Das Motherboard
Inhalt
1. Was Ist das Motherboard? Seite 2
2. Geschichte Seite 2
3. Bios Seite 3
4. Das Bussystem Seite 3
5. AGP, PCI Seite 4
6. Formfaktoren Seite 5
7. Vergleich der verschiedenen Schnittstellen Seite 6
8. I/O Schnittstelle, Controller Seite 7
9. Chipsätze, Northbridge, Southbridge Seite 7
10. Sockel Seite 7
11. Die Zukunft Seite 8
12. Quellenangaben Seite 10
1. Was Ist das Motherboard?
Das Motherboard ist die zentrale Verbindungsstelle aller Hardwarekomponenten. Es koordiniert den
Datenaustausch und ermöglicht die Kommunikation der einzelnen Komponenten miteinander. Alle Kabel
laufen am Motherboard zusammen.
2. Geschichte
Am Anfang hatte das gesamte Motherboard nur eine Busbreite von nur 8 Bit und einer
Geschwindigkeit von 4,77 MHz. Die Busbreite wurde später bei der Einführung des 8086 auf 16 Bit
erhöht und die Geschwindigkeit steigerte sich auf 8 MHz. Mit der Einführung des 80486 wurde das
Mainboard erst Multimedia fähig, die Busbreite lag bei 32 Bit aber die viel wichtigere
Geschwindigkeit der Busbreit erhöhte sich auf 40 MHz.
Diese Motherboards hatten alle einen Sockel für den Prozessor, die Namen für die Sockel fingen
bei Sockel1 an und hörten bei Sockel8 auf.
Damit war die Zeit des Sockels abgelaufen und der Slot1 wurde entwickelt. Auf diesen passte der
Pentium 2, mit einem externen Systembus mit der Geschwindigkeit von 100 MHz und einer inneren
Taktfrequenz von bis zu 450 MHz.
Intel hatte sich alle Rechte an Slot1 gesichert, deswegen entwickelte AMD einen eigenen Slot, der
Slot A hieß. Damit waren erstmals Geschwindigkeiten von 200 MHz des Systembusses und bis zu 1000
MHz CPU Geschwindigkeit möglich.
Außer den Veränderungen auf dem Gebiet der CPU-Ansteuerung änderten sich die Steckplätze der
Motherboards. Die früher altbewährten aber langsamen und für den User oft mit Installations- und
Konfigurationsschwierigkeiten verbundenen ISA-Steckplätze wurden durch die viel schnelleren und
Benutzerfreundlicheren PCI-Steckplätze ersetzt. Auf ihnen liefen Steckkarten, wie z.B.
Grafikkarten, Soundkarten, Netzwerkkarten u.s.w.
Außerdem entstand noch ein spezieller Steckplatz für Grafikkarten, der AGP-Steckplatz.
3. Bios
Das BIOS (Basic Input Output System) befindet sich auf dem Motherboard und ist die Schnittstelle
zwischen Hardware und Betriebssystem. In ihm lassen sich Grundeinstellungen für das Zusammenspiel
aller Komponenten festlegen. Das Bios befindet sich auf dem EPROM-Speicher (Erasable Programmable
Read Only Memory-Speicher), dieser ist nur lesbar und durch UV-Bestrahlung löschbar. Die im Bios
gemachten Einstellungen befinden sich auf dem CMOS-Speicher (Complementary Metal-Oxide
Semiconductor). Da dieser Speicher ohne Strom keine Daten speichern kann, ist er an eine
Batterie angeschlossen. Der Vorteil ist, dass bei falschen Einstellungen (z.B. zu hohen
Übertaktungen) die Einstellungen wieder gelöscht (geflashed) werden können ohne jegliche Ein-
oder Ausgabegeräte.
4. Das Bussystem
Jeder Datenaustausch zwischen Prozessor und anderen Komponenten erfolgt über ein Bussystem, kurz
Bus. Man unterscheidet drei verschiedene Bussysteme. Das erste ist der Datenbus (Data Bus), er
transportiert die zu verarbeitenden Daten zum Prozessor und umgekehrt. Da der Datenaustausch über
den Data Bus in beide Richtungen stattfinden muss, z.B. vom RAM zum Prozessor und vom Prozessor
zum RAM, nennt man diesen Bus auch bidirektionalen Bus. Das zweite Bussytem heißt Adressbus. Jede
Komponente im gesamten Computer besitzt eine Adresse und ist parallel an den Datenbus
angeschlossen. Würde jede Komponente gleichzeitig Daten senden oder empfangen, würde es zu einer
Datenkollision kommen. Deshalb hat jede Komponente eine Adresse. Mit dieser Adresse sendet die
CPU über den Adressbus den Befehl an die jeweilige Einheit zum senden oder empfangen von Daten.
