Computerhardware: Hauptplatine

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bestückte Leiterplatte

Elektronische Bauelemente werden auf Leiterplatten montiert. Eine Leiterplatte besteht aus einer etwa 1 mm dicken Trägerplatte aus Isoliermaterial. Auf der Oberfläche der Platte sind Leiterzüge aus Kupfer angeordnet. Zur besseren Leitfähigkeit wird das Kupfer meist versilbert oder vergoldet. Wenn die Trägerplatte auf beiden Seiten Leiterzüge hat, wird die Leiterplatte zweilagig genannt. Für komplexe Schaltungen werden mehrere Leiterplatten aufeinandergeklebt, was vier- und sechslagige Leiterplatten ergibt. Die Platte wird gebohrt und die Bohrlöcher werden innen verzinnt, um die Leiterebenen miteinander zu verbinden. Zum Abschluss werden Widerstände, Kondensatoren und elektronische Bauelemente in die Bohrungen gesteckt und verlötet. Damit ist eine Platine (englisch: board) entstanden - so nennt man eine Leiterplatte mit aufgelöteten elektronischen Bauteilen.

Hauptplatine für Pentium III Prozessor

Die größte Platine im Computer (etwa 18 x 30 cm) nennt man Hauptplatine (englisch: Mainboard oder Motherboard). Meist ist sie achtlagig, um mehr Leiterzüge auf der Fläche unterzubringen. Die Schaltkreise können zusammenrücken, was einen Geschwindigkeitsvorteil ergibt: In einer drittel Nanosekunde (so lange dauert ein Takt einer 3-GHz-CPU) legt ein elektrisches Signal nur 10 cm zurück. Die Hauptplatine wird mit Abstandsbolzen im Gehäuse befestigt. Die Position der Befestigungspunkte ist durch den so genannten Formfaktor definiert. Die Hauptplatine ist Träger für zahlreiche Steckplätze, Schaltkreisfassungen, externe und interne Anschlüsse und elektronische Baugruppen.

Eine spezielle Gruppe von Platinen der Abmessung von etwa 10 x 18 Zentimetern nennt man „Erweiterungskarte“ oder nur „Karte“. Es gibt je nach Funktion Grafikkarten, Soundkarten, ISDN-Karten, Netzwerkkarten, Fernsehkarten und viele mehr. Die Steckplätze der Hauptplatine, wohinein die Erweiterungskarten gesteckt werden, heißen „Slots“. Die Erweiterungskarten stecken senkrecht auf der Hauptplatine. Eine typische Hauptplatine hat drei bis sieben Steckplätze (Slots) für Erweiterungskarten. Die Slots sind nach Abmessung, Anzahl und Anordnung der Kontakte unterschiedlich.

Auf dem Bild „Hauptplatine für Pentium III Prozessor“ sehen Sie eine ältere, relativ übersichtliche Hauptplatine mit sieben Slots. Ganz rechts auf der Platine befinden sich zwei schwarze ISA Steckplätze (Industrie Standard Architektur), die auf modernen Hauptplatinen nicht mehr verwendet werden. Links davon befinden sich vier weiße Gimp-icon-vergrössern-verkleinern.png PCI-Steckplätze (Peripheral Computer Interface).

Weiter zur Mitte befindet sich ein brauner Gimp-icon-vergrössern-verkleinern.png AGP-Steckplatz (Advanced Graphic Port) für die Grafikkarte. Der AGP-Steckplatz begann die Ablösung von AGP durch schnellere Gimp-icon-vergrössern-verkleinern.png PCI-Express-Steckplätze. PCI Express, abgekürzt PCIe, ist eine Weiterentwicklung von PCI. PCIe kann mehrere Übertragungskanäle bündeln. Die kurzen PCIe x1 Steckplätze übertragen 250 MByte/s. PCIe x16 bündelt 16 Kanäle und kann 4000 MByte/s transportieren. Inzwischen sind Mainboards mit AGP-Steckplatz zu Exoten geworden.

Weiterhin findet man auf der Hauptplatine zwei bis sechs Steckplätze für RAM (Arbeitsspeicher). Auf dem Foto sind es drei, welche oberhalb des CPU-Sockels angeordnet sind. Direkt auf der Hauptplatine sind der Taktgeber, die Uhr, der Gimp-icon-vergrössern-verkleinern.png Chipsatz und andere Bauteile aufgelötet.

Hier können Sie mehr über RAM lesen.


