Der Computer im engeren Sinn besteht nur aus zwei fundamentalen Komponenten – dem Prozessor (CPU = Central Processing Unit, Zentraleinheit) und dem Arbeitsspeicher (RAM, Random Access Memory).

Der Prozessor: Alles was am PC geschieht, muss über die CPU in den Speicher und kann dort von der CPU gelesen, geändert, bearbeitet werden. Das ist stark vereinfacht – denn dabei lassen wir die gesonderte GPU (Graphics Processing Unit) zur Bildschirmausgabe ebenso außen vor wie DMA (Direct Memory Access), also den direkten Speicherzugriff ohne Vermittlung durch die CPU.

Um die CPU mit Aufgaben zu füttern, sind exakte Anweisungen erforderlich – Software im weitesten Sinne. Der Befehlssatz eines Prozessors, also die Maschinensprache, ist trotz jüngerer Befehlssatz-Erweiterungen (MMX, SSE) überschaubar, zumal von den 200 bis 300 Befehlen nur etwa 20 intensiv genutzt werden: Da werden etwa Inhalte von einer Speicheradresse in eine andere verschoben, Zahlen addiert, dividiert oder verglichen oder Variablen via Interrupt-Aufruf auf Festplatte geschrieben. Die der Maschinensprache nahe Assemblersprache ist trotz des geringen Befehlsumfangs schwer zugänglich und benötigt für winzige Aktionen schnell Hunderte von Codezeilen. Sie findet praktisch nur dort Verwendung, wo Geräte-Hersteller für spezialisierte Prozessoren mit optimiertem Code jede unnötige Last vermeiden müssen.

Software für den PC entsteht fast immer unter wesentlich zugänglicheren Hochsprachen wie C oder Java, deren Compiler den Code am Ende in Maschinensprache umwandelt. Diese Compiler erzielen zwar nicht die Qualität eines Assemblercodes, arbeiten aber ebenfalls hocheffizient. Selbst das Basissystem des PCs, das Bios (Basic Input Output System), muss seit der Umstellung auf EFI (Extensible Firmware Interface) nicht mehr in Assembler geschrieben werden.

Der Arbeitsspeicher: Wie viel RAM eine CPU direkt, also ohne spezielle Erweiterungstechniken nutzen kann, hängt von der Architektur ab: 32-Bit-CPUs adressieren theoretisch bis zu vier GB RAM: 2 hoch 32 ergibt 4.294.967.296 Bytes. Diese 4-GB-Grenze ist inzwischen ein echtes Limit, weil viele Mainboards in PCs und Notebooks nicht nur mehr Speicher aufnehmen können, sondern oft schon standardmäßig mit 6 und 8 GB ausgeliefert werden. Allerdings sind 64-Bit-Prozessoren seit mehr als 10 Jahren Standard: Sie können theoretisch 2 hoch 64 Bytes adressieren, sind aber aktuell oft auf 35 oder 36 Adressleitungen gedrosselt, was dann ein Speicherlimit von 32 oder 64 GB bedeutet. Neben den RAM-Limits der CPU und des Mainboards muss vor allem auch 64-Bit-Systemsoftware zum Einsatz kommen: Die Speicheradressierung der CPU über 4 GB hinaus setzt 64-Bit-Windows oder –Linux voraus, was aber ebenfalls zunehmend Standard wird.

2. Peripherie, Bussysteme und Interrupts

Ohne Verbindung zur Außenwelt könnte die CPU weder Befehle in Form von Software entgegennehmen noch Resultate weitergeben. Alle Geräte zur Eingabe von Software oder von Daten sowie zur Ausgabe der Ergebnisse gelten als „Peripherie“:

