IT at Hochschule Esslingen

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Definiere PC, Notebook und Workstations, Betriebssystem, virtuelle Maschine

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Server

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Datenübertragung zwischen Server und Client

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Mainframes

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Alternative Mainframe

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Embedded Systemes

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Supercomputer

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Abbildung der Programmelemente in der Computer-Architektur:

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Definiere 

• Steuerwerk

• Rechenwerk

- Speicher (Memory)

- Ein-Ausgabe-Einheit

• Multi Core CPU


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Prozessor

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Multi-Core-Prozessoren

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IT

Definiere PC, Notebook und Workstations, Betriebssystem, virtuelle Maschine

- PC = personal computer, individuell für den Benutzer vorgesehener Rechner für die alltäglich
anfallenden Aufgaben

- Notebook = oder tastaturlose Tablets sind mobile Varianten

- Workstations = Leistungsfähige PCs

- Betriebssystem = (Windows, Mac OS, Linux) verwaltet die vorhandenen
Hardware-Komponenten und stellt die Brücke zwischen Hardware und Benutzeroberfläche dar

- virtuelle Maschine (Guest) = um unterschiedliche Betriebssysteme auf demselben Rechner gleichzeitig auszuführen, kann man auf einer ausreichend leistungsfähigen Hardware (Host) mehrere Betriebssysteme jeweils in einer eigenen virtuellen Maschine (Guest), laufen lassen, z.B. VmWare bzw.
VirtualPC. --> Wie bei einem physikalischen Rechner lässt sich die virtuelle Maschine booten und
herunterfahren sowie Anwendungen installieren.

- Ein heute durchschnittlicher PC hat eine mit ca. 3-4 GHz getaktete 64Bit-CPU, 8-16 GB Arbeitsspeicher, 2 TB Festplatte und kostet inkl. Tastatur, Maus und Flachbildschirm deutlich
unter 1000 Euro.

IT

Server

= stellt Daten für mehrere Benutzer zur Verfügung z.B. Fileserver oder Da-
tenbankserver (Datenaustausch), Webserver (Bereitstellung Internetseiten), Mailserver
(Postfächerverwaltung)
• Prinzipiell ist es möglich z.B. einen PC als Fileserver einzusetzen. Dadurch ist der Übergang zwischen Server und PC fließend.
• Oft wird Server-Hardware in Racks (Serverschränke) verbaut. Aufgrund der beträchtlichen Wärmeentwicklung müssen die Server gekühlt werden und stehen oft in separaten klimatisierten Serverräumen.

IT

Clients

= Rechner oder Anwendungen, die die von einem Server bereitgestellten Daten nutzen

• Fat Client: ist ein vollwertiger PC, der die vom Server abgerufenen Daten selbst verar-
beitet. Die Anwendung ist auf ihm installiert.
• Thin Client: dient nur zur Anzeige der Verarbeitungsergebnisse. Verarbeitung und
Speicherung finden auf dem Server statt.

IT

Datenübertragung zwischen Server und Client

erfolgt über ein Rechnernetz, z.B. ein
Local Area Network LAN (Ethernet, WIFI/WLAN) oder ein Wide Area Network WAN
(„Internet“, DSL, UMTS/LTE) nach festen Regeln (Protokolle TCP/IP, HTTP)

IT

Mainframes

bestehend aus einem Zentralrechner mit vielen Terminals haben bis in die
1980er Jahre die Datenverarbeitung bestimmt.
• Bis heute findet man Mainframes noch in Banken und Versicherungen oder als Abrech-
nungssystem bei der Telekom. Führende Hersteller sind IBM, Hitachi und Fujitsu. Der Preis
liegt typischerweise bei mehreren Millionen Euro.
• Mainframes haben Vorteile bei der Wartung, der Datensicherheit und der Verarbeitung
großer Datenmengen.
• Es können mehrere Betriebssysteme gleichzeitig betrieben werden und dem Benutzer als
eigene virtuelle Rechner vorgegaukelt werden.

IT

Alternative Mainframe

große Gruppen von Workstations werden als

Rechnercluster eingesetzt, die über
schnelle Netzwerke miteinander verbunden werden.
• Wenn das Rechnercluster nicht am Standort des Nutzers steht, sondern über das Internet
von einem Fremdanbieter, z.B. Amazon Web Service, Microsoft Azure, betrieben wird, der
Rechen- und Speicherkapazität als Dienstleistung verkauft, spricht man von einer Cloud.
• Für den Benutzer wirken Cluster und Cloud im Idealfall wie ein einziger großer Rechner.

