WEBVTT 00:00.000 --> 00:04.800 Guten Morgen, ich begrüße Sie zur Fortsetzung der Vorlesung Grundlagen 00:04.800 --> 00:05.780 der Informatik II. 00:06.320 --> 00:10.380 Ich glaube, es muss ein bisschen lauter, dann ist es, glaube ich, 00:10.400 --> 00:11.100 gleich gut. 00:14.980 --> 00:18.980 Letztes Mal haben wir uns beschäftigt mit Codierung und 00:18.980 --> 00:19.960 Zahlendarstellungen. 00:20.560 --> 00:25.160 Leider war letztes Mal bei mir ein Fehler unterlaufen bei der 00:25.160 --> 00:30.300 Einstellung des Aufnahmewerkzeuges und da hatte ich vergessen, dass 00:30.300 --> 00:35.680 die Default-Einstellung immer ein Format ist, das die 00:35.680 --> 00:38.840 Aufzeichnungssoftware selber anschließend nicht lesen kann. 00:39.380 --> 00:43.640 Deswegen musste dann aus früheren Vorlesungen ein Zusammenschnitt 00:43.640 --> 00:46.220 erstellt werden, der genau das abdeckt, was ich letztes Mal erzählt 00:46.220 --> 00:46.600 habe. 00:47.820 --> 00:50.980 Aber ich denke, das haben meine Mitarbeiter hingekriegt oder kriegen 00:50.980 --> 00:51.440 es noch hin. 00:52.040 --> 00:53.300 Heute ist alles in Ordnung. 00:53.440 --> 00:56.760 Ich habe einen neuen Rechner, auch eine neue Aufzeichnungssoftware, 00:56.760 --> 00:59.360 eine neue Version, bei der das anscheinend besser funktioniert. 01:00.500 --> 01:02.260 Und was haben wir letztes Mal gemacht? 01:03.140 --> 01:05.640 Wir haben uns beschäftigt mit Codierung und Zahlendarstellung. 01:05.740 --> 01:08.620 Ich hoffe, dass Sie sich alle angemeldet haben für die Bonusklausur. 01:09.160 --> 01:10.920 Da werde ich auch am Mittwoch noch einmal darauf hinweisen. 01:11.620 --> 01:15.020 Die Anmeldefrist ist der 8.1., das wissen Sie. 01:15.400 --> 01:19.000 Ich schreibe das einfach noch einmal kurz hier rauf. 01:23.220 --> 01:40.820 Einfügen, Textfeld, also Anmeldung, Bonusklausur bis 8.1.2017. 01:43.360 --> 01:45.220 So, das können wir noch ein bisschen größer machen. 01:52.760 --> 01:54.660 Dann sehen Sie das hoffentlich wirklich. 01:55.800 --> 01:59.040 Also, bitte denken Sie daran, dass Sie sich anmelden. 01:59.280 --> 02:01.700 So, letztes Mal haben wir uns noch einmal mit Codierung und 02:01.700 --> 02:02.800 Zahlendarstellung beschäftigt. 02:02.940 --> 02:03.760 Da steht es auch noch einmal. 02:03.880 --> 02:06.200 Sehen Sie, auf der Folie steht sogar alles noch einmal. 02:08.420 --> 02:11.000 Das waren einige Themen, die wir hier besprochen haben. 02:11.000 --> 02:12.760 Wir sind das ja ganz durchgekommen. 02:13.160 --> 02:17.200 Wir hatten ja, nachdem wir uns mit Codes, Codierungen, Klassen von 02:17.200 --> 02:20.520 Codierungen beschäftigt hatten, hatten wir gesehen, Fano-Bedingungen 02:20.520 --> 02:23.260 sind wichtig für die eindeutige Dekodierbarkeit. 02:23.380 --> 02:26.300 Wir hatten Fehlerkennung und Korrektur angeschaut, hatte ich Ihnen 02:26.300 --> 02:26.980 vorgestellt. 02:27.100 --> 02:30.860 Wir hatten dann angeschaut einen redundanzfreien Code. 02:31.000 --> 02:34.540 Nämlich, wir hatten überlegt, wie man redundanzfrei codieren kann, 02:34.660 --> 02:38.740 wenn man etwas weiß über die Häufigkeiten des Vorkommens von Zeichen. 02:38.740 --> 02:42.900 Das Maß für die Redundanz hatten wir die Codelänge genommen. 02:44.120 --> 02:45.760 Ich hatte dann Beispiele genannt. 02:46.500 --> 02:48.960 Beispiel für deutsche und englische Sprache. 02:49.160 --> 02:52.460 Oder man nimmt einfach einen Text und hat irgendeine 02:52.460 --> 02:56.500 Wahrscheinlichkeitsverteilung und kommt dann eben zu einer Verteilung 02:56.500 --> 02:57.740 der Zeichen. 02:58.340 --> 03:01.860 In diesem Fall hier die zehn Ziffern mit gewissen 03:01.860 --> 03:02.680 Wahrscheinlichkeiten. 03:02.820 --> 03:06.060 Und dann kommen wir zu einer Codierung dieser zehn Ziffern 03:06.060 --> 03:07.400 entsprechend den Häufigkeiten. 03:07.400 --> 03:14.900 Und hier sind dann halt einige Ziffern in diesem Beispiel mit zwei 03:14.900 --> 03:15.800 Bits codiert. 03:16.020 --> 03:19.300 Andere mit fünf Bits, wie die neun zum Beispiel. 03:19.920 --> 03:22.860 Abhängig halt von der Häufigkeitsverteilung, die da angenommen wurde. 