1. Entwicklung und Standort der Mikrorechnertechnik
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Computerarchitekturen WS 2003/2004 Fragenkatalog 1 1 Entwicklung der Computertechnik Elektrotechnische Grundlagen-------------------------------------------------------------------Nennen Sie ein typisches Material, das man als elektrischen Leiter auf gedruckten Karten verwendet? Welche Polarität haben die frei beweglichen Elementarladungen in diesem Stoff? Ergänzen Sie: Strom ist Anzahl der Elementarladungen pro…………………? Ergänzen Sie: je größer der elektrische Widerstand eines Leiters ist, umso kleiner ist der ………………bei einer gegebenen Spannung. Der elektrische Widerstand eines Leiters ist also das Verhältnis von ……… zu …………….? Angenommen, Sie legen eine Spannungsquelle von 5 Volt zwischen den Beginn und das Ende einer Leiterbahn auf einer gedruckten Karte. Was wird geschehen? Fragen Sie sich dabei, was den Strom begrenzt. Nennen Sie den Halbleiter, der maßgeblich für die aktuelle Halbleitertechnologie ist. Welche maßgebliche Eigenschaft für die Bildung des elektrischen Stromes haben die eingefügten Atome bei n-Dotierung? Welche maßgebliche Eigenschaft für die Bildung des elektrischen Stromes haben die eingefügten Atome bei p-Dotierung? Bei welcher Dotierung wird der elektrische Strom von demselben Ladungsträgertyp gebildet wie in dem oben genannten Leiter? Welche elektrische Polarität hat der Pol, an dem ein Mangel an negativen Ladungsträgern herrscht? Welche Polarität hat ein Pol, bei dem ein Überschuss an negativen Ladungsträgern herrscht? Bei welchem elektrischen Bauelement erhält sich die Ladung, wenn man es zuerst an eine Spannungsquelle anschließt, die man dann von ihm trennt? Welche Spannung kann man an dem Bauelement messen, wenn man die Spannungsquelle getrennt hat? Angenommen, man schließt die beiden Pole dieses Bauelementes kurz. Welcher Prozess wird in Gang gesetzt? Was gilt dabei für die Spannung? Gleiches Szenario: Wenn Ladungsträger vom Pol mit einem Überschuss an negativen Ladungsträgern (Elektronen) zum Pol mit einem Mangel an Elektronen fließen, dann bedeutet das einen Stromfluss. Zählt man die Richtung dieses Stromes positiv oder negativ? Man kann sich auch ein Modell machen, dass Ladungsträger den Mangel an Elektronen vom Pol mit Mangel an den Pol mit Überschuss tragen und dort den Überschuss abbauen. Bedeutet dies einen Stromfluss, der zu dem Strom der Elektronen in der Gegenrichtung hinzukommt, oder gibt man diesem Stromfluss eine andere Bedeutung? Welche Polarität gibt man den Elementarladungen der Ladungsträger dieses Stromes? Zählt man diesen Strom positiv oder negativ? Wie nennt man den Bezugspunkt für die Spannungen einer GleichspannungsStromversorgung? Definieren Sie den elektrisch neutralen Zustand mit der Bilanz der elektrischen Ladungen. An welchem natürlichen Ort kann man üblicherweise einen elektrisch neutralen Zustand feststellen? Dieser Ort hat für elektrotechnische Systeme eine wichtige Bedeutung. Welche? Es gibt elektrotechnische Geräte, in denen es bewusst keine leitende Verbindung zwischen dem Bezugspunkt der Stromversorgung und dem elektrisch neutralen Ort gibt. Bei anderen legt man darauf keinen Wert und man kann sich nicht sicher sein, ob es nicht doch eine gibt. Zu welcher Kategorie zählen sie die PCs? 2 Halbleitertechnologie---------------------------------------------------------------------------------Was bedeutet die Abkürzung IC? Was bedeutet Bonding? Was bedeutet Molding? Was bedeutet Burn In? An welchen beiden Strukturgrößen läßt sich der Fortschritt der HalbleiterTechnologie quantitativ bewerten? Geben Sie mit je einem Satz je eine kurze Definition. Geben Sie Werte für den aktuellen Stand der Technik an. Transistor als elementare Einheit------------------------------------------------------------Skizzieren Sie den Schnitt durch einen NMOS-Transistor. Zwischen welchen Polen wird der Stromfluß zugelassen oder unterbrochen? An welchem Pol steuert man mit Hilfe einer Steuerspannung die Einstellung dieses Zustandes? Bei welcher Spannung ergibt sich ein Stromfluß? Warum? (physikalische Gründe) Bei welcher Spannung ergibt sich kein Stromfluß? Warum? (physikalische Gründe) Skizzieren Sie einen Schalter, der die gleiche Wirkung hat. Entwicklung der Mikroprozessoren (Intel)--------------------------------------------------Geben Sie für die vergangenen Prozessor-Generationen eine Kette von konkreten Werten an, so dass die Entwicklung sowohl der Speicherwortbreite als auch der Wortbreite der Arbeitsregister im Prozessor erkennbar wird? Geben Sie eine entsprechende Kette der (Host-)Adresswortbreiten an. 2 Grundsätzliche Merkmale von Computern Befehlsgesteuerte Arbeitsweise---------------------------------------------------------------Ergänzen Sie: Beim Ablauf eines Maschinenprogramms wird eine gespeicherte Befehlsfolge so lange linear durchlaufen, bis………………………………………… Maschinenbefehle sind maschinennahe Kodierungen von ………………-Befehlen und sie entstehen aus diesen durch ………………………. Geben Sie das Format eines beispielhaften Assemblerbefehls an und erklären Sie die Funktion der einzelnen Felder. Welche Angaben muss eine Datendefinition enthalten? Welche kann sie enthalten? Geben Sie ein Beispiel für eine Datendefinition. Welches Merkmal wird im Format eines Maschinenbefehls verwendet, wenn damit der direkte Zugriff zu einem Datenobjekt möglich gemacht werden soll? Durch welche Forderung der Programmierer wird ein Binder (Linker) notwendig? Welchen Vorteil bringt die Assemblerprogrammierung, welchen demgegenüber die Programmierung in einer höheren Programmiersprache? Man vermeidet in höheren Programmiersprachen den Begriff Befehl. Welchen benutzt man denn dann an dessen Stelle? Erklären Sie, warum die Lage der Datenobjekte in einem Maschinenprogramm ein Merkmal sein kann, auf das man beim Laden Rücksicht nehmen muss. Welches war die kleinste adressierbare Einheit in frühen PC-Systemen, auf die man wegen der Kompatibilität auch später immer Rücksicht nahm? 3 Was gewinnt man, wenn man beim Hauptspeicherzugriff nicht Wörter mit dieser kleinsten Wortbreite liest oder schreibt, sondern ein Vielfaches davon? Wie groß ist das Vielfache in heutigen Pentium4-Systemen? Angenommen, man will ein Datenwort der (früheren) kleinsten Wortbreite in den Hauptspeicher schreiben. Was würde es bedeuten, wenn man das Datenwort der kleinsten Wortbreite nicht einzeln selektieren und schreiben könnte, sondern nur das Vielfache gemäß heutiger Speicherwortbreite? Angenommen, man will ein Datenwort der kleinsten Wortbreite lesen. Was würde es bedeuten, wenn man das Datenwort der kleinsten Wortbreite nicht einzeln selektieren und lesen könnte, sondern nur das Vielfache gemäß heutiger Speicherwortbreite? Warum gibt es überhaupt bedingte Verzweigungsbefehle? Geben Sie einen beispielhaften Verzweigungsbefehl mit seiner Verzweigungswirkung an. Welche Prozessorzustände sind für Verzweigungsbefehle interessant? Können Sie sich einen nicht-bedingten Verzweigungsbefehl vorstellen? Begründen Sie seine mögliche Verwendung. Rechnen mit Dualzahlen----------------------------------------------------------------------------Gegeben ist folgendes Dualzahlenformat