Technische Grundlagen der Informatik

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1 hier: Allgemeine Aufgaben von Computern bei der Datenverarbeitung Grundlegender Aufbau von Computern: Architekturen, Funktion und Kopplung der Komponenten Vom Algorithmus zum Programm Zusammenspiel von Hard- und Software Besondere Stellung von Betriebssystemen Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

2 Warum...? Leider nicht in der Bibliothek zu finden:

3 Elektronische Datenverarbeitung Definition (EDV) Die Elektronische Datenverabeitung (EDV) umfasst alle computer-gestützten Techniken zur Erfassung und Bearbeitung von Informationen. Allgemeiner Begriff aus Sicht der technischen Informatik Klassifikation von Datenverabeitungsschritten Ein-/Ausgabe (Input, Output) Speicherung (Storage) Verarbeitung (Processing) Transport (Transfer) Steuerung (Control) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

4 Datenverarbeitung: Ein- und Ausgabe Eingabe: Zuführung von Daten durch Menschen über Eingabe-Hardware (z.b. Tastatur, Maus etc.), direkt durch angeschlossen Hardware (z.b. Sensoren) oder andere Datenverarbeitungsprozesse (Programme auf demselben Rechner, Kommunikation über Netzwerke) Ausgabe: Bereitstellung von Ergebnisdaten für Menschen über Ausgabe-Hardware (z.b. Bildschirm, etc.) oder an andere Prozesse Eingabe erfordert Umwandlung von Information zu Daten durch Kodierung (siehe folgender Abschnitt) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

5 Datenverarbeitung: Speicherung Bereitstellung und Sicherung von Daten durch Übertragung zwischen Speichermedien umfaßt Schreiben: Übertragung auf sicheres Medium Lesen: Übertragung auf schnelleres Medium Laden und Schreiben als Vorgänge entlang einer Speicherhierarchie, z.b. Lesen von Programmen oder Daten von der Festplatte (dauerhaft, große Kapazität, relativ langsam) in den Arbeitsspeicher (flüchtig, mittlere Kapazität, schnell) Lesen von Daten aus dem Hauptspeicher in die Register des Prozessors (sehr geringe Kapazität, sehr schnell) Backup als Schreiben von Festplattenspeicher auf Sicherungsmedien (sehr sicher, sehr hohe Kapazität, sehr langsam, billig) wie Magnetbänder oder DVD Cache (Puffer-Speicher) als Optimierung von Lesezugriffen Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

6 Speicherhierarchie Steigende Zugriffsgeschwindigkeit und Preis pro Einheit Prozessorregister Prozessor-Cache Arbeitsspeicher Festplatten-Cache Festplatte Steigende Kapazität und Sicherheit Sicherungsmedien Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

7 Datenverarbeitung: Verarbeitung In aktuellen Rechnerarchitekturen umgesetzt als Rechenwerk (Arithmetic Logic Unit - ALU) der Zentralen Verarbeitungseinheit (Central Processing Unit - CPU) Manipulation der Daten auf unterster Ebene umfasst Setzen auf Werte (Aus Programm oder Arbeitsspeicher) Ausführung atomarer Rechnenoperationen (Addition, Multiplikation, etc.) Logische Verknüpfung von Daten (UND, ODER, Negation, etc.) Test von einfachen Bedingung (z.b. Registerwert ist null) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

8 Datenverarbeitung: Steuerung und Transport Transport: Umfasst allgemein Übertragung von Daten zwischen anderen Verarbeitungsschritten In aktuellen Rechnerarchitekturen umgesetzt durch Bus-Systeme als gemeinsame Kommunikationskanäle Steuerung: Übergreifende Funktionalität zur Koordination der anderen Verarbeitungschritte Z.B. Laden des Programms in den Arbeitsspeicher Lesen des aktuellen Befehls in das Rechenwerk Schreiben der Ergebnisse in den Arbeitsspeicher... Umgesetzt als Steuerwerk (Control Unit) der CPU Ein-/Ausgabe, Speicherung, Verarbeitung, Transport und Steuerung finden sich zum Beispiel in der Von-Neumann-Architektur wieder, welche die Grundlage für heutige Rechnerarchitekturen ist Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

9 Von-Neumann-Architektur (1945) Zentrale Vearbeitungseinheit Rechenwerk Steuerwerk Bus Ein-/Ausgabe Speicherwerk Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