03:23.360 --> 03:26.460 Und dann hatten wir uns mit Zeichen und Ziffern beschäftigt. 03:26.520 --> 03:29.680 Wir hatten den ASCII-Code angeschaut, den EPSILIC-Code. 03:30.260 --> 03:35.620 Unicode hatten Zifferndarstellung betrachtet und kamen dann zur 03:35.620 --> 03:36.600 Zahlendarstellung. 03:36.600 --> 03:41.960 Da gab es natürlich die Frage, inwieweit die Operationen auf der 03:41.960 --> 03:47.440 Darstellung genau dementsprechend, was wir außerhalb des Rechners 03:47.440 --> 03:47.740 machen. 03:48.440 --> 03:51.340 Und das ist halt ein ganz wichtiger Punkt, auf den wir auch noch dann 03:51.340 --> 03:52.340 wieder zurückgekommen sind. 03:52.680 --> 03:54.680 Natürlich, Zahlen waren nicht das große Problem. 03:54.840 --> 03:57.300 Ganze Zahlen, muss man sehen, wie man die negativen darstellt. 03:57.840 --> 03:59.220 Mit drei verschiedenen Möglichkeiten. 03:59.220 --> 04:02.340 Ich hatte Ihnen die Zwei-Komplement-Darstellung dann vorgestellt. 04:02.780 --> 04:06.100 Mit den ganzen Eigenschaften, also Komplement zu 2 hoch N. 04:06.600 --> 04:10.640 Dann hatten wir gesehen, nachdem wir hier die Arithmetik durchgegangen 04:10.640 --> 04:15.640 sind, die Eins-Komplement-Darstellung, wo man auf 2 hoch N minus 1 das 04:15.640 --> 04:16.620 Komplement bildet. 04:17.000 --> 04:19.240 Mit leicht anderen Eigenschaften. 04:19.320 --> 04:22.600 Also hier Komplementbildung nur durch Kippen der Bits, ohne dass man 04:22.600 --> 04:23.540 eine Eins addieren muss. 04:23.980 --> 04:26.160 Wenn wir beim Zwei-Komplement eine Eins addieren mussten. 04:26.160 --> 04:30.620 Dafür dann bei der Addition, das kam dann hier nach. 04:30.740 --> 04:37.340 Bei der Addition ist es so, dass wir hier eben den Überlauf addieren 04:37.340 --> 04:37.780 müssen. 04:39.600 --> 04:43.100 Und dadurch, wenn der Überlauf 1 ist, halt noch eine Eins addieren. 04:44.120 --> 04:46.940 Wenn der Überlauf 0 ist, ist es halt ein 0, das ist dann kein Problem. 04:47.840 --> 04:52.660 Also Addition bei der Eins-Komplement-Darstellung mit dem Überlauf, 04:52.800 --> 04:53.420 der addiert wird. 04:53.420 --> 04:57.900 Während beim Zwei-Komplement wurde der Überlauf einfach ignoriert. 04:58.760 --> 05:00.840 Und dann kamen wir zu den reellen Zahlen. 05:00.960 --> 05:03.680 Ich habe Ihnen dargestellt zunächst mal die normierten 05:03.680 --> 05:04.680 Gleitpunktzahlen. 05:04.740 --> 05:07.880 Wir haben dann die Arithmetik betrachtet und gesehen, dass die 05:07.880 --> 05:13.120 Addition von Gleitpunktzahlen eine etwas aufwendigere Operation ist, 05:13.160 --> 05:16.360 weil wir erst die Exponenten vergleichen müssen, dann angleichen, 05:16.840 --> 05:21.020 Mantissen entsprechend addieren und dann noch normieren müssen, wenn 05:21.020 --> 05:25.640 die Summe der Mantissen aus dem normierten Bereich herausfällt. 05:26.620 --> 05:31.280 Und das ist so zunächst mal bei den allgemein normierten 05:31.280 --> 05:32.800 Gleitpunktzahlen alles kein Problem. 05:33.340 --> 05:36.800 Wird aber ein Problem, wenn wir uns mit einer endlich langen 05:36.800 --> 05:38.740 Darstellung der Zahlen beschäftigen müssen. 05:39.460 --> 05:43.840 Wir hatten dann die Dualdarstellung betrachtet, also mit N Bits eine 05:43.840 --> 05:49.600 normierte Gleitpunktzahl darzustellen und hatten dann Beispiele 05:49.600 --> 05:55.120 gesehen, bei denen wir 8 Bits haben zur Verfügung, von denen 4 Bits 05:55.120 --> 06:01.240 für die Mantisse sind, 3 Bits für die Charakteristik und 1 Bit fürs 06:01.240 --> 06:01.820 Vorzeichen. 06:01.920 --> 06:07.620 Charakteristik war ja der verschobene Exponent, sodass der kleinste 06:07.620 --> 06:13.380 Exponent gerade auf die Null abgebildet wird und entsprechend alles 06:13.380 --> 06:20.580 verschoben ist, um eben diesen Betrag halbe Zahlenumfang des 06:20.580 --> 06:21.320 Exponenten. 