Einführung in die EDV - Aufbau und Funktionsweise eines Rechners

Einführung in die EDV 

Aufbau und Funktionsweise eines Rechners 

Holger Irrgang 

Ernst Moritz Arndt Universität Greifswald 

Wintersemester 2007/08

Von-Neumann-Rechner Grundlegender Aufbau Prozessor Speicher Busse und Schnittstellen Peripherie 

Zentraleinheit und Peripherie 

Ein Rechner setzt sich grundlegend aus den folgenden beiden 

Einheiten zusammen: 

der Zentraleinheit und der Peripherie. 

Zur Zentraleinheit gehören der Prozessor, der Arbeitsspeicher, 

diverse Bussysteme, verschiedene Anschlüsse und das Einund 

Ausgabesystem. 

Die Peripherie kann in reine Ausgabegeräte (Bildschirm, 

Drucker, Plotter, Datenprojektor,...), reine Eingabegeräte 

(Tastatur, Maus, Scanner, Joystick) sowie Geräte, die eine Einund 

eine Ausgabe erlauben (Festplatte, Netzwerkkarte), 

unterteilt werden. 

Bemerkung: Der Begriff Zentraleinheit wird in der Literatur nicht 

in eindeutiger Weise verwendet. Häufig bezeichnet er auch nur 

den Prozessor oder nur Prozessor und Arbeitsspeicher.


EVA und von-Neumann-Architektur 

Das EVA-Prinzip eines Rechners kann schon direkt an dem 

Schema eines von-Neumann-Rechners abgelesen werden:


EVA und von-Neumann-Architektur 

Mit etwas mehr Struktur sieht ein von-Neumann-Rechner so 

aus:


Bestandteile und Funktionsweise 

Grundlegende Bestandteile: 

1) CPU mit Steuer- und Rechenwerk 

2) Arbeitsspeicher 

3) Ein- und Ausgabeeinheiten 

4) Bussystem 

Aufgaben: 

• Das Steuerwerk liest Befehle und Operanden aus dem 

Arbeitsspeicher ein und interpretiert sie anhand seiner 

Befehlstabelle. 

• Das Rechenwerk führt die logischen und arithmetischen 

Operationen durch. 

• Im Arbeitsspeicher befinden sich die Befehle der 

auszuführenden Programme und ihre Daten.



• Das Bussystem realisiert den Transport der Daten 

zwischen allen Einheiten. 

• Die Ein- und Ausgabe ist die Schnittstelle zum Nutzer. 

Die meisten der heutigen Rechnerarchitekturen folgen der 

klassischen von-Neumann-Architektur. In PCs findet man die 

Komponenten der Zentraleinheit auf dem sogenannten Mainoder 

Motherboard.



Funktionsweise eines von-Neumann-Rechners: 

Die Abarbeitung der Programme geschieht nach folgendem 

einfachen Prinzip: 

Anwendung der in einem Befehl angegebenen Operation auf 

die angegebenen Speicherzelle (Adresse einer Variablen mit 

Datum im Arbeitsspeicher oder einem Register) 

z.B.: MOV 8,R1 Speichere die Zahl 8 im Register R1 

ADD [4788],R1 Addiere den Inhalt der Adresse 4788 

zum Inhalt des Registers R1 

Folglich lassen sich drei grundlegende Arten von Daten 

unterscheiden: 

• Befehle 

• Daten 

• Adressen


Der PC von außen 

Heutige PCs variieren sehr in ihrem Aussehen. Schon bei der 

Form der Gehäuse unterscheidet man Desktop- und 

Tower-PCs. Die Tower-Gehäuse unterteilen sich weiter in Big 

und Midi Tower. 

Bei einem Standard-PC findet man an der Frontseite 

üblicherweise einen Einschalt- und einen Resetknopf, LEDs zur 

Anzeige, ob der Rechner eingeschaltet ist und ob 

Festplattenaktivitäten stattfinden, sowie möglicherweise ein 

kleines Fach mit einigen Anschlüssen (z.B. USB) und 

Öffnungen für verschiedene Laufwerke wie Disketten-, 

CD-ROM- oder DVD-Laufwerke.



