1.1. Wie sind Computersysteme aufgebaut und wie kann ihre Leistungsfähigkeit eingeschätzt werden?

Lernziele

Sie lernen etwas über den Aufbau, die Komponenten und Leistungsbeurteilung eines modernen Computers (Rechners).
Sie testen praktisch die Leistungsfähigkeit (Performance) eines Computers, der Ihnen zugänglich ist.
Sie stellen aus Komponenten, die sie selbst selektieren können, einen an einem Nutzerprofil orientierten Computer auf einer Shop-Seite zusammen.

Etwas Theorie…

Die Grundarchitektur von heutigen Computern (das inkludiert heutige Personal Computer, Laptops/Notebooks, Server, ThinClients/Kassensysteme, aber auch Tablets und Smartphones) basiert auf dem Konzept, das bereits im Jahr 1946 von John von Neumann entwickelt wurde. Mit einigen Anpassungen und Abänderungen gilt das damalige Funktionsprinzip noch heute. Es besteht aus folgenden Komponenten (vgl. Rheinwerk Computing 2013):

Das Steuerwerk liest einen Befehl und seine Operanden nach dem anderen und interpretiert ihn anhand einer Befehlstabelle.
Das Rechenwerk führt die diversen arithmetischen und logischen Operationen durch.
Der Hauptspeicher enthält die Befehle des zurzeit ausgeführten Programms und die Daten, die gerade verarbeitet werden.
Ein- und Ausgabeeinheit (I/O für Input/Output) kommunizieren mit dem Nutzer, um neue Programme und Daten entgegenzunehmen und fertig verarbeitete Daten wieder auszugeben.

In modernen Computern werden die ersten beiden Funktionen im sog. Hauptprozessor (CPU für Central Processing Unit) zusammengefasst.

Beim Hauptspeicher handelt es sich in der Regel um sog. “flüchtigen” Speicher (Volatile Memory), d.h. der Speicher verliert seinen Inhalt, wenn der Computer ausgestaltet ist. Daten und Programme müssen zur Verarbeitung jedes mal nach einem Aus- und Anschalten erneut in den Hauptspeicher geladen werden.

Dem gegenüber steht der sog. “nicht-flüchtige” Speicher (Non-Volatile Memory), z.B. in Festplatten oder USB-Sticks, der Daten auch in ausgeschalteten, d.h. im nicht mit Strom versorgten Zustand, behalten kann. Nach dem Anschalten des Computers können diese wieder auslesen werden.

Dies geschieht über einen sog. Bus (im Prinzip eine Art Signalverteiler für weitere an den Prozessor angeschlossene I/O-Einheiten), über die die so angeschlossenen Peripheriegeräte mit der CPU kommunizieren bzw. Daten austauschen können. Die wichtigesten dieser Busse in heutigen Systemen sind der PCI-Express Bus (Peripheral Component Interconnect Express), an den z.B. Grafikarten, Netzwerkschnittstellen oder besonders schnelle SSDs (z.B. NVME via M.2-Connector) angeschlossen werden und der SATA-Bus (Serial AT Attachment), über den Festplatten (HDDs und SSDs) angeschlossen werden. Der erste dieser Busse ist direkt an die CPU angeschlossen und besonders performant (schnell), der zweite wird indirekt über eine Zwischenschnittstelle, einen eigenen Chip – die sog. Southbridge – an die CPU angeschlossen. An dieser Southbridge sind i.d.R. Funktionen wie USB-Schnitstellen, SATA-Schnitstellen, Audio-I/O-Chip, Ethernet und Wifi (WLAN) gebündelt angeschlossen, die weniger Performance (Datendurchsatz in der Kommunikation mit der CPU) erfordern.

Abbildung: Mainboard der Firma Gigabyte für aktuelle Intel-Prozessoren der zehnten Generation – eigene Beschriftung.

Wenn Sie sich dafür interessieren, welche Komponten z.B. beim Bau eines Desktop-PCs zur Verwendung kommen, können Sie sich beispielsweise folgendes Video anschauen:

Bits und Bytes

Die elementare Information, die ein Computer speichern und verarbeiten kann, ist das sog. Bit. Ein Bit kann entweder den Wert 0 oder 1 annehmen. Fasst man mehrere Bits zusammen lassen sich über die so entstehenden Kombinationsmöglichkeiten mittels des binären Systems Zahlen abbilden. Historisch wurden zunächst 8 Bit zu einem sog. Byte zusammengefasst. Damit lassen sich 2 hoch 8 verschiedene Kombinationsmöglichkeit abbilden und damit ein Zahlenbereich von 0 – 255 (=256 verschiedene Zahlen). In der Informationstechnologie ist es üblich geworden, diese Zahlen nicht im Binärsystem, sondern im Hexadezimalsystem zu beschreiben.

