckplätze Arbeitsspeicher (Hauptspeicher) Steg Die Steckplätze für den Arbeitsspeicher des Computers (auch Hauptspeicher genannt, vgl. Kapitel 5 und Abschnitt 13.3) nehmen die RAM- Module auf. Diese haben sich, ebenso wie die Steckplätze für Prozessoren, weiterentwickelt und sind untereinander nicht kompatibel. Die Anzahl der Anschlusskontakte hat in den letzten Steckplätze für DDR3-Module (Dual Channel) Jahren zugenommen. Um das Einsetzen falscher Module zu verhindern, sind die Sockel mit einem Steg versehen. Einige Mainboards verfügen aus Gründen der Abwärtskompatibilität zusätzlich über Steckplätze für ältere Speichermodule. Ob ein Mischbetrieb möglich ist und welche Einschränkungen sich daraus ergeben, entnehmen Sie dem Handbuch des Motherboard-Herstellers. Dort ist angegeben, welche Speicherkapazitäten durch Kombination, welcher Module, in welchem Steckplatz erreicht werden können. Um die Bandbreite und damit auch den Datendurchsatz zu erhöhen, sollten bei modernen Boards die Speicher- module immer paarweise (Dual Channel) bzw. zu dritt/zu viert gesteckt werden (Triple Channel/Quad Channel). Dazu sind zusammengehörige Steckplätze meist farbig gekennzeichnet. Im Beispiel oben sollten die ersten zwei Speichermodule in die blauen Steckplätze gesteckt werden. Fast alle Hersteller von Speichermodulen bieten für die Einrichtung der unterschiedlichen Channel-Konfigurationen spezielle Kit-Varianten ihrer Speichermodule an, wobei mit Kit zwei oder mehrere abgestimmte Speichermodule gemeint sind. Im Lieferumfang befinden sich Speichermodule, die in ihren elektrischen Eigenschaften nahezu identisch sind, wodurch eine optimale Geschwindigkeit erreicht wird. Aber auch mit baugleichen Modulen eines Herstellers kann die Einrichtung eines Channels gelingen. © HERDT-Verlag 19 2 PC-Technik – Grundlagen Erweiterungssteckplätze von ISA zu PCI Mit den Erweiterungssteckplätzen des integrierten Bussystems, auch Slots genannt ist es möglich, den PC um zusätzliche Funktionalität zu erweitern, zum Beispiel mit einer Netzwerkkarte. Zwischen 1995 und 2003 war der PCI (Peripheral Component Inter- connect) der Standardbus in der PC-Welt. Bei diesem parallelen Bus  teilen sich alle angeschlossenen Geräte die nutzbare Bandbreite von etwa 133 MB/s (PCI 2.0). Im Laufe der Zeit kamen schnellere Ver-  sionen dazu, die bis zu 533 MB/s und bei speziellen Ausführungen aus dem Serverbereich bis zu 4 GB/s transportierten (PCI-X-533). Auf PCI- und AGP-Steckplatz einem Mainboard befanden sich zwischen 1 und 6 PCI-Steckplätze . In seltenen Fällen befand sich in Kombination mit einem PCI-Bus noch ein, meist schwarzer Steckplatz für den so bezeichneten ISA-Bus (Industry Standard Architecture) auf dem Mainboard. Alte Karten des XT- oder AT-Busses konnten so weiterverwendet werden. Der ISA Bus arbeitete in der Regel mit einer Taktfrequenz von 8,33 MHz und erreichte in einem 16 Bit System eine Datentransferrate von 5,33 MB/s. Informationen und Belegungsplan dieses veralteten Sockeltyps finden sie hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Industry_Standard_Architecture Als XT wurden die ersten von IBM gefertigten 8 Bit Personal Computer bezeichnet. Sein Nachfolger mit 16 Bit erhielt die Bezeichnung AT (Advanced Technology). Diese Systeme stellen die Basis aller nachfolgenden IBM kompatiblen Personal Computer dar (https://de.wikipedia.org/wiki/IBM_Personal_Computer). Ende