1. Rechnersysteme (Einführung) VL1 2. Komponenten. 3. Daten und Informationen VL2 4. Von Neumann Maschine. 5. Computer und Software VL3

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1 Vorlesungsinhalte WI-109 Teil 3: Rechnersysteme VL2 1. Rechnersysteme (Einführung) VL1 2. Komponenten 3. Daten und Informationen VL2 4. Von Neumann Maschine 5. Computer und Software VL3 6. Einführung in Computer-Netzwerke VL4 7. Wiederholung und Übungen Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 1

2 Einführung in die Wirtschaftsinformatik Rechnersysteme 3. Daten und Information Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 2

3 Begriffe Information Information ist ein weitläufig verwendeter und schwer abzugrenzender Begriff. Verschiedene Wissenschaften betrachten die Information als ihr Arbeitsgebiet, u.a. die Informatik, die Informationstheorie, die Informationswissenschaft, die Nachrichtentechnik. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 3

4 Begriffe (2) Information (2) Im allgemeinen Sprachgebrauch sowie in einigen Wissenschaften (Semiotik, Informationswissenschaften) wird Information mit Bedeutung oder übertragenem Wissen gleichgesetzt. Der Informationsgehalt einer Nachricht ist dann hoch, also eine wirkliche Information, wenn die Nachricht neu ist. Im Gegensatz dazu enthält eine Nachricht wenig Informationen, wenn die Nachricht nicht neu ist, sich also wiederholt. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 4

5 Begriffe (3) Redundanz Informationen, die sich in einer Nachricht wiederholen, werden als Redundanz bezeichnet. Nachrichten enthalten Redundanzen, um: - (technisch): die Speicherung und Übertragung von Informationen sicherer zu machen, - (allgemein): die Informationen einprägsam zu machen (merkbar, kommt im Kopf an ). Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 5

6 Begriffe (4) Signale Ein anderer Begriff für eine Nachricht Wird eine Nachricht mit technischen Mitteln übertragen und verarbeitet, so sprechen wir von + Signalverarbeitung, + Signalübertragung Austauschbarkeit: Nachricht Signal Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 6

7 Begriffe (5) Signalarten aus der menschlichen Erfahrung - (A) Temperatur - (A) Licht (Helligkeit, Farbe) - (A) Druck - (B) Taster, Schalter, Melder - (A, D) Drehzahl - (A, D) Drehmoment (A) Analogsignal, (B) Binärsignal, (D) Digitalsignal Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 7

8 Begriffe (6) Einteilung von Signalen a) Analoge Signale Kontinuität in der Amplitude - unendlich viele Werte - jeder beliebige Wert kann auftreten Kontinuität in der Zeit - zu jeder beliebigen Zeit tritt ein Wert auf Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 8

9 Begriffe (7) Einteilung von Signalen (1) b) Binäre Signale Diskontinuität in der Amplitude - es gibt nur 2 diskrete Werte 0 und 1 2 = bi (binär) Kontinuität in der Zeit - zu jeder beliebigen Zeit tritt kann ein Wechsel von 0 nach 1 und umgekehrt stattfinden Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 9

10 Begriffe (8) Einteilung von Signalen (2) c) Digitale Signale Diskontinuität in der Amplitude - es gibt nur 2 n diskrete Werte - n ist die Anzahl der Bit s - 1 Bit = Maß für Informationsmenge Diskontinuität in der Zeit 1 - Abtastung erfolgt mit t ft Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 10

11 Organisation von Daten Dateien - Daten werden strukturiert abgelegt - Das erfolgt in Dateien und Datenbanken - Datenorganisation: Datenfeld Datensatz Datei Datenbank Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 11

12 Organisation von Daten (2) Dateiorganisation und Dateizugriff - Kriterien für die Auswahl einer Dateiorganisation: + schneller Zugriff + einfache Aktualisierung + ökonomische Speicherung + einfache Verwaltung + Zuverlässigkeit Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 12

13 Organisation von Daten (3) Arten von möglichen Dateiorganisationen - Ansammlung - Sequentielle Datei - Indexsequentielle Datei - Indizierte Datei - Direkte oder Hashed-Datei Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 13

14 Organisation von Daten (4) Arten von möglichen Dateiorganisationen!!! Präsentation Dateiorganisation von Stephan Neumann und Paul Schalow ( IT 2005) zeigen Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 14

15 Darstellung von Zahlen Wertevorrat in Abhängigkeit von der Datenbreite - 1 Bit = 2 1 Werte = 2 Werte - 2 Bit = 2 2 Werte = 4 Werte - 4 Bit = 2 4 Werte = 16 Werte = 1 HalbByte - 8 Bit = 2 8 Werte = 256 Werte = 1 Byte - 16 Bit = 2 16 Werte = Werte = 1 Word - Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 15

16 Darstellung von Zahlen (2) Datenformate - BYTE, ( CHAR ), Zweierkomplement - Festkommaformat + WORD, INT + DWORD, DINT - Gleitkommaformat Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 16

