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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Lernkarten
Von Neumann-Rechner: Wird zwischen Daten-und Befehlsspeicher unterschieden?
Nein. Er hat einen gemeinsamen Speicher für den Daten- und Befehlsspeicher.
An einen Speicher sind 12 Adressleitungen angeschlossen.
Wie viele Speicherplätze hat der Speicher?
Wir gross ist seine Kapazität, wenn er eine Breite von 8 bit hat?
- Er hat 2^12 Speicherplätze: 4096 Speicherplätze
- 2^12 * 8bit = 4096 * 8 = 32‘768 bit
Skizzieren Sie den Datenpfad in einer Von-Neumann-Maschine.
Was ist ein Cache?
- Kleiner, schneller Zwischenspeicher
- Befindet sich logisch zwischen CPU und Hauptspeicher
- Physikalisch: in der CPU oder auf der Hauptplatine
Welche Schleife durchläuft ein Rechner bei der Abarbeitung eines Befehls?
Fetch, Decode, Execute
Nennen Sie 4 Baublöcke eines Pentium Chips
INT Exec, FP Exec, L1/L2 Cache, Out of Order Control, System-Interface, Memory-Controller, Scheduler
Welche Aufgabe hat die CPU?
Rechnen, Algorithmus ausführen
Was versteht man unter dem Begriff "ubiquitous computing"?
Überall / jederzeit gibt es Rechner
Nennen Sie drei konkrete Rechnertypen.
Mainframe, Server, Workstation, Notebook, Netbook, Handy, Wegwerf-PC
Was sagt Ihnen der Begriff "Klassifikation nach Flynn"?
Aufteilung nach Single/Multi Instruction und Single/Multi Data und
SISD, SIMD, MISD, MIMD
Was versteht man unter Speicherhierarchie? Erklären Sie mit einer Skizze und ein paar Worten.
Umso schneller der Speicher umso weniger Speicherplatz, resp. umgekehrt je mehr Speicherplatz je langsamer.
Was sind virtuelle Maschinen?
Abstraktion von der Hardware. Eine Hardware wird simuliert, z.B. VMWare, VirtualPC, etc.
Skizzieren Sie den Datenpfad einer Von Neumann Maschine
siehe Bild
Wo können Sie eine Turing Maschine kaufen?
Nirgends?
Die Turing Maschine ist ein Gedankenmodell, ein endloses „Speicherband“ gibt es nicht…
a) Ein Speichermodul besteht aus 8 Speicherbausteinen. Der Adressbus hat eine Breite von 16 bit und ist an jeden Baustein geführt. Zum Steuerbus gehören unter anderem 8 Chip Select-Signale, die jeweils an einen der Bausteine geführt sind. Der Datenbus hat eine Breite von 8 bit. Wie gross ist die Speicherkapazität des Moduls?
b) Ein äusserlich ähnliches Modul hat keine CS-Signale, der Adressbus ist identisch. Die 8 Speicherbausteine haben jeweils 4 bit als Datenschnittstelle. Wie breit ist der Datenbus? Wie gross ist die Speicherkapazität?
a) Adressbus 16bit => Anz. Adressen: 2^16 = 65‘536
Datenbus 8bit => Anz. Adressen * Datenbus: 65‘536 * 8 = 524‘288bit (pro Baustein)
8 Bausteine => 524‘288bit (pro Baustein) * 8 Bausteine = 4‘194‘304bit
4‘194‘304bit : 1024bit => 4096kbit : 1024bit = 4MBit
Das Modul hat eine Speicherkapazität von 4Mbit.
b) Da das Modul keine CS-Signale hat, muss der Adressbus auf sämtliche Bausteine verteilt werden. Adressbus 16bit => Anz. Adressen: 2^16 = 65‘536
Datenbus 4bit => Anz. Adressen * Datenbus: 65‘536 * 4 = 262‘144 bit
Datenbus ist 4Bit, Speicherkapazität ist 256kbit.
In welchem Sinn sind Hardware und Software
a) gleichwertig
b) nicht gleichwertig?
a) gleichwertig
Funktional sind Hardware und Software gleichwertig.
b) nicht gleichwertig?
Die Performance ist unterschiedlich.
Bei dem Von-Neumann-Konzept sind Programm und Daten im gleichen Speicher gespeichert. Daher können während des Programmlaufs Programme genau so wie Daten verändert werden. Welche Probleme sehen Sie dabei?
Durch die Daten können die Programme unabsichtlich / absichtlich überschrieben werden. Der Programmablauf lässt sich somit sehr schwer vorhersagen. Ein Debugen ist fast unmöglich.
Das Programm lässt sich manipulieren.
Gegeben ist der Datenpfad einer Von-Neumann Maschine. Die Tabelle gibt die Verarbeitungszeiten der einzelnen Arbeitsschritte an. Wieviele MIPS (Million Instructions Per Second) kann diese Maschine ohne Pipelining ausführen?
Zeit für einen Durchlauf: 5ns ALU laden + 10ns rechnen + 5ns speichern = 20ns.
1sec / 20ns = 1 / 20*10^-9 = 50‘000‘000 => 50MIPS
Erkläre den Begriff: Übersetzer
Compiler, übersetzt eine Sprache in eine andere, z.B.: Programm-Code in Assembler, Maschinen-Code
Erkläre den Begriff: Interpreter
Interpretiert den Code, er wird während der Ausführung interpretiert und dann entsprechend ausgeführt.
