1 Aufgaben ‘‘Wie funktioniert ein Computer’’ .eine Harvard- als auch eine von Neumann-Architektur

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1 Aufgaben Wie funktioniert ein Computer

Netzteil

a) Welche Spannungen werden von PC-Netzteilen bereitgestellt?

b) Warum knnen PC-Netzteile hohe Leistungen liefern, obwohl die eingebauten

Transformatoren nur relativ klein sind?

c) Wie sind Schaltnetzteile aufgebaut? Skizzieren Sie ein Blockschaltbild!

3,3 V , 5 V , 12 V , -5 V,

-12W

Schalt hetz teil i hohe Frequenz hohe

Leistung bertragen

23in -

LI JE I"

Fein, needy ]

82 1 Aufgaben Wie funktioniert ein Computer

Grafikkarten

a) Was sind die Hauptaufgaben einer Grafikkarte?

b) Was ist ein Back-Buffer, was ist ein Front-Buffer?

Optische Laufwerke

a) Was sind Pits und Land?

b) Was reflektiert Licht: Pits, Land oder beides?

c) Welche Tiefe mssen die Pits haben, damit man die mit Pits und Land gespeicherte

Information sinnvoll auslesen kann? Warum?

- Schnittstelle zwischen PC und Display- Beschleunigung von Grafik - Operationen

Front - Buffer wird am Bildschirm

dargestellt , whrend in den Buchhaltergeschrieben wird

Land : Reflektierende OberflchePits : Eindeckungen I Vertiefungen

beide

If Wellenlnge Laser

+ = Iz destruktive hier ferenz( dunkel )

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Festplatte

a) Was ist eine Festplatten-Spur?

b) Was ist ein Festplatten-Zylinder?

c) Was ist ein Festplatten-Sektor?

d) Was sind typische Sektor-Gren?

e) Was fr Informationen werden in Sektoren neben den Nutzdaten noch zustzlich

abgespeichert?

Kreis , den die Schreibt Lesehpfe aufder Platte abfahren , wenn sichder Kopf nicht bewegt

Menge der Spuren , die gleichzeitiggelesen I geschrieben werden

kleinste adressiert are Einheit .

Dort werden die Daten gespeichert

\ 512 byhi, 4 KBYK

Verwaltungs - tutor nationenBeispiele : Pnfsummen , Start - und Ende -

Uuarhi errungen , Zylinder - ID

84 1 Aufgaben Wie funktioniert ein Computer

f) Skizzieren Sie grob einen Regelkreis der zur Positionierung des Festplatten-Arms

verwendet werden kann.

soll -

positionIfwo Regelung- o aspnlenstnm

ist -Position

schreibe / . GespeicherteLesehopf positions daten

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Prozessor

a) Aus welchen logischen Grundeinheiten besteht ein Prozessor?

b) Welche Schritte fhrt ein Prozessor aus, wenn er den nchsten Befehl aus dem

Speicher ldt?

c) Wo knnen die Operanden eines Befehls generell abgelegt sein?

. Rechen werk / ALU. Register. Steuerwerte I Leitwerk

- Befehls kgiskr BRIIR- Befehls zhler Bz Ipc

- Flags. Bustreiber

Caches. Einheit zur A dress - bersetzung 1

virtueller Speicher

- Wert von Befehls zhler auf Adressbus legen- vom Speicher bereitgestelltes Daten Wort ein lesen und- im Befehlskgister ablegen

- Register- Speicher- direkt im Befehls Wort C Direkt operand )

86 1 Aufgaben Wie funktioniert ein Computer

Bussystem

a) In welche drei Busse lsst sich ein Bussystem oft aufgliedern?

b) Was ist die Funktion dieser drei Busse?

c) Welche dieser Busse sind unidirektional, welche bidirektional?

- Adressbns : adressiert Speicher zellenoder Gerte

;unidirectional

- Daten bus : bertragung der Daten; bidinhtiuual- Steuerungs bus : Info ob schreiben I lesen /timing

;unidirectional

:o .

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Rechner-Architekturen

a) Was ist der Haupt-Unterschied zwischen einer Harvard- und einer von Neumann-

Architektur?

b) Wie kann man die Aussage verstehen, dass heutige Rechnersysteme oft sowohl

eine Harvard- als auch eine von Neumann-Architektur haben?

Harvard : Getrennte Speicher fr Befehle und Daten

v. Neumann : Befehle und Daten liegen im selben Speicher

gemeinsamer Speicher fr Befehle undDaten ( RAM ) , jedoch oft getrennteCaches fr Befehle und Daten

88 1 Aufgaben Wie funktioniert ein Computer

2.1 Bits, Byte, Datenworte und Logikpegel 89

2 Darstellung von Zahlen und Zeichen

Computer- bzw. Prozessorsysteme fhren Transformationen durch, die Eingaben X auf

Ausgaben Y abbilden, d.h. Y = f (X ).

