Hardware

Physisch besteht ein Rechner aus diversen Komponenten: Der Hauptprozessor führt Instruktionen aus, die er aus dem Arbeitsspeicher lädt. Die Grafikkarte verarbeitet Vektorbefehle und sendet einen Datenstrom an den Bildschirm.

Folgende Programme erlauben Einblick in die vorhandene Hardware:

lscpu(8)
Gibt Daten des Prozessor aus.
lspci(8)
Listet Geräte am PCI-Bus auf.
lsusb(8)
Listet USB-Geräte auf.
lsblk(8)
Listet SATA-, SCSI- und sonstige Blockgeräte auf.
lshw(8)
Bereitet Hardware-Informationen als Baumstruktur auf.
dmidecode(8)
Zeigt die DMI-Tabelle inclusive SMBIOS-Strukturen an.

Prozessor

Die gängigen Prozessoren stammen aus den Häusern Intel und AMD. Die Architektur des Prozessors spielt eine Rolle bei der Auswahl der richtigen Installations-CD.

Jahr Hersteller Prozessor Architektur Besonderheiten
1985 Intel 80386 i386 MMU mit 32 Bit Adressraum
1990 Intel 80486 i486 Integrierter Level 1 Cache
1993 Intel Pentium i585 Superskalare Architektur
1997 Intel Pentium II i686 Integrierter Level 2 Cache
1999 AMD Athlon i686 Erste CPU mit 1 GHz Takt
2001 Intel Itanium ia64 64 Bit Serverprozessor für Parallalverarbeitung
2003 AMD Athlon 64 amd64 64 Bit Befehlssatz
2006 Intel Core amd64 SMP mit bis zu 8 Kernen und Hyperthreading
2011 AMD Fusion amd64 Verschmelzung von CPU und GPU
2012 ARM ARM11 armv6k Einplatinencomputer Raspberry Pi

Seit 2017 verkauft Intel die 7. Generation (Kaby Lake) der Core-Serie mit einer lithographischen Strukturgröße von 14 nm für den Sockel 1151. Diese Prozessoren enthalten allesamt Erweiterungen für 64 Bit, MMX und SSE. Vektorerweiterungen, Verschlüsselung und Virtualisierung sind den höheren Klassen vorbehalten. Sie unterscheiden sich in folgenden Kriterien:

Klasse Modell Kerne L3-Cache Turbo HT Vektor Crypto Virtualisierung
Celeron G39xx 2 2 M
Pentium G4xxx 2 3 M VT, EPT*
i3 7xxx 2 4 M AVX AES VT, EPT*
i5 7xxx 4 6 M ja AVX2 AES VT, EPT
i7 7xxx 4 8 M ja ja AVX2 AES VT, EPT
Xeon E3 15xx 4–12 8 M ja ja AVX2 AES VT, EPT

Beispiel: Intel Core i7 7700 K processor

Manufacturer
Brand
Core
Atom
Brand Modifier
E3 Server, Xeon
i7 HT, Turbo
i5 HT, Turbo
i3
Pentium
Celeron
Generation Indicator
7xxx 14nm Kaby Lake
6xxx 14nm Sklake
5xxx 14nm Broadwell
4xxx 22nm Haswell
3xxx 22nm Ivy Bridge
2xxx 32nm Sandy Bridge
5xx 32nm Clarkdale
8xx 45nm Lynnfield
9xx 45nm Bloomfield
Letter Suffix
K Desktop, Unlocked
C Desktop, LGA 1150
R Desktop, BGA 1364
S Desktop, Performance optimized
T Desktop, Power optimized
MX Mobile, Extreme Edition
HQ Mobile, High Performance Graphics
MQ Mobile, High Performance Graphics
M Mobile
U Mobile, Ultra Low Power
Y Mobile, Extremely Low Power

Arbeitsspeicher

Das flüchtige RAM vergisst alle Daten, sobald die Stromversorgung unterbrochen wird. Moderne Speichermodule können Signale sowohl auf der steigenden als auch an der fallenden Flanke übertragen (double data rate). Die Datenrate ergibt sich also aus der Anzahl der übertragenen Bits pro Takt multipliziert mit Zwei.

