Computer & Network Architecture
Questions
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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.
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Studieren Sie den detaillierten Ablauf einzelner Mikrocodes
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Implementieren Sie ein Mikroprogramm, das statt der Addition eine Division ausführen kann.
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Welche spezielle Situation sollte bei (5) auch beachtet werden? Ergänzen Sie Ihr Programm entsprechend.
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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
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Lernkarten
Was versteht man unter Speichermanagement?
Die Verwaltung vom Hauptspeicher.
Die Verwaltung des virtuellen Speichers, Umsetzung auf die physischen Speicher.
Die Umsetzung, Verwaltung des Auslagerungsspeichers.
Beschreiben Sie den Ablauf bei einem Interrupt.
Das Gerät macht ein Interrupt (an den Interrupt-Controller).
Interrupt-Controller entscheidend anhand der Prioritäten welcher Interrupt zuerst kommt.
Interrupt-Controller erstellt den Interrupt bei der CPU.
CPU führt allgemeine Interrupt-Subroutine aus und fragt dann die entsprechenden Register ab.
Gibt es eine Gemeinsamkeit von parallelen Prozessen und Interrupts?
Ja, Interrupt-Service Routine ist ebenfalls „blockiert“ und wartet bis sie ausgeführt wird.
Nennen Sie drei Anforderungen an Dateisysteme.
Verwaltung grosser Datenmengen
Während Prozesse laufen, können sie Informationen innerhalb ihres Adressraumes ablegen. Die Kapazität ist durch die Grösse des virtuellen Speichers begrenzt. Für viele Anwendungen reicht das nicht aus.
Persistenz
Die im Adressraum abgelegte Information ist nicht persistent, d.h. geht verloren, wenn der Prozess endet oder aus irgendwelchen Gründen abbricht.
Paralleler Zugriff
Im Adressraum eines Prozesses abgelegte Information ist nur für den Prozess selbst verfügbar. Im Allgemeinen hat man aber immer Informationen, auf die von mehreren Prozessen aus z.T. gleichzeitig zugegriffen werden soll.
Was ist ein i-Node?
Ein Inode (auch I-Node, Kurzwort aus: engl. index node) ist ein Eintrag in einem Unix-Dateisystem, der Metadaten einer Datei enthält. In den meisten Unix-Betriebssystemen werden Dateien nur über ihre INodes verwaltet. Jeder INode ist durch eine eindeutige Inode-Nummer gekennzeichnet und verweist auf genau eine Datei.
Umgekehrt gehört zu jeder Datei auch ein einziger INode, der Attribute der betreffenden Datei enthält, die Zuordnung ist daher eineindeutig. Namen und Inhalt werden unabhängig abgelegt: Dateinamen verweisen auf den INode, dieser verweist auf den Speicherplatz des Datei-Inhalts, ausgenommen für sehr kleine Dateien (bis zu etwa hundert Bytes): Deren Inhalt wird von den meisten heutigen Dateisystem-Implementierungen direkt im INode abgespeichert.
Wie funktioniert eine verkettete Liste?
Der Speicherplatz des ersten Elements ist bekannt. In jedem Element steht wo das nächste Element gespeichert ist. Das letzte Element verweist auf 0, somit das Ende der Datei.
Ihr Rechner hat einen 32-Bit byte-adressierbaren virtuellen Adressraum. Die Grösse der Seiten ist 4 KB. Wie viele Seiten virtuellen Speichers existieren?
siehe Bild
Ein segmentierter Speicher hat seitenorientierte Segmente. Jede virtuelle Adresse enthält eine 2 Bit Segmentnummer, eine 2 Bit Seitennummer und einen 11 Bit Offset innerhalb der Seite. Der Hauptspeicher enthält 32 KB, aufgeteilt in 2 KB Seiten. Jedes Segment hat ein Attribut read-only, read-execute, readwrite oder read-write-execute. Wenn ein Schutzfehler passiert, spielt es keine Rolle, ob die Seitentabelle oder Seite sich im Speicher befindet. Die Seitentabelle und die Schutzattribute sind wie folgt gesetzt: siehe Bild
Geben Sie für die 10 Zugriffe jeweils an, auf welche physikalische Adresse zugegriffen wird, bzw. welcher Fehler auftritt.
