Fragen-WS04-05 - Ruhr
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Computertechnik WS 04/05 Basis-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 verbinden die Pole einer Spannungsquelle von 5 Volt an 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 z.B. bei Kupfer? 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 und diese 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, nachdem es aufgeladen wurde. Welcher Vorgang läuft ab? Was gilt dabei für die Spannung? Wenn Ladungsträger vom Pol mit einem Überschuss an Elektronen zum Pol mit einem Mangel an Elektronen fließen, dann bedeutet das einen Stromfluss von Elektronen. Zählt man die Richtung dieses Stromes positiv oder negativ? Man kann sich auch ein Modell machen, dass Ladungsträger, denen ein Elektron fehlt, zum Pol mit dem Überschuss an Elektronen fließen 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 im deutschen technischen Sprachgebrauch? 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? Eine Gleichspannungsquelle heißt (erd-)potentialfrei, wenn keiner der beiden Pole eine elektrisch leitende Verbindung zur Erde hat. Sind die Gleichspannungsquellen eines PC-Netzteils beim Betrieb in einem PC (erd-)potentialfrei oder nicht? (Grund in einem Satz angeben) 2 Sie wissen nicht, ob eine Gleichspannungsquelle potentialfrei ist oder nicht. Beschreiben Sie ein Verfahren, wie Sie es feststellen können. 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. 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 der Speicherwortbreite und 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. 3 Welches war die kleinste adressierbare Einheit in frühen PC-Systemen, auf die man wegen der Kompatibilität auch später immer Rücksicht nahm? 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, der im Zwischenspeicher als Zeile behandelt wird? 5 Geben Sie den englischen Begriff für eine Zeile im Zwischenspeicher an. 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? Aus welchen Schaltelementen besteht ein Register? Ein Prozessorregister soll einen bestimmten Inhalt bekommen. Wodurch geschieht das? 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 Anwenderschnittstelle. Gliedern Sie die Signale dieser Schnittstelle nach typischen Funktionen. (Frage greift im Skript 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 im Skript 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 Sie kennen gelernt, mit einem ergänzenden Merkmal zu entscheiden, dass entweder der Hauptspeicher oder der Ein/Ausgabebereich gemeint ist (Frage greift im Skript voraus). 6 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-----------------------------------------------------Geben Sie die logische Funktion an, mit der ein Interrupt-Controller den SammelInterrupt-Request bildet, der am Prozessor angelegt wird. 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. Ein entscheidender Schritt zur Vereinfachung bietet sich durch den Übergang auf ein serielles Übertragungskonzept an. Das wird auf der Basis von drei Leitungen im APICKonzept realisiert. Der Übertragungsweg des Interrupt-Merkmals hängt vom Chipsatz-Konzept ab, mit dem ein PC-Motherboard realisiert wird. Angenommen, es liegt ein Pentium4 Motherboard mit einem modernen Chipsatz-Konzept vor. Über welche Schnittstellen gelangt das Interrupt-Merkmal zum Prozessor? Mit Skizze erläutern. Wie nennt man den Zyklus? 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 bei PCI-Interrupts? Werden die vier PCI-Interrupt-Request-Signale als Sammel-Interrupt-Requests an den Prozessor angelegt oder folgt man einem anderen Konzept? Begründender ausformulierter Satz. Ist folgende Behauptung richtig/falsch?: „Im herkömmlichen PIC-Interrupt-ControllerKonzept können die PCI-Interrupt-Requests nur diejenigen Request-Eingänge am Interrupt-Controller benutzen, die nicht von ererbten-ISA-Interrupt-Requests benutzt werden.“ Begründender ausformulierter Satz. Wenn man je eines der vier PCI-Interrupt-Request-Signale frei einem der 15 Interrupt-Request-Eingänge eines herkömmlichen Interrupt-Controllers zuordnen möchte, braucht man ein besonderes Feld von Schaltelementen. Skizzieren Sie die Struktur und geben Sie stichwortartig die Funktion eines Schaltelementes an. 7 Standard-Schnittstellen--------------------------------------------------------------------------Die PCI-Schnittstelle wird immer als PCI-Bus bezeichnet, die AGP-Schnittstelle dagegen wird nicht als Bus bezeichnet. Welchen Grund hat das? 