06:21.600 --> 06:25.000 Das war ein Beispiel, hatten wir uns angeschaut und dann kam die 06:25.000 --> 06:29.060 Gleitpunktdarstellung nach dem Standard mit der einfachen doppelten, 06:29.180 --> 06:32.740 vierfachen Genauigkeit und dann noch die denormalisierten Zahlen, 06:32.740 --> 06:37.540 Darstellung der Null, Darstellung unendlich, Not a Number und Angaben 06:37.540 --> 06:42.200 zu den jeweiligen Umfängen der Zahlen, wobei es eben klar ist, dass 06:42.200 --> 06:49.660 mit einer Steigerung mit größeren Exponenten dann natürlich auch immer 06:49.660 --> 06:56.280 größere Abstände zwischen den darstellbaren Zahlen auftauchen, sodass 06:56.280 --> 06:59.060 wir also immer größere Fehler bekommen in der Zahlendarstellung. 06:59.060 --> 07:05.640 Wir hatten dann gesehen, dass wir bei der Arithmetik aufpassen müssen, 07:06.100 --> 07:11.160 insbesondere gilt eben bei Gleitpunktzahlen nicht mehr die 07:11.160 --> 07:16.280 Assoziativität der Addition, eine ganz wichtige Eigenschaft. 07:16.440 --> 07:20.480 Es kommt hier auf die Reihenfolge der Operationen an und das müssen 07:20.480 --> 07:24.460 Sie sich als ein ganz wichtiges Erkenntnis merken, das müssen Sie 07:24.460 --> 07:27.840 mitnehmen aus dieser Vorlesung, das Rechnen mit Gleitpunktzahlen ist 07:27.840 --> 07:32.100 ein Rechnen mit ungenauen dargestellten Zahlen und das heißt, jedes 07:32.100 --> 07:36.440 Ergebnis aus einer Rechnung, in der Gleitpunktzahlen auftauchen, ist 07:36.440 --> 07:37.860 ein ungenaues Ergebnis. 07:38.660 --> 07:43.920 Es sei denn, Sie rechnen mit Intervallarithmetik, dann können Sie 07:43.920 --> 07:48.020 genaue Aussagen machen zur Ungenauigkeit, aber Sie haben immer 07:48.020 --> 07:52.480 ungenaue Ergebnisse, Sie haben niemals genaue Ergebnisse, wenn Sie mit 07:52.480 --> 07:53.820 Gleitpunktzahlen rechnen. 07:54.140 --> 07:57.460 Und wenn Sie nicht aufpassen, können die Abweichungen vom richtigen 07:57.460 --> 08:01.420 Ergebnis gravierend sein, wie man das eben bei diesem Beispiel gesehen 08:01.420 --> 08:01.660 hat. 08:01.660 --> 08:07.920 Je nachdem, ob Sie eben hier die ersten beiden Summanden erst addieren 08:07.920 --> 08:13.780 oder erst den zweiten und dritten, bekommen Sie einmal den Wert 0 und 08:13.780 --> 08:19.560 das andere Mal den richtigen Wert 10 hoch 14 und das ist sicherlich 08:19.560 --> 08:20.560 ein großer Unterschied. 08:21.620 --> 08:25.960 Das handelt sich hier nicht um kleine Fehler, irgendwie ein paar 08:25.960 --> 08:29.800 Stellen hinter dem Komma, natürlich sind das immer ein paar Stellen 08:29.800 --> 08:32.800 hinter dem Komma, aber da wir große Exponenten haben können, können 08:32.800 --> 08:34.500 die Fehler auch sehr groß sein. 08:35.260 --> 08:37.860 Und wenn es also um statistische Berechnungen geht, um 08:37.860 --> 08:41.740 ingenieurwissenschaftliche Berechnungen, bei denen man irgendwelche 08:41.740 --> 08:45.580 genauen Ergebnisse haben muss bezüglich der Dimensionierung von 08:45.580 --> 08:50.720 irgendwelchen Bauteilen, dann muss man genau wissen, wie ist der 08:50.720 --> 08:52.040 Fehler bei diesen Berechnungen. 08:52.040 --> 08:55.540 Das ist wirklich eine wichtige Erkenntnis, die Sie hier gewinnen 08:55.540 --> 08:59.740 sollen und mitnehmen sollen, dass man bei Gleitpunktzahlen aufpassen 08:59.740 --> 09:00.020 muss. 09:00.440 --> 09:03.420 Dann kam noch, gut das war nochmal die Sonderrolle der 0, auch das 09:03.420 --> 09:06.820 wichtig, dass man eben wegen dieser Ungenauigkeit niemals auf 09:06.820 --> 09:10.020 Gleichheit testen kann bei reellen Zahlen oder niemals testen sollte. 09:10.060 --> 09:12.980 Man kann natürlich testen, kriegt aber nicht das gewünschte Ergebnis, 09:13.600 --> 09:20.040 sondern man sollte immer auf möglichst kleine Abweichung von 0 testen. 09:20.040 --> 09:24.620 Das heißt, man nimmt die Differenz von zwei Zahlen und testet, wie nah 09:24.620 --> 09:29.060 die an 0 ist und kann darüber dann eine Abschätzung machen, wie genau 09:29.060 --> 09:31.540 man denn nun eigentlich die beiden angeglichen hat. 09:32.220 --> 09:35.460 Also da geht man einfach unter den darstellbaren Fehler und hat dann 09:35.460 --> 09:36.680 das, was man wollt. 09:38.400 --> 09:42.680 Dann kam dieser kurze Hinweis auf die Kodierung zur Geheimhaltung, wo 09:42.680 --> 09:46.980 ich eben wie gesagt die nicht im Einzelnen Ihnen vorstelle, sondern 09:46.980 --> 09:50.940 hier nur Folien beigefügt habe, die Sie sich durchschauen können. 