Wirtschaftsinformatik (Fach) / Systemsoftware und Rechnerkommunikation (Lektion)

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  • Hauptmerkmale des Von-Neumann-Prinzips Der Rechner besteht aus 4 "Werken":  -Kontrolleinheit, Leitwerk: interpretiert Programme -Rechenwerk: führt Operationen aus -Haupt-/ Arbeitsspeicher: enthält Programme und Daten -Ein-/ Ausgabewerk: kommuniziert mit Umwelt insbesondere mit dem Sekundarspeicher Die Rechnerstruktur ist unabhängig von den Aufgaben (Universalrechner).Programme und Daten liegen im selben Speicher und können modifiziert werden. Der Hauptspeicher ist in gleichgroße Zellen eingeteilt, die eindeutige Adressen haben. 
  • Ablauf einer Prozessausführung eines Prozessors 1. Befehlsholphase (Instruction Fetch, IF):Laden eines Befehls aus dem Speicher 2. Dekodierphase (Instruction Decode, ID):Befehl interpretieren, Ausführung vorbereiten 3. Operandenholphase (Operand Fetch, OF):Notwendige Operanden aus dem Speicher oder aus Registern holen 4. Ausführungsphase (Execution, EX):Eigentliche Ausführung des Befehls 5. Rückschreibphase (Write Back, WB):Ergebnis zurückschreiben in den Speicher oder in Register.
  • In welchen Stufen wird das verarbeitete Bitmuster als Befehl, in welchen als Daten interpretiert? Instruction Fetch: Befehl Instruction Decode: Befehl Operand Fetch: Daten Execution: Daten Write Back: Daten
  • Kann die Unterteilung in mehrere Stufen Vorteile für die Geschwindigkeit der Programmausführung haben? Ja, Methoden, die unabhängige Befehle aus der Pipeline parallel zueinander bearbeiten können die Geschwindigkeit um ein 2-4faches erhöhen. 
  • Welche Vorteile bringt die Trennung von Befehl- und Datencaches, die in modernen Prozessoren realisiert ist, für die Geschwindigkeit der Programmausführung? Geringere Konflikte, parallele Zugriffe, optimiertes Caching, unabhängige Optimierung
  • Bei welchen Exceptions sollte ein Prozess abgebrochen werden? Arithemtische Exceptions, Spicherbezogene Exceptions, Schutzverletzungen, Ausnahmebedingungen (Indexgrenze von Arrays nicht beachtet, ungültige Operationen bei Gleichkommaoperationen etc.)
  • Prozess Instanz eines laufenden Programms. Er umfasst das ausführbare Programm, alle Daten des Programms, den Programmzähler (IP), Stackzeiger (SP), Registerinhalte und Kontextinformationen, kurzum alle Informationen, die für den Ablauf des Programms erforderlich sind. Mithilfe der Prozesstabelle können Prozesse unterbrochen und später fortgesetzt werden. 
  • Thread Prozess ohne eigenen Speicherbereich, "lightweight process". Deutlich schneller als ein Prozess. Mehrere Threads können gleichzeitig auf einen gemeinsamen Speicher zugreifen. 
  • Vorteile/ NAchteile von tabbed Browsing (Jeder Tab im Browser ist ein eigener Prozess) Vorteile: Schnelles Wechseln zwischen Tabs, Tabs laufen im Hintergrund, müssen nicht neu laden Nachteile: Mehr Tabs können extrem Rechenintensiv werden, stetige Verlangsamung des Rechners mit mehr Tabs. 
  • Unterschied parallel/ concurrent Parallel: Zur selben zeit werden 2 (unabhängige) Prozesse ausgeführt Concurrent: auch Quasi-Parallel: die CPU wechselt sich zwischen Prozessen ab, sodass sie zwar gelcihzeitig, aber nicht parallel bearbeitet werden. 
