IT- Basis - 1. Vorlesung PDF

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1. Vorlesung...

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Einleitung https://www.matheretter.de/rechner/binar https://www.matheretter.de/rechner/zahlenkonverter Die Technischen Grundlagen der EDV beschäftigen sich immer mit der Frage wie 2 verschiedene Zustände dargestellt werden können. Ja oder Nein / 0 oder 1 / Strom oder kein Strom. Für diese Darstellung wurden über die Zeit immer neue technische Möglichkeiten gefunden bzw. diese immer weiter verbessert. Unterteilung in 5 Rechnergenerationen– 1. Generation (1935 bis 1955) Konstruktion aus Relais oder Röhren; Groß, teuer und fehleranfällig; Zuse Z1 erster funktionierender Computer; 1939 BELL 1 2. Generation (1955 bis 1964) Einsatz von Transistoren statt Röhren: Schaltungen erfolgen nicht mehr mechnisch; Erste Magnetspeicher; Geringere Fehleranfälligkeit 3. Generation (1964 bis 1975) Zusammenfassung von Transistoren und anderen Bauteilen zu Schaltgruppen (Integrierte Schaltkreise); Weitere Miniaturisierung; Steuerung der Rechner durch Betriebssysteme; Eingabe von Programmen auf Lochkarten 4. Generation (1975 bis 1985) Technischer Fortschritt erlaubt immer höhere Integration von Schaltungen; Zusammenfassung einer großen Menge von Schaltungen in Chips und Prozessoren; Neue Speichertechnologien; Aufteilung in Geräteklassen–Großrechner–Workstations–PCs; Erste Taschenrechner 5. Generation (ab 1985) Weitere Steigerung der Leistungsfähigkeit; Veränderte Systemarchitektur–Vernetzung; Mehrere Computer kommunizieren über Rechnernetze–Parallelisierung; Ausführung mehrerer Aufgaben gleichzeitig Entwicklung der Leistungsfähigkeit Mooresches Gesetz – 1965 formuliert von Gordon Earle Moore (Mitgründer von Intel): Alle 18-24 Monate verdoppelt sich die Komplexität integrierter Schaltkreise – Nach Schätzungen wird Gesetz noch weitere 15-20 Jahre gehen Technische Grundlagen: Computer speichern und verarbeiten ausschließlich digitale Daten • Analoge Daten müssen zuvor „digitalisiert“ werden Analoge Daten: Jeder Wert innerhalb eines Wertebereichs kann eingenommen werden– Theoretisch unendlich viele verschiedene Werte möglich. Nachteile–Jede kleinste Veränderung verfälscht das Signal–Qualität des Signals hängt stark von den verwendeten Bauteilen ab Digitale Daten: Es wir nur zwischen zwei Werten unterschieden–0 oder 1 / an oder aus: Jedem Wert wird ein Bereich zugeordnet: Spannung < 1 Volt: 0–Spannung > 2 Volt: 1 Vorteile: Kleinere Signalschwankungen haben keinen Einfluss mehr auf den Wert und „Verlustfreie“ Weiterverarbeitung der Daten möglich Repräsentation von Textzeichen (Buchstaben, Satzzeichen etc.) durch ein eindeutiges Bitmuster–Zuordnung kann willkürlich erfolgen–Definierte Zuordnung wird als Zeichensatz-Standard festgelegte•Gebräuchliche Standards –ASCII (8 Bit = 256 verschiedene Zeichen) –Unicode (16 Bit = verschiedene 65536 Zeichen)

Logische Grundlagen Boolescher Algebra: Aussagen mit Merkmal “Wahr” (1) und “Falsch” (0) Aussagen verknüpft mit “UND”, “ODER” und “NICHT” Addition ist zurückführbar auf diese Verknüpfungen: Alle Komplexen Funktionen der Hardware auf Boolesche Schaltungen zurückzuführen

Verknüpfung von Operatoren wird als Ausdruck bezeichnet• Berechnung von links nach rechts• Geklammerte Verknüpfungen haben Vorrang• „Nicht“ Operator hat Vorrang vor „Und“• „Und“ hat Vorrang vor „Oder“

Die 3 Grundoperatoren (UND,ODER,NICHT) können beliebig zu neuen Operatoren verknüpft werden•Beispiel XOR (exklusives ODER)–Entweder a oder b / aber nicht beides– Welche Ergebnisse (a und b) müsste dieser Operator haben?–Wie lässt sich dieser Operator konstruieren?

