Grundlagen der IT at Duale Hochschule Baden-Württemberg

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Was sind Logikbausteine?

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Was sind Chipsätze? 

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EPROM (Eraseable PROM) 

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FlashROM

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Busfunktion

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Merkmale von Bussen

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Ursachen für Interrupts 

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Peripherie-Busse 

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Cache Speicher 

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Bussysteme 

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Ein-/Ausgabesteuerung (E/A System) (I/O System) 

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PROM (Programmable ROM)

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Grundlagen der IT

Was sind Logikbausteine?

• Bei digitaler Schaltung gibt es nur 2 logische Werte, 0 und 1
• TTL-Technik (bei positiver Logik)
−Binärziffer 0 durch Spannung 0…0,4V dargestellt
-1 durch Spannung 2,4…5,0V

−Spannungen außerhalb sind nicht zulässig
-Bausteine, die mit Hilfe dieser zweiwertigen Signalen Funktionen berechnen können,
sind Gatter (Gates) = Hardwaregrundlage für Computer
• TTL und ECL benutzt, wenn sehr hohe Geschwindigkeit gefordert wird
• MOS-Gates sind langsamer, erfordern aber weniger Strom und Platz
• MOS-Transistor = Funktion als elektronischer Schalter

BiCMOS vereint Vorzüge der unipolaren und bipolaren Transistoren (Aber nicht für CPU’s und
RAM geeignet)
• Die meisten modernen CPU’s und Speicher basieren auf CMOS-Technologie (mit +3,3V)

Grundlagen der IT

Was sind Chipsätze? 

• Bindeglied zwischen den einzelnen Komponenten eines Computersystems
• Großer Einfluss auf gesamte Rechnerleistung
• Steuert Zusammenspiel und Datenfluss zwischen Prozessor, Arbeitsspeicher, Bussystem
sowie Schnittstellen zur Außenwelt
• Bestimmt Geschwindigkeit des Systembusses, regelt Datenverkehr auf diesem Bus

Grundlagen der IT

EPROM (Eraseable PROM) 

• Löschbare Festwertspeicher (benötigt für Geräte, in denen immer dasselbe Programm
abläuft)
• Muss in größeren Abständen geändert/verbessert werden
• FAMOS-Transistor (floating gate avalanche MOS)

-Besitzt 2 Gates
▪ Gate = Funktion eines normalen FET-Gates
▪ Gate = Floating Gate; ist isoliert in SIO2 eingebettet

−Wird ausreichend hohe Spannung (ca. 24V) angelegt, entsteht eine hohe Feldstärke
nahe dem Drain-Bereich

−Generierung freier, heißer Elektronen (Avalanche-Effekt)

-Bei gleichzeitigem Anlegen einer auseichend hohen Spannung Ugs
durch das Gateoxid hindurch auf das Floating Gate gezogen

-Nach Abschalten der Spannungen verbleiben die Elektronen aufgrund der Isolierung
am Floating Gate

-Schwellenspannung des Transistors steigt um einige Volt an

-Speicherzeit der erzeugten Ladung mit mindestens einigen 10 Jahren ausreichend
hoch, um EPROM als Festwertspeicher zu betrachten

-Programmierung des ganzen Speichers kann durch UV-Licht gelöscht werden

-Löschen einzelner Zellen nicht möglich, nur ganze Bausteine können gelöscht werden

-Aus technologischen Gründen sind nur einige 100 Löschungen möglich

Grundlagen der IT

FlashROM

• Wie EEPROM, nur das Daten nicht Bit- oder Byte- sondern Blockweise gelesen und
geschrieben werden
• Erhöhung der Schreib-/Lesegeschwindigkeit
• Flash-Speicher findet Anwendung, wo Informationen nichtflüchtig auf kleinstem Raum und
ohne permanente Versorgungsspannung gespeichert werden müssen
• Z.B. Speicherkarten für Digitalkameras, mobile Geräte (Smartphones); Weiterentwicklung der
Technik ist Grundlage für USB Speicher oder SSD’s (Solid State Disk)

Grundlagen der IT

Busfunktion

• Busse transferieren Daten
• Dazu werden Transaktionen abgewickelt, die aus mehreren Zyklen bestehen
• Bustransaktionen sind unteilbare Abläufe
• Phasen: Busarbitrierung, Adressen- und Datenübertragung (Datentransfer), Busfreigabe
• Arbitrierung:




Erwerb des Rechts auf Bus zuzugreifen (→ Busmaster)
Gibt es nur einen Master am Bus, entfällt die Phase
Buszuteilung fällt für jede Transaktion an → sollte schnell, flexibel, kostengünstig sein
Zahlreiche Varianten: zentrale oder dezentrale, prioritätengesteuert oder fair
• Datentransfer:


Wird von Master angestoßen und gesteuert
Bestehen aus Adress- und eigentlicher Datenübertragung
− Wichtigsten Datentransportfunktionen: Lesen/Schreiben eines Datenwortes

• Vermittlung von Unterbrechungen (Interrupts):




Werden von Bus an Prozessor weitergeleitet
Eigene Signalleitungen
Keine Arbitrierung und kein Übertragungsprotokoll nötig
Leitungen werden gespart, indem Interrupt und dessen Informationen als Nachricht
hoher Priorität in bestimmten Adressbereich übertragen werden

Grundlagen der IT

Merkmale von Bussen

• Busbreite, vor allem der Daten- und Adressbusse
−Serielle und parallele Busse:
▪ Serielle Busse dienen zum Anschluss langsamer peripherer Geräte und/oder
zur Überbrückung größerer Entfernung
▪ Parallele Busse verfügen über mehrere Adressen- und Datenleitungen; 16, 32
oder bis zu 64 Adressen- und 8 bis 64 Datenleitungen (bei
Multiprozessorbussen bis zu 256)

• Betrieb von Adressen- und Datenleitungen


Entweder spezielle Leitungen für jeweiligen Zweck zur Verfügung
Oder für die Adressen und Daten werden im Zeitmultiplex Betrieb dieselben Leitungen
genutzt




Synchrone Busse arbeiten unter zentralen Taktrate, die sämtliche Transaktionen
steuert
Vorteil: Abläufe auf dem Bus sind einfach, können durch hohe Taktfrequenzen
beschleunigt werden
Nachteil: alle Bus-Teilnehmer müssen an vorgegebene Busgeschwindigkeit
angepasst sein; Bus kann wegen Taktsignallaufzeiten und –verzerrungen nur kurz
sein




Prozessor- und Speicherbusse arbeiten üblicherweise synchron
Bei asynchronen Busse geschieht Steuerung der Bustransaktionen über Austausch
von speziellen Signalen zwischen beteiligten Teilnehmern (Handshaking)
Vorteil: Geräte unterschiedlicher Geschwindigkeit könne zusammenarbeiten
Nachteil: Transaktionen sind komplex

Grundlagen der IT

Ursachen für Interrupts 

• Hardware-Ursachen: Stromausfall, technische Fehler
• E/A bedingte Ursachen: Meldung eines Interface z.B. Datenregister voll/gelehrt
• Externe Ursachen: Eingriffe einer Bedienperson, Übertragungswunsch einer Datenleitung
• Interne Ursachen: Division durch illegale Operationscodes, illegale Speicheradressen
• Programmierter Interrupt: Sprung ins Betriebssystem (Umschalten in Systemmodus)

Grundlagen der IT

Peripherie-Busse 

• Datenübertragung zwischen CPU-Bus und Peripheriegeräten
• ISA-Bus (Industrie Standard Bus): Geringe Druchsatzrate → schon lange nicht mehr geeignet
• Ersetzt durch PCI (Peripheral Component Interconnect), von Intel entwickelt



Prozessorabhängiges Bussystem
Nicht direkt am CPU-Bus orientiert
Verbindung zum Prozessor durch CPU-PCI-Bridge
− Daten- und Adressbus liegen auf den gleichen physikalischen Leitungen → werden
gemultiplext

Zuerst in einem Zyklus Adressbits, dann einen Zyklus lang Datenbits angelegt →
Normaler Transfer braucht 2 Taktzyklen

Grundlagen der IT

Cache Speicher 

• Schneller Pufferspeicher (Depot, Versteck) der zwischen unterschiedlichen Komponenten
eines Computersystems angesiedelt ist
• Programmteile und Daten werden dort als Kopie abgelegt und für Komponenten schnell
zugänglich gemacht
• Hit: Treffer; Informationen liegen im Cache vor
• Miss: Fehlzugriff; Informationen müssen erst aus entsprechendem Speicher geladen werden
(Höherer Zeitaufwand)
• Primär-Cache (first level cache):