für ganze positive Zahlen: xxxx xxxx xxxx xxxx Geben Sie den größten und den kleinsten Wert ungleich Null in Potenzschreibweise an. Was bedeuten die ganzen positiven Dualzahlen 1K, 1M und 1G in Potenzschreibweise? Angenommen, man erweitert das o.g. Format auf xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx und hat das Bitmuster 0000 0000 0011 1100 0000 1111, das eine Adresse angeben soll. Unterstreichen Sie die Adressbits, die innerhalb eines 1K-Blockes adressieren. Welchen konkreten Dezimalwert hat diese Adresse, die relativ zum Blockanfang zählt? Unterstreichen Sie gestrichelt die Adressbits, die der Selektion des 1KBlockes dienen. Welchen Dezimalwert hat diese Adresse? Addieren Sie die Dezimalzahlen 1023 + 15 im o.g. 16-Bit-Format. Welche Adresse relativ zum Blockanfang ergibt sich hier? Durch welche Zahl müssten Sie das Ergebnis dividieren, um als Rest genau diesen Wert der relativen Adresse zu bekommen. Ergänzen Sie: Der relative Adresswert ist ………modulo………. Das o.g. 16-Bit-Format soll nun dazu verwendet werden, um auch positive Zahlen mit gebrochenem Anteil darstellen zu können. Die kleinste gebrochene Dezimalzahl, die darstellbar sein soll, sei 0,125. Wo liegt in dem o.g. Dualzahlenformat der gedachte Punkt (bzw. das gedachte Komma)? Geben Sie für dieses Format die größte und die kleinste darstellbare Zahl (ungleich Null) in Potenzschreibweise an. Diese Darstellung von Dualzahlen mit gebrochenem Anteil ist in Computern nicht üblich. Welches Format verwendet man stattdessen? Geben Sie das prinzipielle Dualzahlenformat an. 4 Nun soll das o.g. 16-Bit-Format dazu verwendet werden, um positive und negative ganze Dualzahlen anzugeben. Welche beiden Ansätze, negative Dualzahlen darzustellen, haben Sie in der Vorlesung kennen gelernt? Führen Sie die Subtraktionen 1023 – 15 und 15 -1023 mit beiden Ansätzen aus. Sind die Zahlen +32K bzw. -32K in diesen Formaten darstellbar? Grundzyklus der Programmablaufsteuerung------------------------------------------------Skizzieren Sie die Aktionen des grundlegenden Zyklus der Programmablaufsteuerung (ohne die Reaktion auf externe programmsteuernde Ereignisse). Welche Prozessor-Komponente enthält die Hauptspeicheradresse des aktuellen Maschinenbefehles? Welche Stelle im Befehl wird dabei adressiert? Aus welchen Merkmalen bestimmt die Ablaufsteuerung die Adresse des nächsten Befehls? Warum sollte man die Abfrage, ob ein externes Ereignis mit programmsteuernder Wirkung vorliegt, nach der Ausführung eines Befehls vorsehen? Warum muss die Abfrage vor dem Holen des nächsten Befehls erfolgen? Wie nennt man die Routine, die beim Programmablauf eventuell „eingeschoben“ wird? Welche Aktion des Prozessors ist unbedingt notwendig, bevor er zu dieser Routine verzweigt? Warum ist diese Aktion wichtig, wenn der Programmablauf beim letzten Befehl der Routine angekommen ist? Der Begriff Ende eines Anwenderprogrammes ist doppeldeutig. Warum? Erfinden Sie zwei eindeutige Bezeichnungen. Was bedeutet es, wenn man beim Betrieb eines Computersystems von „absolutem Leerlauf“ spricht? Maßnahmen zur Verkürzung der Programmablaufzeit-----------------------------------Worin liegt der Nachteil des einfachen (bzw. elementaren) Grundzyklus für die Programmdurchlaufzeit? Durch welches grundsätzliche Konzept kann man den Nachteil verringern? Skizzieren Sie den angepassten Grundzyklus. Bei welchen Ablaufbedingungen bringt dieses Konzept keine Verbesserung? Wie nennt man dieses Konzept des vorausschauenden Bereitstellens von Befehlen? Warum ist es sehr wirksam für die Verkürzung der Programmlaufzeit, wenn man Kopien von Befehlen aus dem Hauptspeicher in einem schnellen Zwischenspeicher bereithält? Quantifizieren Sie den Gewinn. Wie nennt man das Konzept? Welche Aufgabe hat die Steuerung des schnellen Zwischenspeichers? Geben Sie die übliche englische Bezeichnung für die Steuerung des schnellen Zwischenspeichers an. Warum ist es sinnvoll, beim Zugriff zum Hauptspeicher nicht nur ein Speicherwort, sondern gleich mehrere mit konsekutiven Adressen auszuführen und in den schnellen Zwischenspeicher zu laden (Block)? Wie viele Zugriffe (Blocklänge) sind es im Falle von Pentium4-Systemen? Angenommen, man hat eine Adresse von 32 Bit und die kleinste adressierbare Einheit ist Byte. Welche Adressbits dienen der fortlaufenden Adressierung der Speicherwörter innerhalb eines Blockes? 5 Wie nennt man ein „Großwort“, das aus dem Block von transferierten Speicherwörtern besteht, innerhalb des schnellen Zwischenspeichers? Man verwendet das Konzept des schnellen Zwischenspeichers auch für Datenobjekte. Was ist aber - gegenüber den Befehlen - zusätzlich zu beachten? Es gibt zwei Verfahren der Aktualisierung von Datenobjekten im schnellen Zwischenspeicher. Worin besteht - in Bezug auf den Zeitgewinn - der Unterschied zwischen den beiden Verfahren? Das gewinnbringendere Verfahren erzeugt eine zeitweise Inkonsistenz, welche? Was fordern Sie unbedingt, damit diese Inkonsistenz nicht endgültig wird? Welche grundsätzliche Struktur hat ein Register? Welchen Vorteil für die Programmablaufzeit haben Register? Werden Prozessorregister (wie der schnelle Zwischenspeicher) automatisch geladen? Welche Aufgaben hat der Programmierer? Strukturierung des Datenverkehrs-------------------------------------------------------------In einem Computersystem unterscheidet man grundsätzlich die peripheren Einheiten von der zentralen Einheit, meistens auch Zentraleinheit genannt. Die Funktionen der Zentraleinheit werden in drei Teileinheiten eingeteilt. Dadurch werden interne Informationsströme definiert. Geben Sie das Grundschema der Funktionseinteilung mit den internen Informationsströmen an. Einer davon repräsentiert den Datenstrom, der bei dma-Datenverkehr entsteht. Welcher? Die Ablaufsteuerung zur Durchführung von dma-Zugriffen liegt nicht im Prozessor, sondern wo? Was ist aber die Voraussetzung, dass solche Zugriffe überhaupt erfolgen können? Was ist sinnvoller im Sinne einer wirksamen Nutzung des dma-Datenverkehrs: möglichst viele einzelne Übertragungsvorgänge mit einem Einzelwort oder die Übertragung von Blöcken mit vielen Worten? Grund? Eine dma-Übertragung ist beendet. Was muss geschehen? Welches Mittel hat die Ablaufsteuerung des Übertragungsvorganges, die notwendigen Reaktionen im Prozessor anzustoßen? Neben den universellen Computersystemen gibt es andere Anwendungen der Computerstruktur, bei denen der dma-Verkehr überhaupt keine Rolle spielt. Welche? Skizzieren Sie das funktionale Grundschema dieser Struktur und markieren Sie die wesentliche Anwenderschnittstelle. Gliedern Sie die Signale dieser Schnittstelle nach typischen Funktionen. (Frage greift voraus) Beispiele für universelle Computersysteme sind hier PCs. Welche SteckerSchnittstellen auf einem Motherboard bilden die Funktionsgrenze zwischen der Zentraleinheit und den peripheren Geräten? Geben Sie in einer Skizze das prinzipielle Funktionsschema der Hauptkomponenten eines Motherboards an. Welche Parameter muss ein Ein/Ausgabeauftrag an eine Ein/Ausgabesteuerung umfassen, um damit dma-Zugriffe abwickeln zu können? Angenommen, man hat ein Pentium4-System. Welche Schnittstellen sind an der dma-Übertragung