Peripheriegeräte und Bussysteme: Typische und eindeutige Eingabe-Peripherie sind Geräte wie Tastatur, Maus, Lochkarte oder Mikrofon, während Lautsprecher, klassische Drucker und Monitore zur Datenausgabe dienen. Multifunktionsdrucker und Touchscreen können beide Rollen übernehmen, ebenso wie Laufwerke oder Netzadapter. Die Übertragung von und zur Peripherie läuft über einen Datenbus, und die wichtigsten Bussysteme im PC sind AGP, PCI, PCI-Express für Erweiterungskarten, IDE, SCSI, (S)ATA für Laufwerke, ferner USB für externe Erweiterungsadapter und Laufwerke sowie Ethernet und WLAN für Netzverbindungen. Die Vielfalt der Bussysteme ist Folge der Tatsache, dass die CPUs immer schneller werden und die Bussysteme folgen müssen, um nicht das System auszubremsen. Der Datenweg aller dieser Bussysteme führt über den Chipsatz des Mainboards direkt zur CPU beziehungsweise umgekehrt.

Interrupts: Bislang ist nicht deutlich geworden, wie eine vielbeschäftigte CPU davon erfährt, dass sich da draußen gerade die Maus bewegt hat oder ein Datenpaket des Netzadapters angekommen ist. Dazu muss es eine Möglichkeit geben, den Prozessor zu unterbrechen und auf das Ereignis aufmerksam zu machen. Das geschieht durch definierte Unterbrechungsleitungen mit einem Interrupt-Request (IRQ). Da es eine Vielzahl von Peripherie-Geräten gibt, die IRQs senden, die CPU selbst aber nur einen Eingang dafür hat, ist – meist im Chipsatz des Mainboards – der PIC oder APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller) zwischengeschaltet. Der bietet dann immerhin 16 Interrupt-Leitungen. Das ist auch nicht viel, und die Interrupt-Verwaltung war lange Zeit ein ernstes Problemfeld, weil zwei Geräte auf derselben Interrupt-Leitung beide Geräte ganz oder teilweise außer Gefecht setzen. Aber nach dem Aussterben technisch „dummer“ ISA-Steckkarten gelingt modernen Betriebssystemen mittlerweile das IRQ-Sharing problemlos, also das Teilen einer Leitung: Interrupt-Konflikte sind Geschichte, Plug & Play funktioniert praktisch reibungslos.

Damit das System aus Benutzersicht optimal funktioniert und reagiert, wertet der Interrupt Controller die IRQ nach Priorität: Benutzereingaben durch Maus oder Tastatur erhalten höhere Priorität als Festplatten- oder Netzwerk-Anfragen. Nur bei extremer Überlastung werden Sie beobachten, dass der Mauszeiger der Bewegung des Zeigegeräts nicht mehr folgt.

3. Mainboard und Basiskomponenten

Mainboards, Motherboards oder – deutsch – Hauptplatinen bilden das unübersehbare Zentrum eines PCs, sobald Sie dessen Gehäuse öffnen. Wichtige Anschluss-Ports des Mainboards sind auch bei geschlossenem Gehäuse überwiegend an der Rückwand, zum Teil auch an der Frontseite zugänglich. Erweiterungskarten wie Grafikkarten oder Soundkarten, zusätzliche Festplatten oder optische Laufwerke können Sie aber nur bei offenem Gehäuse und direktem Zugriff auf das Mainboard nachrüsten. Die Abbildung zeigt und kennzeichnet die wesentlichen Bauteile eines Mainboards:

1. Der Bios-Chip: Das Basic Input Output System (oder die EFI Firmware) ist die primäre Software und als kleiner Chip auf dem Mainboard (1). Es initialisiert und konfiguriert dessen Hardware-Komponenten. Damit die Einstellungen Neustarts überdauern und die Systemzeit aktuell bleibt, wird ein kleiner Speicherbaustein mit einer eigenen Batterie (1a) versorgt. Beim Einschalten prüft das Bios die Mainboard-Hardware und die angeschlossenen Peripherie-Geräte und kann über den Bootsektor des primären Laufwerks den Start des eigentlichen Betriebssystems initiieren.

