Grundlagen der Informatik II Teil 2: Architektur von Rechensystemen Friederike Pfeiffer-Bohnen Micaela Wünsche

Marlon Braun Lukas König

Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren – Professor Dr. Hartmut Schmeck

KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

www.kit.edu

Betriebssysteme

Programmierung

Dateiverwaltung

Kodierung, Zahlendarstellung Schaltnetze, Schaltwerke

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Rechnerarchitektur und -organisation

Institut Angewandte Informatik Formale Beschreibungsverfahren Institut für für Angewandte Informatik undund Formale Beschreibungsverfahren

Schaltnetze und Schaltwerke Boolescher Term Boolesche Algebra f(a,b,c) = a + (c  b) ...ist Grundlage für... Wahrheitstabelle Schaltalgebra ...wird realisiert in... a b c f 0 0 0 0 Schaltnetzen und Schaltwerken ...werden physikalisch realisiert durch... 0 0 1 0 CMOS 0 1 0 0 ...besteht aus... 0 1 1 1 PMOS 1 0 0 1 1 0 1 1 NMOS

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1

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BDD a 0 b

1

1

0

c 1 1

0 0

Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren

Schaltnetze und Schaltwerke Boolescher Term Boolesche Algebra f(a,b,c) = a  (c  b) ...ist Grundlage für... Wahrheitstabelle Schaltalgebra ...wird realisiert in... a b c f 0 0 0 0 Schaltnetzen und Schaltwerken ...werden physikalisch realisiert durch... 0 0 1 0 CMOS 0 1 0 0 ...besteht aus... 0 1 1 1 PMOS 1 0 0 1 1 0 1 1 NMOS

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1

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0

1

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1

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BDD a 0 b

1

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c 1 1

0 0

Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren

Schaltnetze und Schaltwerke Boolescher Term: a  (c  b) Boolesche Algebra ...ist Grundlage für... Wahrheitstabelle BDD Schaltalgebra Gatter ...wird realisiert in... _ Schaltnetzen und Schaltwerken a a 1 ...werden physikalisch realisiert durch... _ a a CMOS Schaltnetz a ...besteht aus... a b c 1 ab b PMOS

NMOS &

a b

ab

&

...

1 f 5

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Schaltnetze und Schaltwerke Boolescher Term: a  (c  b) Boolesche Algebra ...ist Grundlage für... Wahrheitstabelle BDD Schaltalgebra Gatter ...wird realisiert in... s q Schaltnetzen und Schaltwerken r q ...werden physikalisch realisiert durch... CMOS Schaltwerk t ...besteht aus... a b c j q PMOS k q NMOS

&

t

...

1 f 6

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Schaltnetze und Schaltwerke Boolescher Term: a  (c  b) Boolesche Algebra ...ist Grundlage für... Wahrheitstabelle BDD Schaltalgebra Schaltung Gatter ...wird realisiert in... Schaltnetzen und Schaltwerken ...werden physikalisch realisiert durch... CMOS VDD CMOS ...besteht aus... _ PMOS a a NMOS

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Rechnerarchitektur und -organisation Von Neumann-Architektur ...ist Grundlage für... heutige Rechner …benötigen… Speicherorganisation …sind Bestandteile von… Rechnernetzen

Von Neumann-Rechner Steuerwerk

Rechenwerk

Eingabewerk

CPU

Speicherwerk

Ausgabewerk

: Steuerfluss : Datenfluss Von Neumann-Engpass

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Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren

Rechnerarchitektur und -organisation Von Neumann-Architektur ...ist Grundlage für... heutige Rechner …benötigen… Speicherorganisation …sind Bestandteile von… Rechnernetzen

Von Neumann-Rechner Von Neumann-Engpass

Funktionseinheiten Arbeitsspeicher (Speicherhierarchie) CPU (Rechenwerk & Steuereinheit) Ein-/Ausgabeeinheit Busse (interne Datenwege)

…

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Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren

Rechnerarchitektur und -organisation Von Neumann-Architektur ...ist Grundlage für... heutige Rechner …benötigen… Speicherorganisation …sind Bestandteile von… Rechnernetzen

Von Neumann-Rechner Von Neumann-Engpass

Funktionseinheiten Speicherzugriff wahlfrei sequentiell blockadressierbar

z.B. “least-recentlyused” Cache

z.B. Magnetband z.B. Festplatte

adressbasiert

…

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z.B. “directly mapped” Cache

assoziativ

Adressierungsarten z.B. im Assembler unmittelbar („Konstante“) direkt / absolut („Variable“) indirekt („Zeiger“) indiziert (bspw. für Arrays) relativ (für Programmversch.) implizit (bspw. Sprungbefehl)

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Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren

Rechnerarchitektur und -organisation Von Neumann-Architektur ...ist Grundlage für... heutige Rechner …benötigen… Speicherorganisation …sind Bestandteile von… Rechnernetzen

Von Neumann-Rechner Von Neumann-Engpass

Funktionseinheiten Speicherzugriff Adressierungsarten Protokolle TCP (Trans. Control Protocol) IP (Internet Protocol) UDP (User Datagram Protocol)

…

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Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren

PAUSE Währenddessen: Evaluation zu nuKIT und Aufgabensammlung

Wir bitten um eine rege Teilnahme, um diese Konzepte auch in Zukunft verbessern zu können! 12

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Kodierung und Zahlendarstellung Kodierungstheorie Zahlendarstellung Ganze Zahlen / Ziffern Reelle Zahlen (angenähert) Festpunktdarstellung Gleitpunktdarstellung Fehlererkennung Datenkompression

