Kapitel 8

Die Hauptplatine (Motherboard)

In diesem Kapitel soll Ihnen ein kleiner Einblick in die Funktionsabläufe in Ihrem Computer gewährt werden.

Bus

Die Bestandteile der Zentraleinheit sind über ein Leitersystem auf der Hauptplatine miteinander verbunden. Der Datenbus transportiert die Daten zwischen Rechenwerk, Speicher und I/O-Geräten. Die Speicheradressen werden durch den Adressbus an den Arbeitsspeicher (RAM) übertragen. Die Geschwindigkeit der Datenübertragung ist abhängig von der Taktfrequenz (bis zu 133 MHz) und der Breite des Datenbus, z.B. kann ein 16-Bit Bus gleichzeitig über 16 Datenleitungen 16 Bit (Impulse) pro Takt übertragen.

I/O

Dies sind die Datenleitungen zu den PS/2 (Maus, Tastatur), seriellen (z.B. Modem) und parallelen (z.B. Drucker) Anschlüssen. Auch die Steckkartenplätze (Slots) gehören hierzu. Slots nehmen Erweiterungen wie Grafik-, Sound-, Netzwerk- oder ISDN-Karten auf. Auf neueren Computern sind Teile dieser Erweiterungen schon fester Bestandteil auf der Hauptplatine.

CPU

Die CPU oder auch Mikroprozessor genannt, besteht aus dem Rechen- und Steuerwerk. Das Steuerwerk interpretiert und koordiniert die Befehle, die aus dem RAM in den schnellen internen Speicher ausgelesen werden. Das Rechenwerk wiederum erhält seine Befehle direkt vom Steuerwerk und führt die Berechnungen durch, die auf der Addition von Zahlen beruhen.

Taktgeber

Der Taktgeber ist ein Quarz, der sich auf der Hauptplatine befindet und durch elektrischen Strom in Schwingungen (Takt) gebracht wird. Der Takt wird in Megahertz (MHz) bzw. heute schon in Gigahertz (GHz) gemessen, wobei 1 MHz einer Million Takte pro Sekunde entspricht.

Coprozessor

Anfangs mussten Berechnungen mit Gleitkommazahlen noch von Programmen durchgeführt werden, da die ersten Prozessoren von Intel hierzu nicht in der Lage waren. Dadurch sank natürlich auch die Arbeitsgeschwindigkeit. Später konnte ein weiterer Prozessor, der Coprozessor, eingebaut werden und diese Arbeiten mit einer erheblichen Geschwindigkeitssteigerung bei den entsprechenden Anwendungen ausführen.

Merkmale der Intel-Prozessoren

Die verschiedenen Prozessoren wurden von Beginn an immer weiter entwickelt. Arbeitete ein 8086/8088 Prozessor noch mit einer externen Datenbusbreite von 16 Bit, konnten die nachfolgenden Modelle schon mit einer Breite von 32 Bit (386 und 486) auftrumpfen. Sie waren in der Lage, mehrere Aufgaben gleichzeitig zu erledigen, ein Coprozessor beschleunigte die Arbeitsgeschwindigkeit und ein auf dem Prozessor integrierter Cache-Speicher (Zwischenspeicher) erlaubte den schnelleren Zugriff auf Daten und Befehle.

Ausserdem konnten mit den neueren Prozessoren Client-Server-Architekturen (Netzwerke) realisiert werden. Ab der Pentium-Generation wurden die Prozessoren mit einer Busbreite von 64 Bit ausgeliefert. Die Integration neuer Befehle und ein zweiter Cache-Speicher tragen unter anderem dazu bei, das auch rechenintensive Multimedia-Anwendungen kein Problem mehr für diese Prozessoren darstellen.

RAM

Der Arbeitsspeicher (Random Access Memory) ist das Kurzzeitgedächtnis Ihres Computers. Neben dem Betriebssystem werden hier alle laufenden Anwendungen sowie geöffneten Dateien gespeichert. Die Grösse dieses Speichers entscheidet mit über die Geschwindigkeit des Computers. Sollte der Speicher zu klein bemessen sein oder Sie haben zu viele Anwendungen gestartet, muss, wenn der Arbeitsspeicher voll ist, auf den sogenannten virtuellen Speicher zurückgegriffen werden. Dieser Speicherraum wird auf der Festplatte eingerichtet, deren Zugriffszeit aber weit hinter dem des Arbeitsspeichers liegt. Sobald der Speicher nicht mehr mit Strom versorgt wird, gehen alle Daten verloren.

ROM

Das Langzeitgedächtnis Ihres Computers, das ROM (Read Only Memory) speichert die Befehle zum Start Ihres Computers gespeichert. Es beinhaltet z.B. die Systemzeit, die Art der eingebauten Schnittstellenkarten sowie die Festplattendaten. Auch diese Daten würden verloren gehen, sobald die Stromzufuhr unterbrochen wird. Damit dies aber nicht passiert, wird der Speicher durch eine kleine Batterie oder einen Akku laufend, auch in abgeschaltetem Betrieb, mit Spannung versorgt.

