Wie arbeitet ein Computer?

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1 Gerätetechnik (Hardware) Rechnerkonfiguration, Rechnerarchitektur, Arbeitsweise Prozessoren Primäre und sekundäre Speicher Eingabe- und Ausgabe-Geräte Rechnersysteme Rechnernetze Systemsoftware (Betriebssystem) Aufgaben und Komponenten von Betriebssystemen Prozessverwaltung Datenverwaltung Klassifizierung Arbeitsweise am Beispiel von Windows Anwendungssoftware Nachnutzung Eigenentwicklung Seite 1 Rechnerkonfiguration = Beschreibung der Teile eines konkreten Rechners Seite 2

2 Rechnerarchitektur Klassisches Rechnerkonzept nach John von Neumann Steuerwerk Prozessor Zentrale Verarbeitungseinheit; entral Processing Unit (PU) Rechenwerk Register Hauptspeicher Befehl Eingabegeräte Ausgabegeräte Externe Speicher Datenwert gemeinsamer Speicher für Daten und Befehle sequentielle Abarbeitung der Befehle Seite 3 Zentrale Steuerschleife Zusammenspiel von Prozessor und Hauptspeicher Befehlsadresse in Befehlszähler Befehlstransport: Hauptspeicher Befehlsregister Befehlsentschlüsselung Sprungbefehl? nein Operandentransport: Hauptspeicher Register ja Befehlsausführung Befehlszähler erhöhen Seite 4

3 Speicherhierarchie Register ache Arbeitsspeicher (RAM) steigende Speicherkapazität steigende Zugriffsgeschwindigkeit Primärspeicher Sekundärspeicher Platten / Disketten / Karten Band / Kassette D-ROM / DVD /... Seite 5 Eingabe- / Ausgabe-Geräte Endgeräte Tastatur, Maus RT-Bildschirm Kathodenstrahlröhre (athode Ray Tube): Elektronenstrahl läuft über den Bildschirm (Raster-Bildschirm) 30 bis 100 Bildwiederholungen pro Sekunde erzeugt Punktmuster (pixel pictural element) in Zeilen und Spalten (z.b * 1024) Flachbildschirm Flüssigkristallanzeige (Liquid rystal Display LD) Flüssigkristall zwischen zwei parallelen Glasscheiben, elektrisches Feld erzeugt Bild Seite 6

4 Eingabe- / Ausgabe-Geräte Drucker Monochromdrucker Matrixdrucker Tintenstrahldrucker Laserdrucker Farbdrucker Farbtintenstrahldrucker Farblaserdrucker Feststoffdrucker Wachsdrucker Farbsublimationsdrucker Seite 7 Moore s Gesetz Speichergröße in KBit bzw. Anzahl Transistoren pro hip Steigerung: etwa 60% pro Jahr Seite 8

5 Rechnersysteme Typ Preis Anwendungsbeispiel Wegwerfcomputer Eingebettete omputer (OEM) Spielcomputer Personalcomputer Server Sammlung von Workstations Großrechner (Mainframe) Supercomputer Rechnernetz Glückwunschkarten Uhren, Auto, Geräte Heimvideospiele P, Laptop Netzserver Abteilungsrechner (Minisuper) Stapelverarbeitung in einer Bank Flächendeckende Wettervorhersage Seite 9 Systemsoftware Begriffe Software ist die Gesamtheit von Programmen und Datenbeständen, die in einem omputersystem genutzt wird Systemsoftware Betriebssystem betriebssystem-analoge Software Anwendungssoftware Standardsoftware Nichtstandardsoftware / Spezialsoftware Betriebssystem Gesamtheit der Systemprogramme eines omputersystems zur Software-Nutzung und Software-Entwicklung Seite 10

6 Betriebssystem-Komponenten Ressourcen-Verwaltung Datenbestände / Speicherplatz Prozesse / PU-Zeit Bedienungsunterstützung Betriebssystem-Kommandos / -Funktionen Bedienungsoberfläche Software-Entwicklungsunterstützung Programmiersprachen-Übersetzer Testhilfen Hardware-Wartungsunterstützung Diagnostik- / Fehlersuch-Programme Seite 11 Ressourcenverwaltung Ressourcenverwaltung Prozessverwaltung Speicherverwaltung primäre Speicher sekundäre Speicher Seite 12