Jahr Speichertyp Pins Modulgröße
(Megabyte)
Speichertakt
(Gigahertz)
Nutzrate
(MByte/s)
1980 FPM SIMM 30 0,25–16
1995 EDO SIMM 72 1–128
1997 SDR DIMM 168 16–512 66–133 500–1000
1999 RDRAM RIMM 184 266–600
2000 DDR SDRAM 184 256–1024 100–200 1500–3200
2003 DDR2 " 240 256–4096 100–266 3200–8500
2007 DDR3 " 240 512–8192 100–260 6400–17000
2014 DDR4 " 288 4096–32768 200–400 12800–25600

Datenbus

Peripheral Component Interconnect

PCI Express bindet Erweiterungskarten an den Chipsatz der Hauptplatine an.

Jahr Version Varianten Takt
(Megahertz)
Nutzrate
(MByte/s)
1981 AT 8 Bit 4.77 4
1983 ISA 16 Bit 6–8 16
1987 MCA 32 Bit 10 40
1988 EISA 32 Bit 8.33 33
1992 VLB 32 Bit 33/40/50 60–100
1993 PCI 2.0 32/64 Bit 120
1997 AGP 1.0 x1–x2 250–500
1999 AGP 2.0 x1–x4 500–1000
2002 PCI 2.3 500
2003 AGP 3.0 x4–x8 1000–2000
2004 PCIe 1.0 1–32 Lanes 250 / Lane
2008 PCIe 2.0 1–32 Lanes 500 / Lane
2011 PCIe 3.0 1–32 Lanes 1000 / Lane
2016 PCIe 4.0 1–32 Lanes 2000 / Lane

Hochgezüchtete Grafikkarten brauchen einen PEG-Slot, was letztendlich ein PCIe-Slot mit höherer Spannungsversorgung ist.

Universal Serial Bus

An den USB werden vor allem HIDs wie Tastatur, Maus, Joystick angeschlossen. Mit wachsender Geschwindigkeit eignet er sich auch für Massenspeicher und mit Thunderbolt neuerdings auch für Bildschirme.

Jahr Version Host-
Controller
Stecker Verwendung Variante Logo Duchsatz
(MByte/s)
1995 1.0 UHCI Std A USB Std A Tastatur & Maus LowSpeed USB 0,2
OHCI FullSpeed 1
Std B USB Std B Drucker & Scanner
1998 1.1
2000 2.0 EHCI Mini A USB Mini A HiSpeed 40
Mini B USB Mini B Mobiltelefon
Micro A USB Micro A
Micro B USB Micro B Smartphone
Raspberry
2008 3.0 xHCI Micro B USB Micro B Externe Platte SuperSpeed SuperSpeed 300
2014 3.1 Typ C USB Typ C SuperSpeed+ SuperSpeed+ 900
Display Thunderbolt Thunderbolt 1212

Bluetooth

Als Alternative zum Kabel verbindet Bluetooth Peripheriegeräte per Funk. Je nach Klasse (1–3) beträgt die Reichweite bis zu 100 Meter.

Jahr Version Datenrate
(MBit/s)
Nutzrate
(MByte/s)
Eigenschaften
1999 1.0 0,732 0,1 BD_ADDR
2001 1.1 0,732 0,1 RSSI
2003 1.2 1 0,12 AFH
2004 2.0 2,1 0,25 EDR
2007 2.1 SSP, QoS
2009 3.0 25 3,3 HS
2009 4.0 25 Low Energy modus
2013 4.1 25
2014 4.2 25
2016 5 50 6,5 SAM

Festplatte

Auf Festplatten gespeicherte Daten bleiben dauerhaft erhalten. Diese so genannten Blockgeräte stellen den verfügbaren Speicherplatz nach außen als linear aufeinander folgende Blöcke von 512 Byte oder neuerdings 4 Kilobyte zur Verfügung. Der Controller überträgt Blöcke via DMA direkt in den Arbeitsspeicher.

