#LyX 1.2 created this file. For more info see http://www.lyx.org/
\lyxformat 220
\textclass article
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hyperindex=true,
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pdfpagemode=None,
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pdftitle=Vorlesungsmodul Rechnerarchitektur 1,
pdfauthor=Matthias Ansorg,
pdfcreator=pdfTeX (Web2C 7.3.1) 3.14159-0.13d,
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\language german
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\layout Title
Vorlesungsmodul Rechnerarchitektur\SpecialChar ~
1
\newline
- VorlMod ReArch1 -
\layout Author
Matthias Ansorg
\layout Date
30.
September 2002 bis
\begin_inset ERT
status Collapsed
\layout Standard
\backslash
today
\end_inset
\layout Abstract
Studentische Mitschrift zur Vorlesung Rechnerarchitektur\SpecialChar ~
1 bei Prof.
Dr.
Lutz Eichner (Wintersemester 2002/2003) im Studiengang Informatik an der
Fachhochschule Gießen-Friedberg.
Diese Vorlesung ist die ehemalige Vorlesung Netz- und Schaltwerke (PO 1991)
und beinhaltet gleichzeitig einige allgemeine Dinge über den Rechneraufbau
(ehemals in der Vorlesung »Grundlagen der Informatik
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
).
Für Studenten aus dem 3.
Semster ist die Vorlesung eine Prüfungsleistung, für Studenten aus dem
1.
Semester eine Studienleistung (da neue PO!).
\begin_deeper
\layout Itemize
\series bold
Bezugsquelle:
\series default
Die vorliegende studentische Mitschrift steht im Internet zum Download
bereit:
\begin_inset LatexCommand \url{http://homepages.fh-giessen.de/~hg12117/index.html}
\end_inset
.
Wenn sie vollständig ist, kann es auch über die
\begin_inset LatexCommand \url[Skriptsammlung der Fachschaft Informatik der FH Gießen-Friedberg]{http://www.fh-giessen.de/FACHSCHAFT/Informatik/cgi-bin/navi01.cgi?skripte}
\end_inset
downgeloadet werden.
\layout Itemize
\series bold
Lizenz:
\series default
Diese studentische Mitschrift ist public domain, darf also ohne Einschränkungen
oder Quellenangabe für jeden beliebigen Zweck benutzt werden, kommerziell
und nichtkommerziell; jedoch enthält sie keinerlei Garantien für Richtigkeit
oder Eignung oder sonst irgendetwas, weder explizit noch implizit.
Das Risiko der Nutzung dieser studentischen Mitschrift liegt allein beim
Nutzer selbst.
Einschränkend sind außerdem die Urheberrechte der verwendeten Quellen zu
beachten.
\layout Itemize
\series bold
Korrekturen:
\series default
Fehler zur Verbesserung in zukünftigen Versionen, sonstige Verbesserungsvorschl
äge und Wünsche bitte dem Autor per e-mail mitteilen: Matthias Ansorg, matthias@
ansorgs.de.
\layout Itemize
\series bold
Format:
\series default
Die vorliegende studentische Mitschrift wurde mit dem Programm LyX (graphisches
Frontend zu
\begin_inset ERT
status Collapsed
\layout Standard
\backslash
LaTeX
\end_inset
) unter Linux erstellt und als pdf-Datei exportiert.
Grafiken wurden mit dem Programm xfig unter Linux erstellt und als pdf-Datei
exportiert.
\layout Itemize
\series bold
Dozent:
\series default
Prof.
Lutz Eichner.
\layout Itemize
\series bold
Verwendete Quellen:
\series default
.
\layout Itemize
\series bold
Organisatorisches:
\series default
Die Vorlesungen finden (Mo) 14:00h und (Di) 08:00h statt; nach 2-3 Wochen
finden (Di) 08:00h abwechselnd Vorlesungen und Übungen statt und werden
auch Hausübungen ausgeteilt.
Die Veranstaltung besteht also aus 3 SWS Vorlesungen und 1 SWS Übungen.
\layout Itemize
\series bold
Klausur:
\series default
Die Hausübungen sind Voraussetzung zur Zulassung zur Klausur vor den Semsterfer
ien, sie müssen also zu 100% richtig und vollständig gelöst werden.
Gab es Missverständnisse über Aufgaben, sind vielleicht nur noch 20 von
24 möglichen Punkten Voraussetzung zur Teilnahme zur Klausur.
Man kann sich aussuchen, ob man die Klausur vor oder nach den Ferien zu
schreiben.
\lang english
\lang german
Für die Klausur nach den Semsterferien gibt es keine Zulassungsvoraussetzungen!
Hier darf jeder mitschreiben, auch wenn er keine Hausübungen abgegeben
hat.
Um in der Klausur die Note 4 zu erhalten, reicht es aus, die Aufgabentypen
der Hausaufgaben zu beherrschen - sie machen 50% der Klausur aus.
In der Klausur sind alle schriftlichen Unterlagen als Hilfsmittel zugelassen,
jedoch wohl kein Taschenrechner.
\end_deeper
\layout Standard
\begin_inset LatexCommand \tableofcontents{}
\end_inset
\layout Part
Grundbegriffe des Rechneraufbaus
\layout Section
Grobstruktur
\layout Standard
In einer DIN-Norm ist festgelegt, dass ein Rechner gegliedert ist in:
\layout Itemize
Zentraleinheit
\begin_deeper
\layout Itemize
Main Memory: Hauptspeicher
\layout Itemize
CPU: central processing unit, Prozessor.
\layout Itemize
IO-Unit: input-output unit; Eingabe-Ausgabe-Einheit.
\end_deeper
\layout Itemize
Peripherie.
Sie ist an der IO-Unit angeschlossen.
Beispiele:
\begin_deeper
\layout Itemize
Bildschirm
\layout Itemize
Festplatte
\layout Itemize
Tastatur
\layout Itemize
Scanner
\layout Itemize
Drucker
\layout Itemize
Diskettenlaufwerk
\layout Itemize
Magnetband
\end_deeper
\layout Section
Wichtige Speichermedien
\layout Subsection
Hauptspeicher (MM; main memory)
\layout Standard
Der Hauptspeicher besteht aus adressierbaren Zellen zu je 1 Byte, die von
1 beginnend durchnummeriert sind.
Das Besondere am Hauptspeicher ist, dass jede Zelle direkt mittels der
Adresse zugreifbar ist, im Gegensatz z.B.
zu Festplatten.
Deshalb heißt er RAM (random access memory): Speicher mit wahlfreiem Zugriff,
Direktzugriffsmedium.
\layout Subsection
Magnetbandspeicher
\layout Standard
Ein Sequentielles Zugriffsmedium; um ein Byte zu lesen, müssen erst alle
Vorgängerbytes gelesen werden (sog.
sequentielle Zugriffsart).
Es wird jedoch nicht ein einzelnes Byte geschrieben oder gelesen, sondern
Blöcke und Blocksequenzen von Bytes.
Bei Backups werden Blöcke ohne Pause geschrieben, deshalb auch der Name
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
Streamer
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
.
\layout Subsection
Festplatte
\layout Standard
Eine Festplatte besteht aus Zylindern (konzentrische Kreise aus allen Scheiben
gleichzeitig) und Sektoren (Kreissektoren aller Scheiben gleichzeitig).
Die Schnittmenge eines Zylinders und eines Sektors ist ein Block (fälschlich
oft als Sektor bezeichnet).
Jeder Block hat i.d.R.
512 Byte (zusätzlich 2 Byte zur Fehlerkorrektur).
Die Blocks sind durchnummeriert und direkt adressierbar; man kann jedoch
nicht ein einzelnes Byte in einem Block direkt adressieren.
Aus der Blocknummer kann man Sektor, Zylinder und Scheibe erhalten, außerdem
ob der Block sich auf Ober- oder Unterseite der Scheibe befindet.
Alle Lese-/Schreibköpfe sind über eine Nummer auswählbar und werden gleichzeiti
g bewegt.
\layout Standard
Eine Festplatte mit 3 Scheiben wie in Abbildung
\begin_inset LatexCommand \ref{Abb_Festplatte}
\end_inset
hat 6 Oberflächen und daher auch 6 auswählbare Lese-/Schreibköpfe (engl.
heads).
Jeder Zylinder einer Scheibe wie in Abbildung
\begin_inset LatexCommand \ref{Abb_Scheibe}
\end_inset
besteht daher aus 6 übereinanderliegenden Kreisen.
Eine Diskette hat 16 Zylinder, die Zylinderzahl heutiger Festplatten wird
nicht mehr korrekt angegeben, sondern nur noch so dass die Blockberechung
durch den Computer korrekt möglich ist.
\layout Standard
Ein Block ist durch die CHS-Adresse eindeutig festgelegt: sie besteht aus
3 Zahlen, von denen eine die Zylindernummer (C, cylinder), eine die Kopfnummer
(H, head) und eine die Sektornummer (S, sector) angibt.
Die Software spricht die Festplatte meist über Blocknummern an, die Festplatte
kann diese in die CHS-Adresse umrechnen.
Mittels der CHS-Adresse ist die Festplatte ein Quasi-Direktzugriffsmedium:
auf jeden Block kann direkt zugegriffen werden, jedoch nicht auf jedes
Byte.
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_Festplatte}
\end_inset
Schema einer Festplatte
\end_inset
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_Scheibe}
\end_inset
Schema einer Scheibe einer Festplatte
\end_inset
\layout Section
Die von Neumann-Architektur
\layout Subsection
Die Zeit vor von\SpecialChar ~
Neumann
\layout Description
1941 Zuse Z3, der erste funktionierende Rechner, auf Basis von Relais.
Das Programm bestand hier aus einem achtspurigen Lochstreifen.
\layout Description
1944 Amerikanischer MARK1 von Aiken.
Er funktionierte mit Relais und Zahnrädern und war 15m lang.
Er beherrschte etwa dasselbe wie die Z3 war jedoch aufgrund der verwendeten
Dezimalrechnung 15m lang.
Er wurde mit einem 24-spurigen Lochstreifen programmiert.
\layout Description
1946 ENIAC von Eckert und Mauchly.
Funktionierte auf Basis von Röhren und wurde mit Steckern, Kabeln und Schaltern
programmiert.
\layout Standard
Die Zentraleinheiten der obigen Rechner waren entsprechend Abbildung
\begin_inset LatexCommand \ref{Abb_ZE_vorNeumann}
\end_inset
strukturiert.
Das Programm war mit dem Steuerwerk verbunden: ein Lochstreifen wurde manuell
durch einen Abtaster geführt, bei Abfühlen eines Loches wurde eine entsprechend
e Operation vorgenommen.
Es gab eine externe Programmsteuerung und Programmierung.
Das bedeutete, dass man keine Schleife und keine Unterprogramme programmieren
konnte, weil ein Sprung im Programm durch das Programm selbst ja nicht
möglich war.
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_ZE_vorNeumann}
\end_inset
Zentraleinheiten der Rechner vor von Neumann
\end_inset
\layout Subsection
von\SpecialChar ~
Neumann-Architektur
\layout Standard
Zur Person:Historisches zur Person :
\layout Itemize
Johann (Janos) von Neumann (1903-1957), Ungare
\layout Itemize
studierte in Budapest und Zürich
\layout Itemize
Universalgenie (Spieletheorie, Quantenmechanik, Beweistheorie, Informatik)
\layout Itemize
definierte 1947 das Prinzip der universalen speicherprogrammierbaren Rechenmasch
ine
\layout Standard
Er schaffte die überflüssige dezimale Darstellung im Rechner zugunsten der
binären ab.
Er fand heraus, dass man Programme auch im Hauptspeicher darstellen kann
(Loch entspricht 1, kein Loch entspricht 0), wo auch die Daten dargestellt
sind.
Mit einem Sprungbefehl sind dann Schleifen möglich! Dies ist die »interne
Programmierung«.
Die CPU ist jetzt die Zusammenfassung von Operationswerk und Steuerwerk.
\layout Standard
Die von Neumann-Architektur wurde zuerst realisiert im EPAC (1946).
