Beschaffung vom Informationssystemen Datenorganisation Kommunikation

Transkript

1 Grundlegende Definitionen Technik Hardware Bits, Bytes und Zahlensysteme Von-Neumann Architektur Datenein- und ausgabe Software System- und systemnahe Software Anwendungssysteme Beschaffung vom Informationssystemen Datenorganisation Kommunikation Seite 1

2 Ziel dieses Vorlesungsabschnitts: - kennen und verstehen der grundlegenden Begriffe im Bereich der Computerhardware - kennen und verstehen des grundlegenden Aufbaus eines Computers - Entwicklung eines Grundverständnisses, wie Informationen als Daten im Computer dargestellt und verarbeitet werden. Seite 2

3 Bits, Bytes und Zahlensysteme Daten sind Zeichen oder kontinuierliche Funktionen,die aufgrund von bekannten oder unterstellten Abmachungen oder vorrangig zum Zwecke der Verarbeitung Informationen darstellen (DIN 44300) Daten als technische Repräsentation von Informationen Maschinen verarbeiten Daten automatisiert Seite 3

4 Bits, Bytes und Zahlensysteme Interpretation von Daten durch einen Menschen führt zu Informationen im Sinne von Kenntnissen zu Sachverhalten Menschen verarbeiten Informationen => Begriffe werden häufig als Synonyme verwendet Seite 4

5 Bits, Bytes und Zahlensysteme Ziel: Abbildung von Informationen (wie Zahlen, Texte, Bilder, Filme, Töne,...) im Rechner als Daten Ansatz: Codierungsvorschriften der Art Information => Sequenz von Zeichen (Symbolen) aus einer bestimmten Zeichenmenge (Alphabet) Seite 5

6 Bits, Bytes und Zahlensysteme Beispiele: ganze Zahlen => Sequenz von Ziffern aus {0,1,...,9} Wörter => Sequenz von Buchstaben aus {a,b,.,a,b,...} Schulnoten => {sehr gut, gut, befriedigend,...} Jahreszeiten => {Frühling, Sommer, Herbst, Winter} Seite 6

7 Bits, Bytes und Zahlensysteme Binärcodierung Binärsystem: Zeichenmenge {0,1} (Binärzeichen, Bits (binary digits)) Andere Binärsysteme: Morsesystem, Fußgängerampeln Hintergrund: Bit als kleinste Darstellungseinheit (elementare Informationseinheit) eines Digitalcomputers ( Ja / Nein, An / Aus, 1 / 0 ) Seite 7

8 Bits, Bytes und Zahlensysteme Binärcodierung Erkenntnis: Symbole beliebiger Alphabete lassen sich als Gruppen von Binärzeichen ausdrücken Beispiel: Zuordnungsvorschrift (Code) für Jahreszeiten: Mittels n Binärzeichen lassen sich 2 n Kombinationen bilden Seite 8

9 Anzahl Bits Bits, Bytes und Zahlensysteme Binärcodierung - S Bitkombinationen Kapazität Seite 9

10 Bits, Bytes und Zahlensysteme Binärcodierung Byte-Einheiten: 1 Byte [B] = 8 Bits Kilobyte: 1 KB = 2 10 Byte = Byte Megabyte: 1 MB = 2 20 Byte = Byte Gigabyte: 1 GB = 2 30 Byte = Byte Terabyte: 1 TB = 2 40 Byte = Byte Petabyte: 1 PB = 2 50 Byte = Byte Exabyte: 1 EB = 2 60 Byte = Byte Seite 10

11 Bits, Bytes und Zahlensysteme Zahlendarstellung: Ganze Zahlen Darstellung als Dualzahl über Konvertierung dezimal -> dual Bereich abhängig von der Bitlänge Bitlänge oft in der Länge eines Maschinenwortes (2 Byte, 4 Byte oder 8 Byte) Seite 11

12 Bits, Bytes und Zahlensysteme Zahlendarstellung: Ganze Zahlen Umrechnungsbeispiel und Codierung Seite 12

13 Bits, Bytes und Zahlensysteme Dualsystem Dezimalsystem Hexadezimalsystem Oktalsystem A 0B 0C 0D 0E 0F Seite 13

14 Bits, Bytes und Zahlensysteme Wirtschafts- und Texte bzw. Buchstaben im Rechner Zuordnung von Zeichen zu festgelegten Bit-Mustern - ASCII-Code (American Standard Code for Information Interchange, ISO 8859-x) - EBCDI-Code (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) 8 Bit Zeichensätze; Konvertierungen Seite 14

15 Bits, Bytes und Zahlensysteme Texte bzw. Buchstaben im Rechner - Beispiele Seite 15

16 Bits, Bytes und Zahlensysteme Zeichen ASCII-Code EBCDI-Code A a R r T t +? Seite 16

17 Bits, Bytes und Zahlensysteme Wie viele Zeichen können maximal codiert werden? Wie viele Sprachen gibt es auf der Welt? Lösung? Seite 17

18 Bits, Bytes und Zahlensysteme - S neuer Standard: Unicode (ISO 10646), 16/32-Bit-Standard => Aufnahme aller gebräuchlichen Zeichensätze der Welt möglich Seite 18