siehe Bild
Ein virtueller Speicher hat eine Seitengrösse von 1024 Worten, 8 virtuellen Seiten und 4 physikalischen Seiten. Gegeben ist die Seitentabelle: siehe Bild
Listen Sie alle virtuellen Adressen auf, die einen Seitenfehler erzeugen
Virtuelle Seiten 2, 3, 5 und 7
Seitengrösse: 1024
Page 2: Start-Addr.: 2 * 1024 = 2048 / End-Addr.: 3 * 1024 – 1 = 3071
Page 3: Start-Addr.: 3 * 1024 = 3072 / End-Addr.: 4 * 1024 – 1 = 4095
Page 5: Start-Addr.: 5 * 1024 = 5120 / End-Addr.: 6 * 1024 – 1 = 6143
Page 7: Start-Addr.: 7 * 1024 = 7168 / End-Addr.: 8 * 1024 – 1 = 8191
Bei folgenden Adressen gibt es einen Seitenfehler: 2048 – 4095, 5120 – 6143 und 7168 – 8191
Ein virtueller Speicher hat eine Seitengrösse von 1024 Worten, 8 virtuellen Seiten und 4 physikalischen Seiten. Gegeben ist die Seitentabelle: siehe Bild
Welche physikalischen Adressen entsprechen den virtuellen Adressen 0, 3728, 1023, 1024, 1025, 7800 und 4096?
siehe Bild
Ein Betriebssystem könnte Semaphore folgendermassen implementieren: Wenn die CPU eine P(s) oder V(s) Operation auf ein Semaphor ausführen möchte, setzt sie die Priorität so, dass alle Interrupts ausgeschaltet (disabled) werden. Dann erst holt sie das Semaphor, modifiziert es und gibt dann die Interrupts wieder frei. Funktioniert diese Methode:
a) bei einer single core CPU, die alle 100 msec eine Prozessumschaltung vornimmt?
b) bei einer double core CPU, die auf gemeinsamen Speicher, in dem das Semaphor liegt, zugreift?
a) Ja, Prozessumschaltung stört uns nicht
b) Nein, es kan nur der Interrupt von einer CPU gesperrt werden und nicht über mehrere
Studien haben ergeben, dass die meisten Files nur wenige KB gross sind. Die überwiegende Mehrheit aller Files ist kleiner als 8 KB. Andererseits belegen die 10% grössten Files etwa 95% der ganzen Disk. Welche Schlüsse in Bezug auf die wünschbare Blockgrösse lassen sich daraus ableiten?
siehe Bild
Wie arbeiten die Systemkomponenten beim einem Client-Server System zusammen?
Der Client schickt eine Anfrage an den Server und muss auf dessen Antwort warten.
Der Server stellt den Dienst zur Verfügung. Er bearbeitet die Anfrage und liefert die Antwort zurück an den Client.
Was versteht man unter RPC?
Remote Procedure Call
Ruft entfernte Prozeduren auf einem entfernen Rechner auf
Wofür steht der Name CORBA?
Common Object Request Broker Architecture
Microsoft-Pendant: DCOM (Distributed Component Object Model)
Was ist eine IDL?
Interface Definition Language, Sprachsyntax zur Beschreibung von Softwareschnittstellen
Wie heissen die Stufen einer Drei-Stufen-Architektur?
Benutzeroberfläche (Darstellung)
Applikationsserver
Datenbankserver
Was bedeutet HAL?
Hardware Abstraction Layer
Die unterste Schicht vom Betriebssystem welche den Zugriff auf die Hardware zur Verfügung stellt / sicherstellt.
Einige der vom HAL verwalteten Hardwarefunktionen:
Was versteht man unter „Sockets"?
siehe Bild
Skizzieren Sie eine Zwei-Sufen und eine Drei-Stufen- Architektur?
siehe Bild
Skizieren Sie (grob) die Systemstruktur von UNIX.
siehe Bild
Skizzsieren Sie (grob) die Systemstruktur von Windows
siehe Bild
Nennen Sie zwei Service Primitiven.
Auf welchem Layer im Schichtenmodell gibt es die Service Primitive "Confirm"?
