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Fragen aus den Vorlesungen (Zusammenfassung)...

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Vorlesung 1 – Fragen (Wiederholungen) 1. Definieren sie Hard-/Software! Hardware: Gesamtheit oder Teil der apparativen Ausstattung von Rechnersystemen, d.h. alle materiellen (technischen) Komponenten Software: Gesamtheit oder Teil der Programme für Rechnersysteme, d.h. alle immateriellen Komponenten

2. Was versteht man unter Information, und was unter Daten? Information: Zweckorientiertes Wissen (ist nutzbare Antwort auf eine konkrete Fragestellung) Daten: Zeichen oder kontinuierliche Funktionen, die zum Zweck der Weitergabe Information auf Grund bekannter oder unterstellter Abmachungen darstellen (Daten repräsentieren Information)

3. Welche Art der Informationsdarstellung verwenden wir in unseren Computern? Die Informationsdarstellung erfolgt durch die Binär-Darstellung. (0, 1)

4. Wie werden Daten mit einem Rechner verarbeitet? Die Verarbeitung von Daten mit einem Rechner erfolgt mit Hilfe von Programmen.

5. Was sind Codes und wofür verwendet man sie? Codes sind Abbildungsvorschriften, die jedem Zeichen eines Zeichenvorrats eindeutig ein Zeichen oder eine Zeichenfolge aus einem möglicherweise anderen Zeichenvorrat zuordnet. Zum Beispiel aus einer langen Reihe von Nullen und Einsen, deren Kombination als Ziffern, Zeichen und/oder Buchstaben (z. B. 11000001 = 'A') festgelegt sind.

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6. Was ist ein Algorithmus?

7. Was ist der Unterschied zwischen einem Algorithmus und ein Programm? Ein Algorithmus ist eine Vorschrift zur Durchführung einer Berechnung, wobei es nicht darauf ¨ ankommt, wie diese Vorschrift notiert ist, sondern vielmehr auf den Inhalt der Vorschrift. Ein Programm ist ein Algorithmus notiert in einer Programmiersprache

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Vorlesung 2 – Fragen (Wiederholungen) 8. Aus welchem Material werden Computerchips hergestellt? Basis-Material für viele Chips sind Silizium-Wafer/Sand 9. Was ist die theoretische technische Grundlage von Computern? Wie kann man diese technisch darstellen Theoretische Grundlage: Boole’sche Algebra Technische Grundlage: Transistoren/Gatter/Schaltnetze

10. Wie kann man logische Funktionen darstellen? Bei der technischen Realisierung logischer Schaltungen werden Signale verwendet, die nur zwei Zustände annehmen können (z.B. Impuls vorhanden – Impuls nicht vorhanden, Strom fließt – Strom fließt nicht, Spannung – keine Spannung). Signale, die dieser Bedingung entsprechen, werden binäre Signale genannt. 11. Was ist ein Satz logischer Elementarfunktionen? Nennen sie einen solchen Satz! Welche Wertetabellen haben die Funktionen? Mit einem Satz Elementarfunktionen wie {AND, OR, NOT} lassen sich durch Verschaltung alle anderen Funktionen (Elementarfunktionen) darstellen

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12. Welche Computer-Generationen kennen sie? 0. Generation: Programmierbare elektromechanische Rechenmaschinen mit Relais (ca. 1940er) 1. Generation: Röhrentechnologie (bis ca. 1954) 2. Generation: Transistoren (1956 – 1960) 3. Generation: integrierte Schaltkreise (1960 – 1970) 4. Generation: Mikroprozessorsysteme – höchstintegrierte Schaltkreise (seit ca. 1973) 5. Generation: Abkehr von der Von-Neumann-Architektur – parallele Verarbeitung 13. Aus bis zu wie vielen Schaltelementen (Transistoren) besteht ein moderner Chip? Aktuell: Ein Chip enthält einige 1.000.000.000 (Milliarde) Transistoren auf einer Fläche von weniger als 100 mm^2 14. Wie beschreibt man die Entwicklung der Computertechnik in den letzten 40 Jahren und in näher Zukunft?

