Grundlagen der Informationstechnik Hardware und Software

Transkript

1 Grundlagen der Informationstechnik Hardware und Software Vorlesung vom 10. Oktober 2016 Birger Krägelin

2 Hardware Zentrale Komponenten CPU, Chipsatz, Hauptspeicher Schnittstellen Massenspeicher, Bildschirm, Peripherie-Geräte Speichersysteme Festplatten, optische Speicher, Flash-Speicher

3 Von Neumann Architektur John von Neumann ungarischer Mathematiker Konzept: universeller Speicher für Daten und Befehle Grundlage aller heutiger Computer-Systeme Problem: langsames Bus-System Quelle: Wikipedia

4 CPU Steuerwerk zur Abarbeitung von Befehlen Rechenwerk für arithmetische und logische Operationen Heute alle Komponenten mehrfach vorhanden: parallele Befehlsabarbeitung Umsortieren von Befehlen Multiprozessor-Technik Quelle: Wikipedia

5 CPU Quelle: Intel

6 CPU Quelle: Intel

7 Chipsatz Chipsatz verbindet die CPU mit anderen Komponenten auf der Hauptplatine Meistens zweigeteilt North Bridge Hauptspeicher Erweiterungskarten Grafik-Karten South Bridge interne Massenspeicher externe Peripherie Netzwerk Quelle: Intel

8 Hauptspeicher Auf Hauptspeicher wird über Adressen zugegriffen. Jedes Byte hat eine Adresse. Datenübertragung wortweise 32-bittig (früher) oder 64-bittig Speicherorganisation Big Endian oder Low Endian (low byte-low address) Quelle: HU Berlin Heute meist mehrere Speicherkanäle

9 Schnittstellen zu Peripheriegeräten Massenspeicher Serial ATA 1,5 Gigabit/s 3,0 Gigabit/s 6,0 Gigabit/s SCSI klassische Server-Technik parallele Übertragung Umsortieren von Befehlen 16 Geräte SAS serial attached SCSI 6,0 Gigabit/s mehrere Hosts Quelle: Chip Quelle: Seagate

10 Schnittstellen zu Peripheriegeräten Massenspeicher Fibre Channel optische Anbindung von Festplatten (Kupfer verfügbar) Einsatz in Storage-Netzwerken Firewire (IEEE 1394) vorwiegend von Apple eingesetzt auch für Video-Kameras verwendet

11 Schnittstellen zu Peripheriegeräten Bildschirme VGA analoge Bildübertragung für Röhrenmonitore ungeeignet für LCD-Bildschirme und Beamer DVI digitale Übertragung Stecker kombiniert mit analoger Übertragung HDMI digitale Übertragung für Bild und Ton Hochauflösendes Fernsehen DisplayPort / Mini DisplayPort digitale Übertragung für extrem hohe Auflösung (4K, 5K, 8K)

12 Schnittstellen zu Peripherigeräten Universal Serial Bus USB eignet sich für viele Geräteklassen Massenspeicher Festplatten, CD/DVD, Diskette, Flash-Speicher, MP3-Player Mobiltelefone und PDA Drucker und Scanner Webcams

13 Eigenschaften von USB Hohe Datenübertragungsrate Low Speed 1,5 Mbit/s Full Speed 12 Mbit/s High Speed 480 Mbit/s Super Speed (USB 3.0) 5 Gbit/s USB Gbit/s verschiedene Übertragungs-Modi Isochroner Transfer Bulk-Transfer Interrupt-Transfer

14 Eigenschaften von USB Master-/Slave-Kommunikation Durch Host-Controller initiiert bis zu 127 Geräte Integrierte Stromversorgung 5 Volt, bis 100mA / 500mA USB 3.0: bis 900mA USB 3.1: bis 100 Watt(!!) Hot-Plugging unterstützt durch speziellen Stecker Quelle: Wikipedia