  • 5 Ersetzungsstrategien für Seiten im Prozessor: Second Chance: Die Seitentabelle wird periodisch untersucht. Seiten haben ein "used"-Bit, welches 0 ist. Wird die Seite benutzt, wird das Bit zu 1 geändert. Hat ein eine Seite ein used-bit von 0, wird es ersetzt. Alle used-bits werden nach dem Scannen wieder auf 0 gesetzt.  FIFO (first in first out): Verdrängung der zuerst geladenen Seite NRU (not recently used): Verdrängung lange nicht benutzter Seiten LRU (least recently used): Verfeinerung von NRU NFU (not frequently used): Vereinfachung von LRU
  • Was ist eine Seite und was ist "paging"? Das Speicherabbild eines Prozesses besteht beim Paging auf gleichgroßen (z.B. 4kB) Speicherseiten. Den Seiten (pages) des Prozessors entsprechen reale Speicherbereiche im Hauptspeicher, den sogenannten frames. 
  • Seitenanzahl eines virtuellen Adressraums berechnen Beispiel: Es gibt 2 Felder, die z.B. p1 und p2 heißen, mit einer Größe von je 7 und 13 Bit. Die Größe des Adressraums, also die Anzahl der Speicherbaren Seiten ergibt sich aus den Möglichen Zeichenkombinationen der Bits, also: 2^7*2*13=2*20=1,048,576 Seiten insgesamt. 
  • Größe einer Seite berechnen Die Seitengröße ergibt sich aus der Addition der Seitenattribute und des Offsets. Besipiel in einem 32-Bit-System: Sind die Seitenattribute 20 Bit Groß und das Offset 12 Bit, beträgt die Seitengröße 2^12 = 4096 Bit oder 4KiB.
  • Wie ist eine Festplatte aufgebaut? Viele Festplatten sind eine Anzahl an Blöcken fester Größe (z.B. 512 Bytes). Ein Zusammenschluss von Blöcken (Z.B. 8 Blöcke) nennt man Cluster. Daten werden auf der Festpaltte in Spuren gespeichert, meist mehrere tausend. Jede Spur ist in Sektoren unterteilt, meist gleich der Blockgröße (512 B). Alle auf den Platten übereinanderligenden Spuren nennt man Zylinder. 
  • Speicherkapazität von TB in GiB umrechnen: 1TB = (1000/1024)^3*1000 = 931,32 GiB
  • Anzahl der Blöcke und Cluster berechnen: Gesamtspeicherplatz/ Größe eines Blocks = Gesamtanzhl Blöcke Gesamtspeicherplatz/ Größe eines Clusters = Gesamtzahl Cluster Beispiel: Wie viele Blöcke und Cluster hat eine 1 TB Festplatte wenn ein Block 512 Blöcke und ein Cluster 32 Blöcke groß ist?  1,000,000,000,000 Byte / 512 Byte = 1,953,125,000 Blöcke 1,953,125,000 / 32 = 61,035,156 Cluster
  • Wie viel Speicher belegt beim Formatieren die FAT-32? Jeder Eintrag der FAT-32 ist 32b = 4B groß. Jedes Cluster bekommt einen Eintrag.  Beispiel 1 TB: 61,035,156 Cluster * 4B = 244,140,624 Byte Windows spiechert doppelt! 488,281,248 Byte = 488281248 / (1024/1000)^2 / 1000^2  = 465,66 MiB
  • Wie viele 100.000 Byte große Dateien können auf einer FAT-32 formatierten 1 TB Festplatte gespeichert werden? 1 TB hat 244,140,624 Cluster. Einträge werden doppelt gespeichert, also 488281248 Byte Clustereinträge. 1 TB = 1,000,000,000,000 Byte  1,000,000,000,000 - 488,281,248 = 999,511,718,752 Byte 999,511,718,752 / 100,000 = 9,995,117 Einträge. 
  • Wie wird z.B. 1 0001 im Hamming-Code codiert? Parity-Bits sitzen an allen 2er-Potenzen, also 1, 2, 4, 8, 16, etc. In die übrigen Stellen wird die Binärfolge eingesetzt. Die Parity-Bits überprüfen bzw. ergänzen jeweils nach folgendem Schema: Zusatz-bit b(2^(i-1)) (i = 1,2,3,4,...) ergänzt Original-bit bj, wenn j in der Binärdarstellung an der i-ten Stelle von rechts eine 1 hat (Nummerierung der Bits startet hierbei mit 1!) Für jede Stelle, bei der die Binärzahl inklusive der noch leeren parity-Bits eine 1 stehen hat, wird ihre jeweilige Stellennummer als Binärzahl vermerkt. Alle dieser Binärzahlen werden für jede Ziffer geprüft, ob Ihre Anzahl der 1 gerade oder ungerade ist, also 00=0, 01=1, 10=1, 11=0. Die 4-Bit-Folge wird in die leeren Parity-Bits eingefügt. Alle Bits zusammen ergeben Den Hamming-Code der originalen Folge.  Beispiel: vOriginalinfo: 10011101 -> 100101101111, da die Parity-Bits zusammen 0111 sind.  
