Rechnerarchitektur und Betriebssysteme. Teil 1: Einführung

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1 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme Teil 1: Einführung Burkhard Messer FHTW Berlin FB 4 Wirtschaftsinformatik Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung Übersicht Überblick über die Veranstaltung Literatur Kurze Geschichte des Computers Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 2 1

2 Überblick über die Veranstaltung - Teil 1 Rechnerarchitektur Rechnerkomponenten und deren Zusammenarbeit Von-Neuman-Architektur Prozessor-Architektur Speicherarten Peripherie Bus-Systeme Schnittstellen zu Netzen Arten von Rechnern (Laptop, Server etc.) Leistungsbewertung von Systemen Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 3 Überblick über die Veranstaltung - Teil 2 Betriebssysteme (Windows NT, UNIX/LINUX) Konzepte moderner Betriebsysteme Prozesse und Multithreading Dateisysteme Benutzerverwaltung Interprozesskommunikation Ausfallssicherheit Hintergrundprozesse (Dienste) Fenstersysteme Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 4 2

3 Ziele der Veranstaltung Folgendes soll gelernt werden: Wie Hardware grundsätzlich funktioniert, welche Arten davon es gibt und wofür diese verwendet werden können, Was eine Architektur auf der Ebene der Hardware- und Software ist, Wie Rechner intern aussehen, wie sie kommunizieren, was PCs, Clients und Server sind und Was ein Betriebssystem ist, welche Aufgaben es hat und wie diese realisiert werden. Weiterhin sollten Erfahrungen mit Windows NT und LINUX gesammelt werden. Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 5 Begriff Rechnerarchitektur Rechnerarchitektur = Baukunst, Rechner (Computer) als physikalische Geräte so zu entwerfen und zu realisieren, dass sie den gewollten Zweck zu den gewollten Kosten erfüllen Rechnerarchitektur befasst sich also mit Hardware Hardware-naher Software Vernetzungen verschiedener Hardware-Komponenten Rechnerarchitektur = Struktur bestehend aus vernetzten physikalischen Komponenten eines Rechners Hierbei wird der Aufbau eines bestimmten Rechners betrachtet, während bei der vorherigen Definition die Ingenieurskunst zum Konstruieren von Computern thematisiert wird. Es werden in der Veranstaltung beide Begriffe behandelt. Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 6 3

4 Literatur - Vorbemerkung Leider gibt es kaum Literatur für die Bereiche Rechnerarchitekturen und Betriebssysteme, die den Ansprüchen eines Wirtschaftsinformatikers (Praxisnähe, Modernität und Verständlichkeit) genügt und gleichzeitig frei von "unnötigen Ballast" ist. Noch schlimmer ist die Situation für so kurze Studiengänge wie Bacherlor/Master. Hier sind noch stärkere Zusammenfassungen im Sinne von "Management Summaries" erforderlich, aber nicht vorhanden. Auch herrscht kaum Konsens, was nun wirklich in der Berufspraxis benötigt wird. Ein Hinweis darauf sind die Diskussionen um das Curriculum der Schulinformatik. Der Autor bittet die Studierenden wegen dieser unerquicklichen Situation um Verständnis. Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 7 Literatur - Rechnerarchitekturen A. Tanenbaum: Structured Computer Organization (4th Edition), Prentice Hall, 1999 [Es wird empfohlen, möglichst frühzeitig sich mit englischer Originalliteratur zu befassen - wem das am Anfang zu viel ist, liest einfach die deutsche Version: A.S. Tanenbaum, J. Goodman: Computerarchitektur. Prentice Hall, 2001] Es wird das wichtige Schichtenkonzept beschrieben Kapitel Computer Systems Organization Kapitel Digital Logic Level Kapitel Conventional Machine Level H.R.Hansen, G.Neumann: Wirtschaftsinformatik I, 8. Auflage, UTB 802, Lucius&Lucius, 2001 [1.300 Seiten] Kapitel 1.1 bis 1.3 Kapitel 7 bis 9 Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 8 4

5 Literatur - PC-Hardware Klaus Dembrowski: PC-Werkstatt. Markt+Technik, 2003 (1000 Seiten) Hans-Peter Messmer: PC Hardwarebuch. 6. Auflage, Addison-Wesley, 2000, (1200 Seiten) Beide Bücher bitte nur sehr selektiv lesen. Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 9 Literatur - Betriebssysteme Carsten Vogt: Betriebssysteme, Spektrum, 2001 Kapitel 1, 2, 3, 5, 6.1, 6.2 Dieses Buch benutzt die Programmiersprache C und nicht Java, sollte aber trotzdem verständlich sein. A. Tanenbaum: Structured Computer Organization (4th Edition), Prentice Hall, 1999 Kapitel Operating System Machine Level Kapitel Assembly Language Level H.R.Hansen, G.Neumann: Wirtschaftsinformatik I, 8. Auflage, UTB 802, Lucius&Lucius, 2001 Kapitel 10 Kapitel 11.1 Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 10 5