Getrennt in 2 Caches; zum Speichern von Befehlen und zum Ausführen der Daten
(Split Cache)
Im Prozessor-Chip integriert
Extrem schnell, aber sehr teuer
Kapazität auf einige Dutzend KB beschränkt
Typischerweise auf Busbreite des Systems ausgerichtet
• Sekundärer Cache (second level cache):




Außerhalb des Prozessors mit SRAM Bausteinen realisiert
Keine enge Kapazitätsbeschränkung → kann einige MB groß sein
Bedingt durch SRAM Geschwindigkeiten dauert Zugriff einige Dutzend Takte
Daten und Befehle meist gemeinsam gespeichert (unified cache)
• Sonstiger Cache:


Eingesetzt bei Festplatten, intern in Speicherbausteinen, auf Grafikkarten etc.
Verschiedene Strategien, um den Cache mit Daten zu ver-/ entsorgen
▪ Aktualisierungsstrategie: write back, write through, copy back (Daten werden
zurückgeschrieben)
▪ Ersetzungsstrategie: Festlegung, welche Informationen im Cache
überschrieben werden (wie LRU (last recently used) oder ran

Grundlagen der IT

Bussysteme 

• Übertragungseinrichtungen (Kommunikation von Rechnern)
• Verschiedene Ebenen:
1. Innerhalb des Prozessors (Verbindungen zwischen den Registern, Rechenwerk,
Steuerwerk, first level cache)
2. Innerhalb der Zentraleinheit (Verbindungen zwischen Prozessoren, Arbeitsspeicher,
Cache, Ein- und Ausgabeschnittstellen)
3. Zwischen Zentraleinheit und der in unmittelbarer Nähe installierten Peripherie
4. Zwischen Rechnern und Peripherie im lokalen Bereich (Netzwerk) bis hin zum
Fernbereich (globale Vernetzung)
• Jede Ebene entsprechende Anforderungen an Bussystem
• Jeder Teilnehmer kann senden und empfangen, jedoch ist zu jedem Zeitpunkt nur genau eine
Verbindung zwischen 2 Komponenten zulässig
• Zustand des Busses muss stets kontrolliert und bekannt sein, damit Kommunikation geregelt
werden kann und Kollisionen vermieden werden
• Zahl der anschließbaren Teilnehmer wird durch Zahl der verfügbaren Adressen, der
Leitungslänge, dem Übertragungsvolumen und andere begrenzt
• Technisch gesehen, ist ein Bus ein Bündel aus funktional zusammengehörigen
Signalleitungen, das Komponenten eines Digitalsystems verbindet
• Nachteil: gleichzeitige Kommunikation von max. 2 Teilnehmern; Rest muss warten
• Bus wird zu knapper Ressource → Potentieller Engpass
• Vorteile: Geringer Hardwareaufwand; Flexibilität bei Systemerweiterungen (?)
• Bus wird nach Art der übertragenen Information in 3 Gruppen von Leitungen aufgeteilt:
Daten-, Adress- und Steuerbus
→ Versorgungsbus (mit Strom- und Taktversorgung) wird hierbei nicht beachtet

Grundlagen der IT

Ein-/Ausgabesteuerung (E/A System) (I/O System) 

• Verbindet Zentraleinheit mit Peripherie
• Zentralprozessor wird von Steuerung entlastet, um möglichst hohe Leistung zu erbringen
• Steuerung kann auf mehrere Arten erfolgen


Polling: Abfrage eines Ereignisses in allen Programmen eingebaut; wird Ereignis
erkannt, wird entsprechendes Unterprogramm aufgerufen
▪ Nachteil: Ständige Abfragen belasten Bussysteme; keine Garantie, dass auf
Ereignis rechtzeitig reagiert wird
• BIOS (Basic Input Output System)


Stellt hardwarenahe Routinen zur Verfügung um grundlegende Funktionen des
Motherboards einzustellen (Parameter des verwendeten Chipsatzes)
Diagnose der Hardware beim Einschalten, Initialisieren des Systems, Einleiten des
Bootvorgangs
E/A Register: Übernehmen Befehle und Parameter an die Peripherie; Abfragen des
Status

Grundlagen der IT

PROM (Programmable ROM)

• Speicherbaustein, der einmalig programmiert werden kann
• Jede Bit-Zelle besteht aus Diode und einer Schwachstelle (wie bei Draht-Sicherung)
• Schwachstelle kann vom Anwender durch ein Programmier-Gerät mit Stromstoß zerstört
werden („brennen“)
• Der daraus erfolgte Zustand des Bausteins bleibt für immer bestehen

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