PC-Architektur

Von Neumann-Architektur

Die in PCs heute verwendete Architektur geht auf den österreichisch-ungarischen Mathematiker John von Neumann zurück, der später in den USA tätig war.

John von Neumann (1903 – 1957)

Die von-Neumann-Architektur ist ein Schaltungskonzept zur Realisierung universeller Rechner (Von-Neumann-Rechner, VNR). Sie realisiert alle Komponenten einer Turingmaschine.

Ein von-Neumann-Rechner beruht auf folgenden Komponenten, die bis heute in Computern verwendet werden:

  • ALU (Arithmetic Logic Unit): Rechenwerk; führt Rechenoperationen und logische Verknüpfungen durch.
  • CU (Control Unit): Steuerwerk oder Leitwerk; interpretiert die Anweisungen eines Programms und steuert die Befehlsabfolge.
  • Memory: Speicherwerk; speichert sowohl Programme als auch Daten, welche für das Rechenwerk zugänglich sind.
  • I/O-Unit: Eingabe-/Ausgabewerk; steuert die Ein- und Ausgabe von Daten, zum Anwender (Tastatur, Bildschirm) oder zu anderen Systemen (Schnitt­stellen).

Zum Austausch von Informationen zwischen CPU, Hauptspeicher und Peripherie (also Bildschirm, Drucker usw.) gibt es eigene Leitungen, die als „Bus“ bezeichnet werden. Da für jedes Bit eine eigene Leitung benötigt wird, sind meist 8, 16 oder 32 Leitungen zusammengefasst; man nennt die Anzahl der gleichzeitig über­tragbaren Bits Busbreite.

Der Bus, über den die Daten transportiert werden, heißt Datenbus. Je größer die Datenbusbreite, desto mehr Daten können gleichzeitig übertragen werden. Die Datenbusbreite ist also ein Wert für die Geschwindigkeit der CPU.

Jede Information wird an einer ganz bestimmten Stelle im Hauptspeicher abgelegt. Jede Speicherstelle zu 1 Byte hat eine bestimmte Adresse. Für die Übermittlung von Speicher­adressen ist der Adressbus zuständig. Die Breite des Adressbusses hat nichts mit der Geschwindigkeit des Prozessors zu tun, sondern beschränkt den Arbeitsspeicher. Hat der Adressbus etwa 20 bit Breite (dies war beim XT der Fall), so kann man damit einen Speicherbereich von 220 = 1.048.576 Byte = 1 MByte adressieren; der größtmögliche Speicher, den man in einem XT adressieren konnte.

Steuersignale werden vom Steuerbus wei­tergeleitet. Zu den Steuersignalen gehört z. B. das Reset-Signal, welches beim Einschalten des Gerätes oder beim Betätigen der Reset-Taste ausgelöst wird. Dieses Signal veranlasst den Start eines fixen Programms, welches das „Hochfahren“ des Computers bewirkt.

Motherboard (auch: Mainboard, Hauptplatine)

Das Zentralstück jedes Computers ist die Hauptplatine oder englisch motherboard. Auf dieser befinden sich folgende Elemente:

  • Zentralprozessor (CPU = „central processing unit“): wichtigster Teil des Computer. Der Zentralprozessor ist ein Mikrochip, der die eigentliche Arbeit des Computers (rechnen, vergleichen, sortieren,…) durchführt.
  • Koprozessor (FPU = „floating point unit“): ebenfalls ein Mikrochip, der den Zentralprozessor bei seiner Rechenarbeit unterstützt. Heute nicht mehr üblich.
  • „Chipsatz“: eine Reihe von speziellen Chips, wobei jeder Motherboard-Hersteller eigene Chips entwickelt.
  • Speicherchips (Arbeitsspeicher, ROM-BIOS, CMOS-RAM etc.)
  • Steckplätze für Erweiterungskarten

Die Art und Weise, wie diese Komponenten auf dem Motherboard angeordnet sind, kombiniert mit der Größe der Platine, wird als Formfaktor bezeichnet. Heute sind folgende Formfaktoren üblich:

  • ATX: Steckplätze für 2 oder 4 DDR-DRAM-Speicher­module, Chipsätze mit LAN, Grafik, Sound, USB und Firewire, 2 x ATA, 3 – 6 x PCI, optional AGP.
  • µATX: Steckplätze für 2 oder 4 DDR-DRAM-Speicher­Module, Chipsätze mit LAN, Grafik, Sound, USB und Firewire, 2 x ATA, 2 – 3 x PCI, optional AGP.
  • Mini-ITX: 17 x 17 cm, Steckplätze für 2 DDR-DRAM-Speichermodule, Chipsätze mit LAN, Grafik, Sound, USB und Firewire, 2 x ATA, 1 x PCI.
  • Nano-ITX: 12 x 12 cm, Chipsätze mit LAN, Grafik, Sound, USB und Firewire, 2 x ATA, 1 x Mikro-PCI.
  • BTX (Balanced Technology Extended): thermische Vorteile durch verbesserte Anordnung der Komponenten
ASRock K7VT4A Pro Mainboard aus dem Jahr 2004 (Quelle: www.wikipedia.de); 2 Steckplätze für 184 pin DIMMs (RAM), 1 Sockel 478 für die CPU,
weiters ein AGP Pro-Slot, 5 PCI-Slots

