Technische Grundlagen der Informatik · 2012-04-12 · INSTITUT FÜR TECHNISCHE INFORMATIK Technische Grundlagen der Informatik 1 - 4 - Theorie - Methodik - Analyse und Konstruktion

Technische Grundlagen der Informatik 1 - 0INSTITUT FÜR TECHNISCHE INFORMATIK

Prof. Dr.-Ing. Erik Maehle

Universität zu Lübeck, Institut für Technische Informatik

Technische Grundlagender Informatik


• Vorlesung- Termine:

- Di, 10.15h - 11.45h AM3- Fr, 10.15h - 11.45h V2

- Skriptum:- Kopien der Vorlesungsfolien (Liste eintragen)

- TGI-Homepage:- http://www.iti.uni-luebeck.de

„Lehre“→“Sommersemster 2012“→„Technische Grundlagen der „Informatik“→„Materialien“

- User: tgi- Password: Zuse1936

• Praktikum- im WS 12/13: - Voraussetzung ist die erfolgreiche Teilnahme an der Übung

• Prüfung- Klausur im Anschluss an das Wintersemester 12/13

Organisatorisches


• Übung- 9 Gruppen

- Gruppe 1: Do, 10:15-11:45, Raum 67 ( Minsky ) ( EG )

- Gruppe 2: Do, 12:00-14:00, Seminarraum ITCS (ITCS 2021) ( 2. OG )

- Gruppe 3: Do, 12:00-14:00, Raum 2.132 ( Von Neumann ) ( 2. OG )

- Gruppe 4: Do, 8:30-10:00, Raum 67 ( Minsky ) (EG )

- Gruppe 5: Mi, 10:15-11:45, Raum 67 ( Minsky ) (EG )

- Gruppe 6: Mi, 10:15-11:45, Raum 3.014 ( Banach ) ( 3. OG )

- Gruppe 1 MIW: Di, 12:30-14:00, Raum 69 ( Cook ), Raum 68 ( Karp ) ( EG )

- Gruppe 2 MIW: Di, 12:30-14:00, Raum 3.015 ( Hilbert ) ( EG )

- Gruppe 3 MIW: Mo, 8:30-10:00, Raum 69 ( Cook ), Raum 68 ( Karp ) ( EG )

Alle Räume in Gebäude 64!

Anmeldung und Gruppeneinteilung über TGI-Homepage!

- Beginn: Woche 23.04.12 bis 27.04.12

- Erstes Übungsblatt: Fr, 13.04.12 in der Vorlesung

- Abgabe: Fr, 20.04.12 in der Vorlesung oder bis 12.00 Uhr Kasten ITI (Geb.64, 2. OG)

- Korrektur und Rückgabe mit Besprechung in der Übung

- Modulwiederholer (PO bis 2009): Teilnahme an der Übung

Organisatorisches (2)


1.1 Was ist Technische Informatik?Einordnung im Überlappungsbereich zwischen Informatik und Elektrotechnik

E-Technik Informatik

TechnischeInformatik

Datentechnik

Informatik ist

die Wissenschaft, Technik und Anwendung der maschinellen Verarbeitung undÜbermittlung von Informationen.

1. Einleitung


- Theorie- Methodik- Analyse und Konstruktion- Anwendung- Auswirkung des Einsatzes

von informationsverarbeitenden, insbesondere computergestützten Systemen[GI 1989].

Informatik ist als eine umfassende Basis- und Querschnittsdisziplin zu verstehen,die sich sowohl mit technischen als auch mit organisatorischen und sozialenPhänomenen und Problemen bei der Entwicklung und Nutzung informations-verarbeitender Systeme beschäftigt [GI 1989].

Informatik umfasst


INFORMATIK

KerninformatikAngewandte

Informatik

Wirtschafts-wissenschaften(Wirtschaftsinformatik)

Natur-wissenschaften

Medizin(Medizininformatik)

Ingenieur-wissenschaften

(Ingenieurinformatik)

Geistes-wissenschaften

Bildungswesen,Verwaltung,Gesellschaft, ...

TheoretischeInformatik

(Logik, Berechenbarkeit,Automatentheorie,formale Sprachen etc.)

Enge Beziehungen zurMathematik

PraktischeInformatik

(Betriebssysteme,Programmiersprachen,Softwaretechnik etc.)

Enge Beziehungen zurAnwendung

TechnischeInformatik

(Hardware-Entwurf,Mikroprogrammierung,Rechnerarchitektur etc.)

Enge Beziehungen zurElektrotechnik

Einordnung der Technischen Informatik in die Informatik


„Neue Hardware?“

Quelle: Computer Cartoons von Helmut Schreiner, Verlagsgesellschaft Rudolf Müller 1979

- Hardware

- Software- Organisationsstrukturen- Nutzer und Betroffene

Gegenstände der Informatik


ELEKTROTECHNIK

Informationstechnik Automatisierungs-technik

...