der 90er Jahre wurde AGP (Accelerated Graphics Port)  (Abbildung PCI- und AGP-Steckplatz) zur schnellen Anbindung der Grafikkarte eingeführt. Obwohl AGP auf dem PCI-Protokoll basiert, handelt es sich nicht um ein paralleles Bussystem, sondern um eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Der einzelne Steckplatz ist meist braun. Die Übertragungsgeschwindigkeit liegt zwischen 0,266 GB/s und 2,1 GB/s. Seit etwa 2006 ist die AGP-Schnittstelle veraltet und wurde durch den Nachfolger PCI Express (PCIe) ersetzt. Ergänzende Lerninhalte: AGP.pdf Hier finden Sie weitere Informationen zum AGP Steckplatz. PCI Express (PCIe) Im Gegensatz zur parallelen Busarchitektur von PCI verwendet PCI Express  genau wie AGP Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Jede dieser Verbindungen wird Lane genannt. Bis zu 16 Lanes können zur Erhöhung der Übertragungs-  bandbreite an einen Steckplatz angeschlossen sein. Die Anzahl der Lanes eines Steckplatzes wird mit einem „x“ gefolgt von einer Zahl angegeben.  Möglich sind Steckplätze mit x1, x4, x8 und x16. PCIe ist 2017 in der Version 4.0 erschienen. Die Einführung von PCIe 5.0 wurde selbst im Jahr 2020 noch  nicht begonnen. Für welches Jahr die jeweiligen PCIe Spezifikationen vorgesehen sind und die Höhe der jeweiligen Übertragungsraten, kann den  nachfolgenden Tabellen entnommen werden.  Version 1.x 2.x 3.x 4.0 5.0 6.0  Jahr (geplant) 2003 2007 2010 2017 2019 2021 PCI- und PCI-Express-Steckplätze Lanes V1.x V2.x V3.x V4.0 V5.0 V6.0 x1 0,25 GB/s 0,5 GB/s 0,985 GB/s 1,969 GB/s 3,938 GB/s 7,529 GB/s x2 0,5 GB/s 1,0 GB/s 1,969 GB/s 3,938 GB/s 7,877 GB/s 15,059 GB/s x4 1,0 GB/s 2,0 GB/s 3,938 GB/s 7,877 GB/s 15,754 GB/s 30,118 GB/s x8 2,0 GB/s 4,0 GB/s 7,877 GB/s 15,754 GB/s 31,508 GB/s 60,235 GB/s x16 4,0 GB/s 8,0 GB/s 15,754 GB/s 31,508 GB/s 63,015 GB/s 120,471 GB/s 20 © HERDT-Verlag Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse 2 Obwohl bereits 2017 der PCIe 4.0 Standard ratifiziert wurde, halten sich die Hersteller mit dem Einsatz dieses Anschlusses weiterhin zurück. Erst seit 2020 nimmt die Anzahl der Boards mit PCIe 4.0 Unterstützung zu, allerdings fehlt es noch am breiten Angebot von Grafikkarten. Daher bleibt weiterhin PCIe 3.x der gängige Standard. Viele neuere Motherboards verfügen über eine ganze Reihe unterschiedlicher PCI-Express-Steckplätze, die je nach Leistungsfähigkeit der Erweiterungskarten Verwendung finden. Die Abbildung PCI- und PCI-Express- Steckplätze zeigt PCI-  und PCI-Express-Steckplätze der Typen x16  und x1 . Der PEG-Steckplatz (PCI Express for Graphics) ist im Prinzip ein normaler PCIe-x16-Slot, erlaubt jedoch eine deut- lich höhere Leistungsaufnahme durch die Grafikkarte (75 W statt 25 W). Über einen Zusatzstecker zur Strom- versorgung an einer PCIe-Karte, den PEG-Connector, kann die maximale Leistung der Grafikkarte weit höher sein. Über einen 6-poligen Anschluss kann die Leistung um bis zu 75W höher sein. Der 8-polige Anschluss unterstützt eine Leistungserhöhung um bis zu 150 W. Dies sollte bei der Dimensionierung des Netzteils unbedingt berücksichtigt werden. Seit 2011 ist der ursprüngliche PCI-Bus bei den neuesten Prozessoren nicht mehr Bestandteil des Chipsatzes und muss mit einer PCIe-to-PCI-Bridge nachgebildet werden. Die heute im Handel erhältlichen Motherboards verfügen nahezu ausschließlich über PCIe-Slots. Ermitteln Sie daher vor der Beschaffung einer Erweiterungssteckkarte unbedingt den Typ des Motherboards und dessen Anschlussmöglichkeiten. 