Computer & Network Architecture
Questions
Questions
Wie gross ist die maximale Schachtelungstiefe für Subroutinen? Geben Sie allfällige Randbedingungen genau an.
- Bis der StackPointer überläuft. Je nach Init 32 resp. 64 Locations (Adressen)
- Stackgrösse ist 64Bit
- Jeder Subroutine Aufruf belegt zwei 8-bit Speicherzellen (JSR Beschreibung Seite 261)
- Keine Interrupts, weil diese auch Stack brauchen.
Benennen Sie einige Aufgaben, die oft mit Stack gelöst werden?
- Ausführung von Unterprogrammen (Rücksprungadresse sichern)
- Parameterübergabe
- Resultatrückgabe
- Zwischenspeicher
- Interrupt-Behandlung
JVM: Wo werden lokale Variablen „versorgt“?
Auf dem Stack.
JVM: Was läuft beim Aufruf einer Java Methode intern genau ab?
- Parameter auf den Stack
- Rücksprungadresse speichern
- Speicher für die lokale Variablen reservieren
- Methode ausführen
- Resultat speichern
- Returnwert laden
Gibt es verschiedene Busse? Wenn ja, beschreiben Sie die jeweilige Aufgabe in ein paar Stichworten.
Ja. (FSB, PCI-Bus, RAM-Busse, ISA-Bus, PCIe, DIE, ATA, EIDE, S-ATA, SCSI, USB, Firewire, usw)
Sie transportieren die Daten von einem Ort zum nächsten.
Nennen Sie zwei Benchmarkverfahren.
Spec(int, fp), Whetstone, Dhrystone, Linpack, Perfect-Club, Slalom (Kapitel 1.3, Folie 9)
Aus welchen Komponenten besteht eine CPU?
Rechenwerk und Steuerwerk:
Funktionsgruppen (Register), Recheneinheit, (ALU), Befehlsdecoder und Adresseinheit
Welche Schnittstellen weist ein PC-Computer heute typischerweise auf? Welche Schnittstellen wird es in Zukunft möglicherweise immer weniger geben?
USB, PCI, PCI-Express, ATA, APM, HDMI, VGA, DVI, S-Video, Firewire, Serial ATA, …
Was versteht man unter Chipsatz?
Ein Chipsatz sind mehrere zusammengehörende integrierte Schaltkreise, die zusammen eine bestimmte Aufgabe erfüllen.
Normalerweise ein Northbridge und ein Southbridge.
Was versteht man unter North-Bridge?
Die Northbridge bezeichnet eine Hardwarekomponente einer modernen PC-Hauptplatine. Traditionell ist die Northbridge ein separater Chip, der sich im Gegensatz zur Southbridge dicht an der CPU befindet, um Daten schnell transferieren zu können.
Welche vier Messdaten sind bei Festplatten relevant?
Cache, Kapazität, Drehzahl, Bussystem, Stromverbrauch, Lautstärke
Wozu dient eine FPU?
(Floating Point Unit)
Ein spezieller Prozessor der Operationen mit Gleitkommazahlen ausführt.
Was versteht man unter BIOS? Welche Aufgaben erfüllt das BIOS?
Den PC funktionsfähig machen und im Anschluss das Starten des Betriebssystems einleiten.
Programm in einem nicht flüchtigen Speicher.
Was versteht man unter Cache Speicher? Was ist ein L1, was ein L2 Cache?
Ein schneller Puffer-Speicher. (Zwischenlagern von Daten)
Cache Hierarchie:
L1 Klein und schnell. Sie liegt am nächsten bei der CPU.
L2 Liegt weiter weg und ist somit langsamer als L1,
Was tut das Programm im Arbeitsspeicher?
Im RAM ist das Programm ($00 bis $07 / $1F) sowie die Daten ($10 bis $13)
Es Addiert den Wert an Adresse $10 mit dem Wert an Adresse $11 und speichert diesen an $12, solange bis der
Wert dem Wert an Adresse $13 entspricht. => Er Addiert alle ungeraden Zahlen von 3 bis 17.