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Vorlesung 3 – Fragen (Wiederholungen) 15. Welchen logischen Elementarfunktionen kennen Sie? Logische Elementarfunktionen wie {AND, OR, NOT}, NAND und NOR 16. Wie werden diese mit Gattersymbolen dargestellt?

17. Wie werden AND- und OR-Gatter mit Schalter und Glühlampen realisiert?

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18. Sie beherrschen einfache Umwandlungen Wertetabelle Logische Funktionen Schaltnetz?

19. Sie wissen, was ein Halbaddierer ist, wie er funktioniert und wozu man ihn braucht. Ein Halbaddierer ist ein Schaltnetz, das üblicherweise als digitale Schaltung realisiert wird. Er besteht aus zwei Eingängen und zwei Ausgängen. Mit einem Halbaddierer kann man zwei einstellige Binärzahlen addieren. Dabei liefert der Ausgang S (Summe) und der Ausgang Ü (Übertrag) die Ergebnisse.

20. Sie wissen, wie und weshalb man Bits speichern kann. Flip-Flops speichern einzelne Bits

21. Sie kennen den Aufbau der Von-Neumann Architektur Es besteht aus: - Hauptprozessor (CPU) - Steuerwerk (Control Unit) - Rechenwerk (Arithmetic Logic Unit – ALU) - Registersatz (Zwischenergebnisse) - Speicherwerk (Main Memory) - Ein-/Ausgabewerk (Eingabe von Programmen und Daten)

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Vorlesung 4 – Fragen (Wiederholungen) 22. Aufbau einer CPU? - Aus einer ALU (Arithmetic Logic Unit) [Rechenoperationen] - CU (Control Unit) - internen Speicher 23. Typische Verarbeitung von Maschinenoperationen im CPU? Dekodieren von Befehlen, Speichern von Ergebnissen, Ausführung des Befehls 24. Taktfrequenz und -periode, Einheiten, Übertragungsbreite und Befehlsrate? Taktfrequenz: die Anzahl der Arbeitsschritte pro Sekunde ist ein Maß für die Arbeitsgeschwindigkeit. Die Taktfrequenz wird üblicherweise in Hz gemessen. 1 Hz = 1 Taktzyklus / Sekunde Vorsilben: 1GHz = 1000MHz; 1MHz = 1000kHz; 1 kHz = 1000Hz Taktperiode: ist die Dauer eines Arbeitszyklus in s (ns) (=Kehrwert der Taktfrequenz) Befehlsrate: ist die Anzahl der durchschnittlich pro Sekunde bearbeiteten Befehle gemessen in MIPS oder MFLOPS Übertragungsbreite: gibt an, wie viele Bits parallel übertragen bzw. verarbeitet werden können 25. Welche Arten von Halbleiter-Speicher gibt es?

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26. Größenangaben für Hauptspeicher wie z. B. kB, MB oder GB?

27. Aufgabe und Aufbau von Bussystemen? Aufgabe: Leitungen zwischen den Komponenten für Daten, Adressen und Steuerungssignalen. Datenbus: -

Daten, die zwischen CPU und Speicher transportiert werden Breite bestimmt, wie viele Daten (z. B. wie große Zahlen) in einem Schritt verarbeitet werden können (übliche Breite in PCs: 32 oder 64 Bit)

Adressbus: (Adresse anlegen) -

Speicheradresse, von/zu der die Daten transportiert werden sollen (z. B. Speicheradresse einer Variablen (Adresse von b=0x0041BC6) Breite bestimmt Größe der Adressraumes (maximale Speichergröße)

Steuerbus: (Adresse bereit, Lesen auslösen) -

Steuersignale wie Takt, Funktionseinheit (Speicher bzw. E/A-Einheit), „Adresse liegt an – Daten schreiben“, „Adresse liegt an – Daten lesen“