2.10 Anschlüsse Interne Laufwerke Bei modernen Desktop Mainboards sind die Controller für Festplatten und optische Laufwerke auf der Platine integriert. Früher waren IDE- bzw. EIDE-Controller der Standard, inzwischen sind sie nahezu vollständig durch SATA oder M.2 abgelöst worden. SATA (Serial ATA) ist der gängige Standard auf neuen Motherboards. Auch dieser Anschluss hat sich über die Jahre entwickelt und unterstützt heute drei Betriebsarten, die zueinander abwärtskompatibel sind. Diese sind:  SATA I 150 Mbyte/s  SATA II / SATA 300 300 Mbyte/s SATA-Anschlüsse  SATA III / SATA 600 600 Mbyte/s Berücksichtigen Sie bei Anschluss einer Festplatte die interne Geschwindigkeit der HDD. Erst bei der Verwendung eines SSD (Solid State Drive) ist es möglich, das Leistungspotenzial von SATA II oder SATA III vollkommen auszuschöpfen. M.2/U.2 Obwohl der M.2 Steckplatz für die Verwendung unterschiedlicher Erweiterungsmodule konzipiert ist, wird dieser häufig mit dem Betrieb von M.2-SSD Laufwerken oder einem Intel Optane Memory Modul in Verbindung gebracht. Weitere Informationen zu dieser Anschlussverwendung finden Sie im Abschnitt 10.4. © HERDT-Verlag 21 2 PC-Technik – Grundlagen Peripheriegeräte Bei ATX-Mainboards sind die externen Anschlüsse am Rand der Platine aufgelötet und so direkt von außen zugänglich. Externe Schnittstellen bei einem Pentium-4-Board von 2003:  PS/2-Anschlüsse für Tastatur und Maus  Digitalsound optisch und koaxial (SPDIF)    Parallelschnittstelle    Serielle Schnittstelle     USB-Anschlüsse Schnittstellen-Anschlüsse an einem ATX-Board von 2003  Netzwerkanschluss (RJ45)  Sound-Anschlüsse analog Auf neueren Mainboards finden sich eventuell noch Anschlüsse für FireWire (IEEE 1394) oder wie in der folgen- den Abbildung Monitoranschlüsse, falls ein Onboard-Grafikchip vorhanden ist. Externe Schnittstellen von einem aktuelleren Board:  USB 2.0     Kombi-PS/2-Anschluss Tastatur/Maus      Monitorausgang analog VGA       Monitorausgang digital DVI   Sound digital (SPDIF) optisch Schnittstellen-Anschlüsse an einem ATX-Board  Monitor/TV-Ausgang digital HDMI  Monitor/TV-Ausgang digital DisplayPort  FireWire 400  eSATA (externes SATA)  Gigabit Ethernet  USB 3.x  Sound-Anschlüsse analog PS/2-Anschlüsse Der Anschluss für die Maus ist grün, der für die Tastatur violett. Die PS/2-Anschlüsse für Tastatur und Maus sind zwar baugleich, unterscheiden sich aber in ihrer Funktion. Bei den Peripheriegeräten sind die Stecker meist in der entsprechenden Farbe hergestellt, sodass das Verwechslungsrisiko reduziert ist. Wenn die Anschlussbuchsen nicht farbig gekennzeichnet sind, weist ein Symbol für Tastatur und Maus neben dem entsprechenden Steckplatz auf das anzuschließende Gerät hin. Außerdem befindet sich der Anschluss für die Maus in aller Regel über dem PS/2-Tastaturanschluss (siehe  Schnittstellen-Anschlüsse an einem ATX-Board von 2003). Sind auf einem neuen Board noch PS/2 Anschlüsse vorhanden, ist dies meist ein Kombi-PS/2-Anschluss. Möchten Sie weiterhin Ihre Tastatur und Maus an PS/2 betreiben, benötigen Sie einen Y-Adapter für PS/2-Geräte. 