Grundlagen der Informatik II

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1 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6 Professor Dr. Hartmut Schmeck Miniaufgabe * bevor es losgeht * Welche(r) der folgenden Bitstrings kann/können als Zahl in BCD-Kodierung aufgefasst werden? a) 0000 b) 000 c) 1111 d) KIT The Research University in the Helmholtz Association

2 Für die Fleißigen Weitere Aufgaben zu den Themen dieses Tutoriums Aus dem Aufgabenpool bzw. Übungsbuch: Kapitel 6-Band II: Rechnerarchitektur, Speicherorganisation (22 Aufgaben). Kapitel 7-Band II: Programmierung (11 Aufgaben) Kapitel 8-Band II: Betriebssysteme (7 Aufgaben). Auf Übungsblatt 6 (4 erkenntnisreiche Aufgaben) Aufgaben, die mit für zuhause markiert sind: HU-6-1 bis HU-6-3 und AU-6-4 Bei Fragen oder Kommentaren zu allen Aufgaben nutzen Sie die Diskussionsplattformen oder fragen Sie Ihren Tutor. Klick 2 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

3 Einführungsaufgabe: Speicherorganisation In welchen Stufen ist der Speicher eines klassischen Rechners organisiert? Externspeicher CPU on chip Level1- Cache Level2- Cache Hauptspeicher z.b. - Festplatte - USB-Stick - SSD-Platte Anmerkung zu aktuellen Entwicklungen: Die Intel Core Prozessoren der sechsten Generation basieren auf der Skylake-Mikroarchitektur, die für jeden CPU-Kern jeweils einen eigenen L1- und L2-Cache vorsieht, sowie einen gemeinsamen L3-Cache, den sich alle Kerne teilen. Könnte man zur Geschwindigkeitssteigerung statt des Hauptspeichers auch einen größeren Cache verwenden? Theoretisch möglich, aber sehr teuer. 3 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

4 Aufgabe 2: Speicherorganisation a) Geben Sie für folgende Speicher die Energieabhängigkeit sowie die Zugriffsart an. Markieren Sie dies durch ein Kreuz in der entsprechenden Zelle der folgenden Tabelle. Energieabhängigkeit Zugriffsarten Flüchtig Nicht flüchtig wahlfrei sequentiell block- adressierbar Register X X Optischer Speicher X X Hauptspeicher X X Cache X X Magnetplattenspeicher X X Solid-State-Disk X X 4 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

5 Aufgabe 2: Speicherorganisation a) Geben Sie für folgende Speicher die Energieabhängigkeit sowie die Zugriffsart an. Markieren Sie dies durch ein Kreuz in der entsprechenden Zelle der folgenden Tabelle. Energieabhängigkeit Zugriffsarten Flüchtig Nicht flüchtig wahlfrei sequentiell block- adressierbar Register X X Optischer Speicher X X Hauptspeicher X X Cache X X Magnetplattenspeicher X X Solid-State-Disk X X 5 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

6 Aufgabe 2: Speicherorganisation b) Nennen Sie je einen Vor- und einen Nachteil für die Verwendung von Solid- State-Disks gegenüber herkömmlichen Magnetplattenspeichern. Vorteil: deutlich schneller Geräuschlos weniger Energieverbrauch Nachteil: begrenzte Anzahl an Schreibvorgängen, Abnutzung 6 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

7 Aufgabe 3: Speicherorganisation Eine CPU, welche über einen 8-zeiligen directly mapped Cache verfügt, ruft nacheinander Daten von folgenden Adressen auf: 101, 102, 104, 108, 104, 103, 104, 102, 107, 180, 101, 102, 103, 110, 111, 112 a) Geben Sie für jede der Zeilen im Cache an, von welcher Adresse sich das entsprechende Datum dort am Ende der Aufrufe befindet Tag-Feld (Hauptspeicheradressen) Datum Tag-Feld Datum Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

8 Aufgabe 3: Speicherorganisation Eine CPU, welche über einen 8-zeiligen directly mapped Cache verfügt, ruft nacheinander Daten von folgenden Adressen auf: 101, 102, 104, 108, 104, 103, 104, 102, 107, 180, 101, 102, 103, 110, 111, 112 a) Geben Sie für jede der Zeilen im Cache an, von welcher Adresse sich das entsprechende Datum dort am Ende der Aufrufe befindet. Cache enthält 8 Blöcke Block mit Adresse z gelangt an Position z MOD 8 im Cache Im Cache wird nur z DIV 8 gespeichert DIV 8! Tag-Feld (Hauptspeicheradressen) Datum Tag-Feld Datum 104, 104, 104, , , , 102, 102, , 103, DIV 8 = 14 leer leer 107 DIV 8 = DIV 8 = DIV 8 = DIV 8 = DIV 8 = 13 8 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