Auf allen Serviceorientierten
Nennen Sie je ein Beispiel für einen Verbindungsorientierten und einen Verbindungslosen Dienst
siehe Bild
Welche Aspekte zeigen Strukturmodelle?
- Physikalische Relationen
- Logische Relationen
- Komponenten
Benennen und Skizzieren Sie zwei Topologien.
siehe Bild
Nennen Sie ein wichtiges Kriterium bei Adressierschemata
Link-Level-Adressierung:
Adresse des unmittelbaren Kommunikationspartners (MAC-Adresse: z.B. Ethernet Adresse einer Netzwerkkarte)
Endsystemadressierung:
Adresse des letztentlichen Zielsystems (z.B. Internet-Adresse)
Transportprotokolladresse:
z.B. TCP oder UDP
Port-Nummer:
Zur Identifizierung einer Anwendung (Anwendungsprozess)
Mit welchem anschaulichen Beispiel wurde das OSI-Schichtenmodell erklärt?
siehe Bild
Was versteht man unter Dienstprimitiven?
siehe Bild
Finden Sie eine "Eselsbrücke", um sich die Reihenfolge der OSI-Schichten zu merken?
Physical, Data Link, Network, Transport, Session, Presentation, Application
Von unten nach oben:
Please do not throw salami pizza away
Von oben nach unten:
Alle Priester saufen Tequila nach der Predigt
Zeichnen und beschriften Sie einen OSI-Protokoll-Stack. Zeichnen Sie daneben einen TCP/IP Protokoll-Stack
siehe Bild
Zeichnen Sie einen TCP/IP Protokoll-Stapel und geben Sie auf jeder Schicht die Namen typischer Protokolle an?
siehe Bild
Zeichnen Sie einem endlichen Automaten für ein Kaffeemaschine, die ein 1 Frankenstück erwartet und eine Sorte Kaffee ausschenken kann? Es gibt einen Startknopf und einen Geldrückgabeknopf
siehe Bild
Welche OSI Schichten zählen zum Verbindungsnetz?
Layer 1, 2 und 3
Suchen Sie ein Beispiel aus dem Alltag, das einer verbindungslosen Übertragung entspricht. Was ist dabei charakteristisch? Welchen Protokollen aus der Internet
Protokollfamilie entspricht das?
Brief Versand mit der Post
UDP, IP
Suchen Sie ein Beispiel aus dem Alltag, das einer verbindungsorientierten Übertragung entspricht. Was ist dabei charakteristisch? Welchen Protokollen aus der Internet Protokollfamilie entspricht das?
Telefon
TCP
Round Trip Delay
Berechnen Sie die Zeit, die insgesamt erforderlich ist, eine 1.5 MByte Datei in folgenden Fällen zu übertragen. Gehen Sie von einem Round Trip Delay (RTD) von 80 ms, einer Paketgrösse von 1 kByte, und von Anfangs 2 · RTD für das vor der Übertragung ablaufende „Handshaking“ aus.
Die Bandbreite beträgt 10 MBit/s und Datenpakete können fortlaufend gesendet werden.
siehe Bild
Round Trip Delay
Berechnen Sie die Zeit, die insgesamt erforderlich ist, eine 1.5 MByte Datei in folgenden Fällen zu übertragen. Gehen Sie von einem Round Trip Delay (RTD) von 80 ms, einer Paketgrösse von 1 kByte, und von Anfangs 2 · RTD für das vor der Übertragung ablaufende „Handshaking“ aus.
Die Bandbreite beträgt 10 MBit/s, nach der Übertragung jedes Pakets muss aber ein RTD abgewartet werden, bis das nächste Paket gesendet werden kann
siehe Bild
Round Trip Delay
Berechnen Sie die Zeit, die insgesamt erforderlich ist, eine 1.5 MByte Datei in folgenden Fällen zu übertragen. Gehen Sie von einem Round Trip Delay (RTD) von 80 ms, einer Paketgrösse von 1 kByte, und von Anfangs 2 · RTD für das vor der Übertragung ablaufende „Handshaking“ aus.
Die Bandbreite sei „unendlich“. Das heisst, es kann von einer Übertragungszeit von Null ausgegangen werden. Es können bis zu 20 Pakete pro RTD gesendet werden.
siehe Bild
