Ausblick ? Was geschieht, wenn G nicht azyklisch ist? G1 y1 x1 Bisher wurden nur kombinatorische Schaltkreise betrachtet; dabei war G azyklisch. Was geschieht, wenn G nicht azyklisch ist? ? x1 y1 G1 kein stabiler Zustand! Schaltpläne, Schaltungen Schaltungen dieser Art werden benötigt, um speichernde Elemente zu definieren! Überblick

Spike-freies Umschalten log. 1 VIH VIL log. 0 x2 y x1 1 Umschalten von X1 = 1, X2 = 0, Y = 0 auf X1 = 0, X2 = 1, Y = 0, ohne dass zwischendurch Y auf 1 steigt. Überblick

Übergang im RS-Flip-Flop Setzen des Flip-Flops (stabiler) Zustand Q = 0 ) (stabiler) Zustand Q = 1: 1 ) 0 /S ) 1 ) 1 G1 Q 1 ) 0 ) 1 1 ) 0 G2 /Q /R 1 Senke /S zur Zeit t0 ab und hebe zu t0 + x wieder an (einen solchen Signalverlauf nennt man Puls ) Nach Zeit tP/SQ ist Q = 1. Schaltung mit zwei stabilen Zuständen, geeignet, um 1 Bit zu speichern. Nach Zeit tP/S/Q ist /Q = 0. Wähle x so, dass kein Spike entsteht! Überblick

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 /S /R Q /Q RS-FF W D Symbol: W D Q /Q Überblick

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

Aufbau eines n-Bit-Zählers /C clear, /L load, X Eingabe, Y Ausgabe X CK D Q n-Reg n n-INC 0 1 /C Cout Cin /L Y Überblick

Schaltwerke

Überblick 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. Überblick

Definition: Schaltwerke Aufteilung eines synchronen Schaltwerks in Schaltnetz und speichernde Elemente: yit = fi(x1t, x2t, ..., xkt, s1t, s2t, ...spt) sit+1 = gi(x1t, x2t, ..., xkt, s1t, s2t, ...spt) Schaltnetz x1t xkt y1t ymt Clk Speicher s1t s2t spt s1t+1 s2t+1 spt+1 Überblick

Schaltbild eines SRAMs A Adresse, W write, Din Dateneingabe, Dout Datenausgabe Dn Dekodierer, ON Oder Dn A ON Dout G0 Gi GN-1 Qi Din W FN Wi D Q W‘ Y0 YN-1 Yi D‘ n N D-Latch Überblick

Datenpfade der CPU - graphisch ALU PC IN1 IN2 ACC I 032 DI D A L R ALUDId 0Ld PCLd IN1Ld IN2Ld ACCLd PCAd DDId ALUAd ACCDd 0Rd IRd DRd IAd Überblick

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. Überblick

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 Überblick

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: -2n und 2n-2-k Zahlen mit kleinstem Absolutbetrag: -2-k und 2-k Operationen sind nicht abgeschlossen ! 2n-1+2n-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.: (2n-1+2n-1)-2n-1  2n-1+(2n-1-2n-1) Neue Rechtschreibung: größtemgrösstem Überblick

Gleitkommadarstellung Position des Kommas liegt nicht fest ! Abdeckung eines größeren Zahlenbereichs bei gegebener Stellenanzahl Gleitkommadarstellung einfacher Genauigkeit: (-1)S×M×2E Gleitkommadarstellung doppelter Genauigkeit: (-1)S×M×2E 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) Überblick

Schaltungsrealisierung der n-Bit ALU Å 1 0 1 0 3 2 1 0 AND OR EXOR n+1 n 2 1 a b s1s0 s1 s0 An c b0 bn-1 a0 an-1 s2 s2 s1 s0 0 0 0 0 ... 0 0 0 1 [b] – [a] 0 1 0 [a] – [b] 0 1 1 [a] + [b] + c 1 0 0 a Å b = (an-1 Å bn-1, ..., a0 Å b0) 1 0 1 a Ú b = (an-1 Ú bn-1, ..., a0 Ú b0) 1 1 0 a Ù b = (an-1 Ù bn-1, ..., a0 Ù b0) 1 1 1 1 ... 1 Überblick

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

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

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

Ansteuerung (graphisch) Festplatte Bildschirm Tastatur Plattencontroller Videocontroller Tastaturproz. CPU Netzwerk-Interface Netzwerk Netzwerk-Interface CPU‘ Überblick

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

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). Überblick

Vorgehen Interfaces, UART, EPROM, Memory Map Busprotokolle, Zustandsdiagramme Überblick

Betriebssysteme

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

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 Überblick

Aufgabe von Betriebssystemen Was ist ein Betriebssystem und wozu dient es? Ein Betriebssystem ist ein Programm (Software) mit den grundsätzlichen Funktionen: Virtualisierung von Systemressourcen, dazu Verwaltung von Systemressourcen Bereitstellen einer „erweiterten Maschine“ für den Anwendungsprogrammierer Überblick

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 Überblick

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. Überblick

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 Überblick

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

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

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. Überblick

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 … Beispiel: Ist Internet Explorer Bestandteil des Betriebssystems oder nicht? Überblick