Damit die Komponente weiß, ob sie Daten empfangen oder senden soll, sendet die CPU über den
Steuerbus (Control Bus) ein Signal. Da bei Steuerbus und Adressbus nur Daten vom Prozessor
gesendet werden, nur in eine Richtung, nennt man diese zwei Systeme unidirektional.
Ein weiteres spezielles Bussystem ist der Front Side Bus (FSB). Er ist die Verbindung vom
Prozessor und RAM und spielt für die Geschwindigkeit des gesamten Systems eine bedeutende Rolle.
Der SDRAM (Synchronous RAM) lief als erster Arbeitsspeicher synchron zum FSB. Das verhindert
Zeitverzögerungen beim Zugriff. Eine Datenserie (Burst) wird zügig übertragen. Ende 1999 kamen
DDR-RAM Module auf den Markt und erreichten mit einem simplen Trick die doppelte Geschwindigkeit.
Während SDRAM-Module bei einer Taktfrequenz von 133 MHz Front-Side-Bus (FSB) einen
Datendurchsatz von 1,1 GByte pro Sekunde leisteten, arbeiten DDR-Module mit 266 Mhz und erreichen
den doppelten Datendurchsatz.
Der Nachfolger DDR-II, der im zweiten Quartal 2004 in die Massenproduktion gehen wird, soll
Transferraten von 3,2 GB/s bringen.
Besondere Neuerung im Busstruktur ist der Wegfall des FSB, bei den neuen AMD-64 CPUs.
Die neuen Prozessoren besitzen einen integrierten Speichercontroller, der bislang in der
Northbridge saß. Der Eigentliche Front Side Bus fällt komplett weg, da der Arbeitsspeicher nun
nicht mehr an die Northbridge angebunden ist, sondern direkt an die CPU. Dies ermöglicht eine
schnellere Kommunikation der beiden Komponente untereinander, denn es werden einige Wartetakte
(Latenzen) vermieden.
5. AGP, PCI
Auf dem Motherboard befinden sich Slotplätze. Einmal gibt es, bei heutigen Motherboards, PCI
Steckplätze. PCI ist die Abkürzung für Peripheral Component Interconnect. Die PCI Slots sind mit
der Southbridge verbunden. Dieser Port ist weitgehend unabhängig von der CPU. Der sehr große
Vorteil dieses Ports gegenüber den alten ISA-Ports ist, dass eine automatische Konfiguration
durch das System möglich ist und allgemein die Konfiguration durch den Benutzer sehr vereinfacht
wurde. Die Geschwindigkeit liegt bei 133 MB/s für alle Peripheriegeräte zusammen und die
Taktfrequenz bei 33 MHz. In diesen Steckplätzen können diverse Erweiterungskarten eingebaut
werden, wie z.B.:
Netzwerkkarten, ISDN-Karten, TV-Karten oder Massenspeicher.
Des Weiteren existiert ein Port, der ausschließlich für die Grafikkarte vorgesehen ist, der
AGP-Port.
AGP ist die Abkürzung für Accelerated Graphics Port. Wie gesagt ist dieser Port nur für die
Grafik vorgesehen, das hat den Vorteil, dass die Bandbreite nicht auf mehrere Geräte aufgeteilt
werden muss. Da er direkt mit einem unabhängigen separaten Bus an die Northbridge angebunden ist,
wird es der Grafikkarte ermöglicht, sich Speicher vom Arbeitsspeicher abzuzweigen. Dadurch können
die Daten schneller übertragen werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass Prozessor (CPU) und
Grafikchip (GPU) gleichzeitig auf den Arbeitsspeicher zugreifen können und die CPU kann schneller
auf die Grafikdaten im RAM zugreifen als auf die Daten im Grafikspeicher. Die Taktfrequenz bei
AGP liegt doppelt so hoch wie bei PCI, nämlich bei 66 MHz. Folgend ist auch die Übertragungsrate
mit 266 MB/s bei AGP 1x doppelt so hoch wie bei PCI. Heutzutage liegt die Bandbreite bei 2,1
GB/s, das entspricht AGP 8x.
Doch 2004 soll auch AGP 8x durch PCI-Express abgelöst werden. PCI-Express arbeitet nicht parallel
wie AGP oder PCI, sondern seriell. PCI-Express verfügt über 16 serielle Datenleitungen, wobei
jeweils eine Leitung effektiv bis zu 250 MB/s übertragen kann.