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. Embedded Microcontroller--------------------------------------------------------------------------Welche Funktionseinheiten sind in einem 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 unmittelbar auf die operativen Einheiten der Produktion wirkt? 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 gibt es einen zentralen Raum, in dem die Geräte für die Beobachtung und für die Eingriffe in den Prozess konzentriert sind. Wie nennt man diesen Raum mit seinen Einrichtungen üblicherweise? Geben Sie Beispiele für Geräte zur Beobachtung und Bedienung. Welche Aufgaben hat die mittlere Ebene? Welches markante Strukturmerkmal hat das Übertragungssystem zwischen den Computern der höchsten und der mittleren Ebene? Welcher Computer-Typ wird in der mittleren Ebene überwiegend 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--------------------------------------------------------------------------------------In Supercomputern gibt es Verknüpfungsbefehle für skalare und für vektorielle Variable. Angenommen, die vektoriellen Variablen haben n Komponenten und für die additive Verknüpfung gilt: Ergebnisvektor E ← Operandenvektor A + Operandenvektor B. Geben Sie die Komponenten des Ergebnisvektors als arithmetische Ausdrücke der Komponenten der Operandenvektoren an. 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? 9 Angenommen, die räumliche Anordnung der Anwender-Computer legt eine BusTopologie mit Koaxialleitung nahe. Die notwendige Kabellänge sei größer als zulässig. Was müssen Sie tun? Angenommen, die räumliche Anordnung der Anwender-Computer legt eine sternförmige Verkabelung mit Twisted-Pair-Kabeln nahe. Welche alternativen Gerätetypen kann man für die Verteilereinheit im Sternzentrum wählen? Welche davon hat aufgrund des inneren einfachen Aufbaus die Eigenschaft, 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? An einem Network-Interface-Controller-IC gibt es ganz bestimmte Pins, über die (vom Twisted-Pair-Kabel kommende) Signale empfangen und über die (zum Twisted-Pair-Kabel abgehende) Signale gesendet werden. Welche Elemente muss man zwischen diese Pins und die Pins des Twisted-Pair-Sockels schalten? Veranschaulichen Sie Ihre Antwort durch ein Schaltbild mit der eingeführten symbolischen Darstellung. 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? Welche Standards kommen infrage, um das Twisted-Pair-Kabel noch anders zu nutzen? Was bedeutet twisted physikalisch und warum macht man das? Worin besteht der Unterschied zwischen UTP- und STP-Kabeln? Wie ist die Übertragungsrichtung Transmit, wie die Übertragungsrichtung Receive im Ethernet definiert? 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) 10 Geben Sie die physikalische Begründung dafür, dass man das Bezugspotential nicht an den Übertrager anlegen muss, sondern kann. Es gibt verschiedene Ursachen für elektromagnetische Störungen. Eine davon kann man in der Sender-Treiberschaltung durch Begrenzung einer bestimmten physikalischen Größe beseitigen. Welche Größe begrenzt man durch eine Kontrollschaltung im Treiber? Datenübertragung im Ethernet-------------------------------------------------------------------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. Wie nennt man die erste Phase in Anlehnung an die englische Begriffs- bildung? Die Methode des Ethernets, 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 Tatsache beugen, dass man zu jeder Zeit nur einem einzigen die Chance zum Senden geben darf. Und man muss zusätzlich berücksichtigen, dass alle Sendewilligen eine Chance haben müssen, ihren Bedarf zu melden; denn kein NIC weiß vom anderen, wer sendewillig ist. Wenn aber alle erfasst werden sollen und jeweils nur einer zu einem bestimmten Zeitpunkt senden darf, dann muss man den Sendewilligen zyklisch der Reihe nach eine Sendechance geben. Das ist die Grundlage der sog. Token-Passing-Verfahren, die z.B. beim Profibus oder beim IBMRing angewendet werden. Man hat die Möglichkeiten von „zyklischen Chancen-Zuordnungen“ bei der EthernetKonzipierung sicher diskutiert. Aber man hat sich für das ma/cd –Verfahren entschieden. Bei welchen der folgenden Ethernet-Konfigurationen kann es zu shared-mediumKonflikten der gesendeten Signale kommen: Ethernet mit Koaxialkabel und Repeatern, Ethernet mit Twisted-Pair-Kabeln und