ErklärungAuf dem Mainboard bzw. Motherboard (engl. Hauptplatine) werden alle Bauteile des Computers angebracht(z.B. CPU, RAM, Grafikkarte,...). |
ATX Mainboard |
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Aufbau(Formfaktor)Unter Formfaktor versteht man den Standart der Größe des Boards, aber auch Lochabstände, Stromversorgung und die Lage der |
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Für den Anschluss eines externen Gerätes ist eine definierte Schnittstelle erforderlich. Eine Schnittstelle definiert die Festlegung für die physikalischen Eigenschaften der Schnittstellenleitungen.
Die Spezifikation einer Schnittstelle enthält Informationen über Übertragungsgeschwindigkeiten, Übertragungsverfahren, zu den Schnittstellenleitungen, dem Stecker, der Buchse oder Steckerleiste und deren Belegung. Sinn und Zweck einer Spezifikation oder einer Normierung ist, dass unterschiedliche Geräte unterschiedlicher Hersteller miteinander verbunden werden können.
Ein Computersystem hat interne Schnittstellen, die sich im Computergehäuse befinden und externe Schnittstellen, die aus dem Computergehäuse herausgeführt sind.
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Welcher Faktor bestimmt im wesentlichen die Leistungsfähigkeit eines Computer? Eine wichtige Frage, die sich nicht mit Prozessortakt, Arbeitsspeicher oder Festplattengröße beantworten lässt. Wenn man ein Computersystem auf seine einzelnen Komponenten herunter bricht, dann kommt man sehr schnell auf einen Baustein an den man im ersten Moment nicht denkt: das Motherboard, Mainboard oder auch Hauptplatine genannt. Es ist die Platine, auf der ausnahmslos alles angeschlossen ist, was sich in einem Computer-Gehäuse oder auch außerhalb befindet.
Zentrales Bauelement auf dem Motherboard ist der Chipsatz (Chipset), der sich im Laufe der Zeit von vielen einzelnen Bauteilen in einige wenige hoch integrierte Schaltungen entwickelt hat. Der Chipsatz ist das Bindeglied zwischen den einzelnen Komponenten eines Computers. Egal was in einem Computer passiert, der Chipsatz hat immer damit zu tun. Er sorgt dafür das alle Komponenten über ihre eigenen Schnittstellen miteinander kommunizieren können. Dabei werden unterschiedliche Spannungspegel, Taktfrequenzen und Protokolle berücksichtigt und untereinander umgewandelt. Der Chipsatz hat großen Einfluss auf die gesamte Rechnerleistung. Er steuert das Zusammenspiel und den Datenfluss zwischen dem Prozessor, dem Arbeitsspeicher, Bussystem(PCI, ISA), sowie den Schnittstellen(EIDE, AGP, USB). Haben der Chipsatz- oder Motherboard-Hersteller bei der Entwicklung geschlampt, kann das zu deutlichen Leistungseinbusen des gesamten Computersystems führen. Da spielt der Prozessortakt und der achso schnelle Speicher keine Rolle mehr. Was der Chipsatz nicht leistet, das können andere Komponenten nur schwer wieder an Leistung beisteuern. Der Chipsatz wird über die Einstellungen im BIOS konfiguriert. In Abhängigkeit von Chipsatz, Arbeitsspeicher, und Prozessor können hier unterschiedliche Einstellungen deutliche Leistungsunterschiede auslösen. Generell können die Chipsätze der unterschiedlichen Hersteller Leistungsunterschiede von bis zu 10% haben. Zudem legt der Chipsatz fest, welche Komponenten im Computersystem verwendet werden können. Welche Komponenten der Chipsatz unterstützt ist herstellerabhänig. Bausteine, die im Chipsatz fehlen, kann der Motherboard-Hersteller zusätzlich auf der Platine einbauen. Wenn das nicht ausreicht lässt sich ein System durch Erweiterungskarten mit Schnittstellen aufrüsten. Auf dem Foto sehen Sie links den Prozessor Pentium 4 von Intel abgebildet. Zum Vergleich sehen Sie unten den MCH und oben den ICH2 aus der Chipsatz-Serie i8xx von Intel. Durch den Größenvergleich kann man ungefähr abschätzen, was der Chipsatz leisten muss.