9 Aufgabe 3: Speicherorganisation Eine CPU nutzt einen 8-zeiligen Assoziativ-Cache, welcher Daten an die erste freie Stelle schreibt bzw., falls notwendig, nach dem Least-Recently- Used-Prinzip alte Daten aus dem Cache löscht. 101, 102, 104, 108, 104, 103, 104, 102, 107, 180, 101, 102, 103, 110, 111, 112 b) Geben Sie an, welche Adressen nach Abarbeitung aller Adressaufrufe in den jeweiligen Zeilen stehen Tag-Feld (Hauptspeicheradressen) Datum Tag-Feld Datum Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

10 Aufgabe 3: Speicherorganisation Eine CPU nutzt einen 8-zeiligen Assoziativ-Cache, welcher Daten an die erste freie Stelle schreibt bzw., falls notwendig, nach dem Least-Recently- Used-Prinzip alte Daten aus dem Cache löscht. 101, 102, 104, 108, 104, 103, 104, 102, 107, 180, 101, 102, 103, 110, 111, 112 b) Geben Sie an, welche Adressen nach Abarbeitung aller Adressaufrufe in den jeweiligen Zeilen stehen. Zu Beginn werden alle 8 Blöcke nacheinander gefüllt, dann wird der am längsten nicht benutzte Block überschrieben. (In Klammern: Zugriffszeitpunkte) Tag-Feld (Hauptspeicheradressen) Datum (1, 11) (2, 8, 12) (3, 5, 7) =>112 (16) (4) => 111 (15) (6, 13) (9) (10) (14) Tag-Feld Datum Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

11 Multiple-Choice-Relax-Aufgabe Im Tag-Feld des Cache wird die Hauptspeicher-Adresse eines Datums kodiert und im Datenblock das Datum selbst. X WAHR FALSCH Entspannender, aber wichtiger Relax-Hintergrund: Das Tag-Feld des Cache darf also nicht mit der Adresse im Cache (also der Zeilennummer) verwechselt werden. 11 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

12 Einführungsaufgabe: Programmierung Nennen Sie die vier Ebenen der Programmiersprachen. problemorientierte Sprache Assemblersprache Imperative Funktionale / applikative Prädikative Objektorientierte Maschinensprache Mikroprogrammierung Hardware 12 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

13 Aufgabe 5: Assembler Kodierung eines Assemblers mit 3-Adress-Befehlen (beachte Unterschied zu 1- oder 2-Adress-Befehlen): Operationen: Sprünge (jump not zero): OpCode Q1, (Q2,) Z JNZ Q, L Präfix # für unmittelbare Adressierung Programm: 1. STORE #1, R2 2. L1: MULTIPLY R2, R1, R2 3. SUBTRACT R1, #1, R1 4. JNZ R1, L1 5. STORE R2, R1 13 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

14 Aufgabe 5: Assembler Programm: 1. STORE #1, R2 2. L1: MULTIPLY R2, R1, R2 3. SUBTRACT R1, #1, R1 4. JNZ R1, L1 5. STORE R2, R1 a) Zu Beginn stehe in R1 ein Wert n>0. Welche Funktion berechnet das Programm bezogen auf R1? f R1 = R1! = n! b) Was geschieht, wenn zu Beginn der Wert R1=0 angenommen wird? Für n = 0 entsteht eine Endlosschleife bzw. irgendwann ein Überlauf von R1. c) Welche Funktion berechnet das Programm, wenn man zwischen Zeile 2 und 3 noch den folgenden Befehl einfügt: ADD R2, R2, R2 für R1 mit n>0? f n = n! 2 n Operationen: OpCode Q1, (Q2,) Z Sprünge (jump not zero): JNZ Q, L Präfix # für unmittelbare Adressierung 14 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

15 Multiple-Choice-Relax-Aufgabe Assemblersprachen haben eine höhere Berechnungsmächtigkeit (in Bezug auf die Berechenbarkeit von Funktionen) als objektorientierte Sprachen. WAHR X FALSCH Entspannender, aber wichtiger Relax-Hintergrund: Alle üblichen Programmiersprachen haben in dieser Hinsicht die gleiche Mächtigkeit wie Turingmaschinen. 15 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

16 Einführungsaufgabe: Betriebssysteme Beschreiben Sie die Begriffe Prozess, Prozessor und Thread im Zusammenhang mit dem Begriff Zuteilungsverfahren. Ein Prozess kann in einzelne Threads ( kleine Unterprozesse mit gemeinsamem Adressraum) unterteilt werden, die mit einem geeigneten Zuteilungsverfahren auf die Rechenzeit eines Prozessors verteilt werden. Anmerkung: Wenn der Prozessor Multithreading oder Pipelining verwendet, können einzelne Threads auch parallel ausgeführt werden. 16 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

