Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz–Gemeinschaft Fortbildungszentrum für Technik und Umwelt Direktor: Dr. Klaus Körting

Name:

Datum:

09.12.2003

M_U_S_T_E_R_L_Ö_S_U_N_G_ Matrikelnummer:

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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck 07247 / 82-4421 07247 / 82-7421 [email protected]

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Klausur „Grundlagen der Datenverarbeitung“ – Winter 2003 Berufsakademie – Staatliche Studienakademie – Karlsruhe Fachrichtung Industrie — Kurs WIN03G2 Hinweise zur Durchführung der Klausur: ü Bitte tragen Sie zuerst Ihren Namen und Ihre Matrikelnummer ein. ü Legen Sie Ihren Studentenausweis bereit, wir werden die Ausweise während der Klausur durchsehen. ü Die Bearbeitungszeit für die Klausur beträgt 120 Minuten. ü In der Klausur können Sie maximal 160 Punkte erreichen, für das Bestehen sind 81 Punkte hinreichend. ü Außer Taschenrechnern sind keine Hilfsmittel (Bücher, eigene Aufzeichnungen etc.) zugelassen. ü Die Verwendung von Mobilfunktelefonen während der Klausur ist untersagt, bitte sorgen Sie auch dafür, dass durch Ihr Mobiltelefon Ihre Kommilitonen nicht gestört werden. ü Tragen Sie soweit möglich Ihre Lösung in den auf den Aufgabenblättern vorgesehenen freien Raum ein. Reicht der Platz für Ihre Ausführungen nicht aus, so verwenden Sie zunächst die Rückseiten der Aufgabenblätter und kennzeichnen Sie deutlich, zu welcher Aufgabe die Lösung gehört. Reicht dieser Platz im Falle noch nicht aus, können Sie von der Aufsicht weitere Blätter erhalten. ü Auf jedem zusätzlichen Lösungsblatt schreiben Sie bitte auf der Vorderseite in die obere, rechte Ecke Ihren Namen und Ihre Matrikelnummer; nicht namentlich gekennzeichnete Lösungsblätter können nicht in die Bewertung eingehen! Forschungszentrum Karlsruhe GmbH in der Helmholtz-Gemeinschaft Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 D-76344 Eggenstein-Leopoldshafen Telefon 07247 / 82-0, Telefax 07247 / 82 5070 Postanschrift: Postfach 3640, D-76021 Karlsruhe Stadtadresse: Weberstraße 5, D-76133 Karlsruhe

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Name: M_U_S_T_E_R_L_Ö_S_U_N_G

Aufgabe 1:

(5 Punkte)

Historische Milestones. Kreuzen Sie nur die zutreffenden Aussagen an. þ Die Abstraktion von den gezählten Dingen zu universellen Zahlzeichen geschah vor etwa 5000 Jahren. ¨ Das universelle Organon-Modell der Kommunikation des mittelalterlichen Philosophen Plato besagt: „Sprache ist ein Werkzeug, damit Einer einem Anderen etwas mitteilen kann über die Dinge“ þ Freiherr von Leibnitz gilt als letzter Universalgelehrter. ¨ Die „Difference Engine“ von Charles Babbage war die erste elektro-mechanische Rechenmaschine. ¨ Konrad Zuse ist der Erfinder des universellen Datenverarbeitungsprinzips „Eingabe — Verarbeitung/Speicherung — Ausgabe“

Aufgabe 2:

(5 Punkte)

Systemarchitektur. Kreuzen Sie nur die zutreffenden Aussagen an. þ Jedes Betriebssystem besitzt eine benutzerorientierte und eine hardwareorientierte Komponente. ¨ In der Systemarchitektur unterscheidet man unter dem Aspekt des Auftragsverhaltens „Single User Systeme“ und „Multitasking Systeme“. þ Eine Unix Command-Shell ist ein Repräsentant der Betriebsform „Dialogsystem“. ¨ Der Stapel-Betrieb ist besonders für die Steuerung von technischen Anlagen in Echtzeit geeignet. ¨ Eine Windows-Workstation ist ein typisches „Multi User System“.