Die klassische Chipsatz-Architektur besteht ganz grob gesehen aus zwei Bausteinen: die North-Bridge und die South-Bridge. Die Bezeichnung ergibt sich aus der Anordnung innerhalb der Prinzipschaltung. Sieht man diese Schaltung als Landkarte, so befindet sich die North-Bridge im Norden und die South-Bridge im Süden. Die Bezeichnungen stammen ursprünglich von Intel. Die North-Bridge ist die zentrale Komponente, die den Datenfluss zwischen Prozessor (CPU), Arbeitsspeicher und Peripherie steuert. Der Prozessor ist über den Front-Side-Bus (FSB) an die North-Bridge angebunden. Der AGP-Port ist die Schnittstelle für eine Grafikkarte. Ursprünglich war die Grafikkarte in einem PCI-Steckplatz eingesteckt. Um den Datenfluss auf dem PCI-Bus zu entlasten wurde Grafikkarte in AGP-Variante und mit eigener Schnittstelle fest mit der North-Bridge verbunden. Der Arbeitsspeicher ist ebenfalls an die North-Bridge angebunden. Im Optimalfall arbeitet die Anbindung von Prozessor und Arbeitsspeicher mit der selben Geschwindigkeit. Das entlastet die North-Bridge vor der aufwendigen Konvertierung von Datenworten und führt nicht zu Verzögerungen beim Datentransfer. Zweiter Teil des Chipsatztes ist die South-Bridge, die mit der North-Bridge über den PCI-Bus verbunden ist. Am PCI-Bus befinden sich noch weitere Slots, über die sich Erweiterungskarten einstecken lassen. Obwohl die South-Bridge hauptsächlich für die Steuerung der Peripherie-Schnittstellen zuständig ist hat sie trotzdem Verbindung über Interrupt-Leitungen zum Prozessor und über den SMB zum Arbeitsspeicher. Um auch alte ISA-Steckkarten zu unterstützen hat die South-Bridge eine integrierte ISA-Bridge über die die ISA-Slots angesprochen werden. Für die Peripherie-Schnittstellen übernimmt die South-Bridge die Wandlung von Spannungspegel, Datenformate, Protokolle und Taktfrequenzen. Auch das System-BIOS mit seinem Flash-ROM ist hier angeordnet (über ISA).
Mit den Chipsätzen der Baureihe i8xx führte Intel eine neue Struktur, die Hub-Architektur zur Verknüpfung der einzelnen Chipsatz-Komponenten ein. Intel war in dieser Richtung schon sehr früh innovativ. Andere Chipsatz-Hersteller sind kurze Zeit darauf mit Eigenentwicklungen nachgezogen und haben ähnliche Strukturen eingeführt. Der Grund war, das die alte Bridge-Architektur mit dem PCI-Bus als Verbindung zwischen North- und South-Bridge sich als Nadelöhr entwickelt hat. Die immer schneller werdenden Prozessoren, Arbeitsspeicher und Festplatten wurden durch den internen PCI-Bus ausgebremst. Die Daten konnten nicht schnell genug an den Ort eines Computersystems übertragen werden, wie es theoretisch notwendig gewesen wäre. Da nicht alle Hub-Architekturen aller Hersteller berücksichtigt werden können, wird hier exemplarisch der Intel-Chipsatz (i8xx-Serie) beschrieben. Die Chipsätze andere Hersteller sind jedoch ähnlich aufgebaut. Vergleicht man die Hub-Architektur mit der Bridge-Architektur, dann übernimmt der Memory Controller Hub (MCH) die Funktion der North-Bridge. Hier läuft das Interface des Prozessors (FSB), des Arbeitsspeichers und des AGPs zusammen. Statt des MCH gibt es auch einen Graphics Memory Controller Hub (GMCH). Dieser hat keine Unterstützung für den AGP. Dafür aber einen eingebauten Grafikchip, der die Grafikkarte ersetzt. Als interne