Dateiverwaltung

Den meisten Platz auf Ihrer Festplatte belegen Programmdateien und Dateien, die Sie selber erstellt haben. Alles, was an Ihrem Computer geschieht, setzt eine auf der Festplatte gespeicherte Datei voraus, egal ob Sie ein Programm direkt oder über die Verknüpfung (Doppelklick auf einen Dateinamen, z.B. ‚Brief.doc’) zur Datei starten. Auf die entsprechenden Dateien und Ordner greifen Sie über die vergebenen Namen zu. Weiterhin haben Sie noch die zusätzlichen Informationen wie Datum, Grösse oder Dateiattribute zur Verfügung.

FAT, Root und Cluster

Was passiert genau, wenn Sie z.B. ein Verzeichnis oder eine Datei öffnen? Da das Betriebssystem mit den vergebenen Namen nichts anfangen kann, werden alle Ordner und Dateien anhand durchnummerierter Zuordnungseinheiten, den Clustern, verwaltet. Wenn Sie z.B. die Datei ‚Brief.doc’ aufrufen, weiss das Betriebssystem, dass sich diese Datei in den Clustern 119250 und 119251 befindet, aber woher kommen diese Informationen?

FAT

Im vorderen Bereich der Festplatte, organisatorisch gesehen direkt hinter dem reservierten Startbereich mit der Partitionstabelle und dem Bootsektor, befinden sich zwei entscheidende Tabellen. Die FAT (File Allocation Table) besteht nur aus hexadezimalen Werten. Sie enthält für jeden für jeden auf der Festplatte verfügbaren Cluster vereinfacht dargestellt entweder einen der folgenden reservierten Werte

00 00	freier Cluster
FF F7	fehlerhafter Cluster
FF FF	Schluss-Cluster einer Datei
oder aber einen beliebigen anderen Wert
XX XX	nächster Cluster einer Datei

wobei XX XX dann die Nummer des Clusters ist, der die nächstfolgenden Daten der gewählten Datei enthält. Das bedeutet, sobald das Betriebssystem den Start-Cluster einer Datei gefunden hat, kann es anhand der Cluster-Zeiger in der FAT auch die restlichen Cluster bis hin zum Schluss-Cluster finden.

Root

Die zweite Tabelle, die Root-Verzeichnistabelle, folgt direkt der FAT-Tabelle und ist das Bindeglied zwischen den Clustern und den Datei- bzw. Ordnernamen. Jede Datei und auch jeder Ordner sind in dieser Tabelle in einem 32 Bytes langen Eintrag angelegt

Byte 1-11	Name und Dateinamenerweiterung
Byte 12	Dateiattribute (gilt auch für Ordner, da ein Ordner auch nur eine Datei mit dem Vermerk 'Verzeichnis' ist)
Byte 13-20	ungenutzt oder enthalten erweiterte Dateiattribute
Byte 21-22	Start-Cluster (unter FAT16 leer, unter FAT32 Teil 2)
Byte 23-24	Zeit
Byte 25-26	Datum
Byte 27-28	Start-Cluster (unter FAT32 Teil 1)
Byte 29-32	Byte-Zahl der Datei

Mit Hilfe dieser Einträge findet das Betriebssystem die entscheidenden Start-Cluster der gewünschten Datei. Die eventuellen Folge-Cluster findet es dann wieder in der FAT-Tabelle. Die Einträge für das Root-Verzeichnis befinden sich direkt hinter der FAT, alle anderen Unterverzeichnisse liegen über die gesamte Festplatte verstreut und werden genauso wie die Dateien über den Start-Cluster angesteuert.

Wenn Sie z.B. die Datei ‚Win.com’ im Verzeichnis ‚C:\Windows’ benötigen, beginnt die Suche im Root-Verzeichnis nach dem Dateinamen ‚Windows’. Wenn dieser dort vorhanden ist, springt das System zum Start-Cluster, der in Byte 27-28 des Eintrags ‚Windows’ angegeben ist. In diesem Cluster findet es nun die Verzeichniseinträge für ‚C:\Windows’ und im Normalfall auch den Namen ‚Win.com’. Nun muss wieder die Nummer des Start-Clusters festgestellt und alle Daten einschliesslich der eventuellen Folge-Cluster geladen werden.