17 Darstellung von Zahlen (3) Dezimale Zahlen Zahlenbasis ist die 10 Beispiele: 1, 5, 13 Binäre oder duale Zahlen Zahlenbasis ist die 2 Beispiele: 01, 101, 1101 Hexadezimale Zahlen Zahlenbasis ist die 16 Beispiele: 01, 05, 0D Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 17

18 Darstellung von Zahlen (4) Umrechnen zwischen den verschiedenen Zahlendarstellungen Aufgabe 1: Wandeln Sie die folgenden Dezimalzahlen in Dual- und Hexadezimalzahlen um Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 18

19 Darstellung von Zahlen (5) Umrechnen zwischen den verschiedenen Zahlendarstellungen Aufgabe 2: Wandeln Sie die folgenden Dualzahlen in Hexadezimal- und Dezimalzahlen um Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 19

20 Darstellung von Zeichen ASCII Code ( 7-Bit-Code ) (American Standard Code for Information Interchange) Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 20

21 Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 21

22 Rechnen mit Binär - Zahlen Addition Subtraktion Subtraktion durch Addition mit Zweierkomplement Multiplikation und Division Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 22

23 Lernziele erfüllt? Was ist Information und Redundanz? Nennen Sie die wichtigsten Signalarten. Welche 5 Kriterien für die Auswahl einer Dateiorganisation kennen Sie? Was unterscheidet die beiden Formate WORD und INT? Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 23

24 Einführung in die Wirtschaftsinformatik Rechnersysteme 4. Von Neumann Maschine Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 24

25 Lernziele Den Aufbau der CPU kennen. Die Arbeitsweise der CPU kennen. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 25

26 Von Neumann - Architektur Programme und Daten sind innerhalb des selben Speichers abgelegt. Das Programm wird von außen eingegeben. Der Speicher ist in gleich große Einheiten eingeteilt, die durch eindeutige Adressen identifizierbar sind. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 26

27 Von Neumann Architektur (2) Aufeinanderfolgende Befehle stehen in aufeinander folgenden Speicherzellen. Durch Sprungbefehle kann von dieser Reihenfolge abgewichen werden. Verschiedene Prozessortypen kennen einen unterschiedlichen Befehlssatz. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 27

28 Von Neumann Architektur (3) Minimal gibt es: Arithmetische Operationen Logische Operationen Transportbefehle (Laden/Speichern). Die Befehle und die Daten sind digital codiert. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 28

29 Von Neumann Architektur (4) Ein Befehl kann: Für sich alleine stehen, z.b. Stop. Mit einem oder mehreren Operanden verknüpft sein, z.b. Load 3. Ein Befehl heißt Operationscode (OpCode). Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 29

30 Der Aufbau eines Prozessors Ein Prozessor besteht aus vier Bestandteilen: Steuerwerk o. Leitwerk Rechenwerk o. Operationswerk Speicher o. Speicherwerk Systembusschnittstelle o. Ein-/Ausgabewerk Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 30

31 Steuerwerk Decodiert die OpCodes Interpretiert die Befehle Koordiniert die übrigen Baugruppen Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 31

32 Rechenwerk Das Rechenwerk dient der Verarbeitung der Daten Es besteht aus: Arithmetisch/Logischer Einheit (ALU). Zur eigentlichen Berechnung. Operandenregister. Zur Zwischenspeicherung von Daten. Statusregister (Flags). Zur Anzeige von Systemzuständen. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 32

33 Hauptspeicher Der Speicher enthält Daten und Befehle Speicherzellen sind in Matrixform angeordnet und speichern genau 1 Bit Speicherzellen werden zeilenweise angesprochen. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 33

34 Hauptspeicher (2) Eine Speicherzeile ist ein Speicherwort. Ein Speicherwort ist über eine Adresse eindeutig identifizierbar. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 34

35 Systembus - Schnittstelle Bildet die Schnittstelle zu den E/A Geräten. Stellt Puffer für die Zwischenspeicherung von Daten bereit. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 35

36 Von Neumann - Zyklus Die Abarbeitung eines Befehles erfolgt immer nach dem gleichen Muster: FETCH DECODE FETCH OPERANDS UPDATE INSTRUCTION POINTER EXECUTE Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 36

37 FETCH Laden des nächsten Befehls aus dem Hauptspeicher. Identifiziert durch: Instruction Pointer (Befehlszähler), auch PC (Programm Counter) Normalerweise der Befehl, der an der nächsten Adresse zu finden ist. Anders bei Sprungbefehlen. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 37

38 DECODE Decodieren des binär codierten Befehls. Instruieren des Rechenwerks zum Ausführen des Befehls. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 38

39 FETCH OPERANDS Einlesen der Operanden, die mit dem Befehl angegeben werden. Identifikation über Adressen. Ein- oder Mehr-Adress-Maschine. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 39

40 UPDATE INSTRUCTION POINTER Erhöhen des Befehlszählers um eins, damit der nächste Befehl ausgeführt wird. Der neue Befehlszähler kann wieder überschrieben werden. (Sprungbefehl). Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 40

