Überblick 1

Ausblick

Bisher wurden nur kombinatorische Schaltkreise

betrachtet; dabei war G azyklisch.

Schaltpläne, Schaltungen

Schaltungen dieser Art werden benötigt, um speichernde Elemente zu definieren!

Was geschieht, wenn G nicht azyklisch ist?

?x1

y1G1

mn YgGXSK,,,

kein stabiler Zustand!

Überblick 2

Spike-freies Umschalten

VIH

VIL

log. 1

log. 0

Umschalten von X1 = 1, X2 = 0, Y = 0 auf X1 = 0, X2 = 1, Y = 0,ohne dass zwischendurch Y auf 1 steigt.

x2

yx1

1

00

Überblick 3

Übergang im RS-Flip-Flop

(stabiler) Zustand Q = 0 ) (stabiler) Zustand Q = 1:

/S

/R

Q

/Q

1

1

1

01

0G1

G2

) 0) 1

) 1) 0

) 0

) 1

Senke /S zur Zeit t0 ab und hebe zu t0 + x wieder an (einen solchen Signalverlauf nennt man Puls )

Nach Zeit tP/SQ ist Q = 1.

Wähle x so, dass kein Spike entsteht!

Nach Zeit tP/S/Q ist /Q = 0.Schaltung mit zwei stabilen Zuständen, geeignet, um 1 Bit zu speichern.

Setzen desFlip-Flops

Überblick 4

D-Latch

/S

/R

Q

/Q

RS-FFW

D

Symbol: W

D

Q

/Q

erlaubt Speichern eines ankommenden Datensignals D durch einen Puls (Interval zwischen Senken und Heben) an W

Überblick 5

Symbol:

Taktflankengesteuertes D-Flipflop

CK

D Q

D-FF

Clockeingang

Steuerung durch eine Flanke eines Signals (Clock)

Überblick 6

Aufbau eines n-Bit-Zählers

X

CK

D Q

n-Reg

n

n

CK

n-INC

0 1

0 1n

n

n

/C

Cout

Cin

/L0

Y

/C clear, /L load, X Eingabe, Y Ausgabe

Schaltwerke

Überblick 8

Überblick

Im folgenden werden Schaltwerke behandelt. Sie enthalten Flip-Flops. Es gibt eine Trennung zwischen Schaltkreisen und

speichernden Elementen. Jeder Zyklus in Schaltwerk enthält Flip-Flop. Der Zustand eines Schaltwerkes ist gegeben

durch die in den Flip-Flops gespeicherten Werte Schaltwerke realisieren endliche Automaten. Sie werden benutzt z.B. als Kontrolllogik im

Steuerwerk für die Interpretation von Befehlen.

Überblick 9

Definition: Schaltwerke Aufteilung eines synchronen Schaltwerks in Schaltnetz

und speichernde Elemente:

yit = fi(x1

t, x2t, ..., xk

t, s1t, s2

t, ...spt)

sit+1 = gi(x1

t, x2t, ..., xk

t, s1t, s2

t, ...spt)

Schaltnetz

x1t

xkt

y1t

ymt

Clk Speicher

s1t s2

t spt

s1t+1 s2

t+1 spt+1

Überblick 10

Schaltbild eines SRAMs

DnA ON Dout

G0

Gi

GN-1

Qi

DinW

FN FN

Wi W

D QW‘

Y0

YN-1

Yi

D‘

n

N N

D-Latch

A Adresse, W write, Din Dateneingabe, Dout DatenausgabeDn Dekodierer, ON Oder

Überblick 12

Kodierung von Zeichen

Wie werden im Rechner Zeichen dargestellt ? Grundlegende Definitionen für Codes, ASCII-Codierung Häufigkeitsabhängige Codes: Morse, Huffman Fehlererkennung, Fehlerkorrektur

Hamming-Code Parity-Check CRC (Cyclic Redundancy Check):

Standard bei Übertragungen über das Netz

Datenkompression: Lempel-Ziv-WelchIn Texten gibt es viele Leerzeichen und mehrfach vorkommende Zeichenketten. Kodiere Folgen von Leerzeichen bzw. Zeichenketten durch kurze Codes, auch wenn man noch nicht weiß, welche Zeichenketten häufig vorkommen.