Nachrichten-technik

Daten-technik

Nachrichtentechnik:Schwerpunkt auf der Übertragung von Information (Nachrichten)

Datentechnik/Technische Informatik:Schwerpunkt auf der Speicherung und Verarbeitung von Information (Daten)

Einordnung der Technischen Informatik in die Elektrotechnik


Hauptaufgabengebiete der Technischen Informatik

Die Technische Informatik (TI) beschäftigt sich mit der Architektur, dem Entwurf, der Realisierung, der Bewertung und dem Betrieb von Rechner-, Kommunikations- und eingebetteten Systemen sowohl auf der Ebene der Hardware als auch der systemnahen Software.

Schnittstellen zu Gebieten der Elektrotechnik wie Schaltungstechnik,Automatisierungstechnik, Messtechnik, Energietechnik usw. sowie zur praktischen,theoretischen und angewandten Informatik

[GI-Fachbereich TI 2011]


Technische Informatik

Hardwarenahe Anwendungen(z. B. Automatisierungstechnik),Werkzeuge (z. B. zumHardwareentwurf)

Hardwarenahe Software

Mikroprogrammierung

Hardware-Entwicklung

Assembler- sprache

Betriebssystem

(Mikroprogramm)

Elektronische Schaltkreise

Anwendungs- programm

Höhere Pro- grammiersprache

Praktische Informatik: Obere vier Schichten

Technische Informatik: Untere vier Schichten (hardwarenahe Informatik)

1.2 Schichtenmodell eines Rechners


Historische Entwicklung

• ca. 5000 v. Ch. Grundlage des Rechnens ist das Zählen; Benutzen der zehn Finger; größere Zahlen mit Steinen, Perlen, Holzstäbchen.

• 1100 v. Ch. Abakus (Suan Pan)

• 82 v. Ch. Räderwerk von Antikythera (astronomisches Gerät und nautisches Hilfsmittel)

1.3 Geschichtliches

• 500 n. Ch. Hindu-arabisches Zahlensystem mit den Ziffern 0 bis 9, ab ca. 1150 im Abendland


• 1623 Schickard konstruiert für Kepler eine Maschine, die mit 6-stelligen Zahlen +, -, x, / rechnen kann.

• 1673/1679 Leibniz erfindet die Staffelrad-Rechenmaschine und beschäftigt sich mit dem Dualsystem, das zur Grundlage heutiger Computer wurde.

... bei nahezu gleichbleibender Konzeption werden mechanisch arbeitende Rechenmaschinen bis ins 20. Jahrhundert hinein stetig verbessert.

• 1641 Pascal baut für seinen Vater (Steuerpächter) eine Addiermaschine mit 6-Stellen.


•1805 Jacquard setzt Kartons mit eingestanzten Webmustern zur automatischen Steuerung von Webstühlen ein („Lochkarten“).


• 1833 Babbage, Mathematik-Professor aus Cambridge, baut eine mechanische Rechenanlage (difference engine). 1. Programmierin: Ada Lady LovelaceKonzeption der geplanten “analytic engine“ enthält alle Elemente moderner Computer, Realisierung scheiterte aber am Stand der Technik.

• Speicher (1000 Worte à 50 Stellen)

• Rechenwerk

• Steuerwerk

• Ein- und Ausgabewerk

• Programm, gespeichert in Lochkarten (Flexibilität)


• 1886 Hollerith, USA, entwickelt elektrisch arbeitende Zählmaschinen für Lochkarten und benutzt sie für Statistiken (Volkszählung, …)

... Lochkartenmaschinen werden bis in die 1950er Jahre verfeinert und erfolgreich eingesetzt.


Moderne Entwicklung

• 1936 Zuse, Bauingenieur, beginnt noch während des Studiums mit dem Bau einer Datenverarbeitungsanlage (DVA) Z1 (elektromechanisch)


•1941 DVA Z3 als erste programmgesteuerte Rechenmaschine funktionsfähig Relaistechnik, Programmsteuerung über Lochstreifen (Nachbau im Deutschen Museum).


• 1944 Aiken, Harvard Universität, erstellt in Zusammenarbeit mit IBM die Großrechenanlage Mark I mit elektrisch angetriebenen dekadischen Zahnrädern (Multiplikation 0,3 s). Programmsteuerung über Lochstreifen.

Programmierin: Grace Hopper


•1946/1947 Theoretische Arbeiten von Burks, Goldstine, von Neumann in Princeton

bilden das grundlegende Konzept für elektronische Rechenanlagen.

... heutige moderne Rechner (vom Mikroprozessor bis zum Großrechner) arbeiten noch fast ausschließlich nach dem von-Neumann-Prinzip.

