Ein moderner PC wartet mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten auf, was auch ein entsprechend komplexes System an Hardware erfordert. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Hardware-Komponenten läuft über das Mainboard, das die Funktion des „Nervensystems“ im Rechner übernimmt.
Wie funktioniert die Kommunikation?
Als Kommunikationskanäle oder „Nervenbahnen“ des Computers fungieren die verschiedenen Bussysteme auf dem Mainboard: Im physikalischen Sinne handelt es sich dabei um Leiterbahnen. Grundsätzlich kann Kommunikation zwischen zwei oder mehreren Komponenten erfolgen. Von einem Port ist die Rede, wenn es nur zwei Verbindungen zwischen den Komponenten A und B gibt, während ein Bus die Kommunikation zwischen mehr als zwei Teilnehmern ermöglicht.
Darüber hinaus wird zwischen serieller und parelleler Datenübertragung unterschieden. Bei einem seriellen Port gelangen Serien von Daten hintereinander von A nach B, während ein Parall-Port gleichzeitige Datenübertragung in beide Richtungen ermöglicht.
Für die einzelnen Geräte, wie z.B. Grafikkarte oder auch Drucker, gibt es jeweils passende Schnittstellen zum Bus bzw. Port. Der Begriff „Schnittstelle“ wird im IT-Bereich vielseitig verwendet: Gemeint ist schlicht der Berührungspunkt zwischen zwei Einheiten.
Der Vorzug der Busverbindungen (physikalisch Leiterbahnen) ist, dass sich mehrere Geräte weitgehend simultan in den Informationsfluss einklinken können. D.h. alle Geräte bekommen alles mit. Gerade dadurch kann es allerdings auch zur Überlastung der Bussysteme kommen, was von der jeweiligen Bandbreite abhängt.
Für die Koordination des Informationsflusses, das Bus-Mastering, ist der Prozessor zuständig. Um seine Überlastung zu vermeiden, kann er z.B. mittels Bus-Mastering durch die Geräte selbst entlastet werden. Dies ist z.B. bei dafür ausgelegten PCI-Videoschnittkarten der Fall.
Die Bussysteme
Um die größeren Datenmengen zu managen, die sich durch die Einführung grafischer Benutzeroberflächen und schnellerer Prozessoren ergaben, wurde der so genannte Local-Bus eingeführt: Er heißt so, weil er in die Nähe des Prozessors verlegt wurde, um die Datenlaufzeiten zu verkürzen. Inzwischen übernimmt diese Aufgabe gewöhnlich der PCI-Bus (Peripheral Component Interconnect Bus), ein Bus für die Anbindung von Peripherie-Komponenten – wie z.B. einer PCI-Netzwerkkarte.
Ein moderner PC verfügt über mehrere Bussysteme, die entsprechend ihrer Schnelligkeit hierarchisiert werden: Die langsameren Systeme greifen auf die schnelleren zu. Die genaue Konfiguration (Einstellung) der Bus-Systeme durch die Hersteller ist unterschiedlich und ändert sich auch, wenn eine neue Mainboard-Generation eingeführt wird. Grundsätzlich gibt es zu jeder Komponente bzw. Schnittstelle ein „zuständiges“ Bus-System.
Entsprechend gehören zu den Bussystemen z.B. der Prozessor- oder Memory-Bus, der die Verbindungen zwischen Prozessor und Arbeitsspeicher herstellt, der PCI-Bus als Verbindung zu den Schnittstellen der PCI-Erweiterungskarten oder auch der AGP (Accelerated Graphics Port) für die beschleunigte Verbindung zur Grafikkarte.
Generell sind herkömmliche serielle und parallele Ports auf dem Rückzug, da mehr und mehr Geräte eine Schnittstelle für den Universal-Serial-Bus (USB) bieten. Zu den Vorteilen des USB gehören die meist schnellere Datenübertragung und - wie bereits der Name verrät - die universelle Einsatzmöglichkeit für die Kommunikation mit Hardware aller Art.
BIOS und Boot-Vorgang
Wesentliche Aufgaben des Mainboards lassen sich anhand des Boot-Vorgangs erläutern. Der Begriff des Bootens leitet sich aus dem englischen "bootstrap" (eine Schlaufe an den Stiefeln) ab, womit gemeint ist, dass der Computer „sich auf die Socken macht“.
Wenn der Computer eingeschaltet wird, läuft jedes Mal der System-Boot ab. Als Erstes wird dabei der Prozessor gestartet, der wiederum sofort das BIOS anspricht, d.h. er liest das BIOS-Programm aus dem BIOS-ROM (Read Only Memory).