22 © HERDT-Verlag Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse 2 2.11 Baugrößen von Mainboard und Gehäuse Mainboard-Formfaktoren Bei Mainboards gibt es mehrere gängige Abmessungen oder Formfaktoren. Der Formfaktor bestimmt die Abmessungen des Mainboards sowie Art und Lage der Bauteile und Schnittstellen. Im Laufe der Entwicklung haben sich verschiedene Formfaktoren etabliert, die jeweils für bestimmte Prozessor- generationen und die entsprechende Peripherie geeignet sind: Formfaktor Abmessung (Breite x Länge) Beschreibung/Hinweis Extended ATX (EATX) 305 mm × 330 mm 2 Prozessorsockel, Server-Board für Racks ATX 305 mm x 244 mm Sehr weit verbreitet microATX (µATX) 244 mm x 244 mm Ebenfalls sehr gebräuchlich Flex-ATX 229 mm × 191 mm Thin Clients und HTPCs (Intel Atom, Via Nano) Mini-ITX 170 mm x 170 mm Thin Clients und HTPCs Nano-ITX 120 mm x 120 mm Thin Clients und HTPCs BTX 325 mm × 267 mm Konnte sich als ATX-Nachfolger nicht durchsetzen microBTX (µBTX) 264 mm × 267 mm Ebenfalls selten zu finden Der Formfaktor eines Mainboards bestimmt außerdem den Gehäusetyp und das verwendbare Netzteil. Der Wechsel zu einem neuen Mainboard kann deshalb auch ein neues Gehäuse erforderlich machen. Grundsätzlich passen ATX- und microATX-Mainboards nicht in ein BTX- oder ITX-Gehäuse und umgekehrt. ATX Das ATX-Format (AT Extended) von 1996 ist der Nach- folger des Baby-AT-Formats (Advanced Technology) aus den 80er-Jahren. Entwicklungsziele für diesen Formfaktor ATX-Anschlussfeld waren unter anderem bessere Übersichtlichkeit und Praxistauglichkeit sowie verbesserte Kühlung und Stromversorgung Prozessor- Speicherbänke reduzierte Lautstärke. bereich Das ATX-Konzept ist inzwischen sehr ausgereift und hat sich auf dem Markt erfolgreich durchgesetzt. Weitere Vorteile und Features des ATX-Formfaktors sind:  Auf der Board-Unterseite befindet sich ein auf- gelötetes Input/Output-Panel, wodurch externe Peripheriegeräte (Maus, Tastatur, Drucker etc.) direkt angeschlossen werden können.  Die Kabelanschlüsse für Gehäusekomponenten (Lautsprecher, Reset, Power-On) sind seitlich sehr PATA/SATA- Steckplätze Anschlüsse übersichtlich in einer Reihe angebracht.  Die Stromversorgung des Mainboards erfolgt mit für Erweiterungskarten einem verpolungssicheren Steckanschluss und kann daher auch von ungeübten Benutzern fachgerecht angeschlossen werden. USB, FireWire, Einschalter, Reset ATX-Mainboard mit vorgeschriebenen Zonen © HERDT-Verlag 23 2 PC-Technik – Grundlagen  CPU und Speicherbänke sind zueinander versetzt. Die Steckplätze bzw. Sockel sind häufig so angeordnet, dass sie leicht erreichbar sind, ohne dass bei der Speicheraufrüstung Erweiterungskarten ausgebaut werden müssen.  ATX-Mainboards können die CPU-Temperatur oder Lüfterdrehzahl überwachen. Der Anwender kann diese Daten über eine mitgelieferte Software jederzeit am Bildschirm verfolgen. Falls die Temperatur einen kritischen Schwellenwert übersteigt, schaltet sich der Rechner automatisch ab. Der ATX-Standard schreibt für Mainboards ein Zonenmodell vor, in dem festgelegt wird, in welchen Bereichen des Mainboards, bestimmte Bauteile und Funktionsgruppen untergebracht werden müssen. Alle möglichen Maße vom Freiraum rund um den CPU-Sockel bis hin zu den Positionen der Befestigungslöcher sind genormt. So ist sichergestellt, dass jedes ATX-Board in jedes ATX-Gehäuse passt. microATX Das microATX-Format ist eine Weiterentwicklung des ATX-Formats. Die Position der Steckplätze und externen Schnittstellen wurde beibehalten, um