7 Prozessverwaltung Prozess eine durch ein Programm spezifizierte Folge von Aktionen, deren erste begonnen, deren letzte aber noch nicht abgeschlossen ist, also ein sich in Benutzung befindendes Programm Unterschied: Programm beschreibt die Aktionen, Prozess führt sie aus Seite 13 Abarbeitung eines Programms Ablauf: Auswahl des zu startenden Programms und Startbefehl Suche der entsprechenden Programm-Datei (.exe) auf Platte, Spur, Sektor nach Zuteilung von Hauptspeicher-Platz (Memory Management): Kopieren der Datei in den Hauptspeicher einschl. Umrechnung der Adressen nach Zuteilung des Prozessors (durch den Scheduler): Eintragung der ersten Befehlsadresse in den Befehlszähler... Abarbeitung ggf. mit Unterbrechungen (Zentrale Steuerschleife)... Ende des Prozesses, Freigabe des Prozessors und des Hauptspeichers (Inhalt des Hauptspeichers wird nicht gelöscht, sondern bleibt erhalten, bis er durch ein nächstes Programm überschrieben wird) Seite 14

8 Einzel-Programm-Betrieb E/A-Geräte, externe Speicher, Nutzer Prozessor Zeit Taktung nicht maßstabsgerecht: Nutzer 1 Sekunde ext. Speicher 10-3 Sekunde Prozessor 10-9 Sekunde Seite 15 Mehr-Programm-Betrieb (multi tasking / multi processing) Prozesszustände bereit blockiert aktiv Prozessor Peripherie E/A-Geräte, Sekundär-Speicher AB B A A B Zeit AB AB Prozessor wartet B A B A B B und warten wartet AB B B A wartet Ende A B Prozessor wartet B B Prozessor wartet B B wartet Ende B Seite 16

9 Prozess-Zustandsdiagramm auswählen bereit zuteilen verdrängen aktiv beenden auslagern wecken blockiert blockieren einlagern auslagern ausgelagert bereit wecken ausgelagert blockiert Seite 17 Prozesszustände bereit: Programm befindet sich abarbeitungsbereit im Arbeitsspeicher, Prozessor nicht zugeteilt aktiv: Prozessor zugeteilt, Programm wird abgearbeitet (Prozess "läuft") blockiert: Prozess unterbrochen, Programm wartet im Hauptspeicher auf Aktionsende von der Peripherie ausgelagert blockiert: Programm wartet ausgelagert (befindet sich nicht im Hauptspeicher) auf Aktionsende von der Peripherie ausgelagert bereit: Programm wartet auf Hauptspeicher-Zuteilung (befindet sich nicht im Hauptspeicher), könnte dann weiter"laufen" Seite 18

10 Ressourcenverwaltung Ressourcenverwaltung Prozessverwaltung Speicherverwaltung primäre Speicher sekundäre Speicher Seite 19 Speicherverwaltung Arbeitsspeicher Dynamische Freispeicherverwaltung: Zuteilung des primären Speichers an anfordernde Prozesse Auslagerung bei Bedarf (swapping) Adressierung: Adressübersetzung virtueller Programmadressen in reale Speicheradressen Relokalisierung beim Laden von Programmen (Anpassen der Adressen an Ladebereich) Schutz: Schutz der jeweiligen Prozessbereiche gegen fremden Zugriff Seite 20

11 Speicherverwaltung Sekundäre Speicher Daten auf Datenträger immer als Dateien (= Files) gespeichert Inhalt wird von geeigneter Software interpretiert Betriebssystem verwaltet Dateien, das heißt identifiziert findet schreibt liest Zuordnung logischer Dateibeschreibungen (Pfad, Dateiname, Dateityp) zu Adressen auf einem Datenträger (Gerät, Kopf, Spur, Sektor) Seite 21 Logische Datei-Verwaltung Datei-Beschreibung (=Datei-Spezifikation): Datei-Name Datei-Typ Datei-Historie (Erstellungsdatum, Datum der letzten Änderung) Lagebeschreibung Zugriffsrechte Bearbeitungszustand Datei-Verzeichnis (directory / Ordner) Sammlung von Datei-Spezifikationen mehrstufige Organisation: in Datei-Verzeichnis sind wieder (über mehrere Stufen) Eintragungen von Datei-Verzeichnissen (Unterverzeichnissen) zulässig Seite 22