Das BIOS (Basic-Input-Output-System) gehört zu den wesentlichen Bestandteilen des Mainboards. Es handelt sich um ein kleines Betriebssystem nur für die Hardware, das dafür sorgt, dass das eigentliche Betriebssystem die Hardware ansprechen - und überhaupt erst einmal booten kann.
Der CMOS-Speicher (Complementary Metal Oxide Semiconductor = spezielle Form eines Metalloxyd-Halbleiters) ist ein batteriegepufferter Speicher für die BIOS-Einstellungen, d.h. das BIOS- "Gedächtnis" wird über die CMOS-Batterie bewahrt.
War ein System einige Jahre im Gebrauch, muss diese Batterie eventuell auch einmal ausgetauscht werden. Ein deutlicher Hinweis darauf ist, wenn der Computer das Datum oder die Uhrzeit „vergisst“. Passende CMOS-Batterien sind im Elektronikfachhandel erhältlich. Da der Einbau einer falschen Batterie zu Zerstörungen auf dem Mainboard führen kann, sollte nur der in der Hersteller-Dokumentation angebene Typ verwendet werden. Im Zweifelsfall ist es am besten, die alte Batterie einfach mit zum Händler zu nehmen.
BIOS-Updates und -Einstellungen
Das BIOS selbst ist fest im Flash-ROM (Read Only Memory)-Baustein gespeichert. Die Flash-Technik ermöglicht es bei einem BIOS-Update ein neues BIOS darüber zu speichern. Solche Updates werden auf den Homepages der Mainboard-Hersteller zum Download angeboten. Es sollte auch nur die jeweils dort dazu angebotene Flash-Software verwendet werden.
Nachdem es sich hier um einen äußerst tiefen Eingriff ins System, d.h. "eine Operation am offenen Herzen" handelt, sollte er im Normalfall ohnehin vermieden werden. Immerhin besteht im Unglücksfall das Risiko, den Flash-Baustein oder gar das gesamte Mainboard austauschen zu müssen.
Veränderung der BIOS-Einstellungen können prinzipiell während des Bootvorgangs vorgenommen werden, indem zu einem bestimmten Zeitpunkt eine bestimmte Taste gedrückt wird, wodurch der User zum BIOS-Setup gelangt. Genaue Angaben hierzu sind im Handbuch zum jeweiligen Mainboard enthalten. Im BIOS-Setup können dann die gewünschten Änderungen vorgenommen werden, z.B. im Hinblick auf die Boot-Reihenfolge.
Zu den jeweiligen Einstellungs-Möglichkeiten empfiehlt sich ein Nachschlagen im Handbuch oder im BIOS-Compendium (www.bios-info.de). Wichtig ist es die früheren Einstellungen zu notieren, um Veränderungen ggf. wieder rückgängig machen zu können. Immerhin besteht das Risiko, dass das System nach dem Eingriff nicht mehr läuft.
Der Power-On-Self-Test
Beim Boot-Vorgang prüft das BIOS das Vorhandensein, die Funktionsfähigkeit und den jeweiligen Ort der Hardware, d.h. wo sie angesprochen werden kann. Dieser Vorgang wird als POST (Power-On-Self-Test) bezeichnet. Der User bekommt davon normalerweise nichts mit, nachdem zu diesem Zeitpunkt noch nichts auf dem Monitor angezeigt wird.
Treten beim POST Probleme auf, so wird der Bootvorgang in der Regel abgebrochen. Dies kann der User auch durch Piepstöne bemerken, vorausgesetzt der System-Lautsprecher funktioniert, während ansonsten das System einfach nicht startet. Die Ursache kann z.B. darin liegen, dass eine Karte nicht (mehr) richtig eingesteckt ist.
Profis setzen für die genaue Fehlerdiagnose so genannte POST-Cards ein, die an den Mainboards eingesteckt werden, um die BIOS-Signale über die Schäden auszuwerten. Manche Hersteller bieten ähnliche Diagnose-Features schon fest auf dem Mainboard verlötet oder über optionale Erweiterungen an.
Die Reihenfolge, in der die Hardware überprüft wird, ist bei den verschiedenen BIOS-Herstellern unterschiedlich. Aktuelle Infos können im Mainboard-Handbuch oder im BIOS-Compendium (www.bios-info.de) abgerufen werden.
