So arbeitet ein PC unter der Haube

Über die Arbeitsweise von Digitalcomputern kann man Bücher schreiben und Bücher lesen. Für jeden Anspruch – ob für Historiker, Informatiker und Programmierer oder für Elektrotechniker bis hin zu den Grundlagen der Halbleitertechnik. Das werden Sie an dieser Stelle aber weder erwarten noch befürchten: Hier geht es mit CPU, Speicher, Bios und Mainboard um Bauteile und Zusammenhänge, die jedem ambitionierten PC-Nutzer früher oder später in der Praxis begegnen.

CPU, Speicher und Peripheriegeräte

Der Computer im engeren Sinne besteht lediglich aus zwei fundamentalen Komponenten – dem Prozessor (CPU = Central Processing Unit, Zentraleinheit) und dem Arbeitsspeicher (RAM, Random Access Memory).

Der Prozessor: Alles, was am PC geschieht, muss über die CPU in den Speicher und kann dort von der CPU gelesen, geändert und bearbeitet werden. Das ist stark vereinfacht – denn dabei lassen wir die gesonderte GPU (Graphics Processing Unit) zur Bildschirmausgabe ebenso außen vor wie DMA (Direct Memory Access), also den direkten Speicherzugriff ohne Vermittlung durch die CPU. Um die CPU mit AUfgaben zu füttern, sind exakte Anweisungen erfolderlich – Software im weitesten Sinne. Der Befehlssatz eines Prozessors, also die Maschinensprache, ist trotz jüngerer Befehlssatzerweiterungen (MMX, SSE) überschaubar zumal von den 200 bis 300 Befehlen nur etwa 20 intensiv genutzt werden: Da werden beispielsweise Inhalte von einer Speicheradresse in eine andere verschoben, Zahlen addiert, dividiert oder verglichen oder Variablen via Interrupt- Aufruf auf Festplatte geschrieben. Die der Maschinensprache nahe Assembler-Sprache ist trotz des geringen Befehlsumfangs schwer zugänglich und benötigt für winzige Aktionen schnell Hunderte von Codezeilen. Sie findet praktisch lediglich dort Verwendung, wo Gerätehersteller für spezialisierte Prozessoren mit optimiertem Code jede unnötige Last vermeiden müssen. Software für den PC entsteht nahezu immer unter viel zugänglicheren Hochsprachen wie C oder Java, deren Compiler den Code am Ende in Maschinensprache umwandelt. Diese Compiler erzielen zwar nicht die Qualität eines Assembler-Codes, arbeiten aber ebenfalls hocheffizient. Selbst das Basissystem des PCs, das Bios (Basic Input Output System), muss seit der Umstellung auf EFI (Extensible Firmware Interface) nicht mehr in Assembler geschrieben werden.

Hardware-Check: Tempo und Lebensdauer prüfen Der Arbeitsspeicher: Wie viel RAM eine CPU direkt, also ohne spezielle Erweiterungstechniken, nutzen kann, hängt von der Architektur ab: 32-Bit-CPUs adressieren theoretisch bis zu vier GB RAM: 2 hoch 32 ergibt 4.294.967.296 Bytes. Diese 4-GB-Grenze ist inzwischen ein echtes Limit, weil viele Mainboards in PCs und Notebooks nicht nur mehr Speicher aufnehmen können, sondern oft schon standardmäßig mit 6 und 8 GB ausgeliefert werden. Allerdings sind 64-Bit-Prozessoren seit mehr als zehn Jahren Standard: Sie können theoretisch 2 hoch 64 Bytes adressieren, sind aber aktuell oft auf 35 oder 36 Adressleitungen gedrosselt, was dann ein Speicher-Limit von 32 oder 64 GB bedeutet. Neben den RAM-Limits von CPU und Mainboard muss vor allem auch 64-Bit-System- Software zum Einsatz kommen: Die Speicheradressierung der CPU über 4 GB hinaus setzt 64-Bit-Windows oder -Linux voraus, was aber zunehmend Standard wird.