Erweitern Sie das Programm derart, dass es fortlaufend den Wert 2 addiert.
Der Befehl an $05 in JMP $02 ändern (und $06 / $07 in 00000000 ändern).
Erweitern Sie das Programm derart, dass es einmalig alle ungeraden Zahlen zwischen 3 und 17 erzeugt.
---
Studieren Sie den detaillierten Ablauf einzelner Mikrocodes
---
Implementieren Sie ein Mikroprogramm, das statt der Addition eine Division ausführen kann.
---
Welche spezielle Situation sollte bei (5) auch beachtet werden? Ergänzen Sie Ihr Programm entsprechend.
---
Gibt es auch Rechner ohne Betriebssystem? Nenne Beispiele
Microcontroller, Taschenrechner, Digitale Uhr, alte Mobiltelefon
Was sind die Nachteile, wenn ein Rechner ohne Betriebssystem benutzt wird?
Jede Programm muss explizit für die Hardware programmiert werden. Die Hardware resp. deren Funktionalität, Möglichkeiten müssen genau bekannt sein. Die Hardware, Speicher muss selber verwaltet werden.
Die Programme sind nicht portierbar. Der Anwender muss verschiedene "Oberflächen"/Betriebssysteme kennen und bedienen können.
Was sind die Vorteile, wenn ein Rechner ohne BS benutzt wird?
- Bessere Performance, ein Programm kann optimal auf die HW programmiert werden.
- Die Hardware kann optimal genutzt werden.
- Keine Abhängigkeiten von BS Lieferanten, weniger Schnittstellen
- Sicherheit, Viren laufen in der Regel erst ab einem OS
Beschreibe die Hauptaufgabe eines BS
- Komfortable Schicht zwischen Anwendungen und der Hardware.
- Ressourcen-Manager
- Verwaltung der Geräte
- Schnittstellen bereitstellen
Was versteht man unter einem verteilten System?
- Ein logisches System wird auf mehrere physikalische Systeme verteilt.
- Für die Anwendung ist es ein kohärentes System
Welche Aufgabe erfüllt eine MMU?
Memory Management Unit
Mapping zwischen virtuellem und physikalischem Memory.
Führt den Relokationsmechanismus (relocation) aus. (Die im Programm enthaltenen Adressen auf die tatsächlichen Adressen im Speicher abbilden)
Worin unterscheiden sich Busy-Waiting und Interrupt?
- Bei Busy-Waiting (polling) ist die CPU blockiert bis die Daten geliefert werden.
- Beim Interrupt kann das OS andere Prozesse ausführen. Das Gerät meldet sich selbst (Interrupt) sobald es ready ist.
Was versteht man unter einem BIOS?
Basic Input Output System
Startet als erstes auf dem PC, überprüft die Hardware Config, ermittelt das Boot-Device und startet davon das OS.
Charakterisiere einen Prozess
- Ein Prozess ist ein in „Ausführung“ befindliches Programm.
- Jeder Prozess hat einen Adressraum (Programm- und Datenbereich, Stack, Registerinhalte)
- Prozesse können andere Prozesse kreieren und beenden
- Prozesse kommunizieren mit anderen Prozessen
Was bedeuten Protection-Codes?
Definieren die Berechtigung in einem Multi-User System.
Unix: RWX
User / Group / World
rwx / r-x / r-- => 111 / 101 / 100 => 754
(111 ist binär für 7)
Was ist eine Pipe?
Eine virtuelle Datei, Pseudofile über das zwei Prozesse miteinander kommunizieren.
FIFO-Speicher: First-In, First-Out
Wozu dienen Systemaufrufe?
Die Schnittstelle zum OS.
Anwendungsprogramme verwenden Betriebssystemfunktionen über Systemaufrufe (System Calls).
Was ist eine Shell?
Kommandointerpreter
(Ein GUI ist grundsätzlich auch eine Shell)
Welche Betriebssysteme kennen Sie?
