B. Einführung

B.1. Zielsetzung

B.1.1 Grundlage für Hauptstudiumsveranstaltungen/-moduleBesonders im Bereich Technische & Systemnahe Informatik, z.B.:

B - 1 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess ©VS Informatik, Ulm

Grundstudium

Technische Informatik I + II

Computer-systeme

Kommuni-kation

Medien-technik

Echtzeit-systeme

Wissenheim 3D

Betriebssys-temtechnik

Verteilte Systeme

Robotik

B.1.2 Aufbau & Arbeitsweise von RechnersystemenMöglichkeiten und Grenzen der Hardware:

Datenvolumen, Ausführungsgeschwindigkeit …

Verständnis für spezifisches Systemverhalten:Unglückliche Nutzung von Speicherhierarchien (Cache, RAM, Disk),Systemstart & Konfigurierung,„Overhead“ ...

Entwicklung hardwarenaher Programme:Implementierung effizienter Programme (z.B. in Maschinensprache)Ansteuerung von Ein- Ausgabegeräten (z.B. Treiber),Intrinsische vs. extrinsische Komplexität =>Entwurf schlanker Systeme !

B - 2 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess ©VS Informatik, Ulm

B.1.3 Komponenten & Schnittstellen:CPU, Hauptspeicher, Platine, Bussysteme, Hardwareschnittstellen, Peripheriegeräte, Bildschirm, Vernetzung, Stromversorgung ...

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Betriebsystemkonzepte: - Betriebsmittelverwaltung, z.B. Speicher, Nebenläufigkeit ...

Ein-& Ausgabegeräte:

- Gerätetechnik, Ansteuerung, Interrupts, Treiber ... Rechnerarchitektur:

- Bussysteme, Rechenfunktionseinheiten, Pufferung, Pipelining Instruktionssatz (ISA):

- Adressenbildung, Registersemantik, Assemblerprogramme ... Mikroarchitektur:

- Instruktionszyklen, Mikroprogrammierung, RISC/CISC ... Rechnerarithmetik:

- Zahlendarstellung, Operatoren, ... Digitale Schaltungen:

- mit/ohne Zustand, Zähler, ALU, logische Arrays, Optimierung

Digitale Logik: - Gatter, digitale Signale, Signalausbreitung ...

Elektronik: - Strom & Spannung, Transistoren, Schaltkreisintegration

„Höhere Informatik“: - Programmierung, Datenbanken, Verteilte Systeme, Theorie ...

Architektur

Systemprogrammierung

Digitaltechnik

B.1.4 Schichtenmodell eines Rechnersystemes

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J

D

C

H

KI

G

E

F

B.1.5 Organisation des Unterrichtsstoffes nach dem Sägezahnmodell

Welche Themen können für Medieninformatik weggelassen werden?Logikbausteine, hardwarenahe Programmierung, „OS-Inside“.

Ein Ansatz auf mittlerer Stufe lässt das Ziel erkennbar werden.Bottom-up Ansatz würde einen langen Atem erfordern.

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Ti 1

Ti 2

Assembler

Rechner-systeme

Betriebs-systeme

Elektroni-sche GL

HW-Kompo-nenten

SW Kompo-nenten

B.2. Analoge und digitale Rechner

B.2.1 AnalogrechnerVerarbeitung kontinuierlicher Größen: Länge, Spannung, Temperatur

Historische Beispiele:Rechenschieber (17. Jahrhundert)Feuerleitrechner (Anfang des 20. Jahrhunderts)elektromechanischer Analogrechner (um 1930)

Neuere Analogrechner:Schaltung mit Integratoren und Differentiatoren,Für Differentialgleichungen höherer Ordnung,Weitgehend abgelöst durch Digitalrechner,Für Aufgaben der Regelungstechnik ...

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B.2.2 Digitale Rechner Diskretisierung physikalischer Größen:

mechanische Rasten, Anzahl Perlen, Energiequanten,Spannungsniveaus, Stromfluss, Ladung, Magnetisierung,Quantisierungsfehler bei der Umwandlung.

Beispiele:Überwiegende Mehrzahl der heutigen RechnerLochkartenwebstuhl (Anfang 19. Jahrhundert)Abacus (3000 v. Chr.)

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Grösse

Zeit

B.2.3 Rechengenauigkeit im VergleichAnalogrechner

Zumindest theoretisch beliebig genaue Zahlendarstellung,Keine Signalwandlung und wenig Bauelemente erforderlich,Überlagerung des Signales durch kleine Rausch- und Störsignale,Herstellungstoleranzen der Bauelemente bei etwa 0.5%,Temperaturabhängigkeiten der Bauelemente,unpräzise Getriebe, Zeiger und Rasten,Fehlerakkumulation im Laufe der Zeit.