28. Durchsatz und Latenz? Durchsatz: Datenmenge, die pro Zeiteinheit übertragen werden kann Latenz: Verzögerungszeit zwischen einem Ereignis und der Reaktion darauf -

Latenz des Hauptspeichers ist die Zeit zwischen Anforderung der Daten (Ereignis) und Daten stehen am Datenbus zur Verfügung (Reaktion)

29. Einfache Berechnungen zum Durchsatz? Modernes DDR3-SDRAM: 1,6 GT/s * 8 Byte/Transfer = 12,8 GB/s

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Vorlesung 5 – Fragen (Wiederholungen) 30. Schritte bei der Ausführung von Maschinenbefehlen? 1.Schritt: Transport des Befehls vom Hauptspeicher in das Steuerwerk und Erhöhung des Befehlszählers um 1 (zeigt jetzt auf nächsten Befehl) 2.Schritt: Dekodieren des Befehls 3.Schritt: Falls notwendig: Operanden aus Speicher in Register laden 4.Schritt: Ausführung des Befehls 4.1: Transport des Operanden in die ALU 4.2: Durchführung der Operation 4.3: Speichern des Ergebnisses 5.Schritt: Falls notwendig: Ergebnis in den Speicher schreiben 6.Schritt: Zurück zu Schritt 1 zum Ausführen der nächsten Maschinenoperation

31. Zweck und Funktionsweise eines Cache-Speichers? Ein Cache ist ein sehr schneller Speicher mit verhältnismäßig kleiner Speicherkapazität, der als Puffer zwischen der Zentraleinheit (CPU) und dem Arbeitsspeicher angeordnet ist. Der Sinn dieses Speichers besteht darin, den Zugriff auf häufig benutzte Programmteile und Daten zu beschleunigen. Abspeichern und Lesen geschieht vollautomatisch, indem die Zugriffshäufigkeit der einzelnen Speicherbereiche überwacht wird und die an den seltensten benutzten Bereichen als erste überschrieben werden. 32.Typische Geschwindigkeit und Größe verbreiteter Speicherarten?

- große Speicher sind langsam, aber günstig - schnelle Speicher sind klein und teuer

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34. Aktuelle Entwicklungen in der Rechnerarchitektur: Pipeline, Multicore, GPU und Einordnung SISD, SMID, MMID Pipeline: Die Pipeline bezeichnet eine Art „Fließband“, mit dem die Abarbeitung der Maschinenbefehle in Teilaufgaben zerlegt wird, die für mehrere Befehle parallel durchgeführt werden. = Technik ist seit vielen Jahren Standard Multicore: Der Begriff Mehrkernprozessor bezeichnet einen Mikroprozessormit mehr als einem vollständigen Hauptprozessorkern in einem einzigen Chip = Verschiedene(fast) unabhängige CPUs auf einem Chip integriert (Multicore); RAM gemeinsam genutzt, Caches teilweisegetrennt GPU: Ein GPU ist ein auf die Berechnung von Grafiken spezialisierter und optimierter Prozessor. = Beispiel: Nvidia GeForce1080 (source Nvidia)

Entwicklungen (Architekturen), die durch die Zeit entstanden und immer verbessert sind SISD: ausschließliche sequenzielle Abarbeitung von Befehlen = von-Neumann-Architektur SMID: ein Befehl wird auf einer Vielzahl von Datenelementen simultan angewendet (dieselbe Operation an mehreren Datenpunkten gleichzeitig ausführen) = Multimedia-Befehle (MMX/SSE/AVX, ...), GPUs MMID: mehrere Instruktionen auf mehreren Datenelementen gleichzeitig = Multiprozessor oder Multicore Systeme mit unabhängigen Prozessoren/Rechenkernen 35. Klassifikation von Computersystemen -

