2 Aufbau und Funktionsweise von Computersystemen Flashcards
(16 cards)
Was ist Moore’s Law?
Die Anzahl von Transistoren auf einem integrierten Schaltkreis verdoppeln sich ungefähr alle zwei Jahre
Moore’s Law Folgen
Dies führt dazu, dass Computer immer leistungsfähiger und gleichzeitig kostengünstiger werden
Faktor der zur zunehmenden Digitalisierung von Wirtschaft und Alltag geführt hat
Computer in letzten Jahrzehnten exponentiell leistungsfähiger, da immer mehr Transistoren auf kleinen Halbleiterplatte untergebracht werden konnten.
Allerdings stößt diese Entwicklung mittlerweile an physikalische und wirtschaftliche Grenzen, weshalb das Wachstum langsamer wird. (Weitere Verkleinerung unverhältnismäßig hohe Kosten)
Quantencomputer könnten allerdings eine weitere Steigerung der Rechenleistung ermöglichen und Moore’s law weiterhin am Leben erhalten
Normale Computer vs. Quantencomputer
- Unterschied: Art und Weise, wie Informationen verarbeitet und gespeichert werden
- Qcomputer besonders leistungsfähig für bestimmte Arten von Berechnungen, wie z.B. die Faktorisierung großer Zahlen oder die Simulation komplexer Moleküle, die für klassische Computer extrem zeitaufwendig oder unmöglich wären
- Bits vs. Qubits:
Computer Bits als kleinste Informationseinheit, Zustand 0 oder 1
Qcomputer Qubits (Quantenbits), extra Zustand gleichzeitig 0 und 1 (Superposition) - Superposition und Parallelität:
Computer führen Berechnungen sequenziell durch (bearbeiten eine Aufgabe nach der anderen)
Qcomputer können durch Superposition viele Berechnungen gleichzeitig durchführen (komplexe Probleme schneller lösen) - Verschränkung:
Computer arbeiten unabhängig voneinander
Qcomputer nutzen Quantenverschränkung (Zustand eines Qubits direkt mit dem Zustand eines anderen Qubits verbunden) > ermöglicht extrem schnelle und effiziente Informationsverarbeitung
Binärsystem und Computer
- Zahlensystem mit der Basis 2
- Computer aus Vielzahl elektronischer Schalter aufgebaut
- nur zwei Zustände: an / aus 1 / 0
Funktionsweise: Position einer Zahl bestimmt ihren Wert (Stellenwert- oder Positionssysteme)
Negative Binärzahlen
Erste Stelle 1 > Zahl negativ, weiteren Stellen bleiben positiv (Vier Bit Zahlen zeigen -8 bis +7)
Auf Negative Zahl (-8) wird Summe der positiven Zahl addiert (+7 = -1)
1 vorne = negative Zahl
0 vorne = positive Zahl
Hexadezimalsystem
Basis 16
längere Bitfolgen übersichtlicher darstellen
0 – 9
A – F (10 – 15)
Durch diese 16 (von 0 bis F) verschiedenen Kombinationen lassen sich genau vier Bit repräsentieren, was es ermöglicht
ein Byte = zwei Hexadezimalziffern (FF=255, 11111111=255)
Beispiel: HTML Farbcodes, jeweils zwei Hexadezimalziffern für die Sättigung der roten, grünen und blauen Farbe (z. B. #6C47A8 ergibt einen lila Farbton)
ASCII
American Standard for Information Interchange: stellt mit 7 Bit um (lateinische) Buchstaben, arabischen Ziffern und einige Sonderzeichen dar
> Allerdings fehlen in diesem Datenformat für viele Sprachen relevante Zeichen (z. B. ä, ö, ü, ß für Deutsch)
Unicode-Datenformat
weltweiter Standard schaffen.
UTF-8 und UTF-16: 4 Bytes, Zeichen fast aller bekannten Sprachen und besondere Zeichen (z.B. Emojis)
UTF8: Nutzung von 8 Bit bzw. 1 Byte für ein Zeichen
UTF16: Nutzung von 16 Bit bzw. 2 Byte für ein Zeichen
Wie führt ein Computer mit elektronischen Schaltungen Rechenoperationen aus?