Aufgabe 3:

(12 Punkte)

Rechnerorganisation, Rechnerstrukturen: (a) Ungerer klassifiziert Rechnerarchitekturen nach dem Preis und der Leistungsfähigkeit. Nennen sie zwei der insgesamt sechs Klassen nach Ungerer. Neben der Klassifikation nach Ungerer wurde Ihnen auch die Klassifikation nach Flynn vorgestellt. (b) Welche beiden Kriterien legt Flynn seiner Klassifikation nach der Organisationsform zugrunde? (c) Ordnen Sie die beiden Kriterien aus (b) den Achsen der unten eingezeichneten Matrix zu und platzieren Sie die vier Klassen nach Flynn in den entsprechenden Matrizenfeldern. (a) (b)

Mikrocomputer; Workstation; Minicomputer; Supermini; Mainframe/Großrechner; Supercomputer/Numbercruncher

2 pt.

1. Anzahl der zu einem Zeitpunkt von einer Instruktion behandelten Datenpunkte 2. Anzahl der zu einem Zeitpunkt ausgeführten Instruktionen

2 pt.

(c)

8 pt.

Kriterium 1: → Kriterium 2: ↓ Anzahl der ausgeführten Instr.

Anzahl der behandelten Datenpunkte

Ausprägung: 2 ↓, 1 →

1

k

1

SISD

SIMD

n

MISD

MIMD

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Name: M_U_S_T_E_R_L_Ö_S_U_N_G

Aufgabe 4:

(7 Punkte)

Rechnerorganisation, Rechnerstrukturen: (a) Von Neumann, Burks und Goldstine stellten bei der Entwicklung des „Princeton-Rechners“ 1944 bis 1946 fünf zentrale Anforderungen auf, die das Gesamtkonzept bestimmen. Welche Systemkomponenten wurden beim „Princeton-Rechner“ daraus abgeleitet und stehen bis heute als Kennzeichen für die „Von-Neumann-Architektur“? Komplettieren Sie durch Eintragen der Komponenten an die entsprechenden Stellen das nachstehende Blockdiagramm. CPU ALU

System-

Arbeitsspeicher

bus CU

Ein-/Ausgabe

(b) An welchen Stellen kann der Benutzer mit dem System unmittelbar interagieren? (c) Das von-Neumannsche Systemkonzept weist eine bekannte Schwachstelle auf, den sogenannten „Von-Neumann-Flaschenhals“. Mit welcher Maßnahme kann diese Schwachstelle beseitigt werden? (Erklären Sie die Maßnahme in einem knappen Satz.) (a)

4 pt.

(b)

ausschließlich über das E/A-Subsystem

(c)

Direct Memory Access (DMA): Schaffen einer zusätzlichen Transport-Infrastruktur zwischen CPU und Speicher und E/A und Speicher zur Entlastung des Systembusses. 2 pt.

Aufgabe 5:

1 pt.

(3 Punkte)

Rechnerorganisation, Rechnerstrukturen: Das „Erlanger Klassifikationssystem“ nach Händler hebt auf dem Grad der Parallelität des Rechnersystemes ab und unterscheidet hierbei letztlich Serialität, Nebenläufigkeit und Pipelining. Kreuzen Sie das kennzeichnende Merkmal in den nachstehenden Systemen an: Szenario Seriell Nebenläufig Pipeline Eine automatisierte Poststraße, die nach Erhalt eines Jobs die Ausdrucke erzeugt, die Sendungen anschließend heftet, falzt und kuvertiert. Ein herkömmlicher Fotokopierer ohne Einzelblatteinzug und Sorter Eine ISDN-Telefonanlage am Mehrgeräteanschluss der Deutschen Telekom mit angeschlossenem Faxgerät, Telefon und PC

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Aufgabe 6:

(10 Punkte)

Informationstheorie: (a) Eine Partition einer Festplatte, die mit dem FAT16-Dateisystem formatiert ist, hat eine maximale Kapazität von 2 GB (informationstechnisches G). Welche Kapazität hat ein Cluster in einer solchen Partition? (b) Ein Rechnersystem verfügt über einen als RAM realisierten Arbeitsspeicher von 8 MB Kapazität (M informationstechnisch), der in Speicherzellen von jeweils 16 bit organisiert ist. Wieviel bit sind zur direkten Adressierung der Speicherzellen notwendig? (c) Wieviele Adressbits benötigen Sie, wenn die Kapazitätsangabe anstatt in informationstechnischen „M“ in konventionellen, technischen „M“ erfolgt? Hilfen: ü Zu (a): Das FAT16-Dateisystem trägt seinen Namen auf Grund der Adressbreite von 16 bit. ü Wieviele Speicherzellen gibt es jeweils, die zu adressieren sind? ln x ü log 2 x = ln 2 (a)

16 bit Adressen ermöglichen 216 = 65 536 adressierbare Cluster. Kapazität: 2 GB = 2 · 1 073 741 824 Byte = 8 · 2 147 483 648 bit Clustergröße = Kapazität / Clusterzahl, also 32 768 Byte = 32 KB = 256 Kbit 2 pt.