09:51.280 --> 09:55.320 Wenn Sie dazu genauere Informationen haben wollen, müssen Sie in 09:55.320 --> 10:01.840 andere Vorlesungen gehen, zum Beispiel in die Vorlesung Algorithms for 10:01.840 --> 10:05.860 Internet Applications, die ja in diesem Semester auch läuft, 10:06.100 --> 10:08.180 allerdings in der Zukunft nicht mehr. 10:08.840 --> 10:12.780 Also insofern müssen Sie sich dann andere Vorlesungen suchen, in denen 10:12.780 --> 10:14.940 das dann präsentiert wird. 10:14.940 --> 10:22.940 Nicht mehr deswegen, weil bei mir das Ende meiner aktiven Dienstzeit 10:22.940 --> 10:26.420 nähert und ich deswegen im nächsten Wintersemester keine Vorlesung 10:26.420 --> 10:26.920 mehr halte. 10:28.060 --> 10:36.260 Also, damit waren wir durch Kapitel 7 durch und kommen dann... 10:36.940 --> 10:38.720 Oh, das brauche ich nicht zu speichern. 10:38.720 --> 10:43.300 Okay, kommen wir damit zu dem nächsten Kapitel, Rechner, Architektur 10:43.300 --> 10:43.940 und Organisation. 10:45.280 --> 10:51.020 Und da wollen wir anfangen mit der ersten Folie, also Rechner, 10:51.120 --> 10:51.980 Architektur und Organisation. 10:52.780 --> 10:58.800 Wir haben uns jetzt beschäftigt, also in diesem Teil, mit 10:58.800 --> 11:00.780 Schaltnetzen, Schaltwerken. 11:00.900 --> 11:04.220 Wir wissen, wie wir Hardware erzeugen können, wie wir das entwerfen 11:04.220 --> 11:04.560 können. 11:04.560 --> 11:08.400 Wir wissen, wie wir Informationen darstellen können, wir wissen, wie 11:08.400 --> 11:10.740 wir Rechnerarithmetik machen können. 11:11.400 --> 11:14.640 Und jetzt kommen wir zur Architektur, wie wir eigentlich einen solchen 11:14.640 --> 11:15.600 Rechner aufbauen. 11:16.060 --> 11:20.020 Und es ist so, dass wir heute immer noch eine Architektur verwenden, 11:20.260 --> 11:27.080 im Prinzip, die Mitte des vorigen Jahrhunderts entwickelt wurde, von 11:27.080 --> 11:31.180 Burks, Goldstein und von Neumann, veröffentlicht 1946. 11:31.800 --> 11:35.580 Das ist das Prinzip eines Universalrechners. 11:35.740 --> 11:43.040 Es gab davor schon den ersten programmgesteuerten Rechner von Konrad 11:43.040 --> 11:43.360 Zuse. 11:44.180 --> 11:50.280 Und der hat nur eine Sache anders gehabt, der hatte getrennte Speicher 11:50.280 --> 11:51.640 für Programm und Daten. 11:52.280 --> 11:54.980 Das ist bei diesem von Neumann-Konzept nicht der Fall. 11:54.980 --> 11:58.980 Das ist die klassische Architektur für Rechenanlagen. 11:59.920 --> 12:02.060 Und damit müssen wir uns jetzt beschäftigen und sehen, wie die 12:02.060 --> 12:03.980 einzelnen Bestandteile zusammenwirken. 12:04.760 --> 12:05.780 Warum müssen wir das? 12:06.200 --> 12:10.380 Weil ich gerne möchte, dass Sie in der Lage sind zu beurteilen, welche 12:10.380 --> 12:14.080 Eigenschaften eigentlich wichtig sind, wenn Sie sich einen Rechner 12:14.080 --> 12:14.660 aussuchen. 12:15.220 --> 12:19.020 Für Ihren privaten Gebrauch oder für Ihre Firma oder für Beweis, wo 12:19.020 --> 12:20.380 der eingesetzt werden muss. 12:20.380 --> 12:25.100 Dann sollten Sie wissen, welche Parameter eigentlich die 12:25.100 --> 12:28.880 Leistungsfähigkeit eines Rechners beeinflussen. 12:29.380 --> 12:34.120 Zum Beispiel Cache und Prozessortakt und all so verschiedene Dinge, 12:34.200 --> 12:36.480 die werden Sie noch genauer kennenlernen. 12:36.960 --> 12:39.260 Und das sind halt jetzt einige Teile, die wir uns hier anschauen 12:39.260 --> 12:39.500 müssen. 12:39.660 --> 12:41.200 Wir haben eine Reihe Bestandteile. 12:41.280 --> 12:44.920 Wir haben ein Speicher, das Speicherwerk, da sind Programme und Daten 12:44.920 --> 12:45.180 drin. 12:45.180 --> 12:55.160 Wir haben ein Rechenwerk, da muss ich erstmal den Stift einschalten. 13:03.040 --> 13:07.900 Also Rechenwerk, da in der Mitte, da wird gerechnet. 13:07.900 --> 13:13.540 Da sind die Rechner-Arithmetikeinheiten, in der Regel keine Bit 13:13.540 --> 13:16.460 -seriellen Modifiziere, sondern Bit-parallele Modifiziere und 13:16.460 --> 13:17.680 Gleichpunkteinheiten usw. 13:18.700 --> 13:24.220 Dann haben wir das Leitwerk oder auch Steuerwerk, im Englischen häufig 13:24.220 --> 13:28.320 Control Unit genannt und manchmal fälschlicherweise als 13:28.320 --> 13:29.960 Kontrolleinheit bezeichnet. 