Programm

ProzessorEingabe X Ausgabe Y

Die Art und Weise, wie diese Transformationen durchgefhrt werden, ist durch die

Programme festgelegt, die von einem Prozessor ausgefhrt werden. Beispiele:

Dokument drucken:

X: Dokument bzw. Datensatz in einer Applikation

Y: Befehle/Daten, die an den Drucker geschickt werdenmssen, damitdieser das (durch X reprsentierte) Dokument druckt

Programm: Applikation, aus der heraus das Dokument gedruckt wird(z.B. Textverarbeitungsprogramm) sowie der Druckertreiber

Rastern von Grafiken: X = Reprsentation eines Objekts (z.B. Linie);Y = Farbintensittswerte von Pixeln

Linie von (x1, y1) nach (x2, y2),Dicke: d, Farbe: RGB = (0, 0, 0),Hintergrund: wei

0

00

190

190190

255

255255

X Y

Berechnungen: Y aus X berechnen; z.B. X = zwei Vektoren, Y = Skalarprodukt

321

10

30

20 = 110 + 220 + 330 =

X Y

140

X und Y sind Daten, die als Zahlen oder als Zeichen interpretiert werden knnen. Sie

werden in Computersystemen durch sog. Bits reprsentiert.

.

90 2 Darstellung von Zahlen und Zeichen

2.1 Bits, Byte, Datenworte und LogikpegelDaten werden in Computersystemen durch Bits dargestellt bzw. als Bits verarbeitet. Der

Begriff Bit steht fr binary digit und meint Binrziffer, d.h. Ziffern, die nur Werte 0 und

1 annehmen knnen. Bei der Verarbeitung von Daten durch elektrische Schaltungen

entspricht 0 oft dem sog. Low-Pegel, z.B. -0,3 ... +1,3 Volt, und 1 dem sog.

High-Pegel, z.B. +2,3 ... +5,3 Volt.

5V

0V

High

Low

Darber hinaus findet man auch andere Zuordnungen/Spannungsbereiche. Bei der

seriellen Schnittstelle RS-232 beispielsweise entsprechen Spannungen zwischen +3 V

... +15 V dem Low-Pegel, whrend Spannungen zwischen -15 V ... -3 V High-Pegel

darstellen.

Mit einem einzelnen Bit knnen nur zwei Zustnde, High und Low, dargestellt werden.

Um mehr als zwei Zustnde gleichzeitig abzubilden, werden mehrere Bits zu einem

Datenwort zusammengefasst. Mit einem Datenwort der Breite n Bits lassen sich 2n

verschiedene Low-/High-Kombinationen darstellen.

Nachfolgende Abbildung zeigt ein Datenwort der Breite n = 32 Bit sowie die entspre-

chende Darstellung in Hexadezimal-Schreibweise.

11111011100000000011101011000010

B3C 82 0 FA0 x

32 Bit breites Datenwort:

Hexadezimale Darstellung:Prefix

Die hexadezimale Darstellung wird hufig verwendet, da hier immer vier Bits (sog.Nibble)

zu einer einzelnen Ziffer zusammengefasst werden:

C: 1100B: 1011 D: 11019: 1001 F: 1111E: 11108: 1000 A: 1010

4: 00103: 0011 5: 01011: 0001 7: 01116: 01100: 0000 2: 0010

2.1 Bits, Byte, Datenworte und Logikpegel 91

So lassen sich auch lngere binre Datenworte ohne groen Platzbedarf darstellen.

Gleichzeitig kann durch die feste 4-zu-1-Abbildung der Wert der einzelnen Bits direkt

extrahiert werden.

Zur Kennzeichnung einer hexadezimalen Codierung wird das Prefix 0x verwendet,

d.h. hexadezimal codierten Zahlen wird 0x vorangestellt.

Seltener findet man oktale Codierungen. Hier wird das Prefix 0 verwendet. Bei oktaler

Codierung werden immer 3 Bits zu einer Ziffer zusammengefasst.

100011110101111000110001

376 61 5 400

24 Bit breites Datenwort:

Oktale Darstellung:Prefix

1: 001 2: 010 6: 1103: 011 5: 1014: 010 7: 1110: 000

In Computersystemen werden hufig Worte der Breite 8, 16, 32 oder 64 Bit verwendet.

Datenworte mit der Wortbreite 8 Bit werden Byte genannt. Ein Byte wird dabei oft

als elementare Datenwortgre angesehen. Alle anderen Datenworte sind dann ein

ganzzahliges Vielfaches eines Bytes.

Nachfolgende Abschnitte zeigen, wie in Computersystemen mit solchen binren Daten-

worten Zahlen und Zeichen dargestellt werden. Die darauf folgenden Kapitel zeigen, wie

diese Datenworte/Zahlen/Zeichen von Prozessoren verarbeitet werden.

92 2 Darstellung von Zahlen und Zeichen

2.2 ZeichenZeichen sind Symbole (z.B. a, b, c, ...), mit deren Hilfe Dinge beschrieben werden

knnen. Zur Darstellung von Texten werden Zeichen zu Zeichenketten (Worte) kombi-

niert und Zeichenketten in Anordnungen (Stze) gruppiert. Die Beschreibung findet

dadurch statt, dass unser Gehirn beim Lesen lernen die Bedeutung der verschiedenen

Zeichenketten (Symbol-Kombinationen) sowie die Bedeutung verschiedener Anord-

nungen gelernt hat. In Computersystemen werden Zeichen durch Bits reprsentiert.

Nachfolgende Tabelle zeigt die Codierung von Zeichen gem ASCII-Standard.

6

w

b

{

d

n

c

SYN

S3

E

&

W

0x2

q

Z

0x1

N

EOT

DLE

2 DC2

F

!

6

s

\

O _

;

HT

BS

ACK F

U

0

a

VT

L

ENQ

NUL

0x6

h

'