Zentraleinheit (CPU) Arbeitsspeicher. Ausgabegeräte

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1 2 Zusammenspiel der Hardware mit der Software ( auf dem PC) 2.1. Hardware Etwas zur Historie: Serienproduktion von Computern begann in den 60er Jahren ab etwa 1966 Einsatz von integrierten Schaltungen, hochintegrierten Schaltungen (siehe für Details: Remboldt/Levi S. 9 30) Die meisten heutigen Rechner sind nach dem John von Neumann Prinzip aufgebaut (auch John von Neumann Architektur), d.h. Das Programm, das ausgeführt werden soll, wird im Computer gespeichert. Schematische Darstellung: Eingabegeräte (CPU) Rechenwerk Zentraleinheit Speichergeräte Steuerwerk Register Dialoggeräte Arbeitsspeicher Ausgabegeräte Hardware Gesamtheit der technisch realisierten Komponenten eines Computers Hardware Komponenten: Zentrale Bestandteile des Rechners auf der Hauptplatine (motherboard): Prozessor = Zentraleinheit (Central Processing Unit CPU) Arbeitsspeicher Eingabegeräte: Tastatur (Texteingabe), Maus, CD ROM, Scanner (Eingabe von Texten, Bildern),

2 Videoadapter (Eingabe von Video Clips), Mikrophon (sprachliche Eingabe) Ausgabegeräte: Bildschirm, Drucker, Plotter (graphische Ausgabe), Lautsprecher (sprachliche Ausgabe), Videorecorder (Ausgabe Video Clips), Projektor Speichergeräte: Festplatten, CD ROM, Disketten, USB sticks Dialoggeräte: z.b. Modem, Fax, ISDN Karte Programmausführung: Programm oder Daten werden über die Eingabegeräte in Speichergeräten aufbewahrt (z.b auf der Festplatte) Beim Aufruf eines ausführbaren Programms: Laden in den Arbeitsspeicher Abarbeiten durch den Prozessor Löschen aus dem Arbeitsspeicher Arbeitsspeicher auch RAM = random access memory (da über Speicheradressen beliebiger direkter Zugriff auf Speicherplatz) dient der Speicherung von Programmen während ihrer Ausführung speichert ein Programm und zugehörige Daten ab Beginn seiner Ausführung bis zum Abschluß/Abbruch Inhalt ändert sich ständig Inhalt wird gelöscht, sobald Programmausführung beendet ist (auch bei Abschalten des Computers) Prozessor Zentraleinheit (CPU) Rechenwerk Steuerwerk Register Kernstück des Rechners seine Aufgabe besteht in der Verarbeitung von Befehlen führt die Schritte eines abzuarbeitenden Programms auf Hardwareebene aus

3 Bestandteile: Steuerwerk: Interpretation und Ausführung der aktuellen Programmbefehle entsprechende Aktivierung des Rechenwerks Steuerung der benötigten Daten zwischen Registern und Arbeitsspeicher Rechenwerk: Schaltkreise, die arithmetische und logische Operationen ausführen können (kurz ALU = arithmetic logic unit) Register: extrem schnell zugreifbare Hilfsspeicherzellen, die direkt mit dem Rechenwerk verbunden sind z.b. Befehlszähler, Akkumulator, Instruktionsregister CPU arbeitet mit einer Hierarchie von Zwischenspeichern: sogenannter CACHE auf den Cache kann deutlich schneller zugegriffen werden Problem: je schneller desto teurer und voluminöser zwei Speicherhierarchien gebräuchlich: Level 1 Cache sehr schnell, sehr teuer Level 2 Cache zur schnellen Programmverarbeitung werden Programmstücken in den Cache g geladen (System)Bus Serie paralleler Datenleitungen, über die Daten zwischen Prozessor und Peripheriegeräten (Ein/Ausgabe, Speicher/Dialoggeräte) ausgetauscht werden Außerdem: Je nach Ausstattung noch gewisse Karten > in Sockelleisten (slots) eingesteckt: z.b. Graphikkarte, Soundkarte, ISDN Karte, Netzkarte heißen auch Controller, da für die Ansteuerung der entsprechenden Geräte vom Prozessor aus verantwortlich Beispiel: Graphikkarte dient zur Ansteuerung des Bildschirms, besitzt eigenen Speicher zur Speicherung des Bildschirminhaltes und eigenen Graphikprozessor