\layout Standard
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_ZE_vonNeumann}
\end_inset
Blockdiagramm der Zentraleinheit der von Neumann-Architektur
\end_inset
\layout Subsection
Harvard-Architektur
\layout Standard
Eine Weiterentwicklung der von Neumann-Architektur, bei der Programm und
Daten in zwei verschiedenen Hauptspeichern abgelegt werden.
So wird der sog.
»von Neumann-Flaschenhals« vermieden, d.h.
die Geschwindigkeitsbegrenzung durch Übertragung von Daten und Programmen
sequentiell über einen einzigen Systembus.
\layout Subsection
RISC und CISC
\layout Standard
Ebenfalls eine Weiterentwicklung der von Neumann-Architektur.
Während CISC
\begin_inset Foot
collapsed true
\layout Standard
complex instruction set computer
\end_inset
-Rechner der menschlichen Denkweise folgen - möglichst viel mit wenigen
Befehlen machen können - und deshalb viele, aber langsame Befehle realisieren,
folgen RISC
\begin_inset Foot
collapsed true
\layout Standard
reduced instruction set computer
\end_inset
-Rechner dem, was für Computer selbst günstig ist: wenige, schnelle Befehle.
\layout Section
Betriebssystem
\layout Standard
Das erste Betriebssystem wurde von General Motors erfunden! Bisher wurden
Programme auf Lochkarten geschrieben und mit Lochkartenlesern in den Hauptspeic
her eingelesen.
Dabei wurden die binären Operationscodes geschrieben, was für Menschen
natürlich sehr fehlerträchtig ist.
Jemand erfand also bald Abkürzungen für diese Maschinenbefehle, d.h.
den Assembler, und ein Programm, den Assembler, das die Assembler-Programme
assemblierte, also in Maschinensprache umsetzte.
\layout Standard
Die Programme wurden jetzt also in Assembler gelocht.
Nun wurde der Assembler im Hauptspeicher abgelegt, dann das in Assembler
geschriebene Programm eingelesen und vom Assembler direkt in Maschinencode
übersetzt und so in Lochkarten gestanzt.
Als die höheren Programmiersprachen entwickelt wurden, wurde mit einem
analogen Verfahren COBOL bzw.
FORTRAN in Assembler übersetzt und dann Assembler in Maschinensprache usw.
\layout Standard
General Motors erfand zuerst Kartensortierer, um Stapel von durcheinandergekomme
nen, aber nummerierten Lochkarten zu sortieren.
Dann erfand General Motors ein Programm, das von einem Magnetband je nach
Bedarf einen Assembler oder einen Compiler lud.
Dies nannten sie Monitor-Programm.
Es war das erste Betriebssystem.
\layout Standard
Das Betriebssystem (BS; engl.
operating system, OS) ist ein Programmpaket mit folgenden Eigenschaften:
\layout Itemize
ermöglicht eine bequeme und wirtschaftliche (d.i.
effiziente) Nutzung der Hardware.
\layout Itemize
es ist die Schicht zwischen Benutzer und Benutzerprogrammen einerseits und
der Hardware andererseits.
Dies ist eine sehr weitgehende Abstraktion von der Hardware: das Betriebssystem
setzt etwa einen Befehl »Drucke
\family typewriter
datei
\family default
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
in die entsprechende Steuerung der Hardware um.
\layout Itemize
es versteckt Einzelheiten der Hardware und stellt dem Benutzer abstrakte
Zugriffsmöglichkeiten auf die Peripherie zur Verfügung.
Beispiel: Drucken einer Datei auf Mausklick - der Benutzer muss nicht wissen,
um welchen Drucker es sich handelt.
\layout Itemize
Jedes Peripheriegerät besitzt ein gerätespezifisches Zugriffsprogramm, den
sog.
(Geräte-)Treiber, der das Schreiben und Lesen der Daten auf diesen Geräten
ermöglicht.
Durch Steuerleitungen wird festgelegt, ob mit einer Adresse ein Gerät oder
der Hauptspeicher angesprochen wird.
Beispiel Textverarbeitung: Drücke eine Taste der Tastatur.
Das Betriebssystem holt das Zeichen und gibt es auf dem Bildschirm aus.
Vergleiche dazu Abbildung
\begin_inset LatexCommand \ref{Abb_TastaturEingabe}
\end_inset
- hier bedeuten die Abkürzungen:
\begin_deeper
\layout Description
PIC programmable interrupt controller.
Er besitzt 16 Eingänge, sog.
IRQ-Eingänge (interrupt request), nummeriert von 0 bis 15.
An jedem IRQ ist ein Gerät angeschlossen.
\layout Description
INT Interrupt-Steuereingang des PC
\layout Description
OS Bereich des Hauptspeichers, in dem die wichtigsten Routinen des Betriebssyste
ms permanent gespeichert sind.
\layout Standard
Prinzipieller Ablauf im Computer nach einem Tastendruck:
\layout Enumerate
Die Tastatur mach einen interrupt request, indem sie ihre Leitung Nr.
1 zum PIC auf logisch 1 setzt.
Es handelt sich nur um eine Anforderung, weil der PIC ja gerade mit einer
anderen Interruptbehandlung blockiert sein könnte.
\layout Enumerate
Der PIC setzt die Leitung INT (Interrupt-Eingang der CPU auf logisch 1).
\layout Enumerate
Die CPU unterbricht die Arbeit und ruft im Betriebssystem den interrupt
handler (IH) auf.
\layout Enumerate
Der interrupt handler holt im PIC ein Byte ab und weiß damit, wer die Unterbrech
ung ausgelöst hat.
\layout Enumerate
Der interrupt handler ruft den Tastaturtreiber auf.
Dieser holt das eingegebene Zeichen von der Tastatur ab, legt es an eine
bestimmte Stelle im Hauptspeicher und ruft anschließend den Bildschirmtreiber
auf.
\layout Enumerate
Der Bildschirmtreiber gibt das Zeichen auf dem Bildschirm aus.
\end_deeper
\layout Standard
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_TastaturEingabe}
\end_inset
Interrupt-Handling im PC
\end_inset
\layout Paragraph
Bemerkung
\layout Standard
Das Betriebssystem verwaltet die Hauptspeicher- und CPU-Nutzung der Programme.
Beispiel: Um die CPU effizient auszunutzen, befinden sich mehrere Programme
geichzeitig im Hauptspeicher.
Während ein Proramm z.B.
auf eine Eingabe des Benutzers oder Daten von der Festplatte wartet, wird
einem anderen Programm die CPU zugeteilt (z.B.
Ausdrucken
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
im Hintergrund
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
).
So können z.B.
Großrechner mit 500 Terminals gebaut werden.
Programme befinden sich i.d.R.
nicht vollständig im Hauptspeicher; Teile befinden sich auf der Festplatte
und werden bei Bedarf in den Hauptspeicher nachgeladen.
Davon merkt der Benutzer nichts.
\layout Paragraph
Zusammenfassung: Die Aufgaben des Betriebssystems
\layout Itemize
Es verwaltet die Betriebsmittel (Hauptspeicher, CPU, Festplatte, \SpecialChar \ldots{}
).
\layout Itemize
Es steuert die Kommunikation zwischen den Funktionseinheiten (Auflösung
von Konflikten bei gleichzeitigem Ressourcenzugriff usw.).
\layout Itemize
Es verwaltet Benutzerdaten und Programme (in sog.
Dateien, kurz für Datenkartei, in der früher die Lochkartenstapel abgelegt
wurden).
Benutzerauthentifizierung verhindert Zugriff auf die Daten anderer Benutzer
auf demselben Rechner.
\layout Itemize
Es stellt dem Benutzer eine bequeme (abstrakte) Oberfläche des Rechners
zur Verfügung.
Abstraktion bedeutet hier, dass der Benutzer sich mit möglichst wenig Einzelhei
ten des Rechners beschäftigen muss, d.h.
dass er den Rechner einfach bedienen kann.
Zu dieser Abstraktion gehört die Erfindung der GUI, zuerst in SMALLTALK
und dann auf dem Apple Macintosh realisiert.
\layout Section
Einführung in die Rechnerhardware
\layout Subsection
Mainboard
\layout Standard
Eine große Platine, die kleinere Platinen (Karten, auch Boards) enthält.
Die Spieleindustrie ist heute der Hauptgrund, dass so oft schnellere Computer
und schnellere Speicher auf den Markt kommen.
\layout Standard
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_Motherboard}
\end_inset
Typisches Layout eines Motherboards
\end_inset
In Abbildung
\begin_inset LatexCommand \ref{Abb_Motherboard}
\end_inset
verwendete Abkürzungen:
\layout Description
AGP Accelerated Graphics Port.
AGP-Grafikkarten besitzen einen eigenen Prozessor und einen eigenen Speicher
(Bildspeicher, Videoram), bilden also einen eigenen kleinen Computer, der
die CPU entlastet.
Der Bildspeicher wird bis 100mal pro Sekunde ausgelesen, was einer Bildwiederho
lrate von 100Hz entspricht.
\layout Description
PCI Peripheral Component Interconnect.
Anschlüsse für moderne Peripherie.
Im Prinzip kann hier alles angeschlossen werden, z.B.
Grafikkarten (anstelle AGP, evtl.
zusätzlich), Soundkarten, TV-Karten, Modems, Netzwerkkarten, SCSI-Adapter
(für SCSI-Festplatten usw.), Scanner usw..
\layout Description
AT\SpecialChar ~
/\SpecialChar ~
ISA Advanced Technology bzw.
Industry Standard Architecture.
Anschlüsse für die alte Peripherie des IBM PC-AT und Nachbauten, genannt
Legacy
\begin_inset Foot
collapsed true
\layout Standard
Erbschaft; hier im Sinne von »Altlast, schweres Erbe«.
\end_inset
-Devices.
Diese Slots sind zweigeteilt; der PC-XT hatte nur den unteren Teil (XT-Slot
mit 8 Bit Busbreite), der PC-AT hatte zusätzlich die AT-Ergänzung.
Die Abkürzung dieses PC wird heute noch in vielen Gerätebezeichungen verwendet:
ATX-Board, ATAPI-CD-ROM, ATA-Festplatte.
ISA ist die alte IBM-AT-Architektur mit von der sog.
ISA-Gruppe (Compaq u.a.) definierten elektrischen Eigenschaften.
\newline
\begin_inset Tabular
\begin_inset Text
\layout Standard
Bus
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
Takt
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
Breite
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
AGP
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $66,\overline{6}MHz$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $32Bit$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
PCI
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $33,\overline{3}MHz$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $32Bit$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
ISA
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $8,\overline{3}MHz$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $16Bit$
\end_inset
\end_inset
|
\end_inset
\newline
Busbreite hier die Datenbusbreite, die Anzahl der gleichzeitig übertragenen
Datenbits.
In der Regel dauert eine Datenübertragung einen Bustakt.
Es gibt im Serverbereich auch PCI-Varianten mit
\begin_inset Formula $66,\overline{6}MHz$
\end_inset
,
\begin_inset Formula $100MHz$
\end_inset
und
\begin_inset Formula $64Bit$
\end_inset
Busbreite.
\layout Description
BIOS Basis Input Output System.
Ein ROM-Baustein.
Das BIOS enthält einfache Routinen, die die Peripherie beim Hochfahren
des Systems ermitteln und dann versuchen, das Betriebsystem von Diskette
oder Festplatte, CD-ROM oder Netzwerk zu booten.
Moderne BIOS sind als Flash-BIOS ausgeführt, die enthaltenen Routinen können
also als Software ersetzt werden.
\layout Description
DIMM Dual Inline Memory Module.
Dies sind Speichermodule.
Die Anschlüsse heißen Kamm.
Auf einem Modul sind 8-9 Speicherchips enthalten und ein winziger SPD-Chip
(Serial Presence Detect).
Aus diesem Chip liest das BIOS die Speicherdaten aus.
\layout Description
SIMM Single Inline Memory Module.
Sog.
PS/2-SIMM, ein Speichermodul bei dem im logischen Sinn nur eine Seite besetzt
ist.
DIMMs kombinieren zwei solcher Module auf einer Platine.
\layout Description
MM Main Memory.
Der Prozessor kann 4 GB adressieren; Linux kann diese 4 GB nutzen, Windows
2000 oder XP max.
2 GB, Win9x max.
512 MB.
\layout Description
CPU Central Processing Unit.