beteiligt? In welcher Einheit werden dabei fortlaufend die Hauptspeicheradressen gebildet (Frage greift voraus)? Vergleichen Sie die elementaren Übertragungsvorgänge zwischen dem Prozessor und dem Hauptspeicher und diejenigen zwischen dem Prozessor und den Ein/Ausgabesteuereinheiten. In beiden Fällen legt der Prozessor dabei eine Adresse an, die sowohl als Hauptspeicheradresse als auch als Adresse eines Registers in einer Ein/Ausgabesteuereinheit wirken kann. Welche beiden Möglichkeiten haben 6 Sie kennen gelernt, mit einem ergänzenden Merkmal zu entscheiden, dass entweder der Hauptspeicher oder der Ein/Ausgabebereich gemeint ist (Frage greift voraus). Die Speicherzellen in den Ein/Ausgabesteuereinheiten haben meistens Registerstruktur. Dabei gibt es Register, in die man nur schreibt, oder Register, aus denen man nur liest, oder Register, die beide Zugriffsarten zulassen. Welchen Zweck haben üblicherweise die Register, in die man schreibt? Welchen Zweck haben üblicherweise die Register, aus denen man liest? Programmsteuernde Ereignismeldungen-----------------------------------------------------Angenommen, man sieht die Verarbeitung von 15 einzelnen Interrupt-Anforderungen in einem Interrupt-Controller vor. Geben Sie die logische Funktion an, die bei der Bildung des Sammelinterrupts am Prozessor verwendet wird (geeignete verkürzte Form, die die Struktur erkennbar macht.) Es entsteht ein Problem, das in der Vorlesung als Offenbarungsproblem beschrieben wird. Welches Interrupt-Merkmal muss offenbart werden? Alle herkömmlichen PC-Systeme mit Intel-Prozessoren haben keinen besonderen Datenpfad, über den Interrupt-Merkmale übertragen werden können. Das allererste Interrupt-Controller-Konzept wurde für Prozessoren mit einem 8Bit-Datenbus festgelegt. Als die Prozessoren mit 16 Bit Datenwortbreite konzipiert wurden und Kompatibilität gewahrt werden sollte, musste man sich entscheiden, ob man die Übertragung der Interrupt-Merkmale in das neue Bus-Konzept integriert oder einen zusätzlichen eigenen Datenpfad gemäß der Vorgängerstruktur vorsieht. Man hat sich in den nachfolgenden Prozessorkonzepten immer dafür entschieden, die Übertragung der InterruptMerkmale in die vorhandenen Buskonzepte einzubeziehen. Intuitiv könnte man das Konzept mit einem eigenen Datenpfad für die Übertragung der Interrupt-Merkmale für effektiver halten, weil man alle Entwurfsfreiheiten hat, es optimal zu gestalten. Man muss aber bedenken, dass ein zusätzlicher Datenpfad zusätzliche Pins und Leitungen auf dem Motherboard bedeuten, was man umgehen kann, wenn man die normalen Signalpfade mitnutzt. Die Zahl der Leitungen kann man auf der Basis eines seriellen Übertragungssystems natürlich deutlich reduzieren. Das wird auf der Basis von drei Leitungen erst im APIC-Konzept realisiert. Welche Schnittstellen sind in einem heutigen Pentium4-System bei der herkömmlichen Übertragung des Interrupt-Merkmals beteiligt? Wie nennt man den Zyklus? Da unterschiedliche Schnittstellen beteiligt sind und auf jeder Schnittstelle ein eigenes Protokoll gilt, muss es auch Unterschiede bei der Übertragung des Merkmals auf den Schnittstellen geben. In welcher Einheit wird die schnittstellengerechte Anpassung durchgeführt? PCI-Interrupt-Request-Signale werden anders gebildet als die davor konzipierten Interrupt-Request-Signale auf dem ISA-Bus. Dadurch ist es möglich, nur vier Signalleitungen vorzusehen. Welches Hardware-Verfahren zur Bildung der PCI-InterruptRequests erlaubt es, die Zahl auf vier zu beschränken? Was bedeutet das für das Offenbarungs-Problem? Folgende Behauptung richtig/falsch?: Im herkömmlichen PIC-Interrupt-ControllerKonzept können die PCI-Interrupt-Requests nur die Request-Eingänge am InterruptController benutzen, die nicht von ererbten-ISA-Interrupt-Requests benutzt werden? Wie muss man den Interrupt-Controller ergänzen, wenn man beim Hochfahren des PC frei einstellen möchte, ob an einem Interrupt-Controller-Eingang ein PCI- oder ein ISA-Interrupt-Request wirksam werden soll? 7 Standard-Schnittstellen--------------------------------------------------------------------------Die PCI-Schnittstelle wird immer als PCI-Bus bezeichnet, die AGP-Schnittstelle dagegen wird nicht als Bus bezeichnet. Hat das einen Grund? Welches physikalische signaltechnische Merkmal hat ein Bus? Was verbindet den PCI- und den AGP-Standard? 3 Stand der Computertechnik Computerklassen-------------------------------------------------------------------------------------Geben Sie ein heute übliches Klassifikationsschema für Einheiten bzw. Systeme mit Computerstruktur an. Welche Computertypen kommen heute in Computernetzen in Büroanwendungen vor? Embedded Microcontroller--------------------------------------------------------------------------Welche Funktionseinheiten sind in einem (embedded) Microcontroller integriert? In welchen Bauformen werden Microcontroller angeboten? In welcher Form werden die Programme in Microcontroller-Schaltungen gespeichert? Computergestützte Automatisierungssysteme in der Produktion--------------------Die Struktur von computergestützten Automatisierungssystemen wird mit einem hierarchischen Ebenenmodell gegliedert. Geben Sie das entsprechende Schema mit den Bezeichnungen an, die in der Vorlesung dafür eingeführt wurden. Welche Aufgaben hat die Funktionsebene, die den operativen Einheiten der Produktion am nächsten ist? Alle darüber liegenden Ebenen haben leitende Funktionen. Man gliedert sie in aller Regel in zwei Ebenen. Welche Aufgaben hat die in der Hierarchie höchste? Meistens werden die Beobachtungen und Eingriffe in den Prozess von einem zentralen Einrichtung gemacht. Wie heißt diese Einrichtung? Geben Sie Beispiele für Geräte zur Beobachtung und Bedienung. Welche Aufgaben hat die mittlere Ebene? Gibt es ein markantes Merkmal des Übertragungssystems zwischen der höchsten und der mittleren Ebene? Welcher Computer-Typ wird in dieser Ebene eingesetzt? Welche Alternativen gibt es für die Übertragung der Mess- bzw. Stellwerte zwischen der mittleren und der prozessnächsten Ebene? Geben Sie Vorteile bzw. Nachteile an. Warum wurde der Profibus in mehreren (grundsätzlich unterschiedlichen) elektrischen Varianten standardisiert? Skizzieren Sie das Anschlussschema eines Profibus-Gerätes an das ProfibusLeitungssystem, so dass die Zahl der Klemmen und der Typ der Leitungen deutlich werden. Geben Sie die maximale Taktrate an. Wenn die Taktrate und der Kabeltyp festgelegt sind, dann hat man damit auch eine andere wichtige Eigenschaft des Leitungssystems eines Netzes festgelegt, welche? Man hat Programmierbare Steuerungen deshalb programmierbar genannt, weil man sie früher von Steuerungen unterscheiden wollte, deren Funktion durch eine angepasst gewählte Verdrahtung festgelegt wurde (fest verdrahtete Steuerungen). In welcher Phase eines Automatisierungsprojektes nutzt man die freie Programmierbarkeit von Programmierbaren Steuerungen? Danach verzichtet man darauf. Warum? Was bedeutet das für die Speicherung der Programme? 