Die Hardware-Inventur
Nach Abschluss des POST wird bei modernen Systemen durch das BIOS als nächstes die Grafikkarte bzw. ihr BIOS gesucht und ausgeführt (gestartet), was sich für den User in der ersten auf dem Monitor sichtbaren Meldung ausdrückt - mit Informationen über die Grafikkarte. Danach wird nach evtl. vorhandenem BIOS auf anderen Komponenten gesucht, z.B. auf der Festplatte, das dann ebenfalls gestartet werden müsste.
Erst jetzt wird die Tätigkeit des BIOS auch auf dem Monitor sichtbar, unter anderem werden dort auch der BIOS-Hersteller und die jeweilige Version genannt. Die nächsten Tests, z.B. des Arbeitsspeichers, werden jetzt sichtbar auf dem Monitor angezeigt, inklusive eventueller Fehlermeldungen.
Es erfolgt eine genaue Inventur der vorhandenen Hardware, wobei Einstellungen, die das BIOS automatisch festlegen kann, gleich vorgenommen werden, z.B. für den jeweiligen Arbeitsspeicher-Typ.
Unterstützt das BIOS Plug-And-Play, so werden die Plug-And-Play-Geräte erkannt und konfiguriert und für jedes eine Bildschirmmeldung ausgegeben. Plug-And-Play ist ein Industriestandard für automatische Konfiguration (Einstellung) von Steckkarten und Zusatzgeräten.
Abschließend wird auf dem Monitor eine Zusammenfassung der Systemkonfiguration angezeigt. Auf Grund der schnellen Prozessoren ist diese heutzutage meist nicht mehr vollständig lesbar.
Die einzelnen Controller
Der abgebildete Chipsatz integriert unter anderem IDE-Controller und Super I/O. © Micro Star International
Die allgemeine Funktion der Controller auf dem Mainboard verrät bereits ihr Name: In den meisten Fällen kontrollieren sie Datenströme und übersetzen bisweilen auch Datenübertragungsprotokolle. Die Controller sind Bestandteil der Chips auf dem Mainboard und lassen sich einzelnen Hardware-Komponenten bzw. Schnittstellen zuordnen.
Bei der Systeminventur werden neben CPU (Central Processing Unit/Prozessor) und Arbeitsspeicher auch die verschiedenen Controller abgefragt.
IDE-Controller: Am IDE-Controller (Intelligent/Integrated Device Electronic = intelligente/integrierte Geräte-Elektronik) hängen die Laufwerke: Festplatte, CD-/DVD-Laufwerk.
Gewöhnlich handelt es sich bei einem IDE-Controller um einen Zwei-Kanal-Controller mit einem Primary- und einem Secondary-IDE-Kanal mit jeweils einer Master- und einer Slave-Schnittstelle, die ebenfalls überprüft werden.
Dabei wird festgestellt, ob eine Festplatte oder ein CD-/DVD-Laufwerk angeschlossen ist, mit welchem Datenübertragungsprotokoll (z.B. DMA) sie arbeiten - und ob das Gerät, entsprechend der Jumperstellung (s. Beitrag zur Festplatte), als Master oder Slave konfiguriert ist.
RAID-Controller: Wesentlich seltener sind RAID-Controller (Redundant Array of Independent Discs) anzutreffen, die es ermöglichen, mehrere Festplatten zu einem Verbund zusammenzufassen.
Im Heimanwenderbereich werden RAID-Controller nur begrenzt eingesetzt, z.B. um das private Videoschnitt-Studio betreiben zu können. Gängig sind sie dagegen bei Profis, insbesondere im Serverbereich.
Interrupt-Controller: Jedes Gerät will mehr oder weniger Prozessorzeit beanspruchen - ältere PCI-Grafikkarten z.B. mehr als moderne AGP-Grafikkarten.Damit bei einem längeren Rechenvorgang andere Funktion wie z.B. die Bildschirmausgabe nicht behindert werden, wird der Vorgang bei bestimmten Anfragen durch den Interrupt-Controller unterbrochen (interrupt = engl. unterbrechen).
Da dieses Abarbeiten verschiedener Prozesse in Sekundenbruchteilen wechselt, entsteht beim Benutzer ein Eindruck der Gleichzeitigkeit der Ereignisse. Die Prioritäten der einzelnen Hardware-Anfragen werden bei der Installation der jeweiligen Hardware festgelegt, z.B. durch das Plug-and-Play-System.
