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1 Grundlagen der Informatik 1 Prof. Dr. J. Schmidt Fakultät für Informatik GDI1 WS 2013/14 Einführung in die Informatik Hardware

2 Überblick Vorlesung Kapitel 2: Nachricht, Information und Daten Kapitel 3: Kodierung, Kompression, Verschlüsselung Kapitel 4: Graphentheorie Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 2

3 Leitfragen 1.2 Welche Schritte gehören zu einer systematischen Problemlösung? Wie sind digitale Rechenanlagen bzw. Computersysteme aufgebaut? Welche charakteristischen Merkmale weisen wichtige Hardware Komponenten auf? Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 3

4 Rätsel: Umfüllproblem Wie kann man 6 Liter Wasser abfüllen, wenn zum Messen nur ein 4 Liter Eimer und ein 9 Liter Eimer zur Verfügung stehen? IST/SOLL Analyse unter Zuhilfenahme zweier Techniken Visualisierung und Fragetechnik Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 4

5 Systematischer Lösungsansatz (1) IST/SOLL Analyse Visualisierung Problemstellung klarer und überschaubarer? IST SOLL? Problemstellung klarer und überschaubarer Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 5

6 Systematischer Lösungsansatz (2) IST/SOLL Analyse Fragetechnik (Klärung aller Fragen) Eigenschaft des Sachverhalts? Eigenschaft des Sachverhalts Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 6

7 Systematischer Lösungsansatz (3) IST/SOLL Analyse Fragetechnik Zergliedern von Sachverhalten? Zergliedern von Sachverhalten Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 7

8 Systematischer Lösungsansatz (4) IST/SOLL Analyse Fragetechnik 2.) 1 Liter muss im 4 Liter-Eimer sein 3.) Wie erhalte ich 1 Liter? 1.) 3 Liter wegschütten Ordnen von Sachverhalten (hier nicht notwendig) Vergleichen von Sachverhalten Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 8

9 Systematischer Lösungsansatz (5) Festlegung der Suchrichtung Vorwärtssuche Ausgangssituation: IST-Zustand, willkürliches Suchen des SOLL-Zustands Rückwärtssuche Ausgangssituation: SOLL-Zustand, schrittweises Arbeiten zum IST-Zustand Bsp: 6 Liter befinden sich im 9 Liter Eimer Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 9

10 Fazit Systematische Problemlösung 1. IST/SOLL Analyse Visualisierung Fragetechnik (mit folgenden Strukturierungshilfen) (1) Eigenschaften des Sachverhalts (2) Zergliedern des Sachverhalts (3) Ordnen von Sachverhalten (4) Vergleichen von Sachverhalten 2. Festlegung der Suchrichtung Vorwärts- oder Rückwärtssuche Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 10

11 Aufbau digitaler Rechenanlagen (1) Zwei elementare Bestandteile Zentraleinheit (Rechner) Prozessor (CPU) Arbeitsspeicher (RAM) Verschiedenen Bus- und Anschluss-Systeme Ein-/Ausgabesystem Peripherie (angeschlossene Komponenten) Ausgabegeräte wie Bildschirme, Beamer, Drucker, Plotter Eingabegeräte wie Tastatur, Maus, Scanner, Mikrofon Ein- und Ausgabegeräte wie Festplatten-Laufwerke, CD-ROMbzw. DVD-Laufwerke, Modems, Netzwerkkarten Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 11

12 Aufbau digitaler Rechenanlagen (2) Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 12

13 EVA-Prinzip (1) Computer arbeiten nach dem EVA-Prinzip Eingabe: Über eine Eingabeeinheit wie z.b. eine Tastatur, eine Maus usw. gelangen Daten in den Computer, Verarbeitung dieser Daten findet dann in der Zentraleinheit statt, bevor die Ausgabe über ein Ausgabegerät wie Bildschirm, Drucker, Festplatte usw. erfolgt. Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 13