©Gigabyte

Peripherie, Bussysteme und Interrupt

Ohne Verbindung zur Außenwelt könnte die CPU weder Befehle in Form von Software entgegennehmen, noch Resultate weitergeben. Sämtliche Geräte zur Eingabe von Software oder von Daten sowie zur Ausgabe der Ergebnisse gelten als „Peripherie“: Peripheriegeräte und Bussysteme: Typische und eindeutige Eingabeperipherie sind Geräte wie Tastatur, Maus, Lochkarte oder Mikrofon, während Lautsprecher, Drucker und Monitore zur Datenausgabe dienen. Multifunktionsdrucker und Touchscreens können beide Rollen übernehmen, ebenso Laufwerke oder Netzadapter. Die Übertragung von und zur Peripherie läuft über einen Datenbus, und die wichtigsten Bussysteme im Rechner sind AGP, PCI, PCI-Express für Erweiterungskarten, IDE, SCSI, (S)ATA für Laufwerke, ferner USB für externe Erweiterungsadapter und Laufwerke sowie Ethernet und WLAN für Netzverbindungen. Die Vielfalt der Bussysteme resultiert aus der Tatsache, dass die CPUs immer schneller werden und die Bussysteme folgen müssen, um das System nicht auszubremsen. Der Datenweg aller Bussysteme führt über den Chipsatz des Mainboards direkt zur CPU oder umgekehrt.

Interrupts: Bislang ist nicht deutlich geworden, wie eine vielbeschäftigte CPU davon erfährt, dass sich da draußen gerade die Maus bewegt hat oder ein Datenpaket des Netzadapters angekommen ist. Dazu muss es eine Möglichkeit geben, den Prozessor zu unterbrechen und auf das Ereignis aufmerksam zu machen. Dies geschieht durch definierte Unterbrechungsleitungen mit einem Interrupt Request (IRQ). Da es viele Peripheriegeräte gibt, die IRQs senden, die CPU selbst allerdings nur einen Eingang dafür hat, ist – zumeist im Chipsatz des Mainboards – der PIC oder APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller) zwischengeschaltet. Der bietet immerhin 16 Interrupt-Leitungen. Das ist auch nicht viel, und die Interrupt-Verwaltung war lange Zeit ein ernstes Problemfeld, da zwei Geräte auf derselben Interrupt-Leitung beide Geräte ganz oder teilweise außer Gefecht setzen. Nach dem Aussterben technisch „dummer“ ISA-Steckkarten gelingt modernen Betriebssystemen das IRQ-Sharing (das Teilen einer Leitung) mittlerweile ohne Probleme: Interrupt-Konflikte sind Geschichte, Plug & Play funktioniert praktisch reibungslos. Damit das System aus Benutzersicht optimal funktioniert und reagiert, wertet der Interrupt Controller die IRQ nach Priorität: Benutzereingaben per Maus oder Tastatur erhalten höhere Priorität als Festplatten- und Netz werkanfragen. Nur bei extremer Überlastung folgt der Mauszeiger der Bewegung des Zeigegeräts nicht mehr.

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Mainboard und Basiskomponenten