Chipsatz

Teil der Motherboard-Architektur ist der Chipsatz, der eine Implementierung der Bussysteme einhaltet und außerdem verschiedene andere Aufgaben zur Entlastung der CPU durchführt. Lange Zeit war die typische Motherboard-Architektur von zwei Chips, der sogenannten Northbridge und Southbridge, üblich (Bild rechts).

Der Prozessor ist über den Front Side Bus (FSB; auch: Prozessor-Bus) mit dem Northbridge-Chip verbunden. Er arbeitet mit der vollen Taktfrequenz der Hauptplatine (zum Beispiel 66 MHz, 100 MHz, 133 MHz).

Der Northbridge-Chip ist nahe an der CPU platziert und stellt den wichtigsten Teil für die Performance des Gesamtsystems dar. Er kommuniziert mit dem Arbeitsspeicher und leitet Anfragen an den RAM weiter, die von CPU, AGP-Controller oder Southbridge-Chip kommen.

Der Southbridge-Chip ist nahe der Peripherie positioniert und bietet Unterstützung für verschiedene Bussysteme (ISA, PCI, USB). In letzter Zeit werden verstärkt Soundkarten- und Netzwerk-Karten-Elek­tro­nik in den Southbridge-Chip integriert.

Klassische Chipsatz-Architektur
www.elektronik-kompendium.de
Southbridge-Chip am ASUS-Motherboard A7V333 (Via VT8233A).
www.planet3dnow.de
Northbridge-Chip mit deutlich sichtbarem Passivkühler am ASUS-Motherboard A7V333.
www.planet3dnow.de

Der DMA-Chip beispielsweise (direct memory access = direkter Speicherzugriff) kann direkt mit dem Speicher kommunizieren und damit die CPU umgehen. Dieser direkte Speicherzugriff wird vom so genannten DMA-Controller durchgeführt. Sollen etwa vom Drucker Daten empfangen werden, so fragt der DMA-Controller zunächst die CPU, ob der Datenbus frei ist. Ist dies der Fall, so übernimmt der DMA-Controller die Herrschaft über das Bussystem, nimmt die empfangenen Druckerdaten auf und legt sie im Hauptspeicher ab.

Der DMA wird von vielen Ein-/Ausgabe­karten benutzt (Ausnahme: SCSI). Von den zur Verfügung stehenden 8 DMA-Kanälen (0, …, 7) werden wegen der XT-Kom­pa­ti­bi­li­tät von vielen Steckkarten nur die Nummern 0, 1 und 3 benützt.

Auch die Verwaltung der Interrupts wird von einem dieser Chips (dem Interrupt-Controller) übernommen. Ebenso wird die maximale Bestückung des Arbeitsspeichers vom Chipsatz festgelegt.

Bei rechenintensiven Anwendungen (z.B. 3D-Spielen) ist der Chipsatz für die Performance wesentlich. Führende Hersteller sind Intel, AMD und VIA wesentlich.

In den letzten Jahren geht man allerdings neue Wege, um die Leistung des Gesamtsystems weiter steigern zu können. So wird durch spezielle Zusatzprozessoren die CPU zusätzlich entlastet.

Mit den Chipsätzen der Baureihe i8xx führte Intel die Hub-Architektur zur Verknüpfung der einzelnen Chipsatz-Kom­po­nen­ten ein. Andere Chipsatz-Hersteller sind kurze Zeit darauf mit Eigenentwicklungen nachgezogen und haben ähnliche Strukturen eingeführt. Der Grund war, dass die alte Bridge-Architektur mit dem PCI-Bus als Verbindung zwischen North- und South-Bridge sich als Nadelöhr entwickelt hat. Die immer schneller werdenden Prozessoren, Arbeitsspeicher und Festplatten wurden durch den internen PCI-Bus ausgebremst. Die Daten konnten nicht schnell genug an den Ort eines Computersystems übertragen werden, wie es theoretisch notwendig gewesen wäre.

Da nicht alle Hub-Architekturen aller Hersteller berücksichtigt werden können, wird hier exemplarisch der Intel-Chipsatz (i8xx-Serie) beschrieben. Die Chipsätze andere Hersteller sind jedoch ähnlich aufgebaut.