Hubs, Ethernet mit Twisted-Pair-Kabeln und Switches? Der Unterschied zwischen zwei elektrischen Signalen macht es einem NIC in einem Ethernet mit Koaxialkabel möglich, eine Kollision entdecken. Welche Signale sind das? Was bedeutet das Ereignis für seinen Sendevorgang? Ist im allgemeinen Fall Ruhe im Übertragungssystem, sobald er selbst nicht mehr sendet, oder muss er evt. noch warten? Die gleiche Situation für einen NIC in einem Ethernet mit Twisted-Pair-Verkabelung und Hubs. Welcher Signalunterschied macht eine Kollision entdeckbar? Bevor NICs in einem Ethernet mit möglichen shared-medium-Konflikten einen neuen Sende-Versuch nach einem Konflikt starten, wird mit Hilfe eines Würfelprozesses versucht, eine zeitliche Reihenfolge bei der Benutzung festzulegen. Erklären Sie den Vorgang nach dem ersten fehlgeschlagenen Belegungsversuch am Beispiel von zwei konkurrierenden Teilnehmern. Was geschieht nach weiteren Belegungsversuchen, die keinen eindeutigen ersten Beleger erzeugt haben? 11 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 mit möglichen shared-medium-Konflikten 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? 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 empfangenden NICs die entstandenen Fehler erkennen? Machen Sie einen Vorschlag, wie sich das System danach verhalten soll. Token-basierte LANs-------------------------------------------------------------------------------Für welche Leitungstopologie eignen sich token-basierte Protokolle besonders gut? 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------------------------------------------------------------------Geben Sie das Schema eines (zulässigen) Augenmusters mit den Spannungswerten und Zeitwerten an. Was ist 4Bit/5Bit-Kodierung und warum setzt man sie ein? Gigabit-Ethernet------------------------------------------------------------------Geben Sie das Schema eines (zulässigen) Augenmusters mit den Spannungswerten und Zeitwerten an. Man kann UTP-Kabel (der Kategorie 5), die im Fastethernet eingesetzt werden, auch im Gigabit-Ethernet einsetzen. Wie kommt dabei die Gesamtübertragungsrate von 1 Gigabit/sec zustande? 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 durch seine „Schwingfähigkeit“ 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? Welche Organisation 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 zwischen den Komponenten hat man in dem beispielhaften früheren Chipsatz verwendet? Welche verwendet man in dem aktuellen Chipsatz-Konzept? 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-Systems. 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 PCI-Interrupt-Request-Leitungen kann man an einem PCI-Steckplatz einzeln aktivieren? Die meisten PCI-Controller sind sog. Ein-Funktion-Einheiten, die nur einen InterruptRequest auslösen. Der PCI-Standard sieht vor, dass alle Ein-Funktion-Einheiten ihre Interrupt-Requests auf einer einzigen PCI-Interrupt-Request-Leitung melden. Welcher? Der Datenverkehr zwischen dem Prozessor und dem Hauptspeicher bzw. der Peripherie Prozessoren adressieren Speicherwörter bestimmter Länge. Welches ist die kleinste Speicherwortlänge, die ein Intel-Prozessor adressieren kann? Welche Speicherzellen muss ein Prozessor außer den Hauptspeicherzellen noch adressieren 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 ein Element, das die wartenden Anfragen speichert (das also die Warteschlange der Anfragen bildet). Welches Element ist das? 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 eben vorgeschlagenen Lösung? 14 Beschreiben Sie ein von Ihnen gewähltes beispielhaftes Szenario mit einer Unterbrechung einer Unterbrechung. 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 1 Datenbit (x1-Speicher-IC) und man möchte daraus ein x4-Speicher-IC entwickeln. Kann man die gleichen Dekodierschaltungen verwenden wie beim x1-IC? Worin unterscheidet sich die Matrix-Struktur des x4-Speicher-ICs von der des x1Speicher-ICs? Bei der Übertragung im Burst-Mode spart man Zeit gegenüber derjenigen, die man brauchte, um die gleiche Zahl mit Einzeldatenzugriffen zu übertragen. Welche Zeit spart man und warum? Nicht-synchrone DRAMs--------------------------------------------------------------------------Die typischen Vertreter für nicht-synchrone DRAMs sind die EDO-DRAMs. Skizzieren Sie das prinzipielle Zeit-Diagramm eines EDO-DRAM-Lesezugriffs. Welche Funktion hat das Row-Address-Select-Signal? Welche Funktion hat das Column-Address-Select-Signal? Auf einem EDO-DRAM ist eine bestimmte RAS-Zugriffszeit angegeben. Was bedeutet das für die Zykluszeit? Standard für DRAM-Speichermodule mit 64Bit-Speicherwortlänge----------------Mit welchen Select-Signalen an der Modul-Schnittstelle selektiert man die Speicherbänke auf dem Speichermodul. Wie viele könnte man theoretisch selektieren? Was tut man praktisch? 