Solid State Disk

SSDs teilen den Flash-Speicher in Ebenen auf, von der jede wiederum Blöcke zwischen 256 Kilobyte und 4 Megabyte enthält. Jeder Block umfasst 128 oder 256 Seiten mit jeweils 2 bis 16 Kilobyte. Seiten können beliebig oft gelesen aber nur einmal geschrieben werden. Das Löschen von Daten funktioniert nur blockweise. Sogenannte Wear-Leveling-Algorithmen sorgen für eine gleichmäßig Beanspruchung des Speichers und verlängern so dessen Lebenszeit.

Magnetspeicher

Festplatten speichern Daten mit Hilfe von Schreib-/Leseköpfen auf rotierenden Magnetscheiben. Früher wurden einzelne Blöcke über das CHS-Schema adressiert, heute kommt nur noch LBA vor. Für unterschiedliche Einsatzgebiete hat sich folgende Farbkodierung etabliert:

Farbcode Einsatzgebiet Optimierung
Red NAS, RAID Dauerbetrieb und geringe Leistungsaufnahme
Green Datensicherung Lange Lebensdauer und geringe Leistungsaufnahme
Blue Desktop-PC Ausgewogene Werte und häufige Start-Stop-Zyklen
Black Workstation Maximale Leistung

Enhanced IDE

Pro Controller kann jeweils nur ein Master und ein Slave angeschlossen werden, die sich die verfügbare Datenrate teilen. Daher sollte man häufig gebrauchte Geräte immer als Master an verschiedene Controller anschliessen, selten benutzte Geräte hingegen als Slave.

Jahr Standard Modus Nutzrate
(MByte/s)
Anschluss Erweiterungen
1989 ATA-1 DMA-2 8.3 40-polig Single Word DMA
1994 ATA-2 DMA-2 16.6 " Multi Word DMA
1996 ATA-3 " " " SMART
1997 ATA-4 UDMA-2 33.3 " ATAPI, HPA
1999 ATA-5 UDMA-4 66.6 80-polig
2000 ATA-6 UDMA-5 100 " LBA-48, AAM
2001 ATA-7 UDMA-6 133 "
2005 ATA-8 " " "

Serial ATA

Bei SATA entfällt diese Unterscheidung. AHCI-Controller brauchen auch keine individuellen Treiber mehr.

Jahr Standard Nutzrate
(MByte/s)
Anschluss Erweiterungen
2002 SATA-1 / 1.5G 150 7-polig
2005 SATA-2 / 3G 300 7-polig NCQ
2008 SATA-3 / 6G 600 7-polig
2011 SATA-3.1 600 7-polig, mSATA Queued TRIM
2013 SATA-3.2 1000–2000 7-polig, M.2 DevSleep, 1–2 PCIe 3.0 Lanes

SCSI und SAS

SCSI-Geräten erhalten per Jumpereinstellung eine ID im Intervall 0–7 oder ab Ultra-Wide 0–15, der Host-Adapter erhält eine eigene ID, meistens die 0.

Jahr Standard Variante Nutzrate
(MByte/s)
Geräte Anschluss
1986 SCSI-1 5 8 50-polig
1989 SCSI-2 Fast 10 8 "
" " Differential 10 8 ", verdrillt
" " Wide 20 16 68-polig
1993 SCSI 3 Ultra 20 5–8 50-polig
" " Ultra-Wide 40 5–8 68-polig
1997 Ultra-2 40 16 50-polig
" " Ultra2-Wide 80 16 68-polig
1999 Ultra-160 160 16 "
2002 Ultra-320 320 16 "
2004 SAS-1 300 16384 Seriell
2007 SAS-2 600 16384 Seriell
2010 SAS-3 1200 16384 Seriell

Optische Laufwerke

In den frühen 90er Jahren revolutionierte die CD-ROM mit der für damalige Verhältnisse riesigen Speicherkapazität die Nutzung von Computer für Multimedia, also das Abspielen von Musik und Bildern. Heute werden Filme auf DVD und BD vertrieben, davon abgesehen spielt die Nutzung optischer Speochermedien kaum noch eine Rolle.

