IT-Systeme & Hardware

Rechnerarchitektur nach von Neumann

Fast jeder heutige Computer folgt dem von-Neumann-Prinzip: Daten und Programme (Befehle) liegen gemeinsam im selben Arbeitsspeicher und werden über dieselben Leitungen transportiert. Das Grundprinzip besteht aus fünf Komponenten: Steuerwerk, Rechenwerk, Speicherwerk, Eingabewerk und Ausgabewerk — verbunden durch ein gemeinsames Bus-System.

CPU: Steuerwerk & Rechenwerk

• Steuerwerk (Control Unit, CU): holt Befehle aus dem Speicher (Fetch), dekodiert sie (Decode) und steuert die Ausführung (Execute) — der klassische Befehlszyklus. Es koordiniert alle anderen Komponenten über Steuersignale.
• Rechenwerk (Arithmetic Logic Unit, ALU): führt arithmetische Operationen (Addition, Subtraktion) und logische Operationen (AND, OR, NOT, Vergleiche) aus.
• Register: extrem schnelle Speicherzellen direkt in der CPU, halten aktuell benötigte Werte und Zwischenergebnisse.

Bus-System

Die Kommunikation zwischen CPU, Speicher und Peripherie läuft über drei logische Bus-Typen:

• Datenbus: überträgt die eigentlichen Nutzdaten, bidirektional.
• Adressbus: überträgt die Speicheradresse, auf die zugegriffen werden soll, unidirektional von der CPU zum Speicher.
• Steuerbus (Control Bus): überträgt Steuersignale wie Lese-/Schreibbefehle, Taktsignale und Interrupts.

Speicherhierarchie: Register, Cache, RAM, Festspeicher

Je näher ein Speicher an der CPU sitzt, desto schneller — aber auch desto teurer und kleiner ist er. Diese Abstufung nennt man Speicherhierarchie.

• Register: in der CPU selbst, Zugriff in unter einem Taktzyklus, wenige Bytes.
• Cache (L1/L2/L3): schneller Zwischenspeicher, der häufig genutzte Daten und Befehle vorhält, damit die CPU nicht bei jedem Zugriff auf den langsameren RAM warten muss.
  • L1-Cache: pro Kern, sehr klein (meist 32–128 KB), am schnellsten, oft getrennt in Daten- und Befehlscache.
  • L2-Cache: pro Kern oder pro Kernpaar, größer (256 KB – 1 MB), etwas langsamer als L1.
  • L3-Cache: von allen Kernen gemeinsam genutzt, mehrere MB groß, langsamer als L1/L2, aber deutlich schneller als RAM.
• Arbeitsspeicher (RAM): flüchtiger Speicher (Inhalt geht bei Stromverlust verloren), hält aktuell laufende Programme und Daten, deutlich größer als Cache (typisch 8–64 GB), aber langsamer im Zugriff.
• Festspeicher (HDD/SSD): nichtflüchtig, speichert Daten dauerhaft, am langsamsten in dieser Kette, aber am größten und günstigsten pro GB.

Merke die Reihenfolge nach Geschwindigkeit (schnell → langsam) und Größe (klein → groß): Register → L1 → L2 → L3 → RAM → SSD/HDD.

Speichermedien im Vergleich: HDD, SSD, NVMe

HDD (Hard Disk Drive)

Magnetische, rotierende Speicherplatten, die von einem Schreib-/Lesekopf mechanisch abgetastet werden. Vorteile: sehr günstiger Preis pro GB, hohe Kapazitäten (mehrere TB) — geeignet für Massenspeicher, Backups und Archivierung. Nachteile: langsam (mechanische Zugriffszeiten, Rotationsgeschwindigkeit meist 5.400–7.200 U/min), anfällig für Erschütterungen, höherer Stromverbrauch und lauter.

SSD (Solid State Drive, SATA)

Speichert Daten elektronisch in Flash-Speicherzellen, keine beweglichen Teile. Wird meist über die SATA-Schnittstelle angebunden (max. ca. 600 MB/s, limitiert durch SATA III). Vorteile gegenüber HDD: deutlich schnellere Zugriffszeiten, geräuschlos, robuster, geringerer Stromverbrauch. Nachteile: teurer pro GB als HDD, begrenzte Anzahl an Schreibzyklen (Lebensdauer).

NVMe / M.2-SSD

NVMe (Non-Volatile Memory Express) ist ein Protokoll, das Flash-Speicher direkt über den PCIe-Bus statt über SATA anbindet — dadurch deutlich höhere Geschwindigkeiten (mehrere GB/s statt max. 600 MB/s) und geringere Latenz. M.2 ist der physische Formfaktor (kleine Steckkarte), der sowohl SATA- als auch NVMe-SSDs aufnehmen kann — beim Kauf/Einbau also unbedingt prüfen, welches Protokoll das Mainboard und die SSD tatsächlich unterstützen. Typischer Einsatz: Betriebssystem- und Anwendungslaufwerk, wo Geschwindigkeit zählt (Systemstart, Programme laden).