eine Kompatibilität mit bestehenden ATX-Gehäusen zu ermöglichen. Lediglich ein Teil der Montagebohrungen wurde an die geringere Größe des microATX-Mainboards angepasst. Die geringere Boardgröße ermöglicht insgesamt kleinere PC-Gehäuse und kann helfen, die Systemkosten zu senken. Der gedrängte Aufbau kann allerdings zu Problemen bei der Wärmeabfuhr von leistungsfähigeren Prozessoren führen und setzt engere Grenzen bei der Erweiterung durch Steckkarten. Die rasche Evolution, besonders der Prozessoren und Chipsätze, zwingt auch bei Mainboards zu ständiger Weiter- entwicklung. Dabei stehen die fortschreitende Integration von elektronischen Bauteilen und eine Reduktion der mechanischen Bedienelemente (Jumper) im Vordergrund. Um ständig aktuellen Trends gerecht werden zu können, besitzen Mainboards oft nur unwesentlich längere Produktzyklen als die eingesetzten CPUs. BTX-Format Das BTX-Format (Balanced Technology Extended) wurde 2003 von Intel mit dem Ziel vorgestellt, ein Mainboard- Design festzuschreiben, das die Hauptwärmequellen (Prozessor, Grafikkarte und Chipsatz) so platziert, dass eine effektive Kühlung auch extrem heißer Prozessoren und Grafikkarten möglich ist. Dabei wurde die Gestaltung und Führung des Luftstroms im Gehäuse mit einbezogen, sodass in einigen Fällen nur ein einzelner großer Lüfter zur Kühlung des Computers benötigt wird. Dies führt zu einer deutlichen Lärmreduzierung und macht das BTX- Format prinzipiell überall dort interessant, wo leise Geräte benötigt werden. Das BTX-Format konnte sich jedoch kaum etablieren und wurde im Jahr 2007 wieder vom Markt genommen. Mini-ITX-Format Das ursprüngliche ITX-Format wurde 2001 von VIA vorgestellt und später um die Formate Mini-ITX, Nano-ITX und Pico-ITX ergänzt. 2008 kam die Version 2.0 heraus. Vor allem Mini-ITX ist recht erfolgreich und wird z. B. für Thin Clients verwendet. Mini-ITX-Boards lassen sich prinzipiell mit einem ATX-Netzteil betreiben und passen auch in ATX-Gehäuse. Computergehäuse Passend zu den verschiedenen Mainboard- und Netzteil-Formfaktoren werden unterschiedliche Gehäuse ange- boten. Da die externen Anschlüsse in die entsprechende Aussparung im Gehäuse passen müssen, können nur bestimmte Formfaktoren in den Gehäusen befestigt werden. Im allgemeinen Sprachgebrauch haben sich folgende Bezeichnungen für Computergehäuse etabliert: 24 © HERDT-Verlag Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse 2 Bezeichnung Größe im mm Einschübe Mainboard- Verwendungszweck (H x B x T) Formfaktoren Big Tower 540 x 210 x 510 extern 4 x 5,25", 2x 3,5"; Extended-ATX Server, Workstations intern 6 x 3.5" und ATX Midi Tower 460 x 200 x 530 extern 4 x 5.25", 2 x 3,5"; microATX, ATX Bürorechner intern 4 x 3,5" Mini Tower 360 x 180 x 370 extern 2 x 5.25", 2x 3.5"; microATX, Bürorechner, intern 4 x 3.5" microBTX Schreibtischrechner Desktop- 160 x 430 x 420 extern 1 x 5,25"; 1 x 3,5"; microATX, ATX Schreibtischrechner, Gehäuse intern 4 x 3,5" HTPC (Home Theater PC) ITX 254 x 88 x 219 intern 2 x 2,5" Mini-ITX Schreibtischrechner Standgehäuse 435 x 220 x 720 extern 3 x 5,25", 1 x 3,5"; microATX, ATX Server für Server intern 2 x 3,5" Rack-Gehäuse ab 44 x 485 x 640 extern 1 x 5,25", 3 x 3,5"; microATX, ATX Server zum Einbau in (19", ab 1 HE) intern 2 x 3,5" Regalsystemen 2.12 Netzteil Funktionsweise des Netzteils Ein Netzteil ist notwendig, um den Computer