4 2.2 Software Gesamtheit aller Programme und deren Dokumentationen, die auf einem Computer eingesetzt werden können Ebenen: Hardware Betriebssystem Anwendungs Programm (A) Betriebssysteme bringen den Computer zum Laufen und organisieren die Kopplung von Hardware und Anwenderprogrammen Die aktuell wichtigsten Betriebssysteme: WINDOWS (MSDOS), UNIX / LINUX, APPLE Mac OS X (ten) (B) Anwenderprogramme arbeiten auf der Grundlage eines entsprechenden Betriebssystems Wichtige Kategorien: Textverarbeitung (Latex, Word, Office), Tabellenkalkulation (Excel) Datenbanken (Literaturrecherche, Datenverwaltung) mathematisch orientierte Anwendungssoftware (Maple, Mathematica, Matlab) Compiler für höhere Programmiersprachen Entwicklungsumgebungen für höhere Programmiersprachen (PellesC, Plato, KDevelop) Programmiersprachen (A) Höhere Programmiersprachen strukturiertes Programmieren anhand einer logisch aufgebauten, der menschlichen in gewisser Weise nahen, Sprache relativ leichte Lesbarkeit und Bearbeitbarkeit der Programme Nachteil: erheblicher Effizienzverlust im Laufzeitverhalten wenige zugelassene algorithmische Strukturen + Möglichkeit komplexer Datenstrukturen u. Operationen

5 gestatten ähnliche Formulierung von Algorithmen: if (a < 0) a = a; ( C ) if a < 0 then a := a; (PASCAL) IF (a < 0) THEN (FORTRAN) a= a ENDIF if (a < 0) (MATLAB) a= a; end aktuell wichtige höhere Programmiersprachen sind: C (Ritchie, 1972) bzw. C++ (Stroustrup, 1985) FORTRAN (Backus, 1954), aktuelle Version FORTRAN 95 ('03 im Kommen), PASCAL (Wirth, 1970), JAVA (1995), PYTHON (van Rossum, nach 1990) Programmiersprachen sind standardisiert Bei Vorliegen eines entsprechenden Compilers leichte Portierbarkeit auf andere Computersysteme eventuell jedoch mehrere Dialekte : BORLAND C, PLATO C, PELLES C Jedes Programm wird letztlich in ausführbaren Code übersetzt, d.h. in Maschinensprache, um vom Prozessor verarbeitet zu werden. (B) Maschinensprachen jeder Befehl ist durch eine bestimmte Nummer kodiert, sog. OP Code (Befehlscode für eine Operation) dadurch durch die Hardware zu interpretieren dazu muß der Algorithmus in seine elementarsten Einzelschritte zerlegt werden schwer lesbar, ohne Hilfsmittel kaum erstellbar streng auf bestimmten Prozessortyp zugeschnitten, demzufolge nicht übertragbar (portierbar) sehr effizient im Laufzeitverhalten (C) Assemblersprachen maschinennahe Sprachen auch streng auf konkreten Prozessor orientiert und somit nicht portierbar im Laufzeitverhalten ähnlich effektiv wie direkter Maschinencode