(b)

Kapazität 8 MB = 8 388 608 B = 67 108 864 bit bei Zellen von 16 bit Breite also Kapazität / 16 Zellen = 4 194 304 Zellen, die zu adressieren sind. Adresslänge ld Zellenzahl bit: ld 4 194 304 bit = ln 4 194 304 / ln 2 bit = 22 bit 5 pt.

(c)

Bei technischem M: 8 MB = 8 000 000 B = 64 000 000 bit und somit 4 000 000 Zellen. Adresslänge wie bei (b): ld 4 000 000 bit = ln 4 000 000 / ln 2 bit = 21,93 bit = 22 bit 3 pt.

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Aufgabe 7:

(5 Punkte)

Informationstheorie: Formulieren Sie in möglichst knappen Sätzen und Stichworten: (a) Welche Eigenschaft ist signifikant für ein „bit“? (b) Ist unter Berücksichtigung Ihrer Angabe in (a) eine Fußgängerampel in Deutschland eine Repräsentation eines bits? Begründen Sie Ihre Entscheidung. (c) Eine dreifarbige Verkehrsampel in Deutschland unterscheidet im Normalbetrieb die vier Zustände „rot“ — „rot+gelb“ — „grün“ — „gelb“. Wieviele Zustände könnten mit einer dreifarbigen Verkehrsampel codiert werden? (d) Die Signalleuchten an einem Bahnübergang in Deutschland blinken rot, um die Gefahr eines passierenden Zuges anzuzeigen. Sind sie Repräsentanten für Bits? (a)

Ein „bit“ (binary digit) ist eine Größe, die genau zwei Zustände annehmen kann. 1 pt.

(b)

JA, wenn ausgeschlossen werden könnte, dass die Ampel abgeschaltet wird und jemals die Störung auftritt, dass beide Signalstellen gleichzeitig leuchten (4 Zustände) oder die Signalstellen blinken (9 Zustände). Also besser: NEIN, da die Ampel Redundanz enthält (in Form von ungenutzen Signalzuständen) und eigentlich 4 Zustände oder 9 Zustände annehmen könnte. 2 pt.

(c)

Werden die einzelnen Farben/Leuchtstellen als Bits aufgefasst, können 2³= 8 Zustände codiert werden. Lässt man noch zu, dass einzelne Leuchstellen blinken, so ergeben sich 3³= 27 codierbare Zustände. 1 pt.

(d)

Geht man davon aus, dass kein Dauerleuchten geschaltet werden kann und die Leuchte stets blinkt oder erloschen ist, ist eine solche Signalanlage nach (a) ein Bit. 1 pt.

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Aufgabe 8:

(21 Punkte)

Rechnerarithmetik: (a) Ihr Windows-System gibt Ihnen eine Fehlermeldung mit der hexadezimalen („hexadecimus“ aus dem Griechischen und Lateinischen: „der Sechzehnte“) Fehlernummer A3D aus, Ihr Nachschlagewerk enthält die Fehlermeldungen jedoch nur nach dezimalen Werten aufgeschlüsselt. Nach welcher dezimalen Fehlernummer müssen Sie nachschlagen? (b) Ihr Auftraggeber gibt Ihnen für eine Webseite den Farbcode für einen Seitenhintergrund als hexadezimalen Wert 005D57 an. Sie wissen, dass es sich hierbei um die Aneinanderreihung der drei Farbkanäle Rot, Grün und Blau handelt. Welche Dezimalwerte müssen Sie in Ihrem HTMLEditor für die drei Farbkomponenten Rot, Grün und Blau eingeben, um die gewünschte Farbe zu erzielen? (c) Ihr Systemverwalter hat Ihnen als Passwort die elfstellige Binärdarstellung Ihres Geburtsjahres zugewiesen. Wie lautet also Ihr Passwort? (Bitte zur Kontrolle Geburtsjahr auch dezimal angeben.) (a)

A3DHex = DHex · 160 + 3Hex · 161 + AHex · 162 = 13 · 1 + 3 · 16 + 10 · 256 = 2 621 5 pt.