\layout Description
DIP Dual Inline Package
\begin_inset Foot
collapsed true
\layout Standard
Dual bezeichnet hier die Form des Bausteins, nämlich einen Chip mit zwei
Reihen Beinchen.
\end_inset
.
Kleine Schalter zur Konfiguration der Multiplikatoren für Bustakt, CPU-Takt
usw..
Der Grundtakt ist dabei der Frontsidebus-Takt (Takt des Busses zwischen
CPU und North Bridge).
Die Aufgabe der DIPs wird heute oft durch das BIOS übernommen.
\layout Description
NB North Bridge.
Bei Intel MHC: Memory Controller Hub.
Ein Schnittstellenbaustein, der die gesamte Kommunikation der CPU mit den
anderen Komponenten steuert.
Früher als Buscontroller bezeichnet.
Die Bezeichnung MCH zeigt, dass es sich hier um einen Sternverteiler
\begin_inset Foot
collapsed true
\layout Standard
engl.
hub, eigtl.
Radnabe, an der die Speichen montiert sind.
\end_inset
handelt, der u.a.
die Speichersteuerung enthält.
\layout Description
SB South Bridge.
Bei Intel ICH: Input Output Controller Hub.
Schnittstellenbaustein zur Peripherie.
\layout Description
EIDE Manchmal auch IDE, eigentlich der frühere Name: Intelligent Drive Electroni
cs.
Diese Steuerungselektronik war früher im PC, jetzt auf der Festplatte eingebaut.
Anschluss für die Festplatten.
DOS konnte nur 2 Festplatten und 512 MB pro Festplatte verwalten; der entsprech
ende Standard IDE wurde also geändert, so dass 4 Festplatten mit mehr Platz
verwaltet werden konnten: EIDE, Extended Integrated Drive Electronics.
Eine weitere Bezeichnung ist Fast ATA: Fast Advanced Technology Atachment.
An den EIDE-Controller können pro Stecker 2 Festplatten und ATAPI-Geräte
(CD-ROM, Brenner, DVD, Tape) angeschlossen werden, insgesamt also 4 Geräte.
Die IDE-Schnittstellen waren zu Anfang nur für Festplatten gedacht.
Früher gab es den SCSI-Bus für Großrechner - jedes Gerät wie Scanner oder
Drucker wurden zuerst für SCSI gebaut, waren also für die meisten PC-Besitzer
nicht verfügbar.
Man nahm also SCSI-Geräte, entfernte Intelligenz und fügte Verpackung hinzu,
um sie an den IDE-Anschluss anzuschließen: AT Atachment Package Interface.
\newline
Ein großer Nachteil von IDE ist: die Geschwindigkeit der Geräte an einem
IDE-Kabel richtet sich immer nach dem langsamsten Gerät.
Hat man nur eine Festplatte und ein CD-ROM, schließt man diese natürlich
an unterschiedliche Controller an.
Weiterer Nachteil: Der Hauptspeicher wird immer als Puffer benutzt, auch
wenn zwischen zwei EIDE-Geräten kopiert wird, selbst am gleichen Kabel.
SCSI-Geräte können dagegen als Bus-Geräte direkt miteinander kommunizieren,
so dass bei Datensicherungen weder Hauptspeicher noch Rechenleistung blockiert
werden.
\layout Description
AT Die Buchstaben AT in vielen Bezeichungen wie ATAPI, Fast ATA stammen
vom PC AT (
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
Advanced Technology
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
) von IBM.
\layout Description
SCSI Small Computer System Interface.
Gesprochen »SCASI«; erfunden von Sugart Association als SASI; die Firma
wurde aufgekauft und der Bus in SCSI umbenannt, die Amerikaner sprachen
es in Anlehnung an SASI aber SCASI aus.
Um mehr als 4 Festplatten im PC anzuschließen, verwendet man einen oder
mehrere SCSI-Controller in PCI-Slots.
Man kann auch einen RAID-Controller verwenden, woran allerdings nur Festplatten
angeschlossen werden können.
IDE, SCSI und RAID können gleichzeitig in einem System vorhanden sein.
\newline
SCSI ist ein Bussystem, genauer ein Netzwerk.
Es gibt SCSI in 8, 16 und 32 Bit - hier können 7, 15 und 31 Geräte angeschlosse
n werden.
Je mehr Geräte man anschließt, desto kürzer müssen die verbindenden Kabel
sein - deshalb ist es oft besser, mehrere SCSI-Controller zu verwenden.
SCSI-Geräte können sein: Drucker, Scanner, CD-ROM, anderer Computer.
\layout Description
RAID Redundant Array of Independent (früher: Inexpensive) Disks.
RAID-Verfahren im PC-Bereich:
\begin_deeper
\layout Description
RAID0\SpecialChar ~
(Stripping).
Verteilung der Daten worterise auf verschiedene Festplatten.
Bei einer Anforderung liest eine Festplatte zuerst Daten in den Cache,
dann wird der Cache ausgelesen, während die andere Platte Daten in den
Cache liest.
So verdoppelt sich scheinbar die Geschwindigkeit des Plattenzugriffs durch
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
überlappenden Zugriff
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
.
Bei der Anforderung von Daten liest die Platte die Datenblöcke zuerst in
den Festplatten-Cache, die daraus schneller als von der Platte selbst in
den Hauptspeicher transportiert werden können.
Dies geschieht auf Befehl des Prozessors direkt, denn DMA-Festplatten können
Busmaster sein.
\layout Description
RAID1\SpecialChar ~
(Mirroring).
Ein System, das die gleichen Daten auf zwei oder mehr Festplatten gleichzeitig
schreibt (
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
spiegelt
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
) und so die Datensicherheit erhöht.
Die Sicherheit besteht in der geringen Wahrscheinlichkeit, dass beide Platten
gleichzeitig kaputtgehen.
\end_deeper
\layout Description
VLB Vesa Local Bus.
Alte Karten, die einen ISA-Steckplatz und eine VLB-Verlängerung belegen.
VLB war ein direkter Anschluss an die CPU, es wurden einige Steuerleitungen
von ISA mitverwendet.
\layout Paragraph
Boardlayout
\layout Standard
Es gibt im Wesentlichen zwei Motherboard-Typen:
\layout Description
AT Auch in der kleineren Ausführung BAT (Baby AT).
Rein äußerlich daran erkennbar, dass die CPU in der Verlängerung der Slots
platziert ist - die Karten durften deshalb eine bestimmte Länge nicht überschre
iten.
Deshalb wurde ATX entwickelt.
\layout Description
ATX Die CPU sitzt neben den Slots.
Neben dieser äußerlichen Änderung wurden hpts.
Stromspar- und Stromsteuerungsfunktionen eingebaut, darunter Temperaturfühler
für die CPU.
Diese Boards passen nicht in die AT-Gehäuse.
\layout Paragraph
Externe Schnittstellen des ATX-Boards
\layout Description
USB universal serial bus.
Eine Schnittstelle, die nahezu alle anderen Schnittstellen ersetzen soll.
Typisch für USB ist, dass man ein Gerät an das andere anschließen kann.
USB ist von der Topologie
\begin_inset Foot
collapsed true
\layout Standard
Geometrische Struktur eines Netzwerks.
\end_inset
her kein Bus, sondern ein hierarchischer Baum (vgl.
Abbildung
\begin_inset LatexCommand \ref{Abb_USB-Topologie}
\end_inset
).
Dazu gibt es an der Wurzel des Baums einen Steuerbaustein (
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
root
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
-Chip), der alle Geräte im Baum abfragt.
An einen USB-Port können Geräte und Hubs angeschlossen werden; Geräte können
auch gleichzeitig Hubs sein.
Es gibt USB in 2 Geschwindigkeiten:
\begin_deeper
\layout Description
USB1.1 12MBit/s
\layout Description
USB2.0 480MBit/s.
Verfügbar seit Ende 2002.
Diese Geschwindigkeit reicht aus, um auch Festplatten usw.
daran anschließen zu können.
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_USB-Topologie}
\end_inset
Topologie des USB
\end_inset
\end_deeper
\layout Description
FireWire Auch IEEE 1394 genannt.
Geschwindigkeit bisher 400MBit/s, genormt auch für höhere Geschwindigkeiten.
Zu FireWire gibt es im Gegensatz zu USB schon viele Geräte, auch externe
Festplatten.
FireWire ist eine Standardschnittstelle bei Apple-Computern und damit die
Konkurrenz zu USB von Intel.
Hinweis: Der ilink an Sony-Digitalkameras ist FireWire.
\layout Description
LAN local area network.
Meist ein Anschluss für ein Netzwerk mit Ethernet-Topologie.
Das bedeutet: Alle Geräte sind an den Ethernet-Bus angeschlossen, der Ethernet-
Bus besteht aus einem einzigen Kabel.
Heute bringt man den gesamten Bus in einem Hub unter und schließt die Geräte
alle an den Hub an.
Switches (aktive Hubs) verhindern z.B.
Kollisionen.
\layout Description
COM communication interface.
Serielle Schnittstelle.
Werden in naher Zukunft wohl nicht mehr vorhanden sein.
Alte COM-Schnittstellen haben 25 Pins, neue 9 Pins.
Bisher wird hier das externe Modem angeschlossen.
\layout Description
LPT line printer.
Die Druckerschnittstelle, auch Parallelschnittstelle genannt.
\layout Description
Joystick Eine Schnittstelle mit 15 Löchern, auch Game Port.
\layout Description
Sound Es können bis zu 5 Aus- und Eingänge mit 3,5mm-Klinkenstecker vorhanden
sein.
\layout Subsubsection
Arithmetik
\layout Standard
Der Prozessor des PC beherrscht 3 Arten von Arithmetik:
\layout Itemize
Integer-Arithmetik.
Hauptsächlich gedacht für die Adressrechnung im Betriebssystem.
In C++ durch den Datentyp int verfügbar.
\layout Itemize
Fließkommaarithmetik.
In C++ durch den Datentyp float verfügbar.
\layout Itemize
Festkommaarithmetik (Dezimalzahlenarithmetik).
Wichtig für kaufmännische Anwendungen, in C++ nicht verfügbar, jedoch in
COBOL.
\layout Section
Historie der PC-Entwicklung
\layout Description
1981 IBM PC (
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
personal computer
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
) mit einem 8086-Prozessor (16Bit-Prozessor), später einem 8088-Prozessor
(8Bit-Prozessor, intern 16Bit-Prozessor).
Die CPU kontte also intern maximal 16Bit lange Integerzahlen verarbeitet
werden.
\lang english
\lang german
Der Prozessortakt betrug max.
10MHz.
\newline
Daten (beim 8086 16Bit breit, beim 8088 8Bit breit) und Adressen (20Bit
breit) wurden gemuxt (
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
gemultiplext
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
), d.h.
abwechselnd über die gleiche Leitung übertragen, so dass 16 der 20 Adressleitun
gen auch für Datenübertragung verwendet wurden.
\newline
Mit 20 Adressbits konnte maximal
\begin_inset Formula $2^{20}\textrm{Byte}=1\textrm{MByte}$
\end_inset
Hauptspeicher adressiert werden.
Dieser erste PC hatte keine Festplatte, sondern ein Magnetband oder ein
Diskettenlaufwerk.
\layout Description
1981 Die ersten Grafikkarten für den PC, eine von IBM und eine von Hercules.
\layout Description
1983 IBM PC-XT (
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
extended technology
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
).
Erweiterungen gegenüber dem IBM PC waren Diskettenlaufwerk und Festplatte
standardmäßig.
Der XT-Steckplatz (größerer Teil des ISA-Steckplatzes) existiert bis heute
- er ist nur 8Bit breit, denn die Peripherie wurde bisher nur mit 8Bit
bedient.
\layout Description
1984 IBM PC-AT (
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
advanced technology
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
) mit einem 80286-Prozessor.
Dies war ebenfalls ein 16Bit-Prozessor, Daten (16Bit breit) und Adressen
(24Bit breit) waren jedoch getrennt.
Dadurch konnten Daten und Adressen zum Abspeichern in den Hauptspeicher
gleichzeitig übertragen werden! Der 80286 war mit bis zu 25MHz deutlich
schneller als der 8086.