am Stromnetz betreiben zu können. Der PC wird an die übliche Haushaltsspannung von 230 V mit 50 Hz angeschlossen. Im Rechner selbst werden allerdings deutlich kleinere Spannungen benötigt. Die Aufgabe des Netzteils ist es, die von außen angelegte Wechsel- spannung von 230 V auf verschiedene Gleichspannungen von 3.3 V, 5 V und 12 V umzuwandeln. Aus diesen Spannungen erzeugen die Spannungswandler auf dem Mainboard alle weiteren benötigten Betriebsspannungen. Bei dem in einem Computer eingesetzten Netzteil handelt es sich um ein Schaltnetzteil. Bei Schaltnetzteilen wird die Eingangsspan- nung zuerst gleichgerichtet (Umwandlung einer Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung) und anschließend in Wechsel- spannung einer höheren Frequenz (meistens im kHz-Bereich) gewandelt. Diese Spannung wird dann in eine Spannung mit geringerer Amplitude (Schwingungshöhe einer Wechselspannung) Netzteil eines Personal Computers umgewandelt. Zum Schluss wird die Niedrigspannung wieder gleich- gerichtet und die gewünschte Gleichspannung ist hergestellt. Die Gleichrichtung wird bei modernen Netzteilen durch einen aktiven oder passiven Leistungsfaktorkorrektur- filter (PFC, Power Factor Correction) erreicht. In hochwertigen Netzteilen wird mit einer Kombination aus aktiver PFC und passivem Filter gearbeitet. Das Netzteil stellt ein eigenständiges elektrisches Gerät dar, welches keine zu reparierenden Teile enthält. Inner- halb des Netzteils treten lebensgefährliche Berührungsspannungen auf. Unternehmen Sie daher keine Reparatur- versuche, sondern tauschen Sie immer das komplette Netzteil aus. © HERDT-Verlag 25 2 PC-Technik – Grundlagen Anschluss der Stromversorgung Jedes Motherboard benötigt einen Anschluss, über den die notwendigen Spannungen zugeführt werden. Während beim veralteten AT-Standard ein Verwechseln der Stecker zur Zerstörung des Motherboards geführt hat, wurde bei ATX-Mainboards dieser Stecker verpolungssicher konstruiert. 24-poliger ATX-Anschluss Die Komponenten Mainboard, Netzteil und Gehäuse müssen aufeinander abgestimmt sein. Für ein ATX-Main- board benötigen Sie ein ATX-Netzteil und ein ATX-Gehäuse. Am Anfang wurden ATX-Mainboards über 20-polige Anschlüsse mit Strom versorgt (ATX 1.0 u. 1.3). Der Strombedarf moderner Grafikkarten (zum Teil mit zwei Grafikprozessoren) führte zur Erweiterung des Anschlusses um weitere 4 Pins (ab ATX 2.2). Durch den hohen Strombedarf der Prozessoren (bis 165 Watt Core Intel i9 Extreme/280 W AMD Threadripper 3970x) und Grafikkarten (bei Volllast bis 350 W, mit mehreren Grafikkarten sogar bis 700 W) hat die Leistungsfä- higkeit der Netzteile immer mehr zugenommen. Im Abschnitt 7.6 finden Sie unter den Begriffen „SLI, Crossfire und NVLink“ weitere Informationen zum Einsatz mehrerer Grafikkarten. Zusätzliche Stromversorgung für Prozessoren Bei Mainboards für neuere Prozessoren reicht die Leistung des ursprünglichen ATX- Stromanschlusses nicht mehr aus, um den Prozessor mit dem von ihm benötigten Strom ausreichend zu versorgen. Aus diesem Grund befindet sich seit der ersten Revision des ATX-Standards auf diesen Mainboards noch ein weiterer, meist quadratischer 12-Volt-Stromanschluss, der ver- Zusätzlicher vierpoliger polungssicher ausgeführt ist. Der 4-polige Anschluss wird „ATX12V“ oder „Intel-P4- 12V-Stromanschluss fähig“ genannt. ATX12V Bei Serverboards und für besonders