DigitalrechnerWortlänge bestimmt die Genauigkeit (8..128 Bit),Ungenauigkeiten bei ungeschickter Programmierung,Ungenauigkeiten entstehen auch bei der Signalwandlung:

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A/D Wandler

D/A Wandler

Digitaler Rechner

Motor Sensor

B.2.4 Datenspeicherung im VergleichAnaloge Speicherung:

Speicherung von Daten mit Qualitätsverlust,Einigermassen effiziente Bildaufzeichnung,alte Tonkassetten, Schellackplatten,Papierschreiber,

Digitale Speicherung: Sehr grosse Hauptspeicher, DVD und FestplattenSpeicherung von Daten einfach realisierbar,leistungsfähige Komprimierungen.

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B.2.5 Einsatzbereiche im Vergleich Digitalrechner:

höhere Genauigkeit lässt sich kostengünstiger erreichen als mit Analogrechnern,Digitale Signalprozessoren ersetzen analoge Elektronik (FFT etc.),heute überwiegend digitale elektronische Rechner im Einsatz

Analogrechner:Lösen von Differentialgleichungen,heute nicht mehr in Gebrauch,Einsatz für Spezialprobleme,Filterung von Signalen.

Analoges Codeschloss nach PS (auszugsweise):

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B.3. Historische Entwicklung

B.3.1 Pionierzeiten, Mechanik3000 v. Chr: Abacus

Älteste Rechenhilfe der Weltnoch heute im asiatischen Raum im Einsatzgenauer Ursprung unklarverschiedene Versionen.

William Oughtred (1629): Rechenschieber.

Blaise Pascal: Pascaline (1642): mechanische Rechenmaschine =>Zehnerübertrag,nur Addition

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Gottfried Wilhelm Leibniz (1666): Grundlagen der Logik

Gottfried Wilhelm Leibniz (1673): Mechanische Rechenmaschine =>Präzisionsprobleme bei der Herstellung„Stepped Reckoner“ (Leibniz)vier GrundrechenartenWurzelziehen

Joseph Jacquard (1804): Automatischer Webstuhl,Kette von Lochkarten bestimmt das Web-Muster,Löcher steuern Anheben & Senken der Kettfäden,erster Nur-Lese-Speicher (ROM, Read-Only Memory)

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Charles Babbage (1822):Konzept einer Differenzmaschine, Präzisionsprobleme bei der Herstellung,nie vollendet.

Ch. Babbage (1834):Analytische Maschine („Analytical Engine“) =>erste Programmierin: Lady Augusta Ada Lovelacezumindest theoretisch programmierbar,erster universeller Rechenautomat,Einsatz von Lochkarten,Rechenwerk „Mill“,Speicher „Store“.

George Boole (1847):Boolesche Algebra, als Basis für heutige Digitalrechner,meist binäre logische Operationen.

B.3.2 ElektromechanikVannevar Bush(1930):

„Differential Analyzer“, elektromechanischer Analogrechner.B - 13 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess ©VS Informatik, Ulm

Herman Hollerith (1890):elektromechanische Tabelliermaschine =>Lochkarten als Datenträger und Operanden,Zähl- und Sortiermaschine (Volkszählung),Holleriths Firma wurde später zur IBM

Konrad Zuse, Z3 (1940): 2200 Magnetkontakte (Relais),Steuereinheit mit Sequenzer,Multiplikation in 16 Takten,10 Hertz Taktfrequenz,Addition in 3 Takten, Speicher mit 64 Wörtern,dezimale Ein-/Ausgabe,22-stellige Binärzahlen,Gleitkomma-Format.

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1945: von Neumann Rechner-ArchitekturTeam: Presper Eckert, John Mauchly, John von NeumannLeitwerk, Rechenwerk, Speicherwerk, Ein- & AusgabewerkLeitwerk mit „fetch-decode-execute“ InstruktionszyklusProgramme und Daten in einem SpeicherRechenwerk mit ALU und RegisternE/A-Werk zur Ein- und Ausgabeklassischer Universalrechnerbinäre Kodierung.

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Speicherwerk

Steuerwerk

E/A-Werk

Rechenwerk Steuerleitungen

Daten

Instruktionen

B.3.3 Elektronische Computer1943: Colossus (Alan Turing &al.): Entschlüsselung von Funksprüchen.1946: ENIAC (John Mauchly, Presper Eckert)

gebaut für ballistische Berechnungen (Raketen ...),programmiert durch Steckverbindungen,Ein-/Ausgabe mittels Lochkarten,130 Quadratmeter Grundfläche, 30 Tonnen, 140 Kilowatt,19000 Elektronenröhren, ca. 5000 Additionen/sek.3 Funktionstabellen,20 Akkumulatoren, 1 Multiplizierer.