\newline
Mit 24 Adressbits konnte maximal
\begin_inset Formula $2^{24}\textrm{Byte}=2^{4}\cdot 2^{20}\textrm{Byte}=16\textrm{MByte}$
\end_inset
Hauptspeicher adressiert werden.
\newline
Die elektrischen Eigenschaften des PC-AT wurden erst 1990 von der ISA-Gruppe
um Compaq (ohne IBM) genau spezifiziert; der Bus heißt seitdem auch ISA-Bus.
Er wurde mit
\begin_inset Formula $8,\overline{3}$
\end_inset
MHz getaktet und hatte nun auch 16Bit Datenbusbreite bis in die Slots.
\layout Description
1985 Intel entwickelte den 80386-Prozessor.
Das war der größte Entwicklungsschritt in der Firma Intel.
Der 80386 war ein 32Bit-Prozessor.
Daten- und Adressleitungen waren jeweils 32Bit breit (d.h: 4GB Adressraum),
der Prozessortakt betrug bis zu
\begin_inset Formula $33,\overline{3}$
\end_inset
MHz.
Das Problem: die AT-Architektur war für den 80386, eine Art
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
Großrechner im PC
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
nicht geeignet.
Es gab 4 realisierte inkompatible Vorschläge für eine neue Architektur:
\begin_deeper
\layout Description
1987 MicroChannel-Architektur (MCA) von IBM.
Es entstand der PS/2-PC - er scheiterte, da er nicht kompatibel war mit
der AT-Architektur.
\layout Description
1990 EISA (
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
extended ISA
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
) von der ISA-Gruppe.
EISA ist ein 32Bit-Bus, der zu ISA kompatibel, aber zu teuer war.
Bis heute wird EISA in manchen Servern verwendet.
\layout Description
1992 VLB (
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
VESA local bus
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
) von der VESA, einer Vereinigung von Bildschirm- und Grafikkartenherstellern.
Dies war vorübergehend die beste Lösung, denn sie war für Grafikkarten
die schnellste und beste Lösung.
VLB war aber fpr Prozessoren mit mehr als
\begin_inset Formula $66,\overline{6}\textrm{Mhz}$
\end_inset
nicht geeignet.
\layout Description
1993 PCI-Bus von Intel.
Dies war eine preiswerte, zuerst zusätzliche Lösung, die die anderen inkompatib
len Architekturen allmählich verdrängte.
Der PCI-Bus war so preiswert, weil er mit nur 32 Leitungen auskam, im Gegensatz
zu 64 Leitungen bei den anderen Architekturen: Adressen und Daten wurden
durch Burst-Fähigkeit gemultiplext.
Außerdem bediente PCI nur 32Bit-Peripherie (keine Abwärtskompatibilität
zu XT und ISA-Bus).
\end_deeper
\layout Section
Kommunikation zwischen den Bausteinen des Mainboards
\layout Paragraph
Definitionen
\layout Description
Chipsatz Bestehend aus North Bridge (bei Intel: MCH) und South Bridge (bei
Intel: ICH).
\layout Description
Chipsatz\SpecialChar ~
im\SpecialChar ~
weiteren\SpecialChar ~
Sinne Alle Chips auf dem Mainboard außer Hauptspeicher
und CPU.
\layout Paragraph
Kommunikation beim Chipsatz Intel i845D
\layout Standard
Dies ist ein Chipsatz für Pentium4-Prozessoren und DDR-SDRAM.
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_Chipsatz-i845D}
\end_inset
\end_inset
Der führende Takt ist i.d.R.
der FSB-Takt, alle andere Takte inkl.
dem Prozessortakt werden daraus generiert.
Besprechung der hier verwendeten gängigen Bussysteme:
\layout Standard
\begin_inset Tabular
\begin_inset Text
\layout Standard
Bus
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
Grundtakt
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
Datenbusbreite
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
AGP
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $66,\overline{6}\textrm{MHz}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $32\textrm{Bit}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
PCI
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $33,\overline{3}\textrm{MHz}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $32\textrm{Bit}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
ISA
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $8,\overline{3}\textrm{MHz}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $16\textrm{Bit}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
FSB
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $100\textrm{MHz}$
\end_inset
,
\begin_inset Formula $133\textrm{MHz}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $64\textrm{Bit}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
M-Bus
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $100\textrm{MHz}$
\end_inset
,
\begin_inset Formula $133\textrm{MHz}$
\end_inset
,
\begin_inset Formula $166\textrm{MHz}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $64\textrm{Bit}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
Rambus
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $16\textrm{Bit}$
\end_inset
,
\begin_inset Formula $32\textrm{Bit}$
\end_inset
\end_inset
|
\end_inset
\layout Standard
Der PCI-Bus existiert in sehr unterschiedlichen Varianten, nämlich in
\begin_inset Formula $66,\overline{6}\textrm{Mhz}$
\end_inset
,
\begin_inset Formula $100\textrm{MHz}$
\end_inset
und
\begin_inset Formula $133\textrm{MHz }$
\end_inset
und mit
\begin_inset Formula $64\textrm{Bit}$
\end_inset
.
Schnelle PCI-Busse haben weniger Slots, so dass man ggf.
PCI-to-PCI-Bridges verwenden muss, um weitere Slots zu erhalten.
Eine gängige Entwicklungsrichtung ist die Einführung serieller Bussysteme,
weil hohe Bustakte bei Parallelbussen zu Problemen führen, denn die Bits
kommen aufgrund von Unerschieden in der Leitungslänge zu unterschiedlicher
Zeit an.
Zur Geschwindigkeitssteigerung serieller Busse verwendet man Mehrkanalübertragu
ng (mehrere serielle Kanäle gleichzeitig)\SpecialChar \@.
\layout Standard
Es gibt Ausnahmen, bei denen ein Takt nicht vom FSB-Takt abgeleitet wird.
Solche Takte nennt man asynchron.
Die Übertragungsrate ist in der Regel ein Vielfaches des Bustaktes.
Moderne Motherboards können im BIOS übertaktet werden, d.h.
der FSB-Takt wird erhöht.
Welcher Takt im BIOS für FSB eingestellt werden kann hängt davon ab, welche
Takte der Prozessor unterstützt.
\layout Standard
Der Memory-Bus kann heute, je nach Chipsatz, schneller sein als der FSB;
das ringt für die Performance des Rechners eigentlich nichts.
Es ist ein Marketingargument, das nicht aufgeht.
Empfehlung: man kaufe stets das vorletzte Modell; das ist wesentlich billiger
und reicht noch lange aus.
\layout Description
Burst-Mode Eine Blockübertragungsart, zu der alle Busse außer ISA fähig
sind.
Angefordert wird durch die Adresse der ersten Datums (in Busbreite), es
wird daraufhin ein Block von immer 4 Daten übertragen.
Empfänger und Sender zählen die Adressen selbst hoch.
Beim FSB werden so also 32 Byte in einem Block übertragen.
Beim Memory-Bus können die Burst-Anforderungen in bestimmten Situationen
so überlagert werden, dass zwischen zwei Bursts keine zeitliche Lücke besteht
(aufgrund Adressübertragung).
Eine Folge von Bursts erscheint dann als Folge von Bursts in der Form 3-1-1-1-1
-1-1-1-1-\SpecialChar \ldots{}
.
Bezeichnungsbeispiel:
\begin_deeper
\layout Description
3-1-1-1 Das erste Datum benötigt 3 Takte (wegen Adressübertragung), jedes
weitere Datum 1 Takt.
\end_deeper
\layout Description
Burstlänge Anzahl der Daten (in Busbreite), die zu einem Burst gehören.
Üblich sind Bursts der Länge 4, d.h.
16 Byte bei PCI, 32 Byte bei FSB.
Man muss nämlich Puffer in voller Burstlänge zur Verfügung stellen (denn
Busse können parallel zueinander arbeiten und müssen ggf.
Daten zwischenspeichern), was Geld kostet.
Deshalb macht man Bursts nicht beliebig lang.
\layout Description
Übertragungsrate Jeder Bus besitzt einen Grundtakt (sog.
Bustakt) und einen Übertragungstakt, der ein ganzzahliges Vielfaches
\begin_inset Formula $\alpha $
\end_inset
des Grundtaktes ist.
Dieses
\begin_inset Formula $\alpha $
\end_inset
heißt Übertragungsrate.
\begin_deeper
\layout Description
SDR single data rate.
Ein Datum (in Busbreite) je Bustakt wird übertragen, d.h.
immer bei positiver Taktflanke.
Beispiel: AGP
\begin_inset Formula $1\times $
\end_inset
.
\layout Description
DDR double data rate.
Zwei Daten (in Busbreite) je Bustakt werden übertragen, d.h.
sowohl zur positiven als auch zur negativen Taktflanke.
Beispiel: AGP
\begin_inset Formula $2\times $
\end_inset
\layout Description
QDR quad data rate
\begin_inset Foot
collapsed true
\layout Standard
bei Intel: quad pumped data rate
\end_inset
.
Vier Daten (in Busbreite) je Bustakt werden übertragen, unter Verwendung
eines doppelt schnellen Hilfstaktes (vgl.
Abbildung
\begin_inset LatexCommand \ref{Abb_QDR}
\end_inset
).
Beispiel: AGP
\begin_inset Formula $4\times $
\end_inset
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_QDR}
\end_inset
\end_inset
\layout Description
Achtfache\SpecialChar ~
Datenrate
\begin_inset Formula $8\times $
\end_inset
.
Beispiel: AGP
\begin_inset Formula $8\times $
\end_inset
.
\end_deeper
\layout Paragraph
Bezeichnungen hinsichtlich der Übertragungsrate.
\layout Description
FSB \SpecialChar ~
\newline
\begin_inset Tabular
\begin_inset Text
\layout Standard
Bezeichnung
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
FSB-Takt
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
Übertragungs-Rate
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
unterstützende Prozessoren
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
FSB200
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
100MHz
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
DDR
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
AMD: Athlon XP, Duron
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
FSB266
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
133MHz
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
DDR
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
AMD: Athlon XP, Duron
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
FSB333
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $166,\overline{6}\textrm{MHz}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
DDR
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
AMD: Athlon XP, Duron
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
FSB400
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
100MHz
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
QDR
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
Intel Pentium4
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
FSB533
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
133MHz
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
QDR
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
Intel Pentium4
\end_inset
|
\end_inset
\layout Description
M-Bus für DDR-SDRAM
\newline
\begin_inset Tabular
\begin_inset Text
\layout Standard
Bezeichnung
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
M-Bus-Takt
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
Übertragungs-Rate
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
DIMM-Name
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
alternativer Name
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
DDR200
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
100MHz
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
DDR
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
DDR PC200
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
PC 1600
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
DDR266
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
133MHz
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
DDR
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
DDR PC266
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
PC 2100
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
DDR333
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $166,\overline{6}\textrm{MHz}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
DDR
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
DDR PC333
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
PC 2700
\end_inset
|
\end_inset
\layout Standard
Die Übertragungsrate in
\begin_inset Formula $MByte/s$
\end_inset
für DDR266 beträgt:
\layout Itemize
M-Bus-Breite:
\begin_inset Formula $64Bit=8Byte$
\end_inset
\layout Itemize
\begin_inset Formula $266,\overline{6}MHz\cdot 8Byte=2133MByte/s$
\end_inset
(deshalb die Bezeichnung PC 2100)
\layout Standard
Die Module für RAMBUS heißen nicht DIMM, sondern RIMM.
\layout Part
Schaltnetze: Verdrahtete Logik
\layout Section
Schaltalgebra
\layout Standard
Dies entspricht dem Stoff der mathematischen Aussagenlogik.
\layout Subsection
Grundoperationen der Schaltalgebra
\layout Subsubsection
UND
\layout Description
ISO-Schaltsymbol Siehe Abbildung
\begin_inset LatexCommand \ref{Abb_SchaltsymbolUND}
\end_inset
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_SchaltsymbolUND}
\end_inset
UND, AND
\end_inset
\layout Description
Formulierung
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
\begin_inset Formula $a=1$
\end_inset
, wenn
\begin_inset Formula $e_{0}=1$
\end_inset
und «.
Im englischen Sprachraum als
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
Produkt
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
bezeichnet und deshalb geschrieben als
\begin_inset Formula $a=e_{0}\cdot e_{1}$
\end_inset
.