8 Das (in der Vorlesung angegebene) Beispiel für ein hochverfügbares Automatisierungssystem hat eine Struktur mit zwei autonomen „Strängen“. Am einen Ende eines Stranges befindet sich ein Prozessor, am anderen Ende die Schnittstelle, an der die Messvariablen von den Messeinheiten im Prozess empfangen werden und die Steuervariablen zu den Steuereinheiten im Prozess ausgegeben werden. Veranschaulichen Sie den prinzipiellen Aufbau, wie er in der Vorlesung dargestellt wird, durch eine Skizze. Markieren Sie in der Skizze den Ausfall einer Interface-Einheit zu einer Messvariablen. Schildern Sie, was in dem System zu tun ist, um den Ausfall zu überleben. Markieren Sie in der Skizze den Ausfall einer Interface-Einheit zu einer Steuervariablen. Schildern Sie, was in dem System zu tun ist, um den Ausfall zu überleben. Supercomputer--------------------------------------------------------------------------------------Was ist eine skalare, was eine vektorielle Variable? Welche typischen Anwendungen rechtfertigen eine vektorielle Verarbeitung in Supercomputern? Ergänzen Sie: Je größer die Arbeitsgeschwindigkeit (also die Taktrate) eines Prozessors ist, umso größer ist ………………………. . Was bedeutet das für den gerätetechnischen Aufbau der Supercomputer? Maße für die Computerleistung----------------------------------------------------------------Was ist ein Benchmark? Welche Organisation standardisiert die Benchmarks für PCs bzw. Workstations? Man unterscheidet Benchmarks gemäß dem Typ der verarbeiteten Variablen. Welche Typen sind das. Geben Sie Kurzform der Bezeichnung für einen davon an, der heute aktuell ist. Nehmen Sie diesen Benchmark und geben Sie einige Beispiele für die ausgeführten Einzeltests. Was bestimmt ein Einzeltest? Wie wird das Ergebnis des Gesamttests gebildet? Itanium---------------------------------------------------------------------------------------------------Wie groß ist die maximale Wortbreite eines Datenobjektes, die in ein ItaniumArbeitsregister geladen bzw. von dort in den Hauptspeicher zurückgeschrieben werden kann? 4 Physikalische und logische Merkmale von lokalen Computernetzen (LAN) Grundsätzliche technische Merkmale von LANs--------------------------------------------Welche grundsätzlichen Verkabelungsstrukturen (Topologien) für lokale Netze gibt es? (mit Skizzen) Geben Sie den Standard an, der heute für die physikalische Ebene von Büro-Netzen (Office LANs) gilt und dem keine Ring-Topologie zugrunde liegt? Welche beiden (elektrisch übertragenden) Kabeltypen kann man alternativ für die physikalische Ebene bei diesem Standard verwenden? Angenommen, die räumliche Anordnung der Anwender-Computer legt eine BusTopologie mit Koaxialleitung nahe. Die notwendige Kabellänge sei größer als zulässig. Was müssen Sie tun? 9 Angenommen, die räumliche Anordnung der Anwender-Computer legt eine sternförmige Verkabelung nahe. Welche alternativen Gerätetypen können Sie für die Verteilereinheit im Sternzentrum wählen? Welche davon ist die preisgünstigere? Welches Aufbaumerkmal dieser preisgünstigen Verteiler-Einheiten ist der Grund, dass mehrere Sender nicht gleichzeitig senden können? Skizzieren Sie den grundsätzlichen Aufbau von Verteilereinheiten, bei denen mehrere Sender gleichzeitig senden können. Welches sind die entscheidenden Elemente, die dies ermöglichen? Angenommen, die Verteilereinheit enthält einen internen Bus mit einer Taktrate von 1 GBit/sec und es sind 24 RJ45-Sockel für Netzanschlüsse vorgesehen, die mit 10 bzw. 100 MBit/sec betrieben werden können. Geben Sie an und begründen Sie, unter welchen Betriebsbedingungen Sie mit Behinderungen der Sender rechnen. Man fasst organisatorisch und lokal zusammengehörende Computer zu Elementarnetzen zusammen, die in aller Regel eine (einzige) gemeinsame leistungsfähige Verteilereinheit haben. Zeigen Sie in einer Skizze die Topologie dafür, wie man benachbarte Elementarnetze untereinander erreichbar macht. Wie heißt die Einheit, die den Datenverkehr zwischen den Elementarnetzen regelt? Jede RUB-Fakultät verfügt über eine solche Einheit, um ihre Elementarnetze untereinander erreichbar zu machen. Geben Sie eine Leitungstopologie an, die es ermöglicht, dass die Fakultäten sich untereinander und Weitverkehrsnetze außerhalb der RUB erreichen können? Wie heißt eine gängige Kurzbezeichnung für Weitverkehrsnetze? In der Vorlesung wird eine symbolische Darstellung der Transceiver-Schaltung für den Anschluss an ein Koaxialkabel angegeben. Geben Sie das Schema der Transceiver-Schaltung zusammen mit dem Schema eines T-Anschlusses an und machen Sie deutlich, an welchen Polen das Bezugspotential liegt. Skizzieren Sie mit Hilfe der gleichen Darstellungsart die Transceiver-Schaltung für einen Twisted Pair Anschluss. Am Twisted Pair Anschluss soll für eine galvanische Entkopplung gesorgt werden. Ergänzen Sie in Ihrer Skizze die Symbole für die notwendigen Komponenten. Verwenden Sie die in der Vorlesung angegebenen Symbole. Nun ergänzen Sie eindeutig, an welchem Pol welches Bezugspotential gilt. Skizzieren Sie die maßgeblichen Elemente eines Übertragers. Welche physikalische Größe bewirkt die Kopplung der elektrischen Signale in den beiden Wicklungen? Ergänzen Sie: Durch die Änderung des elektrischen Stromes in einer Wicklung eines Übertragers ändert sich ……………….………………im ……………………… und dadurch wird in der anderen Wicklung …………………………………erzeugt. Wie nennt man das zugrunde liegende physikalische Gesetz? Wie viele Adern enthält ein Standard-Twisted Pair-Kabel? Wie viele werden für ein Ethernet benutzt? Was unterscheidet diese Benutzung von denen für andere Standards? Welche Standards kommen infrage? Was bedeutet twisted physikalisch und warum macht man das? Worin besteht der Unterschied zwischen UTP- und STP-Kabeln? Wie ist die Übertragungsrichtung Transmit, was die Übertragungsrichtung Receive im Ethernet definiert? Angenommen, Sie würden in den Verteilereinheiten (also Hubs oder Switches) keine Interfaces mit Übertragern vorsehen, sondern nur in den NICs der Computer. Mit welchen Problemen müssten Sie rechnen? 10 Wie kodiert man eine log. 1, wie eine log. 0 im Manchester-Code? Welche beiden Signale prägt man einem Übertrager beim Senden eines Manchester-codierten Signales ein? (Skizze) Geben Sie die physikalische Begründung dafür, dass man das Bezugspotential nicht an den Übertrager anlegen muss, sondern kann. Welche physikalische Größe bestimmt beim Senden eines Signales, ob eine zulässige Grenze für elektromagnetischen Störungen überschritten wird? Datenübertragung im Ethernet-------------------------------------------------------------------An einem Ethernet mit Koaxkabel gibt es einen Funktionsbereich, den man als gemeinsames Betriebsmittel betrachten kann. Beschreiben Sie den Moment, in dem ein elektrischer Benutzer-Konflikt entsteht. An einem Twisted-Pair-Ethernet mit Hub gibt es einen Funktionsbereich, den man als gemeinsames Betriebsmittel betrachten kann. Beschreiben Sie den Moment, in dem ein elektrischer Benutzer-Konflikt entsteht. An welchem elektrischen Merkmal erkennt ein NIC, dass der Bus belegt ist? Was bedeutet die Abkürzung cs im Ethernet? Wenn mehrere Stationen, die alle nur ein gemeinsames Übertragungsmittel haben, sich untereinander einigen müssen, wer es benutzen darf, müssen sie zuerst eine Kommunikation im Sinne der Einigung erzeugen. Danach kann erst die eigentliche Kommunikation