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Überblick1 Ausblick Bisher wurden nur kombinatorische Schaltkreise betrachtet; dabei war G azyklisch. Schaltpläne, Schaltungen Schaltungen dieser Art werden.

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1 Überblick1 Ausblick Bisher wurden nur kombinatorische Schaltkreise betrachtet; dabei war G azyklisch. Schaltpläne, Schaltungen Schaltungen dieser Art werden benötigt, um speichernde Elemente zu definieren! Was geschieht, wenn G nicht azyklisch ist? ? x1x1 y1y1 G1G1 kein stabiler Zustand!

2 Überblick2 Spike-freies Umschalten V IH V IL log. 1 log. 0 Umschalten von X 1 = 1, X 2 = 0, Y = 0 auf X 1 = 0, X 2 = 1, Y = 0, ohne dass zwischendurch Y auf 1 steigt. x2x2 y x1x

3 Überblick3 Übergang im RS-Flip-Flop (stabiler) Zustand Q = 0 ) (stabiler) Zustand Q = 1: /S /R Q /Q G1G1 G2G2 ) 0 ) 1 ) 0 ) 1 Senke /S zur Zeit t 0 ab und hebe zu t 0 + x wieder an (einen solchen Signalverlauf nennt man Puls ) Nach Zeit t P/SQ ist Q = 1. Wähle x so, dass kein Spike entsteht! Nach Zeit t P/S/Q ist /Q = 0. Schaltung mit zwei stabilen Zuständen, geeignet, um 1 Bit zu speichern. Setzen des Flip-Flops

4 Überblick4 D-Latch /S /R Q /Q RS-FF W D Symbol: W D Q /Q erlaubt Speichern eines ankommenden Datensignals D durch einen Puls (Interval zwischen Senken und Heben) an W

5 Überblick5 Symbol: Taktflankengesteuertes D-Flipflop CK D Q D-FF Clockeingang Steuerung durch eine Flanke eines Signals (Clock)

6 Überblick6 Aufbau eines n-Bit-Zählers X CK D Q n-Reg n n CK n-INC 0 1 n n n /C C out C in /L 0 Y /C clear, /L load, X Eingabe, Y Ausgabe

7 Schaltwerke

8 Überblick8 Im folgenden werden Schaltwerke behandelt. Sie enthalten Flip-Flops. Es gibt eine Trennung zwischen Schaltkreisen und speichernden Elementen. Jeder Zyklus in Schaltwerk enthält Flip-Flop. Der Zustand eines Schaltwerkes ist gegeben durch die in den Flip-Flops gespeicherten Werte Schaltwerke realisieren endliche Automaten. Sie werden benutzt z.B. als Kontrolllogik im Steuerwerk für die Interpretation von Befehlen.

9 Überblick9 Definition: Schaltwerke Aufteilung eines synchronen Schaltwerks in Schaltnetz und speichernde Elemente: y i t = f i (x 1 t, x 2 t,..., x k t, s 1 t, s 2 t,...s p t ) s i t+1 = g i (x 1 t, x 2 t,..., x k t, s 1 t, s 2 t,...s p t ) Schaltnetz x1tx1t xktxkt y1ty1t ymtymt Clk Speicher s1ts1t s2ts2t sptspt s 1 t+1 s 2 t+1 s p t+1

10 Überblick10 Schaltbild eines SRAMs DnDn A ONON D out G0G0 GiGi G N-1 QiQi D in W FNFN FNFN WiWi W D Q W Y0Y0 Y N-1 YiYi D n N N D-Latch A Adresse, W write, D in Dateneingabe, D out Datenausgabe D n Dekodierer, O N Oder

11 Überblick11 Datenpfade der CPU - graphisch ALU PCIN1IN2ACCI 0 32 DID A LR ALUDId 0LdPCLdIN1LdIN2LdACCLd PCAd DDId ALUAd ACCDd 0RdIRdDRd IAd

12 Überblick12 Kodierung von Zeichen Wie werden im Rechner Zeichen dargestellt ? Grundlegende Definitionen für Codes, ASCII-Codierung Häufigkeitsabhängige Codes: Morse, Huffman Fehlererkennung, Fehlerkorrektur Hamming-Code Parity-Check CRC (Cyclic Redundancy Check): Standard bei Übertragungen über das Netz Datenkompression: Lempel-Ziv-Welch In Texten gibt es viele Leerzeichen und mehrfach vorkommende Zeichenketten. Kodiere Folgen von Leerzeichen bzw. Zeichenketten durch kurze Codes, auch wenn man noch nicht weiß, welche Zeichenketten häufig vorkommen.

