Computersysteme. Kommunikation. Echtzeitsysteme. Grundstudium Technische Informatik I + II. Verteilte Systeme. Robotik.

Transkript

1 B. Einführung B.1. Zielsetzung B.1.1 Grundlage für Hauptstudiumsveranstaltungen/-module Besonders im Bereich Technische & Systemnahe Informatik, z.b.: Medientechnik Computersysteme Kommunikation Echtzeitsysteme Wissenheim 3D Betriebssystemtechnik Verteilte Systeme Robotik Grundstudium B-1 Technische Informatik I + II

2 B.1.2 Aufbau & Arbeitsweise von Rechnersystemen Möglichkeiten und Grenzen der Hardware: Datenvolumen, Ausführungsgeschwindigkeit Verständnis für spezifisches Systemverhalten: Unglückliche Nutzung von Speicherhierarchien (Cache, RAM, Disk), Systemstart & Konfigurierung, Overhead... Entwicklung hardwarenaher Programme: Implementierung effizienter Programme (z.b. in Maschinensprache) Ansteuerung von Ein- Ausgabegeräten (z.b. Treiber), Intrinsische vs. extrinsische Komplexität => Entwurf schlanker Systeme! B-2

3 B.1.3 Komponenten & Schnittstellen: CPU, Hauptspeicher, Platine, Bussysteme, Hardwareschnittstellen, Peripheriegeräte, Bildschirm, Vernetzung, Stromversorgung... B-3

4 B.1.4 Schichtenmodell eines Rechnersystemes Höhere Informatik : - Programmierung, Datenbanken, Verteilte Systeme, Theorie... Systemprogrammierung Betriebsystemkonzepte: - Betriebsmittelverwaltung, z.b. Speicher, Nebenläufigkeit... I K J Ein-& Ausgabegeräte: - Gerätetechnik, Ansteuerung, Interrupts, Treiber... Rechnerarchitektur: - Bussysteme, Rechenfunktionseinheiten, Pufferung, Pipelining Architektur Instruktionssatz (ISA): - Adressenbildung, Registersemantik, Assemblerprogramme... Mikroarchitektur: - Instruktionszyklen, Mikroprogrammierung, RISC/CISC... Rechnerarithmetik: - Zahlendarstellung, Operatoren,... Digitaltechnik Digitale Schaltungen: - mit/ohne Zustand, Zähler, ALU, logische Arrays, Optimierung Digitale Logik: - Gatter, digitale Signale, Signalausbreitung... Elektronik: - Strom & Spannung, Transistoren, Schaltkreisintegration B-4 H G F D C E

5 B.1.5 Organisation des Unterrichtsstoffes nach dem Sägezahnmodell Betriebssysteme Rechnersysteme Assembler Ti 2 Ti 1 Elektronische GL HWKomponenten SW Komponenten Welche Themen können für Medieninformatik weggelassen werden? Logikbausteine, hardwarenahe Programmierung, OS-Inside. Ein Ansatz auf mittlerer Stufe lässt das Ziel erkennbar werden. Bottom-up Ansatz würde einen langen Atem erfordern. B-5

6 B.2. Analoge und digitale Rechner B.2.1 Analogrechner Verarbeitung kontinuierlicher Größen: Länge, Spannung, Temperatur Historische Beispiele: Rechenschieber (17. Jahrhundert) Feuerleitrechner (Anfang des 20. Jahrhunderts) elektromechanischer Analogrechner (um 1930) Neuere Analogrechner: Schaltung mit Integratoren und Differentiatoren, Für Differentialgleichungen höherer Ordnung, Weitgehend abgelöst durch Digitalrechner, Für Aufgaben der Regelungstechnik... B-6

7 B.2.2 Digitale Rechner Diskretisierung physikalischer Größen: mechanische Rasten, Anzahl Perlen, Energiequanten, Spannungsniveaus, Stromfluss, Ladung, Magnetisierung, Quantisierungsfehler bei der Umwandlung. Grösse Zeit Beispiele: Überwiegende Mehrzahl der heutigen Rechner Lochkartenwebstuhl (Anfang 19. Jahrhundert) Abacus (3000 v. Chr.) B-7

8 B.2.3 Rechengenauigkeit im Vergleich Analogrechner Zumindest theoretisch beliebig genaue Zahlendarstellung, Keine Signalwandlung und wenig Bauelemente erforderlich, Überlagerung des Signales durch kleine Rausch- und Störsignale, Herstellungstoleranzen der Bauelemente bei etwa 0.5%, Temperaturabhängigkeiten der Bauelemente, unpräzise Getriebe, Zeiger und Rasten, Fehlerakkumulation im Laufe der Zeit. Digitalrechner Wortlänge bestimmt die Genauigkeit ( Bit), Ungenauigkeiten bei ungeschickter Programmierung, Ungenauigkeiten entstehen auch bei der Signalwandlung: Sensor A/D Wandler B-8 Motor Digitaler Rechner D/A Wandler