13:30.480 --> 13:35.580 Aber Control heißt auf Deutsch Steuern oder Leitwerk oder Steuerwerk. 13:35.580 --> 13:40.540 Also da wird bestimmt, wie Programme ausgeführt werden. 13:41.020 --> 13:44.180 Wie wir tatsächlich Operationen durchführen können, auch das müssen 13:44.180 --> 13:48.380 Sie verstehen, damit Sie wissen, was passiert, wenn ein Programm im 13:48.380 --> 13:49.480 Rechner ausgeführt wird. 13:50.500 --> 13:54.180 Und schließlich wollen wir auch Dinge in den Rechner hineingeben 13:54.180 --> 13:57.420 können und etwas ausgeben können aus dem Rechner heraus. 13:57.560 --> 14:00.480 Auch das muss möglich sein, ansonsten wäre das ein schwarzer Kasten, 14:00.600 --> 14:03.960 der einfach irgendwas vor sich hin rechnet, das interessiert uns 14:03.960 --> 14:04.200 nicht. 14:04.200 --> 14:06.220 Wir müssen etwas ein- und ausgeben können. 14:06.900 --> 14:08.380 Das schauen wir uns jetzt genauer an. 14:09.560 --> 14:13.560 Also zunächst mal ist das ein Universalrechner, wie die universelle 14:13.560 --> 14:14.380 Turing -Maschine auch. 14:14.440 --> 14:17.040 Wir können ein Programm eingeben, bei der universellen Turing-Maschine 14:17.040 --> 14:20.400 konnten wir eine Turing-Maschinen-Beschreibung aus Eingabeband 14:20.400 --> 14:20.880 schreiben. 14:21.460 --> 14:26.460 Hier schreiben wir ein Programm in den Speicher und dann haben wir 14:26.460 --> 14:28.820 außerdem noch Programme und Daten im selben Speicher. 14:28.820 --> 14:31.820 Das ist natürlich durchaus etwas, was man sich überlegen muss. 14:32.200 --> 14:33.800 Macht das eigentlich Sinn? 14:34.640 --> 14:38.820 Wenn ich ein Programm im Speicher habe und die Daten auch, dann kann 14:38.820 --> 14:43.760 ich mit dem Programm Befehle ausführen, die in der Lage sind, jede 14:43.760 --> 14:46.580 Speicherzelle zu verändern. 14:47.140 --> 14:49.500 Dann kann ja ein Programm auch sich selbst verändern. 14:50.200 --> 14:51.440 Das sieht gefährlich aus. 14:52.020 --> 14:53.900 Kann es sein, kann aber auch sehr sinnvoll sein. 14:53.900 --> 14:57.080 Dass Sie eben während der Ausführung das Programm praktisch erst 14:57.080 --> 15:00.600 erzeugen und dann dieses erzeugte Programm ausführen. 15:01.460 --> 15:05.000 Solche Dinge sind wichtig, dass man das kann und das geht halt in 15:05.000 --> 15:05.540 diesem Fall. 15:06.180 --> 15:10.060 Sie können also sowohl Programme verändern, als auch Daten verändern. 15:10.220 --> 15:16.260 Wird von einigen Personen oder Akteuren ausgenutzt, um Programme so zu 15:16.260 --> 15:17.520 verändern, wie wir das nicht wollen. 15:17.520 --> 15:23.300 Das sind dann die Viren und ähnliche Angriffe auf unsere Rechner, in 15:23.300 --> 15:27.660 denen Programme verändert werden, um irgendwelche externen Zwecke zu 15:27.660 --> 15:28.260 verfolgen. 15:29.020 --> 15:30.880 Dagegen muss man sich dann entsprechend schützen. 15:31.340 --> 15:34.380 Also wenn wir Programme und Daten in unterschiedlichen Speichern 15:34.380 --> 15:36.740 hätten, wäre das nicht so sehr das Problem. 15:36.880 --> 15:40.540 Da könnten die Programme nicht verändert werden durch irgendein 15:40.540 --> 15:43.720 Programm, das im Rechner ausgeführt wird. 15:44.440 --> 15:46.760 Aber das ist das, was wir uns einkaufen damit. 15:46.760 --> 15:50.240 Okay, wir haben die Speicherzellen, die werden adressiert. 15:50.720 --> 15:55.060 Wir haben also hier einen großen Speicher und da haben wir alle 15:55.060 --> 15:56.220 möglichen Zellen drin. 15:56.760 --> 15:59.760 Und wir können jeweils auf die einzelnen zugreifen. 16:00.720 --> 16:03.080 Da können es sein, dass wir hier irgendwas 4 haben, da unten 17. 16:04.360 --> 16:07.640 Adressen, unterschiedliche Adressen, sodass wir auf die Zellen eines 16:07.640 --> 16:08.840 Speichers zugreifen können. 16:09.120 --> 16:10.640 Natürlich hat er mehr als 17 Zellen. 16:11.460 --> 16:16.740 Aber wichtig ist, dass wir mit Adressen auf Speicherzellen zugreifen 16:16.740 --> 16:17.160 können. 16:17.680 --> 16:19.160 Anders als die Turing-Maschine. 16:19.560 --> 16:24.280 Die Turing-Maschine konnte nur sequenziell durch das Band laufen und 16:24.280 --> 16:25.740 lesen, was auf dem Band steht. 