Jahr Medium Beschreibbar Kapazität Dateisystem
1991 CD-ROM - 700 MB iso9660
1992 CD-R " "
1996 CD-RW 1000× " "
1995 DVD-ROM - 4.7 GB "
1996 DVD±R " "
1996 DVD±RW 1000× " "
1997 DVD-RAM 100000×" UDF
2002 BD - 25/50 GB "
BD-R 25–100 GB "
2006 BD-RE 1000× 25/50 GB "
2010 BDXL - 128 GB "
2014 BDNGHC 256 GB "
2015 AD 300/500/1000 GB "

Speicherkarten

CF-Karten findet man hauptsächlich noch in professionallen Digitalkameras. Sie messen 36,4 × 42,8 mm und sind 5,0 mm (Typ I) oder 3,3 mm (Typ II) dick.

Compact Flash
Jahr Version Übertragungsrate
(MByte/s)
Kapazität (GB)
1994 CompactFlash 1.0 8 128
2003 CompactFlash 2.0 16
2004 CompactFlash 3.0 66
2006 CompactFlash 4.0 133
2010 CompactFlash 5.0 / CFast 1.0 133/300
2012 CompactFlash 6.0 / CFast 2.0 167/600 512

SD-Karten werden als Speichermedien in Mobiltelefonen, Musikabspielgeräten, Digitalkameras, Tablets und Einplatinencomputern eingesetzt und meistens mit dem Dateisystem FAT32 oder neuerdings exFAT formatiert. Es gibt 3 Bauformen. Allerdings werden kaum noch miniSD-Karten hergestellt und in Mobiltelefonen werden hauptsächlich microSD-Karten verwendet.

Secure Digital
Jahr Version Bauform Maße (mm) Übertragungsrate
(MByte/s)
Kapazität (GB)
2001 SDSC 32 × 24 × 2,1 2 2
2006 SDHC miniSD 21 × 20 × 1,4 12½ 32
2009 SDXC UHS-I microSD 11 × 15 × 1,0 104 512
2013 SDXC UHS-II 312 32–128
2017 SDXC UHS-III 624

Netzwerk

Geräte für den Aufbau eines LAN.

Geräteklassen
Schicht Klasse …mit 2 Schnittstellen Anmerkungen
1 physisch Hub Repeater Verstärkung von Signalen
2 MAC Switch Bridge Kopplung und Lasttrennung
3 IP Router Gateway Verbindung von Netzwerken

Ethernet (IEEE 802.3)

Die schnellste Datenverbindung bietet ein Kabelnetzwerk. Zur Unterscheidung von Stromkabeln sind Ethernetkabel traditionell gelb.

Jahr Standard Name Nutzrate
(MByte/s)
Stecker Kabel
1973 0,36 Koaxial
1983 IEEE 802.3 10 Base-5 1,25 DIX/AUI Koaxial
1985 IEEE 802.3a 10 Base-2 1,25 BNC Koaxial
1990 IEEE 802.3i 10 Base-T 1,25 RJ-45 Twisted Pair
1995 IEEE 802.3u 100 Base-TX 12,5 RJ-45 Twisted Pair
1998 IEEE 802.3z 1000 Base-X 125 Glasfaser
1999 IEEE 802.3ab 1000 Base-T 125 RJ-45 Twisted Pair
2002 IEEE 802.3ae 10 GBase-… 1250 Glasfaser
2006 IEEE 802.3an 10 GBase-T 1250 RJ-45 Twisted Pair

Wireless (IEEE 802.11)

Drahtlose Netzwerke werden durch eine SSID identifiziert und mit Verschlüsselung gegen unbefugten Zugriff geschützt.