13 Überblick13 Kodierung von Zahlen Zahlen sind im Rechner als Bitketten fester Länge dargestellt. Das hat Konsequenzen: beschränkt in der Größe beschränkt in der Genauigkeit nicht abgeschlossen unter den arithm. Operationen Ungültigkeit des Assoziativitäts- und des Distributivitätsgesetzes Festkommadarstellungen Zahlendarstellung durch Betrag und Vorzeichen Einer-/Zweierkomplement-Darstellung Gleitkommadarstellung IEEE-754 Format

14 Überblick14 Probleme bei Festkommazahlen Betrachte die Menge aller Zahlen, die eine Zweierkomplement- Darstellung mit n Vorkommastellen und k Nachkommastellen haben. keine ganz großen bzw. kleinen Zahlen darstellbar ! Zahlen mit größtem Absolutbetrag: -2 n und 2 n -2 -k Zahlen mit kleinstem Absolutbetrag: -2 -k und 2 -k Operationen sind nicht abgeschlossen ! 2 n-1 +2 n-1 ist nicht darstellbar, obwohl die Operanden darstellbar sind. Assoziativgesetz und Distributivgesetz gelten nicht, da bei Anwendung der Gesetze evtl. der darstellbare Zahlenbereich verlassen wird! Bsp.: (2 n-1 +2 n-1 )-2 n-1 2 n-1 +(2 n-1 -2 n-1 )

15 Überblick15 Gleitkommadarstellung doppelter Genauigkeit: (-1) S M 2 E Gleitkommadarstellung Position des Kommas liegt nicht fest ! Abdeckung eines größeren Zahlenbereichs bei gegebener Stellenanzahl Gleitkommadarstellung einfacher Genauigkeit: (-1) S M 2 E Es bleibt festzulegen, wie die Mantissenbits bzw. Exponentenbits als Zahlen M bzw. E interpretiert werden sollen. Das wird z. B. durch den IEEE754 Standard definiert. (Weitere Details in Rechnerarchitektur)

16 Überblick16 Schaltungsrealisierung der n-Bit ALU s 2 s 1 s [b] – [a] 0 1 0[a] – [b] 0 1 1[a] + [b] + c a b = (a n-1 b n-1,..., a 0 b 0 ) a b = (a n-1 b n-1,..., a 0 b 0 ) a b = (a n-1 b n-1,..., a 0 b 0 )

17 Überblick17 Prinzipieller Aufbau eines Rechners Bestandteile: Prozessor (CPU) Hauptspeicher Externe Speicher Eingabegeräte (Tastatur, Maus) Ausgabegeräte (Bildschirm, Drucker, Plotter) Busse Prozessor (CPU) System Bus Haupt- speicher I/O Controller Disk I/O Controller I/O Controller Graphik Netzwerk interrupts

18 Überblick18 Ein-/Ausgabe Verbindung zur Außenwelt ! Aufgaben sind z.B.: Laden von Programmen und Daten in Speicher Ausgabe von Resultaten auf Bildschirm, Drucker, Festplatte, Diskette...

19 Überblick19 Ansteuerung Ansteuerung von Ein-/Ausgabeeinheiten (Peripheriegeräte) z.B. durch: Viedeocontroller (Bildschirm) Plattencontroller (Festplatte) Tastatur-Prozessoren Netzwerkschnittstellen usw.

20 Überblick20 Ansteuerung (graphisch) Plattencontroller Videocontroller Tastaturproz. Netzwerk-Interface FestplatteBildschirm Tastatur Netzwerk CPU

21 Überblick21 Schnittstellen Bausteine zum Ansteuern einer I/O-Einheit = Schnittstellen (Interfaces)

22 Überblick22 Kontaktaufnahme zwischen CPU und Interfaces Von der CPU aus gesehen wie Datenaustausch mit Speicher! Der Datenaustausch mit verschiedenen Interfaces erfolgt nach verschiedenen festgelegten Schemata (= Protokollen). Dies wird durch Software zum Ansteuern der Interfaces geregelt (Treiber).

