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--- gf_informatik:hardware_i [2021-09-13 11:43] – [Hardware] hof
+++ gf_informatik:hardware_i [2026-09-05 15:39] (aktuell) – [2.3 Prozessor & Geschwindigkeit] hof
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-====== Hardware ======
+====== Hardware (Theorie-Dossier) ======
-Die Präsentationen aus dem Unterricht:
-  * {{ :gf_informatik:hardware_i_01_was_ist_ein_computer.pdf |Was ist ein Computer?}}
-  * {{ :gf_informatik:hardware_i_02_schnittstellen.pdf |Schnittstellen}}
-  * {{ :gf_informatik:hardware_i_03_speed_memory.pdf |Speed & Memory}}
 ===== - Was ist ein Computer? =====
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 ==== - Ein- und Ausgabe (Schnittstellen) ====
+=== - Benutzerschnittstellen ===
 Der grösste Teil der sichtbaren Komponenten eines Computers machen oft die Ein- und Ausgabegeräte aus, mit denen eine Schnittstelle zum Menschen geschaffen wird. Beispiele für solche **Benutzerschnittstellen** sind:
    * Display / Touchscreen
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    * Audio (Mikrofon, Lautsprecher, Kopfhörer)
    * Kamera
-   * Ports (USB, SurfaceConnect, MicroSD)
-   * Antennen für WLAN, Bluetooth, NFC
-{{ :gf_informatik:cpu.jpeg?nolink&200|}}
+=== - Geräteschnittstellen ===
+Damit andere Geräte an den Computer angeschlossen werden können, verfügen diese über **Geräteschnittstellen** mit unterschiedlichen Eigenschaften und Fähigkeiten:
+<WRAP right>
+<figure>
+{{:gf_informatik:pasted:20230826-164809.png?130&nolink}}
+<caption>USB-C</caption>
+</figure>
+<figure>
+{{:gf_informatik:pasted:20230826-170437.png?nolink&130}}
+<caption>USB-A</caption>
+</figure>
+<figure>
+{{:gf_informatik:pasted:20230826-173706.png?nolink&130}}
+<caption>DisplayPort & HDMI</caption>
+</figure>
+<figure>
+{{:gf_informatik:pasted:20230826-173511.png?nolink&130}}
+<caption>Micro-SD</caption>
+</figure>
+<figure>
+{{:gf_informatik:pasted:20230826-174026.png?nolink&200}}
+<caption>RJ-45 (LAN)</caption>
+</figure>
+</WRAP>
+   * **USB** (Universal Serial Bus)
+     * Datenübertragung (Speicherkarten, Netzwerk, Internet)
+     * Stromversorgung
+     * Geräte wie Maus, Drucker, Kamera
+     * *Nur USB-C*: Display
+   * **HDMI** (High-Definition Multimedia Interface)
+     * Zur Übertragung von Bild und Ton an einen externen Bildschirm / Spielkonsole / TV / Projektor.
+     * Linzenzpflichtig - Kostet 4-10¢ pro Gerät.
+   * **DisplayPort**
+     * Gleiche Fähigkeiten wie HDMI, aber ohne Lizenzkosten.
+   * **(Micro)-SD**
+     * Speicherkarten für Kameras, Drohnen, Mobiltelefone, z.T. auch Notebooks.
+   * **LAN** (Local Area Network / RJ-45 Stecker)
+     * Anschluss für Netzwerkkabel.
+     * Kann das Netzwerk sicherer, störungsärmer und ev. schneller machen als per WLAN
+   * Audio-Anschluss
+     * Für bessere Audio-Qualität im Kopfhörer.
+Zu den Geräteschnittstellen gehören auch die meist unsichtbaren Antennen für WLAN, Bluetooth und NFC.
 ==== - Prozessor & Geschwindigkeit ====
+<WRAP right>
+{{ :gf_informatik:cpu.jpeg?nolink&200|}}
+</WRAP>
 Der Kern eines Computers ist der //Prozessor// (en. Central Processing Unit, //CPU//). Er führt alle Berechnungen durch und steuert die Ein- und Ausgabe von Daten. Daten werden aus dem Speicher oder den Eingabegeräten gelesen, und wieder zurück in den Speicher oder den Ausgabegeräten geschrieben.