6 Literatur - Nachbemerkung Die angegebene Literatur ist eine Möglichkeit den Stoff in einer anderen Form noch einmal nachzulesen - setzt aber voraus, dass die in der Veranstaltung behandelten Teile erkannt und in der Literatur herausgesucht werden müssen. Es ist nicht so, dass die Literatur wie Winnetou von vorne bis hinten gelesen werden sollte. Das Durcharbeiten der Literatur ist nicht Pflicht, sondern lediglich eine Empfehlung bzw. eine Möglichkeit zur Vertiefung. Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 11 Ältere Geschichte Mechanische Rechner Programmierung 1623 Schickard: Addition/Subtraktion 1645 Pascal: Addition/Subtraktion 1674 Leibniz: Grundrechenarten 1805 Jaquard: Webstuhlprogrammierung (Lochkarten) 1822 Babbage: Mit Lochkarten programmgesteuerte Rechenmaschine (Konzept) 1937 Zuse: Mechanisch programmierbare Maschine (Z1) 1939 Zuse: Voll funktionierender Rechner (Z2) 1941 Zuse: Elektromechanisch programmierbare Maschine (Z3) 1945 von Neumann: Programmgesteuerte Maschine, deren Verhalten vom internen Zustand abhängt (Konzept) 1946 Zuse: Maschine mit Verzweigungen und Adressberechnung (Z4) 1946 von Eckert, Mauchly und Goldstine: ENIAC Elektronischer Rechner (Röhren) Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 12 6

7 Mikroprozessoren (CISC) Prozessor Prozessor 1971 Intel Zilog Z Intel Motorola 68030, NS Intel 8080, Motorola Intel 80486, Motorola Zilog Z 80, Intel 8085, MOS AMD AM386DX, AM386SX 1978 Intel 8086, NEC V Intel Pentium 1979 Motorola Intel Pentium Pro 1980 Intel 8088 Intel Pentium MMX 1980 Zilog Z8000 Intel Pentium II, Cyrix MII, AMD K MOS Intel Pentium 3, AMD Athlon 1982 Intel 80286, Intel 80186, M Intel Pentium Intel iapx 86/ Intel IA Motorola MC 68020, Zilog Z800, NS Intel 80386, NS Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 13 Mikroprozessoren (RISC) Prozessor Prozessor 1975 IBM IBM PowerPC 604, SPARC V9, MIPS IV 1982 RISC I 1994 Alpha 21164, AMD RISC II 1995 MIPS R8000, IBM PowerPC Clipper C100, Inmos T800, R Sun UltraSPARC, SPARC MIPS I 1996 IBM PowerPC 604e, MIPS R Sun SPARC V8, AMD29000 Alpha 21264, IBM PowerPC MC 88100, R IBM PowerPC 750 (G3), R MIPS II, R6000, Intel i860, i IBM PowerPC 7400 (G4) 1989 MC IBM PowerPC 7450 (G4) 1991 Sun MicroSPARC 1992 DEC Alpha 21064, MIPS R HP PA 7100, MIPS III, AMD IBM PowerPC 601 (G1) 1993 MC 88110, DEC Alpha Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 14 7

8 Erläuterung CISC = Complex Instruction Set Computer Rechner mit komplizierten Instruktionen, die intern einen hohen Realisierungsaufwand erfordern RISC = Reduced Instruction Set Computer Rechner mit sehr einfachen Instruktionen, die intern relativ leicht und effizient realisiert werden Bemerkung: Wie die weiter unten stehende Tabelle über die Anzahl der Transistoren zeigt, gibt es heute kaum noch einen Unterschied zwischen CISC und RISC. Beide Ansätze haben sich aufeinander zu bewegt, so dass heute alles "MISC" ist. Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 15 Personal Computer (PC) PC-Name PC-Name 1973 XEROX Alto 1986 Commodore Amiga 1976 Apple-I 1986 Compaq 386/ Commodore PET, Tandy TRS IBM PS/ Apple-II 1988 Next 1979 Atari Apple Newton 1980 Sinclair ZX80, VC20, Apple-III 1994 Apple mit PowerPC 1981 IBM PC-5150, XEROX Alto/Star Network Computer 1982 Commodore C64, TRS 80/16 Apple imac, PowerBook G Apple LISA, IBM PC/XT 2001 Apple PowerBook G IBM AT, Apple Macintosh 1984 Sinclair QL 1985 Atari ST 1986 Compaq 386/25 Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 16 8