23 Überblick23 Vorgehen Interfaces, UART, EPROM, Memory Map Busprotokolle, Zustandsdiagramme

24 Betriebssysteme

25 Überblick25 Die Befehlssatzarchitektur als Schnittstelle Befehlssatzarchitektur - Instruction Set Architecture (ISA) Betriebssystem Bibliotheksfunktionen, Dienstprogramme Anwendungsprogramme Anwender Anwendungs- programmierer Betriebssystem- programmierer

26 Überblick26 Überblick Betriebssysteme Aufgabe von Betriebssystemen, Probleme, Verfahren Unterschiedliche Arten von Betriebssystemen Verschiedene Komponenten / Konzepte von Betriebssystemen Dateisysteme Prozesse Nebenläufigkeit und wechselseitiger Ausschluss Deadlocks Scheduling Speicherverwaltung Ein- und Ausgabe

27 Überblick27 Aufgabe von Betriebssystemen Was ist ein Betriebssystem und wozu dient es? Ein Betriebssystem ist ein Programm (Software) mit den grundsätzlichen Funktionen: 1.Virtualisierung von Systemressourcen, dazu 2.Verwaltung von Systemressourcen 3.Bereitstellen einer erweiterten Maschine für den Anwendungsprogrammierer

28 Überblick28 1. Virtualisierung Betriebssystem bietet dem Benutzer statt – einem realen Rechner mit – einer festen Zahl von Prozessoren, – beschränktem Hauptspeicher, – beschränkter Zahl von Ein-/Ausgabe-Geräten – viele virtuelle Rechner an – pro ausgeführter Anwendung einen, – mit (fast) unbegrenztem Speicher, – der notwendigen Zahl von Ein-/Ausgabe-Geräten

29 Überblick29 2. Verwaltung von Systemressourcen Verwaltung aller Komponenten eines komplexen Systems Komponenten sind z.B. Prozessoren, Speicher, Uhren, Platten, Terminals, Ein-/Ausgabegeräte, Netzwerkschnittstellen etc. Diese Bestandteile eines Rechnersystems bezeichnet man auch als Betriebsmittel. Betriebssystemaufgabe: Geordnete und kontrollierte Zuteilung von Betriebsmitteln an konkurrierende Prozesse / Benutzer. Beispiele: Mehrere Programme rechnen scheinbar gleichzeitig auf einer CPU und im gleichen Speicher, versuchen gleichzeitig Daten auf demselben Drucker auszugeben.

30 Überblick30 Betriebssystem als Ressourcenmanager Aufgaben beim Verwalten von Systemressourcen: Gerechte Zuteilung von gemeinsam genutzten Betriebsmitteln Auflösung von Konflikten bei der Betriebsmittelanforderung Schutz verschiedener Benutzer gegeneinander Z.B. Zugriffskontrolle bei Dateien Effiziente Verwaltung von Betriebsmitteln Protokollieren der Ressourcennutzung Abrechnung der Betriebsmittelnutzung Fehlererkennung, Fehlerbehandlung Hardware: Gerätefehler Software: Programmfehler Grundsätzliche Zugriffskontrolle zum System

31 Überblick31 Ressourcenverwaltung in zwei Dimensionen: Zeit: Verschiedene Benutzer erhalten Betriebsmittel nacheinander Raum: Verschiedene Benutzer erhalten verschiedene Teile einer Ressource. Achtung: Manche Ressourcen sind unteilbar!

32 Überblick32 Ressourcen-Zuteilung Vergabestrategie zur Erreichung von Entwurfszielen, je nach Typ des Betriebssystems: Fairness Grad an Interaktivität Maximierung von Durchsatz Einhaltung von Fristen (Deadlines)

33 Überblick33 3. Bereitstellen einer erweiterten Maschine (ABI) Abstraktion von Verhalten des zugrunde liegenden Rechners auf möglichst hohem Niveau Verstecken von Eigenschaften der realen Hardware vor dem Programmierer Leichte Programmierbarkeit Beispiel: Datenspeicherung auf der Festplatte Entlastung des Programmierers von Details wie Einschalten des Motors, Bewegung des Plattenarms, Aufteilung des benötigten Platzes auf Sektoren der Platte etc. Einfache Programmierschnittstelle: Schreiben in Datei Das BS stellt dem Programmierer eine abstrakte Programmierschnittstelle (ABI) zur Verfügung. Das BS bietet einen Satz von Kommandos (Systemaufrufe), über die z.B. auf Ein-/Ausgabegeräte zugegriffen werden kann.

34 Überblick34 Betriebssystem, Dienstprogramme, Anwendungsprogramme Schnittstelle zwischen Betriebssystem und System- bzw. Dienstprogrammen ist nicht immer klar definiert. Hier: Dienstprogramme sind nicht Teil des Betriebssystems. Typische (anwendungsunabhängige) Dienstprogramme sind: Übersetzer Editoren Kommandointerpreter (sog. Shell) Anwendungsprogramme: Textverarbeitung Tabellenkalkulation Datenbankanwendungen …


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