-Moderne CPUs können Dutzende von Milliarden von Operationen pro Sekunde ausführen. Der Intel Core I5 Prozessor in Surface Laptops hat die folgenden Kennzahlen:
+Moderne CPUs können Dutzende von Milliarden von Operationen pro Sekunde (ops) ausführen. Der Intel Core I5 Prozessor in Surface Laptops hat die folgenden Kennzahlen:
   * 4 Kerne (unabhängige Teilprozessoren)
   * 8 Threads (parallelle Ausführungsstränge) pro Kern
   * 1-3.6 GHz Taktfrequenz (also bis zu 3'600'000'000 Operationen pro Sekunde in jedem Thread)
-Die CPU kann also bis zu 115'000'000'000 Operationen pro Sekunde ausführen.
+Die drei Werte ergeben miteinander multipliziert die theoretische Anzahl _ops_ - obige CPU kann also bis zu $4\cdot8\cdot3.6 Mia = 115000000000$ Operationen pro Sekunde ausführen.
 Die Prozessorgeschwindigkeit ist allerdings selten der limitierende Faktor, wenn ein Gerät langsam erscheint. Viel öfter startet ein Programm langsam, weil es zu wenig schnell aus dem Permanentspeicher gelesen werden kann. Dies ist der Fall, wenn der Speicher zu langsam ist, oder zuviele parallele Zugriffe die Leitungen zwischen Speicher und Prozessor "verstopfen".
+In modernen Notebooks ist der Prozessor meist nicht direkt sichtbar. Der Betrieb erzeugt Wärme, die über [[wpde>Wärmerohr#Computertechnik|Heatpipes]] zun den Lüftern gebracht wird - der Prozessor ist also unter dem Ende der Heatpipes.
+<WRAP right>
+<figure>
+{{.:hardware_i:pasted:20260825-091433.png?nolink&400|}}
+<caption>Mainboard mit Heatpipes</caption>
+</figure>
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+<WRAP clear></WRAP>
 ==== - Speicher & Information ====
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 {{ :gf_informatik:speicher.jpg?nolink&200|}}
-Daten werden in Computern digital abgelegt: Die kleinste Informationseinheit, die abgelegt werden kann, heisst //Bit// und speichert genau eine von zwei Möglichkeiten, ob der Wert des Bits 1 oder 0 ist. 8 Bits werden als Byte bezeichnet.
+<caption>Micro-SD</caption>
+</figure>
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+Daten werden in Computern digital abgelegt: Die kleinste Informationseinheit, die abgelegt werden kann, heisst //Bit// und speichert genau eine von zwei Möglichkeiten, ob der Wert des Bits 1 oder 0 ist. 8 Bits werden als Byte bezeichnet und mit einem grossen B abgekürzt.
+=== - Präfixe ===
+Um riesige Zahlen zu vermeiden, werden ganz grosse und und ganz kleine Zahlen mit einem Präfix abgekürzt. Du kennst das bereits: grosse Distanzen werden in Kilometern angegeben, ganz kleine in Millimetern. Dasselbe tun wir auch, wenn wir über Geschwindigkeiten und Speichergrössen sprechen:
+| **Name**  ^ Präfix  ^ Multiplikator  | **Beispiel**                                                                                          |
+| nano      | n       | Milliardstel   | Computerchips werden in 3nm-Technologie gefertigt (eine Leiterbahn ist 3 Milliardstelmeter breit).    |
+| mikro     | μ       | Millionstel    | Die Zugriffszeit auf den SSD-Speicher beträgt 25-100μs (25 bis 100 Millionstelsekunden).              |
+| milli     | m       | Tausendstel    | Die Zugrifsszeit auf eine klassische Festplatte beträgt 5-10ms (Millisekunden).                       |
+| -         | -       | 1              |                                                                                                       |
+| kilo      | k       | 1000           | Ein modernes Notebook wiegt ca. 1kg (Kilogramm = tausend Gramm).                                      |
+| mega      | M       | Million        | Ein Digitalfoto benötigt 5-10MB Speicherplatz (5-10 Millionen Byte).                                  |
+| giga      | G       | Milliarde      | Eine CPU arbeitet mit einer Taktfrequenz von bis zu 4.5GHz (4.5 Milliarden Operationen pro Sekunde).  |
+| tera      | T       | Billion        | In modernen Notebooks werden zum Teil Permanentspeicher mit bis zu 2TB Speicherplatz verbaut (2 Billionen Bytes).  |
+Die volle Liste der Präfixe findet sich auf [[wpde>Vorsätze_für_Maßeinheiten]].