9 Mittlere und Großrechner Name Name 1951 UNIVAC I 1974 Nixdorf 8870, Cray DEC PDP IBM / IBM DEC VAX/ IBM CDC Cyber Burroughs B Cray IBM /360, CDC DEC VAX Telefunken TR DEC MicroVAX 2000, Connection Machine 1965 UNIVAC Bull DPS DEC PDP IBM R/ Telefunken TR Thinking Machines CM CDC 7600, ILIAC IV 1995 Cray DEC PDP 11, CDC Star 100 IBM ASCI Red (>1 TFLOP) 1971 IBM / Burroughs B7700 Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 17 Etwas DDR-Informatik-Geschichte 1956: Rechner D1 (Dresden 1) 1958: Rechner ZRA : Rechner D2 (Dresden 2) 1963: Rechner D4a ("Schreibtischformat") Ab 1966: ESER-Rechner (Kombinat Robotron) Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 18 9

10 Ein paar Zitate I Thomas Watson (IBM), 1943: I think there is a world market for maybe five computers. Popular Mechanics (Zeitschrift, 40er e): Computers in the future may weight no more than 1.5 tons. Bill Gates, 1981: 640 Kbytes ought to be enough for anybody. Ken Ohlson (Gründer von DEC): There is no reason anyone would want a computer in their home. [DEC hat in den 70er en sehr gute Geschäfte mit Mini-Computern gemacht] Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 19 Ein paar Zitate II "Praktischen Wert hat dieselbe [Additions-/Subtraktions-maschine] heute keinen, obgleich beständig zu ihrem Baue, namentlich von Seiten der Kaufleute, gedrängt wird, die sie dann aber nicht kaufen, weil sie ihnen das Kolonnenaddieren durchaus nicht erleichtert, vielmehr noch die Erlangung einer neuen Fertigkeit aufladet. Auch sonst bietet ihre Fabrikation nur Aussicht auf Mißerfolge; denn das, was eine Maschine bezweckt, nämlich Vermeidung von Fehlern, wird nicht erreicht, weil neue Fehlerquellen hinzugebracht werden." Dietzschold, 1882 Tja, scheint sich bis heute nicht viel geändert zu haben... :-) Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 20 10

11 Bemerkungen zur Leistungsfähigkeit I Die gesamte Leistung des ENIAC ist heute auf einem einzigen Chip (ENIAC wog ca. 30t). Ein heutiger Laptop hat eine ähnliche Rechenleistung wie weltweit alle Rechner von Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 21 Bemerkungen zur Leistungsfähigkeit II Die ersten Mikroprozessoren Name Firma Intel Bus [bit] 4 Transistoren Takt [MHz] 0,1 MIPS 0,06 Adressraum 4 KB Intel ,4 0,1 16 KB Intel ,29 64 KB Motorola ,3 64 KB Z Zilog ,5 0,4 64 KB MOS ,3 64 KB Intel ,8 1 MB Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 22 11

12 Erläuterungen Bus Interne Kommunikationsverbindung zwischen allen Komponenten [Breite in bit ist ein Hinweis auf die Leistungsfähigkeit, je größer, desto besser] MIPS = Million Instructions per Second [Maßzahl zur Bestimmung der Leistung eines Rechners, je größer, desto besser] Adressraum Größtmöglicher Umfang des Arbeitsspeichers in Kilo-byte (1024 byte) oder Mega-byte (1024*1024 byte) Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 23 Anzahl der Transistoren von Prozessoren Name Name PowerPC 604 Pentium Pro AMD K5 Pentium II Z Pentium PowerPC 620 Cyrix MII AMD Athlon AMD K6-2 Pentium 3 AMD K7 Pentium 4 PowerPC Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 24 12

13 Quellenverzeichnis An verschiedenen Stellen werden gescannte Materialien verwendet, deren Quellen hier angegeben sind: [1]V. Schmidt: Digitalschaltungen mit Mikroprozessoren, Teubner Stuttgart, 1978 [2]Bodo Richard: Datenverarbeitung mit Mikroprozessoren, Teil1: Hardware, Hanser, 2. Auflage, 1983 [3]Hans-Peter Messner: PC Hardware-Buch, 6.Auflage, Addison-Wesley, 2000 [4]Peter Fischer: Informatik, SmartBooks, 2001 [5]Pima Lewandowsky: Photoshop 5 4. Auflage, Rowohlt Taschenbuch, 2001 Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 25 Nach dieser Anstrengung etwas Entspannung... Rechnerarchitektur/Betriebssysteme - SS03 - Teil 1/Einführung 26 13