Sockel 462 (Ausschnitt aus obigem Bild)

Auf der Hauptplatine befindet sich ein Schaltkreis-Sockel (englisch: Socket), in den der Prozessor gesteckt wird. Das Bild zeigt den „Sockel 462“ für Prozessoren mit 462 Anschlusskontakten. Um eine CPU mit so vielen Anschlüssen ohne Risiko einsetzen zu können, werden ZIF-Sockels (Zero Insertion Force, auf deutsch etwa: Null-Kraft-Sockel) verwendet, die mit einem Schwenkhebel (im Bild: unten) ausgestattet sind. „Null Kraft“ ist allerdings etwas übertrieben, und das Einsetzen des Prozessors erfordert einiges Geschick.

Dual-Core-CPU D 925 von unten, rechts der aufgeklappte Sockel

Weil die Prozessoren immer mehr Anschlusskontakte brauchen, gibt es zahlreiche Sockeltypen. Das nebenstehende Bild zeigt links eine Intel Dual-Core-CPU D925 (3 GHz) von unten, rechts ist ein Stück der Hauptplatine mit den Sockel 775 zu sehen. Die Andruckplatte ist hochgeklappt (im Bild: unten), und im oberen Teil der Prozessorfassung ist der Ansatz des Verriegelungshebels zu sehen. Der neueste Sockel von AMD ist der AM3 mit 941 Kontakten. Die neuesten Intel-CPUs haben 1156 oder 1366 Kontakte.

Die Bestandteile der Hauptplatine[Bearbeiten]

ASRock K7VT4A – KT400A Chipsatz

Einige hier vorkommende Fachbegriffe und Abkürzungen werden erst in späteren Kapiteln ausführlich erläutert.

Chipsatz, Northbridge und Southbridge Die Northbridge ist ein Schaltkreis, der die CPU mit dem Arbeitsspeicher, der Grafikkarte und der Southbridge verbindet. Manchmal ist eine einfache Grafikkarte in die Northbridge integriert. Weil sie große Datenmengen schnell transportieren muss, wird sie heiß und muss meist gekühlt werden. Um die Datenwege kurz zu halten, ist sie nahe an CPU, Arbeitsspeicher und Grafiksteckplatz platziert. Die Datenverbindung zur CPU heißt „Front Side Bus“, abgekürzt FSB.

Für die Peripherie-Anschlüsse (Tastatur, Maus, USB usw.), Massenspeicher, Netzwerk, Steckplätze und weitere Geräte mit geringerem Datendurchsatz ist die Southbridge zuständig. Sie ist nicht direkt mit der CPU verbunden, sondern kommuniziert mit der Northbridge. Manchmal kommt sie ohne Kühlkörper aus.

Die beiden hochintegrierten Bausteine zusammen werden als Chipsatz bezeichnet. Der Chipsatz ist als „zentrale Datenverteilerstelle“ für die Gesamtleistung und Stabilität des PC-Systems in viel höherem Maße verantwortlich, als die meisten Menschen glauben.

BIOS-ROM, CMOS-RAM, Uhr und Batterie[Bearbeiten]

BIOS-ROM[Bearbeiten]

ROM bedeutet Read Only Memory = „Nur-Lese-Speicher", oft als Festwertspeicher bezeichnet. Ein ROM-Speicher verliert seine Daten nicht, wenn der PC ausgeschaltet wird.

Darum wird ROM in mehreren PC-Komponenten verwendet, um das jeweilige Startprogramm bereitzuhalten. Dass die Festplatte, die Grafikkarte und der Brenner einen solchen Festwertspeicher benötigen, ist wenig bekannt. Viel bekannter ist der „BIOS-ROM“. Der PC startet nach dem Einschalten mit dem darin gespeicherten Programm. Mit einem „BIOS-Update“ kann dieser Speicher auf den neuesten Stand gebracht werden („up to date“). Auch andere ROM können „upgedatet“ werden, um ihre Leistung zu verbessern.

CMOS-RAM und Uhr[Bearbeiten]

CMOS ist eine Technologie, um extrem stromsparende Halbleiter herzustellen. Aus solchen Bausteinen wird die Computeruhr und ein kleiner Speicher gefertigt. Uhr und Speicher befinden sich im gleichen Chip. In diesem Speicher sind wichtige Daten über die Hardware des PC gespeichert, z. B. Größe und Anzahl der Festplatten und der DVD-Laufwerke. Bei der ersten Inbetriebnahme des PC werden die genauen Parameter durch den Händler in das CMOS-RAM eingetragen, soweit diese vom BIOS nicht automatisch erkannt werden können. Das Betriebssystem und andere Software fragt bei Bedarf diese Daten ab.