9 B.2.4 Datenspeicherung im Vergleich Analoge Speicherung: Speicherung von Daten mit Qualitätsverlust, Einigermassen effiziente Bildaufzeichnung, alte Tonkassetten, Schellackplatten, Papierschreiber, Digitale Speicherung: Sehr grosse Hauptspeicher, DVD und Festplatten Speicherung von Daten einfach realisierbar, leistungsfähige Komprimierungen. B-9

10 B.2.5 Einsatzbereiche im Vergleich Digitalrechner: höhere Genauigkeit lässt sich kostengünstiger erreichen als mit Analogrechnern, Digitale Signalprozessoren ersetzen analoge Elektronik (FFT etc.), heute überwiegend digitale elektronische Rechner im Einsatz Analogrechner: Lösen von Differentialgleichungen, heute nicht mehr in Gebrauch, Einsatz für Spezialprobleme, Filterung von Signalen. Analoges Codeschloss nach PS (auszugsweise): B - 10

11 B.3. Historische Entwicklung B.3.1 Pionierzeiten, Mechanik 3000 v. Chr: Abacus Älteste Rechenhilfe der Welt noch heute im asiatischen Raum im Einsatz genauer Ursprung unklar verschiedene Versionen. William Oughtred (1629): Rechenschieber. Blaise Pascal: Pascaline (1642): mechanische Rechenmaschine => Zehnerübertrag, nur Addition B - 11

12 Gottfried Wilhelm Leibniz (1666): Grundlagen der Logik Gottfried Wilhelm Leibniz (1673): Mechanische Rechenmaschine => Präzisionsprobleme bei der Herstellung Stepped Reckoner (Leibniz) vier Grundrechenarten Wurzelziehen Joseph Jacquard (1804): Automatischer Webstuhl, Kette von Lochkarten bestimmt das Web-Muster, Löcher steuern Anheben & Senken der Kettfäden, erster Nur-Lese-Speicher (ROM, Read-Only Memory) B - 12

13 Charles Babbage (1822): Konzept einer Differenzmaschine, Präzisionsprobleme bei der Herstellung, nie vollendet. Ch. Babbage (1834): Analytische Maschine ( Analytical Engine ) => erste Programmierin: Lady Augusta Ada Lovelace zumindest theoretisch programmierbar, erster universeller Rechenautomat, Einsatz von Lochkarten, Rechenwerk Mill, Speicher Store. George Boole (1847): Boolesche Algebra, als Basis für heutige Digitalrechner, meist binäre logische Operationen. B.3.2 Elektromechanik Vannevar Bush(1930): Differential Analyzer, elektromechanischer Analogrechner. B - 13

14 Herman Hollerith (1890): elektromechanische Tabelliermaschine => Lochkarten als Datenträger und Operanden, Zähl- und Sortiermaschine (Volkszählung), Holleriths Firma wurde später zur IBM Konrad Zuse, Z3 (1940): 2200 Magnetkontakte (Relais), Steuereinheit mit Sequenzer, Multiplikation in 16 Takten, 10 Hertz Taktfrequenz, Addition in 3 Takten, Speicher mit 64 Wörtern, dezimale Ein-/Ausgabe, 22-stellige Binärzahlen, Gleitkomma-Format. B - 14

15 1945: von Neumann Rechner-Architektur Team: Presper Eckert, John Mauchly, John von Neumann Leitwerk, Rechenwerk, Speicherwerk, Ein- & Ausgabewerk Leitwerk mit fetch-decode-execute Instruktionszyklus Programme und Daten in einem Speicher Rechenwerk mit ALU und Registern E/A-Werk zur Ein- und Ausgabe klassischer Universalrechner binäre Kodierung. Instruktionen Speicherwerk Daten Steuerwerk Rechenwerk Steuerleitungen E/A-Werk B - 15

16 B.3.3 Elektronische Computer 1943: Colossus (Alan Turing &al.): Entschlüsselung von Funksprüchen. 1946: ENIAC (John Mauchly, Presper Eckert) gebaut für ballistische Berechnungen (Raketen...), programmiert durch Steckverbindungen, Ein-/Ausgabe mittels Lochkarten, 130 Quadratmeter Grundfläche, 30 Tonnen, 140 Kilowatt, Elektronenröhren, ca Additionen/sek. 3 Funktionstabellen, 20 Akkumulatoren, 1 Multiplizierer. B - 16

