Skip to main content
main-content
Top

2022 | Book

Bits und Bytes in Mikrochips

Grundlagen der Technischen Informatik am Beispiel moderner Hardware

share
SHARE
insite
SEARCH

About this book

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.

Table of Contents

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Wandern Sie mit den Bits und Bytes durch die digitale Welt der Chips und erfahren Sie, wie der Computer mit Zahlen fast alles kann. Die Einzelheiten in seinem Inneren und wie sie funktionieren, soll Ihnen dieses Buch zeigen.
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. Wie kann man sich das vorstellen? Fachleute sprechen von Codes, was sind das und wie werden sie verwendet?
In diesem Kapitel werden folgende Fragen beantwortet:
  • In wie vielen Sprachen verständigen sich die Menschen?
  • Wie viele Zeichen werden für den Alltag benötigt?
  • Was kann man sich unter einem Bit vorstellen?
  • Wie viele Bits benötigen wir für ca. 120 oder etwas mehr als 200 Zeichen?
  • Was ist ein Byte?
  • Wie werden aus Bits und Bytes Zahlen?
  • Was ist ein ASCII-Code und wozu wird er benötigt?
  • Warum benötigen wir in Deutschland den erweiterten ASCII-Code?
  • Welchen Code verwendet Windows?
  • Welche Windows Zeichensätze werden verwendet?
  • Was enthält die ISO 8859 (Latin-1 bis 16) und welchen Nachteil hat sie?
  • Sie haben eine Mail oder eine Datei mit undefinierbaren Zeichen oder Begriffen erhalten. Ursache?
Klaus Brüderle
3. Der Code für die ganze Welt
Zusammenfassung
Viele Codes sind nur für eine Sprache oder einen Teil dieser Welt. Es wir 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?
Dieses Kapitel gibt in verschiedenen Abschnitten Antworten auf die Themen:
  • Sprachen der Mehrzahl der Menschen
  • Der Unicode, seine Herkunft, seine Größe und seine Struktur.
  • Die Unicode-Version September 2022.
  • Unicode Transformation Format UTF-32, UTF-16 und UTF-8
  • Was ist ein BOM und wozu wird es benötigt?
  • Welche Codierung hatte im Februar 2022 den größten Anteil im Internetverkehr?
  • Weltweite Kommunikation im Netz ohne Unicode
  • Bis zu welcher Nummer kann man in einem 8-Bit-Code die Sonderzeichen über Alt + dezimaler Code eingeben?
  • Sonderzeichen mit der numerischen Tastatur
  • Nummer eines Zeichens dezimal, dual und hexadezimal
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?
Zur Klärung dieser Fragen werden in den folgenden Abschnitten diese Themen bearbeitet:
  • Start der Software für den Betrieb des Computers
  • Wege (Busse) der Daten (Bits) vom Datenspeicher (Festplatte, SSD) bis zur Bildausgabe (Monitor)
  • Stationen (Chips) beim Datentransport
  • Bytes pro Kern und Takt für eine optimale Prozessorauslastung
  • L3-, L2- und L1-Cache
  • Grafikschnittstellen (Ausgänge)
  • Funktionen des Chipsatzes
  • MCH- und ICH-Chips
  • Funktionen der Nordbrücke
  • Modifizierte Südbrücken von Intel und AMD
  • Kontrolle das ganzen Systems
  • Ein SoC und seine Funktionen
  • Probleme von parallelen Busverbindungen
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 5.0. 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?
Um diese Themen geht es in den Abschnitten des nächsten Kapitels.
  • PCIe-Funktionen
  • Die Ausgangsfunktion PCIe x1, die Taktfrequenz und die Brutto- und Netto-Datenraten
  • Geschwindigkeiten (Datenraten) von PCIe 3.0, 4.0, 5.0 und 6.0 mit einer Lane
  • Die 8b/10b- und 128b/130b-Codierungen
  • Aufgaben des PCIe Root Complex
  • Skalierbarkeit von PCIe
  • Serieller Datentransport in SSDs mit 1024-KByte-Blöcken
  • Kompatibilität der PCIe-Versionen
  • Die Verwandten von PCIe: DMI und UMI
  • DMI-Varianten (Intel) bzw. UMI (AMD)
  • Praktische Datenübertragung im SuperSpeed-Modus von USB 3.0, USB 3 und USB 3.1 Gen2
  • Leistung bzw. Stromstärke von USB 3.-Varianten
  • Besonderheiten von USB 3.1 und DisplayPort-Generationen?
  • Voraussetzungen für USB 3.1 Gen2x2
  • USB-C und die Alt-Modi
  • USB-Daten trotz USB-C-Unterstützung im USB-2.0-Modus mit ca. 40 MByte/s?
  • USB PD und höchste Leistung künftiger Geräte
  • USB 4
  • PCIe, DisplayPort und Thunderbolt
  • Funktionen von Thunderbolt 4
Klaus Brüderle

