Herbst - Lehramt Informatik

Prüfungsüeilnehmer
Prüfungstermin
Einzelprüfungsnummer
Kennzahl:
Herbst
Kennwort:
2003
66113
Arbeitsplatz-Nr.:
Erste Staatsprüfung für ein Lehramt an öffentlichen Schulen
Prüfungsaufgaben-
Fach:
Informatik (vertieft studiert)
Einzelprüfung:
Rechnerarchitektur, Datenb., Betriebssys.
Anzahl der gestelltenThemen (Aufgaben):
2
Anzahl der Druckseitendieser Vorlage:
9
Bitte wenden!
Herbst2003
Einzelprüfungsnummer
: 66113
Seite:2
ThemaNr. I
SämtlicheTeilaufgabensind zu bearbeiten!
Aufgabe1: Betriebssysteme:
Für die Kommunikationzwischenverschiedenen
Prozesser/Threads
soll ein gemeinsamer
Datenbereichdienen.Wir unterscheiden
zwischenLesemund Schreibem.Es sollenbeliebigviele Leser
gleichzeitiglesendürfen;aberein SchreiberbenötigtexklusivenZugriff auf denDatenbereich.
Es darf
alsowederein Lesernochein andererSchreibergleichzeitigim kritischenBereichsein.Realisieren
Siediesmit Hilfe von Semaphoren.
ZeigenSiedurchentsprechende
graphische
Visualisierungen,
wie Ihre Lösungbei gleichzeitigem
Zugriff mehrererThreads/Prozesse
funktioniert! GehenSie insbesondereauf die ErläuterungdeskritischenBereichsein! Wie wird bei Ihrer Lösungder wechselseitigeAusschlussgarufüert?Ist Ihre Lösungverklemmungsfrei?
Aufgabe2: Rechnernetze,ClienUServer:
ErläutemSie die Funktionsweiseder Client/Server-Architekturam Beispiel von Web-Servemund
Browsem!GehenSiedabeiauf folgendeAspektedetailliertern:
.
.
.
.
.
VerbindungsaulbauimTCP/lP-Protokoll
Adressierungvon Rechnem:DomainNamen,Domain Name Service,IP-Nummem
Adressierungvon Dokumentenvia URL
Fenstertechnik(sliding window) währendder Kommunikation
HTML-Sprache
Aufgabe3: Datenmodellierung:
ModellierenSieeineBibliothekl Es solltenzumindestdie folgendenKonzepteabgedeckt
werden:
. Autoren habenBüchergeschrieben.
. LeserleihenBücheraus.
. Lesergebendieseausgeliehenen
Bücher(hoffentlich) irgendwannwieder zwück.
ModellierenSie dieseMiniwelt zunächstals ER-Diagramm!DiesekonzeptuelleER-Modellierung
solltedannin ein relationalesSchematransformiertwerden.GebenSiedie SchlüsselderRelationen
an!
FortsetzungnächsteSeite!
Herbst2003
Einzelprüfungsnummer
: 66113
Seite:3
Auf derBasisIhresrelationalenSchemas
formulierenSiefolgendeAnfiage:Wie viele Lesernamens
und nochnicht zurückBohlenhabenein Buchmit demTitel "Nichtsalsdie Wahrheit"auseeliehen
gegeben?
Aufgabe4: Normalformen und Normalisierung:
ZeigenSie formal, dassdasnachfolgenderelationaleSchemaeinerRelation Universitätennicht in
dritter Normalform ist!
Universitäten:{ [UniName,Professor,Fakultät,Dekan,Studiendekan,Rektor]]
Wir gehendabeidavonaus,dassProfessoreneindeutigeNamenhaben.Zur Erinnerung:eineUniversitäthat i. Allg. mehrereFakultäten,ProfessorengehöreneinerFakultäteinerUniversität an, eineUniversitäthat einenRektor, eine Fakultäthat einenDekanund einenStudiendekan.
BegründenSie intuitiv, wanrm eszweckmäßigist, eineRelationin die dritte Normalform umzuwandeln!ZeigenSiedazudie so genarurten
Anomalienauf,die bei fehlenderNormalisierungauftreten
können!
anwenden!