2. CPU-Sockel (mit CPU und Lüfter): Die CPU ist auf dem sogenannten Sockel (2) mit Hilfe eines einrastbaren Metallbügels fixiert. Von den vergleichsweise kleinen Bauteilen Sockel und CPU ist beim Blick auf ein komplett bestücktes Mainboard in der Regel nichts zu sehen, weil diese der große CPU-Lüfter verdeckt. Beim Austausch der CPU müssen Sie diese unbedingt passend zum Mainboard-Sockel wählen: Aktuelle Sockel für Intel-CPU haben Bezeichnungen wie 1155 oder 1366, für AMD-CPUs AM3 oder AM3+.

3. Speicherbänke: Die zwei, oft vier, seltener sechs Slots für RAM-Module (3) können nur die von der Slotbauweise und vom Chipsatz vorgegebene RAM-Riegel aufnehmen. Die Speicherriegel, heute meist DDR, DDR2 und DDR3 (DDR=Double Data Rate), haben je nach Typ eine Kerbe an unterschiedlicher Stelle, so dass der Einbau falscher Module physisch ausgeschlossen ist. Trotzdem müssen Sie beim Nachkauf von RAM darauf achten, dass die Module idealerweise dieselbe Taktrate besitzen, wie sie der Chipsatz des Mainboards vorgibt. Schnellere Module sind kein ernstes Problem, sie arbeiten dann aber langsamer als sie technisch könnten. Die Taktrate des Motherboards ist am einfachsten im Bios-Setup zu ermitteln, umständlicher auch im Handbuch des Motherboards.

4. Erweiterungssteckplätze: Trotz umfassender Ausstattung aktueller Mainboards mit allen wichtigen Komponenten, sind Hauptplatinen offen für Aufrüstmaßnahmen. Typischerweise finden sich auf dem Board mehrere PCI-Slots (4) und an erster Stelle und zur Mitte versetzt ein PCI-Express-Slot (4a) für die Grafikkarte. Bei neuesten Mainboards überwiegen zahlenmäßig bereits die längeren PCI-Express-Slots.

Auf älteren Boards gibt neben den PCI-Slots an erster Stelle und zur Mitte versetzt den AGP-Slot für die Grafikkarte. AGP (Accelerated Graphics Port) war einige Jahre um die Jahrtausendwende eine Zwischenlösung mit dem Ziel, damals teureres RAM für die Grafikkarte einzusparen, indem AGP notfalls den Arbeitsspeicher des PCs nutzen konnte.

Sehr alte Boards bieten am unteren Ende nach den PCI-Steckplätzen noch die auffällig langen ISA-Steckplätze. Diese sind längst im Aussterben begriffen.

Das Aussterben von ISA und AGP verurteilt manche hochwertige Erweiterungskarte zu Sondermüll, weil neuere Mainboards dafür keine Verwendung mehr haben. Umgekehrt passen in alte Mainboards keine modernen Komponenten. Lediglich der PCI-Bus (Peripheral Component Interconnect) hat mittlerweile fast zwei Jahrzehnte überdauert und wird nur dort, wo maximaler Durchsatz gewünscht ist (Grafikkarte), durch die Weiterentwicklung PCI-Express (PCIe) ersetzt.

5. Chipsatz mit Northbridge und Southbridge: Der Chipsatz des Mainboards besteht traditionell aus zwei Chips – der Northbridge und Southbridge (5). Die Northbridge befindet sich in unmittelbarer Nähe der CPU, die Southbridge nahe den Erweiterungssteckplätzen. Der Chipsatz übernimmt den Datenverkehr zwischen Peripheriegeräten und CPU, definiert wichtige Board-Eigenschaften wie CPU-Cache oder RAM-Obergrenze und bietet Onboard-Komponenten wie Ethernet und Sound. Auf manchen neueren Boards besteht der „Chipsatz“ nur noch aus einem Chip, der Southbridge. Die Funktionen der Northbridge übernimmt dort direkt eine entsprechend ausgestattete CPU. In der nebenstehenden Mainboard-Abbildung fehlt die Northbridge, die ihren Platz zwischen CPU-Sockel (2) und PCI-Slots (4a) hätte.