PC, Laptop, Desktop, Workstations Server-Maschinen Mainframes Cluster (vernetzter Verbund von Computern) Embedded System Wegwerfcomputer (Glückwunschkarten, RFIDs, etc.) Mobile Computersysteme

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36. Aufbau von PCs und Mainboards

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Batterie: versorgt die Echtzeituhr des PCs sowie einen Zwischenspeicher für Parameter des BIOS (z. B. Booten von CD aktiviert/deaktiviert) mit Energie BIOS: Mini-Betriebssystem, das die Firmware enthält und die Steuerung der grundlegenden Eingangs-/Ausgangsfunktion übernimmt (kontrolliert den Systemstart und lädt das eigentliche Betriebssystem (Windows, Linux, …) von der Festplatte) Chipsatz: Chips, die die Datenübertragung zwischen CPU, Peripherie und dem Hauptspeicher über Bussysteme realisieren. IDE: Standardschnittstelle für Massenspeicher wie CD/DVD und Festplatten. (SATA) Onboard Schnittstellen: Schnittstellen, die direkt vom Mainboard zur Verfügung gestellt werden PCI: Erweiterungssteckplätze PCI-Express: Erweiterungsstandard zur Verbindung von Peripheriegeräten mit dem Chipsatz eines Hauptprozessors. Serial ATA: Datenbus zwischen Prozessor und Festplatte für den Datenaustausch Sockel: Steckplatz für einen Chip, z. B. die CPU

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Vorlesung 6 – Fragen (Wiederholungen) 37. Nach welchen Kriterien können Schnittstellen klassifiziert werden? -

Intern oder extern (ext: außerhalb der Gehäuse) Seriell oder Parallel (ser: Bits nacheinander übertragen| par: mehrere Bits gleich) Bus oder Punkt-zu-Punkt (PzP: Verbindungen verbinden genau zwei Partner| Bus: mehrere Teilnehmer)

38. Was sind die drei Ebenen einer Schnittstellen-Definition? -

Mechanische Eigenschaften (Aufbau des Steckers) Elektrische Eigenschaften (Steckerbelegung, Signalpegel) Protokolle zur Erkennung und Korrektur von Übertragungsfehlern

39. Was ist ein Gerätetreiber? Wozu nutzt das Treiber-Konzept? Es ist ein Teil des Betriebssystems und enthält Ansteuerung der spezifischen Gerätehardware. Die Arbeit mit Port-I/O (in/out), DMA (Direkte Übertragung von Daten zwischen PeripheriegeräteController und Hauptspeicher) und Interrupts (Ablauf) wird meist nicht selbst programmiert, sondern durch Betriebssystem und Gerätetreiber erledigt. 40. Nennen sie typische Schnittstellen eines PCs mit den Peripherie-Geräten, die darüber betrieben werden -

USB Funk (Bluetooth) Monitor Massenspeicher (FireWire, Thunderbolt)

41. Erklären sie die Begriffe Polling & Interrupts! Polling: CPU fragt den Status des Gerätes periodisch ab Interrupt: eine vorübergehende Unterbrechung eines laufenden Programms, um einen anderen, in der Regel kurzen, aber zeitlich kritischen, Vorgang abzuarbeiten: 1. Unterbrechungsanforderung 2. Unterbrechungsroutine 3. Unterbrochene Programm dort durchgeführt wo es unterbrochen wurde 42. Nennen sie Besonderheiten der USB – Schnittstelle -

Hot Plug-fähig (Anschließen & Abziehen der Geräte zur Laufzeit) Plug&Play (neu angeschlossene werden automatisch erkannt und konfiguriert) Bus Power, Power-Management (Effiziente Stromversorgung der Geräte) Breiter Geschwindigkeit: o USB 1.0 (1,5/ 12Mbit/sec.) o USB 2.0 (480 Mbit/s (60MB/s)) o USB 3.0 (4Gbit/s)

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43. Nutzt man die PCIe-Schnittstelle zum Anschluss externer Geräte?