15 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 auf den Speichermodulen ------------------------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 gleichzeitig mehr als einen Speicherzugriff in einem Speicher-IC durchführen zu können? Beim 4fach-Burst-Zugriff auf EDO-DRAMs muss der Memory-Controller nacheinander 4 Spaltenadressen liefern. Welche Einheit in SDRAMs macht das überflüssig. Welche Eigenschaft dieser Einheit gibt den SDRAMs ihren Namen? Geben Sie das Schema der prinzipiellen internen Struktur eines SDRAMs mit 4 internen Speicherbänken an, das Sie in der Vorlesung kennen gelernt haben. Drei Signale steuern an einem EDO-DRAM die Aktionen, die es ausführen soll. Das sind: RAS/, CAS/, WE. Damit werden vier Vorgaben für Aktionen gemacht: Lesen/RAgültig, Lesen/CAgültig, Schreiben/RAgültig, Schreiben/CAgültig. Für was werden die gleichen Signale bei SDRAMs verwendet? 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. 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? 16 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-Systems? 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 kann man zusätzlich zu jeder Cacheline im Zwischenspeicher speichern, damit eindeutig wird, welche cachebare Speicherzeile im Zwischenspeicher steht? Welcher Speichertyp erlaubt es, diese 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. 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? 17 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 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? Host-Bus-Protokoll---------------------------------------------------------------------------------Prozessoren führen den Datenverkehr mit ihrem „Umfeld“ über den Host-Bus aus (andere Bezeichnungen: System-Bus oder Front-Side-Bus). Der Datenverkehr besteht aus einer Aneinanderreihung von elementaren Datenübertragungen, bei denen entweder ein einzelnes Datenwort oder ein Burst von vier Datenwörtern (eine Cacheline) übertragen wird. Ein elementarer Übertragungsvorgang wird Buszyklus oder (Bus-)Transaktion genannt. Einfache Host-Bus-Protokolle gehen davon aus, dass ein Buszyklus erst fertig sein muss, bevor der nächste begonnen werden kann. Sie wurden früher für Ein-Prozessor-Systeme eingesetzt. Um auch für Mehrprozessor-Systeme geeignet zu sein, muss man Protokolle entwickeln, die die „Nicht-Teilbarkeit“ der Buszyklen aufheben. Als Beispiel kann man das Pentium/4-Host-Bus-Protokoll nehmen, das Ihnen in der Vorlesung vorgestellt wurde. Geben Sie die Reihenfolge der elementaren Aktionsphasen an, die nacheinander eine gesamte Transaktion zusammensetzen. (Zweck der Aktionen stichwortartig angeben). Zwischen welchen beiden Phasen darf eine Wartezeit entstehen, damit eine nachfolgende Transaktion anhalten kann, wenn eine vorhergehende noch nicht fertig ist? 8 Der Datenverkehr von/zu der Peripherie Parallele binäre Ein/Ausgaben------------------------------------------------------------------Skizzieren Sie die elementaren Komponenten der Ein/Ausgabe-Schaltung eines einzigen binären Signals. Welchen Sinn hat der Binärspeicher der Ausgabe? Unter welcher Bedingung kann ein Binärspeicher für die Eingabe entfallen? Was gilt im Eingabebetrieb für die Ausgabe? 18 Um Datenwörter sicher ein- bzw. ausgeben zu können, nutzt man Handshake-Verfahren mit Signalflanken oder solche mit Signalpulsen. Sie haben Beispiele für beide Verfahrenstypen kennen gelernt. Hier soll es zunächst um die byteweise Einzelwort-Übertragung mit Handshake-Signalflanken gehen. Geben Sie das Signal-Zeitdiagramm der Handshake-Signale und des Datensignalbündels für die Ausgabe an. Beschreiben Sie an jeder Flanke mit Stichworten, welche funktionale Bedeutung sie hat. Geben Sie das Signal-Zeitdiagramm der Handshake-Signale und des Datensignalbündels für die Eingabe an. Beschreiben Sie an jeder Flanke mit Stichworten, welche funktionale Bedeutung sie hat. Geben Sie in beiden Diagrammen an, wann uns warum es da sinnvoll ist, ein Interrupt-Request-Signal zu aktivieren. Geben Sie jetzt noch an, wann das Interrupt-Request-Signal sinnvollerweise deaktiviert werden soll? 