Überblick 13

Kodierung von Zahlen

Zahlen sind im Rechner als Bitketten fester Länge dargestellt.Das hat Konsequenzen: beschränkt in der Größe beschränkt in der Genauigkeit nicht abgeschlossen unter den arithm. Operationen Ungültigkeit des Assoziativitäts- und des

Distributivitätsgesetzes

Festkommadarstellungen Zahlendarstellung durch Betrag und Vorzeichen Einer-/Zweierkomplement-Darstellung

Gleitkommadarstellung IEEE-754 Format

Überblick 17

Prinzipieller Aufbau eines Rechners

Bestandteile: Prozessor (CPU) Hauptspeicher Externe Speicher Eingabegeräte

(Tastatur, Maus) Ausgabegeräte

(Bildschirm, Drucker, Plotter)

Busse

Prozessor(CPU)

System Bus

Haupt-speicher

I/OController

Disk Disk

I/OController

I/OController

Graphik Netzwerk

interrupts

Überblick 18

Ein-/Ausgabe

Verbindung zur Außenwelt !

Aufgaben sind z.B.: Laden von Programmen und Daten in Speicher Ausgabe von Resultaten auf Bildschirm, Drucker,

Festplatte, Diskette...

Überblick 19

Ansteuerung

Ansteuerung von Ein-/Ausgabeeinheiten (Peripheriegeräte)

z.B. durch: Viedeocontroller (Bildschirm) Plattencontroller (Festplatte) Tastatur-Prozessoren Netzwerkschnittstellen usw.

Überblick 20

Ansteuerung (graphisch)

Plattencontroller Videocontroller Tastaturproz.

Netzwerk-Interface

Netzwerk-Interface

Festplatte Bildschirm

Tastatur

Netzwerk

CPU‘

CPU

Überblick 21

Schnittstellen

Bausteine zum Ansteuern einer I/O-Einheit = Schnittstellen (Interfaces)

Überblick 22

Kontaktaufnahme zwischenCPU und Interfaces

Von der CPU aus gesehen wie Datenaustausch mit Speicher!

Der Datenaustausch mit verschiedenen Interfaces erfolgt nach verschiedenen festgelegten Schemata (= Protokollen).Dies wird durch Software zum Ansteuernder Interfaces geregelt (Treiber).

Überblick 23

Vorgehen

Interfaces, UART, EPROM, Memory Map

Busprotokolle, Zustandsdiagramme

Betriebssysteme

Überblick 25

Die Befehlssatzarchitektur als Schnittstelle

Befehlssatzarchitektur - Instruction Set Architecture (ISA)

Betriebssystem

Bibliotheksfunktionen, Dienstprogramme

Anwendungsprogramme

Anwender

Anwendungs-programmierer

Betriebssystem-programmierer

Überblick 26

Überblick Betriebssysteme

Aufgabe von Betriebssystemen, Probleme, Verfahren

Unterschiedliche Arten von Betriebssystemen Verschiedene Komponenten / Konzepte von

Betriebssystemen Dateisysteme Prozesse Nebenläufigkeit und wechselseitiger Ausschluss Deadlocks Scheduling Speicherverwaltung Ein- und Ausgabe

Überblick 27

Aufgabe von Betriebssystemen

Was ist ein Betriebssystem und wozu dient es?