An der Rückseite befinden sich die Lüftung und diverse 

Anschlüsse (die von PC zu PC variieren können): 

• Stromversorgung 

• PS/2-Anschlüsse für Maus und Tastatur (1) 

• USB-Anschlüsse (2) 

• Drucker-Anschluss (3) 

• Netzwerkanschluss (6) 

• Audioanschlüsse (4) 

• Monitor-Anschluss (5) 

• Joystick-Anschluss (4) 

• Firewire-Anschlüsse (7)



http://www.freenet.de/freenet/computer und technik/hardware 

/pc komponenten/pc erklaert/


Der PC von außen


Der PC von innen 

Im Innern eines PC findet man hauptsächlich die folgenden 

Komponenten: 

• die Laufwerke, deren Nutzung von der Frontseite des PC 

möglich ist (12) 

• Festplatte(n) (10) 

• das Netzteil (13) 

• das Mainboard mit CPU (und Lüfter) (1), Arbeitsspeicher 

(8), Chipsatz (6), Batterie (5), Steckplätzen (und 

verschiedenen Karten) (3), (4) 

• Strom- und Datenkabel (IDE-Kabel) (11) und (9)


Der PC von innen 

http://www.freenet.de/freenet/computer und technik/hardware 

/pc komponenten/pc erklaert/


Der PC von innen


Das Mainboard 

Mainboard = Motherboard = Hauptplatine 

Die wichtigsten Komponenten des Mainboards sind diejenigen, 

die zur Zentraleinheit gehören: 

• die CPU 

• der Arbeitsspeicher 

• der ROM-Speicher 

• Busse und Schnittstellen 

• der Chipsatz 

Bemerkung: Auch wenn meistens diverse Karten auf dem 

Motherboard onboard sind, gehören sie nicht zur Zentraleinheit 

sondern zur Peripherie.


Der Prozessor 

CPU ... Central Processing Unit = (Mikro)Prozessor 

Prozessoren sind integrierte Schaltkreise, die mittlerweile 

mehrere Millionen Transistoren enthalten. Die 

Integrationsdichte nimmt ständig zu. 

Aufbau eines Prozessors:


Die Bestandteile im Einzelnen: 

Die Bestandteile 

• die ALU: Arithmetic Logical Unit 

zur Durchführung von mathematischen Operationen und 

logischen Verknüpfungen 

• das Steuerwerk 

• Kontrolle der Ausführung des Programmcodes mittels 

Befehlszähl- und Befehlsregister 

• Durchführung spezieller Steuerfunktionen 

• Verwaltung des Stack Pointer 

• die Register 

• sehr schnelle Speicher innerhalb eines Prozessors bzw. 

Prozessorkerns 

• typische Anzahl: 2, 4, 6, 8, ... 

• Aufnahme jeweils eines binären Datums fester Länge, z.B. 

16 oder 32 Bit


• 

Die Bestandteile 

• Arbeitsregister enthalten Daten und abhängig vom 

Prozessor einige (oder alle) auch Adressen (vgl. 

von-Neumann-Architektur). 

• Befehlszählregister (Instruction Pointer) beinhaltet Adresse 

des nächsten auszuführenden Befehls. 

• Befehlsregister kann einen Maschinenbefehl aufnehmen. 

• Das Statusregister enthält eine Reihe von Bits, die im Laufe 

der Bearbeitung von Rechenoperationen der ALU 

(Arithmetic Logical Unit) aus den Operanden und dem 

Rechenergebnis abgeleitet werden. 

• Mit Hilfe der Befehlstabelle (Instruction Table) werden die 

Maschinenbefehle dekodiert. 

• Im Stack Pointer befinden sich z.B. die Return-Adressen 

bei Unterprogramm-Aufrufen.


Arbeitsweise des Prozessors 

1) Übertragung der Adresse aus dem Befehlszählregister an 

den Arbeitsspeicher mittels Adressbus 

2) Übertragung des Befehls aus dem Arbeitsspeicher an das 

Befehlsregister mittels Datenbus, Analyse des Befehls und 

Auslösung der Ausführung bei Gültigkeit 

3) Ausführung des Befehls (unter möglicher Ladung von 

Daten, Ansteuerung von Schnittstellen, Rechnung in ALU 

oder Durchführung eines Sprungs), Speicherung des 

Status der Operation im Statusregister 

4) falls Sprung Befehlszählregister auf neue Adresse setzen, 

sonst Erhöhung um 1 

5) Beginn bei 1)


Bemerkung: 

Arbeitsweise des Prozessors 

1) An dieser Stelle müssen die Hardware-Interrupts 

berücksichtigt werden: Anfragen der Hardware an den 

Prozessor finden asynchron statt. Deshalb fragt der 

Prozessor regelmäßig ab, ob eines der angeschlossenen 

Geräte auf Antwort wartet. Ist dies der Fall, so kann der 

Prozessor den laufenden Prozess unterbrechen und die 

Hardware-Kommunikation durchführen. Danach führt er 

den unterbrochenen Prozess an der entsprechenden 

Stelle wieder fort. 