Windows, Unix, Linux, MAC, DOS
Realtime-OS (z.B. LynxOS)
BS für Mobilgeräte (Android, Symbian, Windows Phone 7)
Stelle in einer Skizze die Architektur eines Computersystems dar. Markiere das Betriebssystem
siehe Bild
Was sind die beiden Hauptaufgaben eines Betriebssystems?
- Ressourcen / Benutzer Verwalten
- komfortable Schnittstellen für die Geräte zur Verfügung stellen
Was ist ein Prozess?
- Ein Prozess ist ein in „Ausführung“ befindliches Programm.
- Jeder Prozess hat einen Adressraum (Programm- und Datenbereich, Stack, Registerinhalte)
- Prozesse können andere Prozesse kreieren und beenden
- Prozesse kommunizieren mit anderen Prozessen
Ein Grund für die langsame Einführung grafischer Benutzungsoberflächen war, dass die nötige Hardware anfangs noch sehr teuer war. Wie viel Videospeicher braucht man für die Darstellung von 80 Zeichen auf 25 Zeilen Textmodus in Schwarzweiss? Und wie viel braucht man für die Darstellung von 1024 x 768 Bildpunkten mit 24-Bit Farbtiefe? Was hat der nötige Speicher 1980 gekostet, als ein Kbyte etwa 5 Dollar kostete? Und wie viel kostet er heute?
80 * 25 = 2‘000 Byte (Zeichen)
1kByte = 5Dollar => 10 Dollar
Der Speicher kostete ca. 10 Dollar.
1024x768x24 = 18‘874‘368 Bit => 2‘359‘296Byte => ca. 11‘520 Dollar
Zählen Sie einige Unterschiede zwischen einem Betriebssystem für einen Personalcomputer und dem für einen Mainframe auf.
PC: Einbenutzer-OS
Mainframe: Mehrbenutzer-OS
Es wird eine Benutzer- und Rechteverwaltung benötigt
Nun ein paar Aufgaben, die das Rechnen mit Einheiten zeigen sollen:
a) Wie lange dauert ein Mikrojahr in Sekunden?
b) Mikrometer werden manchmal als Mikron bezeichnet. Wie lange ist ein Gigamikron?
c) Wie viele Bytes enthält ein 1 Tbyte-Speicher?
d) Die Masse der Erde beträgt 6000 Yottagramm. Wie viel ist das in Kilogramm?
a) Mikro 10^(-6) * 365 * 24 * 3600 => 31,536 Sekunden
b) Giga = 10^9 * Mikron (Mü = 10^(-9)) => 1km
c) Tera=10^12 => 2^40 = 1‘099‘511‘627‘776
d) Yotta = 10^24 => 6‘000 * 10^24g => 6 * 10^24kg
-
- 1 / 337
-
Cartes-fiches
Warum werden Pakete in den Routern zunächst gespeichert?
Adressauswertung
Kontrolle Frame Sicherung
Timing Anpassungen (Pufferung)
Warum kann es beim Datagrammdienst passieren, dass Pakete vom gleichen Absender zum gleichen Empfänger unterschiedliche Wege durch das Netzwerk zurücklegen?
Es ist eine Verbindungslose Verbindung. Ggf. ändert sich das Routing und die Pakete werden auf unterschiedlichen Weg geroutet.
Welche Information muss jedes Packet enthalten bei
a) Datagrammdienst?
b) Virtuelle Verbindung?
a) Datagrammdienst
Datagrammdienst: Paketvermittlung (Verbindungslos): Internet Protokoll (IP)
Jedes Paket enthält die volle Quell- und Zieladresse
b) Virtuelle Verbindung
Virtuelle Verbindung: Leitungsvermittlung (Verbindungsorientiert): Telefonsignalisierung (ISDN)
Jedes Paket enthält eine kurze Nummer der virtuellen Verbindung
Wieso kann bei einer virtuellen Verbindung im Gegensatz zum Datagrammdienst die Dienstgüte garantiert werden?