16:26.740 --> 16:31.520 Der von Neumann-Rechner kann auf jede Zelle des Speichers direkt 16:31.520 --> 16:32.220 zugreifen. 16:34.160 --> 16:37.800 Normalerweise sind die aufeinanderfolgenden Befehle in einem Programm 16:37.800 --> 16:41.700 in aufeinanderfolgenden Zellen eines Speichers. 16:42.200 --> 16:46.640 Das heißt, ich brauche die Befehlsadresse, also die Adresse, den 16:46.640 --> 16:51.420 Pointer auf den aktuell auszuführenden Befehl, nur um eins zu erhöhen, 16:51.480 --> 16:52.780 um den nächsten Befehl zu haben. 16:53.400 --> 16:57.160 Es sei denn, ich möchte gerne im Programm hin und her springen. 16:57.260 --> 17:00.480 Es kann ja sein, dass ich von hier wieder da vorne hin zurückspringen 17:00.480 --> 17:00.820 möchte. 17:00.820 --> 17:03.740 Dafür muss ich ein Sprungbefehl haben können. 17:04.240 --> 17:07.360 Und dann brauche ich noch unbedingte Sprungbefehle und bedingte 17:07.360 --> 17:11.060 Sprungbefehle, die nur unter einer gewissen Bedingung einen Sprung 17:11.060 --> 17:11.620 erlauben. 17:12.000 --> 17:16.380 Zum Beispiel, wenn ein gewisser Test den Wert wahr hat, dann gehen wir 17:16.380 --> 17:19.960 hier zu diesem Label, zu der Marke im Programm und können dann 17:19.960 --> 17:21.920 entsprechend dort weitermachen. 17:22.060 --> 17:25.320 Wir brauchen also Sprünge, um im Programm verzweigen zu können an 17:25.320 --> 17:26.220 andere Orte. 17:26.220 --> 17:29.180 Das werden wir alles noch genauer kennenlernen, wenn wir uns mit 17:29.180 --> 17:31.420 Maschinensprachen und December-Sprachen beschäftigen. 17:31.780 --> 17:33.360 Das kommt dann auch noch ein bisschen später. 17:34.740 --> 17:37.880 Programm und Daten sind natürlich im Rechner binär kodiert, wie auch 17:37.880 --> 17:38.260 sonst. 17:38.400 --> 17:40.740 Alles, was wir machen im Rechner, ist binär kodiert. 17:41.240 --> 17:45.000 Das heißt, wenn wir uns ein Programm anschauen, so wie der Rechner es 17:45.000 --> 17:47.440 ausführen muss, ist das eine Folge von Nullen und Einzen. 17:47.960 --> 17:53.620 In der Regel schauen Sie ein Programm an, schön in der problemnahen 17:53.620 --> 17:54.460 Art formuliert. 17:55.200 --> 17:57.720 Das können Sie alles lesen, da brauchen Sie sich mit den Nullen und 17:57.720 --> 17:58.740 Einzen nicht zu beschäftigen. 17:59.300 --> 18:03.840 Aber das, was ausgeführt wird, ist nicht das schöne Java- oder C++ 18:03.840 --> 18:07.480 -Programm, das Sie lesen, sondern das ist ein Maschinenprogramm im 18:07.480 --> 18:07.820 Rechner. 18:07.900 --> 18:11.640 Und Sie hoffen, dass das Maschinenprogramm im Rechner genau dem 18:11.640 --> 18:15.480 entspricht, was Sie in Java oder C++ oder in was weiß was für einer 18:15.480 --> 18:17.080 Sprache programmiert haben. 18:18.020 --> 18:19.740 Das muss halt entsprechend umgesetzt werden. 18:19.880 --> 18:22.720 Und Sie vertrauen darauf, dass diese Umsetzung korrekt ist. 18:23.180 --> 18:25.620 Es ist in der Regel nicht bewiesen, dass es korrekt ist. 18:25.680 --> 18:31.740 Es gibt wenige verifizierte Compiler-Übersetzer, die genau nachweisen, 18:31.860 --> 18:32.680 dass sie richtig sind. 18:33.800 --> 18:38.700 Dieses Prinzip ist heute immer noch gültig, auch wenn die Rechner sich 18:38.700 --> 18:39.880 sehr weiterentwickelt haben. 18:39.880 --> 18:43.300 Im Prinzip tauchen genau diese Einheiten auf. 18:43.400 --> 18:46.200 Die Struktur sieht nicht genau so aus, wie ich das gerade eben gezeigt 18:46.200 --> 18:46.620 habe. 18:47.200 --> 18:48.900 Aber im Prinzip sind das diese Einheiten. 18:49.000 --> 18:51.520 Wir haben einen Arbeitsspeicher, wir haben ein Rechenwerk und eine 18:51.520 --> 18:55.620 Steuereinheit, die beide zusammengefasst werden zur zentralen 18:55.620 --> 18:58.880 Recheneinheit oder Central Processing Unit, CPU. 19:00.020 --> 19:03.460 Der Speicher ist extra von der CPU. 19:04.040 --> 19:07.800 Dann haben wir eine Ein-Ausgabe-Einheit, irgendwas, Keyboard oder 19:07.800 --> 19:08.060 sowas. 19:08.060 --> 19:09.780 Wir haben interne Datenwege. 19:10.440 --> 19:13.400 Das waren gerade eben irgendwelche Verbindungen zwischen diesen 19:13.400 --> 19:14.380 einzelnen Werken. 