Mainboards, Motherboards oder – zu Deutsch: Hauptplatinen – bilden das unübersehbare Zentrum eines PCs, sobald Sie dessen Gehäuse öffnen. Wichtige Anschlussports des Mainboards sind auch bei geschlossenem Gehäuse überwiegend an der Rückwand, zum Teil auch an der Frontseite zugänglich. Erweiterungskarten wie Grafikkarten oder Sound-Karten, zusätzliche Festplatten oder optische Laufwerke können Sie aber nur bei offenem Gehäuse und direktem Zugriff auf das Mainboard nachrüsten. Unsere große Abbildung zeigt und kennzeichnet die Hauptbauteile eines Mainboards: 1. Der Bios-Chip: Das Basic Input Output System (oder die EFI-Firmware) ist die primäre Software und als kleiner Chip auf dem Mainboard integriert (1). Es initialisiert und konfiguriert dessen Hardware-Komponenten. Damit die Einstellungen Neustarts überdauern und die Systemzeit aktuell bleibt, wird ein kleiner Speicherbaustein mit einer eigenen Batterie (1a) versorgt. Beim Einschalten prüft das Bios die Mainboard-Hardware sowie die angeschlossenen Peripheriegeräte und kann im Anschluss daran über den Boot-Sektor des primären Laufwerks den Start des eigentlichen Betriebssystems initiieren. 2. CPU-Sockel (mit CPU und Lüfter): Die CPU ist auf dem sogenannten Sockel (2) mithilfe eines einrastbaren Metallbügels fixiert. Von den vergleichsweise kleinen Bauteilen Sockel und CPU ist beim Blick auf ein komplett bestücktes Mainboard in der Regel nichts zu sehen, weil der große CPU-Lüfter sie verdeckt. Beim Austausch der CPU müssen Sie diese unbedingt passend zum Mainboard-Sockel wählen: Aktuelle Sockel für Intel-CPUs haben Bezeichnungen wie 1155 oder 1366, für AMDCPUs AM3 oder AM3+. 3. Speicherbänke: Die zwei, oft vier, seltener sechs Slots für RAM-Module (3) können nur die von der Slot-Bauweise und vom Chipsatz vorgegebenen RAM-Riegel aufnehmen. Die Speicherriegel, heute meist DDR, DDR2 und DDR3 (DDR=Double Data Rate), haben je nach Typ eine Kerbe an unterschiedlicher Stelle, sodass der Einbau falscher Module physisch ausgeschlossen ist. Trotzdem sollten Sie beim Nachkauf von RAM darauf achten, dass die Module dieselbe Taktrate haben, wie sie der Chipsatz vorsieht: Langsamere Module stellen zwar kein ernstes Problem dar, sie arbeiten aber langsamer als das Motherboard technisch könnte. Die Taktrate des Motherboards ist am einfachsten im Bios-Setup zu ermitteln, umständlicher auch im Handbuch des Motherboards. 4. Erweiterungssteckplätze: Trotz der umfassenden Ausstattung aktueller Mainboards mit allen wichtigen Komponenten, sind Hauptplatinen offen für Aufrüstmaßnahmen. Typischerweise befinden sich auf dem Board mehrere PCI-Slots (4) und an erster Stelle sowie zur Mitte versetzt ein PCI-Express-Slot (4a) für die Grafikkarte. Bei neuesten Mainboards überwiegen zahlenmäßig bereits die längeren PCI-Express-Slots. Auf älteren Boards gibt es neben den PCI-Slots an erster Stelle und zur Mitte versetzt den AGP-Slot für die Grafikkarte. AGP (Accelerated Graphics Port) bot um die Jahrtausendwende einige Jahre lang eine Zwischenlösung mit dem Ziel, damals teureres RAM für die Grafikkarte einzusparen, indem AGP notfalls den Arbeitsspeicher des PCs nutzen konnte. Sehr alte Boards besitzen am unteren Ende nach den PCI-Steckplätzen noch die auffällig langen ISA-Steckplätze. Diese sind längst im Aussterben begriffen. Das Aussterben von ISA und AGP macht so manche hochwertige Erweiterungskarte zu Sondermüll, weil neuere Mainboards dafür keine Verwendung mehr haben. Umgekehrt passen in alte Mainboards keine modernen Komponenten. Lediglich der PCI-Bus (Peripheral Component Interconnect) hat mittlerweile fast zwei Jahrzehnte überdauert und wird nur dort, wo maximaler Durchsatz gewünscht ist (Grafikkarte), durch die Weiterentwicklung PCI-Express (PCIe) ersetzt. 5. Chipsatz mit Northbridge und Southbridge : Der Chipsatz des Mainboards besteht traditionell aus zwei Chips – der Northbridge und der Southbridge (5). Die Northbridge befindet sich in unmittelbarer Nähe der CPU, die South bridge nahe bei den Erweiterungssteckplätzen. Der Chipsatz übernimmt den Datenverkehr zwischen den Peripheriegeräten und der CPU, definiert wichtige Board-Eigenschaften wie CPU-Cache oder RAM-Obergrenze und bietet Onboard-Komponenten wie etwa Ethernet und Sound. Auf manchen neueren Boards besteht der „Chipsatz“ nur noch aus einem Chip, der Southbridge. Die Funktionen der Northbridge übernimmt dort direkt eine entsprechend ausgestattete CPU. In der nebenstehenden Mainboard-Abbildung fehlt die Northbridge, die ihren Platz zwischen CPUSockel (2) und PCI-Slots (4a) hätte. 6. SATA-Anschlüsse: SATA (Serial Advanced Technology Attachment) ist der aktuelle Übertragungsstandard zwischen Laufwerken und dem Prozessor. Hier (6) schließen Sie Festplatten, SSDs und optische Laufwerke an. Standard ist mittlerweile die dritte SATA-Version, die theoretisch 600 MB/s übertragen kann. Die breiten 40-Pin-Slots für ältere IDE/PATA-Festplatten (6a) sind auf neueren Boards oft nicht mehr vorhanden, Slots für Diskettenlaufwerke fehlen inzwischen auf allen Boards.