Vergleicht man die Hub-Architektur mit der Bridge-Architektur, dann übernimmt der Memory Controller Hub (MCH) die Funktion der North-Bridge. Hier läuft das Interface des Prozessors (FSB), des Arbeitsspeichers und des AGP-Busses zusammen. Statt des MCH gibt es auch einen Graphics Memory Controller Hub (GMCH). Dieser hat keine Unterstützung für den AGP, dafür aber einen eingebauten Grafikchip, der die Grafikkarte ersetzt.

Als interne Verbindung gibt es nicht mehr den PCI-Bus, sondern ein Hub Interface. Über diese Schnittstelle lassen sich weitere Controller Hubs untereinander verbinden. Z. B. lässt sich ein PCI64-Hub an den MCH anbinden, der Slots für 33 MHz- oder 66 MHz-PCI zu Verfügung stellt. Über ein weiteres Hub Interface wird er I/O Controller Hub (ICH) an den MCH angeschaltet. Der ICH übernimmt die Aufgaben der South-Bridge, stellt aber nur die Schnittstellen zu modernen Komponenten zur Verfügung. So können etwa Diskettenlaufwerke, serielle und parallele Schnittstellen nur über einen weiteren Super-I/O-Baustein angebunden werden. Diese „alten“ Schnittstellen senden in den „Legacy Port Controller“ (LPC). Sie sind die letzten Verbindungen in die alte PC-Welt.

Der PCI-Bus und die EIDE/ATA-Schnitt­stellen werden direkt aus dem ICH herausgeführt. ISA-Steckplätze müssen über einen zusätzlichen Chip (PCI-to-ISA-Bridge) angebastelt werden. Weil der ISA-Bus nur noch über diesen Zusatzbaustein unterstützt wird, muss das BIOS eine separate Funktionseinheit sein. Diese nennt sich Firmware Hub (FWH) und hängt am ICH dran.

Obwohl die Hub-Architektur technisch modern und modular aufgebaut ist, sind ICH und Arbeitsspeicher über den SMB System Management Bus) verbunden. Auch der Prozessor hat noch seine Interrupt-Leitungen zum I/O Controller Hub (ICH).

Im Zuge der weiter fortschreitenden Miniaturisierung ist die Aufteilung in zwei Chips neuerdings auch schon aufgehoben. Immer mehr Hersteller bieten „Ein-Chip-Chipsätze“ an.

In der erweiterten Hub-Architektur verliert der Chipsatz langsam an Bedeutung. Die Anbindung von Grafikkarte und Arbeitsspeicher sind immer wieder der Flaschenhals eines Computers. Insbesondere der schnelle Zugriff auf den Arbeitsspeicher entscheidet darüber, ob ein Prozessor seine Leistungsfähigkeit voll ausspielen kann, oder nicht. Weil der Prozessor-Hersteller AMD hier immer etwas im Rückstand war, hat AMD den Speicher-Controller, eigentlich Aufgabe des Chipsatzes, direkt in den Prozessor integriert. Neben der Verbindung zum Chipsatz wird aus dem Prozessor auch die Verbindung direkt zum Arbeitsspeicher herausgeführt. Auf diese Weise spart der Prozessor den Umweg über den Chipsatz, wenn er auf den Speicher zugreift. Der Vorteil, der Zugriff auf den Arbeitsspeicher wird um einige Takte verkürzt. In Mehrprozessor-Systemen bekommt jeder Prozessor seinen eigenen lokalen Speicher.

Je nach Chipsatz und Hersteller wird gleich auf die Aufteilung in zwei Chips verzichtet und alle Schnittstellen und ihre Steuerung in einen einzigen Baustein integriert.

Die weiterhin zunehmende Bedeutung der Grafikleistung eines Computers führt zu dem Effekt, dass auch die Grafikkarte direkt an den Prozessor angebunden wird.

Die Intel-Nehalem-Mikroarchitektur ist eine von Intel entwickelte Mikroarchitektur. Sie basiert teilweise auf der Intel-Core-Mikroarchitektur und wird diese bis 2010 ablösen. Die ersten Prozessoren, benannt als Core i7 auf Basis des Prozessorkerns Bloomfield, werden im 45-nm-Verfahren gefertigt und sind im November 2008 auf den Markt gekommen.