Grundlage Logikgatter:
- verarbeiten binäre Eingangssignale in ein binäres Ausgangssignal
- setzen Boolesche Operationen in Hardware um
- Signale können nur Zustand 1 oder 0 haben
- Kann Vielzahl an Eingangssignalen haben
3 elementare Gatter
UND (AND), ODER (OR), NICHT (NOT)
Darstellung und Output bei AND, OR, XOR, NAND, NOR und XNOR
- NOT kehrt ein Eingangssignal (Input) in das komplementäre Ausgangssignal (Output) um (NOT(0) = 1 NOT(1) = 0), Dreieck mit Kreis
- AND hat nur 1 als Output, wenn Input a und Input b 1 sind, Halbkreis
- OR schon 1 als Output, wenn nur mindestens einer der Inputs 1 ist, abgerundetes Dreieck
- XOR (Exklusiv-Oder) „entweder oder“, nur einer der Eingänge darf 1 sein, damit es 1 zum Output hat. Abgerundetes Dreieck mit Strich
- NAND (Halbkreis mit Kreis), das NOR (abgerundetes Dreieck mit Kreis) und das XNOR (abgerundetes Dreieck mit Kreis und Strich) negierte Variante, die genau den umgekehrten Output ihrer nicht-negierten Form liefern
Wie rechnet ein Computer 1 +1?
Half-Adder:
zwei Binärzahlen addieren
- liefert zwei Binärzahlen als Ergebnis: sum (Summe, berechnet mit XOR) und carry (Übertrag, berechnet mit AND)
- 2 Eingänge, 2 Ausgänge
Zwei Eingaben A & B, Ausgabe C
AND-Funktion: Nur wenn BEIDE A & B = 1 wird C = 1
XOR-Funktion: Nur wenn A oder B = 1 wird C = 1
0+0 = 00 (0)
0+1 = 01 (1)
1+0 = 01 (1)
1+1 = 10 (2)
Für Addition von Zahlen mit mehr als einem Bit:
Full Adder (Volladdierer):
- 3 einstellige Binärzahlen addieren
- dritter Eingang (carry in) um den Übertrag der vorigen Addition bei Bedarf weiterzugeben
- liefert zwei Outputs: sum und carry out
- Implementierung mit zwei Half Addern und einem OR
- Carry (wie bei schriftlichen addieren)
Flip-Flop
Logikgatter können auch genutzt werden um Daten zu speichern.
> elektronische Schalter in Computer, deren Zustand erst einmal flüchtig
> einzelner Schalter kann nur ein Signal weitergeben bzw. verändern, aber keinen Zustand und damit keine Daten speichern
Lösung:
RS Flip-Flop-Schaltung (Reset/Set):
- ändern Ausgangszustand nur wenn eine bestimmte Eingangssignalkombination auftritt
- zwei Eingangssignale S (set) und R (reset)
- zwei NAND-Gatter
- zwei Ausgangssignal Q und seine Negierung Q/
Setzt man das Eingangssignal S (set) auf 1 (die hier verwendete Negierung ist also 0) wird der Zustand Q gleich 1 gespeichert. Dieser Zustand bleibt so lange bestehen, bis S auf 0 und R (reset) auf 1 gesetzt wird, was zur Folge hat, dass Q auf 0 zurückgesetzt wird. Wenn beide Eingangssignale gleich 0 sind, bleibt der vorige Zustand von Q bestehen. Das Setzen beider Eingangssignale auf 1 führt zu einem Widerspruch, da sowohl Q als auch auf 1 gesetzt werden.
Von-Neumann-Archtiktur Komponenten (5) und ihre Aufgabe
- Rechenwerk
(ALU – Arithmetic Logic Unit) führt die eigentlichen Rechenoperationen des Computers durch - Steuerwerk
(Control Unit) kontrolliert die restlichen Komponenten des Computers und steuert damit die Abarbeitung von Befehlen
Beide zusammen CPU - Bus-System
stellt die Kommunikation aller anderen Bestandteile sicher, indem es relevante Daten überträgt - Speicherwerk
(Memory), indem sowohl Daten als auch Befehle gespeichert sind, Arbeitsspeicher (RAM) - Ein- und Ausgabewerk
klassische Festplatte dient zur Ein- und Ausgabe von Daten, beispielsweise die Eingabe mit einer Tastatur, einer Maus oder einem Mikrofon oder die Ausgabdhce über einen Bildschirm, einen Lautsprecher oder zu einem Speichermedium
Befehle im Von-Neumann-Zyklus die abgearbeitet werden:
FETCH: der nächste auszuführende Befehl wird aus dem Speicher (RAM) gelesen und in das Befehlsregister geladen
DECODE: das Steuerwerk übersetzt den Befehl in Rechenanweisungen für das Rechenwerk
FETCH OPERANDS: aus dem Speicher werden nötige Operanden für die Ausführung des Befehls geladen (z. B. werden für die Berechnung einer Summe zwei Summanden benötigt)
EXECUTE: der Befehl wird ausgeführt (z. B. klassische Rechenoperationen wie die Addition oder logische Vergleiche wie <, > oder =)
WRITE BACK: das Ergebnis des Befehls wird in den Speicher (RAM) zurückgeschrieben