Die Übertragung ist hierbei Bidirektional, so dass in beide Richtungen insgesamt 500 MB/s möglich
sind. Daraus ergibt sich eine Transferrate von 8 GB/s und 4GB/s in eine Richtung.
Zwei weitere Vorteile von PCI-Express sind zum einen die höhere Belastbarkeit, dass auch
Grafikarten mit schweren Kühlkörpern eingebaut werden können und Grafikkarten mit einem
Stromverbrauch von bis zu 60 Watt aufgenommen werden können.
6. Formfaktoren
Durch den Formfaktor wird die Größe des Motherboards und die Position der RAM-Bänke, der
Slotplätze, der CPU u.s.w. festgelegt. Außerdem wird festgelegt welche Gehäuse und Netzteile
benutzt werden können.
Erster Standard war der AT-Formfaktor (Advanced Technology), auf ihm ist nur die
Tastaturschnittstelle vorhanden und weitere Schnittstellen müssen über Kabel angeschlossen
werden. Dieser Formfaktor besitzt eine Größe von 30,48cm x 35,05cm und wird heute jedoch meistens
nicht mehr verwendet.
Nachfolger ist der ATX-Formfaktor (Advanced Technology eXtended), bei ihm sind bereits viele der
Schnittstellen onboard vorhanden. Er wurde für bessere Praxistauglichkeit und Erweiterbarkeit,
kürzere Kabelwege, Kühlung der Hauptplatine durch den Netzteillüfter entwickelt. Die Platine ist
gegenüber dem AT-Formfaktor um 90 Grad gedreht. ATX-Netzteile haben einen vertauschungssicheren
Stecker mit 20 Polen; das Netzteil kann nach dem Herunterfahren softwaremäßig ausgeschaltet
werden.
Von beiden Formfaktoren existieren abgespeckte, meist kleinere Versionen, welche weniger
Steckplätze, RAM-Bänke und somit weniger Erweiterungsmöglichkeiten bieten(Baby AT, Mini ATX).
Der Formfaktor der Zukunft und Nachfolger von ATX, heißt BTX. BTX-Gehäuse sollen vor allem eine
effizientere Kühlung bieten, welches durch eine effizientere Anordnung der Komponenten erreicht
werden soll. Aber zugleich wir das Design einfacher und damit billiger. Auf dem BTX-Motherboard
werden PCI-Express und DDR-II Steckplätze vorhanden sein.
7. Vergleich der verschiedenen Schnittstellen
Schnittstelle Geschwindigkeit in MB/s
AGP bis zu 2150.4
PCI 133
PCI-Express bis zu 4300.8
ISA 5
USB 1.1 5.5
USB 2.0 60
Firewire (IEEE 1374) 50
10 Mbit LAN 1,25
100 MBIT LAN 12,5
Gigabit LAN 125
EISA 33
Serieller Anschluss 0,015625
8. I/O Schnittstelle, Controller
Der I/O Controller verbindet die Southbridge mit dem Seriellen (COM) und dem Parallelen (LPT)
Anschluss. Der Serielle Anschluss kann die Daten nur in eine Richtung schicken, das bedeutet
entweder Daten empfangen oder senden. Der Parallelport dagegen kann Daten gleichzeitig (parallel)
senden und empfangen. Der Nachteil dieser Schnittstellen ist einerseits die geringe Bandbreite,
der Serielle Port kann Daten nur mit einer Geschwindigkeit von 16 bytes/s senden oder
empfangen.
Der zweite Nachteil ist die direkte Anbindung an die Southbridge. Wenn ein Datenaustausch
stattfindet, muss die Southbridge diesen koordinieren. Das verlangsamt das gesamte System.
Die Festplatten (HDD), onboard-LAN, Firewire, Serial ATA, onboard-APU (Audio Processing Unit)
oder USB (Universal Serial Bus) werden von einem separaten Controller gesteuert und ihr
Datenaustausch koordiniert. Da diese Aufgabe nun nicht mehr die Southbridge übernehmen muss wird
das System nicht so stark beeinflusst.
9. Chipsätze, Northbridge, Southbridge
Zur Performance des Gesamtsystems spielen nicht nur der Prozessor, Grafikkarte und Festplatte
eine Rolle. Der Chipsatz des Mainbords verwaltet den Datentransfer zwischen den einzelnen
Komponenten.
Der Chipsatz ist der Hauptbestandteil des Motherboards. Er besteht aus Northbridge und
Southbridge. Die Northbridge steuert Prozessor (CPU) Grafikkarte (GPU) und Arbeitsspeicher (RAM)
an und regelt den Datenaustausch zwischen den einzelnen Komponenten. Die Southbridge ist mit der
Northbridge verbunden, an ihr sind der Controller für Festplatten, Wechsellaufwerke, LAN, USB,
etc, alle PCI-Steckplätze und die I/O Schnittstelle angeschlossen.