Eine Haupterneuerung dieser Architektur ist, dass der FSB (Front Side Bus), der bei Vorgängern die Verbindung zwischen Prozessor und Chipsatz herstellte, einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung namens QuickPath Interconnect gewichen ist, die auf hohen Durchsatz und Skalierbarkeit ausgelegt ist – ähnlich dem Umstieg AMDs auf HyperTransport einige Jahre vorher. Eine weitere wichtige Neuerung, ebenfalls ähnlich wie bei AMD, ist die Anbindung des Arbeitsspeichers über einen integrierten Speichercontroller. Durch diese direkte Verbindung kann der Prozessor mit deutlich geringerer Latenz auf den Speicher zugreifen. Diese beiden Maßnahmen schaffen den bis dato vorhandenen Flaschenhals der Core-Prozessoren ab, der durch den FSB gegeben war. Allerdings sind dadurch neue Sockel nötig.

Unter dem Codenamen „Ibexpeak“ operiert Intel an einem Plattform Controller Hub der nächsten Generation, der die jahrelange Trennung in North- (MCH/IOH) und Southbridge (ICH) beendet und sämtliche Controller-Funktionen auf einem Chip zusammenbringt. Dazu gehören neben PCI (4 Master), PCI Express (8 Lanes), Serial-ATA (6 Ports), Audio, Gigabit Ethernet MAC und USB (14 Ports) auch grundlegende Ein- und Ausgabefunktionen sowie der SM-Bus, LPC und nicht zuletzt die Ansteuerung von Bildausgabe-Geräten über VGA oder HDMI/Display-Port.

Rechnerkategorien nach Flynn

Michael Flynn publizierte 1972 eine Unterteilung der Rechnerarchitekturen, die die Anzahl der vorhandenen Befehls- und Datenströme verwendet:

  • SISD (Single Instruction, Single Data):  Unter SISD-Rechnern versteht man traditionelle Einprozessor-Rechner, die ihre Aufgaben sequentiell abarbeiten. SISD-Rechner sind z.B. Personal-Computer (PCs) oder Workstations welche nach der Von-Neumann- oder der Harvard-Architektur aufgebaut sind. Bei erster wird für Operanden und Instruktionen der gleiche Speicher verwendet, bei letzterer sind sie getrennt.
  • SIMD (Single Instruction, Multiple Data): Eine Architektur von Großrechnern beziehungsweise Supercomputern. SIMD-Computer, auch bekannt als Array-Prozessoren oder Vektorprozessor, dienen der schnellen Ausführung gleichartiger Rechenoperationen auf mehrere gleichzeitig eintreffende oder zur Verfügung stehende Eingangsdatenströme und werden vorwiegend in der Verarbeitung von Bild-, Ton- und Videodaten eingesetzt.
  • Viele moderne Mikroprozessoren (wie PowerPC und x86) besitzen inzwischen SIMD-Erweiterungen, das heißt spezielle zusätzliche Befehlssätze, die mit einem Befehlsaufruf gleichzeitig mehrere gleich­artige Datensätze verarbeiten.
  • MISD (Multiple Instruction, Single Data): Eine Architektur von Großrechnern bzw. Supercomputern. Die Zuordnung von Systemen zu dieser Klasse ist schwierig, sie ist deshalb umstritten. Viele sind der Meinung, dass es solche Systeme eigentlich nicht geben dürfte. Man kann aber fehlertolerante Systeme, die redundante Berechnungen ausführen, in diese Klasse einordnen. Ein Beispiel für dieses Prozessorsystem ist ein Schachcomputer.
  • MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data): Eine Architektur von Großrechnern bzw. Supercomputern. MIMD-Computer führen gleichzeitig verschiedene Operationen auf verschieden gearteten Eingangsdatenströmen durch, wobei die Verteilung der Aufgaben an die zur Verfügung stehenden Ressourcen meistens durch einen oder mehrere Prozessoren des Prozessorverbandes selbst zur Laufzeit durchgeführt wird. Jeder Prozessor hat Zugriff auf die Daten anderer Prozessoren.
  • Man unterscheidet eng gekoppelte Systeme und lose gekoppelte Systeme. Eng gekoppelte Systeme sind Multiprozessorsysteme, während lose gekoppelte Systeme Multicomputersysteme sind.
  • Multiprozessorsysteme teilen sich den vorhandenen Speicher und sind somit also ein Shared-Memory-System. Diese Shared-Memory-Systeme lassen sich weiter in UMA (uniform memory access), NUMA (non-uniform memory access) und COMA (cache-only memory access) unterteilen.

Christian Zahler

Studium an der TU Wien (Chemie, Physik, Mathematik, Informatik), selbstständige Tätigkeit (IT & Consulting) mit Spezialisierung auf Schulungskonzepte in der Erwachsenenbildung, derzeit Unterrichtstätigkeit am Francisco Josephinum Wieselburg (Landtechnik-Abteilung, technische und naturwissenschaftliche Fächer, Schwerpunkte Elektro- und Automatisierungstechnik und Mechanik), seit unendlich langer Zeit dem ClubComputer freundschaftlich verbunden, Autor von Artikeln in PCNEWS.

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