NormalisierenSie die obige RelationUniversitäten,indem Sie den Synthesealgorithmus
ZeigenSiedetailliertdie Vorgehensweise
auf!
bei derNormalisierung
Aufgabe5: SQL:
modelliert:
Gegeben
sei folgendesrelationalesSchema,daseineUniversitätsverwalfung
Studenten
Vorlesungen
Professoren
hören
voraussetzen
prüfen
{[MatrNr : inteser,Name : string, Semester: integer]]
integer]]
{[VorlNr : inteeer,Titel: string,SWS:integer,gelesenVon:
{[PersNr: integer,Name : string, Rang : string, Raum : integer]]
{[MatrNr : inteeer.VorlNr : inteeer]]
{[VorgängerVorlNr: inteeer.NachfoleerVorlNr: inteeerl]
{[MatrNr: integer,VorlNr: integer,PrüferPersNr:integer,Note: decimal]]
FormulierenSiedie folgendenAnfragenin SQL:
a) Alle Studenten,
die denProfessorKant auseinerVorlesungkennen.
b) Die Studenten,
die die besteDurchschnittsnote
ihrerPrüfungenhaben.
c) GebenSie eine Liste der Professoren(Name,PersNr)mit ihrern Lehrdeputat
(Summeder SWSder gelesenen
auslOrdnenSiedieseListe so,
Vorlesungen)
nachLehrdeputat
dasssie absteigend
sortiertist! Bei gleicherLehtätigkeit
darurnoch aufsteigendnachdemNamendesProfessors/derProfessorin.
(Name,MatrNr, Semester)
zwei Vorleaus,die mindestens
d) GebenSieeineListeder Studenten
sungenbei Kant gehörthaben.
Herbst2003
Einzelprüfungsnummer
: 66113
Seite:4
e) GebenSie eine Liste der Studentenaus,die alle Vorlesungenvon Sokratesgehört
haben.
f) GebenSie eineListe der Studentenaus,die nur Vorlesungenvon Sokratesgehört
haben.
GebenSieverbalan,welchesErgebnisfolgendeSQl-Anfrageliefert:
SELECT
s1.lfame, s2.Nane
FRO!{Studenten s1", hören h1 , hören h2, Studenten s2
tfHEREsl.llatrl{r = h1 .}latrl{r ANDh1 .Vorll{r = b2.Vorll{r AND
h2.Matrllr = s2.l.latrl{r
GebenSie einenRelationenalgebra-Ausdruck
für dieseAnfrage anl DieserAusdruck sollte keine
Kreuzprodukte(nur Joins) enthalten.
Aufgabe6: Indexstrukturen:
ln denmeistenDatenbanksystemen
wird standardmäßig
ein B-Baum als Indexstrukturangelegt.ErläuternSiedie Funktionsweise
desB-Baums!ZeigenSiegraphisch,waspassiert,wennnacheinander
die Schlüssel
1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 t, 0
9,
eingefügtwerden! Wir nehmenan, dassdie Knoten desB-BaumseineKapazitätvon vier haben.
-5-
Seite:5
Einzelprüfungsnummer
: 66113
Herbst2003
ThemaNr. 2
SämtlicheTeilaufgabensind zu bearbeiten!
FunktionaleAbhängigkeit,Normalisierung
Aufgabe1: Datenbanksysteme:
der KundeneinesVerGegeben
sei die folgenderelationaleDatenbankmit denoffenenRechnungen
sandhauses:
Rechnung RNR
I
2
a
J
4
5
6
KDNR Name
I
I
2
2
.|
J
4
Müller
Müller
Huber
Huber
Meier
Meier
Betrag
Adresse Positionen Datum
a
J
01.1I .2002 60
München
2
23.05.2003 90
München
5
09.03.2003 90
Nürnbere
14.02.2003 70
8
Nürnberg
20.06.2003 1 1 0
7
Augsburg
L2
07.04.2003 90
München
die 2.
Schlüsselkandidaten
1. ErläutemSie,warumnur Relationenmit einemzusarnmengesetzten
verletzen
können!
Normalform
(einschließlich
dertransi2. GebenSiefür obigeDatenbankallevollen funktionalenAbhängigkeiten
tiven)an!
3. ErläutemSie, inwiefem obigesSchemadie 3. Normalform verletztt
in die 3. Normalform! Erläutem Sie die dazudurchzu4. ÜberführenSie dasobige Relationenschema
führendenSchrittejeweils kurz!
5. ErläutemSie, inwiefern sich einevollständigeNormalisierungnachteilig auf die Geschwindigkeit
der Anfragebearbeitungauswirkenkannund wie daraufreagiertwerdenkann!
FortsetzungnächsteSeite!
Herbst2003
Einzelprüfungsnummer
: 66IL3
Seite:6
Aufgabe2: Datenbanksysteme:
RelationaleAnfragen:
Gegeben
sei dasfolgenderelationaleDatenbankschema
(Schlüsselattribute
sindjeweils unterstrichen):
Lehrer (PNR, LName, Fachgebiet)
Schüler(SN& SName,Adresse,KNR)
Klasse(l(NR. Raum,Jahrgangsstufe)
Fach@\\FName, Stundenzahl)
unterrichtet(BN& Is{R. ENE)
In derDatenbanksinddie Datenvon Lehrem,Schülem,Klassenund FächemeinerSchulegespei
chert.Ein Lehrerhat dabei eine Personalnummer
@NR), einenNamenund ein Fachgebiet.Schüler
habennebeneinerIdentifikationsnummer(SNR) einenNamen,eineAdresseund gehöreneinereinzigenKlassean. Klassensind eindeutigdurch ihre Klassermummer(KNR) bestimmtund ihnen ist ein
Klassenraumund eineJahrgangstufezugeordnet.Eine Klassewird von genaueinemLehrer in einem
Fachunterrichtet.Ein Lehrer kannjedoch dieselbeKlassein unterschiedlichenFächernunterrichten.