6 Maschinenbefehle werden durch sprachnahe Bezeichnungen verständlicher, z.b. Arithmetische und logische Operationen ADD, SUB... Additions bzw. Subtraktionsbefehl NOT, AND, OR... log. Verneinung, log. ODER bzw. Log. UND LOAD, MOVE... Datentransferbefehle heutige Prozessoren können bereits über 100 verschiedene Grundoperationen direkt verstehen und verarbeiten 2.3 Grobdarstellung einer Programmausführung 1. Programmdatei wird in den Arbeitsspeicher geladen übersetzt in Maschinencode, d.h. als Folge von OP Codes 2. CPU übernimmt die Kontrolle, führt die den OP Codes entsprechenden Befehle der Reihenfolge nach aus Zyklus einer Abarbeitung: Befehlsregister(zähler) enthält die Speicheradresse des nächsten Befehls LOAD: Lade aus dem Arbeitsspeicher den OP Code dessen Speicherplatz der Befehlsregister angibt INCREMENT: Setze Befehlsregister auf die nächste zu lesende Speicheradresse EXECUTE: führe den geladenen Befehl aus, hole dazu ggf. Daten aus Arbeitsspeicher Beispiel: (mgl. Assemblerbefehle für Addition zweier Zahlen) LOAD R1, S1 LOAD R2, S2 ADD R1, R2, R3 3. Ergebnis wird auf vorgegebenem Speicherplatz im Arbeitsspeicher gespeichert oder an Ausgabegerät gegeben

7 Speicherung/Verarbeitung der OP Codes? OP Codes werden auf Hardwareebene verarbeitet Im Arbeitsspeicher kann jede Speicherzelle genau zwei Zustände besitzen: AN / AUS Strom fließt / fließt nicht kleinstmögliche Informationseinheit ist zweiwertig 0 oder 1 OP Codes werden in Binärdarstellung (Dualdarstellung) gespeichert Programm in Maschinencode übersetzt besteht aus einer Folge von '0' und '1'. 2.4 Grundeinheiten und Zeichensätze Informationseinheiten (Speichereinheiten) Bit (binary digit) die zweiwertige Grundeinheit in der Informationstheorie und damit jeder Informationsverarbeitung Speicherzelle abstrakten Werte: 0 oder 1 technische Realisierung: Schaltkreis, verschiedene Zustände durch Magnetisierung, Spannung ein Bit reicht nicht aus, um alle üblichen Zeichen eindeutig zu speichern Byte Gruppe von 8 Bits nächsthöhere Einheit der Informationsverarbeitung i.a. kleinstmögliche Speichereinheit, die im Arbeitsspeicher eine Adresse besitzt (d.h. Blöcke zu je 8 Speicherzellen sind im Arbeitsspeicher nacheinander durchnumeriert) KByte = 1024 Byte = 2 10 Byte = 1 Kilobyte MByte = 1024 KByte = 2 20 Byte = 1 Megabyte GByte = 1024 MByte = 2 30 = 1 Gigabyte Alle Daten/Programme sind intern in Binärdarstellung gespeichert. Wie funktioniert das? (1) Alphanumerische Zeichen (characters): Menge der Buchstaben {A, B,..., Z, a, b,..., z} Menge der Ziffern {0, 1,..., 9} Menge gewisser Sonderzeichen {+,, *, /,...} + Steuerzeichen : z.b. für Zeilenvorschub, umbruch o.ä. Alle Zeichen können über Tastatur eingegeben werden

8 intern in Binärdarstellung: durch Kodierung der Zeichen Drei Standards haben sich etabliert: EBCDI Code (Extended Binary Coded Digit Interchange)... IBM Standard Darstellung der Zeichen durch 1 Byte => Zeichenvorrat: 256 Zeichen ASCII Code (American Standard Code for Information Interchange) Darstellung der Zeichen durch 1 Byte => Zeichenvorrat: 256 Zeichen um alle Zeichen einer übl. Tastatur zu kodieren, reicht je 1 Byte Speicherplatz, d.h. 8 Speicherzellen, aus (127 Zeichen; 128 = 2^7 sogar 7 Bit reichen aus!) Unicode (Universal Codeset) Darstellung der Zeichen durch 2 Byte => Zeichenvorrat: Zeichen im Web verwendete Zeichen (z.b. auch chines. und kyrill. Schriftzeichen uvm.) Beispiel: ASCII: A > 65 > Ascii Nummer Binärdarstellung Zeichen EBCDI ASCII Nr. ASCII Unicode A (2) Zeichenketten(Wörter): jedes Zeichen wird einzeln in Binärdarstellung überführt die Binärdarstellungen der Zeichen werden im Speicher direkt aneinandergereiht

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