Verbindung gibt es nicht mehr den PCI-Bus, sondern Hub Interface. Über diese Schnittstelle lassen sich weitere Controller Hubs untereinander verbinden. Z. B. lässt sich ein PCI64-Hub an den MCH anbinden, der Slots für 33 MHz- oder 66 MHz-PCI zu Verfügung stellt. Über ein weiteres Hub Interface wird er I/O Controller Hub (ICH) an den MCH angeschaltet. Der ICH übernimmt die Aufgaben der South-Bridge, stellt aber nur die Schnittstellen zu Verfügung, die Intel in das moderne PC-Konzept passt. Dinge, wie Floppy, serielle und parallele Schnittstelle werden nur über einen weiteren Super-I/O-Baustein möglich. Diese "alten" Schnittstellen sondern in den "Legacy Port Controller" (LPC). Sie sind die letzten Verbindungen in die alte PC-Welt. Der PCI-Bus und die EIDE/ATA-Schnittstellen werden direkt aus dem ICH herausgeführt. ISA-Steckplätze müssen über einen zusätzlichen Chip (PCI-to-ISA-Bridge) angebastelt werden. Weil der ISA-Bus nur noch über diesen Zusatzbaustein unterstützt wird, muss das BIOS in eine separate Funktionseinheit. Diese nennt sich Firmware Hub (FWH) und hängt am ICH dran. Obwohl die Hub-Architektur technisch modern und modular aufgebaut ist, sind ICH und Arbeitsspeicher über den SMB verbunden. Auch der Prozessor hat noch seine Interrupt-Leitungen zum I/O Controller Hub (ICH).
Die Verbindung zwischen North-Bridge und South-Bridge bestimmt die Geschwindigkeit mit der die Daten von Peripherie-Geräten zum Prozessor und in den Arbeitsspeicher kommen. Die ursprüngliche PCI-Verbindung wurde von den Chipsatz-Herstellern durch schnellere Verbindungen abgelöst:
Hersteller | Bezeichnung | Geschwindigkeit |
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Intel | Hub-Link | 266 MByte/sek. |
Via | V-Link | 266 MByte/sek. |
SiS | MuTIOL | > 500 MByte/sek. |
ServerWorks | ServerWorks | > 1000 MByte/sek. |
Diverse | PCI | 133 MByte/sek. |
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In einen Ram Slot passen nur bestimmte RAM-Typen, da der RAM vom Chipsatz auf dem Motherboard gesteuert wird und man für diesen einen bestimmten Typ braucht. Außerdem gibt es Ram-Chips in verschiedenen Größen, so das man den passenden Slot braucht.
ps/2 SIMMs haben 72 Kontakte die einseitig oder doppelseitig verschaltet sein können. PS/2 beschreibt die Form und den Anschluss der Speichermodule. Es gab mehrere Speicherarten von PS/2, die bekanntesten waren FPM(Fastpage-Memory-Module) und EDO(Extendend Data Output). Allerdings wurden die FPM Module mit Einführung der Pentium Prozessoren durch EDO-Speicher verdrängt, da dieser etwa 10 bis 30% schneller war.
PS/2 SIMM Speichermodule waren die Nachfolger der SIMM Speichermodule und lösten diese 1993 ab.
Allerdings wurde auch PS/2 SIMM 1998 von den SDRAM-DIMM Modulen abgelöst.
Im Gegensatz zu den SIMMs haben DIMMs 2 getrennte Reihen von Kontaktpinns. Eine auf der Vorder- und eine auf der Rückseite.
Die Häufigsten DIMMs haben 168 Kontakte und zwei Kerben in der Kontaktleiste. Sie sind meistens mit SDRAM bestückt und verfügen über einen 64 Bit breiten Datenbus. Die Kerben dienen zur Erkennung der jeweiligen Spannungsversorgung für das Modul.
DIMMs mit einer Kerbe und 184 Kontakten sind mit DDR-SDRAM bestückt.
Im Gegensatz zu den SIMM Modulen werden die DIMM Module senkrecht in das Motherboard eingesteckt.