(b)

005D57Hex setzt sich zusammen aus: 00Hex = 0

(rot) 1

0

5DHex = 5 · 16 + 13 · 16 = 93 1

0

57Hex = 5 · 16 + 7 · 16 = 87

(grün) (blau) 5 pt.

(c)

1964Dez = LLLL0L0LL00Bin Berechnet nach dem Euklidischen Algorithmus aus der Potenzfolge ((aλ)) mit

a λ = 2 λ , λ ∈ ℵ0 : (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, …) 1964 – L·1024 – L·512 – L·256 – L·128 – 0·64 – L·32 – 0·16 – L·8 – L·4 – 0·2 – 0·1 = 0 (Restefolge: (940, 428, 172, 44, 44, 12, 12, 4, 0, 0, 0)). 11 pt.

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Aufgabe 9:

(33 Punkte)

Informationstheorie, Codesicherung: (a) Der nachstehende, zweistellige binäre Code soll nach dem Verfahren der „geraden Parität“ gesichert werden. Ergänzen Sie in der Codetabelle zunächst die entsprechenden Prüfbits: Quellzeichen

Code

Prüfbit

Zwischenraum ∇ A

00 0L

0 L

S

L0

L

N

LL

0

(b) Decodieren Sie nun die folgende, nach der voranstehenden Tabelle codierte Nachricht und kennzeichnen Sie durch entsprechendes Ankreuzen die offensichtlich fehlerhaft empfangenen Zeichen. (Korrigieren Sie nach Gutdünken eventuell fehlerhaft enthaltene Zeichen.) Code: 0LL LL0 L00 0LL 000 0LL L0L L0L 000 0LL LL0 00L LL0 0LL L0L Text: ∇ ∇ A N (N) A A S S A N (A) N A S Fehler:

Aufgabe 10:

(15 Punkte)

Informationstheorie, Codesicherung: Beim Lesen von Ihrer Festplatte werden Datenströme nach dem CRC-Verfahren mit dem Polynom L00LL geprüft. Zeigen Sie nachvollziehbar durch Anwendung der „Empfangsprüfung“, ob die eingelesene Bitsequenz LL0L00L0LLLLL0 fehlerfrei ist. Geprüft wird durch eine arithmetisch vereinfachte „Polynomdivision“, deren Ergebnis irrelevant ist; ausschlaggebend ist allein, ob ein „Divisionsrest“ verbleibt. Im Falle eines verbleibenden Restes, war der Lesevorgang fehlerbehaftet und wird wiederholt: LL0L00L0LLLLL0 ÷ L00LL L00LL ----L00L0 L00LL ----LL0LL L00LL ----L000L L00LL ----L0LL0 L00LL ----L0L ← verbleibender Rest, also liegt ein Lesefehler vor!

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Aufgabe 11:

(28 Punkte)

Signalverarbeitung: (a) Diskretisieren Sie den in der folgenden Abbildung dargestellten analogen Signalverlauf nach dem PCM-Verfahren. Erläutern Sie in einem knappen Satz, welche Regel bei der Signalwertdiskretisierung (Quantisierung) Sie eingesetzt haben. Hinweis zur Durchführung: Verwenden Sie das in der Abbildung eingezeichnete äquidistante Zeitraster und samplen Sie jeweils zu Beginn eines Zeitintervalls; quantisieren Sie mit den ebenfalls eingezeichneten Signalwertklassen. (b) ISDN, CD-Audio und DAT verwenden das PCM-Verfahren zur digitalen Aufzeichnung von akustischen Signalen. ISDN bildet hierbei bei einer Abtastrate von 8 kHz (8000 Abtastungen pro Sekunde) sogenannte Samples von 8 bit. Welche digitale Datenrate erreicht also ein ISDN-Kanal? (c) DAT digitalisiert die Kanäle eines Stereosignals (links, rechts) getrennt jeweils mit einer Abtastrate von 48 kHz und bildet pro Kanal Samples von 16 bit. Welche digitale Datenrate muss für DAT zur Verfügung stehen? (d) CD-Audio benötigt eine digitale Datenrate von 1,35 Mbit/s zum Transport von Stereosignalen bei einer Verwendung von 16 bit-Samples. Mit welcher Abtastrate arbeitet also CD-Audio?

s

t (a)

Quantisierung mit der Floor-Funktion (grundsätzliches Abrunden).

18 pt.