  • Wie wird Hamming-Code in Binärcode decodiert? Es werden alle Ziffern mit 2er-Potenz entfernt. 
  • Offset, Index der Seitentabelle und Seitentabellenverzeichnis berechnen aus Seitengröße und Speicher pro Eintrag: Anzahl Einträge: angespr. Speicher / Seitengröße Seitentabelle in Bits: log(Einträge) Offset in Bits: log(Seitengröße) Seitentabellenverzeichnis: Systemgröße - Offset - Seitentabelle
  • Was ist ein Semaphor? Ein binäres Semaphor ist eine zweiwertige Synchronisationsvariable. Es kann verglichen werden mit einer Ampel: Ein Prozess muss den Zustand des Semaphors testen, bevor er er den kritischen Bereich betritt.  Ein Semaphor besteht aus einem Zähler count, einer Wateschlange und den Methoden wait() und signal().  wait(): count wird um 1 verringert, falls count<0: Prozess muss warten.  signal(): count wird um 1 vergrößert, ist count <=0: ein wartender Prozess wird reaktiviert.  Worteile der Benutzung einer Semaphors sind: beliebig viele Prozesse, kein aktives warten, keine Verklemmung, keine Verhungerung. 
  • Was ist bei einem guten Semaphor zu beachten? Eine gute Implementierung von Semaphoren beinhaltet eine Warteschlange für jedes Semaphor. Ein erfolgloses wait() nimmt den Prozess in die Warteschlange aller derjenigen Prozesse auf, die auf die gleiche Semaphore warten und blockiert ihn alsdann.Ein signal() entfernt den am längsten wartenden Prozess, sofern es einen solchen gibt, aus der Warteschlage und setzt ihn auf ready.
  • Unterschied serielle und diskrete Übertragung Seriell: Dauerhafter Datenstrom, z.B. Aufnahmen einer Überwachungskamera Diskret: Gegentail von seriell; fallen in unregelmäßigen Abständen an. Beispiele: interaktive Benutzereingaben, Download einer Datei (ist in Blöcke geteilt, wird "sobald wie möglich" gedownloaded).
  • Unterschied Periodisch, nicht periodisch, schwach periodische Datenströme Periodisch: Konstante Zeitintervalle zwischen Datenübertragungen; roher/ unkomprimierter Datenfluss von z.B. Video/ Audio. schwach periodisch: Durch Kompression können Datengrößen sich voneinander Unterscheiden. Beispiel: Komprimiertes Video/ Audio. nicht periodisch: Daten folgen in zufälligen Zeitintervallen. Die Datengröße ist variabel. Besipiele sind blockweise Übertragung oder Nutzerbedienung. 
  • Unterschiede Simplex, halb-duplex, duplex simplex: es gibt einen Sender und einen Empfänger, die je nur senden oder empfangen können. Beispiel: Radio halb-duplex: Beide Seiten können abwechselnd senden und empfangen, eine sendet, die andere empfängt und andersrum. duplex: beide Seiten können gleichzeitig senden und empfangen. 
  • Unterschiede synchron, asynchron, plesiochron synchron: Eine Übertragung, bei der Sender und Empfänger z.B. den selben Zeitgeber besitzen und im "Gleichtakt" arbeiten. Die effektivste Art, Daten zu übertragen.  Asynchron: Übertragung mit unerschiedlichen Zeitgebern. Die Dateien müssen selbstsynchronosierend sein, um dekodiert zu werden.  Plesiochron: Eine Übertragung, bei der Sender und Empfänger qausi im Gleichtakt arbeiten. Mithilfe von z.B. Übertragungslücken  und Extrasignalenwerden die Sendungen nachträglich synchronisiert. 