Erweiterungsstandard zur Verbindung von Peripheriegeräten mit dem Chipsatz 44. Wie funktioniert additive Farbmischung? Bei der additiven Farbmischung entsteht der Farbeindruck dadurch, dass Licht unterschiedlicher Farben zusammengemischt wird. Ihre Grundfarbensind Rot, Grün und Blau. Diese drei Farben sind die so genannten RGB Farben. Dabei gilt: -

Rot + Grün = Gelb Grün + Blau = Cyan Blau + Rot = Magenta Rot + Grün + Blau = Weiss

45. Wie funktioniert ein Laserdrucker? Das Druckprinzip ist ähnlich wie beim Farbkopierer. Eine Seite wird durch einen Laserstrahl Punkt für Punkt auf einer elektrisch geladenen Drucktrommel abgebildet.

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Vorlesung 7 – Fragen (Wiederholungen) 47. Wie funktioniert Caching, welchen Vorteil bietet es und wo wird es angewendet? Bei Cache-Speicher handelt es sich um einen schnellen Puffer-Speicher, auf das der Mikroprozessor eines Computers schneller zugreifen kann als auf den regulären Arbeitsspeicher (RAM). Wenn der Prozessor Daten verarbeitet, dann schaut dieser zuerst in den Cache-Speicher. 48. Was bedeutet Persistenz? Man spricht über persistente Speicher, wenn es Bedarf über persistente (=dauerhafta, nichtflüchtige) Speicherung von Daten und Programmen besteht. 49. Wie werden Daten auf einer Festplatte gespeichert (physikalische Prinzip)? Wie ist eine Festplatte aufgebaut? Physikalische Aufzeichnungsprinzip: Datenspeicherung durch lokale Magnetisierung kleiner Bereiche einer (magnetisierbaren) Platte. Die Position auf der Platte entspricht Adresse des zu speichernden Bit und die lokale Magnetisierungsrichtung auf der Platte entspricht Wert des Bit.

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Zylinder: übereinander liegenden Tracks auf allen Magnetscheiben Track (Spur): Kreisförmiger Bereich auf einer Magnetscheibe bei bestimmtem Durchmesser Sektor: Elementarer Datenblock in einem Track von z. B. 512 Byte

50. Wie setzt sich die mittlere Zugriffszeit für einen Festplattenzugriff zusammen? Typischer Wert?

51. Durch welches Speichermedium werden Festplatten in einigen Anwendungsgebieten verdrängt? Vor-/Nachteile?

Flash-Speicher (z. B. SSD) ist ein Speichermedium, das zur elektronischen Sicherung von Daten dient. Also es enthält keine Mechanik und ist meist sehr viel schneller und robuster als Festplattenspeicher. Bei reiner Lagerung würden die Daten auf einer SSD im Prinzip ewig halten. Im Gebrauch ist das aber anders, da jeder Speicherzyklus die Lebensdauer der Chips verkürzt.

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52. Wie funktionieren Paritätsbits?

53. Diskutieren sie RAID-System mit den Leveln 0, 1 und 5!

Die RAID-Systeme: -

Mittlere Lebensdauer einer Festplatte: ca. 1,5-5 Jahre Einsatz von RAID-Systemen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit

RAID-Systeme werden mit sogenannten RAID-Leveln bezeichnet: -

Die Geschwindigkeit eines Speichersystems erhöhen (Beispiel Striping RAID-Level 0) Die Gesamtkapazität eines Speichersystems erhöhen (Beispiel Striping RAID-Level 0) Die Zuverlässigkeit eines Speichersystems erhöhen (Beispiel Mirroring RAID-Level 1) Mehrere Parameter gleichzeitig verbessern (RAID-Level 5)