stromhungrige Prozessoren wird manchmal auch der 8-polige zusätzliche EPS12V-Stromanschluss verwendet, auch in Form von zwei 4-poligen ATX12V-Steckern, die nebeneinander eingesteckt werden. ATX-Netzteilstandards Der ATX-Standard wurde 1996 vorgestellt. In der ersten Revision von 2000 wurde der Standard in ATX12V umbenannt. Version 1.0 brachte vor allem den zusätzlichen vier- poligen Stromanschluss. Es folgten einige Versionen mit kleinen Verbesserungen. Mit Version 2.0 wurde 2003 der Anschluss für die Stromversorgung auf 24 Pole ver- breitert und Anschlüsse für die SATA-Stromversorgung wurden zwingend erforderlich. PCIe-Stromversorgung Außerdem wurde die Leistungsabgabe der 12V-Schienen verstärkt. (PEG Connector) Version 2.1 und 2.2 brachten die 6-poligen und 8-poligen PCIe-Stecker (75 W bzw. 150 W zusätzlich für die Stromversorgung der Grafikkarte). Zusammen mit den 75 W des PEG-Slots kann eine einzelne Grafikkarte nun bis zu 300 W ziehen. Version 2.3 schließlich machte kleine Änderungen bei der geforderten Energieeffizienz, die mindestens 70 % fordert und 80 % empfiehlt. Im Zusammenhang mit der Einführung der Intel Haswell Microarchitektur (2003) wurde die ATX Version auf 2.4 erhöht. Hintergrund war ein neuer Standbymodus, der dazu führte, dass sich ältere Netzteile ihrer Spezifikation entsprechend abschalteten, wenn die Mindestauslastung von 0,5 Ampere unterschritten wurde. Neu ist daher ein Mindestwert von 0,05 A. Detailinformationen zur Funktion des Netzteils, den unterschiedlichen Normen, Steckertypen, Stiftbelegungen und Kabelfarben finden Sie unter https://de.wikipedia.org/wiki/PC-Netzteil. 26 © HERDT-Verlag Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse 2 Auswahl des passenden Netzteils Format Nachdem über Jahre hinweg fast ausschließlich Netzteile im ATX Format in den Desktop PCs zum Einsatz kamen, haben sich mittlerweile einige andere Formfaktoren auf dem Markt etabliert. Besondere Bedeutung kommt dabei den Formfaktoren SFX und ITX zu. Bezeichnung Abmessungen (B x H x T) Motherboard Anschluss ATX 150 mm × 86 mm × 140 mm 20/24 polig SFX 125 mm × 63,3 mm × 100 mm 20/24 polig ITX 81,5 mm x 40,3 mm x 150 mm 20 polig Der Grund liegt sicher im Trend zu kleineren und kompakteren Computersystemen am Arbeitsplatz, wie die aktuellen Computermessen, z. B. die Computex, zeigen. Kabelmanagement Bei Netzteilen unterscheidet man Geräte, bei denen die Anschlusskabel direkt aus dem Netzteilgehäuse kommen (non-modular) und solche, die anstelle von festen Kabeln Steckverbindungen verwenden (modular). Der Vorteil der modularen Geräte liegt in einer ordentlicheren Kabelverlegung und dem Verzicht auf nicht benötigte Kabel, was die Luftzirkulation innerhalb des Gehäuses verbessern kann. Leistung Moderne PCs haben einen großen Energiebedarf, der bei Einsatz mehrerer Grafikkarten unter Volllast in den Bereich von 1.000 Watt und mehr reichen kann. Normal ausgestattete Büro- oder Heim-PCs benötigen jedoch selten mehr als 400 W. Die Angabe der Gesamtleistungsaufnahme ist meist nur ein Richtwert, denn je nach An- wendung und Motherboard werden die Leitungen mit 12 V und 5 V unterschiedlich stark belastet. Dies kann dazu führen, dass ein Netzteil schon weit unter seiner Nennleistung versagt. Je nach Anwendungsgebiet und Ausstattung muss das Netzteil den Anforderungen stets gewachsen sein, sonst drohen Instabilitäten und