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2025 | Buch

Bits und Bytes in Mikrochips

Grundlagen der Technischen Informatik am Beispiel moderner Hardware

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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch bietet einen gut verständlichen Einstieg in die technischen Grundlagen der Informatik, ohne tiefgehende mathematische Vorkenntnisse vorauszusetzen. Dank zahlreicher Übungen und Lösungen eignet sich das Buch hervorragend zum Selbststudium.

Neben Grundkenntnissen der Computertechnik werden ebenso die technischen Grundlagen der Industrie 4.0 vermittelt. Ob Sie sich im Studium oder in der Ausbildung befinden, sich für digitale Berufe umqualifizieren möchten oder einfach ein interessierter Laie sind, dieses Buch unterstützt Sie bei Ihrer digitalen Weiterbildung.

Der Inhalt

Zeichen und Bits im Computer: Mensch und Maschine Verbindung der Chips (bis PCIe 7.0 und CXL, bis USB4 2.0 und Thunderbolt 5) Datenträger (HD, PCIe-5.0-SSDs), IOPS, Flash-Technik und Chipsätze bis Intel Serie-700 Arbeitsspeicher bis DDR5, XMP, SO-DIMM, LPDDR-SDRAM, CAMM und Konfiguration des DDR- und LPDDR-SDRAM (Intel, bis Core i-14000(K)) – Zwischenspeicher (Cache) Prozessor-Technologien: Single- und Multithreading, TDP, Power Limits bis 14. CPU-Gen (Raptor Lake Refresh), PWM-Regelung, alles über 12. bis 14. CPU-Generation, Total Hybrid: Chiplets (Tiles), 14. CPU-Mobil-Gen. Core Ultra (Serie 1) Meteor Lake Künstliche Intelligenz: Inferencing, Machine Learning, Datenformate (FP16, BF16 usw.), KI-Rechenwerke der CPU, der GPU und NPU Embedded (Mini PCs usw.) Core Ultra (Hybrid, Serie 1) Elektrischer Strom, Spannung, Leistung, Kondensator usw. Anhang von A (API …) über S (Supercomputer …) bis W (Workstationen)

Die Zielgruppen

An digitaler Weiterbildung Interessierte Schüler*innen mit dem Fach Informatik Schüler*innen an Berufsfachschulen, Technikerschulen mit Schwerpunkt Informatik und Informatik-Profil-Schulen (IPS) Techniker-Lehrgänge (DAA-Technikum, Fachinformatiker) Studierende der Fächer Informatik, Mechatronik u. a.

Der Autor

Dipl. Ing. (FH) Klaus Brüderle war ​Lehrer für Physik und Informatik und verfügt über vier Jahrzehnte Erfahrung in der IT-Bildung.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Das Buch wurde mit elektronischem Zusatzmaterial versehen: Die Übungen mit Lösungen werden auf der Produktseite zum Buch auf SpringerLink frei zugänglich zur Verfügung gestellt.
Klaus Brüderle

Zeichen und Bits im Computer: Mensch und Maschine

Frontmatter
2. Bit und Byte – Zeichen und Code
Zusammenfassung
Die Welt möchte privat und muss geschäftlich Daten und Informationen austauschen. Die Daten und Sprachen müssen in für Computer verständliche Zeichen, den Bits und Bytes umgewandelt werden (Maschinensprache). Wie kann man sich das vorstellen? Fachleute sprechen von Codes, was sind das und wie werden sie verwendet?
Klaus Brüderle
3. Der Code für die ganze Welt
Zusammenfassung
Viele Codes sind nur für eine Sprache oder einen Teil dieser Welt. Es wird ein Universalcode gebraucht, der auch in Computern für den Betrieb (Betriebssystem usw.) und für alle Spezialitäten (Richtungen, Sonderzeichen usw.) angepasst werden kann. Es ist der Unicode. Welche Varianten hat er? Wie ist er aufgebaut? Welche Variante wird wofür verwendet? Er wird hexadezimal dargestellt. Warum und was ist das?
Klaus Brüderle

