Grundlagen der IuK - Technologien

1. Grundlagen der IuK-Technologien Marc Schwärzli SS 2012

2. Informationstechnologie • Informationstechnologie ist prozessorientiert – der Ablauf steht im Vordergrund • Informationstechnik ist geräteorientiert • Information technology ist ein Sammelbegriff für beides

3. Träger der Information sind Signale • Signale können verschieden übertragen werden oder gespeichert werden: • Ladungen, Magnetisierungszustände, Schall, elektromagnetische Wellen genauso wie über bedrucktes Papier oder Gerüche. • Im mathematischen Sinne sind Signale Funktionen • x-Achse die Zeit, y-Achse die Ausprägung

4. Analoge und digitale Signale • Analoge Signale sind stetig (kontinuierlich), sie können jeden beliebigen Wert annehmen. • Digitale Signale sind diskret, die Ausprägungen sind endlich, also zählbar. Die Werte können sich nur an bestimmten Stellen ändern. • Analoge Signale können in digitale umgewandelt werden.

5. Vorteile digitaler Signale • Sie sind geordnet und können einfach verarbeitet werden • Übertragung ist nicht störanfällig • Kopien entsprechen dem Original (eine endliche Zahlenmenge wird übertragen)

6. Die digitale Auflösung • Räumliche Auflösung: • Abtastpunkte pro Längeneinheit, Einheit dpi (dots per inch), zum Beispiel 300 dpi sind 300 Abtastpunkte pro Zoll (2,56 cm) • Zeitliche Auflösung: • Abtastpunkte pro Sekunde, werden in Hertz (Hz) angegeben, zum Beispiel eine Audio-CD hat eine Abtastfrequenz von 44,1 KHz.

7. Genauigkeit der Digitalisierung • Gibt an wie viele diskrete Werte zur Verfügung stehen • Sie wird üblicherweise in bit angegeben

8. Der Analog-Digital-Umsetzer • Parameter: Genauigkeit, Abtastfrequenz und Umsetzungsgeschwindigkeit mit Spannungsvergleich

9. Das Nyquist-Kriterium • Damit ein Ursprungssignal korrekt wiederhergestellt werden kann, dürfen im Signal nur Frequenzanteile vorkommen, die kleiner sind als die halbe Abtastfrequenz:fAbtast> 2fSignal • Folgen können Bildstörungen wie nicht-lineare Verzerrungen, Marmorierung (Moiré-Effekt) sein.

10. Der Digital-Analog-Umsetzer • Digitale Signale werden, zum Beispiel, vor einem Lautsprecher in analoge umgesetzt • Einem Zahlenwert am Eingang entsprechend soll eine Spannung am Ausgang erzeugt werden. • Das digitale Signal besteht aus Nullen und Einsen, eine Möglichkeit besteht darin allen Einsen eine Spannung zuzuordnen und diese dann zu einer Ausgangsspannung zu addieren.

11. Prinzip des Digital-Analog-Umwandlers Einem Zahlenwert wird eine Spannung zugeordnet Ausgangsspannung Digitaler Zahlenwert

12. Zeichen und Kodierungen • Ein Alphabet ist eine endliche, geordnete Menge von Zeichen (auch Leerzeichen), zB Morsealphabet • Mit Zeichen können Wörter gebildet werden (zB 0=A, 1=B, 00=C, …) • Ein Code ist eine Zuordnungsvorschrift, Kodierung ist die Anwendung dieser Vorschrift • Binäre Kodierung: Null=0000, Eins=0001 • ASCII-Code: Mit 8 bit können 256 Werte dargestellt werden, das reicht für alle Zeichen einer Tastatur.

13. ASCII-Code(American Standard Code for Information Interchange)

14. Stellenwertsysteme • Der Wert einer Zifferhängt von der Position ab • Jede Stelle hat eine b-mal höhere Wertigkeit als die benachbarte niedrigere Stelle

15. Das Stellenwertsystem • Am Beispiel des Dualsystems • Am Beispiel des Hexadezimalsystems 4FE = Basis Stellen inkl. Null Zahlenwert 0 = Null, A=10, F = Fünzehn

16. Datenmengen und Datenraten • 1 Byte sind 8 bit • Laut IEC sind: • Präfixe K, M, G, T dezimal zu interpretieren • und Ki, Mi, Gi, … dual zu interpretieren • 1 Kilobyte (KB) = 10 ³ = 1.000 Byte • 1 Kibibyte (KiB) = 2 Exp 10 = 1.024 Byte • 1 Mibibyte (MiB) = 2 Exp 20 = 1.048.576 Byte