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----------------------------------------------------------------------------Ein Interrupt-Request ist eine logische Größe, die mit Hilfe eines elektrischen Signals physikalisch ausgedrückt (kodiert) werden kann. 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? Die Speicherung realisiert eine Warteschlange, wobei jeder binäre Speicherplatz einem Warteplatz in einer Warteschlange entspricht. Die Speicherplätze (Warteplätze) haben eine Rangfolge, die die Reihenfolge der Bedienung genau festlegt, wenn mehrere warten. Welchen Nachteil hat es, wenn die Rangfolge unveränderlich für die gesamte Betriebsdauer festlegt? Schlagen Sie ein alternatives Verfahren vor, diesen Nachteil zu umgehen? 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 ihre Funktion in heute verwendeten Pentium4-Prozessoren. Welches der Register muss bei einer Programmunterbrechung gerettet werden? Welche Aktionen führen die Prozessorschaltungen beim Retten automatisch aus? 19 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 deren 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 Vorgangs 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? Festplatten---------------------------------------------------------------------------------------------Warum formt man die Schreib/Lese-Köpfe einer Festplatte auf der Seite, die der Platte zugewandt ist, als Schlitten? Was geschieht, wenn beim Betrieb ein Staubkorn zwischen Platte und Kopf gerät? Angenommen, der Schwenkarm mit den Köpfen ist in eine neue Zylinder-Position gelangt. Was muss man die Elektronik beim Lesen zuerst einstellen, um richtig lesen zu können? Wie stellt die Elektronik die Byte-Synchronität her? 20 Geben Sie das prinzipielle Sektor-Format für eine Platte an, die gemäß dem Konzept mit identifizierbaren Sektoren formatiert ist. Was bedeutet „low-level-Formatierung einer Platte? Gegeben sei eine Folge von vier Bits: 1 0 1 0. Geben Sie untereinander (physikalisch richtig zugeordnet) die zeitlichen Verläufe des Schreibstroms, der Magnetisierungsrichtung auf der Spur und der Lesespannung an. Vor den eigentlichen informationstragenden Bits jedes Felds gibt es einige Bits als Vorspann. Welchen Zweck erfüllen diese und warum gibt es sie? Mit welchem Formatelement auf der Platte unterstützt man das positionsgenaue Schwenken des Schwenkarms? Beschreiben Sie den Aufbau und den Vorteil des zoned-bit-recordings? Es gibt für PC-Festplatten zwei alternative Schnittstellen. Welche? Die eine lehnt sich stark an die Signale des Host-Bus eines früheren PC-Systems an. Der Controller einer solchen Platte soll einen Lese- bzw. Schreib-Auftrag erhalten. In welcher logischen Struktur werden die Auftragsparameter zusammengefasst? Geben Sie die für einen Lese- bzw. Schreib-Auftrag wichtigen Bytes dieser Struktur mit ihrer Bedeutung an. In welche Controller-Einheit müssen diese Bytes übertragen werden, damit sie ausgeführt werden können? In welchem Parameter steht die Operation, die der Controller ausführen soll? Welchen Grund gibt es, diesen Parameter erst dann zu übertragen, wenn alle andern schon übertragen sind? Sie kennen die Merkmale der dma-Fähigkeit. Gibt es unter den Auftragsparametern irgendeinen, der die Einstellungen für dma-Zugriffe kennzeichnet? Was schließen Sie daraus? Der andere Festplattentyp ist mit der SCSI-Schnittstelle ausgestattet, die als universelle Peripheriegeräte-Schnittstelle konzipiert wurde. Dabei wird wie beim PCIBus zwischen Initiator und Target unterschieden. In welcher Einheit eines PC-Systems mit einer SCSI-Platte liegt die Initiator-, in welcher die Target-Funktion? Angenommen, es soll ein Auftrag an die SCSI-Platte übertragen werden. In der Begriffsbildung des SCSI-Bus nennt man einen Auftrag: ………………… Beschreiben Sie das Arbitrierungsverfahren des SCSI-Bus (mit Signal-Schema). Der Initiator, der „gewonnen“ hat, möchte der SCSI-Platte Auftragsparameter schicken. Schickt er sie sofort selbständig, wenn er den Bus zugeteilt bekommen hat. Wenn nicht, was tut er dann und wie kommen die Auftragsparameter zum Target: SCSI-Platte. (Verbale Beschreibung) Sie kennen die Merkmale der dma-Fähigkeit. Gibt es unter den Auftragsparametern irgendeinen, der die Einstellungen für dma-Zugriffe kennzeichnet? Was schließen Sie daraus? 21