(Compiler übersetzt den Code und führt in danach strikt aus.) Im Vergleich zum Compilieren ist diese Ausführungsmethode viel langsamer.
Erkläre den Begriff: Virtuelle Maschine
Vgl. Aufgabe 8, Hardware Virtualisierung, VMWare, etc.
Es stehen nur NAND gates oder nur NOR gates zur Verfügung.
a) Konstruieren Sie ein NOT
b) Konstruieren Sie ein AND
c) konstruieren Sie ein OR
siehe Bild
Konvertieren Sie die folgenden Zahlen in die Binärform:
1984, 4000, 8192
siehe Bild
Wie lautet 1001101001 (binär) dezimal, oktal, hexadezimal?
Dezimal: 2^n rechnen, addieren
Welche der folgenden Darstellungen sind gültige hexadezimale Zahlen?
BED, CAB, DEAD, DECADE, ACCEDED, BAG, DAD.
Aller, ausser BAG! (G ist nicht gültig in Hex! Nur 0-9, A-F)
Stellen Sie die Dezimalzahl 100 unter Benutzung der Basiszahlen von 2 und 8 dar.
Basiszahl 2 => Binär => 100d = 1100100b
Basiszahl 8 => Oktal = > 100d = 144o
Wie viele verschiedene positive Ganzzahlen können in k Ziffern mit Hilfe von r Basiszahlen ausgedrückt werden?
r^k
Konvertieren Sie die folgenden Zahlen in das einfachgenaue lEEE-Format. Geben Sie die Ergebnisse als acht hexadezimale Ziffern aus.
a) 9
b) 5/32
siehe Bild
Konvertieren Sie die folgenden Zahlen in das einfachgenaue lEEE-Format. Geben Sie die Ergebnisse als acht hexadezimale Ziffern aus.
a) -5/32
b) 6.125
siehe Bild
Konvertieren Sie die folgenden einfachgenauen lEEE-Gleitkommazahlen von Hexadezimal in Dezimal:
a) 42E48000h
b) 3F880000h
c) 00800000h
d) C7F00000h
siehe Bild
In einer bestimmten Situation kann eine Operation auf zwei Gleitkommazahlen eine drastische Reduzierung der Anzahl der signifikanten Bits im Ergebnis verursachen.
Warum ist das der Fall?
Bei Annäherungswerten, fast gleicher Zahlen.
Bsp: 0.21347 – 0.21345 = 0.00002 => 0.2 * 10^-4 (nur noch 1 signifikante Stelle!)
Hamburger oder Hot-Dog
Ein Logiker fährt in ein Drive-in-Restaurant und sagt: "Ich möchte einen Hamburgeroder einen Hot-Dog und Pommes Frites." Der Koch hat die Schule zu häufig geschwänzt und weiss nicht (oder kümmert sich nicht darum), ob "UND" Vorrang "ODER" hat. Für ihn ist das eine so gut wie das andere. Welche der folgenden Fälle sind gültige Interpretationen der Bestellung? (Im Englischen hat das Wort "OR" ["ODER"] die Bedeutung von "EXCLUSIVE OR" [ausschliessliches oder].)
a. Nur ein Hamburger.
b. Nur ein Hot-Dog.
c. Nur Pommes Frites.
d. Ein Hot-Dog und Pommes Frites.
e. Ein Hamburger und Pommes Frites.
f. Ein Hot-Dog und ein Hamburger.
g. Alle drei.
h. Nichts - der Logiker bleibt zwar klug, fährt aber hungrig von dannen.
a. Nur ein Hamburger. - gültig
b. Nur ein Hot-Dog. - ungültig
c. Nur Pommes Frites. - ungültig
d. Ein Hot-Dog und Pommes Frites. - gültig
e. Ein Hamburger und Pommes Frites. – gültig (sofern OR vor AND gilt)
f. Ein Hot-Dog und ein Hamburger. - ungültig
g. Alle drei. - ungültig
h. Nichts - der Logiker bleibt zwar klug, fährt aber hungrig von dannen. – ungültig (war eine gültige Aussage)
Ein Missionar hat sich in Südkalifornien verirrt und stoppt an einer Kreuzung. Er weiss, dass zwei Motorradbanden die Gegend unsicher machen. Eine davon sagt immer die Wahrheit, und die andere lügt immer. Er möchte wissen, welche Strasse nach Disneyland führt. Welche Frage sollte er stellen?
siehe Bild
Es gibt vier boolesche Funktionen einer einzigen Variablen und 16 Funktionen von zwei Variablen.
Wie viele Funktionen von drei Variablen gibt es?
256
Bei 3 Variablen gibt es 8 Zeilen (mögliche Bit-Muster). Somit 2^8 = 256
Benutzen Sie eine Wahrheitstabelle, um folgendes zu zeigen:
P = (P AND Q) OR (P AND NOT Q).
siehe Bild
Zeigen Sie, wie die AND-Funktion aus zwei NAND - Gates gebildet werden kann.
siehe Bild
Benutzen Sie die De Morganschen Gleichungen, um das Komplement von AB zu ermitteln.
siehe Bild
Was macht diese Schaltung?
siehe Bild
Ergänzen Sie die fehlenden Namen und die zugehörigen Wahrheitstabellen.
Geben Sie ein Schalteräquivalent an.
siehe Bild
Wie sieht ein Schalteräquivalent für eine EXOR Verknüpfung aus?
siehe Bild