10 Zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) Rechenwerk: Datenregister: Enthalten geladene Werte für die Ausführung des nächsten Befehls durch die ALU sowie nach der Ausführung die Ergebnisse Recheneinheit (ALU - Arithmetic Logic Unit): Durchführung arithmetischer (ADD, SUB, MUL), logischer (AND, NOT, OR, XOR) sowie Vergleichsoperationen (CMP), Bitmanipulationen (Verschieben Setzen und Setzen von Bits) Steuerwerk: Befehlsregister: enthält die aktuell geladenen Befehle Statusregister: enthält nach der Ausführung von Befehlen Informationen zu speziellen Zuständen (z.b. Überlauf, negatives Ergebnis, Ergebnis ist null, etc.) Befehlsdecoder: Steuerung der Ausführung von Befehlen (Maschinensprache) durch Zerlegung in Mikroinstruktionen (z.b. Register Laden, ALU aufrufen, Befehlszähler weitersetzen,...) nach einem festgelegten Prozessortakt Adresseinheit: steuert das Laden von Daten und Befehlen aus dem Speicher Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

11 Weitere Prozessorbestandteile Gleitkommaeinheit: Floating Point Unit (FPU) bzw. mathematischer Koprozessor ist heute meist in CPUs integriert und setzt die schnelle Ausführung arithmetischer Operationen (Grundrechenarten, Logarithmus, Wurzeln, etc.) für Gleitkommazahlen um Spezielle Recheneinheiten: zum Beispiel Vektorarithmetikeinheiten und Grafikprozessor für Beschleunigung spezieller Rechenoperationen Prozessor-Cache: intelligentes Vorladen von Daten und Programm in schnellen Speicher Bus-Schnittstelle: Zugriff auf Speicheradressen mit Daten und Befehlen sowie periphere Hardware Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

12 Aktuelle Prozessorfamilien 32-Bit vs. 64-Bit: Datenwortbreite, die auf einmal verarbeitet werden kann und (durch entsprechenden Addressbus) adressierbarer Hauptspeicher 32-Bit: zum Beispiel Intel x86 (80386, bis Pentium Pro), Sun SPARC, Freescale (früher Motorola) 68000er Familie, etc. 64-Bit: zum Beispiel Intel64 (ab Pentium 4), AMD64, Sun UltraSPARC, PowerPC (Apple, IBM, Freescale) RISC vs. CISC: Complex Instruction Set Computing (CISC): umfangreicherer Satz komplexer Befehle mit langsamerer Verarbeitung waren bis Anfang/Mitte der 90er Standdard (z.b. Motorola 68000, Intel bis Pentium) Reduced Instruction Set Computing (RISC): kleine Befehlssätze mit schnell zu bearbeitenden Befehlen (z.b. ARM Prozessoren vor allem für eingebettete Systeme, PowerPC, Sun SPARC) Heute Mischformen vorherrschend, die komplexe Befehle intern auf Mikrooperationen umsetzen (z.b. seit Intel Pentium Pro) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

13 Speicherwerk Speicherwerk besteht im engeren Sinne einer Rechnerarchitektur nur aus Hauptspeicher (RAM): Random Access Memory: wahlfreier Zugriff auf Daten an beliebige Adressen (z.b. im Gegensatz zu sequentiellem Zugriff bei Magnetbändern, Lochkarten, etc.) Flüchtig (transient), d.h. Verlust der Daten bei Ausschalten des Rechners Nicht-flüchtiger (persistenter) Sekundär- (Festplatte) und Tertiärspeicher (Sicherungsmedien) zählen zu Ein-/Ausgabe Basic Input Output System (BIOS oder Firmware) als persistenter Programmspeicher wird nur beim Starten des Rechners benutzt Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

14 Funktionsweise von Speicherlösungen SRAM - Static RAM Basiert auf Flipflops: logische Schaltwerke bestehend aus Logikgattern (logische Grundfunktionen meist auf Basis von Transistorschaltungen), die durch Rückkopplung der Ausgangssignale einen Zustand (Bits mit 0 oder 1) halten können bzw. durch neue Signale diesen verändern können (SET, RESET) Vorteile: sehr schneller Zugriff Nachteile: aufwändig und deshalb begrenzte Kapazität, notwendiger Ruhestrom führt zu hohem Energieverbrauch und Erwärmung Verwendung: Prozessor-Cache Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

15 Funktionsweise von Speicherlösungen /2 DRAM - Dynamic RAM Basiert auf Speicherung des Zustand in Kondensator und Steuerung über einen Transistor Dynamisch, weil Zustand (Potential) des Kondensators durch Refresh regelmäßig erneuert werden muss SDRAM: Synchronized DRAM setzt Zugriffe auf Speicher über feste Taktung um und ist seit Mitte der 90er im Gebrauch DDR-SDRAM und Weiterentwicklungen: Double Data Rate SDRAM heute gebräuchliche Optimierung Vorteile: große Kapazität, geringerer Energieverbrauch Nachteile: langsamerer Zugriff als SRAM Verwendung: Hauptspeicher Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

16 Bussysteme Leitungssystem zur Übertragung von Daten zwischen verschiedenen internen und externen Hardware-Komponenten eines Rechners Erlaubt prinzipiell Verbindung beliebiger Anzahl von Komponenten Nutzung des Busses wird über Protokoll gesteuert, z.b. welche Komponente darf wann den Bus benutzen? wie werden die Signale/Daten übertragen? Lokaler, rechner-interner Bus zur Verbindung von CPU, Speicher etc. wird auch Systembus Gekoppelte Komponenten Bussystem Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