Super I/O-Chip: In diesen „Super Input-Output“-Chip sind inzwischen meist Diskettenlaufwerk- und Tastatur-Controller (auch für PS/2-Mäuse) integriert, ansonsten Controller für serielle Ports (externe Modems) und Parallel-Ports, d ie Drucker und Scanner ins Kommunikationssystem einbinden.
Im Gegensatz zur Maus muss die Tastatur angeschlossen sein, damit das System erfolgreich gebootet werden kann. Logischer Hintergrund: Ein Rechner ohne Eingabegerät macht keinen Sinn.
USB-Controller: Da immer mehr Geräte, z.B. Mäuse, Drucker, Scanner, externe Modems über einen USB-Anschluss verfügen, übernehmen USB-Controller zunehmend die Aufgaben der o.g. bisher zuständigen Controller.
System-Chipsatz IDE-Controller und Interrupt-Controller, sowie der Cache-Controller für den Arbeitsspeicher sind meist Bestandteil des System-Chipsatzes.
Der Systemchipsatz und die verschiedenen externen Controller regeln gemeinsam die Datenströme des PCs. Ein Chipsatz stellt im Prinzip eine Ansammlung von Controllern dar, deren Aufgaben früher von einer Vielzahl einzelner Chips übernommen werden mussten: Pro Funktion war mindestens ein Chip nötig.
Grundsätzlich besteht eine Tendenz zu immer größerer Integration bei den Chipsätzen, was auch den technischen Fortschritt bei der Chip-Produktion widerspiegelt. Ferner sind hochintegrierte Chipssätze billiger und weniger fehlerträchtig, da möglichst viel vom selben Hersteller stammt.
Der Abschluss des Boot-Vorgangs
Ist der BIOS-Check beendet, sucht das BIOS auf den erkannten Geräten/Laufwerken in einer vorher festgelegten Reihenfolge (entsprechend der BIOS-Einstellungen) nach so genannten Boot-Sektoren. Das sind bestimmte Bereiche, wo Boot-Routinen für das Betriebssystem liegen. Dabei wird der erste Boot-Sektor gewählt, der gefunden wird.
Ist z.B. die Reihenfolge Laufwerk A: (Disketten-Laufwerk), C: (Festplatte) ; E (CD-ROM-Laufwerk), so wird erst einmal festgestellt, ob eine Diskette vorhanden ist und ob sich auf dieser ein Boot-Sektor befindet. Dies wäre bei Setup- oder Notfall-Systemrettungs-Disketten der Fall.
Wird auf Laufwerk A: nichts gefunden, so wird als nächstens die Festplatte überprüft. Wenn bereits ein Betriebssystem funktionsfähig installiert ist, läuft der Bootvorgang von der Festplatte aus. Ist dies nicht der Fall, wird auf dem CD-ROM-Laufwerk gesucht, ob dort ein Bootsektor vorhanden ist - z.B. wenn eine Installations-CD für ein Betriebssystem eingelegt wurde.
Wird kein Laufwerk mit einem Bootsektor gefunden, so wird eine Fehlermeldung auf dem Bildschirm angezeigt und das System angehalten.
Der hier beschriebene Bootvorgang bezieht sich auf einen Kaltstart des Systems, d.h. wenn der Computer vorher ausgeschaltet (kalt) war. Bei dem so genannten Warmstart, einem Neustart, z. B. wenn sich das System aufgehängt hat, wird die POST-Phase übersprungen und der Boot-Vorgang beginnt bei der System-Inventur.
Fazit
Die zentrale Rolle des Mainboards bei der Kommunikation führt zu entsprechenden Auswirkungen auf die Performance (Schnelligkeit) des Systems. Vor diesem Hintergrund macht es z.B. wenig Sinn, einen PC immer weiter aufzurüsten, wenn die Datenübertragung nicht mithalten kann. Dies gilt umso mehr, als das Mainboard mit dem Prozessor verknüpft ist: Ein High-Speed-Prozessor passt so wenig auf ein lahmes Mainboard wie der Ferrari-Motor in den Trabbi.
Warnhinweise: Grundsätzlich nicht an Geräten arbeiten, die an das Stromnetz angeschlossen sind. Grundsätzlich bei empfindlichen, elektronischen Geräten statische Entladungen vermeiden (Erdung). Grundsätzlich immer Dokumentationen bzw. Handbücher benutzen und sie bei Bedarf beim Händler oder Hersteller nachfordern. In Zweifelsfällen lieber Hersteller-Support, Fachhändler oder Service-Firmen zu Rate ziehen.
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