Mit Festplatte/SSD und 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?
In den verschiedenen Abschnitten des Kapitels werden folgende Themen bearbeitet:
  • Mechanische Datenträger (Festplatten): Spuren, Sektoren und Geschwindigkeiten
  • Leistungen: sequenziell – in IOPS
  • Zugriffszeit, DRAM-Cache, Unterschiede von LMR, PMR, SMR, TDMR, HAMR
  • Sicherheit: Lesefehler, MTTF, Ausfallwahrscheinlichkeit,
  • Elektronische Datenträger (SSDs): Flash, NAND, SLC, MLC, QLC
  • Pseudo-SLC-Cache, 3D- und 4D-NAND
  • Datenblöcke in SSDs
  • SSD-IOPS, SSD-Controller, Queue Depth (QD), Wear Leveling, Garbage Collection, Trim, elektr. Leistung
  • Sicherheit: Erwärmung, SSD-Archiv, TBW, TCG Opal, Bitlocker, SSD löschen
  • Hybrid-Festplatten, SSD-Caching
Klaus Brüderle
7. SATA – serielle Datenträger
Zusammenfassung
Nach PATA bietet SATA mit max. ca. 600 MB/s eine unproblematische Hochgeschwindigkeitsübertragung. Was bringt der AHCI-Modus, die NCQ-Technik, Hot Plugging, M.2 usw. bei SATA?
Die Abschnitte in diesem Kapitel enthalten folgende Themen:
  • AHCI-Protokoll statt IDE: LVDS, AHCI, NCQ, Hot Plugging, Port Multiplier
    SATA 1,5G (SATA I)
    SATA 3G (SATA II), externes SATA (eSATA)
    SATA 6G (SATA III)
    Komplette Daten einer QLC-SATA-SSD (Samsung 870 QVO)
  • RST, LPM, DevSleep
  • mSATA
  • SATAe
Klaus Brüderle
8. NVMe statt AHCI
Zusammenfassung
Nun ersetzt PCIe das SATA und das NVMe-Protokoll ersetzt AHCI. Dadurch ist die Leistung von flexiblen PCIe-Erweiterungen abhängig, die laufend weiterentwickelt werden. PCIe 4.0 ist gerade im Massenmarkt angekommen. PCIe-5.0-Controller erscheinen im Frühjahr 2022 und ab 2023 sollen sie in Serie produziert werden.
Wie kommen SSDs damit zurecht und welche Chipsätze bieten welche PCIe-Geschwindigkeit? Welche Geschwindigkeiten und Eigenarten bieten besondere SSDs, wie die Optane bzw. die Samsung Z-SSD?
In den nächsten Abschnitten des Kapitels werden folgende Themen bearbeitet:
  • NVMe-SSDs im M.2-Format: Warteschlangentiefe (Queue Depth)
  • Daten einer NVMe-SSD, QLC, M.2 (Intel 670p)
  • Alltäglichen Anforderungen an SSDs
  • IOPS mit PCIe 3.0 x4-SSDs
  • IOPS mit PCIe-3.0 x8-SSD
  • IOPS mit PCIe 4.0 x4-SSD
  • PCIe-SSDs in Intel-Serie-100 bis Serie-500-Chipsätzen
  • Besondere SSDs (Optane, Z-SSD)
  • Vergleich der Latenzen
Klaus Brüderle

Arbeits- und Zwischenspeicher (Cache)