19:14.920 --> 19:19.280 Das sind in der Regel irgendwelche Busse, Datenwege, die die 19:19.280 --> 19:22.120 Informationen austauschen können zwischen den Funktionseinheiten. 19:22.540 --> 19:25.040 Und hier sehen Sie, das sieht also etwas anders aus. 19:25.120 --> 19:28.720 Da haben Sie einen solchen Bus, Datenbus, Adressbus, Steuerbus oder 19:28.720 --> 19:29.380 Kontrollbus. 19:30.040 --> 19:33.420 Und Sie haben die einzelnen Einheiten, die angesprochen werden können 19:33.420 --> 19:37.630 über Daten, die Sie über den Bus schicken, mit gewissen Adressen 19:37.630 --> 19:38.150 versehen. 19:38.290 --> 19:42.150 Dann werden die entsprechend, wenn das Steuerwerk hier irgendetwas 19:42.150 --> 19:45.430 braucht aus dem Speicher, wird dann etwas hier raufgeschrieben auf den 19:45.430 --> 19:46.090 ganzen Bus. 19:46.570 --> 19:49.250 Der Speicher merkt, dass er angesprochen ist, schickt wieder etwas 19:49.250 --> 19:51.050 zurück und das geht zum Steuerwerk zurück. 19:52.590 --> 19:54.990 Und in der Regel haben wir nicht nur ein Rechen- oder Steuerwerk, 19:55.070 --> 19:55.770 sondern mehrere. 19:56.450 --> 19:59.870 Wenn Sie in Ihre normalen Smartphones schauen, da haben Sie in der 19:59.870 --> 20:01.750 Regel acht Steuerwerke drin mittlerweile. 20:01.750 --> 20:07.630 Also hochparallele Rechner und nicht nur ein einziges Steuerwerk. 20:07.710 --> 20:11.390 Aber im Prinzip ist es immer noch ein von Neumann Rechner. 20:12.290 --> 20:14.570 Und die Kommunikation, wie gesagt, über den zentralen Bus. 20:15.370 --> 20:17.830 Und das ist das, was ich hier angedeutet habe. 20:18.630 --> 20:24.290 Das Funktionsprinzip ist, dass Sie eine Folge von Zustandsänderungen 20:24.290 --> 20:24.530 machen. 20:24.530 --> 20:30.910 Der Zustand eines Rechners ist der Inhalt aller Register, aller 20:30.910 --> 20:32.650 Speicher in diesem Rechner. 20:32.910 --> 20:35.650 Dadurch wird bestimmt, was der Rechner als nächstes tut. 20:36.310 --> 20:37.330 Und damit ist das der Zustand. 20:37.430 --> 20:40.710 Und durch die Ausführung eines Befehls ändert sich der Zustand eines 20:40.710 --> 20:41.170 Rechners. 20:41.870 --> 20:44.930 Das heißt, das ist eine lange Folge von solchen Zustandsänderungen. 20:45.510 --> 20:46.770 Und das werden wir genauer anschauen. 20:47.270 --> 20:49.090 Wir fangen nochmal an mit dem Arbeitsspeicher. 20:49.970 --> 20:53.070 Also hier, das ist das Speicherwerk. 20:54.110 --> 20:57.070 Hier nochmal in der klassischen Architektur des von Neumann Rechners 20:57.070 --> 20:57.650 dargestellt. 20:59.070 --> 21:03.150 Der Hauptspeicher, Primärspeicher oder eben einfach Speicher. 21:03.630 --> 21:11.410 Wir haben viele Speicherelemente, die durchnummeriert sind. 21:12.470 --> 21:14.950 Jedes Speicherelement hat eine Adresse. 21:14.950 --> 21:25.970 0 ist häufig eine Adresse im Rechenwerk, ganz nah beim Steuerwerk, 21:26.630 --> 21:28.670 also direkt im Rechenwerk ein Register. 21:29.350 --> 21:30.930 Auf jeden Fall sind dort Adressen. 21:31.530 --> 21:33.510 Und die Adressen haben ein bestimmtes Format. 21:35.030 --> 21:37.610 Jedes Speicherelement hat ein festes Format. 21:37.710 --> 21:42.130 Die Speicherelemente haben eine feste Anzahl von Bits. 21:43.470 --> 21:49.270 Üblicherweise sind das 8-Bit oder 16-Bit, 32-Bit oder 64-Bit Rechner. 21:49.750 --> 21:54.630 Wobei wenn wir sagen ein 64-Bit Rechner, dann heißt das, die Adressen 21:54.630 --> 21:58.390 sind auch 64-Bit Zahlen. 21:58.530 --> 22:02.630 Und damit haben sie den Umfang der Speicherzellen, die sie adressieren 22:02.630 --> 22:04.310 können, mit einem Wort. 22:05.050 --> 22:09.010 Das heißt ein 64-Bit Rechner hat deutlich mehr adressierbaren Speicher 22:09.010 --> 22:10.870 als ein 32-Bit Rechner. 22:10.870 --> 22:15.810 Weswegen es keinen Sinn macht, zum Beispiel beim 32-Bit Rechner 8 22:15.810 --> 22:17.350 Gigabyte Speicher einzubauen. 22:17.650 --> 22:19.010 Der wird sowieso nicht adressiert. 22:19.430 --> 22:21.310 Der kann nur 4 Gigabyte adressieren. 22:22.270 --> 22:24.930 Und insofern, solche Dinge muss man einfach wissen. 