I-O-Ports: Unterschied zwischen den Versionen

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== I/O-Ports (Ein- und Ausgabeschnittstellen) ==
== I/O-Ports, DMA, IRQ und Speicheradressen ==


'''I/O-Ports''' sind Anschlüsse am Computer, über die Daten ein- oder ausgegeben werden.   
Diese Konzepte gehören zu den grundlegenden Mechanismen, mit denen ein Computer Hardwaregeräte ansteuert.   
Sie verbinden den PC mit externen Geräten wie Tastatur, Maus, Monitoren, Speichermedien und Netzwerken.
Sie beschreiben, wie CPU, RAM und Peripheriegeräte miteinander kommunizieren.


=== Wichtige I/O-Ports im Überblick ===
== I/O-Ports (Input/Output-Ports) ==
 
I/O-Ports sind spezielle Adressen, über die die CPU direkt mit Hardware kommuniziert. 
Jedes Gerät besitzt bestimmte Portadressen, über die Daten gesendet oder empfangen werden.
 
=== Aufgaben von I/O-Ports ===
* CPU liest Daten von einem Gerät 
* CPU schreibt Daten an ein Gerät 
* Konfiguration von Hardware (z. B. Tastaturcontroller, Timer, Festplattencontroller)
 
=== Arten der Adressierung ===
{| class="wikitable" style="width:100%; text-align:center;"
{| class="wikitable" style="width:100%; text-align:center;"
! Anschluss
! Art
! Aufgabe
! Beschreibung
! Typische Geräte
! Besonderheiten
|-
|-
| '''USB-A / USB-C'''
| '''Port-Mapped I/O'''
| universelle Daten- und Stromverbindung
| CPU spricht Geräte über eigene Befehle (IN/OUT) an. 
| Maus, Tastatur, USB-Sticks, Smartphones
| USB-C unterstützt hohe Geschwindigkeit + Laden
|-
|-
| '''HDMI'''
| '''Memory-Mapped I/O'''
| digitale Video- und Audioübertragung
| Geräte erscheinen im normalen Adressraum des RAM. 
| Monitor, Fernseher, Beamer
|}
| bis 8K, Standard im PC-Bereich
 
Moderne Systeme nutzen fast ausschließlich **Memory-Mapped I/O** (MMIO).
 
== IRQ (Interrupt Request) ==
 
Ein '''Interrupt''' ist ein Signal, das ein Gerät an die CPU sendet, um Aufmerksamkeit zu verlangen. 
Der zugehörige Kanal wird '''IRQ''' genannt.
 
=== Aufgaben von IRQs ===
* melden Ereignisse (z. B. Tastendruck, Daten angekommen) 
* unterbrechen die CPU kurz 
* CPU führt eine passende Interrupt-Routine aus 
 
Beispiele für IRQs:
{| class="wikitable" style="width:100%; text-align:center;"
! Gerät
! Beispiel-IRQ
|-
|-
| '''DisplayPort'''
| Tastatur
| digitale Bildübertragung
| IRQ 1
| Monitore (insb. Gaming)
| hohe Bildraten, Adaptive Sync
|-
|-
| '''Audio (3,5 mm)'''
| Maus (PS/2)
| Ein-/Ausgabe von Audiosignalen
| IRQ 12
| Kopfhörer, Mikrofon, Lautsprecher
| analoger Anschluss
|-
|-
| '''Ethernet (RJ-45)'''
| Systemtimer
| Netzwerkverbindung per Kabel
| IRQ 0
| Router, Switches
|}
| stabil, 1–10 Gbit/s
 
|-
Moderne Systeme verwenden **APIC** statt klassischer IRQ-Nummern → flexibler und mehr Interrupts möglich.
| '''Thunderbolt'''
 
| extrem schnelle Universalschnittstelle
== DMA (Direct Memory Access) ==
| Dockingstations, Monitore, externe SSDs
 
| basiert auf USB-C, bis 40 Gbit/s
DMA erlaubt es Geräten, **direkt auf den Arbeitsspeicher zuzugreifen**, ohne dass die CPU alle Daten übertragen muss.
 