Batterie[Bearbeiten]

Während der PC eingeschaltet ist, werden die Uhr und das CMOS-RAM vom Netzteil mit Strom versorgt. Bei ausgeschaltetem PC übernimmt das eine Batterie. Diese reicht etwa drei bis fünf Jahre. Wenn der PC Datum und Uhrzeit vergisst, wenn er ausgeschaltet ist, muss vermutlich die Batterie gewechselt werden.

Die externen (rückwärtigen) Anschlüsse der Hauptplatine[Bearbeiten]

ATX Hauptplatine von hinten gesehen

Am hinteren Rand der Hauptplatine befinden sich die Anschlüsse für die Peripherie: Tastatur, Maus, Drucker, Modem, USB, Lautsprecher, Netzwerk und andere. Anzahl und Typ der Anschlüsse sind bei jeder Hauptplatine anders. Deshalb liegt jeder Hauptplatine eine Blende mit passenden Öffnungen für die rückwärtigen Anschlüsse bei. Die Außenmaße aller Blenden sind identisch, damit sie in jedes Gehäuse passen.

Slotblende eines Core 2 Duo Mainboards

Neuere Hauptplatinen haben meist mehr Anschlüsse, als sich in der rückwärtigen Blende unterbringen lassen. Zusätzliche Anschlüsse werden an der Frontseite oder an der Rückseite herausgeführt und mit der Hauptplatine verbunden. Beispielsweise haben die meisten Computergehäuse USB- und Audioanschlüsse an der Vorderseite.

PS/2 Anschlüsse für Tastatur und Maus

Tastaturbuchse und Mausbuchse[Bearbeiten]

Die Buchsen werden in Dokumentationen als „PS/2“ bezeichnet. Die Bezeichnung „PS/2“ wurde vom IBM-Konzern eingeführt. IBM hatte eine neue ­Rechnergeneration herausgebracht mit dem Namen Personal System 2, wo die kleineren Stecker erstmals verwendet wurden. Diese Stecker werden direkt von der Rückseite des PC auf die Hauptplatine aufgesteckt. Diese Anschlüsse sind nicht verwechslungssicher! Wenn Sie die Beschriftung und die Farbmarkierung beachten (Tastatur violett, Maus grün), kann nichts schief gehen. Wenn keine Markierung zu finden ist: Der Anschluss, welcher der Hauptplatine näher liegt, ist der Tastaturanschluss. Liegen die Anschlüsse nebeneinander (gleich weit von der Hauptplatine entfernt), liegt der Mausanschluss weiter außen (oben). Wenn Sie die Stecker trotz allem verwechseln, brennt zumindest nichts durch. Wichtig: Sie müssen Tastatur und Maus vor dem Einschalten des Computers angesteckt haben, sonst erkennt und benutzt er sie nicht.

Bei neuen Platinen und vor allem bei Notebooks werden diese PS/2-Anschlüsse mitunter weggelassen. Dann bleibt nichts anderes übrig, als Tastaturen und Mäuse mit einem USB-Anschluss zu verwenden.

LPT-Port eines ATX-Mainboards

Parallel-Port[Bearbeiten]

Parallel bedeutet, dass alle Bits eines Zeichens gleichzeitig über ein dickes Kabel übertragen werden. Dieser Anschluss wurde und wird hauptsächlich für Drucker verwendet. Weil neuere Drucker meist einen USB-Anschluss haben, wird der Parallelport allmählich überflüssig. Weil die 25-polige Buchse viel Platz benötigt, wird bei Notebooks immer häufiger auf den Parallelport verzichtet. Höherwertige Laserdrucker haben manchmal einen parallelen Druckeranschluss zusätzlich zum USB-Anschluss.

Serieller Anschluss

Serielle Anschlüsse[Bearbeiten]

20 Jahre lang waren serielle Anschlüsse (COM1 und COM2) an jedem PC vorhanden. Diese Schnittstellen wurden für langsame Geräte verwendet, wie zum Beispiel Maus, externes Modem, Rechnerkopplung und für die Programmierung von Telefonanlagen und anderen Geräten. Zunehmend werden Geräte, die früher mit seriellen Anschlüssen ausgestattet waren, auf USB umgestellt. Neuere PC haben oft noch einen seriellen Anschluss. Bei neueren Notebooks fehlen die seriellen Anschlüsse meist ganz.

eSATA[Bearbeiten]

Um den schnellen internen SATA-Anschluss auch für externe Festplatten nutzen zu können, gibt es auf manchen Hauptplatinen einen speziell abgeschirmten (d. h. vor elektrischen Störungen geschützten) Anschluss.

