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.
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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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Cartes-fiches
Was ist ein Hauptunterschied der Harvard Architektur im Vergleich mit der Von Neumann Architektur?
Harvard Architektur:
- separate Speicher für Befehle und Daten
- Rechenwerk wird parallel mit Daten und Befehlen gefüllt
- Befehle und zugehörige Daten in einem Taktzyklus ins Rechenwerk laden (Von-Neumann Architektur: mindestens zwei Taktzyklen nötig)
- Synchrones Laden auch mit mehreren Rechenwerken möglich
Weil Programm-und Datenspeicher über getrennte Busse angesteuert werden, kann (echt) gleichzeitig zugegriffen werden.
Nennen zwei Einheiten für Benchmarks
- MIPS
- Flops / MFlops/GFlops
- TPS
- MCUPS
Nennen Sie zwei Benchmark Programme
Spec(int, fp), Whetstone, Dhrystone, Linpack, Perfect-Club, Slalom
Was versteht man unter Pipelining?
Fetch, Decode, Execute Parallel ausführen.
Skizzieren Sie eine superskalare Rechnerarchitektur.
Dual five-stage pipelines with a common instruction fetch unit.
A superscalar processor with five functional units.
A superscalar processor with five functional units.
Was versteht man unter einem Big-Endian?
die höheren Stellen kommen zuerst:
1 Hunderter - 2 Zehner - 3 Einer
Dieses Programm zeigt ein Lauflicht am Ausgabe-Port (OUT):
Das Lauflicht ist ein einzelnes gesetztes Bit, das stetig von unten nach oben wandert, wenn es oben rausrutscht, wird es unten wieder eingefügt.
Gesucht:
a) Struktogramm
b) Assemblerprogramm
c) Maschinenprogramm
siehe Bild
Anforderungen:
Das Programm stellt bei einer eingegebenen Zahl (IN) fest, ob diese gerade oder ungerade ist.
- Ist die Zahl gerade, lautet die Ausgabe (OUT): 0000
- Ist die Zahl ungerade, lautet die Ausgabe (OUT): 1111
Gesucht:
a) Struktogramm
b) Assemblerprogramm
c) Maschinenprogramm
siehe Bild
Analysieren Sie folgenden Maschinencode. Was passiert mit der Eingabe (IN)?
siehe Bild
Analysieren Sie folgenden Maschinencode. Was für Ausgabe-Folgen (OUT) resultieren in Abhängigkeit eines bestimmten Eingabe-Wertes (IN)? Können Sie das Ergebnis nachvollziehen?
siehe Bild
Was beinhaltet die Basisinformation eines Maschinenbefehles?
siehe Bild
Wohin zeigt der Programm Counter?
Auf den nächsten auszuführenden Befehl.
Zu welchem Maschinentyp gehört der Maschinenbefehl MOV r2, adr ?
Zweiadressbefehle
Welcher Wert steht nach Ausführung des Programmabschnitts im Akkumulator A?
($ bedeutet Hex)
Was bedeutet LADE Akkumulator A mit $7F
Der Wert welcher an Adresse $7F gespeichert ist in den Akkumulator laden.
Benennen Sie einige Aufgaben, die oft mit Stack gelöst werden?
- Ausführung von Unterprogrammen (Rücksprungadresse sichern)
- Parameterübergabe
- Resultatrückgabe
- Zwischenspeicher
- Interrupt-Behandlung
Warum wird bei einem Unterprogrammaufruf die Rücksprungadresse auf den Stack gelegt?
Die Unterprogramme können von verschiedenen Orten aus aufgerufen werden, die Rücksprung-Adresse ist somit immer unterschiedlich.
Was ist der Unterschied zwischen einem Unterprogrammaufruf und einem Interrupt?
Ein Interrupt kann nicht kontrolliert werden. Er wird von „Extern“ aufgerufen.
Kann bei einem mit 5 Werten belegten Stack auch direkt auf den 2. Wert zugegriffen werden?
Nein.
Beschreiben Sie in eigenen Worten und mit einer Skizze die Schichtung einer Multilevel Maschine.
Folie 5, rechte Seite
Welche Grundlegenden Operationsarten gibt es bei den Maschinenbefehlen?