=== Vorteile von DMA ===
* entlastet die CPU 
* höhere Datenübertragungsraten 
* ideal für schnelle Geräte (Netzwerk, Festplatten, Grafikkarten)
 
=== Beispiel ===
Ohne DMA:
* CPU muss jedes Byte einzeln bewegen → langsam
 
Mit DMA:
* Gerät → DMA-Controller → RAM 
* CPU wird nur informiert, wenn der Transfer fertig ist
 
== Speicheradressen ==
 
Jedes Byte im RAM besitzt eine eindeutige Adresse. 
Die CPU nutzt diese Adressen, um Daten zu lesen oder zu schreiben.
 
=== Arten von Speicheradressen ===
{| class="wikitable" style="width:100%; text-align:center;"
! Art
! Beschreibung
|-
|-
| '''SATA'''
| '''physische Adressen'''
| interner Speicheranschluss
| tatsächliche Position der Daten im RAM
| HDDs, SATA-SSDs, optische Laufwerke
| bis 600 MB/s
|-
|-
| '''PS/2 (alt)'''
| '''logische / virtuelle Adressen'''
| Maus/Tastatur-Anschluss
| von Programmen genutzt; werden durch die MMU in physische Adressen übersetzt
| alte PCs, Industrie
| wird kaum noch genutzt
|}
|}


=== USB: wichtigste Standards ===
=== Memory-Mapped I/O (MMIO) ===
Viele Hardwaregeräte liegen nicht an I/O-Ports, sondern erscheinen an bestimmten Speicheradressen.
 
Beispiel:
* Grafikkarte belegt oft mehrere MB im Adressraum
* CPU schreibt direkt in diesen Bereich → Gerät reagiert
 
== Zusammenspiel der Konzepte ==
{| class="wikitable" style="width:100%; text-align:center;"
{| class="wikitable" style="width:100%; text-align:center;"
! Standard
! Konzept
! Geschwindigkeit
! Aufgabe
! Bemerkung
|-
|-
| USB 2.0
| I/O-Ports
| 480 Mbit/s
| direkte Kommunikation zwischen CPU und Geräten
| Maus, Tastatur, ältere Geräte
|-
|-
| USB 3.0 / 3.1
| IRQ
| 5–10 Gbit/s
| Geräte melden Ereignisse an die CPU
| moderne Peripherie
|-
|-
| USB 3.2
| DMA
| bis 20 Gbit/s
| Geräte übertragen Daten direkt in den RAM
| sehr schnell, oft USB-C
|-
|-
| USB4 / Thunderbolt
| Speicheradressen
| 20–40 Gbit/s
| CPU und Geräte speichern / lesen Daten
| High-End-Peripherie, Docks, Monitore
|}
|}


=== Videoanschlüsse ===
== Kurz gesagt ==
* '''HDMI''' – weit verbreitet, gut für Fernseher/Monitore  
* **I/O-Ports**: CPU spricht Geräte über spezielle Adressen an.  
* '''DisplayPort''' – bevorzugt für PCs, hohe Bildraten 
* **IRQ**: Geräte melden Ereignisse – CPU wird unterbrochen.
* '''USB-C (Alt Mode)''' – kann Video + Daten + Strom kombinieren 
* **DMA**: Geräte übertragen Daten direkt in den RAM (ohne CPU-Belastung). 
* '''VGA / DVI''' – veraltete analoge bzw. frühe digitale Anschlüsse
* **Speicheradressen**: jede RAM-Position hat eine Adresse; moderne Geräte erscheinen darin per Memory-Mapped I/O.
 
=== Interne Anschlüsse (Mainboard) ===
* '''SATA''' – für SSDs/HDDs 
* '''M.2''' – für NVMe / SATA / WLAN 
* '''Front-Panel-Stecker''' – Power-Taster, LEDs 
* '''USB-Header''' – Anschlüsse für Front-USB 
* '''Lüfteranschlüsse (PWM/DC)''' – CPU- und Gehäuselüfter
 
=== Warum sind I/O-Ports wichtig? ===
* verbinden den PC mit externen Geräten 
* beeinflussen Geschwindigkeit (z. B. USB vs. Thunderbolt) 
* bestimmen, welche Geräte nutzbar sind 
* ermöglichen Bild, Ton, Netzwerk und Erweiterungen
 
'''Kurz gesagt:''' 
I/O-Ports sind die Schnittstellen des PCs zur Außenwelt. 
Sie bestimmen, welche Geräte angeschlossen werden können und wie schnell Daten übertragen werden.