\layout Description
logischer\SpecialChar ~
Ausdruck
\begin_inset Formula $a=e_{0}\wedge e_{1}$
\end_inset
\layout Description
Tabelle
\begin_inset Tabular
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $e_{1}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $e_{0}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $a$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\end_inset
\layout Subsubsection
ODER
\layout Description
ISO-Schaltsymbol Siehe Abbildung
\begin_inset LatexCommand \ref{Abb_SchaltsymbolODER}
\end_inset
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_SchaltsymbolODER}
\end_inset
ODER, OR
\end_inset
\layout Description
Formulierung
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
\begin_inset Formula $a=1$
\end_inset
, wenn mindestens eine
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
anliegt«
\layout Description
logischer\SpecialChar ~
Ausdruck
\begin_inset Formula $a=e_{0}\vee e_{1}$
\end_inset
.
Im englischen Sprachraum geschrieben als
\begin_inset Formula $a=e_{0}+e_{1}$
\end_inset
und deshalb auch als Summe bezeichnet.
\layout Description
Tabelle
\begin_inset Tabular
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $e_{1}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $e_{0}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $a$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\end_inset
\layout Subsubsection
NICHT
\layout Description
ISO-Schaltsymbol Siehe Abbildung
\begin_inset LatexCommand \ref{Abb_SchaltsymbolNICHT}
\end_inset
.
Man unterscheidet interne und externe Zustände der Ausgänge.
Der
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
Inverterkreis
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
(inverter bubble) invertiert den internen Ausgang und führt zum externen
Ausgang.
Die internen Zustände sind in der ISO-Kastenlogik all das, was im Kasten
selbst geschieht.
Die elementaren Gatter in der Realität sind NAND und NOR, d.h.
AND und OR bestehen aus NAND bzw.
NOR und einem zusätzlichen Inverter!
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_SchaltsymbolNICHT}
\end_inset
NICHT, NOT
\end_inset
\layout Description
Formulierung
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
\begin_inset Formula $a=0$
\end_inset
, wenn
\begin_inset Formula $e=1$
\end_inset
«.
NOT wird auch Komplement, Negator, Invertierer genannt.
\layout Description
logischer\SpecialChar ~
Ausdruck
\begin_inset Formula $a=\overline{e}$
\end_inset
.
Hier handelt es sich im Gegensatz zu AND, OR um einen unären Operator.
\layout Description
Tabelle
\begin_inset Tabular
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $e$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $a$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\end_inset
\layout Subsection
Grundgesetze der Schaltalgebra
\layout Standard
Diese Grundgesetze sind mit Hilfe der Tabellen, mit denen die Grundoperationen
der Schaltalgebra eingeführt wurden, durch Nachrechnen beweisbar.
\layout Enumerate
Assoziativgesetze
\begin_inset Formula \[
a\wedge \left(b\wedge c\right)=\left(a\wedge b\right)\wedge c\]
\end_inset
\begin_inset Formula \[
a\vee \left(b\vee c\right)=\left(a\vee b\right)\vee c\]
\end_inset
\layout Enumerate
Kommutativgesetze
\begin_inset Formula \[
a\wedge b=b\wedge a\]
\end_inset
\begin_inset Formula \[
a\vee b=b\vee a\]
\end_inset
\layout Enumerate
Distributivgesetze.
Es kann auch auf ganze Teilformeln angewandt werden.
\begin_inset Formula \[
a\wedge \left(b\vee c\right)=\left(a\wedge b\right)\vee \left(a\wedge c\right)\]
\end_inset
\begin_inset Formula \[
a\vee \left(b\wedge c\right)=\left(a\vee b\right)\wedge \left(a\vee c\right)\]
\end_inset
\layout Enumerate
Absorptionsgesetze
\begin_inset Formula \[
a\wedge \left(b\vee a\right)=a\]
\end_inset
\begin_inset Formula \[
a\vee \left(b\wedge a\right)=a\]
\end_inset
\layout Enumerate
Eigenschaften von
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
und
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\newline
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
ist neutrales Element bezüglich OR:
\begin_inset Formula \[
a\vee 0=a\]
\end_inset
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
ist neutrales Element bezüglich AND:
\begin_inset Formula \[
a\wedge 1=a\]
\end_inset
Es gibt kein inverses Element:
\begin_inset Formula \[
a\wedge 0=0\]
\end_inset
\begin_inset Formula \[
a\vee 1=1\]
\end_inset
\layout Enumerate
Eigenschaften des Komplements
\begin_inset Formula \[
a\vee \overline{a}=1\]
\end_inset
\begin_inset Formula \[
a\wedge \overline{a}=0\]
\end_inset
\layout Enumerate
Idempotenz
\begin_inset Formula \[
a\vee a=a\]
\end_inset
\begin_inset Formula \[
a\wedge a=a\]
\end_inset
\layout Enumerate
Doppelte Negation
\begin_inset Formula \[
\overline{\overline{a}}=a\]
\end_inset
\layout Enumerate
Regeln von DeMorgan
\begin_inset Formula \[
\overline{a\vee b}=\overline{a}\wedge \overline{b}\]
\end_inset
\begin_inset Formula \[
\overline{a\wedge b}=\overline{a}\vee \overline{b}\]
\end_inset
\layout Subsection
Verkürzende Schreibweisen
\layout Standard
In dieser Veranstaltung gilt: durch Vereinbarung bindet AND stärker als
OR.
DIN-Normen legen jedoch fest, dass AND und OR gleiche Priorität haben und
deshalb die Klammern nicht weggelassen werden dürfen.
In dieser Veranstaltung werden Klammern für je ein Gatter verwendet.
\layout Standard
\begin_inset Formula \[
x_{1}x_{2}x_{3}\vee x_{2}\overline{x_{3}}x_{4}x_{5}\hat{=}\left(x_{1}\wedge x_{2}\wedge x_{3}\right)\vee \left(x_{2}\wedge \overline{x_{3}}\wedge x_{4}\wedge x_{5}\right)\]
\end_inset
Für diese Veranstaltung sind folgende Absorptionsgesetz von großer Wichtigkeit.
Mit Rückwärtsanwendung des Distributivgesetzes gilt:
\begin_inset Formula \[
wa\vee w\overline{a}=w\left(a\vee \overline{a}\right)=w1=w\]
\end_inset
\begin_inset Formula \[
\left(w\vee a\right)\wedge \left(w\vee \overline{a}\right)=w\vee \left(a\wedge \overline{a}\right)=w\vee 0=w\]
\end_inset
\layout Subsection
Binäre Schaltzeichen nach DIN 40900 Teil 12
\layout Standard
\begin_inset Note
collapsed true
\layout Standard
Ergänze: in der Veranstaltung ausgeteiltes Blatt
\layout Standard
»Binäre Schaltzeichen nach DIN 40900 Teil 12«
\end_inset
Die Äquivalenz heißt auch NEXOR, weil sie das negierte EXOR ist.
\layout Subsubsection
EXOR
\layout Description
ISO-Schaltsymbol Siehe Abbildung
\begin_inset LatexCommand \ref{Abb_SchaltsymbolODER}
\end_inset
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_SchaltsymbolXOR}
\end_inset
EXOR, XOR
\end_inset
\layout Description
Formulierung
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
\begin_inset Formula $a=1$
\end_inset
, wenn genau eine
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
anliegt«
\layout Description
logischer\SpecialChar ~
Ausdruck
\begin_inset Formula $a=e_{0}\oplus e_{1}$
\end_inset
Das Zeichen
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
\begin_inset Formula $\oplus $
\end_inset
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
wird verwendet, weil XOR die binäre Addition ohne Übertrag (d.h.
eine eingeschränkte Addition) ist.
\layout Description
Tabelle
\begin_inset Tabular
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $e_{1}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $e_{0}$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $a$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\end_inset
\layout Subsubsection
NOR
\layout Standard
Nach DeMorgan gilt folgende Umformung des NOR:
\begin_inset Formula $a=\overline{e_{1}\vee e_{0}}=\overline{e_{1}}\wedge \overline{e_{0}}$
\end_inset
.
Somit kann ein NOR aus einem AND mit invertierten Eingängen realisiert
werden.
\layout Subsubsection
NAND
\layout Standard
Nach DeMorgan gilt folgende Umformung des NAND:
\begin_inset Formula $a=\overline{e_{1}e_{0}}=\overline{e_{1}}\vee \overline{e_{2}}$
\end_inset
.
Somit kann ein NAND aus einem OR mit invertierten Eingängen realisiert
werden.
\layout Subsubsection
Verallgemeinerung der Schaltzeichen
\layout Standard
AND und OR dürfen auch mehr als 2 Eingänge haben.
Schreibweise und Bedeutung des Symbols ändern sich nicht.
Die Kastenlogik kann in der Art verallgemeinert werden, dass Schaltzeichen
mit beliebigen Beschriftungen möglich sind, die die Anzahl der Eingänge
angeben müssen, die
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
sein müssen, damit der Ausgang
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
wird.
Dabei verwendet man für die Anzahl der Eingänge in solchen Beschriftungen
stets den Buchstaben
\begin_inset Formula $n$
\end_inset
, für einen Buchstaben
\begin_inset Formula $m$
\end_inset
muss im Anwendungsfall eine feste Zahl eingesetzt werden.
\layout Standard
Ein XOR-Element hat immer genau
\begin_inset Formula $2$
\end_inset
Eingänge.
Hat es mehr, bezeichnet man es als
\begin_inset Formula $m$
\end_inset
-aus-
\begin_inset Formula $n$
\end_inset
-Element.
\layout Standard
Ein Paritätsbit ist ein zusätzliches Bit bei der Nachrichtenübertragung
zur Fehlerkorrektur.
Gerade Parität bedeutet, dass das Paritätsbit die übertragenen Bits auf
gerade Anzahl von
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
en ergänzt - hier wird das Paritätsbit mit einem Imparitätselement erzeugt.
Ungerade Parität bedeutet, dass das Paitätsbit die übertragenen Bits auf
ungerade Anzahl von
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
en ergänzt - hier wird das Paritätsbit mit einem Paritätselement erzeugt.
Mit Paritätsbits kann man lediglich Ein-Bit-Fehler erkennen - das reicht
meist aus, weil die Wahrscheinlichkeit, dass gleich zwei Bit auf einmal
erfälscht wurden, sehr gering ist.
\layout Standard
Bitverfälschungen entstehen durch Zerfall von Atomen in der Chip-Hülle oder
durch störende Spannungen bei der Übertragung.
\layout Subsection
Logische Funktionen und Schaltnetze
\layout Paragraph
Logischer Ausdruck
\layout Standard
Sei
\begin_inset Formula $X=\left\{ x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n}\right\} $
\end_inset
eine Menge binärer Variablen (d.h.
\begin_inset Formula $x_{i}$
\end_inset
kann den Wert
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
oder
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
annehmen).
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
,
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
,
\begin_inset Formula $x_{i}$
\end_inset
sind (atomare) logische Ausdrücke.
Sind
\begin_inset Formula $a$
\end_inset
und
\begin_inset Formula $b$
\end_inset
logische Ausdrücke, so auch
\begin_inset Formula $\overline{a}$
\end_inset
,
\begin_inset Formula $\left(a\right)$
\end_inset
,
\begin_inset Formula $a\vee b$
\end_inset
,
\begin_inset Formula $a\wedge b$
\end_inset
.
\layout Paragraph
Logische Funktion
\layout Standard
Eine Abbildung von einer Menge
\begin_inset Formula $m$
\end_inset
-stelliger Binärwörter (
\begin_inset Formula $m$
\end_inset
fest!) in die Menge
\begin_inset Formula $B=\left\{ 0,1\right\} $
\end_inset
heißt logische Funktion oder Schaltfunktion.
Logische Funktionen werden durch Tabellen oder logische Ausdrücke definiert.