19 Bits, Bytes und Zahlensysteme Beispiel: Wie viel Text lässt sich in einem MByte Speicher unterbringen? Seite 19

20 Bits, Bytes und Zahlensysteme Grafiken, Bilder, Töne, Programme,... im Rechner Festlegung von Standards zur Interpretation von Bitmustern (z.b. GIF, JPG, EPS, MPEG, MP3) Codierung stetiger/analoger Größen alles, was zählbar bzw. messbar ist, kann (binär) codiert werden analoge Darstellung Diskretisierung, Digitalisierung digitale Darstellung AD-Wandler: analog -> digital, DA-Wandler: digital -> analog Seite 20

21 Bits, Bytes und Zahlensysteme Grafiken, Bilder, Töne, Programme,... im Rechner Seite 21

22 Bits, Bytes und Zahlensysteme Seite 22

23 Hardware Wirtschafts- und Hardware: materielle Komponenten eines Rechners ( alles was man anfassen kann ) Hardware als Ablaufmechanismus für Software Rechnerarchitektur: interne Struktur des Rechners, d.h. Aufbau aus den verschiedenen Komponenten, und Organisation der Arbeitsabläufe im Rechner klassisch: von-neumann-architektur (John von Neumann, ) Seite 23

24 Hardware - von-neumann-rechner Zentraleinheit (Prozessor, Central Processing Unit / CPU) Steuerwerk: holt und interpretiert die Instruktionen Rechenwerk: führt die Instruktionen aus Hauptspeicher (Arbeitsspeicher, interner Speicher) Externe Speicher (Sekundärspeicher) ( Busse ) ( Peripherie ) Seite 24

25 Hardware EVA Prinzip und von-neumann-rechner Seite 25

26 Hardware - von-neumann-rechner Zentraleinheit CPU CPU als Herz des Rechners intern: Steuerwerk, Rechenwerk, Register, mathematischer Co-Prozessor, Cache,... Ablaufzyklus 1. Steuerwerk holt Befehl aus Hauptspeicher 2. Steuerwerk interpretiert Befehl 3. Rechenwerk führt Befehl aus Seite 26

27 Hardware - von-neumann-rechner Zentraleinheit CPU Wirtschafts- und Verbindung zu Hauptspeicher, Peripherie etc. über Bus (Nutz-, Adress- und Steuerdaten) Taktfrequenz heute üblich im Bereich 2-3 GHz pro Instruktion Takte in der Regel kommuniziert die CPU mit dem Rest über einen niedrigeren Takt (z.b MHz FS- Bus) Ggf. Dual-Core / Quad-Core Seite 27

28 Hardware - von-neumann-rechner Hauptspeicher Wirtschafts- und RAM ROM (read-only) Cache (schneller Zwischenspeicher) Seite 28

29 Hardware - von-neumann-rechner Hauptspeicher Wirtschafts- und Inhalt: Programme und Daten linearer Adressraum: n-1 n Seite 29

30 Hardware - von-neumann-rechner Hauptspeicher Wirtschafts- und Aktuell: auf einer Platine gebräuchliche Größen: 1 GByte bis zu mehreren GByte gebräuchliche Zugriffszeiten (Zeit zum Lesen des Inhalts einer Speicherzelle) liegen im Bereich von Nano- Sekunden (10-9 ) Seite 30

31 Hardware - von-neumann-rechner Externer Speicher Wirtschafts- und Magnetplatten: schnell, Größe z.b. 500 GByte Schreib- / Lesekopf radial positionierbar Plattenstapel (aufgeteilt in Sektoren und Spuren) rotieren Zugriffszeit in der Größenordnung von Mikrosekunden (10-6 ) Einfache Disketten: geringe Kapazität (z.b. 1,44 MByte), transportabel Seite 31

32 Hardware - von-neumann-rechner Externer Speicher Radial (Radius) Seite 32

33 Hardware - von-neumann-rechner Externer Speicher Wirtschafts- und Transportable Medien mit Kapazitäten zwischen Festplatte und Diskette Magnetbänder: hohe Kapazität / sequentieller Zugriff Optische Medien: CD-ROM (Kapazität ca MByte), DVD (Kapazität ca. 4,7 GByte), wieder beschreibbare CDs/DVDs verschiedener Typen Seite 33

34 Hardware - von-neumann-rechner Rechnerklassifikation i Wirtschafts- und Seite 34

35 Hardware - von-neumann-rechner Rechnerklassifikation ii Wirtschafts- und Preis Rechenleistung Personal- Computer Workstation Großrechner Superrechner Bedienungsaufwand Anzahl der Installationen Seite 35

36 Hardware - von-neumann-rechner Mehrprozessorsysteme: eng gekoppelt Wirtschafts- und Seite 36

37 Hardware - von-neumann-rechner Mehrprozessorsystem: lose gekoppelt Wirtschafts- und Seite 37

38 Hardware - von-neumann-rechner Mehrprozessorsystem: massiv parallel Wirtschafts- und Seite 38