Version vom 14. November 2025, 12:41 Uhr

I/O-Ports, DMA, IRQ und Speicheradressen

Diese Konzepte gehören zu den grundlegenden Mechanismen, mit denen ein Computer Hardwaregeräte ansteuert. Sie beschreiben, wie CPU, RAM und Peripheriegeräte miteinander kommunizieren.

I/O-Ports (Input/Output-Ports)

I/O-Ports sind spezielle Adressen, über die die CPU direkt mit Hardware kommuniziert. Jedes Gerät besitzt bestimmte Portadressen, über die Daten gesendet oder empfangen werden.

Aufgaben von I/O-Ports

  • CPU liest Daten von einem Gerät
  • CPU schreibt Daten an ein Gerät
  • Konfiguration von Hardware (z. B. Tastaturcontroller, Timer, Festplattencontroller)

Arten der Adressierung

Art Beschreibung
Port-Mapped I/O CPU spricht Geräte über eigene Befehle (IN/OUT) an.
Memory-Mapped I/O Geräte erscheinen im normalen Adressraum des RAM.

Moderne Systeme nutzen fast ausschließlich **Memory-Mapped I/O** (MMIO).

IRQ (Interrupt Request)

Ein Interrupt ist ein Signal, das ein Gerät an die CPU sendet, um Aufmerksamkeit zu verlangen. Der zugehörige Kanal wird IRQ genannt.

Aufgaben von IRQs

  • melden Ereignisse (z. B. Tastendruck, Daten angekommen)
  • unterbrechen die CPU kurz
  • CPU führt eine passende Interrupt-Routine aus

Beispiele für IRQs:

Gerät Beispiel-IRQ
Tastatur IRQ 1
Maus (PS/2) IRQ 12
Systemtimer IRQ 0

Moderne Systeme verwenden **APIC** statt klassischer IRQ-Nummern → flexibler und mehr Interrupts möglich.

DMA (Direct Memory Access)

DMA erlaubt es Geräten, **direkt auf den Arbeitsspeicher zuzugreifen**, ohne dass die CPU alle Daten übertragen muss.

Vorteile von DMA

  • entlastet die CPU
  • höhere Datenübertragungsraten
  • ideal für schnelle Geräte (Netzwerk, Festplatten, Grafikkarten)

Beispiel

Ohne DMA:

  • CPU muss jedes Byte einzeln bewegen → langsam

Mit DMA:

  • Gerät → DMA-Controller → RAM
  • CPU wird nur informiert, wenn der Transfer fertig ist

Speicheradressen

Jedes Byte im RAM besitzt eine eindeutige Adresse. Die CPU nutzt diese Adressen, um Daten zu lesen oder zu schreiben.

Arten von Speicheradressen

Art Beschreibung
physische Adressen tatsächliche Position der Daten im RAM
logische / virtuelle Adressen von Programmen genutzt; werden durch die MMU in physische Adressen übersetzt

Memory-Mapped I/O (MMIO)

Viele Hardwaregeräte liegen nicht an I/O-Ports, sondern erscheinen an bestimmten Speicheradressen.

Beispiel:

  • Grafikkarte belegt oft mehrere MB im Adressraum
  • CPU schreibt direkt in diesen Bereich → Gerät reagiert

Zusammenspiel der Konzepte

Konzept Aufgabe
I/O-Ports direkte Kommunikation zwischen CPU und Geräten
IRQ Geräte melden Ereignisse an die CPU
DMA Geräte übertragen Daten direkt in den RAM
Speicheradressen CPU und Geräte speichern / lesen Daten

Kurz gesagt

  • **I/O-Ports**: CPU spricht Geräte über spezielle Adressen an.
  • **IRQ**: Geräte melden Ereignisse – CPU wird unterbrochen.
  • **DMA**: Geräte übertragen Daten direkt in den RAM (ohne CPU-Belastung).
  • **Speicheradressen**: jede RAM-Position hat eine Adresse; moderne Geräte erscheinen darin per Memory-Mapped I/O.
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