Halbaddierer / Volladdierer •logischen Operatoren lassen sich zu Schaltungen kombinieren •Im folgende Schaltung zur Addition von Binärzahlen–Halbaddierer •Realisiert Addition mit Summe s und Übertrag ü–Volladdierer •Bezieht evtl. vorhandenen Übertrag ü1 ein •Setzt sich aus zwei Halbaddierern zusammen

Was ist ein Betriebssystem? ОперациоL нная систеL ма Spezielle Software - Bildet die Basis zum Betrieb eines Computers Ermöglicht Anwendungsprogrammen den Zugriff auf die Hardware eines Computers Steuert und Überwacht Programme Verwaltet die Ressourcen eines Computers Aufgaben eines Betriebssystems Abstraktion der Hardware – PCs können sich im Aufbau stark unterscheiden: Größe des Arbeitsspeichers, Hersteller und Modell des Hauptprozessors, Verschiedenste Ein- und Ausgabegeräte – Betriebssystem vereinheitlicht Zugriff für alle Anwendungen Verwaltung der Ressourcen des PCs – Ressourcen: Prozessor, Arbeitsspeicher, Festplatte, Netzwerk, Drucker,... – Gerechte Verteilung an Anwendungen und Benutzer – Sicherheit: Rechteverwaltung, Schutz vor unbefugtem Zugriff - Bereitstellen einer Benutzerschnittstelle (GUI, Shell,...) Aufgaben des BS: Abstraktion der Hardware – PCs können sich im Aufbau stark unterscheiden Größe des Arbeitsspeichers Hersteller und Modell des Hauptprozessors Verschiedenste Ein- und Ausgabegeräte – Betriebssystem vereinheitlicht Zugriff für alle Anwendungen Verwaltung der Ressourcen des PCs – Ressourcen: Prozessor, Arbeitsspeicher, Festplatte, Netzwerk, Drucker,... – Gerechte Verteilung an Anwendungen und Benutzer – Sicherheit: Rechteverwaltung, Schutz vor unbefugtem Zugriff Geschichte Bis 1955: kein Betriebssystem – Keine Programmiersprachen – Computer wurden als Einzelstücke gefertig – Programme mussten manuell in den Speicher eingegeben Ca 1955 – 1965: Stapelverarbeitung – Erste Modellreihen von Computern

– Lochkarten mit Programmcode – Erste Programmiersprachen (Assembler, Fortran) – Betriebssystem startet Programmcode, nimmt Ergebnis entgegen und sorgt für die Ausgabe (z.B. auf dem Drucker) – Ein Prozessor kann immer nur ein Programm abarbeiten 1965-1980 – Modellreihen mit gleichem Befehlssatz – Mehrprogrammbetrieb Mehrere Programme gleichzeitig ausführbar Effizientere Nutzung der Ressourcen – Erstes UNIX 1969 – Terminals zur interaktiven Nutzung 1980 – heute – Multi-Tasking • Parallele Ausführung mehrerer Anwendungen – Zunächst Dialogsysteme (Textbasiert) – Später grafische Benutzeroberfläche (GUI) • Windows, MacOS, xwindows, ... – Zunehmende Vernetzung • Client/Server-Systeme – Verteilte Systeme • Paralleles Rechnen auf mehreren Systemen – Günstige PCs und Arbeitsplatzrechner Betriebssysteme heute Vielfältige Produkte für unterschiedlichste Einsatzbereiche – PCs – Mobilgeräte – Industrieanlagen – Großrechner – Trends: – Virtualisierung Arten von Betriebssystemen Beispiel: IBM OS/390 Server Betriebssystem – Keine spezialisierte Hardware – Auf Stabilität und Sicherheit optimierte Systeme – Beispiele: Windows Server, UNIX, Linux PC-Betriebssysteme – Einfache Bedienbarkeit, großes Anwendungsspektrum – Beispiele: Windows XP/7, MacOS X, Linux Echtzeit Betriebssysteme –Spezialsysteme mit möglichst geringer Antwortzeit –Z.B. Maschinensteuerungen Embedded Betriebssysteme–Verwendung in Mobil- und Kleinstgeräten–Optimierung auf den Aufgabenbereich des Geräts–Ressourcenschonend Grundlegende Konzepte der Betriebssystem •Prozessverwaltung