17 B.3.4 Halbleitertechnik 1959: Integrierte Schaltung (Jack Kilby) viele Transistoren und Bauelemente auf einem Siliziumchip. 1961: PDP-1 (Digital Equipment Corporation, DEC) magnetischer Kernspeicher für Bit Worte Transistortechnik, erster Minicomputer, CRT, 512 x 512 Pixel Grafik, 200 khz Taktfrequenz, Minicomputer. 1965: PDP-8 (DEC) Omnibus (erstes Bussystem) B - 17

18 1965: IBM System/360 => Rechnerfamilie mit gleichem Instruktionssatz 32-Bit Worte, 16 MByte Adressraum Mehrprogrammbetrieb (MFT..) Mikroprogrammierbar. 1972: PDP-11 (DEC) Prozessrfechner, 16-Bit Speicherworte, Entwicklungsumgebung für UNIX und C. 1976: Cray-1, erster Vektorrechner => 1979: DAP (ICL) Distributed Array Processor, massiv paralleler Computer in Serie, Matrix mit 32*32 1-Bit Prozessoren, Single Instruction Multiple Data. B - 18

19 B.3.5 Arbeitsplatzrechner: 1974: Altair 8800 Heimcomputer, Basic Interpreter. 1981: IBM-PC mit 8088 CPU 1985: MIPS - erster RISC-Mikroprozessor. 1992: DEC Alpha Bit RISC-µP. 1997: Supercomputer ASCI Red - 1 Tflops. 2000: Mikroprozessoren mit 1 GHz Takt. 2005: Dual-Core µp (Intel & AMD). 1977: Apple II => 6502 CPU, 1 MHz, 64 Kbyte Speicher, Erweiterbar über Steckkarten, UCSD Pascal, Visicalc. B - 19

20 B.3.6 Entwicklung der (Intel)-Prozessoren 1971: 4004 Mikroprozessor 1974: 8080, erste universelle 8-Bit CPU auf einem Chip 1978: 8086, 16-Bit CPU auf einem Chip 1981: 8088, Einführung des IBM PC 1986: 80386, erste 32-Bit CPU 1989: 80486, Cache und FPU on-chip 1993: Pentium, interne Parallelisierung 1999: Pentium III, Out-of-Order Ausführung, 2002: Itanium, explizit parallele Ausführung 2003: AMD Opteron, 64 Bit Adressierung 2007: Pentium Core 2, Quad CPU Intel-kompatible CPUs von AMD, VIA, Transmeta,... B - 20

21 B.3.7 Komplexitätssteigerung Jahr Transistoren (Ist) 2,300 3,500 4,500 29, , ,000 1,200,000 3,100,000 5,500,000 7,500,000 42,000,000 55,000, ,000, ,000, ,000,000 2,100,000,000 CPU Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium 4 Pentium M Itanium II Pentium D Core 2 Quad Itanium Transistoren als Prognose, 2 Jahr*12/ Mooresches Gesetz Verdoppelung der Transistorzahl ca. alle 24 Monate, ~ 220, M ~ 37 Jahre *12/20= 22,2 Monate B - 21

22 B.3.8 Leistungssteigerung nach Strey. B - 22

23 B.3.9 Eckdaten einer aktuellen Intel 7650 CPU (2008/Q1) Das Programm CPU-Z bestimmt Charakteristiken der installierten CPU und weiterer Komponenten. B - 23

24 B.3.10 Entwicklung der Betriebssysteme -1960: Stapelverarbeitung, Spooling (Ein-/Ausgabe Off-line) 1964: DOS 360 (IBM): allg. OS mit Mehrprogrammbetrieb 1969: Unix (Bell Labs): Betriebssystem für Minicomputer 1972: MVS (IBM): pro Programm ein eigener virtueller Speicher 1976: CPM 80 (Digital Research): OS für Mikroprozessoren 1981: MS/DOS(Microsoft): Durchbruch als µp-betriebssystem 1982 Macintosh Finder => Direkte Manipulation von ICONs, Fenstergestützte Oberfläche, abgeleitet von Xerox Star, graphische Oberfläche, Drag and Drop, Firma Apple, WYSIWYG. B - 24

25 1985: Netware (Novell): Vernetzung von PCs 1986: MS Windows (Microsoft): graphische Oberfläche für PCs 1996: Linux (Linus Thorvald): Open Source Unix 2005: Windows Vista (Microsoft): bunter, fetter, besser (?) B - 25