  • Unterschied Parallele und serielle Bitübertragung Parallele Bitübertragung hatte mehrere parallele Leitungen, oft 8, für jeden Bit eines Bytes eine. Dies ist aber langsamer als die heute weit verbreitete serielle Bitübertragung. Es gibt eine Signalleitung, in der ein Bitstrom übertragen wird und eine Nullleitung. Die Übertragenen Bits müssen Synchronisiert werden, damit sie für den Empfänger verständlich sind.  Bit-Synchronisation: Die Erkennung einzelner Bits Zellen-Synchronisation: Die Erkennung von Bitfolgen als Folgen von Bytes oder Wörtern (Beispiel: ASCII-Chars). Frame-Synchronisation: Die Erkennung einer umfangreicheren Nachricht. (Beispiele: „Blöcke“ oder „Pakete“)
  • Asynchrone Datenübertragung Bei einer Übertragung von z.B. 8 bits ist die Zeit für die Übertragung jedes Bits bekannt. Es wird ein Start- und ein Stop-Bit gesetzt und die Zeit der Übertragung gemessen. Entsteht ein Zeitfehler, der ein Bit oder länger ist, ist die Übertragung fehlerhaft.  Der Anfang und das Ende einer Übertragung werden mit ASCII-Sonderzeichen definiert (STX und ETX). Die (nicht) erfolgreiche Übertragung wird durch ACK und NAK quittiert ((negative) acknowledge). Es gibt noch viele weitere Kontroll-Chars. 
  • Synchrone Datenübertragung ...wird für die Übertragung größerer Datenmengen, höherer Geschwindigkeit und beliebiger Bits (ohne ASCII-Sonderzeichen) benutzt. Ein Block wird als Frame dargestellt und hat neben Synchronisationsbits vorne und hinten und den eigentlichen Datenbytes Frame-Header-Bytes und End-of-Frame-Trailer-Bytes. Mit größeren Header-Bytes ähnelt ein Frame stark einem Paket. 
  • Problem mit Synchroner Datenübertragung Da sehr viele Bits (z.B. 1000x1) übertragen werden, können auch geringe Zeitfehler zu Fehlern in der Übertragung führen. Eine Lösung wäre eine dritte Leitung, die das Zeitsignal überträgt. 
  • Bipolare Codierung: Im Datenstrom werden 0 und 1 jeweils als Stufe dargestellt, die wieder auf einen mittleren Bereich zurückfällt, also +=1, -=0 und  0=-. Der Einschub von 0 als der mittlere der 3 Unterscheidbaren Zustände dient als BIttrenner. Zusätzlich wird keine Uhr mehr benötigt. Es müssen nur Zustandsübergänge decodiert werden. Der Signaltyp wird auch RTZ genannt ("Return To Zero").
  • Manchester-Codierung: ...ist eine NTRZ-Codierung ("Non Return To Zero"). Es werden nur 2 Signalzustände benötigt. Der Pahsenübergang in jeder Zelle wird zur Synchronisation von Sender und Empfänger genutzt. Grafisch: Sieht aus wie Treppenstufe. Eine 0 ist eine Stufe nach unten, eine 1 nach oben. Die Höhe ändert sich nicht sondern wird direkt anschleißend verbunden. 
  • Differential Manchester Encoding Bei dieser Variante wird wie folgt codiert:0 : am Anfang der Bitzelle erfolgt kein Phasenübergang1 : am Anfang der Bitzelle erfolgt ein Phasenübergang Zu jeder Bitfolge gibt es daher 2 symmetrische Codierungen; je nachdem, in welchem Zustand der Codierer sich zu Beginn befindet.Beachte: In der Mitte jeder Bitzelle erfolgt immer ein Phasenübergang! (eine Verbindung zwischen 0 und 1) Vorteil bei Zweidrahtleitungen: Beide Leitungen können beliebig gepolt werden.
  • NRZI NRZI benutzt nicht wie die Manchester-Codierung einen Phasenübergang bei jedem Bit, sondern nur noch bei Bitübergängen (von 0 auf 1 und umgekehrt). Bei dieser Variante wird wie folgt codiert:0 : am Anfang der Bitzelle erfolgt kein Phasenübergang1 : am Anfang der Bitzelle erfolgt ein PhasenübergangAuch bei NRZI gibt es daher 2 symmetrische Codierungen; je nachdem, in welchem Zustand der Codierer sich zu Beginn befindet.Beachte: In der Mitte jeder Bitzelle erfolgt kein Phasenübergang. NRZI ist eine Art halbe Lösung, da sie nicht ganz so effektiv, aber doppelt so schnell läuft wie die Manchester-Codierung.  Der Nachteil von NRZI ist, dass, wenn nicht genügend 1 vorkommen, dieselben Fehler auftreten können, die man ursprünglish vermeiden wollte. Man kann jedoch mehr 1 einstreuen. 
