Zuletzt aktualisiert am: 08. Dezember 2018
Wer mit der Informatik bzw. technischen Informatik beschäftigt, sollte sich mit den Grundlegenden Begriffen im Hardware Design auskennen. Dazu gehören etwa Von-Neumann Architektur, Harvard-Architektur, RISC, CISC, North Bridge, South Bridge etc.
Rechner Design
Von-Neumann-Architektur
Der Von-Neumann Architektur ist der geläufigste Architektur Modell überhaupt. Die ganzen Personal Computer basieren auf dieser Architektur. Der einschlägige Unterschied zu der Kontrahenten Harvard Architektur ist, dass der Speicher für die Befehle sowie für die Daten nicht getrennt sind. Allerdings, wenn man auf bestimmte Einheiten hinein zoomt, wird man schnell feststellen, dass diese Design-Linie nicht komplett durchgezogen ist.
Abbildung 1: Komponenten eines Von-Neumann-Rechners (Quelle: Wikipedia)
Harvard-Architektur
Die Philosophie der Harvard Architektur ist, dass es für die Daten sowie für die Befehle logisch als auch physikalisch getrennte Speicher zur Verfügung stellt. Einer der Vorteile sind, dass die Daten sowie die Befehle in einem Taktzyklus geladen werden können im Gegensatz zu der Von-Neumann-Architektur wo zwei Taktzyklen notwendig sind. Zu den Hauptnachteilen gehört der komplexere Aufbau (z. B. Verdrahtung der Leitungen) und dadurch verbundener Mehrpreis. Auch bei den heutigen Von-Neumann-Rechnern wird man, wenn man auf bestimmte Einheiten wie die CPU hineinzoomt, feststellen, dass die Harvard-Architektur auch hier Verwendung findet.
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Harvard-Architektur. (Quelle: Wikipedia)
Chip Design
Abbildung 3: Älteres Layout mit separater Northbridge und Southbridge (Quelle: Wikipedia)
North Bridge
Die North Bridge war bis vor ein paar Jahren ein eigenständiger Chip, welches die Kommunikation zwischen CPU, Grafik Schnittelle (AGP, PCI Express) sowie den Speicher koordinierte. Wie der Name bereits suggeriert wurde diese Komponenten in einem ATX-Board im oberen Bereich (Norden) des Mainboards verlötet. Die Funktionen des North Bridge wurde vor über einer halben Dekade in die CPU integriert. Durch das verlagern des North Bridges in die CPU versucht man über Teile des Flaschenhalsproblems Herr zu werden.
South Bridge
Die South Bridge war bis vor noch jüngerer Zeit auch ein eigenständiger Chip, der in den aktuellen Rechnern auch auf die CPU verlagert wurde. Die South Bridge ist für die Kommunikation zwischen den Schnittstellen für die externe Peripherie (z. B. USB, SATA, Serial Port, Parallel Port, etc.), BIOS und der North Bridge und deren Komponenten zuständig.
x86er Design
Die meisten Rechner und Laptops in der heutigen Zeit, auch die von Apple (seit MacOS X 10.4) basieren auf der x86er Designlinie. Der Markt wird von AMD und Intel beherrscht. Die Taktfrequenz sagt wie im letzten Jahrtausend der Fall war, nicht mehr unbedingt über die Schnelligkeit eines Rechners aus. Sie ist nur eines der vielen Kriterien, aber nicht die alleinige. Der Grund liegt in der Parallelisierung also Mehr-Kernprozessoren, Hyper Threading (Intel Bezeichnung/Technolgie, ist teilweise virtuell), Pipelining und als auch bei den Befehlen wie z. B (SSE 1, 2, 3, …, MMX, 3D Now!, etc.). Die hier erwähnten Befehle sind teils von Intel und teils von AMD. Die meisten Befehle sind gegenseitig lizensiert, so dass beide Prozessorhersteller die Technologien und damit verbundenen Patente des anderen in seiner eigenen Prozessorreihe implementieren können.
Mein erster Rechner
Mein erster eigener Rechner Anfang der 90ern (1992 / 1993), das um die 3500 bis 4000 DM gekostet hat, war ein Intel 80486er DX mit 33 MHz. (Dies und vieles anderes haben natürlich meine Eltern finanziert, bis auf meine Hi-Fi-Anlage, die ich mir 1993 zugelegt habe und fast 3 Jahre lang in den Sommerferien dafür arbeiten durfte. Mein Vater hatte kein Verständnis, dass man so viel Geld für eine Hi-Fi-Anlage ausgibt, aber für Musikinstrumente hatte er Verständnis 😉). Werft Euch einen Blick in die Datenblätter und vergleicht dies mit den heutigen Systemen. Da würde sogar ein billig Smartphone aus der aktuellen Zeit (2017), einen großen Verbund von diesen Systemen, falls man dies technisch ermöglicht, locker die Stirn bieten.