Abstürze. Beim Kauf des Netzteils sollten Sie auf Qualität achten und die passende Größe wählen. Eine Hilfestellung bieten Online-Netzteilrechner, wie zum Beispiel Netzteilrechner.de, der unter der Webadresse https://netzteilrechner.de/ erreichbar ist. Energieeffizienz Grundsätzlich sind alle Netzteile im Bereich zwischen 40 % und 80 % ihrer Maximalleistung am effizientesten. Die Energieeffizienz wird in Prozent aus- gedrückt und sollte so nah wie möglich an 100 heranreichen. Achten Sie beim Kauf auf das „80 PLUS“-Logo, das es in mehreren Stufen gibt: 80 PLUS (weiß), Bronze, Silber, Gold, Platinum. Das Logo wird allerdings erst ab einer Leistung ab 350 W vergeben, sodass schwächere Netzteile, die für den Aufbau besonders Netzteil mit 80-PLUS-Kennzeichnung sparsamer Computer interessant sind, hier gar nicht aufgeführt werden. Eine Liste aller 80-PLUS-zertifizierten Netzteile und deren Einstufung finden Sie unter: https://www.clearesult.com/80plus/manufacturers/115V-Internal/ © HERDT-Verlag 27 2 PC-Technik – Grundlagen Wege zum leisen PC Bei jeder PC-Komponente sollten Sie auf eine niedrige Lärmentwicklung achten. Dazu gehört die Auswahl angemessen leistungsfähiger Bauteile mit möglichst leiser Kühlung. Neben besonders leisen Silent-Netzteilen können auch normale Netzteile leise sein, wenn sie unter geringer Last laufen. Für einen leisen Betrieb sollten Sie den Energieverbrauch des Computers im Auge behalten. Je weniger Leistung in Wärme umgesetzt wird, desto langsamer können die Lüfter im Gehäuse und im Netzteil drehen. Das größte Sparpotenzial ergibt sich bei der Auswahl der Grafikkarte und der CPU. Hier lassen sich 50 W und mehr schon im Leerlauf und Teillastbereich einsparen. Moderne Prozessoren und Grafikkarten verfügen über ausgeklügelte Stromsparmechanismen, sodass sie im Leer- lauf oder bei geringer Belastung vergleichsweise wenig Strom verbrauchen. Erst wenn die volle Leistung abge- fordert wird, schnellt der Stromverbrauch in die Höhe. So kann bei Grafikkarten der Stromverbrauch im Leerlauf bei 20 W liegen, bei Volllast dagegen bei über 300 W. Bei Prozessoren reicht diese Spanne von 20 W bis 140 W. Wenn die Leistung der integrierten Chipsatz- oder Prozessorgrafik ausreicht, sollten Sie auf eine eigenständige Grafikkarte verzichten. Unnötig leistungsfähige Prozessoren oder Hochleistungsgrafikkarten gehören nicht in einen Bürorechner. Hier lässt sich sowohl bei der Anschaffung als auch bei den Betriebskosten über mehrere Jahre eine Menge Geld sparen. Nicht zu unterschätzen ist auch der Stromverbrauch von mechanischen Festplatten. Jede Desktop-Festplatte im üblichen 3,5"-Format benötigt im Betrieb zwischen 6 W und 12 W. Es kann sich lohnen, statt mehrerer kleiner Festplatten eine große Festplatte einzusetzen. 2,5"-Festplatten im Notebookformat sind ebenfalls deutlich sparsamer (0,5 bis 3 W), allerdings auch langsamer. Die günstigste Lösung ist ein Solid State Drive (SSD), dass schnell, lautlos und stromsparend ist (0,3 bis 4 W). Ausfallsicherheit und Redundanz Bei Workstations und vor allem Servern werden oft redundante Netzteile eingesetzt, um die Ausfallsicherheit zu erhöhen. Auch werden besonders für Serverracks USV-Anlagen installiert. 2.13 Unterbrechungsfreie Stromversorgung Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) überbrückt bei einem Stromausfall die Zeit bis zum Anspringen eines Notstrom