1. GebenSiefür die folgendenverbalformuliertenAnfragenjeweils eineAnfrageformulierung
in
RelationalerAlsebraan!
a) BestimmenSie die Namen und Adressenaller Schülerder 5. Jahrgangsstufe!
b) Bestimmen Sie die Namen aller Lehrer, die jeweils jede Klasse der 6. Jahrgangsstufeunterrichten!
c) GebenSie die Namen aller Schüleran, die von einem Lehrer in einem Fach unterrichtetwerden,
das nicht dem FachgebietdiesesLehrers entspricht!
2 . Formulieren Sie die folgendenAnfragen in SQL:
a) Bestimmen Sie fiir jede Jahrgangstufedie durchschnittliche Anzahl an Schülern in einer Klasse!
b) Erstellen Sie eine alphabetischsortierteListe mit den Namen aller Lehrer, die jedes Fach unterrichten, unabhängigvon einer konkretenKlasse!
c) Erstellen Sie eine Liste aller Lehrer. die nur Klassenmit mehr als 30 Schülernunterrichten!
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Herbst2043
Einzelprüfungsnummer
: 66113
Seite:7
Aufgabe3: Rechnerarchitektur:RISC / CISC
1. ErstellenSieeinentabellarischen
Vergleichzwischenklassischen
RISC-und ClSC-Architekturen
hinsichtlich der folgendenKriterien: Umfang desMaschinenbefehlssatzes,
Umfang der Adressierungsarten,Anzahl der Register,Implementierungstechnik
desProzessor-Leitwerks,Ausführungszeitenvon Maschinenbefehlen.
2. ErläutemSie,warumderUmfangderBefehlebei RlSC-Prozessoren
so geringgewähltwurde!
WelcheFolgenhattedas?
3. ErklärenSie,wodurchdie "Platzverschwendung"
in denBefehlsformaten
bei RlSC-Prozessoren
entstehtundwodurchsiemotiviertist!
4. Bei RlSC-Prozessoren
nehmendie CompilerCodeoptimierungen
vor, die durchdie Prozessorarchitektur notwendigsind. Erklären Sie,warum bei folgendemAusschnittauseinem (virtuellen) Maschinenprogramm
ein scheinbarsinnloserNOP-BefehlnachdemSprung-Befehl
steht!
:"
JUmpxxxxx
:*
Aufgabe4: Rechnernetze
I . Zwei Kommunikationspartner(beidebefindensich auf der Erde) sind über eine Satellitenstrecke
miteinanderverbunden.
Der Satellitbefindetsichin einerHöhevon 40.000km. Wie hochist im
(Hinweis:Die LichtoptimalenFall derDelay ftir eineNachrichtunddie zugehörige
Bestätigung?
geschwindigkeitkannmit 300.000krn/s angenommenwerden.)
2. BetrachtenSieein klassisches
Ethernetmit Bus-Topologie.
a) WelchesVerfahrensbedientsich Ethemetfür den Medienzugriff?Warum sind hierfür Festlegungenzu minimalerFramel?inge
undmaximalerL2ingedesMediums(Bus)notwendig?
b) Die minimaleFramelänge
seiauf 64 Byte festgelegt.
WennSieein Ethe,metmit 2 Gigabit/s
Übertragungsrate
installierensollen,welcheräumlicheAusdehnung
darf ihr Überhagungsme(Die
idealen
dium dann,selbstunter
Bedingungen,
maximalhaben?
Signalesollensichim
Mediummit 200.000km/s ausbreiten,
Bearbeitungszeiten
in denStationenkönnenvemachläswerden.)
sigt
Aufgabe5: Betriebssysterne:
Scheduling
FolgendeProzesse
sollenbetrachtetwe.rden(die Zeitenseienin beliebigenZeiteinheitengegeben):
Prozess Ankunftszeitpunkt Laufzett
A
B
C
D
E
-t
0
J
I
2
2
I
a
J
2
4
3
FortsetzungnächsteSeite!
Herbst2003
Einzelprüfungsnummer
: 661L3
Seite:8
Ein Prozess,der zum Zeitpunkt I eintritt, wird auchzum Zeitpunkt r in die Warteschlangeeingereiht.