7. Anschlüsse für Peripherie: Gute PC-Mainboards sparen nicht mit Anschlüssen, die auf der Gehäuserückseite des Rechners zugänglich sind (7). Je nach Gehäuse finden sich auch auf der Frontseite Anschlüsse für USB, SDKarte und Kopfhörer. Die zusätzliche Abbildung der rückwärtigen Peripherieports zeigt ein Mainboard mit folgenden Anschlüssen von links nach rechts: PS/2-Port (für Maus oder Tastatur), darunter 2x USB 2.0, S/PDIF koaxial, darunter S/PDIF optisch (Audio-Schnittstellen), Bluetooth, 2x USB 2.0, eSATA, 2x USB 2.0, Ethernet-LAN, darunter 2x USB 2.0, Ethernet-LAN, darunter 2x USB 3.0, sechs Audio-Klinkenanschlüsse für das 7.1-Surround-System. 8. Mainboard-Stromstecker: Der 20- beziehungsweise 24-polige ATX-Stromanschluss (8) versorgt das Mainboard mit Strom. Der hier – zu passende Stecker kommt vom ATX-Netzteil. 9. CPU-Stromstecker: Die CPU hat ihre eigene Stromversorgung. Der 8-polige, eventuell auch quadratisch-4-polige Stromanschluss für die CPU (9) befindet sich in der Nähe der CPU. Der passende Stecker kommt vom ATX-Netzteil.

10. Lüfteranschlüsse: Für CPU- und Gehäuselüfter gibt es meistens 3- oder 4-polige Anschlüsse. Einmal angeschlossen, können Sie den Lüfter über das Bios oder sogar über das Betriebssystem regulieren. Die Stecker der jeweiligen Lüfter gehören in die mit „xxx_FAN“ gekennzeichneten Anschlüsse. Dabei sollte der CPU-Lüfter aufgrund seiner Steuerungsoptionen unbedingt an den vorgesehenen Anschluss „CPU_FAN“ (10). Bei Lüftern ohne Steuerungsmöglichkeit spielt es allerdings keine Rolle, an welchem „xxx_FAN“-Anschluss sie hängen (SYS_FAN, PWR_FAN). 11. Frontpanel: Das Frontpanel (11) ist für die LEDs und den Power-Knopf an der Gehäusefront zuständig. Dazu müssen kleine, 2-polige Stecker des PC-Gehäuses in die passenden Pins gesteckt sein. Die Pin-Belegung am Mainboard ist häufig nicht ausreichend beschriftet, sodass nur der Blick ins Mainboard-Handbuch hilft. 12. Interne USB-Anschlüsse: USB-Ports im Mainboard (12) ermöglichen den Anschluss von USB-Geräten an der Gehäusefront – soweit das PC-Gehäuse solches vorsieht. In diesem Fall muss der passende Stecker des Gehäuses mit dem internen Anschluss verbunden werden.

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Mainboard und Onboard-Peripherie