41 EXECUTE Ausführen des Befehls. Eventuell unter Verwendung von Operanden. Eventuell verändern des Befehlszählers (bei Sprungbefehl). Setzen der Flags. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 41

42 Praxis-Test (1) mit Von-Neumann-CPU-Simulator Programm zur Simulation einer CPU. Demonstartion: Addieren Sie die Zahlen 2 und 6 und speichern Sie das Ergebnis. Die Operanden liegen auf den Speicherzellen 9, 10 und 11. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 42

43 Praxis-Test (2) mit Inside CPU Programm zur Simulation einer CPU. Es befindet sich auf den PC s im EDV-Raum. Das Programm ist schon recht alt. Der Von Neumann - Zyklus ist noch viel älter (1946). Die Übungen sind freiwillig!!! Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 43

44 Aufgaben Hinweise: Speichern ist nicht möglich (Demo). Wenn Sie Ihrer Ergebnisse aufheben wollen, machen Sie einen Screenshot oder starten Sie eine neue Instanz. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 44

45 Aufgaben I. Grundrechenarten 1. Addieren Sie die Zahlen 2 und 6 und speichern Sie das Ergebnis. 2. Subtrahieren Sie 9 von 10 und speichern das Ergebnis. 3. Multiplizieren Sie 10 und 10 und speichern das Ergebnis. 4. Was passiert bei einer Division by Zero? Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 45

46 Aufgaben II. Sprünge 1. Realisieren Sie eine Operation (z.b. Addition) in einem Unterprogramm. 2. Realisieren Sie bedingte und unbedingte Sprünge in das Unterprogramm. 3. Realisieren Sie einen Rücksprung. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 46

47 Aufgaben III. Schleifen 1. Realisieren Sie eine For Schleife. 2. Realisieren Sie eine While Schleife. a) kopfgesteuert. b) fußgesteuert. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 47

48 Harvard Architektur Befehls- und Datenspeicher sind getrennt. Vorteil: schnellere Verarbeitung, da ein OpCode und seine Operanden gleichzeitig geladen werden können. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 48

49 Taktgeber Die Abläufe in einem Mikroprozessorsystem werden durch ein gemeinsames Taktsignal synchronisiert. Als Taktgeber wird ein Quarz eingesetzt. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 49

50 Interrupts Das System arbeitet nicht nur im Stapel- Modus, sondern muss auch auf Service- Anforderungen eingehen können (z.b. Taste gedrückt). Diese Anforderungen sind besonders wichtig und müssen schnell bearbeitet werden. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 50

51 Interrupts (2) Eine Möglichkeit ist, ständig auf diese Service- Anforderungen abzuprüfen (Pollen / Polling). Was ist der Nachteil dieser Vorgehensweise? Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 51

52 Interrupts (3) Interrupts sind spezielle Signale, die an den Prozessor gesendet werden. Erhält der Prozessor ein Interrupt-Signal, unterbricht er die normale Ausführung und ruft eine spezielle Routine auf (Interrupt-Service-Routine). Danach wird wieder in die normale Bearbeitung zurückgesprungen. Was muss alles getan werden, damit die normale Programmausführung möglich ist? Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 52

53 Exceptions Gleiche Funktionsweise wie bei Interrupts Die Unterbrechung wird jedoch vom Prozessor selber aufgerufen, um auf Fehler zu reagieren. Beispiele: Division by zero, Debug-Modus. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 53

54 Stack Memory / Keller Speicher Schneller Hardware-seitig implementierter Datenspeicher. Stapel mit last in, first out (LIFO). Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 54

55 Cache Memory Hintergrundspeicher. Daten werden im Cache zwischengespeichert. Ziel ist die schnelle Datenverfügbarkeit zum Zeitpunkt der Verarbeitung. Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 55

56 Cache Memory (2) Beispiel: Cache zwischen (schnellem) Prozessor und (langsamen) Speicher. Nutzung von: räumlicher Lokalität (Zugriff auf benachbarte Adressen). Zeitliche Lokalität (Wiederholter Zugriff). Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 56

57 Cache Memory (2) Beispiel: Cache zwischen (schnellem) Prozessor und (langsamen) Speicher. Nutzung von: räumlicher Lokalität (Zugriff auf benachbarte Adressen). Zeitliche Lokalität (Wiederholter Zugriff). Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 57

58 Lernziele erfüllt? Worin unterscheiden sich die Von-Neumann- Architektur und die Harvard-Architektur? Was ist eine Interrupt-Service-Routine? Auf einem Stack-Speicher liegt zuerst: Tom, dann Tina und dann Toby; wie kann Tina vom Stack entfernt werden? Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 58

59 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Bitte Stühle an ihren Platz stellen, die Fenster schließen, Vorhänge (Außenrollos) öffnen und alles mitnehmen (auch Müll). Dipl.-Ing. Peter Zeh VDI / FHW Berlin, FB BA / ERS - Vorlesung VL2 Folie Nr. 59