Datentransport zwischen Mikrochips

Frontmatter
4. Von der Festplatte zum Mainboard
Zusammenfassung
Die Festplatte befindet sich mit ihren Daten am Rande (Peripherie) des Computers. Welchen Weg und welche Stationen müssen die Daten überwinden um zum Arbeitsspeicher und dann zum Prozessor und von dort zum Grafikchip zu gelangen? Welche Leistung in Gigabytes benötigt das System um wirtschaftlich arbeiten zu können? Welche Aufgaben müssen die Chips auf dem Mainboard für diesen Transport ausführen?
Klaus Brüderle
5. Datentransport von Chip zu Chip
Zusammenfassung
Ein Computer muss schnell und reibungslos arbeiten. Dafür wurde die Verbindungsart der Chips optimiert. Aus PCI wurde PCI Express mit einer bis sechzehn (Doppel-)Leitungen, Lane genannt. Zusätzlich wurde die Geschwindigkeit erhöht, bis auf PCIe 7.0. Wie funktioniert das System? Kann es gut angepasst werden? Warum wird in Datenblöcken gesendet? Was ist mit der Kompatibilität, dem Zusammenpassen verschiedener PCIe-Ausführungen? Wir brauchen für externe USB-Festplatten, USB-SSDs oder Multimedia-Geräte Zugang zum Computer. Was bieten USB und Thunderbolt in ihren verschiedenen Varianten?
Klaus Brüderle

Vom Datenträger (HDD/SSD mit SATA/NVMe) zum Chipsatz

Frontmatter
6. Datenträger – mechanisch, elektronisch und hybrid
Zusammenfassung
Mechanische und elektronische Datenträger haben Vor- und Nachteile. Worin unterscheiden sich die verschiedenen Typen elektronischer Datenträger (SSDs)? Wie arbeiten SSDs und welche Eigenschaften und Leistungen bieten die verschiedenen Typen. Mit welcher Sicherheit (Lesefehler, Ausfallwahrscheinlichkeit usw.) kann der Nutzer rechnen? Was sind Hybrid-Festplatten und SSD-Caching und welche Vorteile bieten sie?
Klaus Brüderle
7. SATA mit AHCI - PCIe mit NVMe
Zusammenfassung
Nach PATA bietet SATA mit max. ca. 600 MB/s eine unproblematische Hochgeschwindigkeitsübertragung. Was bietet die NCQ-Technik, Hot Plugging, M.2 usw. im AHCI-Modus bei SATA?
Klaus Brüderle

Arbeits- und Zwischenspeicher (Cache)

Frontmatter
8. Arbeitsspeicher
Zusammenfassung
Wie sind diese Speicherchips und Speichermodule aufgebaut und was ergibt sich daraus? Wie lesen die Chips, was sind Timings und welche Rolle spielen sie? Womit können wir zur Kontrolle das digitale Datenblatt auf dem Modul (DIMM) auslesen? Welche Eigenheiten und Spezialitäten haben SDRAM-Typen von DDR3 bis DDR5 und wie sollten wir aufrüsten? Welchen Nutzen haben NVDIMMs usw.
Klaus Brüderle
9. Cache
Zusammenfassung
Bis 1980 waren Prozessor und Speicher (DRAM) gleich schnell, aber dann verdoppelte sich ca. alle zwei Jahre die Prozessorleistung. Der Prozessor wurde immer schneller als das DRAM. Der Prozessorkern arbeitet aber nur dann effektiv, wenn er genügend schnell mit den Daten aus dem Arbeitsspeicher gefüttert werden kann. Der kleine, sehr schnelle und teure Zwischenspeicher, Cache genannt, hat die Aufgabe, Daten aus dem langsamen Arbeitsspeicher – auf Verdacht (Prefetch) – zu laden und sie mit großer Geschwindigkeit dem Prozessor zu übergeben.
Klaus Brüderle

Prozessor-Technologien (Intel)