zwischen einem bestimmten einzelnen Sender und einem (mehreren) Empfänger(n) stattfinden. Danach kann sich das Ganze wiederholen. Wie nennt man die erste Phase in Anlehnung an die englische Begriffsbildung? Die Methode des Ethernet, sich zu einigen, wird mit der Abkürzung csma/cd bezeichnet. Was bedeutet das ausgeschrieben? Vor den Details zum Ethernet-Verfahren: Angenommen, man möchte nicht, dass in der Entscheidungsphase mehr als ein NIC auf Verdacht senden darf, weil das letztlich auf einen vermeidbaren Zeitverlust hinausläuft. Dann muss man sich der Tatsachen beugen, dass man zu jeder Zeit nur einem einzigen die Chance zum Senden geben darf. Dabei muss man aber berücksichtigen, dass alle Sendewilligen eine Chance haben müssen, ihren Bedarf zu melden; denn kein NIC weiß vom anderen, wer sendewillig ist. Es bleibt nur, allen in der Gesamtheit nacheinander eine Chance zu geben. Wenn aber alle erfasst werden sollen und jeweils nur einer zu einem bestimmten Zeitpunkt senden darf, dann muss man die Sendewilligen der Reihe nach senden lassen. Ob man nun die Reihenfolge von Entscheidungsphase zu Entscheidungsphase ändert, sei dahingestellt. In aller Regel ist der elektronische Aufwand geringer, wenn es immer die gleiche Reihenfolge ist. Wie könnte Ihrer Meinung nach ein Konzept dafür aussehen, das nacheinander jedem NIC in der Entscheidungsphase gezielt eine Chance gibt. Veranschaulichen Sie mit einem Zeitdiagramm die Sendungen, die gemäß Ihrer Idee nacheinander den NICs eine Chance geben. Man hat die Möglichkeiten von „zeitgestaffelten Zuordnungen, die sich zyklisch wiederholen“ mit Sicherheit diskutiert und man hat sich trotzdem für das ma/cd entschieden. Aufgrund welchen elektrischen Signalunterschiedes kann ein NIC eine Kollision entdecken? Was bedeutet das Ereignis für seinen Sendevorgang? Ist Ruhe im Übertragungssystem, wenn er selbst nicht mehr sendet, oder muss er evt. noch warten? 11 Bevor ein NIC einen neuen Versuch startet, wird mit Hilfe eines Würfelprozesses versucht, eine zeitliche Reihenfolge bei der Benutzung festzulegen. Erklären Sie den Vorgang nach dem ersten fehlgeschlagenen Belegungsversuch. Was geschieht nach weiteren Belegungsversuchen, die keinen eindeutigen ersten Beleger erzeugt haben? Definieren Sie die Begriffe Netzlast und Durchsatz. Geben Sie in einer Skizze qualitativ an, wie sich der tatsächliche Durchsatz in Abhängigkeit von der geforderten Netzlast in einem Ethernet verhält. Alle LAN-Protokolle fassen Bits zu Bytes und Bytes zu einer größeren logischen Einheit zusammen. Geben Sie einige übliche Bezeichnungen für diese logische Einheit an, deren Format vom Protokoll genau festgelegt ist. Welches Merkmal in dieser log. Einheit ist dafür maßgeblich, dass sie ihren richtigen Weg vom Sender zum Empfänger in einem Elementarnetz findet? Welches Merkmal macht es möglich, unterschiedlich viele Daten pro log. Einheit zu senden? Was ist der Sinn dessen, dass man auch die Adresse des Sende-NICs überträgt? Ab wann kann ein NIC nach Beginn einer Sendung sicher sein, dass es keine Kollision gegeben hat? Eine Kollision bedeutet die (in Kauf genommene) Zerstörung der gesendeten Daten. Wenn eine kollisionsfreie Übertragung zustande gekommen ist, gibt es Störquellen, die die übertragenen Bits verändern können, so dass bei den Empfängern nicht mehr der original gesendete Bitstrom ankommt. Woran können die empfangenen NICs die entstandenen Fehler erkennen? Machen Sie einen Vorschlag, wie sich das System danach verhalten soll. Token-basierte LANs-------------------------------------------------------------------------------Für welche Leitungstopologie verwendet man token-basierte Protokolle? Skizzieren Sie schematisch eine beispielhafte Kette der Sender/EmpfängerSchaltungen für ein token-basiertes Elementarnetz. Was geschieht im Falle eines Stromausfalles an einem der an der Übertragung beteiligten Elemente? Wie löst man das Problem im IBM-Ring? Wie löst man das Problem im FDDI-Ring? Angenommen, in einem IBM-Token-Ring ist die Netzlast so, dass alle NICs zu senden wünschen. Beschreiben Sie, wie mit Hilfe der Token der Ring belegt wird. (Prinzip der Reihenfolge: wer sendet Token, wer belegt, wie folgt das aufeinander) Welches Übertragungsmedium verbindet hohe Übertragungsgeschwindigkeit über lange Übertragungsstrecken mit hoher Sicherheit gegen elektromagnetische Störungen? Wo würden Sie im RUB-Netz ein solches Übertragungsmedium vorsehen? Fastethernet-Controller für NICs------------------------------------------------------------------Angenommen, man überträgt ein Manchester- Signal und ein MLT3-codiertes Signal mit derselben Taktrate. Vergleichen Sie den kleinsten zeitlichen Abstand von zwei hintereinander folgenden Signalübergängen in den beiden Signalen. Wie groß ist das Verhältnis der beiden Mindestabstände? Was schließen Sie daraus? Was ist 4Bit/5Bit-Kodierung und warum setzt man sie ein? 12 5 Elementare Aufbaumerkmale von Personal-Computern Üblicherweise bezeichnet man den Ort, an dem ein Verkehrssystem den größten Verkehrsfluss aufbringen muss, als Flaschenhals (bottleneck). In aller Regel ist das der Ort, wo sich mehrere große Verkehrsflüsse überlagern. Wo liegt der zentrale Flaschenhals des Datenverkehrs in einem PC-System? Warum dort? Zentrale Takterzeugung----------------------------------------------------------------------Welches elektronische Element sorgt für eine (fast) konstante Taktrate in einem Computersystem? Geben Sie eine übliche Bezeichnung für die Schaltung an, die daraus die Taktsignale für die einzelnen Funktionseinheiten auf dem Motherboard erzeugt. Geben Sie die wichtigsten Einheiten mit ihren charakteristischen Taktraten an. Was heißt VCO ausgeschrieben? Ergänzen Sie: Ein VCO ist eine rückgekoppelte Kette von …………………………… Die Taktfrequenz eines VCO lässt sich mit folgender Formel bestimmen:…………………………….Die Synchronisierung der Taktrate eines VCO mit dem Bustakt des Host-Bus geschieht dadurch, dass die …………………………… der ………………………….. –Komponenten nachgeführt werden. Wie kann man den Zusammenhang zwischen dem Bustakt des Host-Bus und dem Prozessortakt einfach rechnerisch angeben? Die Schnittstellen auf einem Motherboard--------------------------------------------Nennen Sie übliche Bezeichnungen für die Schnittstelle zwischen dem Prozessor und seinem schaltungstechnischen Umfeld? Wer bestimmt das Protokoll für diese Schnittstelle? Welche Organisation ist für die Protokolle auf der Schnittstelle zu den Speichermodulen zuständig? Was bedeutet die Bezeichnung DIMM? Was bedeutet die Bezeichnung PC133 bzw. PC2100? Chipsatz--------------------------------------------------------------------------------------------Sie haben die Funktionsschemata von zwei beispielhaften Intel-Chipsätzen kennen gelernt. Aus welchen Komponenten bestehen Chipsätze prinzipiell (wichtige Funktionen nennen)? Welche Schnittstelle sah man zwischen den Komponenten in dem beispielhaften früheren Chipsatz vor? Welche in dem aktuellen? Was wollte man durch das Abgehen von dem alten Schnittstellenkonzept erreichen? PCI-Bus-----------------------------------------------------------------------------------------------Was bedeuten die Begriffe Initiator