6. SATA-Anschlüsse: SATA (Serial Advanced Technology Attachment) ist der aktuelle Übertragungsstandard zwischen Laufwerken und dem Prozessor. Hier (6) schließen Sie Festplatten, SSDs und optische Laufwerke an. Standard ist mittlerweile die dritte SATA-Version, die theoretisch 600 MByte/s pro Sekunde übertragen kann. Die breiten, 40-Pin-Slots für ältere IDE/PATA-Festplatten (6a) sind auf neueren Boards oft nicht mehr vorhanden, Slot für Diskettenlaufwerke fehlen inzwischen auf allen Boards.

7. Anschlüsse für Peripherie: Gute PC-Mainboards sparen nicht mit Anschlüssen, die auf der Gehäuserückseite des Rechners zugänglich sind (7). Je nach Gehäuse finden sich auch auf der Frontseite Anschlüsse für USB, SD-Karte und Kopfhörer.

Die zusätzliche Abbildung der rückwärtige Peripherie-Ports zeigt ein Mainboard mit folgenden Anschlüssen von links nach rechts: PS/2-Port (für Maus oder Tastatur), darunter 2x USB 2.0, S/PDIF koaxial, darunter S/PDIF optisch (Audio-Schnittstellen), Bluetooth, 2x USB 2.0, eSATA, 2x USB 2.0, Ethernet-LAN, darunter 2x USB 2.0, Ethernet-LAN, darunter 2x USB 3.0, 6 Audio-Klinkenanschlüsse für 7.1-Surroundsystem.

8. Mainboard-Stromstecker: Der 20- oder 24-polige ATX-Stromanschluss (8) versorgt das Mainboard mit Strom. Der passende Stecker kommt vom ATX-Netzteil.

9. CPU-Stromstecker: Die CPU hat ihre eigene Stromversorgung. Der 8-polige, eventuell auch quadratisch-4-polige Stromanschluss für die CPU (9) befindet sich in der Nähe der CPU. Der passende Stecker kommt vom ATX-Netzteil.

10. Lüfter-Anschlüsse: Für CPU- und Gehäuselüfter gibt es meist 3- oder 4-polige Anschlüsse. Einmal angeschlossen, können Sie den Lüfter über das Bios oder sogar über das Betriebssystem regulieren. Die Stecker der jeweiligen Lüfter gehören in die mit „xxx_FAN“ gekennzeichneten Anschlüsse. Dabei sollte der CPU-Lüfter aufgrund seiner Steuerungsoptionen unbedingt an den vorgesehenen Anschluss „CPU_FAN“ (10); bei Lüftern ohne Steuerungsmöglichkeit spielt es keine Rolle, an welchem „xxx_FAN“-Anschluss sie hängen (SYS_FAN, PWR_FAN).

11. Frontpanel: Das Frontpanel (11) ist für die LEDs und den Powerknopf an der Gehäusefront zuständig. Dazu müssen kleine, 2-polige Stecker des PC-Gehäuses in die passenden Pins gesteckt sein. Die Pin-Belegung am Mainboard ist oft nicht ausreichend beschriftet, so dass nur der Blick ins Mainboard-Handbuch hilft.

12. Interne USB-Anschlüsse: USB-Ports im Mainboard (12) ermöglichen den Anschluss von USB-Geräten an der Gehäusefront – soweit das PC-Gehäuse solches vorsieht. In diesem Fall muss der passende Stecker des Gehäuses mit dem internen Anschluss verbunden werden.

4. Mainboard und Onboard-Peripherie

Abgesehen von den genannten Standardbauteilen besitzen heutige Mainboards integrierte Peripherie-Komponenten, so dass Sie zusätzliche Steckkarten nur noch bei besonderen Qualitätsansprüchen benötigen:

Onboard-GPU: Ein Grafikchip ist häufig im Chipsatz (Northbridge) des Mainboards integriert. Diese GPUs (Graphics Processing Unit) sind völlig ausreichend für Büroanwendungen und die visuellen Effekten von Betriebssystem und Software. Lediglich 3D-Gamer brauchen in jedem Fall eine leistungsstarke Grafikkarte.