12 Bedienungsunterstützung Betriebssystem-Kommandos Aufruf eines Programms Anzeige von Dateiverzeichnis-Inhalten Drucken von Dateien... Betriebssystem-Funktionen Formatieren von Datenträgern (Disketten,...) Kopieren, Verschieben, Umbenennen von Dateien... Bedienungsoberfläche Menü-Funktionen als Ersatz für Kommandos (z.b. Windows) Seite 23 Software-Entwicklungsunterstützung Quelltext-Erstellung und -Korrektur Editor Programmiersprachen-Übersetzer ompiler für verschiedene Programmiersprachen Programmverbinder Linker Testhilfe-Programme Debugger Seite 24

13 Programm-Erstellung Quelltext Editor Quellmodul ompiler Systembibliotheken ompilerprotokoll Fehlerliste Objektmodul Linker Linkerprotokoll Fehlerliste Lademodul Seite 25 Hardware-Wartungsunterstützung Hardware-Diagnostik Fehlersuch-Programme Seite 26

14 Betriebssystem-Klassen Einzweck-Betriebssysteme für genau einen festgelegten Verwendungszweck (z.b. OEM, in Geräten) Universal-Betriebssysteme Ein-Nutzer-Betriebssysteme (single user operating systems) z.b. P/M, MS-DOS, Windows Mehr-Nutzer-Betriebssysteme (multi user operating systems) z.b. IBM/OS, UNIX Netzbetriebssysteme / Serverbetriebssysteme z.b. NovellNetware, Windows Server Echtzeit-Betriebssysteme (real time operating systems) zur Bedienung von Echtzeit-Prozessen (Prozessrechner) z.b. in Produktionsanlagen, Verkehrsregelung,... Seite 27 Windows-Konventionen Datei-Spezifikation: [laufwerk] [pfad] dateiname [.dateityp] a:\texte\beispiel.doc Laufwerk-Bezeichnungen: a: b: Disketten-Laufwerke c: d: Festplatte (logische Laufwerke) / D-ROM z: y:... logische Platten im Netz Pfad-Bezeichnungen: 1 bis 8 Zeichen lang (empfohlen, sonst Sonderbehandlung nötig) zugelassen sind Buchstaben A bis Z (Groß- und Kleinschreibung werden nicht unterschieden), Ziffern 0 bis 9 und die Sonderzeichen _ ^ $ ~! # % & - { } ( ) Probleme können bereiten: Leerzeichen, Komma, Punkt und \ im gleichen Verzeichnis keine zwei gleichen Unterverzeichnisse oder Dateinamen/Dateityp zulässig Trennzeichen \ Seite 28

15 Windows-Konventionen Dateinamen: analog Pfadnamen Dateityp: max. 4 Zeichen wird von vielen Programmen automatisch vergeben beginnend mit einem Punkt (.), danach frei wählbar Windows-Konventionen:.exe.com ausführbare Programme.bat Kommando-Dateien.bak Sicherungsdateien.dir Datei-Verzeichnisse (directories) Programm-Konventionen:.c -Quelltext.cpp ++-Quelltext.doc Word-Dokument.xls Excel-Arbeitsmappe.dwg AutoAD-Zeichnungsdatei.htm HTML-Dokument... Seite 29 Windows-Prozessverwaltung Taskmanager Anwendungen anzeigen, beenden, wechseln Prozesse anzeigen, beenden Systemleistung anzeigen Seite 30

16 Windows-Datenträger-Verwaltung Explorer Formatieren eines Datenträgers Ordner einrichten Ordner anzeigen / wechseln Ordner löschen Ordner kopieren Ordner umbenennen Seite 31 Anwendungssoftware Nachnutzung Lizenznahme (Anpassung) Installation Einführung / Erprobung Nutzung Eigenentwicklung Aufgabenstellung Softwareentwicklung Installation Einführung / Erprobung Nutzung Seite 32

17 Kontrollfragen 1. Worin besteht der Unterschied zwischen Rechnerarchitektur und Rechnerkonfiguration? 2. Wozu dient und was tut die zentrale Steuerschleife eines Rechners? 3. Warum benötigen Rechner außer dem Arbeitsspeicher noch sekundäre Speicher? 4. Was besagt das Moore'sche Gesetz? 5. Was verstehen Sie unter dem Betriebssystem eines Rechners, und welche Funktionen übernimmt es? 6. Welchem Zweck dient das multi-tasking im Betriebssystem, und wie funktioniert es? 7. Wozu dient und wer benutzt das Prozess-Zustandsdiagramm? 8. Welche Aufgabe haben Taskmanager und Explorer in Windows- Betriebsssystemen? Seite 33

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