und Target beim PCI-Bus? Vergleichen Sie mit den Begriffen Master und Slave. Nehmen Sie ein Motherboard eines Ein-Prozessor-Systemes. Welche SystemEinheiten konkurrieren um die Belegung des PCI-Bus? Welche Signale werden zwischen dem PCI-Arbiter und den PCI-Controllern ausgetauscht. Erläutern Sie das mit einer Skizze. Welche Funktion haben die elementaren Signale? Stichwörter. Zeigen Sie in einem Graphen eine beispielhafte Abfrage- bzw. Bewilligungsstrategie des Arbiters, die der CPU einen von vier zu vergebenden Buszugriffen bewilligt und den PCI-Controllern bei den übrigen drei Zugriffen gleiche Chancen gibt. 13 Nach welchem Ereignis kann die Datenübertragungsphase auf dem PCI-Bus beginnen? Welche Busfunktionen werden im ersten Takt der Datenübertragungsphase ausgeführt? Woran erkennt das Target Host-Bridge (bzw. Memory Hub), dass ein Hauptspeicherzugriff erfolgen soll? Welche Funktionen werden beim Einzelwortverkehr im zweiten Takt der Datenübertragungsphase ausgeführt? Woran erkennen die Targets, wie lange eine Burst-Übertragung dauern soll? Woran erkennt der Initiator, dass ein Target die angelegte Adresse erkannt hat? Womit rechneten die Erfinder des PCI-Bus, als sie sich zur Festlegung des Multiplexens der Adress- und Datenwörter auf denselben Signalleitungen entschlossen? Ein Target ist durch einen Hardware-Fehler plötzlich nicht mehr in der Lage, ordnungsgemäß zu reagieren. Eine von einem Initiator begonnene Transaktion mit diesem Target kann dadurch hängen bleiben. Durch welche Überwachung kann man ein Hängenbleiben feststellen? Was muss man tun, damit die Überwachung bei keinem normalen Übertragungsfall anspricht? Wie viele Interrupt-Request-Leitungen kann man an einem PCI-Steckplatz einzeln aktivieren? Die meisten PCI-Controller sind sog. Ein-Funktion-Einheiten. Der PCI-Standard schränkt hierfür die benutzbaren Interrupt-Request-Leitungen ein. Wie? Was ist beim Interrupt-Sharing erforderlich, um den/die tatsächlichen Requester zu finden, sobald ein PCI-Interrupt-Request als Sammelinterrupt-Request am Prozessor angekommen ist? Der Datenverkehr zwischen dem Prozessor und dem Hauptspeicher bzw. der Peripherie Mit welcher Größe identifiziert ein Pentium4 die Speicherzellen, die sich außerhalb von ihm befinden? Welches ist die kleinste adressierbare Einheit? Welche Speicherzellen müssen außer den Hauptspeicherzellen noch adressiert werden können? Welche beiden Möglichkeiten hat man, die einen von den anderen beim Adressieren zu unterscheiden? (Verfahren stichwortartig erläutern) Interrupt-Controller-Konzepte Angenommen, Sie wollen ein Konzept für 8 Interrupt-Requests entwickeln, wobei die Interrupt-Service-Routinen nicht unterbrechbar sein sollen. Damit haben Sie ein Problem, das Sie als Konkurrenz mehrerer Nutzer um ein einziges Betriebsmittel beschreiben können. Geben Sie an, um welches Betriebsmittel die Requests konkurrieren. Sie brauchen unter den gegebenen Bedingungen eine Einheit für die Bildung einer Warteschlange. Welches ist das entscheidende elektronische Element für Ihre Lösung? Beschreiben Sie, wie es eingesetzt wird, wenn mehrere Requests warten. Wie wird gewährleistet, dass das unterbrochene Programm am Ende des Ablaufes der Interrupt-Service-Routine wieder fortgesetzt werden kann? Nun sollen Sie die Möglichkeit schaffen, dass der Ablauf der Interrupt-ServiceRoutinen unterbrochen werden kann. Was brauchen Sie zusätzlich zu Ihrer vorgeschlagenen Lösung? 14 Beschreiben Sie ein von Ihnen gewähltes beispielhaftes Szenario mit einer Unterbrechung einer Unterbrechung. Mit dem APIC-Konzept wird eine Alternative zu der Übertragung der InterruptMerkmale über die normalen Bus-Schnittstellen geschaffen, und das auf der Basis von drei Leitungen. Welche Funktion haben die entsprechenden Signale? Da es mehrere Konkurrenten bei der Benutzung gibt, entsteht wieder das Problem der geeigneten Zuordnung ohne zusätzliche Leitungen. In welche prinzipiellen Phasen kann man die Aktionen auf dem Bus einteilen? Oben sollten Sie sich ein alternatives Verfahren zum Ethernet-Konzept ausdenken, wobei Sie sich vielleicht von dem APIC-Verfahren inspirieren ließen. In wie viel Takten ist im APIC-Konzept die Entscheidung gefallen? Wie viele Konkurrenten sind dabei zugelassen? An welchem Merkmal erkennt ein Konkurrent in jedem einzelnen Takt, ob ein anderer mit höherer Priorität mitkonkurriert? (Annahmen wie in der Vorlesung) Was tut er in einem solchen Fall? Vergleichen Sie die Merkmale, die für die Entscheidung verwendet werden. Welcher Merkmalswert hat sich durchgesetzt? 6 Der Aufbau des Hauptspeichers Elementare Speicherelemente---------------------------------------------------------------------Welches ist das elementare Speicherelement in DRAMs? Ist das ein analoges oder ein digitales Speicherelement? Welches ist das elementare Speicherelement in SRAMs? Ist das ein analoges oder ein digitales Speicherelement? Was bedeutet: SRAMs und DRAMs sind flüchtige Speicher? DRAM-Speicherstruktur------------------------------------------------------------------------------Skizzieren Sie ein DRAM-Speicherelement mit Datenleitung und Auswahlleitung und... Was gehört noch dazu? Was bedeuten die log. 0 und die log. 1 physikalisch? In welchem Zustand befindet sich das in der Skizze ergänzte Element beim Lesen/Schreiben? In welchem Zustand befindet es sich sonst? Welche Gegenmaßnahmen ergreift man, weil dieser letzte Zustand nicht absolut sicher ist? Welche Dekodierschaltungen ergänzen die Matrix der Speicherelemente eines DRAMs? Angenommen, die Zeilenadresse umfasst 10 Bit. Wie viele Zeilen hat die Speichermatrix? Angenommen, die Spaltenadresse umfasst 9 Bit. Wie viele Spalten hat die Speichermatrix? Angenommen, ein Speicher-IC gibt/nimmt bei einem Speicherzugriff 4 Datenbits. Was bedeutet das für die Matrix-Struktur des Speicher-ICs? Bei der Übertragung im Burst-Mode kann man Zeit gegenüber der Wiederholung von Einzeldatenzugriffen. Der Grund liegt in der Matrix-Struktur. Warum? Nicht-synchrone Speicher--------------------------------------------------------------------------Skizzieren Sie das prinzipielle Zeit-Diagramm eines DRAM-Lesezugriffs. 