14 EVA-Prinzip (2) EVA in den verschiedenen Rechnergenerationen Rechnergeneration Eingabeeinheit Verarbeitungseinheit Ausgabeeinheit Röhrenrechner Schalttafeln Trommelspeicher Leuchtanzeigen Drucker mit Endlospapier Transistorrechner Lochkarten Magnetkernspeicher Drucker mit Endlospapier IC-Rechner Terminal mit Tastatur IC-Schaltungen Terminal Magnetband Drucker mit Endlospapier Magnetband Mikrocomputer Tastatur Mikroprozessor Bildschirm Maus Festplatte Festplatte, Farb-/Laserdrucker, Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 14

15 Aufbau heutiger Rechner/PCs (1) Folgt weitestgehend der von Neumann-Architektur Prozessor (CPU) besteht aus Rechen- und Steuerwerk Steuerwerk liest Befehle und Operanden nacheinander ein und interpretiert diese anhand seiner Befehlstabelle Rechenwerk führt die entsprechenden arithmetischen und logischen Operationen durch Arbeitsspeicher enthält die Befehle von ablaufenden Programmen und die zugehörigen Daten Bussystem ist für den Transport von Daten zwischen den Einheiten wie dem Prozessor, dem Arbeitsspeicher und den Ein- und Ausgabeeinheiten zuständig Ein-/Ausgabeeinheiten nehmen neue Programme und Daten entgegen und geben fertig verarbeitete Daten aus Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 15

16 Aufbau heutiger Rechner/PCs (2) Inneres eines PCs Inneres eines PCs Rückseite eines PCs Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 16

17 Informatik PC! ein weitaus größerer Markt sind die eingebetteten Systeme (embedded systems) Anwendungsgebiete z.b. Flugzeuge Autos Lokomotiven Blu-ray Player Smartphones Fernseher Waschmaschinen Spielekonsolen Hörgeräte Computertomographen Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 17

18 Eingebettetes System eingebettetes System = Computer, der in ein technisches Umfeld eingebunden ist typisch: Regel- und Überwachungsfunktionen, Verarbeitung von Sensorsignalen Echtzeitanforderungen Studienschwerpunkt Embedded Systems Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 18

19 Beispiel: Automotive Auto = fahrendes Computernetzwerk Oberklasse: bis zu 80 Steuergeräte Mittelklasse: > 20 Steuergeräte verbunden über Bussystem (CAN/FlexRay) Aufgaben z.b. Motorsteuerung Kombiinstrument ABS/ESP Airbag Fahrerassistenzsysteme Airbag Steuergerät diese Computer benötigen natürlich Software Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 19

20 Zentraleinheit (1) Besteht aus den Komponenten der Hauptplatine (Mainboard, Motherboard) Wesentliche Bestandteile Prozessor (CPU = Central Processing Unit ) Herzstück eines Computers Aufgabe: Ausführung der Programme, Steuerung und Verwaltung der Hardware RAM Arbeitsspeicher (RAM = Random Access Memory ) enthält die Programme, die gerade ausgeführt werden, und auch die verwendeten Daten Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 20

21 Zentraleinheit (2) Wesentliche Bestandteile ( Fortsetzung) ROM Speicher (ROM = Read Only Memory ) Enthält Programm (BIOS), welches die wichtigsten Hardware Komponenten überprüft und dann das Booten des Betriebssystem von einem Speichermedium (Festplatte oder CD) veranlasst Busse und Schnittstellen Kommunikation zwischen den einzelnen Bestandteilen des Mainboards als auch Anschluss aller Arten von Peripheriegeräten (Grafikkarten, Netzwerkkarten, Festplatten, Drucker, etc.) Chipsatz Schaltkreise zur Steuerung Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 21