2) In den letzten Ausführungen wurde immer der 

Arbeitsspeicher bzw. RAM benutzt. Anstelle von RAM kann 

auch ROM stehen, da z.B. beim Start des Rechners der 

Prozessor aus einem ROM Befehle und Daten bezieht.


Cache und Arbeitsspeicher 

Zur Verringerung der Transportzeiten für die Daten zwischen 

Prozessor und Arbeitsspeicher werden sogenannte 

Cache-Speicher verwendet. Diese Speicher sind kleiner und 

schneller als der Arbeitsspeicher. Man unterscheidet 

mittlerweile die folgenden Arten von Speicher bzw. 

Speicherverwaltung: 

• Level-1-Cache 

• direkt im Prozessorkern 

• gleiche Taktrate wie der Prozessor 

• sehr klein (16 bis 128 kbyte) 

• Level-2-Cache 

• entweder im Prozessor (aber nicht im Kern) oder auf dem 

Mainboard 

• schneller als RAM aber langsamer als Level-1 

• 512 bis 1024 kbyte


Cache und Arbeitsspeicher 

• Arbeitsspeicher 

• Swapping und Paging 

Auslagerung von Programmteilen auf die Festplatte bei 

nicht ausreichendem RAM


Der Arbeitsspeicher 

RAM = Random Access Memory 

• Speicher mit wahlfreiem Zugriff 

• flüchtiger Speicher 

• kann gelesen und beschrieben werden 

• Adressierung in Bytes 

• Unterscheidung in 

• DRAM = Dynamic RAM: langsam, kostengünstig 

• SRAM = Static RAM: schneller, teurer 

• übliche Bauarten: 

• SD-RAM = Synchronous Dynamic RAM 

• DDR-RAM 

• Spezialisierungen


ROM = Read Only Memory 

• nicht flüchtiger Speicher 

ROM 

• feste Speicherung von Programmen und Daten 

• Verwendung beim Start des Rechners durch Speicherung 

des BIOS 

• übliche Bauarten: 

• ROM: fest verdrahtet, nicht veränderbar 

• PROM = Prgrammable ROM: einmalige Programmierung 

mit speziellem PROM-Brenner 

• EPROM = Erasable PROM: Beschreibung mit speziellem 

EPROM-Brenner und erneute Löschung und 

Wiederbeschreibung möglich 

• Flash-EPROM: einfache Bearbeitung mit spezieller 

Software


Das BIOS 

BIOS = Basic Input Output System 

• Chip auf dem Mainboard 

• ROM 

• enthält Firmware: fest eingebrannte (im Sinne des ROM) 

Software, die die grundlegende Steuerlogik für das 

Hochfahren des Rechners beinhaltet 

• im BIOS-ROM Programm in Maschinensprache, das der 

Prozessor automatisch beim Einschalten ausführt 

• grundlegende Aufgaben: 

• POST = Power-On Self Test 

• einfache Kommunikation mit der Hardware: BIOS-Setup zur 

Konfiguration der Hardware (Drücken von F1 oder Entf) 

• Übergabe der Kontrolle an einen Datenträger, von dem das 

System gestartet werden soll (Ausführung des Programms 

im MasterBoot-Record mit Bootloader oder Bootmanager)


Datenübertragung 

Die Komponenten der Zentraleinheit müssen mit den 

Peripheriegeräten und auch untereinander kommunizieren. 

Dies geschieht über die Schnittstellen und verschiedene 

Busse. Die Daten werden durch die Busse mittels elektrischem 

Strom transportiert, indem einzelne Impulse durch einen 

periodischen Taktgeber erzeugt werden. Der Taktgeber ist ein 

durch elektrischen Strom in Schwingung versetzter Quarz, der 

sich auf dem Mainboard befindet. 

Den Takt misst man in Megahertz (MHz)=1 Mio. Takte je 

Sekunde. 

Diese Taktfrequenz wird auch genutzt, um die Taktfrequenz des 

Prozessors festzulegen, häufig ein Vielfaches der Frequenz 

des Mainboards.