Weil im Voraus für jede virtuelle Verbindung ausreichend Ressourcen bereitgestellt werden.
Was sind die Nachteile von dynamischen Routing-Algorithmen?
Es werden zusätzliche Protokollmeldungen benötigt, welche die das Netz belasten.
Schauen Sie sich im Buch noch mal S. 391 ff. die Shortest-Path-Bestimmung an. Wie „lange“ ist letztendlich der kürzeste Weg von A nach D
10: A-B-E-F-H-D
Warum braucht man hierarchisches Routing?
Routing Tabellen wären viel zu gross.
Wann ist ein verbindungsorientierter Dienst vorteilhaft, wann ein verbindungsloser Dienst?
Verbindungsorientierter Dienst:
- ist vorteilhaft wenn viele Daten vom gleichen Sender zum gleichen Empfänger übertragen werden
- hohe Dienstgüte
Verbindungsloser Dienst:
- überall wo es keine Rolle spielt ob Datagramme verloren gehen
- Audio / Video Streaming, Broadcast
Angenommen alle Router und Hosts funktionieren störungsfrei und die jeweilige Software enthält keine Fehler. Besteht dann trotzdem die Möglichkeit – egal wie gering, dass ein Paket zu einem falschen Ziel übertragen wird?
Ja, wenn die Adresse gestört wird (MAC / ARP Spoofing)
Es wird ein Frame an 5 Rechner geschickt. Wie nennt man diese Sendeform?
Multicast
Welche Aufgabe erfüllt ein MAC-Protokoll?
MAC = Medium Access Control= Protokoll der Sicherungsschicht (Layer 2)
Es regelt das Zugriffsverfahren, definiert wer senden darf.
Nennen Sie 2 MAC-Protokolle.
- ALOHA / S-ALOHA (Slotted ALOHA)
- CSMA -Carrier Sense Multiple Access und CSMA/CD Collision Detection
- WDMA -Wavelength Division Multiple Access Protocols
- Wireless LAN Protokolle
Zu welchen Zeitpunkten werden beim ALOHA-Protokoll Frames gesendet?
ALOHA: beliebiger Zeitpunkt
S-ALOHA: Nur zu Beginn eines Zeitfenster
Worin besteht der wesentliche Vorteil des CSMA?
- Sender hört den Datenverkehr auf der Leitung ab (= carrier sense)
- Sender wartet, bis der Kanal frei ist.
- Sobald der Kanal frei ist, darf gesendet werden.
- Falls mehrere Sender gleichzeitig anfangen zu senden: Kollision Wiederholung nach zufälliger Zeitspanne
Was bedeutet CSMA/CD?
CSMA: Carrier Sense Multiple Access
CD: Collision Detection: sobald eine Kollision erkannt wird, wird die Übertragung abgebrochen
Aus welchen beiden Teilen besteht die Sicherungsschicht bei IEEE-802?
LLC und MAC
Welche OSI-Schichten deckt IEEE-802 ab?
OSI Layer 1 bis 3
Wozu dient u.a. die Präambel der Ethernet IEEE 802.3 Rahmenstruktur?
Zur Synchronisation damit alle im gleichen Takt laufen.
Welche Art Prüfsumme wird bei 802.3 verwendet?
CRC
Welche Aufgabe erfüllt der LLC?
Fehlererkennung
Wie lange ist ein 802.3 Datenfeld?
0 bis 1500 Bytes
Können bei einem Random Access Channel alle Rechner gleichzeitig senden?
Ja, jedoch besteht die Gefahr von Kollisionen
Was versteht man unter einem Zugriffsverfahren?
Regelt die Vergabe des Zugriffsrechts auf den Übertragungskanal. (MAC: Medium Access Control)
Was passiert bei einer Kollision?
Alle betroffenen Pakete / Rahmen werden dabei beschädigt.
Je nach Protokoll werden diese nach einer zufälligen Wartezeit erneut gesendet.
Was sind die Vorteile des ALOHA-Protokolls?