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AGP - Accelerated Graphics Port |
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3D-Grafik ist aus keinem Anwendungsbereich mehr weg zu denken. Ob Forschung, Unterhaltung oder Multimedia, alles setzt auf 3D-Visualisierung. 3D-Grafik benötigt jedoch hohe Datenströme um sich anspruchsvoll und bewegt darstellen zu lassen. Mit der Zeit hat sich der PCI-Bus als Engpass für die Grafikausgabe herausgestellt. Vor allem deshalb, weil der PCI ein Bus ist, den sich mehrere Erweiterungskarten und evt. die South-Bridge mit ihren vielen Schnittstellen teilen muss. Anordnung der Steckplätze auf dem Mainboard Mitte des Jahres 1996 begann ein Konsortium von Mainboard- und Grafikchipherstellern unter der Führerschaft von Intel mit der Entwicklung des AGP. Der Accelerated Graphics Port ist weder ein Ersatz für den PCI-Bus noch eine Erweiterung. Er ist nur ein zusätzlicher, unabhängiger Steckplatz (siehe Bild, AGP oben, PCI unten), für eine einzelne Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen Grafikkarte und Chipsatz (North-Bridge). Blockschaltbild
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AGP- Modus |
Bustakt | Signalspannung | max. Transferrate | Bemerkung |
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X1 | 66 MHz | 3,3 V | 266 MByte/s | Übertragung nur bei steigenden Signalflanken |
X2 | 66 MHz | 1,5 V / 3,3 V | 532 MByte/s | Übertragung bei steigenden und fallenden Signalflanken |
X4 | 66 MHz | 1,5 V | 1,06 Gbyte/s | Übertragung von 4 Datenwörter pro Takt |
X8 | 66 MHz | 0,8 V | 2,1 GByte/s | Übertragung von 8 Datenwörter pro Takt |
Quellen:
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PCI, PCI-X und PCI-Express |
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PCI
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Spezifikation | Bus- Breite |
Takt- frequenz |
Datentransferrate | Signal- spannung |
Geräte pro Bus |
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PCI 2.3 | 32 | 33 | 0,133 GByte/s | 5V | 6 |
PCI 2.3 | 64 | 33 | 0,266 GByte/s | 5V | 6 |
PCI 2.3 | 32 | 66 | 0,266 GByte/s | 3,3V | 3 |
PCI 2.3 | 64 | 66 | 0,533 GByte/s | 3,3V | 3 |
PCI-X 1.0 | 64 | 66 | 0,533 GByte/s | 3,3V | 4 |
PCI-X 1.0 | 64 | 100 | 0,800 GByte/s | 3,3V | 2 |
PCI-X 1.0 | 64 | 133 | 1,066 GByte/s | 3,3V | 1 |
PCI-X 266 (2.0) | 64 | 133 DDR | 2,133 GByte/s | 1,5V | 1 |
PCI-X 533 (2.0) | 64 | 133 QDR | 4,266 GByte/s | 1,5V | 1 |
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ProzessorsockelAnfangs waren die Prozessoren fest auf dem Motherboard aufgelötet. Seit dem Intel 486er haben sich ein Reihe von Standard-Sockel entwickelt. So ist die Aufrüstung eines Computers durch einen Prozessortausch einfach durchzuführen. Mit jeder neuen Prozessorgeneration von Intel wurde ein neuer Sockeltyp eingeführt, der dann auch von anderen Prozessorherstellern unterstützt und genutzt wurde. Nach dem Sockel 7 hat jeder Prozessorhersteller für seine Prozessoren eigene Sockel herausgebracht. Dadurch entwickelten sich auch spezielle Chipsätze für die einzelne Prozessoren. Der klassische Sockel wurde zwischendurch von einem Slot für eine Prozessor-Steckkarte ersetzt, um L2-Cache und Prozessor voneinander zu trennen, um dann die Herstellungskosten zu senken. Dadurch waren aber keine Steigerung der Taktrate des Front-Side-Bus mehr möglich. Der Sockel legt einige Eigenschaften des Prozessors fest:
Historie der Prozessorsockel
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Beim Einschalten des Computers wird zuerst ein so genannter POST (Power on Self Test) durchgeführt. Er überprüft ob die Tastatur angeschlossen ist, ob der Ram in Ordnung ist oder ob das Mainboard einen Fehler aufweist, ...