Kommenzwei Prozessezur gleichenZeit, so wird die Ordnungauf den Prozessnamen
(Alphabet)
herangezogen.
Wird ein Prozessvor seinemTerminierenzum Zeitpunktt'unterbrochen,soreiht er
sichin die Warteschlange
mit Ankunftszeitt'wieder ein.
1. ErklärenSie zunächstden Unterschiedzwischenpreemptivenund nicht-preemptivenSchedulingVerfahren!
2. GebenSie für die StrategienShortestJobFirst (SJF)undRoundRobin(RR) mit Quantum
I = I jeweils in Form einesDiagrammsflir die ersten11Zeiteinheiten
an,wannwelchemProzess
Rechenzeitzugeteiltwird und wann die Prozesseggf. terminieren!
3. Die Reaktionszeit
p; sei definiertals:
4 einesProzesses
:
r i ersterRechenzeitpunh; Ankunftszeitpunkt;
GebenSie die mittlere Reaktionszeitder StrategienRR und SJFausTeilaufgabea) an!
4. Wie mussdie GrößedesQuantumsbei RR gewähltwerden,damit sich dieseStrategieäquivalent
zur FlFO-Strategieverhält?
5. NennenSie drei unabh2ingige
Einflussgrößen,die man zur Festlegungder Quantumslänge
bei RR
sinnvoll heranziehenkann!
Aufgabe6: Betriebssysteme:
Seitenersetzungsstrategien
Bei der AusführungeinesSpeicherzugriffsbei der virtuellen Speicherverwaltungkann esvorkommen,
dasssich die referenzierteSeitenicht im Arbeitsspeicherbefindet.DieseSituationwird Seitenfehler
(pagefault) genannt.
Die BehandlungeinesSeitenfehlerserforderti. Allg. Maßnahmenzur Ersetzungeiner Seiteim Arbeitsspeicher,
d. h., um die gewünschte
Seitein einenSeitenrahmen
desArbeitsspeichers
einlagemzu
können,musszunächsteine andereSeitevom Arbeitsspeicherauf denHintergrundspeicherausgelagertwerden.
Die Mengeder Seitensei gegebendurchN : {0,1,2,3, 4, 5} und die Mengeder Seitenrahmen,
die
ftir die Speicherungder Seitenim Arbeitsspeicherzur Verfügung steht,sei gegebendurchFramea=
{fi,"f2,"fi,fq}.
Auf die 6 Seitender MengeN werde in folgenderReihenfolgezugegriffen:
a:135424321053504
Arbeiten Sie mit den zur Verfügung stehendenSeitenrahmender MengeFrameadie Seitenzugriffsfolge ar gemäßdennachfolgenden
Ersetzungsstrategien
ab.ErstellenSiehierzujeweils eineTabelle
mit denhierfür angegebenen
Spalten.
1. LIFO : Lastin First out
Referenzierte Inhalt
Seiten
fr
Inhalt
f,
Inhalt
fi
Inhalt
f+
Summeder Sertenfehler
2. LRU : LeastRecentlyused
FortsetzungnächsteSeite!
Herbst7003
Einzelprüfungsnummer
: 66113
Referenzierte Inhalt
Seiten
fi.t
Inhalt Inhalt
fz.t
fi.t
Seite:9
Inhalt
fq. t
Summeder
Seitenfehler
3. LFU : LeastFrequentlyused
Referenzierte lnhalt
Seiten
fi,akz
Inhalt
Inhalt
Inhalt
Summeder
Seitenfehler
f2,anz fi,anz
fa,LTIZ
4. ErklärenSie den UnterschiedzwischenSwappingund Paging!
5. ErklärenSie den UnterschiedzwischenSegmentenund Seiten(pages)!
Aufgabe 7: Deadlock und Semaphore:
Zwet ProzessePr und P2 seienwie folgt unter Verwendung von booleschenSemaphorenprogrammiert (WAIT entsprichtUP und SIGNAL entsprichtDOWN):
P1 :
REPEAT
<unkritischer Bereich>
(1) ItAIT(Platz)
Q) WAIT(S)
<kritischer Bereich)
SIGNAL(S)
SIGNAL(Bestand)
<unkritischer Bereich>
UIITIL false
P2Z
REPEAT
<unkritischer Bereich>
tIAIT(Bestand)
T.IAIT(S)
<kritischer Bereich>
SIGNAT(S)
SIGNAT(Platz)
(unkritischer Bereich>
UNTIL false
Ein Vertauschender Zetlen (1) und (2) von ProzessP1könnte zu Konflikten fi.ihren.Erklären
Sie anhandeiner Belegung der SemaphoreS, Platz und Bestandund einer Beschreibungeines
zeitlichenAblauß der beidenProzesseP1und P2,wie in diesemFall ein Deadlock entstehen
kann.