17 Aufgabe 8: Betriebssyteme Für fünf bereite Prozesse P 1,..., P 5 seien folgende CPU-Zeiten zu erwarten: Z P 1 = 22ms; Z P 2 = 12ms; Z P 3 = 7ms; Z P 4 = 2ms; Z P 5 = 15ms Prozesse: t in [ms] a) Nennen Sie ein einfaches Zuteilungsverfahren und veranschaulichen Sie die Zuteilung der Rechenzeit für P i, i {1,2,3,4,5} nach diesem Verfahren. Verfahren: First-Come-First-Serve: Prozesse: P 1 P 2 P 3 P 4 P t in [ms] 17 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

18 Aufgabe 8: Betriebssyteme Z P 1 = 22ms; Z P 2 = 12ms; Z P 3 = 7ms; Z P 4 = 2ms; Z P 5 = 15ms Prozesse: Verfahren: z.b. Shortest-Job-First t in [ms] b) Teilen Sie die Rechenzeit gemäß eines Prioritätsgesteuerten Zuteilungsverfahrens ein. Geben Sie dafür zunächst ein Verfahren an, nachdem Sie die Priorität für die einzelnen Prozesse festlegen und veranschaulichen Sie auf dieser Basis die Zuteilung der Rechenzeit für P i, i 1,2,3,4,5. Prozesse: P 4 P 3 P 2 P 5 P t in [ms] 18 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

19 Aufgabe 8: Betriebssyteme Z P 1 = 22ms; Z P 2 = 12ms; Z P 3 = 7ms; Z P 4 = 2ms; Z P 5 = 15ms Prozesse: t in [ms] c) Teilen Sie die Rechenzeit gemäß dem Round-Robin-Verfahren zu. Die Zeitscheibe sei dabei in feste Zeitspannen der Länge Z = 10ms unterteilt. Veranschaulichen Sie die Zuteilung der Rechenzeit für P i, i 1,2,3,4,5 nach diesem Verfahren. Verfahren: Round-Robin Prozesse: P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 1 P 2 P 5 P 1 t in [ms] Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

20 Aufgabe 8: Betriebssyteme d) Geben Sie für jedes der oben angegebenen Zuteilungsverfahren die durchschnittliche Zeit an, die jeder Prozess im Zustand "bereit" verbringt, in der er also auf Prozessorzeit warten muss. First-Come-First-Served (FCFS): Prozesse: P 1 P 2 P 3 P 4 P t in [ms] P 1 : P 2 : P 3 : P 4 : P 5 : 0ms 22ms 34ms 41ms 43ms 28ms 20 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

21 Aufgabe 8: Betriebssyteme d) Geben Sie für jedes der oben angegebenen Zuteilungsverfahren die durchschnittliche Zeit an, die jeder Prozess im Zustand "bereit" verbringt, in der er also auf Prozessorzeit warten muss. Shortest-Job-First (SJF): Prozesse: P 4 P 3 P 2 P 5 P t in [ms] P 1 : P 2 : P 3 : P 4 : P 5 : 36ms 9ms 2ms 0ms 21ms 13,6ms 21 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

22 Aufgabe 8: Betriebssyteme d) Geben Sie für jedes der oben angegebenen Zuteilungsverfahren die durchschnittliche Zeit an, die jeder Prozess im Zustand "bereit" verbringt, in der er also auf Prozessorzeit warten muss. Round Robin: Prozesse: P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 1 P 2 P 5 P 1 t in [ms] P 1 : P 2 : P 3 : P 4 : P 5 : = 36ms = 39ms = 20ms = 27ms = 41ms 32,6ms 22 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

23 Multiple-Choice-Relax-Aufgabe Bei Multiprozessorsystemen mit einem gemeinsamen Speicher nimmt man am besten das Write-Back-Verfahren beim Zugriff auf den Speicher. WAHR X FALSCH Entspannender, aber wichtiger Relax-Hintergrund: Man nimmt hierfür write-through (leitet die zu schreibende Information sofort an den Hauptspeicher weiter), um Inkonsistenzen zu vermeiden. Write-Back schreibt erst beim Löschen aus dem Cache zurück. 23 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

24 Weitere Informationen 2. Saalübung am , 8 Uhr Hörsaal am Fasanengarten Evaluationen: von nukit in der 2. Saalübung Fragewoche in den Tutorien: sowohl für Gruppe A als auch für Gruppe B nukit Fragen als Klausurvorbereitung online 24 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6

25 Viel Erfolg bei der Klausur! 25 Grundlagen der Informatik II Tutorium 6