Diese Diagnose Routinen befinden sich im ROM-BIOS(Read-Only-Memory). Das ist ein Speicher der nur gelesen werden kann und beim Ausschalten des Computers nicht verloren geht.
Das ROM-BIOS befindet sich auf dem Mainboard. Es stellt die Grundlegenden Funktionen, die ein Betriebsystem zum Datenaustausch mit den einzelnen PC-Komponenten bzw. Peripheriegeräten braucht, zur Verfügung. Beim BIOS handelt es sich um eine Schnittstelle zwischen Hardware und Betriebsystem. Routinen zum Zugriff auf den Bildschirm finden sich hier, ebenso wie Funktionen zur Abfrage der Uhrzeit bzw. des Datums oder zur Ausgabe von Zeichen.
Heut zu Tage verwendet man ein so genanntes Flash-BIOS, dass den Vorteil, das man es mit neuen Informationen bestücken kann, ohne das der Chip getauscht werden muss.
Die Ergebnisse des POST werden mit einträgen im CMOS-Chip(Complementary Metal Qxid Semiconductor) verglichen. Der CMOS-Chip ist Batteriegepuffert und besitzt diverse PC Konfigurationsdaten, die permanent gespeichert werden(d.h.: Die Informationen gehen durch die Stromversorgung der Batterie auch beim Ausschalten des PCs nie verloren).
Quellen:
Bild "http://www.dbode.de"
Informationen "http://www.bs-roth.de/schueler/projekte2003fsi1/Bios/praesentationen/scharnaglschmidt/BIOSfunktionsweisse.htm"
EIDE / (Ultra-)ATA |
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Die EIDE-Schnittstelle (Enhandced Intelligent/Integrated Drive Electronics) ist eine Weiterentwicklung des IDE-Standards. Die EIDE-Schnittstelle bezeichnet man auch als ATA-Schnittstelle (ATA steht für Advanced Technology (AT) Attachment). Allerdings ist IDE und ATA nicht dasselbe. IDE definiert den Anschluss der Laufwerke, wie Pinbelegung, Stecker, Kabel und elektrische Signale. ATA definiert das Protokoll, mit dem die Daten über die Leitungen (IDE) transportiert werden. EIDE unterstützt bis zu 4 Laufwerke und ermöglicht den Anschluss von Festplatten, CD-ROM, CD-Brenner, DVD, Streamer und andere Wechselspeicherträger (ATAPI). EIDE-/ATA-Schnittstelle auf dem Motherboard Im Laufe der Zeit, seit es EIDE/ATA gibt, haben sich die Festplatten-Hersteller auf verschiedene Betriebsarten geeinigt. Dadurch wurde es möglich ältere Festplatten parallel zu neueren zu betreiben. Das hatte jedoch den Nachteil, dass die schnellere Festplatte sich der langsameren in ihrer Geschwindigkeit anpassen musste. Für den den Datentransfer gibt es zwei Protokolle. Den älteren PIO-Modus (Programmed Input/Output) und den neueren UDMA-Modus (Ultra Direct Memory Access). Beim PIO-Modus ist der Prozessor für jeden Lese- und Schreibvorgang verantwortlich. Der UDMA-Modus kann über den DMA-Controller direkt auf den Arbeitsspeicher zugreifen. So kann der Prozessor sich um andere Aufgaben kümmern. Das gesamte System läuft schneller. |
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Der Ultra-DMA-Modus (Ultra-ATA) unterstützt höhere Datenübertragungsraten und besitzt eingebaute Sicherheitsmechanismen. Zusätzlich wird die Belastung des Prozessors bei der Datenübertragung durch einen Bus-Master-Treiber reduziert. Dieser Treiber muss aktiviert werden. Bei Geräten, die damit nicht umgehen können muß er deaktiviert werden. Das Bus-Mastering ist ein Datentransfer-Verfahren für die Übertragung von Daten und Befehlen, bei dem der Host-Controller direkt auf dem Arbeitsspeicher zugreift, ohne den Prozessor zu belasten. Ultra-DMA-Kabel in Rund-Ausführung Für alle Ultra-ATA-Festplatten (133/100/66) wird ein UDMA-Kabel benötigt. Dieses Flachbandkabel hat 80 Leitungen. 40 für den Datenverkehr und 40 für die Erdung. Da diese Flachbandkabel sehr viel Platz in einem Computer-Gehäuse verbrauchen gibt es diese Kabel auch in Rund-Ausführung, wie auf dem Bild unten zu sehen ist. Der Ultra-DMA-Standard 133 ist abwärtskompatibel. An diesen Controllern lassen sich auch andere Ultra-ATA-Festplatten (66 und 100) betreiben. |