Wenn man von den im letzten Punkt genannten Standardbauteilen einmal absieht, besitzen heutige Mainboards eine ganze Reihe von integrierten Peripheriekomponenten, sodass Sie zusätzliche Steckkarten nur noch bei besonderen Qualitätsansprüchen benötigen: Onboard-GPU: Ein Grafikchip ist häufig im Chipsatz des Mainboards integriert (Northbridge). Diese GPUs (Graphics Processing Unit) sind völlig ausreichend, wenn es um Büroanwendungen und die mittlerweile üblichen visuellen Effekte des Betriebssystems sowie der Software geht. Anwender, die 3D-Spiele nutzen, brauchen dagegen in jedem Fall eine eigenständige und leistungs starke Grafikkarte. Onboard-Ethernet: Fast Ethernet (100 MBit), inzwischen meist Gigabit-Ethernet (1000 MBit) gehört mittlerweile auf sämtlichen Mainboards zum Standard (13) und ist teilweise auch Bestandteil des Chipsatzes (Southbridge). Eine eigenständige PCI-Netzwerkkarte ist aus diesem Grund zumeist nicht mehr erforderlich, manchmal allerdings zu empfehlen, weil hier bei preisgünstigen Mainboards häufig mangelhafte Qualität verbaut ist. Mainboards mit einem integrierten WLAN-Chip finden sich selten. Notebooks, die standardmäßig mit einem WLAN-Funknetz ausgestattet sind, realisieren das normalerweise mithilfe einer Erweiterungskarte auf dem Mini-PCI-Steckplatz. Onboard-Sound: Ebenfalls längst Standard (14) und teilweise auch im Chipsatz des Mainboards (Southbridge) integriert, ist dagegen ein Sound-Chip. Die zumeist befriedigende bis gute Qualität dieser Chips wird oft nur durch minderwertige Ausgabe-Hardware (beispielsweise bei den Lautsprechern) geschmälert. Dedizierte Sound-Karten brauchen lediglich noch Enthusiasten, die beabsichtigen, Musik nicht nur in optimaler Qualität wiederzugeben, sondern sie auch bearbeiten wollen.

Das Mainboard ist (fast) der Rechner

Das Mainboard ist die maßgebliche Komponente eines Rechners, wie Sie anhand der folgenden Minimalausstattung ermessen können: Ein Rechner mit Mainboard ist nämlich theoretisch lauffähig, sobald ein PC-Netzteil (meist ATX-Format) angeschlossen ist, das die Stromversorgung gewährleistet, und der CPUSockel mit einem Prozessor bestückt ist sowie mindestens ein Speichermodul in einem der RAM-Steckplätze steckt. Damit kann immerhin das Bios oder die EFI-Firmware des Mainboards starten und dieses erlaubt dann per Boot-Menü die Auswahl eines bootfähigen externen Datenträgers mit einem Betriebssystem. Sie sehen aber schon: Um etwas auszuwählen, ist mindestens ein angeschlossenes Eingabegerät wie eine Tastatur unerlässlich, ferner ein Monitor, um das gestartete System anschließend auch nutzen zu können. Außerdem setzt unsere Minimalkonfiguration voraus, dass das Mainboard einen Onboard-Grafikchip besitzt. Im realen Betriebsalltag befindet sich im PC mindestens ein Festspeicher in Form einer Festplatte oder SSD mit einem Betriebssystem, das nach dem Bios automatisch startet.

Verhältnis von Hardware und Software

Hardware wird immer kleiner, leiser und ausgereifter, und für den PC-Nutzer sind zunehmend funktionsreiche Betriebssystem-Software und Anwendungsprogramme wichtig. Auftretende Probleme liegen überwiegend auf der dominanten Software-Ebene. Das kann Anwender zu dem Irrtum verleiten, alle Probleme auf Software-Ebene beheben zu wollen. Defekte Hardware ist jedoch durch Software nicht zu reparieren – einige Beispiele dazu: • Wenn Sie Systemabstürze und Bluescreens beobachten, sollten Sie CPU- und Gehäuselüfter, ferner die RAM-Bausteine prüfen. • Wenn das Netzwerk ständig stockt oder zusammenbricht, sollten Sie versuchsweise den Ethernet- oder WLAN-Adapter austauschen. • Wenn das Betriebssystem nicht mehr startet, sollten Sie vor einer Neuinstallation zuerst einmal mit einem mobilen Linux-Live-System testen, ob möglicherweise nicht ein generelles Hardware-Problem vorliegt. Deutlich harmloser als defekte Bauteile, im Ergebnis jedoch genauso fatal, sind fehlende oder fehlerhafte Gerätetreiber: Jede angeschlossene Hardware benötigt einen solchen Treiber als Vermittler-Software zum Betriebssystem. Unter Windows kontrollieren Sie im Geräte-Manager recht bequem, ob die angeschlossene Hardware komplett erkannt und ein Gerätetreiber installiert ist. Im Fehlerfall zeigen gelbe Ausrufezeichen oder die Angabe „Unbekanntes Gerät“, dass der Treiber fehlt. Sie können dann Windows suchen lassen oder selbst auf die Webseite des Geräteherstellers gehen. Die Basisausstattung an passenden Treibern finden Sie aber immer auch auf der Begleit-DVD Ihres Mainboards.