- MOVE Daten herumscheiben (lesen, schreiben)
- Programm Ablauf Steuerung (Brunch, Jump)
- Rechnen (Arithmetisch & Logisch)
Skizzieren Sie einen Drei-Adress Befehl.
ADD adr1, adr2, adr (adr1 + adr2 in adr3 speichern)
Beschreiben Sie mit einer Skizze und ein paar Stichworten, was folgende zwei Adressierungsarten bedeuten: absolute Adressierung und unmittelbare Adressierung
- Absolute Adressierung: Wert steht an Adresse: LDA 7 (Lade Akku A mit dem Wert welcher an Adresse 7 steht)
- Unmittelbare Adressierung: Wert steht direkt beim Befehl: LDA #7 (Lade Akku A mit dem Wert 7)
Wozu dient der Instruction Pointer? Wie nenn man ihn auch noch?
ProgramCounter, zeigt auf den nächsten auszuführenden Befehl
Wozu kann ein Stack verwendet werden?
Rücksprung Adresse sichern, Parameter Wert übergeben, Zwischenspeicher
Wozu wird ein Cache verwendet?
Schneller Zwischenspeicher
Was ist ein Mikrocontroller?
Als Mikrocontroller (auch μController, μC, MCU) werden Halbleiterchips bezeichnet, die mit dem Prozessor mindestens Peripheriefunktionen auf einem Chip vereinen. In vielen Fällen befindet sich der Arbeits- und Programmspeicher ebenfalls teilweise oder komplett auf dem gleichen Chip. Ein Mikrocontroller ist praktisch ein Ein-Chip-Computersystem. Für manche Mikrocontroller wird auch der Begriff System on a Chip oder SoC verwendet.
Auf modernen Mikrocontrollern finden sich häufig auch komplexe Peripheriefunktionen wie z. B. CAN- (Controller Area Network), LIN- (Local Interconnect Network), USB- (Universal Serial Bus), I²C- (Inter-Integrated Circuit), SPI- (Serial Peripheral Interface), serielle oder Ethernet-Schnittstellen, PWM-Ausgänge, LCD-Controller und -treiber und Analog-Digital-Wandler. Einige Mikrocontroller verfügen auch über programmierbare digitale und/oder analoge Funktionsblöcke.
Um welche Architektur handelt es sich bei diesem Mikrocontroller?
Weil es nur einen Datenbus für Befehl und Daten gibt ist es eine „Von Neumann“ Architektur
a) Wie lautet die binäre Darstellung der Mnemonischen Codes RTS?
b) Welche Funktion führt dieses "Mnemonic" aus?
c) Mit welchen Adressierungsarten kann ADD verwendet werden? Geben Sie dazu zwei Beispiele
siehe Bild
Wie viele Register weist der M68HC05 auf? Benennen Sie alle Register mit Ihrer Abkürzung.
5 Register
Wozu könnte das Register mit dem Namen "Index Register" nützlich sein?
Hilfsregister, Schleifenzähler mit mehr als 8 Bit (Akku genügt nicht mehr), Indexieren einer Tabelle
Wie lautet der binäre Code des Befehls RSP? (Instruction Set)
0x9C
Wie lautet der binäre Code des Befehls des Befehls LDA? Was fällt Ihnen dabei auf? (Instruction Set)
0xA6, 0xB6, 0xC6, 0xD6, 0xE6, 0xF6
Verschiedene Adressierungs-Möglichkeiten
Im folgenden Programmabschnitt wird ein Wert in den Akkumulator A eingelesen. Aus welcher Adresse wird der Wert gelesen? Wie heisst die Adressierungsart?
0x05 wird in den Akku geladen, unmittelbare Adressierung (immediate). Der Wert wird aus der Adresse 103 gelesen.
Im folgenden Programmabschnitt wird ein Wert in den Akkumulator A eingelesen. Aus welcher Adresse wird der Wert gelesen? Wie heisst die Adressierungsart?
Der Wert aus der Adresse 0x05, absolute / direkte Adressierung
Folgendes Programm wird von START bis END abgearbeitet. Welche Zahl steht am Schluss in der Speicherzelle $00FF?
Es steht noch immer die letzte Rücksprungadresse im Stack: 0107
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.