15 Speichersysteme Festplatten magnetische Speicherung billig, schnell, hohe Kapazität CD-ROM, DVD, Blu-Ray Lesen mit Laser (bei Blu-Ray mit blauem Laser) wechselbare Medien, langsam, preiswert auch als beschreibbare Medien Flash-Speicher als SD-Card für Digital-Kameras und Mobiltelefone als USB-Stick als MP3-Player ersetzt als SSD zunehmend Festplatten in PCs

16 Speichergrößen dual und dezimal Kibibyte 1024 Byte kb Kilobyte 10 3 Byte Mebibyte 1024 KiB z.b. CD-ROM 650 MiB MB Megabyte 10 6 Byte Gibibyte 1024 MiB in Flash-Speichern GB Gigabyte 10 9 Byte Tebibyte 1024 GiB Festplattengrößen, in Speichernetzwerken TB Terabyte Byte Pebibyte 1024 TiB Datenmengen im wissenschaftlichen Bereich, Google u.a. PB Petabyte Byte

17 Software Arten von Software Betriebssystem Programme und Prozesse Dateisysteme

18 Arten von Software Software sind die Befehle, die Hardware zum Leben erweckt. Wir unterscheiden Firmware Betriebssystem Anwendungsprogramme

19 Firmware Unter Firmware verstehen wir Software, die in Geräte fest eingebaut ist, beim Einschalten aktiv wird, die Grundfunktionen der Hardware steuert.

20 Firmware In jedem Computer ist eine Firmware eingebaut: BIOS (Basic Input/Output System) im Standard-PC EFI (Extensible Firmware Interface) in Apple-Computern und neueren PCs OpenBoot in Rechnern der Fa. SUN

21 Firmware Von Firmware sprechen wir auch, wenn Geräte ihre Software ausschließlich aus fest eingebautem Speicher (Flash) startet. DSL-Router MP3-Player, Handy,... DVD-Brenner Hier ist Firmware, Betriebssystem und Anwendung fest miteinander verbunden.

22 Firmware Aufgaben von Firmware Initialisierung von Geräten Laden und Starten des Betriebssystems Benutzerschnittstelle zur Konfiguration von Startparametern Firmware ist heute in beschreibbarem Flash- Speicher abgelegt und kann relativ leicht geändert werden.

23 Betriebssystem Aufgaben des Betriebssystems Schnittstelle zwischen Anwendungsprogramm und Hardware Verwaltung von Ressourcen (Betriebsmitteln) Verwalten von Rechten

24 Betriebssystem Treiber-Software Gerätespezifische Programm(-teile) meist vom Hersteller geliefert Einheitliche Schnittstelle Abstraktion Privilegierte Funktionen kritisch für Software-Fehler

25 Betriebssystem Betriebssystem-Kern (Kernel) Hauptspeicher-Verwaltung Prozess-Verwaltung Rechte-Verwaltung Massenspeicher-Verwaltung Dateisystem

26 Hauptspeicherverwaltung Ein Programm besteht aus Befehlen (Programm-Code) und Daten. Zuweisen von Speicherbereichen Adress-Übersetzung identische Adressen bei mehreren Programmen Virtueller Speicher Ein- Auslagern von Speicherteilen Paging, Swapping

27 Prozess Prozess ist ein laufendes Programm. Speicherbereiche CPU-Register allgemeine Register und Befehlszähler Laufzeit-Stack Speicherbereich und Stack-Pointer Geöffnete Dateien, Interprozess-Kommunikation

28 Begriffe Multi-Programming mehrere Programme laufen gleichzeitig Multi-Processing mehrere Prozessoren (CPUs) arbeiten gleichzeitig Multi-Threading einzelne Programmteile arbeiten gleichzeitig eigener Programmzähler und Stack Parallelität

29 Begriffe Hyper-Threading Zusatz-Hardware in einem Prozessor, um mehrere Threads gleichzeitig abzuarbeiten SIMD (single instruction multiple data) Parallel-Programmierung Rechnen mit Vektoren und Matrizen

30 Dateisystem Zuordnung von Speicherbereichen zu Dateien Belegte und freie Blöcke Verzeichnisse (hierarchisch) Zugriffsrechte Lesen, Schreiben, Ausführen Eigentümer, Gruppe ACL access control list

31 Fragen??