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B.3.4 Halbleitertechnik1959: Integrierte Schaltung (Jack Kilby)

viele Transistoren und Bauelemente auf einem Siliziumchip.

1961: PDP-1 (Digital Equipment Corporation, DEC)magnetischer Kernspeicher für 4096 18-Bit WorteTransistortechnik, erster Minicomputer,CRT, 512 x 512 Pixel Grafik,200 kHz Taktfrequenz,„Minicomputer“.

1965: PDP-8 (DEC)Omnibus (erstes Bussystem)

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1965: IBM System/360 =>Rechnerfamilie mit gleichem Instruktionssatz32-Bit Worte, 16 MByte AdressraumMehrprogrammbetrieb (MFT ..)Mikroprogrammierbar.

1972: PDP-11 (DEC)Prozessrfechner, 16-Bit Speicherworte,Entwicklungsumgebung für UNIX und C.

1976: Cray-1, erster Vektorrechner =>

1979: DAP (ICL)Distributed Array Processor,massiv paralleler Computer in Serie,Matrix mit 32*32 1-Bit Prozessoren,Single Instruction Multiple Data.

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B.3.5 Arbeitsplatzrechner:1974: Altair 8800 Heimcomputer, Basic Interpreter.1981: IBM-PC 5150 - mit 8088 CPU1985: MIPS - erster RISC-Mikroprozessor.1992: DEC Alpha 21064 - 64-Bit RISC-µP. 1997: Supercomputer ASCI Red - 1 Tflops.2000: Mikroprozessoren mit 1 GHz Takt.2005: Dual-Core µP (Intel & AMD).

1977: Apple II =>6502 CPU, 1 MHz, 64 Kbyte Speicher,Erweiterbar über Steckkarten, UCSD Pascal, Visicalc.

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B.3.6 Entwicklung der (Intel)-Prozessoren1971: 4004 Mikroprozessor1974: 8080, erste universelle 8-Bit CPU auf einem Chip1978: 8086, 16-Bit CPU auf einem Chip1981: 8088, Einführung des IBM PC1986: 80386, erste 32-Bit CPU1989: 80486, Cache und FPU on-chip1993: Pentium, interne Parallelisierung1999: Pentium III, Out-of-Order Ausführung,2002: Itanium, explizit parallele Ausführung2003: AMD Opteron, 64 Bit Adressierung2007: Pentium Core 2, Quad CPUIntel-kompatible CPUs von AMD, VIA, Transmeta, ...

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B.3.7 KomplexitätssteigerungJahr Transistoren (Ist) CPU Transistoren als Prognose, 2 Jahr*12/22

1971 2,300 4004 2.3001972 3,500 8008 3.3571974 4,500 8080 7.1501978 29,000 8086 32.4431982 134,000 80286 147.2001986 275,000 80386 667.8831989 1,200,000 80486 2.076.3241993 3,100,000 Pentium 9.420.8001995 5,500,000 Pentium Pro 20.067.0781997 7,500,000 Pentium II 42.744.5262001 42,000,000 Pentium 4 193.942.6032002 55,000,000 Pentium M 283.055.3702002 220,000,000 Itanium II 283.055.3702005 291,000,000 Pentium D 879.966.0912007 582,000,000 Core 2 Quad 1.874.400.0902008 2,100,000,000 Itanium 2.735.649.641

Mooresches „Gesetz“Verdoppelung der Transistorzahl ca. alle 24 Monate,1 000 000 ~ 220, M ~ 37 Jahre *12/20= 22,2 Monate

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B.3.8 Leistungssteigerung1975 – 2005 nach Strey.

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B.3.9 Eckdaten einer aktuellen Intel 7650 CPU (2008/Q1)Das Programm CPU-Z bestimmt Charakteristiken der installierten CPU und weiterer Komponenten.

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B.3.10 Entwicklung der Betriebssysteme-1960: Stapelverarbeitung, Spooling (Ein-/Ausgabe Off-line)1964: DOS 360 (IBM): allg. OS mit Mehrprogrammbetrieb1969: Unix (Bell Labs): Betriebssystem für Minicomputer1972: MVS (IBM): pro Programm ein eigener virtueller Speicher1976: CPM 80 (Digital Research): OS für Mikroprozessoren1981: MS/DOS(Microsoft):

Durchbruch als µP-Betriebssystem

1982 Macintosh Finder =>Direkte Manipulation von ICONs,Fenstergestützte Oberfläche,abgeleitet von Xerox Star,graphische Oberfläche,Drag and Drop,Firma Apple,WYSIWYG.

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1985: Netware (Novell): Vernetzung von PCs1986: MS Windows (Microsoft): graphische Oberfläche für PCs1996: Linux (Linus Thorvald): Open Source “Unix”2005: Windows Vista (Microsoft): bunter, fetter, besser (?)

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