John von Neumannvor EDVAC(Eckert/Mauchly)


Generationen von elektronischen Rechnern

• 1946/1957 DVAn mit Elektronenröhren als Schaltelemente (1. Generation, ms-Bereich)Beispiele: ENIAC (30 Tonnen, 17000 Röhren, 45 % verfügbar); Z22, IBM 650


• 1957/1964 DVAn mit Transistoren (2. Generation, Operationszeiten 100 µs)Beispiele: IBM 1400er Serie, Siemens 2002, ...

• 1964/1974 DVAn der 3. Generation(Integrierte Schaltkreise, µs-Bereich, Betriebssysteme, allgemeine Dienstprogramme, Familienkonzept)Beispiele: CDC - 3000, IBM 360, Siemens 4004, Univac 9000, ...

• 1975/… DVAn der 4. Generation(Großintegration, ns-Bereich, Massenspeicher, Mehrprozessor-Architektur, Terminal Orientierung, …)Beispiele: Borroughs, CDC Cyber, IBM 370, 3300, Siemens 7700,

…• ??? DVAn der 5. Generation (Künstliche Intelligenz,

Benutzerkommunikation in natürlicher Sprache, wissensbasierte Systeme,… und/oder globale Vernetzung (Internet, WWW, Multimedia, mobiles Rechnen, Parallelrechner, ...)


Moore’s Law:

Verdopplung der Transistoren pro Chip alle 24 Monate

1.4 Technologischer Fortschritt


Kostenentwicklung

Was man für 1000$ kaufen kann...


Entwicklung der Technologie

Kleinere Strukturen ⇒⇒⇒⇒ höhere Frequenzen

Zusammen mit Fortschritten bei den Rechnerarchitekturen Verdopplung derRechenleistung alle 18 Monate (Moore’s Law)


Wärmeproblem

Kleinere Strukturen ⇒⇒⇒⇒ höhere Leistungsdichte

Grenzen von Moore’s Law absehbar, aber noch längst nicht erreicht:- Leistungsdichte- Größe der Transistoren (Lithografie, Quanteneffekte)- Lichtgeschwindigkeit

Fortschritte durch alternative Technologien wie Nanotubes, Quantencomputer, DNA-Computing?


Steuerwerk

Ein/Ausgabe

Rechenwerk

Speicherwerk

Daten und Instruktionen

Steuerimpulse

a) Rechenwerk (Rechenoperationen und logische Verknüpfungen).

b) Speicherwerk (Speicherung von Programmen und Daten).

c) Steuerwerk (Leitwerk) zur Steuerung des Programmablaufs.

d) Ein/Ausgabewerk zur Kommunikation mit der Außenwelt.

(1) Der Rechner wird räumlich und logisch in folgende Teile zerlegt:

1.5 Von-Neumann-Rechner


(2) Programmsteuerung durch von außen eingebbare Programme (Universalität).

Heutige Rechner verwenden zwar eine Vielzahl von Techniken zur Erhöhung

der Verarbeitungsgeschwindigkeit, Grundprinzip nach von Neumann aber

unverändert!!!

(4) Jeder Speicherplatz hat eine Adresse, über die sein Inhalt aufrufbar ist.

(5) Befehle eines Programms werden i. Allg. aus aufeinander folgenden Speicher-plätzen geholt (d. h. Erhöhen der Adresse um eins).

(6) Sprungbefehle (d. h. nach der Ausführung des Befehls mit Adresse s wird einBefehl mit Adresse t ≠ s + 1 ausgeführt).

(7) Bedingte Sprungbefehle (Sprung zu Befehl mit Adresse t ≠ s + 1 nur, wenn eineBedingung erfüllt ist, sonst Fortsetzung mit s+1)

(8) Verwendung des Dualzahlensystems.

(3) Programm und Daten werden in einem einheitlichen Speicher abgelegt.


EDV, kommerzielle Datenverarbeitung(traditionell Großrechner):

- regelmäßige oder sofortige Verarbeitung,- kaufmännische und betriebliche Daten:

Bestellungen, Rechnungen, Mahnungen, Lagerbestände, Produktionsplanung,Lohnabrechnungen, ...

Verarbei-tung

Ausgabe

Dateneingabe,-abfrage

Verarbeitungs-aufträge

Speicherung

1.6 Anwendungsgebiete


Technisch-wissenschaftliche Anwendungen

- Interessante Probleme, aber kleiner Markt.- Chemische und physikalische Modelle, Simulationen, Optimierung.- Hoher Anteil der Programmentwicklung.- Rechnergestützte Konstruktion und Fabrikation (CAD = Computer Aided Design,

CIM = Computer Aided Manufacturing)- Bioinformatik (Gensequenzierung, Drug Design)

Workstations, Parallelrechner


Bürokommunikation

Textverarbeitung, Briefe, Berichte, Bücher, elektronische Post (E-Mail), Intranet,Vorlesungsunterlagen etc.