Aus SX wird ein DX
Ich glaube noch erinnern zu können, dass man damals aus der preisgünstigen Variante des SX einen DX machen konnte. Ein Lötkolben mit einer feinen Spitze hat ausgereicht, um die künstliche Kastration wieder zu beseitigen. Im Wiki steht der umgekehrter Fall beschrieben, aber es war (auch) anders herum. Es ist rein produktionstechnisch aufwändig, für jeden Prozessortyp eine eigene Fertigung in die Wege zu leiten. Dies ist bis heute so, nicht nur bei Prozessoren, sondern bei Autos etc. Deshalb gibt es bei Autos z. B. gemeinsame Plattformen, wobei jedes Auto heutzutage bereits schon fast individuell ist. Dies war der Grund, warum AMD zu Beginn dieses Jahrhunderts begann, ihre Prozessoren anders zu benennen z. B. den AMD Athlon XP 1500+, obwohl er mit 1,333 GHz getaktet wurde und nicht wie der Prozessorname es suggeriert mit 1,5 GHz getaktet zu sein.
32-Bit & 64-Bit Systeme
Die Angabe der Bit-Anzahl bezieht sich auf die Datenwortbreite des zu adressierenden Speicherbereiches, d. h. bei 32-Bit Systemen war es nur möglich 232-Bit = 4294967296 Bytes (bei byteweiser Adressierung) ≈ 4GB an Speicher zu verwalten. Das heißt im Umkehrschluss, wenn man auf einem 64-Bit fähigem Rechner über 4GB RAM einbaut, aber ein 32-Bit Betriebssystem installiert wurde, dann kann nur max. 4GB zur Verfügung gestellt werden.
Parallel bei der Erweiterung des Adressbereichs kamen neue Features (Befehlsätze) dazu, so dass der falsche Eindruck bei vielen auch bei einigen Informatikern erweckt wurde, dass dies direkt mit der Umstellung mit 64-Bit zu tun hat. Die Assoziation 64-Bit Rechner sei schneller als ein 32-Bit Rechner ist falsch. Es gibt natürlich bestimmte Programme, die viel Speicherressourcen brauchen, die sind natürlich auf einem 64-Bit System ohne zusätzliche Features natürlich schneller. Dies hat nur damit zu tun, dass der Zugriff auf die auslagerte langsame Festplatte mehr Zeit in Anspruch nimmt.
ARM-Architektur
Die meisten Mobiltelefone, Tablet-PCs etc. vor allem mit dem Betriebssystemen Android, iPhone OS und Windows RT laufen auf einer ARM-Architektur basierenden Hardware. Das Vertriebsmodell der ARM Ltd. sieht auch vor, dass andere Hersteller wie Samsung, Qualcomm etc. die Architektur-Idee lizenzieren können und damit dies in ihren eigenen Chips implementieren zu können. Also nochmals: Nur die Idee wird lizenziert.
PowerPC
Hauptsächlich kam der PowerPC-Architektur bei den alten Apple Rechnern mit Motorola Prozessor zum Einsatz. Apple hat dann mit der Einführung der Mac OS X 10.4 auf die Intel x86-Architektur umgestellt. Die aktuellen Apple Rechner laufen seit über einer Dekade mit Intel Prozessoren, die auch in den meisten Microsoft Windows Rechnern verbaut sind. Es ist theoretisch und auch praktisch mit ein wenig Aufwand möglich das Betriebssystem von Apple auf einen klassischen Windows Rechner zu installieren, wobei das Lizensierungsmodell von Apple dies verbietet.
RISC (Reduced Instruction Set Computer)
Das RISC Architektur Modell ist ein Prozessor Design mit einer reduzierten Anzahl an Befehlssätzen. Sie hat vor allem in den früheren Zeiten eine große Rolle gespielt.
CISC (Complex Instruction Set Computer)
Die heutigen Prozessoren basieren auf dieser Architektur bzw. aus einer Mischung aus RISC- und CISC-Architektur auf verschiedener Prozessorebene.
Vergleich zwischen den Rechner-Modellen
Früher war die Taktfrequenz der ausschlaggebendere Faktor für den Kauf eines Rechners, heutzutage wäre ein Vergleich so direkt nicht möglich. Wenn trotzdem ein Vergleich gemacht wird, dann kann daraus keine richtigen Schlussfolgerungen gemacht werden.
Wer den obigen Inhalt verstanden hat, kommt vielleicht selber darauf, dass ein Vergleich gar nicht möglich ist, außer für das eigene Marketingziel. Man müsste hier so viele Faktoren auf einem gemeinsamen Nenner bringen, was in der Praxis scheitern wird.
Ergänzende Quellen
- Instruktionen pro Sekunde
- Floating Point Operations Per Second (Gleitkommazahlen-Operationen pro Sekunde)
- L1, L2, … -Cache
- MicroCode (Über SW-Seite* veränderbarer Teil eines Prozessors/CPUs)
* Vergleichbar mit Firmware, aber der Microcode ist auf der tiefsten HW-Ebene, wobei FW, sowie andere SW-Patches, auch MicroCode enthalten können.