Frontmatter
10. Prozessortechnologien I und Optimierungen
Zusammenfassung
Wie und woraus werden Mikrochips (ICs) hergestellt und wer sind die wichtigsten Hersteller? Wie arbeiten die Mikrochips, welche Arten von Rechenwerke enthalten Prozessoren, was ist ihre Aufgabe und was leisten sie? Mit welchen zusätzlichen Funktionen kann die Leistung optimiert werden? Chips brauchen kostbare Energie, die mit großem Aufwand erzeugt wird und in den Akkus der Notebooks nur begrenzt vorhanden ist. Stromsparfunktionen in allen Systemteilen der Chips, sogar in Tastatur und Maus, geben nur Energie ab, wenn sie benötigt wird. Ansonsten wird alles in Mikrosekunden ab- oder angeschaltet, in verschiedenen Turbo-Arten bis zu den Power Limits hochgefahren, um wieder sehr schnell zurück in den kühlenden Schlaf zu kommen. Die Software (z. B. Intel XTU usw.) und die moderne Hardware, mit ihrer Drehzahlregelung (PWM) in Kühlern, helfen dabei.
Klaus Brüderle
11. 12th Gen-Prozessoren Core-i-12000
Zusammenfassung
Warum neue Prozessoren für PCs?
Klaus Brüderle
12. 13th Gen-Prozessoren Core-i-13000
Zusammenfassung
Warum benötigen wir immer bessere Prozessoren?
Klaus Brüderle
13. 14th Gen-Prozessoren Core-i-14000
Zusammenfassung
Warum benötigen wir immer bessere Prozessoren?
Klaus Brüderle

Prozessor-Technologien II (Intel, Hybrid-Zeitalter)

Frontmatter
14. 14th Gen-Prozessoren Core Ultra (Hybrid, Meteor Lake, Serie 1)
Zusammenfassung
Warum ist eine völlig neue Prozessor-Architektur nötig? Trotz bester Optimierung bei der Fertigung von Computerchips gibt es immer wieder teure Fertigungs- und Funktionsfehler. Die Reduzierung und Spezialisierung der Funktionen auf kleine Chips, die dann mit anderen speziellen Chips (Chiplets) hybrid kombiniert und zusammen gefügt werden, ist die optimale Lösung für die Zukunft, d. h. den Meteor Lake und seine Nachfolger.
Klaus Brüderle
15. Integrierte Intel UHD Graphics
Zusammenfassung
Ist ein integrierter Grafikprozessor (IGP) mit dem Grafikkern der Generation 12.2 (Codenamen: Alder Lake GT1), hat eine Strukturbreite von 10 nm und deshalb einen Leistungsbedarf von nur 15 Watt. Der Grafikkern ist über den L3-Cache (LLC) mit dem Ringbus verbunden.
Klaus Brüderle
16. Apple-Prozessoren
Zusammenfassung
Apple bietet PCs, die sehr schnell, kaum hörbar und Edelware sind. Sie enthalten die selbst entwickelten Prozessoren M1 und M2 in den Varianten Pro, Max und Ultra.
Klaus Brüderle
17. Sicherheit mit TPM, fTPM und vPro
Zusammenfassung
Damit Intels Thread-Director helfen kann, die Arbeitsbelastung (Workloads) intelligent auf die dafür optimalen Kerne zu verteilen, muss Windows 11 installiert sein. Windows 11 verlangt aber einen aktiven Sicherheitschip, der ,,Trusted Platform Module 2.0“ (TPM 2.0, s. Abb. 17.1) genannt wird. Alle modernen CPUs oder Chipsätze haben diesen TPM-Chip integriert, dessen Schutzsystem die Nutzer vertrauen (engl. trust).
Klaus Brüderle
18. Spezifikationen von x86-Prozessoren
Zusammenfassung
Immer wieder wird beklagt, dass die vielen von Prozessor-Herstellern integrierten Funktionen nicht verstanden werden und/oder verwirren.
Klaus Brüderle
19. Elektr. Strom, Spannung usw.
Zusammenfassung
Die Arbeit verrichten im Betrieb die Menschen und im Stromkreis des PCs die Ladungen, weshalb sie hier immer im Mittelpunkt stehen. Nennen wir die Ladungen zuerst einmal Elektronen.
Klaus Brüderle
20. Zusammenfassung des Buches
Zusammenfassung
Obwohl der Computer ein Rechner ist, der nur mit den zwei Zuständen 0 und 1 arbeitet, kann er komplizierte Berechnungen ausführen und Texte, Bilder, Videos usw. verarbeiten.
Klaus Brüderle
21. Anhang
Zusammenfassung
Der Anhang enthält ergänzende, interessante Informationen und detaillierte Hintergrundinformationen, die den Lesefluss stören würden.
Klaus Brüderle
Backmatter
Metadaten
Titel
Bits und Bytes in Mikrochips
verfasst von
Klaus Brüderle
Copyright-Jahr
2025
Electronic ISBN
978-3-658-46571-1
Print ISBN
978-3-658-46570-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-46571-1