17. Bitanzahl und darstellbare Werte Mit n Bits können 2 Exp n Zeichen dargestellt werden

18. Durch Computer lösbare Aufgaben • Ein Algorithmus ist ein System von Operationen in einer bestimmten Reihenfolge, eine endliche Verfahrensvorschrift. Dadurch sind alle Aufgaben eines gegebenen Typus lösbar. • Beispiele für einen Algorithmus sind: • Kochrezepte • Montageanleitungen • Bedienungsanleitungen • Herstellungsverfahren • Berechnungsvorschriften

19. Problemlösung mittels Algorithmus • Die Problemlösungskapazität eines Algorithmus hängt von der Komplexität der zu lösenden Aufgabe ab. • So gesehen gibt es unendlich viele Probleme die nicht durch einen Algorithmus gelöst werden können. • Durch Einschränkungen können eingeschränkte Lösungen gefunden werden • Alles was durch einen Algorithmus gelöst werden kann, kann einem Automaten, Computer übertragen werden.

20. Der Digitalrechner • Technische Baugruppen lassen sich am einfachsten realisieren, wenn nur zwei Zustände zu unterscheiden sind. • Signal – kein Signal • Ton – kein Ton • Spannung – keine Spannung • Licht wird reflektiert – Licht wird nicht reflektiert • Ein Rechner dessen Bauteile auf nur zwei Zuständen aufbauen, wird Digitalrechner genannt.

21. Aussagen und deren Verknüpfung • Aussagen sind Behauptungen die entweder wahr oder falsch sind • KeineAussagen sind Interpretationen Graz liegt in der Steiermark Rot ist eine schöne Farbe

22. Aussagenlogik • Aussagen können negiert oder verknüpft werden • Verknüpfungen sind zum Beispiel: • und • oder • entweder, oder • wenn, dann • genau dann, wenn

23. Die Und-Funktion • Die Aussage A und Bist wahr, wenn A zutrifft und wenn B zutrift.

24. Die Oder-Funktion • Die Aussage A oder Bist wahr, wenn A zutrifft oder wenn B zutrifft oder wenn beide zutreffen. Dieses oder ist kein entweder- oder.

25. Boolesche Algebra allgemein • Theorie zur mathematischen Begründung der Aussagenlogik • Typische Boolesche Funktionen sind: • und • oder • entweder, oder • wenn, dann • genau dann, wenn

26. Einstellige Boolesche Funktionen • Es gibt 4 einstellige Boolesche Funktionen: • Die Konstante 0: Der Wert ist immer gleich 0 • Die Konstante 1: Der Wert ist immer gleich 1 • Die Identität: Der Wert ist gleich der Eingangsvariablen • Die Negation: Der Wert ist nicht gleich der Eingangsvariablen

27. Zweistellige Boolesche Funktionen • Die wichtigsten zweistelligen Booleschen Funktionen sind:

28. Technische Realisierung der Und- bzw. Oder-Funktion Die Und-Funktion: Die Oder-Funktion:

29. Reihen- und Parallelschaltungen • Für die Nutzung weiterer Booleschen Funktionen nutzt man die mathematisch beweisbare Aussage, dass jede Boolesche Funktion allein unter Verwendung von Negation sowie Reihen- und Parallelschaltung realisiert werden kann.

30. Boolesche Funktionen • Jede Boolesche Funktion kann allein unter der Verwendung von: • Nicht, Und, Oder • Nicht, Und • Nicht, Oder • Nand • Nor dargestellt werden

31. Grundlagen der Informations- und Kommunikationstechnologie Aufbau und Funktionsweise von Computern

32. Verbindungswege werden Busse genannt • Austausch von Daten oder Steuersignalen zwischen den Komponenten des Systems • Datenbus – bidirektional • Adressbus – unidirektional Systembus • Steuerbus - beides

33. Die CPU = Prozessor • Verarbeitung von Operanden durch ein Programm • Rechenwerk= ALU (AritmeticLogic Unit)

34. Das Rechenwerk • Im Rechenwerk werden 2 binäre Operanden logisch oder arithmetisch miteinander verknüpft. Einstellung der Operation erfolgt durch das Steuerwerk Operanden

35. Das Steuerwerk • Im Programmzähler (PC) steht die Adresse des nächsten abzuarbeitenden Befehls: Hauptspeicher

36. Der Hauptspeicher Speicherung von Programmbefehlen, Operanden und den Ergebnissen der Operation. • Der Hauptspeicher ist in Speicherzellen mit eigener Adresse unterteilt. Durch Aufrufen der Adresse kann der Speicherinhalt ausgelesen oder neu beschrieben werden.

37. Ein- und Ausgabebaugruppen • Einlesen und Ausgabe von Daten oder Programmen von und zu externen Speichern oder Ein-/Ausgabegeräten

38. Maschinenbefehle • Ein Maschinenbefehl ist eine binär kodierte Informationen, die der Prozessor unmittelbar ausführen kann. • Welche Operation soll ausgeführt werden. • Wo sind die entsprechenden Operanden. • Wo wird das Ergebnis hingeschrieben. • Wie wird nach der Operation die Bearbeitungfortgesetzt.

