Technische Informatik - Weiterentwicklungen

• Von-Neumann in ursprünglichen Form einen Akkumulator

• Zwischenergebnisse müssen in Speicher und zurück gebracht werden ⇒ Mehrere Akkumulatoren sinnvoll

Heute: mehrere Register, die als Akkumulatoren genutzt werden können, in der Regel 8 bis 16

• Anstatt Einadressbefehle dann Zweiaddressbefehle

  Beispiel: „ADD R1, X“: R1 := R1 + Inhalt(X)

• Externspeicher (geringe Geschwindigkeit, hohe Kapazität)

• Arbeitsspeicher (mittlere Geschwindigkeit, mittlere Kapazität)

• Registerspeicher (hohe Geschwindigkeit, kleine Kapazität)

Virtuelle Maschine

• Idee: nicht die tatsächlichen physikalischen Gegebenheiten definieren den Rechner, sondern virtuelle

geht für:

• Speicher

• Prozessoren

• mittlerweile ganze Rechner

• Idee: Gaukle mehr Hauptspeicher vor, als tatsächlich vorhanden.

• Mit was? Plattenspeicher

Wiederholung: Platte langsamer aber größer als Hauptspeicher („Speicherhierarchie“)

Virtueller Speicher:

• Platte und Hauptspeicher

  • Virtueller Speicher > Hauptspeicher

• Gesamter Adressraum des VS in Seiten einteilen

• Hardware und Betriebssystem wissen, welche Seiten sich im Hauptspeicher befinden und welche nicht

• Programm greift auf gesamten Adressraum zu Seite im Hauptspeicher: alles ok

• Seite auf Platte: Seite wird von Platte in Hauptspeicher gebracht

zwar aufwändig, lohnt sich aber, da Prozessor oft ohne Arbeit ⇒ Zeit/Platz-Trade-Off, ebenfalls häufig in der Informatik anzutreffen

• zwischen Steuerwerk und Hauptspeicher

• sehr klein, sehr schnell

• die letzten Daten, letzten Befehle sind dort und können vom Steuerwerk ohne Hauptspeicherzugriff wieder sehr schnell geholt werden

Lohnt sich wann?

Die meisten Programme greifen nicht gleichmäßig auf ihren Code und ihre Daten zu.

Untersuchung dieser Festellung führt zu Prinzip der Lokalität:

• räumliche

  • Nachdem auf eine Adresse zugegriffen wurde, erfolgt wahrscheinlich ein Zugriff auf eine benachbarte Adresse

• zeitliche

  • Nachdem auf eine Adresse zugegriffen wurde, erfolgt wahrscheinlich bald ein weiterer Zugriff auf dieselbe Adresse

Prinzip der Lokalität ist von großer Bedeutung beim Entwurf einer auf unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Kapazitäten basierenden Speicherhierarchie.

• Organisationsform von Speichern

• verschiedene Speicherarten werden in Ebenen aufgeteilt

• jede Eben ist schneller kleiner und teurer als die Ebene darunter

• alle Daten einer Ebene sind auch in der Ebene darunter enthalten

• kleinste Informationseinheit in einer Speicherhirachie nennt man Block

• zwischen Ebenen werden immer nur komplette Blöcke verschoben

Ziel:

• mit dem großen Speicherbereich einer unteren Ebene zu arbeiten und dieses mit der Geschwindigkeit einer oberen Ebene

BILD

Was passiert bei einem Hardware-Fehler?

Idee: Maschinenbefehle nicht vom Steuerwerk, sondern von einem Mikroprogramm ausführen lassen

• virtueller/künstlicher Prozessor

  • billig/langsam: mehr Mikroprogramm

  • teuer/schnell: mehr Hardware

• Mikroprogrammierung zwischen Hardware und Software, wird auch Firmware genannt

• bisherige Entwicklung durch schnellere und kleinere Komponenten begründet

• es gibt physikalische Grenzen der Miniaturisierung und Übermittlungsgeschwindigkeit

Idee: Parallel arbeitende Rechner!

• n Prozessoren schaffen dieselbe Arbeit in 1/n der Zeit ?

  • Nein! Es muss koordiniert werden und das kostet.

Fest steht aber, dass die Parallelisierung in der Informatik fortschreiten wird

• Parallelität in einzelnen Komponenten

• parallele Rechnerarchitekturen

• Rechnernetze

Idee:

• Prozessor hat besseres zu tun als z.B. Daten von der Platte zum Hauptspeicher zu schaufeln

Lösung:

• Peripherie hat eigene Prozessoren, die direkt auf den Hauptspeicher zugreifen können

Möglich durch Bus-System

• DMA (Direct Memory Access)

• verstärkte Einsatz der Mikroprogrammierung führte zu sehr komplexen Maschinenbefehlen

• Befehle wurden unterschiedlich lang und dauerten in ihrer Ausführung unterschiedlich lang ⇒ komplexe Steuerung nötig

Beobachtung:

• Verschiedene Befehlsarten kommen unterschiedlich häufig vor, einige komplexe Befehle werden kaum genutzt.