Der erste American Standardcode for Information Language (ASCII) nutzte 7 dieser 8 Bits, um durch die so entstehenden Kombinationsmöglichkeiten innerhalb eines Bytes als “menschlich” lesbare Zeichen zu interpretieren. So konnte folglich eines von insgesamt 128 Zeichen (2 hoch 7, die Null ist immer als eigene Zahl inkludiert) durch ein Byte repräsentiert werden.

!"#$%&'()*+,-./0123456789:;<=>?
@ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ[\]^_
`abcdefghijklmnopqrstuvwxyz{|}~

Die 95 druckbaren der insgesamt 128 Zeichen, die durch den sog. ASCII-Code in seiner ursprüngliche Fassung aus dem Jahr 1963 repräsentiert wurden

Performance von Rechnern/Computern

In einem Computer tauscht und verarbeitet die CPU mit den enthaltenen Komponenten und über externe Schnittstellen (USB, WLAN/Netzwerk, Maus-Tastatur, Kamera, etc.) Daten aus. Die CPU bzw. das oben genannte Steuerwerk innerhalb der CPU arbeitet dabei mit einem bestimmten Takt, d.h. einer Frequenz in der Instruktionen, arithmetische Operationen schrittweise verarbeitet und ihre Ergebnisse in den Arbeitsspeicher geschrieben werden. Doch takten nicht alle Komponenten in einem Computer gleich. Jedes Subsystem, auch die erwähnten Busse zu Speicher und anderen Komponenten, sowie die Southbridge arbeiten mit jeweils eigenen Taktraten. Diese verfügen potenziell wieder über eigenen Speicher, vom dem gelesen und auf den geschrieben wird (Zwischenspeicher). Außerdem kommen bzw. kamen in früheren Computersystemen auch mechanische Komponenten hinzu (z.B. Festplatten, deren Datenträger auf Magnetspeicherung von Daten auf einer rotierenden Platte und Auslesen dieser Daten mittels eines mechanischen Lesekopfs beruht = HDD), die im Vergleich zu direkten elektrischen Signalübertragungen rein physikalisch bedingt langsamer sind.

Außerdem verfügen die Busse über unterschiedliche Technologien, was die Anzahl an Bits angeht, die parallel während eines Taktzyklus übertragen werden können. D.h. die Anzahl an parallel übertragbaren Datenbits variieren. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von der Bus”breite”. Durch eine Verdopplung der Busbreite können im BestCase auch doppelt so viele Daten übertragen werden. Z.B. kann durch die Verwendung von zwei statt einer Datenleitung, über die einzelne Bits übertragen werden, auch die Datendurchsatzrate verdoppelt werden. Der eingangs genannte PCI-Express-Bus verfügt z.B. über jeweils bis zu 16 Datentransferleitungen, die aus Receiver (Rx) und Transceiver (Tx) bestehen, über die Daten parallel gesendet und empfangen werden können.

Bis also ein einzelnes Bit oder eines bzw. mehrere Bytes beispielsweise von einem zu lesenden Datenträger (etwa einer mechanisch rotierenden Festplatte) in den Speicher geschrieben wird, “passiert” es sozusagen mehre Schnittstellen (Busse): Zuerst weitere vorgeschaltete Prozessoren bzw. Mikrocontroller und die CPU, über die es in den Hauptspeicher geschrieben wird, um dort von einer Softwareanwendung (einem im Hauptspeicher hinterlegten Programmcode) weiterverarbeitet zu werden (was natürlich wieder über die CPU erfolgt).

Was Sie an dieser Stelle verstehen sollten: Ein Computer ist ein komplexes System mit sehr heterogerer Struktur zu Datenverarbeitung. Es gibt – bildlich gesprochen – viele “Brücken” in der Verarbeitung und im Transfer der Daten (Bits bzw. Bytes). Jede dieser “Brücken”, Schnitstellen und auch die Leistungsfähigkeit der angeschlossenen Peripheriegeräte selbst wirkt sich auf die Performance des Computers, also der Geschwindigkeit, mit der Daten verarbeitet werden können, aus. Das schwächste Glied in dieser Kette kann also eine negative Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems haben – je nachdem wie und welche Art von Verarbeitung stattfindet und welche Komponenten des Computers an dieser Verarbeitung beteiligt sind. Man nennt das auch Bottleneck-Effekt (Flaschenhals-Effekt).