LAN (Local Area Network)

Clients

Server

Vernetzte PCs, Client/Server-Systeme


ISDN, ADSL, ATM, SONET…

Datenbanken, Zahlungsverkehr

Weltweite Email- und Informationsdienste wie Internet mit WWW (World Wide Web)

Öffentliche Kommunikationsdienste

Mobile Kommunikation über Handies oder Smartphones sowie Tablet-PCsoder Notebooks (GSM, GPRS, EDGE, UMTS, WLAN, … )


Mikrocontroller, Speicherprogrammierbare Steuerungen, Industrie-PCs, Prozessrechner,oft hierarchisch vernetzte Systeme

Fertigungsanlagen, Hochregallager, Kraftwerke, Erdölraffinerien, Marschflugkörper,Frühwarnsysteme, Signalanlagen für den Verkehr, Roboter, ...

Aufgrund der Echtzeitanforderungen in der Regel spezielle Betriebssysteme undProgrammierumgebungen.

Mikrocontroller bzw. Prozessrechner sind heute in fast allen fortgeschrittenen technischenSystemen zu finden (Waschmaschinen, Videorecordern, Autos, Flugzeugen, Lokomotiven,Aufzügen, Heizungsanlagen, ...).

Demnächst: Ubiquitäre Rechner, d. h. als solche nicht sichtbare, i. Allg. vernetzteComputer, die in allen möglichen Gegenständen eingebaut sind(Haushaltsgeräte, Möbel, Kleidung etc.)?

Prozesssteuerungen (Echtzeitsysteme, Embedded Systems)


Rationalisierungserfolge:kleinere Lagerkapitalbindung, kleinere Lohnkosten, Energieeinsparungen,Umweltschutz, Qualitätsverbesserungen, höheres Bruttosozialprodukt.

Administrative Veränderungen:Verkürzte Durchlaufzeiten von Dokumenten möglich, elektronische Kommunikationund Information (Email, Intranets etc.).

Arbeitsplatzsituation:Verlust von Routinearbeitsplätzen (Rationalisierung), Arbeitsplätze qualifizierterFachkräfte werden durch den Computer eher aufgewertet als gefährdet. Geräte selbstherzustellen schafft Arbeitsplätze. Internationale Konkurrenz mit Japan und USA,Globalisierung des Arbeitsmarktes.

Kontrolle von Information:Als Datensammlung, als Kommunikationskanal, Datenschutzgesetz, falscheInformation, Viren, trojanische Pferde, unerwünschte oder verbotene Information(Internet).

1.7 Gesellschaftliche Aspekte


Computerangst:Globalisierung, Angst vor dem „Grossen Bruder“, Angst vor Informationsflut,... .

Neue Kommunikationsformen und -dienste:Elektronische Post, Chat-Foren, Tauschbörsen, Auskunftsdienste, Home-Banking,Home-Shopping, E-Business, Telearbeit, Social Networks ...Video-on-Demand, interaktives Fernsehen, M-Business …

Computer zur Unterhaltung:Computerspiele, Internet-Spiele, Virtual Reality, ...Gefahr für Jugendliche?

HackerGamerNerds…


1. Einleitung

2. Schaltalgebra und Schaltfunktionen

• Boolesche Algebra• Schaltalgebra, Schaltfunktionen• Normalformen• Minimierung nach Quine-McCluskey• Karnaugh-Veitch-Diagramme

3. Schaltnetze

• Definition• Addierer• Weitere wichtige Schaltnetze

Inhalt


4. Schaltwerke

• Definition• Speicherelemente aus Flipflops • Entwurf (Schaltwerkssynthese)• Minimierung• Systematische Analyse

5. Entwurf auf Registertransferebene• Register und Registeroperationen• Registertransfersprache• Multiplizierer, Dividierer, ALUs• Kontrolleinheiten (festverdrahtet)

6. Mikroprogrammierte Kontrolleinheiten

• Grundprinzip• Multiplizierer-Kontrolleinheit• CPU-Kontrolleinheiten


7. Grundlegende Prozessorarchitekturen

• Befehlssatz-Architekturen• HATmega16

8. Aktuelle Prozessorarchitekturen

• Mikrocontroller ATmega16• CISC- und RISC-Architekturen

9. Technologische Realisierung (Überblick)

• Elektronische Grundlagen (Ohmsches Gesetz, Widerstände)• Spannungsteiler, Potentiometer, Strom- und Spannungsmessung• Halbleiterbauelemente (Transistoren, Dioden)• Schaltkreisfamilien (RTL, TTL, ECL, CMOS, ...)• Integrierte Schaltungen (Standard-ICs, ASICs)• CAD-Werkzeuge• Speichertechnologien

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