Bussystem und Schnittstellen


Das Bussystem 

Aus der vorigen Grafik ist ersichtlich, dass drei verschiedene 

Busse unterschieden werden: 

• Datenbus 

• bidirektionale Datenübertragung zwischen den 

Komponenten 

• optimale Leistung bei einer Breite, die der Größe der 

Arbeitsregister des Rechenwerks entspricht 

• typische Breiten: 8, 16, 32, 64 Leitungen 

• Adressbus 

• unidirektionale Übertragung von Adressen zum Speicher 

bzw. zu den E/A-Geräten 

• eine Übertragung führt zum Lesen oder Schreiben eines 

Datums über den Datenbus von oder zu dieser Adresse 

• Breite des Befehlszählregister stimmt mit Adressbusbreite 

überein ⇒ Festlegung des maximal adressierbaren 

Arbeitsspeichers (maximale Größe von Programmen mit 

Daten)


Das Bussystem 

• 

• typische Breiten: 8, 16, 20, 32, 64 Leitungen entsprechen 

256 Byte, 64 KB, 1 MB, 4 GB, etwa 16 Mio GB 

• Steuerbus 

• Koordination der Zugriffe auf Daten- und Adressbus 

• Aufbau und Funktionen abhängig von Prozessor und 

Mainboard 

• typische Breiten: 5 bis 10 Leitungen


Schnittstellen 

Insbesondere für PCs existieren die folgenden Schnittstellen für 

ergänzende Steckkarten: 

• PCI = Peripheral Component Interface 

Standardkarten- Anschluss mit einer Taktfrequenz von 33 

MHz und einer Datenbreite von 32 Bit 

• AGP = Accelerated Graphics Port 

spezieller Anschluss für Grafikkarten mit mind. 66 MHz 

Taktfrequenz und 64 Bit Datenbreite 

• PCMCIA = Personal Computer Memory Card International 

Association 

spezieller Anschluss insbesondere bei Notebooks für 

kleine Einsteckkarten



Für die verschiedenen Laufwerke wie Festpaltten-, Disketten-, 

CD-ROM- oder DVD-Laufwerke existieren zwei wichtige Arten 

von Schnittstellen: 

• EIDE = Enhanced Integrated Device Electronics 

• auf den meisten Mainboards integriert 

• 40-polige Flachbandkabel 

• Verbindung von Master und Slave 

• günstig 

• neuerdings immer häufiger ersetzt durch Serial ATA = 

SATA-Anschluss (kompatibel aber nicht baugleich) 

• SCSI = Small Computer System Interface 

• Anschluss von 7 Geräten erlaubt (Wide-SCSI 15 Geräte) 

• SCSI-Controller verwaltet 3 Anschlüsse: 2 interne für 

50-polige Flachbandkabel sowie einen externen (aber nur 

Verwendung zweier Anschlüsse) 

• Anschluss nur in Reihe 

• jedes Gerät mit eindeutiger ID, Festlegung der Priorität



Weitere Schnittstellen, die das Hot-Plugging unterstützen: 

• USB = Universal Serial Bus 

• FireWire = IEEE-1394 

und drahtlose Schnittstellen: 

• Infrarot-Anschlüsse 

• Funk-Anschlüsse (Bluetooth)


Festplatten 

Festplatte = HDD = Hard Disk Drive 

• Ein- und Ausgabegerät 

• Laufwerk und Datenträger als feste Einheit 

• rotierende Magnetplatten auf gemeinsamer Achse 

• übereinander angeordnete Schreib- und Leseköpfe 

• Unterteilung in Spuren und Sektoren 

• untereinander liegende Spuren bilden einen Zylinder mit 

eigener Adresse 

• Größen: 80 bis mehrere hundert GB


Monitore und Grafikkarten 

Grafikkarte und Monitor sollten immer aufeinander abgestimmt 

sein. Standards für die Darstellung grafischer 

Benutzeroberflächen sind: 

• VGA = Video Graphics Array 

Unterstützung von 640 x 480 Pixeln und je nach 

Speicherbestückung 256 oder mehr Farben 

• SVGA = Super VGA 

800 x 600 Auflösung und mit 1 MB Speicher 32768, 65536 

oder sogar 16,7 Mio Farben 

Beachte! 

Höhere Auflösung muss nicht besser, sondern auf 

Monitorgröße abgestimmt sein! 

Bei den Monitoren unterscheidet man hauptsächlich: 

• Röhrenmonitore 

• LCD-Bildschirme (LCD = Liquid Cristall Display) 

in verschiedenen Größen: 15, 17, 19 oder 21 “

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