15 Welche Funktion hat das Row-Address-Select-Signal? Welche Funktion hat das Column-Address-Select-Signal? Auf einem DRAM ist eine bestimmte RAS-Zugriffszeit angegeben. Was bedeutet das für die Zykluszeit? Standard für Speichermodule mit 64Bit-Daten-----------------------------------------------Mit welchen Select-Signalen an der Modul-Schnittstelle selektiert man die Speicherbänke auf dem Modul. Wie viele könnte man theoretisch selektieren? Was tut man praktisch? Welche Select-Signale werden dazu verwendet, die Bytes eines Wortes zu selektieren? Die Schnittstelle hat die Adreßschnittstelle A0 bis A13. Wie viele Bytes kann eine Speicherbank dieser Module theoretisch höchstens enthalten? Wie erkennt das Start-up-Programm beim Hochfahren des PC-Systemes die Merkmale der konkret gesteckten Speichermodule? Adressierung der Speicherbänke-----------------------------------------------------------------Üblicherweise ist man nicht gezwungen, auf einem Motherboard nur gleiche Speichermodule zu stecken. Das setzt aber voraus, dass man die Selektion der Speicherbänke von den unterschiedlichen Speicherbankkapazitäten auf den verschiedenen Modulen abhängig machen kann. Mit Hilfe welcher Tabelle bzw. Register, die diese Tabelle im Memory-Controller realisieren, kann man das Problem lösen? Durch welchen Vergleich kann der Memory-Controller ein eindeutiges Selektionssignal einer Speicherbank erzeugen? Synchrone DRAMs-------------------------------------------------------------------------------------Welches Strukturmerkmal ist eine notwendige Voraussetzung, um mehr als einen Speicherzugriff gleichzeitig in einem Speicher-IC durchführen zu können? Welche äußere Funktion, die typisch beim Burst-Zugriff von EDO-DRAMs ist, muss bei einem Burst-Zugriff wegfallen, damit die Zykluszeit während des Burst nur noch von internen Laufzeiten im Speicher-IC abhängig wird? Um welche Funktion muss man die internen Schaltungen eines Speicher-ICs erweitern, wenn man diese äußere Funktion wegfallen läßt? Skizzieren Sie die prinzipielle interne Struktur eines SDRAMs mit 4 internen Speicherbänken. Welche interne Funktionseinheit ist gegenüber EDO-DRAMs hinzugekommen? Die Steuersignale an einem EDO-DRAM erzeugen mit drei Signalen vier Befehlstypen: Lesen/RAgültig, Lesen/CAgültig, Schreiben/RAgültig, Schreiben/CAgültig. Wie nutzt man die gleichen Signale bei einem SDRAM? Angenommen, die Mindestzeit zwischen einem Active-Command und einem nachfolgenden Read-Command sei 3 Zyklen und die Column Latency CL betrage 3 Zyklen. Zeigen Sie in einer Prinzip-Skizze das Zeit-Diagramm für Takt, Commands und Daten. Markieren Sie die Takte, in denen frühestens die nächsten Commands folgen können, um keine Pause im Datenfluss auf den Datenpins entstehen zu lassen. Geben Sie die Bedingung dafür an, dass in der Folge von Read- oder WriteCommands ein Precharge-Command erfolgen muss. 16 Was bedeutet SDR und DDR (im Zusammenhang mit SDRAMs)? Angenommen, ein SDRAM habe vier interne Speicherbänke und Spaltenadressen von n Bit Länge und damit realisierte Speichermodule würden in einem Pentium4-PC eingesetzt. Welche Hostadreßbits werden als welche Bank-Select-Bits verwendet? Wie groß ist der Speicherraum in Byte, der ohne einen Zeilenwechsel nacheinander adressiert werden kann? Angenommen, die Zeilenadresse habe m Bit. Wie viele Bit hätte man noch für die Adressierung der Speicherbänke auf den Speichermodulen zur Verfügung? 7 Der Datenverkehr von/zu den Prozessoren Speicherhierarchie-----------------------------------------------------------------------------------In einem Mehrprozessor-System wird der „Zugang“ zum Hauptspeicher noch mehr zum „Nadelöhr“, als er es in einem Einprozessor-System schon ist. Welches Speicherkonzept sorgt für eine Entschärfung des „Nadelöhr“-Effektes? Warum bringt ein schneller Zwischenspeicher überhaupt einen durchsatzerhöhenden Effekt? Mit welchem Speichertyp wird der schnelle Zwischenspeicher realisiert? Auch der schnelle Zwischenspeicher wird hierarchisch gegliedert. Geben Sie die maßgeblichen Bezeichnungen für PC-Systeme an. Cache-Basisverfahren------------------------------------------------------------------------------Man gibt den Datenwörtern im Zwischenspeicher eine geeignete Größe und spricht von Cache-Zeilen, bzw. Cachelines. Entsprechend teilt man auch den Hauptspeicher ein. Diese Wörter sollen hier cachebare Speicherzeilen genannt werden. Welche Länge haben die Zeilen im Falle der Pentium/x-Systeme? Welche Adressbits des Hostbus adressieren die entsprechenden Zeilen im Hauptspeicher eines Pentium/x-Systemes? Ein Zwischenspeicher hat immer eine endliche Speicherkapazität. Angenommen, er habe n Cachelines. Wenn man eine cachebare Speicherzeile in eine Cacheline kopiert hat, enthält diese noch keinerlei „Erkennungsmerkmal“. Dieses muss ergänzt werden. Was könnte zusätzlich noch zu jeder Cacheline im Zwischenspeicher gespeichert werden, um eindeutig zu machen, welche cachebare Speicherzeile überhaupt im Zwischenspeicher steht? Welcher Speichertyp erlaubt es, eine solche zusätzliche Information für alle gespeicherten Cachelines automatisch auszuwerten? Welchen Begriff verwendet man für das dabei verwendete Adressierungsverfahren? Warum hat sich das Verfahren bei der Realisierung von PC-Cachekonzepten nicht durchgesetzt? Setadressierte Verfahren-------------------------------------------------------------------------Es gibt ein alternatives Verfahren, welches das gleiche Anwesenheitsmerkmal verwendet, aber in verkürzter Form. Dadurch wird der Cache direkt adressierbar. Skizzieren Sie die Struktur eines Caches mit 8 Cachelines so, dass die direkte Adressierung erkennbar wird. Geben Sie die Auswahl einer Cacheline mit einer beispielhaften Hostadresse an. 17 Was geschieht, um festzustellen, ob ein Treffer vorliegt? Für das Anwesenheitsmerkmal gibt es eine prägnante Bezeichnung. Welche? Angenommen, beim Cachezugriff stellt sich heraus, dass kein Treffer vorliegt. Was muss dann erfolgen? Kann das bedingungslos erfolgen oder kommt zuerst die Prüfung einer bestimmten Bedingung zur Wirkung? Angenommen, ein Cache habe 2n Cachelines und der Hauptspeicher habe 222 cachebare Speicherzeilen. Wie viele cachebare Speicherzeilen konkurrieren um eine Cacheline? Warum müssen Cachelines Zustandsmerkmale enthalten? Geben Sie eine beispielhafte Kodierung der Merkmale an. Was bedeutet Write Through? Was bedeutet Write Back? Welches Verfahren ist besser für den Programmdurchsatz? Warum? Hierarchische Cache-Struktur------------------------------------------------------------------Sie können die Konsistenzbedingung für ein hierarchisch gegliedertes CacheSystem mit Hilfe des Mengenbegriffes sehr einfach formulieren. Wie? Welche Regel ergibt sich daraus für das Cacheline-Fill? Angenommen, für ein L1/L2-System ist das Write-Back-Verfahren wirksam. Es entsteht ein Miss-Ereignis mit einer L1-Cacheline im Zustand „modified“. Was geschieht vor dem Cacheline-Fill? Es entsteht ein Miss-Ereignis mit einer L1- und einer L2-Cacheline im Zustand „modified“. Was geschieht vor dem Cacheline-Fill? Welches Verfahren kennen Sie, um die Chancen für einen Treffer in einem Cache zu verdoppeln? Äußern Sie sich zur Erhöhung des Schaltungsaufwandes. Host-Bus-Protokoll---------------------------------------------------------------------------------Für Prozessoren, die in Ein-Prozessor-Systemen eingesetzt werden, wurden „ungeteilte“ Buszyklen konzipiert. Gehen Sie von den drei elementaren Signaltypen Adressbits, Datenbits, Übertragungsrichtung aus und skizzieren Sie den prinzipiellen taktsynchronen Signalverlauf eines Buszyklus für die Übertragung einer cachebaren Speicherzeile. Was bedeutet „ungeteilt“ also für die angelegte Adresse? Für Prozessoren, die in Mehr-Prozessor-Systemen eingesetzt werden, wählt man eine Host-Bus-Arbeitsweise, die derjenigen synchroner DRAMS vergleichbar ist. Geben Sie prinzipielle Funktionsmerkmale an, in denen man Funktionsgleichheit feststellen kann. Als Beispiel kann man die aktuellen Pentium/x-Prozessoren nehmen. Welche Bezeichnung verwendet Intel für eine gesamte Übertragungsaktion, um den Unterschied zu unteilbaren Buszyklen erkennbar zu machen? Geben Sie die elementaren Aktionen an, die nacheinander eine gesamte