 === - Speicherbedarf ===
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   * 1 FullHD Film im Studio: 400 GB
-{{ :gf_informatik:ram.jpg?nolink&200|}}
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+<figure>
+{{ :gf_informatik:ram.jpg?nolink&200}}
+<caption>Arbeitsspeicher</caption>
+</figure>
+</WRAP>
 === - Arbeitsspeicher ===
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 Der Arbeitsspeicher heisst auch en. //random access memory// (RAM), weil jedes Byte im Speicher direkt gelesen oder gespeichert werden kann.
-Ein modernes Notebook hat typischerweise 4-16 GB Arbeitsspeicher.
+Ein modernes Notebook hat typischerweise 4-32 GB Arbeitsspeicher.
-{{ :gf_informatik:disk.jpg?nolink&200|}}
 === - Permanentspeicher ===
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+{{ :gf_informatik:disk.jpg?nolink&200|}}
+<caption>Permanentspeicher (HDD)</caption>
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+{{.:hardware_i:pasted:20260825-091613.png?nolink&200|}}
+<caption>Permanentspeicher (SSD)</caption>
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 Der Permanentspeicher dient dazu, Informationen abzuspeichern, ohne dass wie beim RAM eine dauernde Stromversorgung nötig ist. Die häufigsten Permanentspeicher sind:
   * SSD (en. solid state disks): Speicherchips, die ohne Stromversorgung Daten speichern können.
     * Die gleiche Technologie steckt auch in Speicherkarten von Kameras, und in USB-Sticks.
-  * Festplatten: rotierende Platten mit magnetisierbarer Beschichtung. Ein Roboterarm erzeugt kleinste magnetische Bereiche die binäre Information repräsentieren.
+  * Festplatten: rotierende Platten mit magnetisierbarer Beschichtung. Ein Roboterarm erzeugt kleinste magnetische Bereiche, die binäre Information repräsentieren.
   * DVD / CD: Aluminiumplatten, in die kleine Inseln geprägt oder gebrannt werden, die von einem Laserstrahl abgetastet werden können.
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 Festplatten sind nochmals langsamer, mit Zugriffszeiten im Millisekundenbereich.
-===== - Aufgaben hof =====
-### Aufgabe 1a
-  * Wählen Sie eines Ihrer Geräte (Computer, Smartphone).
-  * Benennen Sie die Benutzerschnittstellen Ihres Geräts.
-    * Zählen Sie möglichst viele Arten auf, auf die Sie mit Ihrem Gerät interagieren können.
-    * Denken Sie sowohl an die Ein- wie auch die Ausgabe.
-    * Beispiel: Die Tastatur dient zur Eingabe von Text.
-### Aufgabe 1b
-  * Benennen Sie die Geräteschnittstellen Ihres Geräts. Zählen Sie die Möglichkeiten auf, mit denen Ihr Gerät mit anderen Geräten kommunizieren können.
-### Aufgabe 1c
-  * Mit welchen anderen Eigenschaften beschreiben Sie ihr Gerät?
-    * Geschwindigkeit (welche Dimension, welche Grösse wird denn genau gemessen?)
-    * Speicher-Kapazität (was wird gespeichert? Einheit?)
-    * Gewicht
-    * Batterielaufzeit
-    * Betriebssystem
-### Aufgabe 2a
-  * Ihr Mobiltelefon hat 64GB Permanentspeicher. Wieviele Powerpoint-Präsentationen zu 50 KB können Sie darauf abspeichern?
-#### Aufgabe 2a
-  * Wieviele verschiedene Möglichkeiten können in zwei Bits gespeichert werden?
-  * Wieviel in drei, vier, acht Bits?
-  * Erkennen Sie eine Regel?
-#### Aufgabe 2b (*)
-  * Wieviele Bits werden benötigt, um ein Element aus dem folgenden Zeichensatz zu speichern?
-    * alle Buchstaben des lateinischen Alphabets, in Gross- und Kleinschreibung
-    * alle Ziffern des Dezimalsystems
-    * die folgenden Satzzeichen: Leerschlag, Punkt, Komma, Doppelpunkt, Fragezeichen, Ausrufezeichen.