\layout Paragraph
Priorität logischer Operationen
\layout Enumerate
Invertierung
\layout Enumerate
Klammerausdrücke
\layout Enumerate
AND
\layout Enumerate
OR
\layout Paragraph
Beispiele für logische Funktionen
\layout Enumerate
\begin_inset Formula \[
f\left(x,y,z\right)=xy\left(\overline{x}\vee y\right)\vee z\overline{y}\]
\end_inset
\layout Enumerate
\begin_inset Tabular
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $x$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $y$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $z$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $f$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\end_inset
\layout Subsubsection
Umsetzung logischer Funktionen in verdrahtete Schaltnetze
\layout Standard
Jede logische Funktion kann in Hardware (verdrahtete Schaltnetze) oder Software
(programmierte Schaltnetze, Programm mit Speicher) umgesetzt werden.
Alles, was mit Hardware realisierbar ist, ist auch in Software realisierbar.
\layout Paragraph
Beispiel
\layout Standard
Die Klammern sind, von innen nach außen, Bauanleitungen zum Aufbau der Schaltung.
\begin_inset Note
collapsed true
\layout Standard
Ergänze Beispiel aus dem Skript
\end_inset
\layout Part
Rechnerarchitektur 1 bei Prof.
Dr.
Bernd Müller
\layout Section
Einführung in die Rechnertechnik
\layout Subsection
Meilensteine der Computerarchitektur
\layout Itemize
Mechanische Computer
\begin_deeper
\layout Itemize
Blaise Pascal
\layout Itemize
Konrad Zuse
\layout Itemize
Babbage usw.
\layout Itemize
\SpecialChar \ldots{}
\begin_inset Note
collapsed true
\layout Standard
Ergänzungen aus dem Skript nötig
\end_inset
\end_deeper
\layout Itemize
1.
Generation: Vakuumröhren (1945-1955)
\begin_deeper
\layout Itemize
von-Neumann-Maschine
\end_deeper
\layout Itemize
2.
Generation: Transistoren (1955-1965)
\layout Itemize
3.
Generation: Integrierte Schaltungen (1965-1980)
\layout Itemize
4.
Generation: VLSI Integration (1980-?).
Integration mehrerer
\begin_inset Formula $10^{6}$
\end_inset
Transistoren auf einem Chip.
\layout Subsection
Kurze Geschichte der Rechnerentwicklung
\layout Standard
(vgl.
Tabelle im Skript GrdlgInf von Prof.
Schmitt)
\layout Standard
1990: Der RS8000 von IBM war die erste superskalare Maschine, d.h.
hier werden mehrere ALUs in einem Chip integriert.
\layout Standard
Di e Intel-Familie
\layout Itemize
Intel 4004: Taktfrequenz
\begin_inset Formula $0,1\textrm{MHz}$
\end_inset
.
4 Bit Datenbusbreite, d.h.
640 Byte sind adressierbar.
\layout Itemize
Intel 8008: Erster Mikroprozessor mit einem 8-Bit-Datenbus.
\layout Itemize
Mit der heutigen Datenbusbreite von 32 Bit können 4GB Hauptspeicher adressiert
werden.
\layout Subsection
Moore's Law für Intel-Prozessoren
\layout Standard
\begin_inset Note
collapsed true
\layout Standard
ggf.
ergänzen
\end_inset
\layout Subsection
Aufbau eines Rechnersystems
\layout Standard
Koponenten:
\layout Itemize
Eingabegeräte
\layout Itemize
Ausgabegeräte
\layout Itemize
Speichermedien
\layout Itemize
Netzwerkanbindung
\layout Itemize
eigentlicher Rechner
\layout Standard
Alle Komponenten sind an einem Bussystem angeschlossen, sowohl CPU als auch
RAM und Controller für die verschiedenen Peripheriegeräte wie Keyboard,
Maus und Festplatte.
\layout Subsection
Datenpfad in der von-Neumann-Maschine
\layout Standard
Die Werte in Eingaberegistern müssen vor der Ausführung der arithmetischen
Operation in die ALU-Eingangsregister transferiert werden.
Das ALU-Ausgangsregister kann identisch sein mit einem ALU-Eingangsregister.
Die Übertragungen zwischen den verschiedenen Registern werden von einem
Leitwerk durchgeführt.
\layout Subsection
Funktionale Anforderungen an den Systembus
\layout Standard
Ein Busteilnehmer will
\layout Itemize
entweder mit einem anderen Teilnehmer Daten austauschen
\layout Itemize
oder er fordert eine bestimmte Dienstleistung an
\layout Standard
Folgende Anforderungen sind zu realisieren
\layout Itemize
Busanforderung und Busarbitrierung.
Es muss verhindert werden, dass zwei Teilnehmer gleichzeitig auf den Bus
schreiben, weil dann die Daten nicht mehr identifiziert werden können.
\layout Itemize
Interruptanforderung und -verarbeitung.
Damit soll der Computer auf asynchrone (
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
überraschende
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
) Ereignisse wie Tastatureingaben reagieren können.
\layout Standard
Gruppen des Leitungssystems:
\layout Description
Versorgungsbus.
Für Spannungsversorgung und Taktleitungen.
Hauptspannungen +12V, +5,5V, +3,3V.
Wenn z.B.
bei serieller Datenübertragung negative Spannungen benötigt werden, so
erzeugt man sie direkt auf dem jeweiligen Controller mit einem Spannungswandler.
\layout Description
Adressbus.
Dient der Auswahl der am Bus angeschlossenen Geräte.
\layout Description
Datenbus.
Busbreite 1 Bit bei SPS, 8, 16, 32 oder 64 Bit).
Bei 64 Bit Busbreite werden nicht alle Leitungen realsiert.
\layout Description
Steuerbus.
Überträgt die zur Erfüllungd es Busprotokolls notwendigen Steuersignale.
\layout Subsection
Softwarearchitektur
\layout Standard
Schichtenweise von oben nach unten:
\layout Itemize
Anwendung
\layout Itemize
Standardbibliotheken
\layout Itemize
Systemaufruf-Schnittstelle
\layout Itemize
Dateisystem
\layout Itemize
Basisfunktionen
\begin_deeper
\layout Itemize
CPU-Verwaltung
\layout Itemize
Prozessverwaltung
\layout Itemize
Hauptspeicherverwaltung
\layout Itemize
Cache-Verwaltung
\layout Itemize
IPC: inter process communication
\end_deeper
\layout Itemize
Hardware-Abstraktionsschicht.
Dies soll gewährleisten, dass ein Betriebssystem auf unterschiedlichster
Hardware laufen kann.
\layout Itemize
Hardware
\layout Subsection
Der Personalcomputer
\layout Section
Grundkonzept der von Neumann-Architektur
\layout Standard
Nach von Neumann besteht eine Rechenanlage aus 5 Bausteinen:
\layout Itemize
Leitwerk (engl.
control unit)
\layout Itemize
Rechenwerk (engl.
arithmetic logic unit).
Kann logische und arithmetische Verknüpfungen durchführen.
\layout Itemize
Hauptspeicher (engl.
memory), der sowohl die Daten als auch die Anweisungen enthält.
\layout Itemize
Eingabewerk (engl.
input)
\layout Itemize
Ausgabewerk (engl.
output)
\layout Standard
Nach von Neumann werden alle Operationen im Akkumulator durchgeführt, ebenso
finden alle Eingaben und Ausgaben darüber statt.
Bei heutigen Rechnerarchitekturen wird dieses Konzept nicht mehr in dieser
Form angewandt.
\layout Standard
Rechen- und Leitwerk werden realisiert durch ein verallgemeinertes komplexes
Schaltwerk, die CPU (engl.
für central processing unit).
Es muss Datenübertragung zwischen den Komponenten durch einen Bus möglich
sein.
Die Datenbusbreite ist meist gleich der Wortbreite des Prozessors.
Der Bus besteht aus Daten-, Adress- und Steuerleitungen.
Über die Steuerleitungen wird gesteuert, wer Daten senden und empfangen
darf.
Auf den Hauptspeicher kann im Normalfall nur byteweise zugegriffen werden.
Bit: engl.
für binary digit, binäre Ziffer.
\layout Standard
Bestandteile des Leitwerks:
\layout Itemize
Befehlszähler.
Er enthält immer die Speicheradresse des nächsten auszuführenden Befehls.
\layout Itemize
instruction register.
Enthält den Befehl vor der Ausführung.
\layout Itemize
Ablaufsteuerung.
Holt einen Befehl und führt ihn aus und wiederholt diesen Vorgang.
\layout Standard
Im Assembler eines Prozessors gibt es Befehle MOV o.ä., mit denen man einen
Wert aus einem Prozessorregister auf ein E/A-Gerät schreiben kann, d.h.
in das Register dieses Geräts, einen E/A-Port.
Ein sog.
Operationsschritt eines Prozessors dauert im Normalfall einen Taktimpuls.
Ein ADD ax Befehl benötigt z.B.
vier Operationsschritte, ein ADD M (aus dem Hauptspeicher holen, zum Akku
addieren) z.B.
7 Operationsschritte, d.i.
2 Operationszyklen.
Eine Taktfrequenz von 2400MHz heißt also nicht, dass
\begin_inset Formula $2,4\cdot 10^{9}$
\end_inset
Befehle pro Sekunde ausgeführt werden können.
Im Prozessor gibt es shift left und shift right -Befehle, zur Multiplikation
und Division mit
\begin_inset Formula $2$
\end_inset
.
\layout Standard
Bestandteile des Rechenwerks:
\layout Itemize
ALU
\layout Itemize
Registerblock.
Nach der Anzahl der Bits zur Adressierung von Maschinenbefehlen, die in
einem Maschinenwort vorgesehen sind, richtet sich die Anzahl der Register.
\layout Itemize
Statusregister.
Es enthält z.B.
das Carrybit, wenn ein Überlauf stattgefunden hat.
Es enthält je nach Operation weitere Informationen wie: erster Operand
ist kleiner / größer als zweiter Operand, Operanden sind gleich usw.
Das Statusregister ist mit Datenleitungen mit dem Leitwerk verbunden.
Die einzelnen Bits des Statusregisters werden auch Flags genannt; so gibt
es das Carry-Flag, das Divide-by-Zero-Flag usw.
\layout Itemize
Shifter.
In manchen Prozessoren hier eingebaut.
\layout Standard
Das Rechenwerk ist ein
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
universelles Operationswerk
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
, mit dem elementare arithmetische und logische Operationen ausgeführt werden
können.
Register dienen zur Speicherung von Operanden; auf sie ist ein exrem schneller
Zugriff möglich.
Heute kann jedes Register als Ergebnisregister verwendet werden, es gibt
kein speziell ausgezeichnetes Akkumulatorregister mehr.
\layout Standard
Das Leitwerk ist ein umschaltbares Steuerwerk; die Umschaltung zwischen
verschiedenen Steuerungsalgorithmen geschieht durch den Operationscode
(Opcode) der Maschinenbefehle.
\layout Standard
Bei der HARVARD-Arcitektur, die ein paar Jahre nach der von-Neumann-Architektur
entwickelt wurde, gibt es getrennte Speicherbereiche für Maschinenbefehle
und Daten, zur Behebung des von-Neumann-Flaschenhalses.
So nämlich ist der Zugriff auf Befehle und Daten gleichzeitig möglich.
Nahezu alle Mikrocontroller sind nach dieser Architektur aufgebaut.
\layout Standard
Typische Arten von Maschinenbefehlen:
\layout Itemize
Arithmetische und logische Befehle
\layout Itemize
Ein- / Ausgabebefehle
\layout Itemize
Datentransferbefehle
\layout Standard
Maschinenbefehle werden üblicherweise durch Mnemonics dargestellt.
\layout Section
Das Betriebssystem
\layout Standard
Möglichkeiten der Definition:
\layout Itemize
Ein Betriebssystem ist ein komplexes Programmpaket, das dem Benutzer eines
System ermöglicht, die Hardware eines Systems effizient zu nutzen.
Benutzer können Anwender, Administratoren oder auch Anwendungsprogramme
sein.
\layout Itemize
Die Gesamtheit der Software, die die Ausführung von Programmen ermöglicht.
Ein Betriebssystem kann Dienste bereitstellen zur Verwaltung von Betriebsmittel
n, zur Ein- / Ausgabesteuerung und zur Datenverwaltung.
(IEEE Standard Glossary of Information Science).