RAID-Level im Überblick

RAID (Redundant Array of Independent Disks) fasst mehrere physische Festplatten zu einem logischen Laufwerk zusammen, um Performance, Ausfallsicherheit oder beides zu verbessern. Wichtig: RAID ersetzt kein Backup, da Fehler wie versehentliches Löschen oder Ransomware auf allen gespiegelten Platten gleichzeitig wirken.

RAID	Prinzip	Min. Platten	Nutzkapazität	Ausfallsicherheit	Einsatz
RAID 0	Striping — Daten werden ohne Redundanz auf alle Platten verteilt	2	100 %	keine — fällt eine Platte aus, sind alle Daten verloren	Performance (z. B. Videoschnitt, Cache)
RAID 1	Mirroring — jede Platte ist eine vollständige Kopie der anderen	2	50 %	hoch — eine Platte darf ausfallen	Kritische Systeme mit hoher Verfügbarkeit
RAID 5	Striping mit verteilter Paritätsinformation	3	(n−1)/n	eine Platte darf ausfallen	Fileserver, guter Kompromiss aus Kapazität/Sicherheit
RAID 6	Wie RAID 5, aber mit doppelter (zweifacher) Parität	4	(n−2)/n	zwei Platten dürfen gleichzeitig ausfallen	Große Arrays mit erhöhtem Sicherheitsbedarf
RAID 10	Kombination aus Striping und Mirroring (RAID 1+0)	4	50 %	hoch — je gespiegeltes Paar darf eine Platte ausfallen	Datenbanken, Systeme mit hohen I/O-Anforderungen

Netzteile, Anschlüsse & Formfaktoren

Netzteil (PSU)

Wandelt Netzwechselspannung (230 V) in die von Mainboard und Komponenten benötigten Gleichspannungen um (v. a. 12 V, 5 V, 3,3 V). Wichtige Kenngröße ist die Nennleistung in Watt, die zur Gesamtlast aller Komponenten (CPU, GPU, Laufwerke) passen muss. Der ATX-Standard definiert Steckertypen wie den 24-Pin-Hauptstecker fürs Mainboard sowie separate CPU- (4/8-Pin) und PCIe-Stecker für Grafikkarten.

Anschlüsse/Schnittstellen

• SATA: Standardanschluss für HDDs und SATA-SSDs, aktuelle Version SATA III mit max. 6 Gbit/s (~600 MB/s).
• USB: USB-A (klassischer rechteckiger Stecker), USB-C (schmaler, verdrehsicherer Stecker, unterstützt oft höhere Geschwindigkeiten und Power Delivery). Geschwindigkeitsklassen: USB 2.0 (480 Mbit/s), USB 3.0/3.1 Gen1 (5 Gbit/s), USB 3.1 Gen2/3.2 (10 Gbit/s), USB4 (bis 40 Gbit/s).
• PCIe (PCI Express): serieller Erweiterungsbus für Grafikkarten, NVMe-SSDs und Controller-Karten, organisiert in Lanes (x1, x4, x8, x16) — mehr Lanes bedeuten mehr Bandbreite.

Formfaktoren

Mainboard-Formfaktoren wie ATX (Standardgröße), Micro-ATX (kompakter, weniger Erweiterungssteckplätze) und Mini-ITX (sehr klein, für kompakte Gehäuse) bestimmen Größe, Anzahl der Steckplätze und passende Gehäuse/Netzteile. Bei der Beschaffung muss der Formfaktor von Mainboard, Gehäuse und Netzteil zueinander passen.

Peripherie & Kompatibilität bei der Beschaffung

Beim Zusammenstellen oder Beschaffen von Hardware-Komponenten musst du systematisch auf Kompatibilität achten, um teure Fehlkäufe zu vermeiden:

• CPU-Sockel: Prozessor und Mainboard müssen denselben Sockel unterstützen (z. B. LGA1700, AM5).
• Arbeitsspeicher-Typ: RAM-Generation (z. B. DDR4 vs. DDR5) und maximale Taktrate müssen vom Mainboard unterstützt werden.
• Formfaktor: Mainboard-Größe muss zum Gehäuse passen, Netzteil-Formfaktor (z. B. ATX) muss zum Gehäuse passen.
• Schnittstellen & Anschlüsse: ausreichend SATA-/M.2-Anschlüsse für geplante Laufwerke, genug PCIe-Slots für Erweiterungskarten, passende USB-Anschlüsse für Peripherie.
• Leistungsaufnahme: Netzteilleistung muss die Summe aller Komponenten (insbesondere CPU und GPU unter Last) sicher abdecken, inklusive Reserve für Erweiterungen.
• Erweiterbarkeit: freie Steckplätze und Einbauschächte für spätere Aufrüstungen (weiterer RAM, zusätzliche Laufwerke, Grafikkarte) einplanen.
• Treiber- und Betriebssystem-Kompatibilität: insbesondere bei Peripheriegeräten (Drucker, Scanner) prüfen, ob Treiber für das eingesetzte Betriebssystem verfügbar sind.

In Prüfungsaufgaben wird oft ein konkretes Kundenszenario vorgegeben (Budget, Einsatzzweck), zu dem du eine passende, kompatible Konfiguration begründet auswählen oder Fehler in einer vorgegebenen Konfiguration finden musst.