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Vorlesung 8 – Fragen (Wiederholungen) 54. Was ist ein Betriebssystem? Welche Aufgaben hat es? Die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Basis der möglichen Betriebsarten bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen. 55. Was versteht man unter einem API? Anwendungsprogramme greifen nie direkt auf die Hardware zu, sondern rufen Funktionen des Betriebssystems auf. Die Funktionsaufrufe sind standardisiert in sogenannten APIs. 56. Was ist eine Skriptsprache? Skripte sind Quelltextdateien, die einfache Programme in einer einfachen Programmiersprache (Skriptsprache) enthalten. 57. Was versteht man unter Multiprogramming? Spooling? Timesharing? Multiprogramming: Mehrere Jobs gleichzeitig im Speicher, um die CPU auslasten zu können, wenn ein Job auf I/O wartet. Spooling: Speichern von Jobs (Rechenjobs, Druckjob) in einer Warteschlange auf der Festplatte, das System bedient diese dann zeitlich entkoppelt automatisch im Hintergrund. Timesharing: Ablösung der Stapelverarbeitung durch Erweiterung des Multiprogrammings zu präemptivem Multitasking mit kleinen Zeitscheiben und eigene Terminals für alle Benutzer. 58. Was ist Linux? Wo wird es eingesetzt? Als Linux oder GNU/Linux bezeichnet man in der Regel freie, Unix-ähnliche MehrbenutzerBetriebssysteme, die auf dem Linux-Kernel und wesentlich auf GNU-Software basieren. Linux wird auf der Konsole (für Dialoge) benutzt. Befehle über die Tastatur eingeben, Antworten erscheinen als Text. Das entsprechende Programm des Betriebssystems heißt Shell

59. Nach welchen Kriterien kann man Betriebssysteme kategorisieren? -

PC, Laptop, Desktop, Workstations Server-Maschinen Mainframes Cluster Embedded Systems Wegwerfcomputer Mobile Computersysteme

60. Ordnen sie Windows und Linux in die Kategorisierung ein! Durch die Befehle auf der Konsole/Shell gehören sie automatisch zu den DialogbetriebBetriebssystemen.

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61. Welche Kriterien sind für die verschiedenen Klassen von Computersystemen wichtig? -

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Ein-/Mehrbenutzersysteme (single/multi user) Ein-/Mehrprogrammsysteme (single task/multitasking) Offen oder proprietär (proprietär = ein Hersteller) Spezialisierte Betriebsart: o Stapelverarbeitung-Betriebssysteme o Dialogbetrieb-Betriebssystem o Netzwerk-Betriebssysteme o Echtzeitverarbeitung Desktop, Workstation, Server-/Embedded Betriebssysteme

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Vorlesung 9 – Fragen (Wiederholungen) 62. Was ist ein Prozess? Wie kann man einen Prozess erzeugen? Ein Prozess ist eine Instanz eines Programms, die vom Betriebssystem ausgeführt wird. 63. Wie kann man mit einem CPU-Kern der Eindruck erzeugt, dass mehrere Prozesse parallel laufen? (WAS IST DAS FÜR EINE FRAGE ALTER) 64. Weshalb unterstützen Betriebssysteme Prozesses? Betriebssysteme schalten sehr schnell (ca. 10-1000x pro Sekunde) zwischen Prozessen um 65. Nennen sie die drei wichtigsten Attribute eines Prozesses! -

Eigene Adressbaum Eigene Ressourcen Eigenen Kontrollfluss (merkt aktuelle Stelle im Programm)

66. Was ist ein Thread? Wie unterscheidet er sich von einem Prozess? -

Threads sind eine leichtgewichtige Alternative (Tasks) zu Prozessen.

Prozesse werden gegenüber Threads immer als schwergewichtig dargestellt. Das kommt daher, dass bei der Erstellung eines Prozesses der komplette Namensraum dupliziert werden muss. Diesen Aufwand spart man bei der Verwendung von Threads, da diese in einem gemeinsamen Adressraum ablaufen. Somit stehen den einzelnen Threads dasselbe Codesegment, Datensegment, der He...