  • Bit Stuffing Kann bei NRZI-Codierung verwendet werden, um zusätzlich 1en zuzufügen, um die Übertragungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Für x lange Folgen des selben Zeichens (0) wird ein Zeichen (1) and der x+1 Stelle eingefügt. Der Empfänger erkennt dieses Schema und entfernt das x+1 Zeichen, um die ursprüngliche Nachricht zu erhalten. Dadurch wird die gesamte Nachricht nur unwesentlich länger.  Für größere x kann der NRZI Codierer Schwierigkeiten bekommen.
  • 4B/5B Umcodierung Der Datenstrom wird vom Sender in 4-Bit-Sequenzen umgewandelt und zu 5-Bit-Folgen codiert. Dabei werden nicht alle möglichen 5-Bit-Folgen ausgeschöpft, sodass einige nicht benutzt werden. So kann man die Folgen codieren, sodass gilt:  Nach der Umcodierung folgen höchstens zwei Nullen in einem Codewort aufeinander.In einer Folge von Codewörtern können höchstens drei Nullen hintereinander auftreten. Der entstehende Bitstrom ist ein wenig länger, kann aber schneller übertragen werden.  SIEHE 4B/5B-TABELLE
  • Wozu können die unbenutzten 5-Bit-Folgen in der 4B/5B-Codierung benutzt werden? Zur Markierung eines Paketanfangs.Zur Markierung eines Paketendes.Zur Kennzeichnung eines Fehlerabbruches. etc....
  • Wo liegt das Problem bei NRZI-Codierungen? Bei längeren Folgen von Nullen wird es aufgrund der Gleichheit des Signals schwierig, die genaue Anzahl der Zeichen zu erkennen.
  • Welche Möglichkeiten gibt es, Daten bitweise zu übertragen? Strom (verschiedene Stromstärken) Spannung (verschiedene Spannungsniveaus) Lichtsignal in einem Lichtwellenleiter elektromagnetische Welle in freiem Raum
  • Was bedeutet Bandbreite? Die Bandbreite eines Übertragungsmediums ist der Frequenzbereich, in dem die Signale ohne "störende" frequenzbedingte Dämpfung übertragen werden kann. Die Bandbreite kann gesteigert werden, wenn Verstärker verwendet werden, die hochfrequente Signale stärker verstärken als niederfrequente.
  • Bandbreite berechnen: Grundfrequenz: fAnzahl der ersten Fourier-Summanden: k k*f-f         (=(k-1)*f) Sei f = 1 MHz und k=10 wird eine Bandbreite von 9 MHz benötigt.
  • Zeit für Signalübertragung berechnen: T = 1/f Sei f = 1 MHz, ist T=1/f=1/10^6=1 ns 10^6, da 1 MHz 10^6 Hz sind.
  • Was bezeichnet die Einheit Baud? Anzahl der Signaländerungen bro Sekunde, auch: Symbolrate
  • mit Hintergrundrauschen rechnen: Sei N die Leistung dieses Hintergrundrauschens (Noise) und S die Leistung des Signals an der Empfängerseite (Signal), dann interessiert man sich für das Signal/Rausch-Verhältnis: S/NMeistens wird aber nicht das Verhältnis S/N angegeben sondern der Wert 10 * log10(S/N). Dieser Wert wird Dezibel genannt (dB).
  • Was ist ein Repeater? Ein Repeater ist anders als ein Verstärker ausschließlich für digitale Signale zu gebrauschen. Er wiederholt das empfangene Signal ohne das Rauschen zu verstärken. So kommt beim Empfänger nur das Rauschen der letzten Strecke an. 
  • Unicast Eine gerichtete Verbindung zwischen zwei Endgeräten
  • Broadcast Eine Übertragung von einem Sender an alleEmpfänger.
  • Multicast Eine Übertragung von einem Sender an eine Gruppe von Empfängern – z.B. an die Multicastgruppe {B, D}

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