IT

Embedded Systemes

= (eingebettete Systeme) sind speziell an ein Einsatzgebiet angepasst Rechnersysteme, z.B. Steuerung von Fahrzeugen, Waschmaschinen, Fertigungsmaschinen
aber auch SetTop-Boxen usw.
• Randbedingungen: Geringer Ressourcenverbrauch, d.h. minimale Kosten, min. Platz-, Energie- und Speicherverbrauch, oft ohne Festplatte, Tastatur und Display.
• Wesentlich höhere Zuverlässigkeits- und Zeitanforderungen als bei normaler Computersoftware.
• Die Software wird Firmware genannt (ROM, Flash-Speicher).
• Man verwendet spezielle Real-Time-Betriebssysteme (AUTOSAR/OSEK OS, Embedded Linux, Windows Embedded, etc.)
• Programmiert wird in C oder C++, selten Java. Bei zeitkritischen Funktionen Assembler,
z. T. mit dem Einsatz von Cross-Compilern
• Softwaretests finden entweder nicht auf der Zielhardware (Model in the Loop (MIL) / Software in the Loop (SIL)) oder auf der Zielhardware in Verbindung mit simulierten
Peripheriekomponenten wie Sensoren/Aktoren statt (Hardware in the Loop (HIL)).
• Entwicklung der Software häufig modellbasiert.

IT

Supercomputer

= Rechner mit extrem hohen Rechenleistungen. Sie werden z.B.
für FEM (Finite Elemente Methode)-Simulationen wie die Windkanalsimulation im Automobilbereich oder die Wettervorhersage eingesetzt.
• Die hohe Rechenleistung erreicht man durch die Verwendung vieler tausender Prozessoren und einem Terabyte großen Arbeitsspeicher.
• Die benötigte elektrische Leistung reicht bis in den Megawatt-Bereich.
• Aktuell wird an einem Rechner im Bereich von Exa-Flop (1 000 000 000 000 000 000 Fleißkomma-Operationen pro Sekunde) gebaut.
• Aktuell wird an Supercomputern im Bereich von Exa-Flop (1018 Fließkomma- Operationen
pro Sekunde) gebaut. Zum Vergleich: Aktuelle PCs haben unter 100 Giga-Flops (10hoch11)

IT

Abbildung der Programmelemente in der Computer-Architektur:

• Compiler übersetzt Programm in binär codierte Maschinenbefehle (Code) und reserviert Platz für Daten
• Code und Daten werden im Speicher (Memory) abgelegt
• Steuerwerk der CPU (Central Processing Unit) holt die Befehle und die Daten aus dem Speicher und führt die Operationen im Rechenwerk aus
• Über Ein- und Ausgaben kommuniziert der Computer mit dem Benutzer

IT

Definiere 

• Steuerwerk

• Rechenwerk

- Speicher (Memory)

- Ein-Ausgabe-Einheit

• Multi Core CPU


• Steuerwerk= (Instruction Unit): Holt Programmbefehle aus dem Speicher, dekodiert sie und erzeugt
die Steuersignale für das Rechenwerk.

• Rechenwerk = (Execution Unit): Führt Operationen mit den Programmdaten aus und gibt dem
Steuerwerk über Statussignale (Flags) Rückmeldungen.

- Speicher = (Memory) Programmbefehle und Programmdaten stehen hier und werden über den Datenbus transportiert. Die Auswahl und Steuerung erfolgt über den Adress- und Kontrollbus(=Bussysteme).

- Ein-Ausgabe-Einheit = Der Datenaustausch mit der Aussenwelt (Benutzer, andere Computer) erfolgt über die Ein-Ausgabe-
Einheit (Input/Output Unit I/O).

• Multi Core CPU= Heute werden oft mehrere Prozessoren (Central Processing Unit CPU) und weitere
Komponenten auf einem Mikroprozessor-Chip integriert.

IT

Prozessor

= besteht primär aus dem Steuer- und dem Rechenwerk.
• Es gibt jedoch auch Prozessoren die kein Steuer- und Rechenwerk besitzen - die sogenannten
Koprozessoren. Dies sind z.B:
– Gleitkommaeinheit
– Grafikprozessoren (GPU)
– Soundprozessoren.

Um Verwechslungen zu vermeiden werden „normale“ Prozessoren mit Steuer- und Rechen-
werk als CPU (englisch central processing unit oder Hauptprozessor) bezeichnet.

IT

Multi-Core-Prozessoren

Moderne Rechner haben meist Multi-Core-Prozessoren. Diese bestehen aus mehreren voneinander unabhängigen CPU, mit weiteren Komponenten wie Cache und Memory Management Unit (MMU). Diese Einheiten werden als Prozessorkern (engl. „core“)
bezeichnet. D.h. die Bezeichnung „CPU“ ist ein Synonym zu „Core“.
• Gebräuchliche Multi-Core-Prozessoren sind: Dual-Core-, Triple-Core-, Quad-Core-, Hexa-Core- (Sechskern-) und Octa-Core- Pro-
zessor (Achtkern-Prozessor).
• Bei diesen Multi-Core-Prozessoren teilen sich manchmal mehrere Koprozessoren (z. B. Gleitkomma-Recheneinheit,Vektoreinheit) ein Steuerwerk oder mehrere Steuerwerke teilen sich einen Koprozessor. Hierdurch verschwimmt zunehmend die klassische Einteilung,
dass ein Steuerwerk und eine ALU als eine CPU, Kern bzw. Prozessor bezeichnet wird.

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