Ein Betriebssystem ist ein Programm (Software) mit den grundsätzlichen Funktionen:1. Virtualisierung von Systemressourcen, dazu2. Verwaltung von Systemressourcen 3. Bereitstellen einer „erweiterten Maschine“ für den

Anwendungsprogrammierer

Überblick 28

1. Virtualisierung

Betriebssystem bietet dem Benutzer statt – einem realen Rechner mit

– einer festen Zahl von Prozessoren, – beschränktem Hauptspeicher, – beschränkter Zahl von Ein-/Ausgabe-Geräten

– viele virtuelle Rechner an– pro ausgeführter Anwendung einen,– mit (fast) unbegrenztem Speicher,– der notwendigen Zahl von Ein-/Ausgabe-Geräten

Überblick 29

2. Verwaltung von Systemressourcen

Verwaltung aller Komponenten eines komplexen Systems Komponenten sind z.B.

Prozessoren, Speicher, Uhren, Platten, Terminals, Ein-/Ausgabegeräte, Netzwerkschnittstellen etc.

Diese Bestandteile eines Rechnersystems bezeichnet man auch als Betriebsmittel.

Betriebssystemaufgabe: Geordnete und kontrollierte Zuteilung von Betriebsmitteln an konkurrierende Prozesse / Benutzer.Beispiele: Mehrere Programme rechnen scheinbar gleichzeitig auf einer CPU und im

gleichen Speicher, versuchen gleichzeitig Daten auf demselben Drucker

auszugeben.

Überblick 30

Betriebssystem als Ressourcenmanager

Aufgaben beim Verwalten von Systemressourcen: „Gerechte“ Zuteilung von gemeinsam genutzten

Betriebsmitteln Auflösung von Konflikten bei der Betriebsmittelanforderung Schutz verschiedener Benutzer gegeneinander

Z.B. Zugriffskontrolle bei Dateien Effiziente Verwaltung von Betriebsmitteln Protokollieren der Ressourcennutzung Abrechnung der Betriebsmittelnutzung Fehlererkennung, Fehlerbehandlung

Hardware: Gerätefehler Software: Programmfehler

Grundsätzliche Zugriffskontrolle zum System

Überblick 31

Ressourcenverwaltung in zwei Dimensionen:

Zeit: Verschiedene Benutzer erhalten Betriebsmittel nacheinander

Raum: Verschiedene Benutzer erhalten verschiedene Teile einer Ressource.Achtung: Manche Ressourcen sind unteilbar!

Überblick 32

Ressourcen-Zuteilung

Vergabestrategie zur Erreichung von Entwurfszielen, je nach Typ des Betriebssystems: Fairness Grad an Interaktivität Maximierung von Durchsatz Einhaltung von Fristen (Deadlines)

Überblick 33

3. Bereitstellen einer „erweiterten Maschine“ (ABI)

Abstraktion von Verhalten des zugrunde liegenden Rechners auf möglichst hohem Niveau Verstecken von Eigenschaften der realen Hardware

vor dem Programmierer Leichte Programmierbarkeit

Beispiel: Datenspeicherung auf der Festplatte Entlastung des Programmierers von Details wie Einschalten

des Motors, Bewegung des Plattenarms, Aufteilung des benötigten Platzes auf Sektoren der Platte etc.

Einfache Programmierschnittstelle: Schreiben in Datei

Das BS stellt dem Programmierer eine abstrakte Programmierschnittstelle (ABI) zur Verfügung.

Das BS bietet einen Satz von Kommandos (Systemaufrufe), über die z.B. auf Ein-/Ausgabegeräte zugegriffen werden kann.

Überblick 34

Betriebssystem, Dienstprogramme, Anwendungsprogramme

Schnittstelle zwischen Betriebssystem und System- bzw. Dienstprogrammen ist nicht immer klar definiert.

Hier: Dienstprogramme sind nicht Teil des Betriebssystems.

Typische (anwendungsunabhängige) Dienstprogramme sind: Übersetzer Editoren Kommandointerpreter (sog. Shell)

Anwendungsprogramme: Textverarbeitung Tabellenkalkulation Datenbankanwendungen …