10. Sockel
Auf den Sockel wird der Prozessor gesetzt. Nach den Zeiten von 286, 386 und einigen 486ern waren
dann auch viele fest aufgelötete CPU's anzutreffen, dann aber kamen die ZIF-Sockel (Zero
Insertion Force, zu deutsch: Null-Kraft Sockel) auf. Diese erlauben das Einsetzen und
Herausnehmen der CPU praktisch ohne Kraft und ermöglichen so ein problemloses Wechseln. Aktuell
gibt es viele verschiedene Sockets. Zum einen den Socket A. Er ist ausschließlich für AMD
Prozessoren, bis zum Barton 3200+ vorgesehen. Neuere AMD CPUs mit 64 Bit Technologie benötigen
den Socket 754 oder den Socket 940. Pentium Prozessoren benötigen den Sockel 478.
Für jeden Sockel existieren auch verschiedene Chipsätze. Die verschiedenen Chipsätze
unterscheiden sich einerseits durch den mit ihnen verbundenen Sockel und andererseits auch durch
Geschwindigkeit und Stabilität. Der schnellste Chip für AMD Barton CPUs ist zum Beispiel der
Nforce 2 von Nvidia, für AMD 64 CPUs der K8T800 von VIA und für aktuelle Pentium Prozessoren
I865pe Chip von Intel.
In der Zukunft wird für die AMD 64 FX Prozessoren ein neuer Sockel auf den Markt kommen, der
Sockel 939. Er basiert nicht wie der Sockel 940 auf einer Servertechnologie und benötigt deshalb
keinen teuren Registred-RAM (auch buffered, besitzt kleinen Zwischenspeicher) und auch kein WTX
Netzteil, welches zusätzliche Adern bietet.
Dem Athlon XP wird auch ein neuer Sockel spendiert namens 754.
11. Die Zukunft
- IDE à Serial ATA
- AGP 8x à PCI-Express
In der Vergangenheit konnte man eine Entwicklung von der seriellen Schnittstelle zur parallelen
Schnittstelle beobachten, da in der parallelen Schnittstelle die Daten parallel fließen können
und sie eine höhere Geschwindigkeit erreicht wird. Doch aktuell und in der Zukunft kehrt sich
diese Entwicklung wieder um. Warum?
Großer Nachteil der Parallelen Verbindungskabel ist ihre Dicke oder Breite, welche die
Luftzirkulation im innern des Gehäuses stark beeinflussen. Deshalb versucht man wieder neue
Schnittstellen zu entwickeln, die einerseits seriell sind, das heißt dünnere Kabel, aber
andererseits auch eine höhere Geschwindigkeit als bei den parallelen Schnittstellen, wie z.B.
IDE, oder der LPT-Druckeranschluss. Da früher keine solch hohen Taktfrequnzen möglich waren wie
heute, musste man um höhere Bandbreiten zu erhalten auf eine parallele Schnittstelle
zurückgreifen. PCI und AGP sind zum Beispiel parallel, und mit 33MHz beziehungsweise mit 66 MHz
getaktet. Die neue serielle Grafikkartenschnittstelle PCI-Express ist aber doppelt so schnell wie
AGP 8x. Dies wird durch eine viel höhere Taktfrequenz erreicht. Im Vergleich zu PCI taktet PCI
Express mit 2,5 GHz mehr als 75 mal so hoch, was sich natürlich in der Leistung widerspiegelt.
Der Umstieg bei den Festplattenanschlüssen, von IDE auf Serial ATA ist schon teilweise erfolgt.
Der Umstieg bei den Grafikkarten, von AGP 8x auf PCI-Express soll erst im dritten Quartal 2004
beginnen.
12. Quellenangaben
Internetadressen:
http://sol.ea.rbs.schule.ulm.de/sol/eoffline/sites/com/index.sht
http://www.tomtomweb.de/technik/mainboard/mainboard.htm
http://www.tu-chemnitz.de/informatik/RA/kompendium/vortraege_96/index.html
http://www.pc-erfahrung.de/Index.html?MainboardChipset.html
http://www.informationsarchiv.net/pdfversion_320.pdf
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/0309231.htm
http://www.pcgames.de
http://www.glossar.de
http://www.it-academy.cc/content/article_browse.php?ID=1042
http://www.computerbase.de/artikel/hardware/prozessoren/intel_developer_forum_2003_3tag/2/
http://www.computerlexikon.com/kategorie.php?kategorie=0614
Zeitungen:
PC-Games Hardware 11/03
PC-Games Hardware 12/03