Grundlagen der Rechnerarchitektur at Bergische Universität Wuppertal

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Was ist die Von-Neumann-Architektur?

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Was ist ein linearer Speicher?

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Was sind zusätzliche Primitiva?


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Wie kann man dem von Neumann Flaschenhals entgegenwirken?

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Was versteht man unter Wait States?

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Worin unterscheidet sich die Harvard Architektur von der klassischen von Neumann Architektur?

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Was sind Vor- und Nachteile der Harvard Architektur?

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In welcher Weise werden Harvard und Princeton Architekturen in modernen Rechnerarchitekturen mit mehrstufigen Caches realisiert?

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Nennen Sie die wichtigsten Aufgaben/Bestandteile eines Betriebssystems und erläutern Sie deren Funktion.

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Was unterscheidet Prozesse und Fäden/Threads?

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Warum ist bei Multitasking-Multiuser-Systemen die Nutzung virtueller Adressen unbedingt erforderlich?

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Welche Probleme entstehen bei der Nutzung identischer Speicherbereiche insbesondere in Bezug auf Systemsicherheit und Datenschutz? Nennen Sie für beide Aspekte Szenarien, die Ihnen besonders problematisch erscheinen.

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Grundlagen der Rechnerarchitektur

Was ist die Von-Neumann-Architektur?

Referenzmodell für Computer, wonach ein gemeinsamer Speicher sowohl Computerprogrammbefehle als auch Daten hält.

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Was ist ein linearer Speicher?

Speicher ist in gleichgroße Blöcke und Zellen
unterteilt und fortlaufend durchnummeriert (insb. Wichtig für
Adressierung und Programmausführung)

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Was sind zusätzliche Primitiva?


– Arithmetische (+, -, …)
– Logische (AND, OR, …)
– Datentransferbefehle

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Wie kann man dem von Neumann Flaschenhals entgegenwirken?

1. Längere Befehle mit mehr als einem Takt Ausführungszeit (--> CISC)


2. Schneller Zwischenspeicher, der mit dem Takt der CPU lesen/schreiben kann

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Was versteht man unter Wait States?

Wartezyklus, angegeben in Taktzyklen, der
eingelegt werden muss, damit der langsamere Speicher die
angefragten Daten am Ausgang anliegen hat.

Der Begriff taucht immer dann auf, wenn eine schnellere
Komponente auf eine langsamere zugreifen (warten) muss

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Worin unterscheidet sich die Harvard Architektur von der klassischen von Neumann Architektur?

Aufteilung von Befehls und Datenspeicher, auf die über getrennte Wege zugegriffen wird.

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Was sind Vor- und Nachteile der Harvard Architektur?

Vorteile:

+ Gleichzeitiges laden/schreiben von Daten und Befehlen
+ 
Effiziente Parallelisierung und Pipelining


Nachteile:

- Keine effiziente Speichernutzung
Aufwendiger zu implementieren

Grundlagen der Rechnerarchitektur

In welcher Weise werden Harvard und Princeton Architekturen in modernen Rechnerarchitekturen mit mehrstufigen Caches realisiert?

Harvard:
→ Getrennter L1-Cache
→ gemeinsames Laden von Daten und Instruktionen


Princeton (von Neumann):
→ Gemeinsame L2-, L3-Caches
→  Gemeinsamer Speicher

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Nennen Sie die wichtigsten Aufgaben/Bestandteile eines Betriebssystems und erläutern Sie deren Funktion.

Hauptkomponente Kernel:
- Kontrolle aller Bestandteile (Hard- / Software)
- Speicher
- Prozesse/Threads
- I/O
- externe Hardwarekomponenten


Hardwareabstraktion: 

Bereitstellung einer einheitlichen Schnittstelle (API), über die auf Hardwarekomponente zugegriffen werden kann


Speicherverwaltung: 

Kernel verwaltet neben dem physischen, auch den virtuellen Speicher Reservierung und Freigabe von Speicher


● Zugriffskontrolle


● (Präemptives) Multitasking


● Prozesse und Threads


Grundlagen der Rechnerarchitektur

Was unterscheidet Prozesse und Fäden/Threads?

● Threads sind unabhängige Befehlsfolgen innerhalb eines Prozesses, Threads sind in einem Prozess gefangen oder verkapselt


● Prozess besteht mindestens aus einem Thread


● Kernel verwaltet die Prozesse und weist ihnen ihre Ressourcen zu
Prozesse sind unabhängig voneinander


Threads sind Prozessen zugeordnet und teilen sich die Ressourcen
● Kernel kontrolliert, wann und wie auf etwas zugegriffen wird

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Warum ist bei Multitasking-Multiuser-Systemen die Nutzung virtueller Adressen unbedingt erforderlich?

Häufige Umschaltung zwischen verschiedenen Prozessen
→ Jeder Prozess bekommen eigenen Speicher zugeordnet, der
gegen den Zugriff anderer geschützt ist.

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Welche Probleme entstehen bei der Nutzung identischer Speicherbereiche insbesondere in Bezug auf Systemsicherheit und Datenschutz? Nennen Sie für beide Aspekte Szenarien, die Ihnen besonders problematisch erscheinen.

Probleme:


- Systemsicherheit: Ohne abgeschotteten Speicher, können
Prozesse sich gegenseitig modifizieren und zum Absturz bringen. (Programm/Befehl überschreiben)


- Datenschutz: Bei Multiuser-Systemen können Prozesse außerdem Personenbezogene (vertrauliche) Daten enthalten, die dann unerwünscht gelesen oder überschrieben werden können. (z.B. Kennwörter)

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