Von Bits, Bytes und Raid

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1 Von Bits, Bytes und Raid Eine Schnuppervorlesung zum Kennenlernen eines Datenspeichers um Bits und Bytes zu unterscheiden um Raid-Festplattensysteme zu verstehen Inhalt Speicherzellen sind elektronische Schalter Wahrheitswerte Darstellung von ganzen Zahlen Vertauschung von Zahlen Idee der Sicherung von Daten Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 1

2 Arbeitsspeicher 2 Speicherriegel 2 Plätze frei 8 Speicherchips Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 2

3 Aufbau: Speicherchip Chip enthält Millionen von winzigen elektronischen Schaltern Realisierung über Transistoren Diese Schalter sind entweder geöffnet oder geschlossen Damit kann entweder Strom fließen oder nicht Aufgabengebiet des Elektronikers Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 3

4 Vom Schalter zur Zahl Informatiker interpretiert diese Schalter: Offener Schalter: 0 Geschlossener Schalter: 1 Also: Zahl 0 ein offener Schalter Zahl 1 ein geschlossener Schalter Zahl 2? Wir brauchen einen zweiten Schalter Wie beim Übergang von 9 nach 10 (jetzt 2 Ziffern!) Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 4

5 Große Zahlen Zahl 0: Zahl 1: Zahl 2: Zahl 3: Zahl 7: Zahl 19: Zahl 255: Zahl : Binärsystem: Wir merken uns: Stellen! Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 5

6 Bits und Bytes Bit: Ein Speicherschalter heißt Bit Byte: 8 Speicherschalter hintereinander heißen Byte Für viele Daten benötigt man meist nur bis zu 8 Bits Einheit Byte hat sich bewährt Beispiel: Codieren von Zeichen (ASCII) Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 6

7 Arbeitsspeicher / Festplatte Arbeitsspeicher: Enthält elektronische Schalter 16 GB 128 Milliarden Schalterchen SSD (Solid State Disk): Enthält nichtflüchtige elektronische Schalter 256 GB >2 Billionen Schalterchen Magnetische Festplatte: Enthält winzige magnetische Zellen Magnetisiert 1, nicht magnetisiert 0 4 TB 32 Billionen Magnetchen Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 7

8 Logik: Wahrheitswerte Gesucht: Bühnendarstellerin für Julia Weiblich, jung Einteilung aller Bewerber in 2 Kategorien: Geschlecht: Weiblich, männlich Alter: Jung, alt Auswahl: Nur jung und weiblich Jung AND Weiblich Logik-Operator AND Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 8

9 Operator AND Alter Jung Alt W = wahr Geschlecht W F = gesucht F = falsch Weiblich W W F = nicht gesucht Männlich F F F In der Informatik: 0 = falsch 1 = wahr Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 9

10 Wahrheitswerte in Inform. AND OR XOR Bit 1 AND Bit 2 In C: Bit1 & Bit2 Bit 1 OR Bit 2 In C: Bit1 Bit 2 Bit 1 XOR Bit 2 In C: Bit1 ^ Bit2 In der Informatik: Diese drei Logik- Operatoren lassen sich auch auf Bytes und beliebig große Zahlen anwenden! Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 10

11 Beispiel zu Operator AND Zahl 1: Zahl 2: AND 26 = (19) Die spinnen, die Informatiker! Wo ist da ein Sinn? (26) (bitweise mit AND verknüpft) 18 Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 11

12 Programm 1 Siehe Programm Es macht immer noch keinen Sinn, oder? Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 12

13 Vertauschen von Zahlen (1) Speicherzelle1: Speicherzelle2: Hilfsspeicher: 19 0 In C: hilf = zelle1; zelle1 = zelle2; zelle2 = hilf ; Obige Speicherzellen sollen vertauscht werden: Hilfsspeicher wird benötigt Kopie der Speicherzelle1 in Hilfsspeicher Kopie der Speicherzelle 2 in Speicherzelle 1 Kopie des Hilfsspeichers in Speicherzelle 2 Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 13

14 Vertauschen von Zahlen (2) Beim Vertauschen von sehr großen Speicherbereichen: Hilfsspeicher muss vom Betriebssystem angefordert werden Aufwändig! Geht es nicht auch ohne Hilfsspeicher? Antwort: JA siehe Programm, Teil 2 Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 14

15 Weitere Anwendung Sichern von Festplatten: Gegeben: 2 große Festplatten Die Daten sollen sicher vor Verlust sein! Platte1: Sicherungsplatte1 Platte2: Ständiges Spiegeln der Daten Sicherungsplatte2 Problem: Hoher Plattenverbrauch Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 15

16 Verknüpfen mit XOR! Platte1: Platte2: XOR Ständiges Berechnen und Speichern Platte3: Nur eine Platte zusätzlich! Szenarien: Mit Hilfe der Platte3 und XOR kann eine ausfallende Platte1/2 restauriert werden Platte 3 fällt aus Kein Problem Platte 1 fällt aus Platte2 XOR Platte3!!! Platte 2 fällt aus Platte1 XOR Platte3!!! Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 16

17 RAID = Redundant Array of Independent Disks Beispiel: 6 Festplatten im Verbund als RAID RAID 0: 6 Festplatten enthalten getrennte Daten Keine Ausfallsicherheit RAID 1: RAID 3 Festplatten enthalten getrennte Daten, 3 Spiegelplatten Hohe Ausfallsicherheit RAID 5: 5 Festplatten enthalten getrennte Daten 1 Festplatte ist mit XOR mit den anderen 5 verknüpft Hohe Ausfallsicherheit XOR zu den 5 Platten Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 17

18 Technik fordert! Es gibt auch noch RAID6! Noch sicherer! Und so geht es immer weiter Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Bits -Bytes -Raid Edwin Schicker 18