Abb.: Komponentenkategorien eines Computers (hier ein Desktop-PC) als logische Ansicht innerhalb des Betriebssystems Microsoft Windows 10 (Anm.: hier werden logische und physische Ressourcen vermischt dargestellt).

Energieeffizienz von Computern und ökologische Aspekte: Ecodesign

Jede einzelne Komponente eines Computers verbraucht für sich Energie. Dabei gibt es vereinfacht betrachtet zwei Verbrauchskategorien: Eine Grundlast, die jede Komponente verbraucht, auch wenn durch sie keine Daten verarbeitet werden, und eine leistungsabhängige Last (berechnet im Verhältnis von Rechenleistung zu Stromverbrauch), die zusätzlich und in Abhängigkeit der Art und Anzahl der verarbeiteten Daten aufgewendet wird. Erstes kann man als Leerlauf-Verbrauch (sog. Idle-Consumption), letzteres als Lastverbrauch (Load-Consumption) bezeichnen.

Es gibt verschiedene umwelt- und verbrauchsorientierte Richtlinien und Eco-Labels nach denen IT-Produkte designt werden können, um den Lastverbrauch für beide Leistungszustände bzw. für verschiedene Zwischenzustände zu optimieren bzw. möglichst niedrig zu halten, um Energie und letztlich damit aber auch Nutzungskosten für die Anwender zu sparen. Sie können sich hier einen Überblick über verschiedene Siegel und deren Kriterien verschaffen, die für den PC/Laptop/Tablet-Bereich existieren. Es lohnt sich, sich exemplarisch mit dem TCO-Label und desssen Kriterien zu befassen: TCO Kriterien

Außerdem können der Einsatz von Ressourcen und Energie bei der Produktion des Computers und die Möglichkeit der Wiederverwendung (Recycability) ein wichtiges ökologisches Nachhaltigkeitskriterium sein, das beispielsweise in Ausschreibungen der öffentlichen Hand als Vergabekriterium für einen möglich Beschaffungsauftrag eine Rolle spielen.

Einen Überblick über die möglichen leistungs- und funktionstechnischen Anforderungen an Computer (z.B. Desktop-PCs oder Laptops) können Sie sich auf der Seite ITK Beschaffung machen. Hier finden Sie pdf-Dateien mit Hinweisen zur Beschaffung von Desktop-PCs und Laptops. Diese bilden die Grundlage für die Aufgabe, die Ihnen zu dieser Lerneinheit gestellt wird, und sollten heruntergeladen werden.

Anforderungen an Leistung und Energieeffizienz – Beschaffungen der öffentlichen Hand

Zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit (Performance) eines Computers existieren unterschiedliche sog. Benchmark-Programme, die mittels standardisierter Lastszenarien zu Datenverarbeitung und simulierten Nutzereingaben Messwerte generieren. Diese wiederum können in Ausschreibungen eine Rolle spielen und z.B. als Mindestkriterium für zu beschaffende Computer definiert werden. Ein aktuell genutzter, universaler (d.h. auf möglichst viele Komponenten des Computers bezogener) Benchmark, der auch für den Endnutzer in der Basisversion kostenfrei zugänglich ist, ist beispielsweise der PCMark 10 des Entwicklers UL, den Sie beispielsweise hier herunterladen können. Darüber hinaus gibt es auch Benchmarks, die gezielt die Leistungsfähigkeit einzelner Komponenten in den Blick nehmen (z.B. CrystalDiskMarkfür Festplatten und SSDs, 3DMark für die Grafik- bzw. 3D-Performance eines Rechners, und Cinebench für die CPU-Leistung).

Die Überprüfung des Energieverbrauchs erfolgt in der Regel über die Vergabe von zertifizierten Eco-Labels oder durch unabhängige Labore, deren Angaben der Hersteller dann in der Dokumentation seiner Produkte verwenden darf. Dazu gehören z.B. das Energy Star Label oder das EPEAT Label.

Auch die Geräusch- bzw. Lautstärkeentwicklung eines Computers kann bei einer Beschaffung berücksichtigt werden, da zu laute Geräusche, die durch die in der Regel enthaltenen Lüfter entstehen können (bei minderer Qualität des thermischen Designs), die Nutzung beeinträchtigen können.

Entscheidend für die zu beschaffenden Computer (egal ob Desktop-PC, Laptop oder Tablet) ist das Herstellen einer Passung von Nutzungsanforderungen (Nutzungsszenarien) und der für diese Nutzungsanforderungen ausreichenden bzw. die nötigen Hardware- und Softwareausstattung der Computer, die beschafft werden sollen.

Informationstechnische Grundkenntnisse für Lehramtsstudierende