Alle dürfen zu jederzeit Senden. (sehr einfach Realisierung: keine Zeitschlitze, keine Überwachung des Kanals)
Verbesserung: S-ALOHA (Slotted ALOHA)
Warum sinkt (ab einem bestimmten Wert) mit zunehmender Anzahl G von Sendeversuchen der Kanaldurchsatz?
Je mehr Sendestationen in einem Netzwerk sind umso grösser ist das Risiko einer Kollision. Ab einem bestimmten Wert ist der ganze Kanal mit Kollisionen überlastet.
Was ist die entscheidende Verbesserung bei CSMA gegenüber ALOHA?
CSMA = Carrier Sense Multiple Access
Sender hört den Datenverkehr auf der Leitung ab (= carrier sense)
Sender wartet, bis der Kanal frei ist.
Welchen Vorteil haben kollisionsfreie Protokolle?
weniger resp. fast keine Kollisionen dadurch weniger resp. fast keine Wiederholungen
- höheren Daten-Durchsatz
- deterministische Antworte Zeiten (Garantier bare Antwortzeiten)
Was macht das Protokoll 802.2?
siehe Bild
Nennen Sie 3 Normen aus der 802.xx-Familie, die ein Zugriffsverfahren realisieren.
siehe Bild
Was sind die Vorteile und Nachteile einer statischen Kanalzuordnung?
Vorteil: kein Zugriffsverfahren notwendig
Nachteil: Anzahl Kanäle sind begrenzt, Teilnehmerzahl ist dadurch begrenzt.
Wie viele Bytes umfasst die Adresse in einem 802.3-Frame und wie viele unterschiedliche Rechner können damit theoretisch adressiert werden?
MAC-Adressen: xx-xx-xx-xx-xx-xx
48bit -> 6Byte
2^48 = 281‘474‘976‘710‘656 Hosts
Die folgende Abbildung zeigt ein IP-Paket (grün/hellgrün), das in einen Ethernet-Frame (blau/hellblau) eingebettet ist: siehe Bild
a) Wie viele Datenbytes kann das IP-Paket enthalten?
b) Angenommen dieses Paket befindet sich auf einem Ethernet-Segment und soll an einen entfernten Host weitergeleitet werden. Durch welche Adresse wird ein Router an dem Ethernet-Segment angesprochen?
a) Wie viele Datenbytes kann das IP-Paket enthalten?
IP-Headergrösse (der dunkel grüne Bereich): 24 Bytes
IP-Nutzgrösse – IP-Header => 1500Bytes – 24Bytes = 1476 Bytes.
b) Angenommen dieses Paket befindet sich auf einem Ethernet-Segment und soll an einen entfernten Host weitergeleitet werden. Durch welche Adresse wird ein Router an dem Ethernet-Segment angesprochen?
Durch die Ziel-Adresse des Ethernet-Frames (MAC-Adresse), Layer 2
--> Ziel-Adresse (Violett)
Welche Adresse gibt das Endziel des Paketes an?
Durch die Ziel-Adresse des IP-Pakets (IP-Adresse), Layer 3
--> IP-Adresse des Ziels (Grün)
Welche physikalischen Phänomene bzw. Grössen können zur Nachrichtenübertragung verwendet werden?
Spannung, Frequenzen, optische Impulse, Rauchzeichen
Was ist die Grenzfrequenz einer Leitung?
Die Grenzfrequenz ist diejenige Frequenz welche wenig oder nicht gedämpft wird.
Leitungen übertragen Signale von einer minimalen Grenzfrequenz bis zu einer maximalen Grenzfrequenz.
Welchen Vorteil haben differentielle Signalübertragungen?
Weniger Störanfällig.
Warum sind bei Twisted Pair die Leitungen verdrillt?
Weniger Störanfällig.
Wozu dient der Aussenleiter bei Koaxialkabeln?
Abschirmung und zweiten Leiter
Was versteht man unter einer Monomode-Glasfaser?
Eine Glasfaser welche nur einen „Leiter“ besitzt – Ausbreitung in gerader Linie