Frontmatter
9. Arbeitsspeicher
Zusammenfassung
Damit die Daten (Bits in Form von elektrischen Ladungen, d. h. Elektronen) von den langsamen Datenträgern schnell dem Prozessor angeboten werden können, müssen sie im Arbeitsspeicher auf Abruf zwischengespeichert werden.
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.
Das alles und vieles mehr enthalten die nächsten Abschnitte dieses Kapitels.
  • Begriffe: Speichermodule, Ranks, SDRAM, interne Bänke, Speicherzellen, Refresh, Sense Amps (Verstärker), Lesevorgang
  • Beschreiben und lesen von Speicherzellen, Timings CL, t RCD und tRP, Page Miss, Seitenkanalattacken (Meldown, Spectre)
  • Digitales Datenblatt, SDRAM-Typen bis DDR5, interner Chiptakt – externe Datenrate, Speichercontroller
  • Prefetching und seinen Einfluss auf den externen Speichertakt
  • Schneller Speichertakt, langsamer Chiptakt
  • Speicher aufrüsten, x4-SDRAMs für Server, Modulkapazität, Ranks und Speichertakt
  • Speichergeschwindigkeit mit Ryzen-CPUs 2000, 3000G, 3000, 4000G und 5000
  • Datenraten der DDR5-Speicherchips
  • NV-DIMMs, SO-DIMMs, OC-Module, RDIMMs
  • Politik und Speichertechnologie
  • Verwendbarer Speichertyp, Core-i-11000K-Controller
  • Geschwindigkeitsvorteil mit belegtem zweiten Speicherkanal (Dual Channel), 64-Bit-CPU
  • Cache, L3-, L2- und L1-Cache, LLC SRAM-Speicherzellen
  • Speicher-Latenzen (Reaktionszeiten, Wartezeiten)
Klaus Brüderle
10. 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.
Die Begriffe, Bedeutungen und Funktionen zu diesem Thema werden in den nächsten Absätzen dieses Kapitels beschrieben.
  • Die Begriffe L1- und L2-Cache, Level
  • Was enthält ein Cache, SRAM, Flipflop, Stromverbrauch
  • Cache außerhalb und innerhalb der CPU
  • Cache im PCU-Kern
  • L3-Cache, L4-Cache, LLC
  • Smart Cache
  • Beispiele: Datentransfer in L1-, L2-, L3-Cache und Hauptspeicher in einem Desktop- und einem Notebook-Prozessor
  • L1-, L2- und L3-Cache in 8., 9., 10. und 11. Intel Core i-Generation
  • Cache Line
  • SSD als Ersatz für den Arbeitsspeicher oder Cache?
Klaus Brüderle

Prozessor-Technologien

Frontmatter
11. Prozessortechnologien 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 (Drehzahlregelung mit PWM) helfen dabei.
Wie das funktioniert, wird in den Abschnitten des nächsten Kapitels beschrieben.
  • Frequenz und Takt
  • Referenztakt, Basis-Takt (Bus Speed), Kern-Takt (Core Speed) und PLLs
  • Interne und externe CPU-Taktfrequenzen
  • Funktionsgruppen im Prozessor: Steuerwerk, Rechenwerke, Speichermanager
  • Rechenwerke im Prozessorkern: ALU, Integer- und FP-Einheit, SIMD-Befehle (MMX, SSE1 bis SSE4), EM64T, VT-x
  • Berechnung der Rechenleistung in Flops, FP64
  • AVX2 mit FMA3 bzw. FMA4 und AVX512
  • Leistungen von Intel- und AMD-Prozessoren
  • Rechenwerke im Grafikchip
  • Shader, GPGPU, API
  • Benchmarks
  • Pipeline, Threads und Multithreading, IPC, SMT
  • Energie sparen, ACPI, SpeedStep, Powerzustände P-States, C-States, System- und Schlafzustände im Büroalltag (S-State), Gerätezustände
  • Sparfunktionen für SoCs unter Windows 10 Speed Shift, Duty Cycling und Disconnected Standby Power Limits, TDP, Turbo Boost
  • Kühler: Luftkühlung, Wasserkühlung, PWM-Regelung
Klaus Brüderle
12. 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
13. Anhang
Zusammenfassung
Der Anhang enthält ergänzende, interessante Informationen und detaillierte Hintergrundinformationen, die den Lesefluss stören würden.
Klaus Brüderle

Übungen mit Lösungen

Frontmatter
14. Übungen mit Lösungen
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. Wie kann man sich das vorstellen? Fachleute sprechen von Codes, was sind das und wie werden sie verwendet?
In diesem Kapitel werden folgende Fragen beantwortet:
  • In wie vielen Sprachen verständigen sich die Menschen?
  • Wie viele Zeichen werden für den Alltag benötigt?
  • Was kann man sich unter einem Bit vorstellen?
  • Wie viele Bits benötigen wir für ca. 120 oder etwas mehr als 200 Zeichen?
  • Was ist ein Byte?
  • Wie werden aus Bits und Bytes Zahlen?
  • Was ist ein ASCII-Code und wozu wird er benötigt?
  • Warum benötigen wir in Deutschland den erweiterten ASCII-Code?
  • Welchen Code verwendet Windows?
  • Welche Windows Zeichensätze werden verwendet?
  • Was enthält die ISO 8859 (Latin-1 bis 16) und welchen Nachteil hat sie?
  • Sie haben eine Mail oder eine Datei mit undefinierbaren Zeichen oder Begriffen erhalten. Ursache?
Klaus Brüderle
Backmatter
Metadata
Title
Bits und Bytes in Mikrochips
Author
Klaus Brüderle
Copyright Year
2022
Electronic ISBN
978-3-658-35973-7
Print ISBN
978-3-658-35972-0
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-35973-7