22 Prozessor (1) Grundaufbau Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 22

23 Prozessor (2) Register Sind prozessorinterne Speicherplätze Eigenschaften und Größen sind bei verschiedenen Prozessoren unterschiedlich und beeinflussen die Leistungsfähigkeit Registerarten Arbeitsregister Aufnahme Daten und Adressen Befehlszählerregister Adresse des nächsten auszuführenden Befehls (Instruction Pointer) Befehlsregister Aufnahme (binärer) Maschinenbefehl Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 23

24 Prozessor (3) Busse Über verschiedene Busse (Datenleitungen) ist der Prozessor mit den anderen Komponenten des Mainboards verbunden Datenbus wird zum Austausch von Daten mit dem Arbeitsspeicher benötigt (bidirektional) Adressbus dient zum Übertragen der zugehörigen Speicheradressen (unidirektional) Steuerbus zur Ansteuerung des Daten-/Adressbusses Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 24

25 Funktionsweise eines Prozessors (1) Befehlszyklus 1. Befehlszählerregister enthält die Adresse des nächsten Maschinenbefehls Adresse des Befehls wird über den Adressbus an den Arbeitsspeicher übermittelt 2. Befehl wird aus dem Arbeitsspeicher über den Datenbus in das Befehlsregister übertragen mittels Dekodierlogik wird der Befehl analysiert und die Ausführung angestoßen Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 25

26 Funktionsweise eines Prozessors (2) Befehlszyklus ( Fortsetzung) 3. Befehl wird ausgeführt abhängig vom jeweiligen Befehl wird dabei zusätzlich das Lesen von Daten aus dem Arbeitsspeicher, die Ansteuerung von Peripherieschnittstellen, das Rechnen in der ALU oder die Durchführung eines Sprungs im Programm erforderlich 4. Falls ein Sprung stattfand, wird das Befehlszählerregister auf die entsprechende neue Adresse gesetzt, ansonsten wird das Befehlszählerregister um 1 erhöht 5. Der Prozessor fährt wieder mit dem 1. Schritt fort Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 26

27 Funktionsweise eines Prozessors (3) Hardware Interrupts Bei Anfragen von der Hardware (wie z. B. Festplatte oder Soundkarte) Prozessor unterbricht unter Umständen die Abarbeitung der Befehlssequenz des laufenden Prozesses und führt zunächst die angeforderte Kommunikation mit der Hardware durch bevor er an der unterbrochenen Stelle wieder fortsetzt. Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 27

28 Leistungsmerkmale eines Computers (1) Wortbreite Arbeits- bzw. Datenregister Maximale Größe von Ganzzahlen und Genauigkeit von Gleitpunktzahlen Datenbus Wie viele Bits werden gleichzeitig aus dem Arbeitsspeicher gelesen oder geschrieben Adressbus Maximale Größe von Speicheradressen und somit Gesamtumfang des Arbeitsspeichers Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 28

29 Leistungsmerkmale eines Computers (2) Taktfrequenz Wird zur Beurteilung der Prozessorgeschwindigkeit herangezogen Vielfaches des Mainboard Grundtaktes (fix oder einstellbar) Bsp.: 133 MHz getaktetes Mainboard Multiplikator 20 2,66 GHz CPU-Taktrate Beachte! Prozessor mit hoher Taktfrequenz nützt wenig, wenn nicht genügend Arbeitsspeicher vorhanden Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 29

30 Leistungsmerkmale eines Computers (3) Benchmarks MIPS Million Instructions per Second Anzahl der Befehle, die ein Prozessor in einer Sekunde ausführen kann FLOPS Floating Point Operations Per Second Anzahl der Gleitpunktoperationen, die ein Prozessor in einer Sekunde ausführen kann Weitere Aspekte, die mit Peripherie oder installierter Software verbunden sind Z.B. Zugriffszeiten Plattenlaufwerke, Übertragungsrate Netzwerk, Kosten, Prof. Dr. J. Schmidt Grundlagen der Informatik 1 WS 2013/14 30

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