Onboard-Ethernet: Fast Ethernet (100 MBit), inzwischen meist Gigabit-Ethernet (1000 MBit) ist auf allen Mainboards Standard (13), zum Teil Bestandteil des Chipsatzes (Southbridge). Eine PCI-Netzwerkkarte ist daher nicht mehr nötig, manchmal aber zu empfehlen, weil hier bei Billig-Mainboards oft mangelhafte Qualität verbaut ist. Mainboards mit integriertem WLAN-Chip sind selten. Notebooks, die standardmäßig WLAN mitbringen, realisieren das mit einer Erweiterungskarte auf dem Mini-PCI-Steckplatz.

Onboard-Sound: Ebenfalls längst Standard (14), zum Teil im Chipsatz des Mainboards (Southbridge), ist ein Soundchip. Die meist befriedigende bis gute Qualität dieser Chips wird oft nur durch lausige Ausgabehardware (Lautsprecher) geschmälert. Dedizierte Soundkarten brauchen nur noch Enthusiasten, die Musik nicht nur hören, sondern auch bearbeiten wollen.

5. Das Mainboard ist (fast) der PC

Das Mainboard ist die maßgebliche Komponente eines PCs wie Sie anhand folgender Minimalausstattung ermessen können: Ein Rechner mit Mainboard ist nämlich theoretisch lauffähig, sobald

• ein PC-Netzteil (meist ATX-Format) angeschlossen ist, das die Stromversorgung gewährleistet,
• der CPU-Sockel mit einem Prozessor bestückt ist,
• mindestens ein Speichermodul in einem der RAM-Steckplätze steckt.

Damit kann immerhin das Bios oder die EFI-Firmware des Mainboards starten und dieses erlaubt dann per Bootmenü die Auswahl eines bootfähigen externen Datenträgers mit einem Betriebssystem. Sie sehen aber schon: Um etwas auszuwählen, ist mindestens ein angeschlossenes Eingabegerät wie eine Tastatur unerlässlich, ferner ein Monitor, um das gestartete System dann auch nutzen zu können. Außerdem setzt unsere Minimalkonfiguration voraus, dass ein Onboard-Grafikchip vorhanden ist. Im realen Betriebsalltag befindet sich im PC ferner mindestens ein Festspeicher in Form einer Festplatte oder SSD mit einem Betriebssystem, das nach dem Bios automatisch startet.

6. Verhältnis von Hardware und Software

Hardware wird immer kleiner, leiser und ausgereifter. Für den PC-Nutzer stehen zunehmend funktionsreiche Betriebssystem-Software und Anwendungsprogramme im Zentrum, und auftretende Probleme liegen überwiegend auf der dominanten Software-Ebene. Das kann Anwender zu dem Irrtum verleiten, alle Probleme auf Software-Ebene beheben zu wollen. Defekte Hardware ist aber durch Software nicht zu reparieren – einige Beispiele:

Wenn Sie Systemabstürze und Bluescreens beobachten, sollten Sie CPU- und Gehäuse-Lüfter, ferner die RAM-Bausteine prüfen.

Wenn das Netzwerk ständig stockt oder zusammenbricht, sollten Sie versuchsweise den Ethernet- oder WLAN-Adapter austauschen.

Wenn das Betriebssystem nicht mehr startet, sollten Sie vor einer Neuinstallation erst mal mit einem mobilen Linux-Live-System testen, ob nicht ein generelles Hardwareproblem vorliegt.

Deutlich harmloser als defekte Bauteile, im Ergebnis aber genauso fatal, sind fehlende oder fehlerhafte Gerätetreiber: Jede angeschlossene Hardware benötigt einen solchen Treiber als Vermittler-Software zum Betriebssystem. Unter Windows kontrollieren Sie im Geräte-Manager recht bequem, ob die angeschlossene Hardware komplett erkannt und ein Gerätetreiber installiert ist. Im Fehlerfall zeigen gelbe Ausrufezeichen oder die Angabe „Unbekanntes Gerät“, dass der Treiber fehlt. Sie können dann Windows suchen lassen oder selbst auf die Webseite des Geräteherstellers gehen. Die Basisaustattung an passenden Treibern finden Sie aber immer auch auf der Begleit-DVD Ihres Mainboards.