17 Systembus CPU RAM I/O Steuerbus Adressbus Datenbus Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

18 Systembus /2 Adressbus: überträgt unidirektional (d.h. in der Regel vom Prozessor zum Speicher oder Ein-/Ausgabe) Adressen der anzusprechenden Speicherzellen - die Breite (grob: Anzahl der Leitungen) bestimmt Größe des adressierbaren Speichers, z.b. 32 Bit (Leitungen) 2 32 = 4GByte Datenbus: überträgt bidirektional (lesend und schreibend) die eigentlichen Daten Steuerbus: steuert entsprechend dem Busprotokoll Zugriffsberechtigungen, Übertragungsrichtung (Datenbus), Taktung, Status, etc. Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

19 Arten von Bussystemen Synchron vs. asynchron: asynchrone Übertragung erlaubt Datenstrom zu beliebigen Zeitpunkt, während bei synchronen Bussen ein fester Takt vorliegt, bei dem Informationen mit den Taktflanken übertragen werden können - aktuelle Busse meist semi-synchron, d.h. feste Taktung aber Wartezyklen für langsame Komponenten möglich Serieller vs. paralleler Bus: bei serieller Datenübertragung kann ein Datenwort (z.b. 32 Bit) als Folge von Bits übertragen werden, während bei paralleler Übertragung mehrere Leitungen parallel ein Wort zu einem Zeitpunkt/Takt übertragen Rechner-intern vs. - extern: Auftrennung des Bussystems für Verbindung der CPU mit direkten Rechnerbestandteilen (z.b. Speicher, Grafikkarte, Festplatte etc.) und der Peripherie Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

20 Aktuelle Bussysteme Rechner-interne Bussysteme Peripheral Component Interconnect (PCI) (parallel) PCI Express (PCI Nachfolger, seriell) Extended Industry Standard Architecture (EISA) (Nachfolger von ISA, XT) Serial Advanced Technology Attachment (SATA) (seriell) Versa Module Eurocard Bus (VMEbus) Rechner-externe Bussysteme Computer System Interface (SCSI) (parallel, auch intern verwendbar) Personal Computer Memory Card International Association (PCMCIA) (parallel) FireWire (seriell) Universal Serial Bus (USB) Ethernet Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

21 Warum... sind inbesondere Bussysteme für Ingenieure von Interesse? Externe Bussysteme werden heutzutage vielfach in von Ingenieuren zu entwickelnden Produkten verwendet, z.b. Feldbussysteme wie INTERBUS, Ethernet Powerlink oder SERCOS werden zur Verbindung von Computer-gesteuerten Aktoren und Sensoren in Maschinen, Anlagen, etc. verwendet Eingebettete Systeme (funktional spezialisierte Minicomputer als Teil von Maschinen, Autos, etc.) kommunizieren über spezielle (Feld-)Bussysteme, wie z.b. Controller Area Network (CAN) im Automobilbereich

22 Ein- und Ausgabe Speichermedien Sekundärspeicher: Festplatten Tertiärspeicher: Sicherungsmedien wie CD/DVD und Magnetbänder Ausgabe zur Nutzerinteraktion Monitore, Sound, Drucker, Beamer,... Eingabe zur Nutzerinteraktion Tastatur, Maus, Scanner, Kameras,... Netzwerk (als Spezialform externer Bussysteme) Netzwerkarte, Modem, Hub, etc. Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

23 Festplatten Speichermedium Festplatte oder Hard Disk als interne Peripherie von besonderer Bedeutung Speicherung binärer Informationen auf speziellen Positionen magnetisierbarer Platten meist aus Aluminiumlegierungen Schreib-/Lesezugriffe durch motorgesteuerte Köpfe für meist mehrere physische Platten Informationen direkt adressierbar über Position: Platte, Spur (Zylinder), Block RAID-System (Redundant Array of Inexpensive Disks) als spezielle Lösungen für höhere Zugriffsgeschwindigkeit durch parallele Zugriffe mehr Datensicherheit (durch mehrfache Abspeicherung oder Speicherung von Fehlerkorrekturdaten) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

24 Rechnerarchitekturen Zusammenfassung Von-Neumann-Architektur bis heute Grundlage der elektronischen Datenverarbeitung: Hauptspeicher hält flüchtige Daten und Programme vor CPU verarbeitet Daten Ein-/Ausgabe zur Nutzerinteraktion und dauerhaften Speicherung Bussystem überträgt Daten zwischen Komponenten Im Folgenden zu klären: Wie arbeiten Komponenten für Erledigung von Aufgaben durch Programme zusammen? Wie werden Komponenten und Aufgaben durch Betriebssystem koordiniert? Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

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