Fragmentierung der Dateien

Wenn Sie sich die Dateien und Ordner im ‚Explorer’ ansehen, sind diese fein säuberlich nach bestimmten Kriterien geordnet. Tatsächlich befinden sich die Daten aber zum Teil verstreut und nur durch die Cluster-Verweise strukturiert, auf Ihrer Festplatte. Da Windows für neu hinzugekommene Daten stets den ersten freien Cluster verwendet, kommt es zwangsläufig zur Fragmentierung, dass heisst die Cluster, die zu einer Datei oder Verzeichnis gehören, liegen unzusammenhängend auf der Festplatte verteilt. Der Start-Cluster ‚Y’ verweist in der FAT dann nicht auf den Folge-Cluster ‚Y+1’ sondern vielleicht auf ‚Y+150’ und dieser dann auf ‚Y+210’. Dies ist für das Betriebssystem kein Problem, bei zu starker Fragmentierung dauert aber das Zusammensuchen der Cluster seine Zeit und das System wird langsamer. Dateisysteme wie z.B. NTFS (Windows NT) wirken der Fragmentierung dahin gehend entgegen, dass sie zumindest für die Verzeichnis einige Folge-Cluster für weitere Einträge reservieren.

Ein weiterer Faktor für die Fragmentierung ist die Cluster-Grösse. Je kleiner die Cluster, desto grösser ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Datei auf mehrere Cluster verteilt abgelegt werden muss. Eine Datei in der Grösse von 160 KB wird in 40 Cluster (bei 4 KB-Clustern) bzw. nur in 5 Cluster (bei 32 KB-Clustern) zerlegt. Bei grossen Clustern ist die Fragmentierung geringer, diese haben aber den Nachteil, dass viel Speicherplatz verschwendet wird. Ein 8 KB Datei passt in zwei Cluster ohne Platzverschwendung. Bei Cluster-Grössen von 32 KB würde die Datei zwar nicht zerlegt aber 24 KB an Platz verschenkt. Auf tausende Dateien, die sich in der Regel auf Ihrer Festplatte befinden, macht das schnell einige hundert Megabyte aus.

Defragmentierung

Gegen die Fragmentierung helfen Ihnen spezielle Defragmentier-Programme. Sie verhindern nicht die Fragmentierung, sondern gehen die FAT Cluster für Cluster durch und suchen Verweise auf weiter entfernte Cluster. Werden solche Cluster gefunden, wird der Inhalt des unmittelbar folgenden Clusters an das freie Ende der Festplatte verschoben um Platz für den weit entfernten Cluster zu schaffen.

Dieser Vorgang setzt sich fort, bis alle Dateien in kontinuierlich aufeinanderfolgenden Clustern untergebracht sind. Dieser Massentransport von Daten dauert seine Zeit und verlängert sich zusätzlich, wenn der Platz am Ende der Festplatte begrenzt ist und weiterhin Schreibzugriffe durch das Ausführen anderer Programme erfolgen. Deshalb sollte man die Defragmentierung nach getaner Arbeit starten, z.B. über Nacht, da keine Eingaben in Dialogfenstern erforderlich sind.

Die Unterschiede in der Verwaltung

Der Unterschied zwischen FAT12, wird bei Disketten verwendet, FAT16 bei Festplatten und FAT32 optional bei Festplatten ab Windows 95B besteht lediglich in der Anzahl der Bits für die Cluster-Zeiger, hat aber gravierende Auswirkungen.

Wie bereits oben beschrieben, besteht der Start-Cluster aus 2 Bytes (27 + 28), also 16 Bits. Weiter verwendet die FAT für die Zeiger auf die Folge-Cluster je 2 Bytes pro Eintrag. Dies gilt allerdings nur für FAT16, FAT12 für die Disketten begnügt sich mit 1,5 Bytes (12 Bits) in der Verzeichnistabelle und FAT. Die FAT32 stellt grundsätzlich 4 Bytes zur Verfügung, wobei aber derzeit nur 28 Bits genutzt werden. Die zusätzlich benötigten 2 Bytes im Verzeichniseintrag wurden auf die Bytes 21 + 22 gelegt, die bei FAT16 frei bleiben. Auch die Einträge in der FAT mussten natürlich auf 4 Bytes verdoppelt werden.

Aus der Zahl der Bits für die Cluster-Zeiger lässt sich die Zahl der Cluster errechnen, die das Dateisystem verwalten kann:

FAT12	212	4096
FAT16	216	65536
FAT32	228	268435456

Das Problem bei FAT16 ist die Einteilung in Cluster von maximal möglichen 32 KB (Platzverschwendung), da die Zahl der möglichen Sektoren auf 64 beschränkt ist und ein Sektor aus 512 Bytes besteht. Dies bedeutet, dass die Obergrenze einer Festplatte bei 2 GB liegt (65.536 x 32 = 2.097.152 KB). FAT32 kommt bei Festplatten bis 8 GB noch mit Cluster-Grössen von 4 KB aus und bei Cluster-Grössen von 32 KB sind Festplatten mit einer Speicherkapazität im Terabyte-Bereich möglich.

Für den ECDL reichen Ihnen diese Informationen, wobei dieses letzte Kapitel doch schon sehr weit in die inneren Abläufe eindringt. Zum allgemeinen Verständnis sind aber solche Informationen allemal von Nutzen.

Viel Spass in der IT-Gesellschaft wünscht

Kapitel 8