•Speicherverwaltung •Dateiverwaltung •Ein/Ausgabe Prozesse Warum Prozesse? –Ein/Ausgabe-Operation meist erheblich langsamer als Berechnungen durch den Prozessor –Stillstand des Prozessors während einer Ein/Ausgabe-Operation vermeiden –Optimale Nutzung der verfügbaren Rechenleistung - Ist Ausführung von Programmen unter der Kontrolle des Betriebssystems •Programm –ausführbare Datei auf einem Datenträger –liegt im „Maschinencode“ vor –Abfolge von Befehlen die durch den Prozessor verarbeitet werden –Wird zur Ausführung in den Arbeitsspeicher geladen !!! Betriebssystem führt mehrere Programme als „Prozesse“ „gleichzeitig“ aus! Timesharing - Опция разделения времени Prozesse werden abwechselnd vom Prozessor bearbeitet •Betriebssystem teilt Rechenzeiten zu –Optimale Auslastung des Rechners –Bei modernen Multiprozessor-Systemen auch tatsächliche parallele Ausführung •Alle Daten (Variablen, Register) werden vom Betriebssystems verwaltet •(Prozess-)Kontext:–Alle Informationen die den aktuellen Ausführungszustand genau beschreiben •Prozessorstatus •Eigentümer •Priorität •genutzte Ressourcen –Speicherung in der „Prozesstabelle“ Prozesszustände während der Bearbeitung: –Aktiv (running)•Prozess wird von der CPU bearbeitet –Bereit (ready)•Prozess kann CPU nutzen, ist aber derzeit im Wartezustand –Blockiert (waiting)•Prozess wartet auf Eintreten eines bestimmten Ereignisses –Beendet (terminated) –Bereite und blockierte Prozesse werden in einer Warteliste geführt –Ein neu gestartetes Programm wird am Ende der „Bereitliste“ eingetragen BIOS

swechsel eines Prozesses –Dispatch: bereit -> aktiv • Zuteilung einer CPU an einen Prozess –Timerrunout: aktiv -> bereit •Zugeteilte Prozessorzeit abgelaufen, CPU wird entzogen –Block: aktiv -> blockiert•Aktiver Prozess hat E/A-Operation angefordert –Wakeup: blockiert -> bereit•Abzuwartendes Ereignis eingetreten

Prozesshierachie –Prozesse können Unterprozesse starten •Unterprozess: Kindprozess (Child process) •Erzeuger: Elternprozess (parent process) –Wird ein Elternprozess beendet, werden automatisch auch alle Kindprozesse beendet Steuerung und Kontrolle von Prozessen –Create • Erzeugen eines Prozesses –Kill • Löschen eines Prozesses –Suspend • Suspendieren(anhalten) eines Prozesses –Resume • Wiederaufnahme eines Prozesses –Block –Wakeup –Dispatch –Change Prozessinteraktion –Prozesskommunikation: Austausch von Informationen zwischen Prozesses über gemeinsame Speicherbereiche, über gemeinsame Dateien,über Nachrichten, über Pipes –Prozesssynchronisation: Steuerung der zeitlichen Reihenfolge von Aktivitäten, Vermeidung von Verklemmungen (Deadlocks)...