(b)

ISDN: mono 8 kHz · 8 bit = 64 kbit/s (technisches k)

(c)

DAT: stereo 48 kHz · 16 bit · 2 Kanäle = 1 536 kbit/s = 1,46 Mbit/s (informationst. M)

1 pt.

3 pt. (d)

1,35 Mbit/s = 1 415 577,6 bit/s /2 (stereo) → 707 788,8 bit/s pro Kanal /16 bit (Quantisierung) → 44 236,8 Hz = 44,2 kHz (tatsächlich 44,1 kHz, Rundungsfehler) 6 pt.

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Name: M_U_S_T_E_R_L_Ö_S_U_N_G

Aufgabe 12:

(15 Punkte)

Signalverarbeitung, technische Leistung: Technische Konstanten: Lichtgeschwindigkeit c = 300 000 km/s; Ausbreitungsgeschwindigkeit v = 0,6c. (a) Der Zentralprozessor eines Rechnersystems arbeitet mit 64 bit bei einer Taktfrequenz von 3 GHz. Welche Datenrate muss eine Infrastruktureinrichtung leisten, um optimal auf den Zentralprozessor abgestimmt zu sein? (b) Von Karlsruhe nach Flensburg wird ein 800 km langes Glasfaserkabel verlegt, in dem 24 Adern parallel verlaufen. Die Adern werden mit einer einheitlichen Übertragungsrate von 2,5 Gbit/s (informationstechnisch) nebenläufig betrieben. Welchen Durchsatz liefert das Kabel? (c) Ein Tiefseekabel im Atlantik läuft über eine Distanz von 15 000 km. Welche Speicherkapazität weist das Kabel bei einer Datenrate von 1 Gbit/s (informationstechnisch), welche bei einer Datenrate von 14 Gbit/s (informationstechnisch) auf? (d) Sie müssen Ihr Datenarchiv von 4 000 GB (16mal 250 GB-Platten) aus Sicherheitsgründen von der Berufsakademie ins Forschungszentrum auslagern. Sie können dies entweder durch Transport der sechzehn Platten mit dem Auto bewerkstelligen, wobei Sie die 10,1 km in 12 min. zurücklegen, oder Sie können die Daten per Datennetz auf einer (leider hypotetischen) Glasfaser-Direktverbindung von 8,1 km Länge übertragen, die mit einer Transferrate von 5 Gbit/s betrieben wird. Welche Transferrate erreichen Sie mit dem Auto? Wie lange dauert die Übertragung auf der GlasfaserDirektverbindung? Welche Variante bevorzugen Sie? (a)

3 000 000 000 Hz · 64 bit = 192 000 000 000 bit/s = 178,81 Gbit/s (G it.) 2 pt.

(b)

24 · 2,5 Gbit/s = 60 Gbit/s (G informationstechn.) 1 pt.

(c)

15 000 km Distanz bei v = 0,6c = 180 000 km/s Laufzeit: 15 000 km · s / 180 000 km = 83,33 ms Datenrate: 1 Gbit/s = 1 073 741 824 bit/s Kapazität (Datenrate · Laufzeit):

89 478 485,34 bit = 87 381,33 Kbit = 85,33 Mbit = 10,67 MB 4 pt.

Datenrate: 14 Gbit/s: 14facher Durchsatz, also auch 14fache Kapazität: 10,67 MB · 14 = 149,33 MB 1 pt.

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(d)

Name: M_U_S_T_E_R_L_Ö_S_U_N_G

Transferrate Auto: 4000 GB / 12 min = 4 000 GB / 720 s = 5,56 GB/s = 44,44 Gbit/s 3 pt. Übertragungsdauer Direktverbindung: 4 000 GB / 5 Gbit/s = 32 000 Gbit · s / 5 Gbit = 6 400 s = 106,67 min = 1,78 h 3 pt. Aus der obigen Betrachtung allein wäre die “Auto-Variante” zu bevorzugen. Jedoch sind realistisch die Ab- und Einbauzeiten der 16 Platten noch mit zu berücksichtigen, was realiter den scheinbaren zeitlichen Vorsprung von ca. 95 min. rasch aufzehrt. Demnach wäre in einem wirklichen Szenario wohl dennoch die Direktverbindung die bessere Wahl. 1 pt.

Aufgabe 13:

(1 Punkt)

Ich wünsche Ihnen viel Erfolg bei der Bearbeitung der Aufgaben. (Erreichbare Summe: 160 Punkte)

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