Jahr Standard Datenrate
(MBit/s)
Nutzrate
(MByte/s)
Frequenzband
GHz
1997 IEEE 802.11 2 0,25 2.4
1999 IEEE 802.11b 11 1,3 2.4
2002 IEEE 802.11g 54 6,5 2.4
2007 IEEE 802.11n 150 18 2.4
2012 IEEE 802.11ac 1300 160 5
2012 IEEE 802.11ad 6700 840 60

Damit im Sendebereich niemand mitschnüffeln kann, sollte die Kommunikation mittels WPA verschlüsselt werden, WEP ist längst geknackt.

WEP
Unsicher, verwendet RC4-Chiffrierung
TKIP
Übergangslösung für alte Hardware
WPA
Stand der Technik
WPA2
Benötigt einen RADIUS-Server

Drahtlose und kabelbasierte Netzwerke lassen sich zu nahezu beliebig kombinieren. Dazu eine Taxonomie der Infrastrukturen:

BSS
Einzelner AP ohne weitere Anschlüsse
ESS
Verbindung mehrerer APs mit identischer ESSID via Ethernet (Roaming)
WDS
Verbindung mehrerer APs per Funk

Powerline

Sogenannte DLAN-Adpater modulieren den Datenstrom auf das Stromnetz. So lassen sich Distanzen innerhalb eines Gebäudes ohne zusätzliche Kabel überbrücken.

Grafik

Folgende Parameter bestimmen die Darstellung:

Auflösung
Anzahl der Pixel absolut und relativ zur Bildschirmfläche in DPI oder PPI
Farbtiefe
Bits pro Pixel, 2 Bit schwarz/weiss, 8 Bit Graustufen, 8 oder 16 Bit Farbpalette oder 24 Bit Echtfarben
Bildwiederholrate
Bilder pro Sekunde, 60 für Bildschirme, 30 für Fernsehen, 24 im Kino
Horizontale und vertikale Frequenz bei Kathodenstrahlmonitoren (CRTs)
Umschaltzeit
Millisekunden von hell zu dunkel für schnelle Spiele bei digitalen Flachbildschirmen (DFPs)

Die benötigte Datenrate ergibt sich aus dem Produkt von Auflösung, Farbtiefe und Bildwiederholrate. Um beispielsweise 1920 × 1200 Pixel mit 3 Byte RGB-Echtfarben bei 60 Bildern pro Sekunde darzustellen, muss die Datenrate mindestens 395 Megabyte pro Sekunde betragen.

Stecker D-SUB DVI HDMI DisplayPort USB Typ C
Name D-SUB DVI HDMI DisplayPort Thunderbolt
USB Typ C

Bei den Anschlüssen unterscheidet man:

Jahr Name Maximale Auflösung Nutzrate
(MByte/s)
Beschreibung
1987 D-SUB HD15 1280 × 1024 analog CRTs & DFPs
1999 DVI-D 1920 × 1200 / single
2560 × 1600 / dual
465 TMDS für DFPs
2003 HDMI 1.0 1920 × 1200 495 DRM mit TMDS
2006 DisplayPort 1.0 2048 × 1280 647 VESA Std. incl. USB
2006 HDMI 1.3 2560 × 1600 1020
2007 DisplayPort 1.1 2560 × 1600 1080 DRM mit HDCP
2009 HDMI 1.4 3840 × 2160 @ 30fps 1020
2010 DisplayPort 1.2 4096 × 2560 2160 MST
2013 HDMI 2.0 3840 × 2160 2250
2014 DisplayPort 1.3 5120 × 2880 4050
2015 Thunderbolt 3 4096 × 2160 × 2 5000
2017 HDMI 2.1 10328 × 7760 8000 DSC 1.2

Typische Monitorauflösungen sind:

Jahr Name Auflösung Seiten-
verhältnis
Diagonale
bei 100 ppi
Megapixel
1953 NTSC 720 × 480 4:3 8''
1960 PAL 720 × 576 4:3 9''
1981 CGA 320 × 200 16:10 4''
1985 VGA 640 × 480 4:3 8'' 0,3
1988 SVGA 800 × 600 4:3 10'' 0,5
1990 XGA 1024 × 768 4:3 13'' 0,8
EDTV 1280 × 720 16:9 14'' 0,9
WXGA 1366 × 768 5:3 15'' 1,0
SXGA 1280 × 1024 5:4 16'' 1,3
SXGA+ 1400 × 1050 4:3 17'' 1,5
WSXGA 1680 × 1050 16:10 20'' 1,8
UXGA 1600 × 1200 4:3 20'' 1,9
2005 HD 1920 × 1080 16:9 22'' 2,1
WUXGA1920 × 120016:1023'' 2,3
WQHD 2560 × 1440 16:9 28'' 3,7
WQXGA 2560 × 1600 16:10 30'' 4,1
QSXGA 2560 × 2048 5:4 32'' 5,2
3200 × 1800 16:9 36'' 5,8
2012 4K UHD 3840 × 2160 16:9 43'' 8,3
QUXGA 3200 × 2400 4:3 40'' 7,7
WQUXGA 3840 × 2400 16:10 45'' 9,2
2014 5K (Retina) 5120 × 2880 16:9 58'' 14,7
2015 8K UHD 7680 × 4320 16:9 87'' 33,1
2017 10K 10328 × 7760 4:3 80

Seitenverhältnisse im Vergleich:

Audio

Jahr Name Kanäle Sampling Auflösung Beschreibung
1986 I²S 2 44.1 kHz 16 Bit Stereo CD-Qualität
1996 AC'97 2 48 kHz 16 Bit Analoger CD-ROM Anschluss
1998 AC'97 2.1 6 48 kHz 16 Bit 5.1 Surround-Sound
2000 AC'97 2.2 6 48 kHz 20 Bit Optionaler S/PDIF Ausgang
AC'97 2.3 6 48 kHz 20 Bit Jack Sensing
2004 HDA 8 192 kHz 32 Bit 7.1 Surround-Sound

Abtastraten jenseits 44 KHz und Auflösungen jenseits 16 Bit sind physiologisch sinnlos, da das menschliche Ohr maximal Frequenzen zwischen 20Hz und 20KHz wahrnimmt und die Dynamik den Bereich bis an die Schmerzgrenze abdeckt.

Nutzrate

In der Praxis werden selten die theoretischen Datenraten erreicht. Für die gefühlte Schwuppzidität bei der interaktiven Arbeit fallen Latenz und die Anzahl kleiner zufällig verteilter Lese- und Schreiboperationen (IOPS) stärker ins Gewicht. Beim Kopieren großer Datenmengen bestimmt die sequentielle Schreibrate die Dauer.

Datenrate
(MBit/s)
Nutzrate
(MByte/s)
Dauer pro
Terabyte
Datenträger Netzwerk
0,05 0,007 4½ Jahre 56K Modem
1.22 0,153 80 Tage 1X CD-ROM
12 1,5 8 Tage USB 1.0
54 6,5 2 Tage 11g Wireless
100 11 26 Stunden 72X CD-ROM Fast Ethernet
150 18 16 Stunden 11n Wireless
160 20 14 Stunden USB 2.0 Stick
1000 100 3 Stunden Gigabit Ethernet
1300 160 2 Stunden Festplatte 11ac Wireless
550 32 Minuten SATA-3 SSD
1200 15 Minuten USB SuperSpeed+ 10 Gigabit Ethernet
2250 7 Minuten HDMI 2.0
4900 4 Minuten PCIe-3.0 SSD
25600 40 Sekunden DDR4-3200

Literatur

  1. Elektronik Kompendium: Computertechnik
  2. Wikimedia: Video Standards
  3. Emmanuel Goossaert: What every programmer should know about solid-state drives