39. 6. Ergebnis der Operation wird ins Register A geladen, Start eines neuen Ablaufs. Der Befehlszyklus 5. Die Adressen der Operanden sind direkt oder indirekt im Befehl enthalten. Sie werden über den Datenbus ins Register geladen. 3. Inhalt der Seicherzelle wird ins Befehlsregister geladen 1. Start im PC (Program counter) 4. Dekodierung und Anweisungen an das Rechenwerk 2. Adressen werden ausgelesen

40. Bussysteme • Busse sind Daten- und Stromautobahnen zwischen Komponenten eines Rechners. • Busse sind in der Regel parallel verlaufende Leiter auf denen binäre Worte übertragen werden. • Je höher der Bustakt ist, umso mehr Adressen, Daten und Steuersignale können pro Zeiteinheit zB pro Sekunde ausgetauscht werden. • Die Busbreite gibt an wie viele Bits parallel pro Zeiteinheit übertragen werden können. ZB 8, 16, 32, 64 Bit (Gesamte Bits zB 2 Exp 64)

41. Master, Slave,Busarbitration • Jede Baugruppe an einem Bus hat eine Adresse • Empfangende Bauteil heißt Slave und kann zu jeder Zeit empfangen. • Ein Master ist Sendeberechtigt und darf nur zu einem bestimmten Zeitpunkt senden. • Wollen mehrere Master gleichzeitig senden kommt es zu einer Auswahl nach bestimmten Prinzipien.(Busarbitration)

42. Bushierarchie • Prozessorbus (schnellster Bus auf dem Rechner) • On-Board-Bus (zB zwischen CPU und Hauptspeicher,) • Systembus (verbindet verschiedene Boards) • Peripheriebus (zB CD-Laufwerk, Festplatte • Nachrichtenbus (in der Regel seriell), Verbindung von Rechnersystemen.

43. Speicherarten in einem Computer Grundsätzlich werden 2 Speicherarten unterschieden • ROM (Read only Memory), ist ein nicht flüchtiger Speicher. Daten auf diesen Bausteinen bleiben auch bei einem Stromausfall erhalten. Beispiel PROM – Programmable ROM • RAM (Random Access Memory), ist ein flüchtiger Speicher, dient zur Speicherung veränderlicher Daten. Der Hauptspeicher eines Computer ist ein RAM.

44. PROMS • Programmable ROM • PROM, einmalige Programmierung • EPROM, Löschung durch UV-Licht möglich Erasable PROM • EEPROM, elektrich programmierbar und löschbar Electrically PROM • EAPROM, bitweises Löschen ist möglich ElectricallyAlternable PROM

45. Der RAM-Speicher • SRAMS sind statisch – DRAMSsind dynamisch, sie müssen daher ständig aufgefrischt werden, sind langsamer aber kleiner und kostengünstiger • SDRAMS, 64 Bit Datenbus, synchronerZugriff pro Systemakt ist möglich. • DDR SDRAMS (Double Data Rate), nutzt beide Flanken des Taktsignals für die Datenübertragung. DDR SDRAMS sind heute Standard-Hauptspeicher. • DDR3-SDRAMS – 8 Verbindungen zwischen Speicherkern und Ein- Ausgaberegister. Dieses taktet mit der viefachen Frequenz des Kerns.

46. Speicherebenen Speicherkapazität: Cache < Hauptspeicher < Festplatte (Massenspeicher)

47. Cache-Speicher • Kleine, schnelle Zwischenspeicher • Von der CPU schnell benötigte Informationen werden zwischengespeichert gespeichert

48. Die Ein- und Ausgabe • Alle Vorgänge zur Übertragung von Daten zwischen dem Hauptspeicher und der Peripherie des Rechners • Festplatte, Bildschirm, Drucker, … • Es gibt serielle (nacheinander) Übertragung und parallele Übertragung (erfolgt gleichzeitig) Interface dient zur Pufferung und Synchronisation

49. Schnittstellen • zB Universal Serial Bus (USB) dient zur Verbindung eines Rechners mit externen Geräten. Schnittstellen dienen zur Verbindung des Rechners mit Peripheriegeräten. • Sternförmige Architektur • Zentraler Hostcontroller (steuert max. 127 Peripheriegeräte) • Hubs dienen als Sternverteiler • Peripheriegeräte als Clients

50. SchnittstellenDie USB-Eigenschaften • Pro Anschluss 5 V Gleichspannung bei 500 mA • Hot-Plugging ist möglich • Ab USB 3.0 bis zu 5Gbit/s, bis 900 mA