Übertragungsaktion zusammensetzen. (Zweck der Aktionen stichwortartig angeben) 18 8 Der Datenverkehr von/zu der Peripherie Man kann Peripheriegeräte grob nach der Geschwindigkeit der Datenübertragung in zwei Gruppen einteilen. Geben Sie das Kriterium und einige Gerätetypen an. Parallele binäre Ein/Ausgaben------------------------------------------------------------------Skizzieren Sie die elementaren Komponenten der Ein/Ausgabe-Schaltung eines binären Signals. Welchen Sinn hat der Binärspeicher? Warum kann der Binärspeicher bei der Eingabe entfallen? Was gilt im Eingabebetrieb für die Ausgabe? Sie sollen beim Entwurf eines Microcontrollers darüber entscheiden, ob Sie ein Umschalten der Betriebsart von Ein- auf Ausgabe (bzw. umgekehrt) gruppenweise vorsehen (also z.B. je 4 Bit zusammen) oder ob jedes Bit einzeln umschaltbar sein soll. Wie würden Sie entscheiden und warum so? Man kann mit binären Schnittstellen Einzelwort-Übertragung mit Handshake realisieren. Geben die Folge der vier Einzelaktionen bei der Ausgabe in einer Skizze an. Äußern Sie sich zu Möglichkeiten, eine Überwachung zu konzipieren. Geben die Folge der vier Einzelaktionen bei der Eingabe in einer Skizze an. Geben Sie in beiden Diagrammen an, wann es sinnvoll ist, ein Interrupt-RequestSignal zu aktivieren. Warum ist es an dieser Stelle aus Ihrer Sicht sinnvoll? Geben Sie jetzt noch an, bei welchen Einzelaktionen Sie das Interrupt-RequestSignal deaktivieren. Warum ist es an dieser Stelle aus Ihrer Sicht sinnvoll? Wie nennt man das Verfahren, ein äußeres Ereignis mit Hilfe von zyklischen Abfragen zu erfassen? Beschreiben Sie das Verfahren stichwortartig. Uhren und Zähler------------------------------------------------------------------------------------Zeigen Sie an je einem Zeit-Diagramm, wie man Zähler zur Erzeugung eines WeckEreignisses als Signalflanke bzw. als Puls verwenden kann. Wann ist ein InterruptRequest sinnvoll? Zeigen Sie an einem Zeit-Diagramm, wie man Zähler zur Erzeugung eines periodischen Rechtecksignals bzw. eines Signals verwenden kann, das pro Periode einen Puls mit der Länge einer Taktperiode hat. Interrupt-Verarbeitung----------------------------------------------------------------------------Auch Interrupt-Requests werden mit Hilfe elektrischer Signale kodiert. Man hat zwei Möglichkeiten, einen Request mit Hilfe eines binären elektrischen Signals zu kodieren. Welche? (Die zweite Version nicht einfach durch die log. Inversion der ersten bilden.) Eine der Möglichkeiten erzwingt eine Speicherung des Request-Ereignisses. Welche ist es? Welchen Nachteil hat die Warteschlangenverarbeitung, wenn man die Priorität der Warteplätze beim Initialisieren des Computersystems für die gesamte Betriebsdauer festlegt? Welches Verfahren erlaubt es, diesen Nachteil zu umgehen? 19 Kontextwechsel bei der Bedienung von Interrupts--------------------------------------Der Zustand der Programmverarbeitung wird auf der Register-Transfer-Ebene durch den Zustand der Prozessorregister definiert. Da er nun einmal weit verbreitet ist, kann man den Registersatz der Intel-Prozessoren als exemplarischen Prototypen nehmen. Geben Sie den Registersatz an und kennzeichnen Sie die Arbeitsregister. Welches der Register muss bei einer Programmunterbrechung gerettet werden? Welche Aktionen führen die Prozessorschaltungen beim Retten automatisch aus? Man verwendet für das Retten einen Speicher mit einer besonderen Zugriffsart. Geben Sie die Fachbegriffe für die Zugriffsart und für den Speicher an. Zeigen Sie an einer Skizze die maßgeblichen Zustandsänderungen beim Retten und Wiederherstellen des einen notwendigen Registers. Wie kann man die anderen Register retten? Wie stellt man den geretteten Zustand wieder her? Wodurch ist die Unterbrechungstiefe (d.h. die Anzahl der ineinander verschachtelten Interrupt-Service-Routinen) begrenzt? LPT-------------------------------------------------------------------------------------------------------Für welche Anwendung wird die LPT-Schnittstelle überwiegend genutzt? Wie viele Bit haben dabei die Datenwörter? Welches charakteristische Merkmal hat das Handshake-Verfahren? In Druckern kann das Warten auf das Ende eines mechanischen Vorganges eine deutlich längere Wartezeit erzeugen, als bei normalen elektronischen Übertragungsvorgängen vorkommen. Nennen Sie einen typischen Vorgang beim Drucken, der eine solche längere Wartezeit erzwingt. Welches Signal an der Schnittstelle kann die Druckersteuerung benutzen, um mit seiner Hilfe die Ausgabe durch ein Ausgabeprogramm anzuhalten? COM----------------------------------------------------------------------------------------------------Für welche Anwendung wurde ursprünglich der V24-Schnittstellen-Standard geschaffen? Welche Einheit gilt dabei als Data Terminal Equipment und welche als Data Carrier Equipment? Für welchen bekannteren Standard für Computeranwendungen ist sie die Vorlage. Um nur Daten zu übertragen, braucht man nicht alle Signale der Schnittstelle, sondern nur eine kleine Untermenge. Welche Signale braucht man unbedingt, um nur Daten zu übertragen? Wie sind die Signalpegel festgelegt? Wie nennt man Übertragungsverfahren, bei denen beliebig lange Pausen zwischen der Übertragung einzelner Datenwörter zugelassen sind und bei denen das Ende einer Pause aus dem Signal selbst erkennbar ist? Geben Sie die Festlegungen in der Zeichenkodierung an, die auf der COMSchnittstelle eine Erkennung des Pausenendes möglich machen. Welcher Kode ist für die Übertragung der Zeichen selbst maßgeblich? Angenommen, auf der Signalleitung Received Data oder Transmitted Data entsteht ein 0-Pegel. Was bedeutet das? 20 Festplatten---------------------------------------------------------------------------------------------Es gibt für PC-Festplatten zwei alternative Schnittstellen. Welche? Die eine lehnt sich stark an die innere Systemschnittstelle eines herkömmlichen PCSystems an. Der Controller einer solchen Platte soll einen Lese- oder Schreibauftrag erhalten. Wohin schreibt der Prozessor die Auftragsparameter? Geben Sie die Auftragsparameter an, die den physikalischen Datensatz auf dem Speichermedium eindeutig identifizieren. Sie haben in den einführenden Kapiteln die dma-Fähigkeit kennen gelernt. Gibt es in den Auftragsparametern irgendeinen, der die Einstellungen für dma-Zugriffe kennzeichnet? Was schließen Sie daraus? In welchem Parameter steht die Operation, die der Controller ausführen soll? Welchen Grund könnte es geben, diesen Parameter erst dann zu schicken, wenn alle andern schon bereitstehen? Wie ist ein physikalischer Datensatz (Sektor) prinzipiell aufgebaut? Der andere Festplattentyp ist mit der SCSI-Schnittstelle ausgestattet, die als Peripherie-Schnittstelle konzipiert wurde, bei der zwischen Initiator und Target unterschieden wird. Was tut der Initiator, was tut das Target, wenn ein Plattenzugriff erfolgen soll? In welcher Einheit eines PC-Systems mit einer SCSI-Platte liegt die Initiator-, in welcher die Target-Funktion? Sie haben in den einführenden Kapiteln die dma-Fähigkeit kennen gelernt. Gibt es in den Auftragsparametern irgendeinen, der die Einstellungen für dma-Zugriffe kennzeichnet? Was schließen Sie daraus? 21