\layout Standard
Hauptaufgaben des Betriebssystems:
\layout Itemize
Dienstleistungen für den Benutzer
\begin_deeper
\layout Itemize
Bequemer Zugang
\layout Itemize
Abstraktion von der Hardware
\layout Itemize
Verwaltung der Daten
\end_deeper
\layout Itemize
Automatische Steuerung des Rechners
\begin_deeper
\layout Itemize
Verwalten der Ressourcen des Rechners
\layout Itemize
Steuerungd es zeitlichen Ablaufs der Programme
\layout Itemize
Koordination gleichzeitig stattfindender Aktovotäten
\end_deeper
\layout Standard
Was sind die Ressourcen eines Rechners?
\layout Itemize
Hardwareressourcen
\begin_deeper
\layout Itemize
Prozessor.
Das Betriebssystem muss in Multiprozessorsystemen alle Prozessoren beschäftigen.
\layout Itemize
Hauptspeicher
\end_deeper
\layout Itemize
Softwareressourcen
\begin_deeper
\layout Itemize
Daten
\layout Itemize
Anwendugen
\layout Itemize
Prozesse
\layout Itemize
Treiber
\layout Itemize
Protokollstapel (schichtenweise aufgebaut wie bei TCP/IP)
\end_deeper
\layout Standard
Das erste Betriebssystem
\layout Itemize
Programmierer ist das erste Betriebssystem
\layout Itemize
Operator
\layout Itemize
Batchsysteme mit Monitorprogrammen
\layout Itemize
Multiprorammierung
\layout Itemize
Time-Sharing
\layout Itemize
Personal-Computer
\layout Itemize
Spezialsysteme
\begin_deeper
\layout Itemize
Echtzeitsysteme
\layout Itemize
verteilte Systeme
\layout Itemize
Handy-Betriebssysteme
\end_deeper
\layout Standard
Virtuelle Maschine.
Ein Betriebssystem liegt als Software-Schicht über der Hardware und verdeckt
diese.
Aufwändige und immer wiederkehrende Sequenzen von Befehlen, um die Hardware
direkt anzusprechen, werden durch kurze und mächtige Befehle (sog.
Systemaufrufe) an die virtuelle Maschine ersetzt.
Die virtuelle Maschine abstrahiert von Hardware-Details.
Beispiel: Betriebssystemaufrufe von DOS, Ansteuerung der Hardware unter
DOS:
\layout Standard
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_DOS-Aufruf}
\end_inset
Hardwarezugriff durch Anwendungsprogramme
\end_inset
DOS: disk operating system, z.B.
MSDOS.
Der Betriebssystemaufruf geschieht vom Anwendungsprogramm aus durch softwaremäß
ig ausgelöste Interrupts, z.B.
Int 20h, Int 21h.
Das Betriebssystem spricht die Hardware dann dierekt an oder verwendet
seinerseits BIOS-Aufrufe.
Anwendungsprogramme können theoretisch auch direkt über das BIOS auf die
Hardware zugreifen, sogar direkt auf die Hardware - das ist aber nicht
der normale Weg.
Mit Interrupts kann man also sowohl auf Hardware, BIOS, als auch auf Betriebssy
stemfunktionen zugreifen.
Das Einlesen eines Zeichens geschieht z.B.
hardwareunabhängig durch einen Betriebssystemaufruf mit Int 21h.
\layout Standard
Sichtweisen des Betriebssystems
\layout Itemize
Sichtweise des Benutzers eines Rechners.
Er verlangt eine effiziente, einfache Bedienung.
\begin_deeper
\layout Itemize
MMI (man machine interface)
\layout Itemize
GUI (graphical user interface)
\end_deeper
\layout Itemize
Sichtweise des Anwendungsentwicklers.
Eher an Funktionsbibliotheken interessiert.
\begin_deeper
\layout Itemize
API (application programming interface).
\end_deeper
\layout Subsection
Prozesse
\layout Standard
Auf einem Betriebssystem laufen i.A.
mehrere Programme gleichzeitig (Multiprogramming).
Ein Prozess ist dann definiert als ein Programm, das sich gerade in Ausführung
befindet.
Wenn gleichzeitig mehrere Nutzer ein System nutzen können, heißt das
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
Multiuserfähigkeit
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
.
Prozesse sind recht komplexe Obekte:
\layout Itemize
Prozesse können parallel existieren
\layout Itemize
Prozesse können auf gemeinsame Ressourcen zugreifen (synchronisiert durch
das Betriebssystem), z.
B.
Nutzung gemeinsamer Speicherbereiche.
\layout Itemize
Prozesse können neue Prozesse erzeugen (child-process)
\layout Itemize
Prozesse können untereinander kommunizieren (interprocess communication)
\layout Itemize
Prozesse können beendet werden.
\layout Standard
Die Prozessverwaltung ist Aufgabe des Betriebssystems.
Es muss jedem Prozess Programmspeicher zur Verfügung stellen.
Darin befinden sich die Maschinenbefehle (CODE-Segment), statische Daten
in einem reservierten Speichersegment, Anforderung weiteren Speichers (HEAP-Seg
ment, STACK-Segment; dynamisch verwaltet, d.h.
Allozierugng und Freigabe zur Laufzeit).
Das Betriebssystem stellt einen virtuellen Speicher zur Verfügung, d.h.
man kann mit vollen 32bit-Adressen arbeiten, als hätte man 4GB Hauptspeicher.
Das Betriebssystem sorgt dafür, dass der benutzte Speicher auch real beeitgeste
llt wird und ggf.
der Inhalt von Hauptspeicher auf Festplatte ausgelagert wird.
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_Speichersegmente}
\end_inset
\end_inset
Aufgaben des Betriebssystems:
\layout Itemize
Prozessmanagement.
Aufgabe ist die fehlerfreie, zeitlich verschränkte Ausführung der Prozesse.
\begin_deeper
\layout Itemize
Erschaffen und Beenden von Prozessen
\layout Itemize
Unterbrechen aktiver Prozesse
\layout Itemize
Einhalten vorgegebener Antwortzeiten
\layout Itemize
IPC: inter process communication
\layout Itemize
Verwaltung der Prozesse nach Priorität
\begin_deeper
\layout Description
Hintergrundprozesse.
Niedrigste Priotität.
Hier kann sich das Betriebssystem
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
Zeit lassen
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
- es sind Aufgaben, die ohnehin einige Zeit beanspruchen, z.B.
Lesen und Schreiben auf die Festplatte.
\layout Description
Vordergrundprozesse.
Höhere Priorität, hier geht es um Interaktion mit dem Benutzer.
\layout Description
Echtzeitprozesse.
Höchste Priorität, denn hier geht es um zeitkritische Wechselwirkung mit
äußeren Prozessen.
\end_deeper
\end_deeper
\layout Itemize
Kommunikation und Synchronisation.
Nicht nur einzelne Prozesse müssen untereinander kommunizieren, sondern
auch mehrere Rechner.
\begin_deeper
\layout Itemize
Interprozesskommunikation.
\begin_deeper
\layout Itemize
Zwei Prozesse in einem Rechner können über Signale kommunizieren (unterschiedlic
he Signale für unterschiedliche Ereignisse).
\layout Itemize
Zum Datenaustausch ist ggf.
ein gemeinsamer Speicherbereich erforderlich.
Das Betriebssystem muss die zeitliche Abfolge synchronisieren.
\layout Itemize
Auch eine Datei oder eine Pipe eignet sich zum Informationsaustausch.
\layout Itemize
Nachrichten (messages)
\end_deeper
\layout Itemize
Kommunikation meherer Rechner, verteilte Systeme.
Ebenfalls Aufgabe eines modernen Betriebssystems.
\begin_deeper
\layout Itemize
Auch hier kommunizieren zwei Prozesse miteinander, nur befinden sie sich
auf unterschiedlichen Rechnern.
Möglichkeiten der Kommunikation sind Dateien, Pipes, Nachrichten.
\end_deeper
\end_deeper
\layout Itemize
Ressourcen-Management
\begin_deeper
\layout Itemize
Peripheriegeräte verwalten
\layout Itemize
Zugriff auf Dateien mit Hilfe eines Dateisystems koordinieren.
Das Dateisystem beginnt bei einem Hauptverzeichnis, unter dem sich hierarchisch
gegliedert Dateien und weitere Verzeichnisse befinden können.
Jede Datei wird mit einem Pfad durch diesen Verzeichnisbaum bezeichnet.
Dei Bedienung des Dateisystems soll vom Betriebssystem von der Hardware
abstrahiert ermöglicht werden.
\layout Itemize
Verplanen und Bereitstellen des benötigten Hauptspeichers.
Wenn der physisch vorhandene Hauptspeicher nicht ausreicht, müssen Bereiche
in eine Swap-Datei ausgelagert und später wieder eingelagert werden.
Der Hauptspeicher ist physisch byteweise organisiert, zur besseren Verwaltung
und zum Auslesen wird er jedoch meist seitenweise verwaltet (Größe einer
solchen
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
page
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
etwa 4 KB).
\end_deeper
\layout Itemize
Benutzerschnittstelle.
Schnittstelle ist eigentlich die Trennung von zwei (Software, Harware)-Schichte
n.
Schichtenweiser Aufbau:
\begin_deeper
\layout Itemize
Tastatur, Bildschirm.
Zwischen diesen Komponenten und dem Kommandointerpreter liegt die Benutzerschni
ttstelle.
\layout Itemize
Kommandointerpreter (shell).
Die Eigenschaften der Schnittstelle hngen vom verwendeten Kommando-Interpreter
ab, unter *x-Systemen z.B.
csh, bash, tcsh, corn.
\layout Itemize
Betriebssystemkern (kernel).
Die Schnittstelle zwischen Kommandointerpreter und Betriebssystemkern ist
standardisiert.
\end_deeper
\layout Itemize
Netzwerkdienste
\begin_deeper
\layout Itemize
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
Netzwerke verbinden verteilte Systeme
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
.
\layout Itemize
Im Netzwerk besteht eine Sammlung von Prozessen auf verschiedenen Computern,
die also keinen gemeinsamen Speicher teilen.
\layout Itemize
Kommunikationsdienste realisieren die Kommunikation der Prozesse.
Für den Benutzer sollen diese Dienste transparent (unsichtbar) sein - er
soll sich keine Gedanken darüber machen, wo z.B.
im Netz seine Dateien gespeichert werden.
\layout Itemize
Netzbetriebssysteme ermöglichen die gemeinsame Nutzung aller im Netz vorhandenen
Ressourcen.
\end_deeper
\layout Standard
Arten von Prozesszuständen:
\layout Itemize
Durch Interrupts können eigentlich blockierte Prozesse wieder aktiviert
werden; effizienter als Polling.
\begin_inset Float figure
placement htbp
wide false
collapsed false
\layout Caption
\begin_inset LatexCommand \label{Abb_ProzessZustaende}
\end_inset
\end_inset
\layout Standard
Klassifizierung von Betriebssystemen
\layout Itemize
Monolithische Systeme
\layout Itemize
Geschichtete Systeme
\layout Itemize
Dienstorientierte Systeme.
Kleiner Kernel (Micro-Kernel) und Anwendungen in priviliegiertem Modus,
die als Server für Dienstleistungen fungieren.
\layout Part
Aufgabensammlung
\layout Standard
Es folgen Aufgaben von Prof.
Dr.
Eichner mit Quellenangabe und Lösung.
Die Aufgaben sind thematisch geordnet und nicht nach ihren Quellen, so
dass man diese Aufgabensammlung sehr gut verwenden kann, um Lösungsraster
für die Aufgaben in der Klausur aufzufinden.
Die Gliederung in Kapitel setzt sich aus der Gliederung in
\begin_inset LatexCommand \cite{EichnerSkript}
\end_inset
und den durch dieses Dokument gemachten Zusätzen zusammen.
\layout Section
Aufgaben zu »Grundbegriffe des Rechneraufbaus«
\layout Subsection
Grobstruktur
\layout Subsubsection
Wissensfragen zur PC-Hardware
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Wissensfragen zur PC-Hardware
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Hauptspeicher (MM; main memory)
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Magnetbandspeicher
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Festplatte
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Die von\SpecialChar ~
Neumann-Architektur
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Betriebssystem
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Einführung in die Rechnerhardware
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Historie der PC-Entwicklung
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Kommunikation zwischen den Bausteinen des Mainboards
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Section
Aufgaben zu: »Schaltnetze: Verdrahtete Logik«
\layout Subsection
Schaltalgebra
\layout Subsubsection
Beweis einer Formel mit Formeln (Einzeiler)
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Beweis des Assoziativgesetzes
\layout Standard
Quelle:
\begin_inset LatexCommand \cite[H1.1]{EichnerHUeWS2002}
\end_inset
.