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Konfiguration von EIDE-Geräten |
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An eine (E)IDE-Strang können maximal 2 Geräte angeschlossen werden. Das Master-Gerät wird am Kabelende angesteckt. Der Jumper sollte hinten am Gerät auf Master (M) gesteckt sein. Ein zweites Gerät kommt an den zweiten Stecker, in der Mitte des Kabels. Dies wird als Slave betrieben. Entsprechend sollte der Jumper (S) gesteckt sein. Bei der Verwendung von Cable Select (CS) muss bei beiden Geräten entsprechend der Jumper gesteckt sein. Die Position bzw. die Betriebsart wird über eine (nicht) durchverbundene Ader im Flachbandkabel eingestellt. In manchen Gerätekonstellationen funktioniert diese Automatik nicht. Deshalb ist angeraten in jedem Fall die manuelle Einstellung vorzunehmen. Bei nur zwei Geräten ist das auch kein Problem. Die Software-Konfiguration von Festplatten und Laufwerken wird im BIOS vorgenommen. Dort stellt man den EIDE-Anchluß auf Auto-Detect (Autoerkennung) ein. Erst wenn diese Einstellung fehlschlägt, dann kommt man um das manuelle Eintragen der Festplatten oder Laufwerks-Parameter nicht herum. Im Regelfall ist das nicht notwenig. |
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ATAPI |
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ATAPI bedeutet Advanced Technology (AT) Attachment Packet Interface und ist ein Erweiterung des Befehlssatzes ATA zum Anschluss eines CD-Rom-Laufwerks oder eines anderen Wechsel-Laufwerks (z. B. ZIP-Drive) an die EIDE-Schnittstelle. Im aufkommenden Multimedia-Zeitalter wurden Computer mit CD-Rom-Laufwerken als Wechsel-Massenspeicher ausgestattet. Mit dem Laufwerk wurde auch eine CD-Rom-Controller-Steckkarte in den Computer eingebaut. Jeder CD-Rom Hersteller lieferte seine eigene, speziell für seine eigenen CD-Rom-Laufwerke, eine Controller-Karte mit. Als Zwischenstufe wurden Soundkarten mit den 3 bis 4 wichtigsten Schnittstellen onboard ausgestattet. Auf die Dauer und mit dem einsetzenden CD-Rom-Boom wurde das aber zu teuer. Außerdem waren die Proprietären Schnittstellen nicht schnell genug, um die Aufgaben in einem Multimedia-Computer erledigen zu können. Die Lösung war, CD-Rom-Laufwerke entweder an den SCSI-Bus oder die EIDE-Schnittstelle anzuschließen. Für die billigen Consumer-Computer wurde die EIDE-Schnittstelle gewählt. Dabei gab es aber ein Problem: Für jedes Gerät, das an der EIDE-Schnittstelle angeschlossen ist, wird ein fester Laufwerksbuchstabe vergeben. Und somit ist es kein Wechsel-Laufwerk mehr. Der CD-Rom-Wechsel würde einen Neustart des Computers nach sich ziehen. Aus diesem Grund wurde der ATAPI-Befehlssatz entwickelt um CD-ROMs über die EIDE-Schnittstelle steuern zu können. Das BIOS ist sogar in der Lage das Betriebssystem von einer CD-ROM oder DVD zu booten. |
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