USB-Anschlüsse[Bearbeiten]

USB-Stecker Typ A

Universal Serial Bus Connector = "universeller serieller Anschluss", wird in der Version 1.1 ab Windows 98 unterstützt. USB in der Version 2.0 wird ab Windows 98SE unterstützt, wenn man zusätzliche Treiber installiert. Ab Windows 2000 sind Treiber im Betriebssystem enthalten.

USB 1.1 kennt zwei Geschwindigkeiten:

  • Low-Speed 1,5 Mbit/s,
  • Full-Speed 12 Mbit/s

USB 2.0 kennt drei Geschwindigkeiten:

  • Low-Speed 1,5 Mbit/s,
  • Full-Speed 12 Mbit/s
  • High-Speed 480 Mbit/s

Externe Festplatten und DVD-Brenner kann man an einem USB-1.1-Anschluss nicht sinnvoll betreiben. Allerdings ist auch USB High-Speed mit (theoretisch) 480 Mbit/s = 60 MByte/s immer noch etwas langsamer als die 100 MB/s bis 133 MB/s, die am internen parallelen Festplattenanschluss erreicht werden. S-ATA erreicht theoretisch 150 oder 300 MByte/s, realistisch sind 100 oder 200 MByte/s.

Die USB-Kabel sind nicht symmetrisch: Der Stecker auf Seite des Computers ist vom Typ A (flach), der Stecker am externen Gerät ist quadratisch mit zwei abgeschrägten Ecken (Typ B).

USB-Geräte ohne eigenes Netzteil nennt man „Bus-powered“, sie beziehen ihren Strombedarf über den PC. Jeder einzelne USB-Port des Computers muss bei Bedarf 0,5 Ampere liefern können. Einige USB-Geräte benötigen kurzzeitig die vollen 0,5 A, zum Beispiel für den Anlaufstrom eines Motors. Bei stationären PCs ist das kaum ein Problem, aber einige Notebooks haben Probleme, diesen Maximalstrom zu liefern und sie schalten wegen Überlastung des Anschlusses sicherheitshalber ab.

Wenn die USB-Anschlüsse am PC nicht ausreichen, gibt es zwei Möglichkeiten:

  • Man steckt eine Erweiterungskarte in den PC. Sie kostet weniger als 20 Euro, der Einbau ist unproblematisch. Je nach Ausführung bekommt man zwei bis vier zusätzliche USB-Anschlüsse. Bei einem Notebook ist diese Nachrüstung leider nicht möglich.
  • Man verwendet Verteiler, sogenannte „Hubs“. Theoretisch können bis zu 127 Geräte angeschlossen werden. Es gibt Regeln und Einschränkungen, wie das zu geschehen hat. Besonders wichtig: Ein USB-Kabel darf nicht länger als fünf Meter sein.

Es gibt aktive USB-Hubs (mit eigenem Netzteil) und passive USB-Hubs (die den Strom vom PC beziehen und auf die angeschlossenen Geräte verteilen). Viele aktive USB-Hubs kann man auch ohne Netzteil betreiben, sie arbeiten dann passiv.

Wenn Sie nun mehrere Geräte mit hohem Stromverbrauch, wie einen USB-Brenner, eine USB-Festplatte, einen Scanner und einen externen TV-Empfänger, an einen passiven Hub anschließen, der nicht mehr als maximal 0,5 A vom PC bekommen kann, reicht der Strom möglicherweise nicht für alle. Günstigstenfalls schaltet der PC ab. In extremen Fällen kann ein minderwertiges PC-Netzteil überlastet und sogar zerstört werden! Wenn Sie jedoch die Geräte mit höherem Strombedarf an einen USB-Hub mit eigenem Netzteil anschließen oder direkt an den PC anstecken, schützen Sie Ihren PC. Manche stromhungrigen USB-Geräte haben einen zusätzlichen Anschluss für ein externes Steckernetzteil, den Sie dann auch nutzen sollten, um das PC-Netzteil zu entlasten.

Wenn ein USB-Gerät mehr als 500 mA Strom benötigt, gibt es einen Trick: Mit dem Gerät wird ein Kabel mit zwei USB-Steckern geliefert. Das Gerät kann dadurch den benötigten Strom aus zwei USB-Schnittstellen saugen. Sie sollten unbedingt beide Stecker einstecken, sonst kann es zu Fehlfunktionen kommen. Bei externen Festplatten kann eine mangelhafte Stromversorgung zu totalem Datenverlust führen.