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Ganze Zahlen und Ziffern Ganze Zahlen Vorzeichen/Betrag 1-Komplement 2-Komplement

gleich…

Ziffern Binary Coded Decimal (BCD) Aiken Exzess-q 2-aus-5

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Kodierung und Zahlendarstellung Kodierungstheorie Zahlendarstellung Ganze Zahlen Reelle Zahlen (angenähert) Festpunktdarstellung Gleitpunktdarstellung Fehlererkennung Datenkompression

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Ganze Zahlen und Ziffern Festpunktdarstellung (m+n Bit) z = bn-1bn-2...b1b0 , b-1b-2…b-m Dezimalwert von z:

i b  2 im i n 1

bi  {0,1}

Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren

Kodierung und Zahlendarstellung Kodierungstheorie Zahlendarstellung Ganze Zahlen Reelle Zahlen (angenähert) Festpunktdarstellung Gleitpunktdarstellung Fehlererkennung Datenkompression

Ganze Zahlen und Ziffern Festpunktdarstellung Gleitpunktdarstellung (n Bit) k Bit Mantisse + Vorzeichen n-k Bit Charakteristik v c m’ z = bn-1 bn-2...bk-1 bk-2...b0 Dezimalwert von z: v

(1)  (1  m' )  2cq mit

q  2nk 1 1 v, c, 0 < m < 1‘ als Dualzahl interpretiert; bi  {0,1} gleich…

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Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren

Kodierung und Zahlendarstellung Kodierungstheorie Zahlendarstellung Ganze Zahlen Reelle Zahlen (angenähert) Festpunktdarstellung Gleitpunktdarstellung Fehlererkennung Datenkompression 000 011

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Ganze Zahlen und Ziffern Festpunktdarstellung Gleitpunktdarstellung Fehlererkennung

x x

k

x

y

1 x

y

z

k

x

1

z

k x

x x

hc=2 k=1 Hammingabstand: hc = k+1

Hammingabstand: hc = 2k+1

=> bis zu k-Fehlererkennbar

=> bis zu k-Fehlerkorrigierbar

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Kodierung und Zahlendarstellung Kodierungstheorie Zahlendarstellung Ganze Zahlen Reelle Zahlen (angenähert) Festpunktdarstellung Gleitpunktdarstellung Fehlererkennung Datenkompression

Ganze Zahlen und Ziffern Festpunktdarstellung Gleitpunktdarstellung Fehlererkennung Huffman-Kodierung 110

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Minimal Fano-Bedingung

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Programmiersprachen Problemorientierte Sprache

Imperative (C, Ada, Pascal, ...) Funktionale / applikative (Lisp, ...) Prädikative (PROLOG, ...) Objektorientierte (Java, ...)

Assemblersprache

„OpCode, OpAdr1 (, OpAdr2, …)“ Symbolisch kodiert

Maschinensprache

„OpCode, OpAdr1 (, OpAdr2, …)“ Binär kodiert, kaum menschenlesbar

Mikroprogrammierung

Firmware, i.d.R. nicht zugänglich „Fetch – Decode – Execute“

Hardware

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Nicht programmierbar

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Betriebssysteme Betriebssystem ...ist die Gesamtheit aller Systemprogramme einer Rechenanlage, die Benutzeraufträge ausführt durch... Betriebsart ...die Aufträge bearbeitet durch Aufteilung in… Prozesse

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gleich…

Betriebssystemaufgaben Zuteilung von Rechenzeit Prioritätsgesteuert Zeitscheibenverfahren FCFS Hauptspeicherverwaltung Adressraum Speicherraum Synchronisation von Prozessen Prozesskooperation wechselseitiger Ausschluss Deadlock Lifelock Sicherheit Zuverlässigkeit Verfügbarkeit Vertraulichkeit Zugriffsschutz

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Betriebssysteme Betriebssystem ...ist die Gesamtheit aller Systemprogramme einer Rechenanlage, die Benutzeraufträge ausführt durch... Betriebsart ...die Aufträge bearbeitet durch Aufteilung in… Prozesse

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Betriebssystemaufgaben Betriebsarten Stapelbetrieb Multiprogrammbetrieb Dialogbetrieb Echtzeitbetrieb Client/Server

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Betriebssysteme Betriebssystem ...ist die Gesamtheit aller Systemprogramme einer Rechenanlage, die Benutzeraufträge ausführt durch... Betriebsart ...die Aufträge bearbeitet durch Aufteilung in… Prozesse initiiert

Betriebssystemaufgaben Betriebsarten

Prozesse bereit

aktiv

terminiert

blockiert

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Dateiverwaltung Dateiorganisation Sequentiell Sortiert Unsortiert Gestreut Hash-Organisation Index Index-sequentiell

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Aufbau einer Datei Phys. Adr. (B)

Block-Nr B

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...

...

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Dateiverwaltung Dateiorganisation Sequentiell Sortiert Unsortiert Gestreut Hash-Organisation Index Index-sequentiell

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Aufbau einer Datei Phys. Adr. (B)

Block-Nr B

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1

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4

...

...

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Dateiverwaltung Dateiorganisation Sequentiell Sortiert Unsortiert Gestreut Hash-Organisation Index Index-sequentiell

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Aufbau einer Datei Phys. Adr. (B)

Block-Nr B

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...

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Erfolg

Klausur Viel Erfolg! Ihre Übungsleiter: 25

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