Beweisen Sie das Assoziativgesetz:
\begin_inset Formula $a\vee \left(b\vee c\right)=\left(a\vee b\right)\vee c$
\end_inset
.
\layout Standard
Das Gleichheitszeichen zwischen den beiden Formeln ist bewiesen, wenn sie
denselben Werteverlauf haben (also wenn
\begin_inset Formula $\left(a\vee \left(b\vee c\right)\right)\leftrightarrow \left(\left(a\vee b\right)\vee c\right)$
\end_inset
eine Tautologie ist):
\newline
\begin_inset Tabular
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $a$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $b$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $c$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $a\vee \left(b\vee c\right)$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $\left(a\vee b\right)\vee c$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $0$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\begin_inset Text
\layout Standard
\begin_inset Formula $1$
\end_inset
\end_inset
|
\end_inset
\layout Subsubsection
Beweis der Regel von DeMorgan
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Binäre Schaltzeichen
\layout Subsubsection
Schaltzeichen aus Tabelle
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Schaltung in Schaltzeichen (multiple choice)
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Ausgangswert bei gegebener Eingangsbelegung
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Bezeichung von Schaltzeichen / Tabelle in Schaltzeichen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Logische Funktionen und Schaltnetze
\layout Subsubsection
Logischen Ausdruck in Schaltung, ohne Optimierungen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Schaltnetz in logischen Ausdruck, ohne Optimierungen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Aufwand und Geschwindigkeit eines Schaltnetzes
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
logischen Ausdruck in Schaltnetz, ohne Optimierungen; Aufwand und Geschwindigkei
t eines Schaltnetzes; Schaltnetz in logischen Ausdruck
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Schaltung in logischen Ausdruck, ohne Optimierungen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Logischen Ausdruck in Schaltung, ohne Optimierungen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Normalformen
\layout Subsubsection
Funktionen in eine Normalform, Funktionen in Schaltnetze
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Minterm- und Maxtermdarstellung in Lang- und Kurzform ermitteln
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Normalformtyp und Länge einer Schaltfunktion
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
KV-Diagramme
\layout Subsubsection
Primterme über KV-Diagramm, Arten dieser Primterme
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
DMFn durch KV-Diagramm, Funktion im KV-Diagramm gegeben
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Disjunktive Minimalformen aus KV-Diagramm
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Mintermdarstellung aus KV-Diagramm
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Funktion in KV-Diagramm darstellen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Durch KV-Diagramm: Kernprimterme, eliminierbare Primterme, disjunktive Minimalfo
rmen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Verfahren von Quine-McCluskey
\layout Subsubsection
AND/OR-Minimalformen über Primtermtabellen aus Primtermen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Primterme einer Funktion mit Quine-McCluskey-Verfahren
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Disjunktive Minimalformen aus Primtermen über Primtermtabelle
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Primterme einer Funktion mit Quine-McCluskey-Verfahren
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Minimale disjunktive Normalformen durch Primtermtabelle
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Quine-McCluskey-Verfahren für Funktion mit 4 Variablen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Umsetzung unvollständig definierter Funktionen in Schaltnetze
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Realisierung von Schaltnetzen durch Decoder-Coder-Kombinationen
\layout Subsubsection
Code-Umsetzung aus verdrahteter Schaltung ablesen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Decoder zu einem Code-Umsetzer mit Enable entspr.
Tabelle verdrahten
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Tabelle in verdrahtete Decoder-Codierer-Kombination umsetzen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
4 Decoder zu einem Code-Umsetzer verdrahten
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Funktionsbündel aus Tabelle in Decoder-Codierer-Kombination und ROM umsetzen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Tabelle als verdrahtete Decoder/Codierer-Kombination
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
In Tabelle gegebenen Coder als verdrahtetes Schaltnetz realisieren
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
In Tabelle gegebenen Coder als verdrahtetes Schaltnetz realisieren
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Datenwegschaltungen
\layout Subsubsection
Demux und Adressierer kombinieren zu einem 1-zu-12-Demux
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
1-zu-4-Dmux als 2-zu-4-Decoder betreiben
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Section
Aufgaben zu: »Schaltnetze: Programmierte Logik«
\layout Subsection
Realisierung von Schaltnetzen in ROMs
\layout Subsubsection
Funktionsbündel in einem angegebenen ROM realisieren
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Tabelle in einem angegebenen ROM realisieren
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Funktionsbündel passend umformen und im gegebenen ROM realisieren
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Zusammensetzung von ROMs
\layout Subsubsection
In zusammengesetzte ROM realisierte Funktionen in KDNF angeben
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Realisierung von Schaltnetzen in PLAs
\layout Subsubsection
Funktionen in PLA realisieren, mit Optimierungen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
In einer gegebenen PLA realisierte Funktionen in DNF angeben
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Tabelle in einer angegebenen PLA realisieren, ohne Vereinfachungen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
In PLA realisierte Funktionen als DNF angeben
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
In Tabelle gegebene Funktion in angegebener PLA realisieren
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Kommerzielle PLAs
\layout Subsubsection
Funktionsbündel im IFL F82S1523 (kommerzieller PLA) umsetzen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Realisierung von Schaltnetzen in PALs
\layout Subsubsection
Funktion in angegebener PAL darstellen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Generic Array Logic (GAL)
\layout Subsubsection
Fragen zu OLMC13 eines GAL 16V8
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Section
Aufgaben zu: »Schaltwerke«
\layout Subsection
Allgemeines Schaltwerksmodell
\layout Subsection
Moore-Schaltwerke
\layout Subsubsection
Übergangsgraph eines Moore-Schaltwerks nach Vorgaben entwickeln
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Übergangsgraph in mikroprogrammiertes Moore-Schaltwerk umsetzen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Übergangsgraph aus Moore-MPS mit MUX ablesen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsubsection
Übergangsgraph in mikroprogrammiertes Moore-Schaltwerk mit und ohne MUX
umsetzen
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Ein serieller Vergleicher als Moore-Schaltwerk
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Subsection
Mealy-Schaltwerke
\layout Standard
\SpecialChar ~
\layout Bibliography
\bibitem {Tanenbaum}
A.
S.
Tanenbaum, J.
Goodman:
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
Computerarchitektur
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
; Prentice Hall 1999.
\layout Bibliography
\bibitem {Hermann}
P.
Hermann:
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
Rechnerarchitektur
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
; Vieweg 1998.
\layout Bibliography
\bibitem {Pernards}
P.
Pernards:
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
Digitaltechnik 1 und 2
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
; Hüthig-Verlag 1995 und 2001.
\layout Bibliography
\bibitem {Schiffmann}
W.
Schiffman, R.
Schmitz:
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
Technische Informatik 1 und 2
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
; Springer-Verlag.
\layout Bibliography
\bibitem {Messmer}
Hans-Peter Messmer:
\begin_inset Quotes ald
\end_inset
PC-Hardware
\begin_inset Quotes ard
\end_inset
; Addison-Wesley; 6.
Auflage 2000; 59,95 EUR.
Es gibt gebrauchte Exemplare für 30 EUR bei
\begin_inset LatexCommand \url[Amazon]{http://www.amazon.de}
\end_inset
.
Dieses Buch ist für den Stoff zu PC-Hardware in dieser Vorlesung zu empfehlen.
Es ist wohl das beste Buch zu PC-Hardware.
\layout Bibliography
\bibitem {Mueller}
Prof.
Dr.
Müller: »Umdruck zur Vorlesung Rechnerarchitektur\SpecialChar ~
1«.
Kann in der Veranstaltung Rechnerarchitektur\SpecialChar ~
1 bei Prof.
Müller für 2,50 EUR erworben werden und enthält im Anhang das gesamte Skript
von Professor Eichner
\begin_inset LatexCommand \cite{EichnerSkript}
\end_inset
! Die Veranstaltung bei Prof.
Müller ist vergleichbar mit der bei Prof.
Eichner: einige Teile werden fehlen, etwas wird zusätzlich vorhanden sein.
\layout Bibliography
\bibitem {EichnerSkript}
Prof.
Dr.
Lutz Eichner: »Notizen zur Vorlesung Netz- und Schaltwerksentwurf; WS 2000/2001
«.
Das »offizielle Skript« dieser Veranstaltung.
Es existiert nicht in digitaler Form, sondern wird manchmal, insbesondere
auf Nachfragen, von Prof.
Eichner als Kopien ausgegeben und ist außerdem als Anhang in
\begin_inset LatexCommand \cite{Mueller}
\end_inset
enthalten.
Vorsicht: im Skript von Prof.
Eichner können noch einige (Druck-)Fehler enthalten sein.
\layout Bibliography
\bibitem {EichnerHUeWS2002}
Prof.
Dr.
Lutz Eichner: Hausübungen zur Veranstaltung Rechnerarchitektur\SpecialChar ~
1 im Wintersemest
er 2002/2003.
Im Internet erhältlich auf der
\begin_inset LatexCommand \url[Homepage von Prof. Dr. Eichner]{http://homepages.fh-giessen.de/~hg56}
\end_inset
.
\layout Bibliography
\bibitem {NuSMitschrift}
\begin_inset Quotes ald
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Netz- und Schaltwerksentwurf; 17.
April 1997
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; Methodenerklärung zur Veranstaltung
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Netz- und Schaltwerksentwurf
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bei Prof.
Dr.
Lutz Eichner.
27 Seiten.
Erhältlich in der
\begin_inset LatexCommand \url[Skriptsammlung der Fachschaft MNI der FH Gießen]{http://www.fh-giessen.de/FACHSCHAFT/Informatik/cgi-bin/navi01.cgi?skripte}
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.
Direkter Link
\begin_inset LatexCommand \url{http://www.fh-giessen.de/FACHSCHAFT/Informatik/data/skripte/nus.zip}
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.
Wenn
\begin_inset LatexCommand \cite{EichnerSkript}
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verfügbar ist, ist dieses Dokument nicht mehr notwendig, zumindest nicht
in der Klausur.
\layout Bibliography
\bibitem {Kurzanleitung}
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Netz- und Schaltwerksentwurf Kurzanleitung
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.
9 Seiten.
Dokument in 9 TIFF-Dateien mit einem
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GEC
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-Logo.
Ursprüngliche Quelle im Internet leider nicht mehr auffindbar, möglicherweise
\begin_inset LatexCommand \url{http://www.fh.gecfilm.de}
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.
Daher zur Verfügung gestellt als
\begin_inset LatexCommand \url{http://matthias.ansorgs.de/InformatikDiplom/Modul.ReArch1.Eichner/Kurzanleitung.zip}
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.
\layout Bibliography
\bibitem {Klausur1999-01}
Prof.
Dr.
Lutz Eichner:
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Fach: Netz- und Schaltwerke; Klausur im Januar 1999
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.
Enthalten in der
\begin_inset LatexCommand \url[Klausurensammlung der Fachschaft MNI der FH Gießen]{http://www.fh-giessen.de/FACHSCHAFT/Informatik/cgi-bin/navi01.cgi?klausuren}
\end_inset
als in PDF oder AmiPro.
Direkter Link zur PDF-Datei:
\begin_inset LatexCommand \url{http://www.fh-giessen.de/FACHSCHAFT/Informatik/data/klausuren/nus9901.pdf}
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.
\layout Bibliography
\bibitem {Klausur1999-03}
Prof.
Dr.
Lutz Eichner:
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Fach: Netz- und Schaltwerke; Klausur im März 1999
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.
Enthalten in der
\begin_inset LatexCommand \url[Klausurensammlung der Fachschaft MNI der FH Gießen]{http://www.fh-giessen.de/FACHSCHAFT/Informatik/cgi-bin/navi01.cgi?klausuren}
\end_inset
als in PDF oder AmiPro.
Direkter Link zur PDF-Datei:
\begin_inset LatexCommand \url{http://www.fh-giessen.de/FACHSCHAFT/Informatik/data/klausuren/nus9903.pdf}
\end_inset
.
\the_end