USB 3.0 „Superspeed“[Bearbeiten]

Im Jahr 2008 wurde USB 3.0 standardisiert. Alte und neue Stecker und Buchsen sind kompatibel: Man kann USB 2.0 Geräte am USB 3.0 Anschluss betreiben und umgekehrt. Um die volle „Super-Speed-Modus“ Geschwindigkeit von 5 Gbit/s nutzen zu können, müssen Sie ein Treiberupdate durchführen und Kabel benutzen, die für USB 3.0 geeignet sind. Man erkennt Superspeed-fähige Stecker und Buchsen daran, dass innen blaue Plaste verwendet wird.

Die hohe Geschwindigkeit macht USB 3.0 interessant für den Anschluss von Massenspeichern, z. B. externe Festplatten. Geräte dürfen statt 0,5 A nun bis zu 0,9 A Strom anfordern. Viele neue Geräte werden bereits mit USB 3.0 Anschluss angeboten.

FireWire[Bearbeiten]

Datenrate Standard seit
400 Mbit/s IEEE 1394a 1995
800 Mbit/s IEEE 1394b 2002
3200 Mbit/s IEEE 1394b S3200 2008

Dieser Anschluss wurde ursprünglich vorzugsweise für den Anschluss von Filmkameras verwendet. Mittlerweile gibt es viele externe Geräte mit diesem Anschluss, z. B. Festplatten. Die maximalen Übertragungsraten sind in der Tabelle aufgeführt. Die Geräte wählen automatisch diejenige Übertragungsrate aus, die von allen angeschlossenen Geräten beherrscht wird.

Im Vergleich zu USB hat Firewire einige Vorteile:

  • Es verursacht weniger CPU-Belastung.
  • Mehrere Geräte können untereinander kommunizieren, auch wenn kein PC angeschlossen ist.
  • Angeschlossene Geräte können bis zu 1,5 A Strom über das Kabel beziehen (USB: 0,5 A)
Mehr dazu unter  FireWire

Von der Geschwindigkeit ist USB 3.0 den Firewire-Schnittstellen deutlich überlegen.

Thunderbolt[Bearbeiten]

Thunderbolt (auf deutsch: Donnerkeil) wurde gemeinsam von Intel und Apple als Nachfolger von Firewire entwickelt. Das erste Gerät mit dieser Schnittstelle ist der MacBook Pro, der im Februar 2011 vorgestellt wurde. Thunderbolt ist rückwärts-kompatibel mit dem DisplayPort mit Mini-DisplayPort-Steckern. Thunderbolt soll ein universaler Anschluss für den Transfer von großen Datenmengen werden. Mit zwei Kanälen von je 10 GBit/s ist es die gegenwärtig schnellste Schnittstelle. Die elektrischen Kabel dürfen drei Meter lang sein. Wenn in beiden Steckern eine Konvertierung der elektrischen in Lichtsignale erfolgt, können die Stecker mit Glasfaserleitung verbunden werden. Diese optischen Kabel dürfen zehn Meter lang sein. Peripheriegeräte können bis zu 2 Ampere abfordern.

Es gibt erste Geräte mit Thunderbolt-Schnittstelle, z. B. externe Festplatten und Displays. Für den Anschluss externer Festplatten ist gegenwärtig USB 3.0 schnell genug.

Plug and Play[Bearbeiten]

Netzwerkkarte mit Jumpern, 1992

In den ersten Jahren der PC-Technik musste der Händler zahlreiche Ressourcen (Unterbrechungsleitungen, Speicherbelegung u. a.) manuell festlegen, damit sich die Komponenten nicht „in die Quere“ kamen. Rechts ist eine alte Netzwerkkarte abgebildet. Bei den vielen roten Vierecken handelt es sich um Steckbrücken, sogenannte Jumper. Sie können sich bestimmt vorstellen, wie kompliziert und fehleranfällig es war, ein halbes Dutzend Komponenten auf diese Art zu konfigurieren.

Windows 95 brachte eine Neuerung: Plug and Play (deutsch etwa „Reinstecken und loslegen“), abgekürzt PnP. Bei diesem Verfahren hat jede nichttriviale Komponente einen eigenen Speicher, in dem deren Anforderungen und Möglichkeiten abgelegt sind. Das BIOS fragt beim Start die Parameter ab, findet eine für alle Komponenten akzeptable Konfiguration und stellt die Komponenten darauf ein. Anfangs funktionierte das so schlecht, dass PnP als „Plug and Pray“ verspottet wurde („Reinstecken und Beten“ dass es klappt). Mittlerweile funktioniert PnP gut und erspart eine Menge Stress.

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