Idee:

• Prozessoren mit wenigen, primitiven und schnellen Befehlen oder Prozessoren mit vielen, mächtigen und langsamen Befehlen.

CISC - Complex Instruction Set Computers

• komplexe Befehle

RISC - Reduced Instruction Set Computers

• mehr Register, einfache Befehle, schnell ausführbar

Aber:

• Unterschiede verschwinden bei neueren Generationen

• Unterscheidung wird nicht mehr durchgeführt

• Fließband: Parralellisierung in einem Prozess

Jetzt: Parallelisierung mit mehrern Prozessoren

Voraussetzung:

• Algorithmus parallelisierbar

• oder viele unabhängige Aufgaben laufen auf einem Computer

Bei Vektor- und Matrizenverarbeitung kann man sehr viel parallelisieren

• Sei 1/n die Anzahl der nicht parallelisierbaren Schritte eines Algorithmus (

  d.h. die Schritte, die sequentiell ausgeführt werden müssen)

• dann bleiben (n-1)/n Zeitanteile, die parallelisierbar sein können

  ⇒ Gesamtgeschwindigkeit kann nicht einmal ver-n-facht werden!

Gemeinsamer Speicher

• Nur ein Schreib/Lesezugriff zur Zeit erlaubt

  • Sequentialisierung der Zugriffe notwendig

  • Außerdem Programmierung schwierig

  • in der Praxis 15 bis 30 Prozessoren

Verbindungleitungen

• jeder Prozessor hat eigenen Speicher

• jeder mit jedem verbinden ist teuer, daher meist nicht gemacht - andere Topologien

• Mehrere autonome Rechner, die normalerweise nicht „zusammengehören“ bearbeiten gemeinsam eine Aufgabe

man unterscheidet:

• Homogene und heterogene Netze

• Weitverkehrsnetze (WAN, wide area network) und lokale Netze (LAN, local area network)

Aufgabe:

• große Datenmengen mit hinreichender Geschwindigkeit und Fehlerfreiheit übertragen

Probleme:

• heterogene Netze

• versch. Technik: Ethernet, Token Ring, DSL, Kabel, Funk, optisch, ...

  -> macht Protokoll notwendig

Legt strukturellen Aufbau und zeitliche Abfolge der Nachrichten fest

• Vor Übertragung codieren

• Nach Übertragung decodieren

• Prüfzeichen zur Fehlererkennung

• Steuerinformation

Es gibt sehr viele Protokolle:

einfache und komplizierte, gegen Fehler gesicherte und ungesicherte, für bestimmte Datenformate (Stichwort Streaming), firmenspezifische und Standardprotokolle, ...

• Leitungsvermittlung

  • Teilnehmer werden durch eine Leitung verbunden, die ausschließlich für diese Kommunikation reserviert ist.

  • Bei wenig Kommunikation schlechte Ausnutzung.

  • Beispiel: Telefon.

• Paketvermittlung

  • Kommunikation wird in Pakete aufgeteilt, die mit Empfänger- und Sender-Adresse versehen werden und dann über (viele) Netzknoten vom Sender zum Empfänger geschickt werden.

  • Probleme?

    • Pakete können verloren gehen, sich überholen, „hängen“ bleiben.

    • Routing (Wegwahl) ist schwierig.

Heute: Paketvermittlung auf dem Vormarsch (z.B. VoIP)

• Unterste Schicht für Übertragung von Bits auf physikalischer Ebene (Draht, Licht, Funk)

• Darüber Schichten mit jeweils eigenen Zuständigkeiten und jeweils abstrakteren Protokollen

• Programmierung in Schicht n darf nur auf Protokoll der Schicht n-1 zurückgreifen

• Paket der Schicht n wird in Schicht n-1 „eingepackt“: D.h. mit den entsprechenden Zusatzinformationen versorgt. Beim Empfänger wieder auspacken.

BILD

• Datenverbund

  • Austausch von Daten

• Funktionsverbund

  • Erwiterung der Möglichkeiten durch Einbeziehung spezieller Rechner und Systeme

• Lastverbund

  • Verteilung von Lasten (in Stoßzeiten)

• Server: Auftragnehmer/Anbieter

  • stellen Dienste zur Verfügung

• Clients: Auftraggeber

  • nutzen Dienste

Rechner kann gleichzeitig CLient und Server sein

• neuere Entwicklung: Peer-to-peer

  • kein zentraler Server, jeder ist Client und Server

HTML

• Hypertext Markup Language

  • Text mit Möglichkeit Multimedia-Daten einzubauen, Verlinkung (Hypertext)

• jedes www-Dokument wird eindeutig identifiziert

  • URL - Uniform Resource Locator

• HTML-Seiten werden mit Browser angezeigt

HTTP: Hypertext Transport Protocol

WWW und Internet nicht identisch!