22:25.750 --> 22:31.770 Also, Byte, 8-Bit, Wort, in der Regel 32-Bit. 22:32.570 --> 22:37.830 Also ist ein Synonym für Speicherelement. 22:38.810 --> 22:42.150 Und sie haben halt 2, 4 oder 8 aufeinanderfolgende Bytes. 22:43.090 --> 22:47.310 Also die klassische Bezeichnung ist, dass wir 4 Bytes haben, also 32 22:47.310 --> 22:47.870 -Bit. 22:48.170 --> 22:51.130 Also eine Wortbreite, deswegen ja auch bei der Gleitpunktdarstellung. 22:51.690 --> 22:56.570 Einfach lang hieß 32-Bit-Darstellung, doppelt lang hieß 64-Bit 22:56.570 --> 22:56.970 -Darstellung. 22:57.950 --> 22:59.930 Also mit 8, das ist ein Doppelwort. 23:01.210 --> 23:05.930 Und wenn Sie Prozessrechner anschauen, kleine eingebettete Systeme. 23:07.370 --> 23:10.450 Die meisten Rechner, die wir auf der Welt haben, sind irgendwelche 23:10.450 --> 23:11.030 kleinen Prozessrechner. 23:11.990 --> 23:14.290 Das sind häufig 8-Bit oder 16-Bit-Rechner. 23:14.970 --> 23:18.510 Also mit deutlich kleineren Speicherumfang, weil die auch nicht so 23:18.510 --> 23:19.350 sehr viel tun müssen. 23:20.190 --> 23:22.950 Und die können dann halt sehr effizient, sehr preiswert hergestellt 23:22.950 --> 23:23.270 werden. 23:26.770 --> 23:31.390 Die Nummer des Speicherelements ist die Adresse. 23:32.410 --> 23:35.510 Die Speicherelemente sind die kleinsten adressierbaren Einheiten. 23:35.730 --> 23:38.490 Allerdings, wenn Sie hier also so eine Adresse A haben und das ist 23:38.490 --> 23:42.550 hier Ihr Speicherwort, manchmal ist man tatsächlich in der Lage, auch 23:42.550 --> 23:47.190 noch auf einzelne Teile zu adressieren innerhalb eines Wortes. 23:48.010 --> 23:52.010 Normalerweise reden wir davon, dass die kleinste adressierbare Einheit 23:52.010 --> 23:53.930 eben dann ein Wort ist. 23:54.870 --> 24:00.370 Jetzt gibt es die Notwendigkeit, mehr Adressen zur Verfügung zu haben, 24:00.650 --> 24:02.190 als Ihr Hauptspeicher bereitstellt. 24:03.430 --> 24:06.570 Dafür haben wir in der Regel virtuelle Adressen. 24:06.730 --> 24:07.890 Warum braucht man das? 24:08.270 --> 24:12.650 Sie haben hier Ihren Rechner und dann brauchen Sie eventuell noch eine 24:12.650 --> 24:17.070 Festplatte oder irgendeinen externen Speicher, vielleicht irgendeine 24:17.070 --> 24:20.190 SSD oder vielleicht auch irgendein Band. 24:21.390 --> 24:24.730 Das heißt, Sie haben weitere Speicherelemente im Hintergrund, 24:24.870 --> 24:30.590 insbesondere eine Festplatte oder eben ein Solid-State-Disk. 24:31.530 --> 24:39.970 Also sekundäre Speichereinheiten und deren Dateninhalte sollen ja auch 24:39.970 --> 24:42.530 mit durch ein Programm adressierbar sein. 24:42.530 --> 24:47.390 Und deswegen haben wir dafür einen virtuellen Adressraum. 24:47.530 --> 24:52.790 Da kommen wir später noch drauf, wie man dann mit den virtuellen 24:52.790 --> 24:56.610 Adressen umgeht und dafür sorgt, dass eine Informationseinheit, die 24:56.610 --> 25:00.810 hier irgendwo abgelegt ist, dass die im Hauptspeicher dann auch 25:00.810 --> 25:05.190 richtig zur Verfügung gestellt werden kann, damit die CPU auf das 25:05.190 --> 25:06.490 Datum zugreifen kann. 25:07.150 --> 25:12.530 Sie werden sehen, warum das wichtig ist, weil nämlich die Zeiten, um 25:12.530 --> 25:17.250 auf einen Speicher zuzugreifen, also den Hauptspeicher oder auf eine 25:17.250 --> 25:21.210 Festplatte, die liegen um mehrere Größenordnungen auseinander. 25:22.010 --> 25:24.670 Das eine ist im Nanosekundenbereich, das andere ist im 25:24.670 --> 25:25.770 Millisekundenbereich. 25:26.170 --> 25:30.410 Das sind 10 hoch 6 Unterschiede in den Zeiten. 25:31.350 --> 25:34.670 Und das sind einfach Dinge, die man wissen muss, wenn man sich über 25:34.670 --> 25:36.050 Rechnerarchitektur unterhält. 25:36.210 --> 25:37.150 Deswegen erzähle ich Ihnen das. 25:37.970 --> 25:42.330 Dann haben wir natürlich, sagte ich schon, Random Access Memory oder 25:42.330 --> 25:43.670 auch RAM-Speicher. 25:44.210 --> 25:46.190 Wir können also wahlfrei zugreifen. 25:47.090 --> 25:49.490 Wobei, wenn Sie auf ein Band zugreifen, haben Sie natürlich wieder 25:49.490 --> 25:50.450 sequenziellen Zugriff. 25:50.530 --> 25:53.450 Aber wenn wir uns den Hauptspeicher hernehmen, haben wir direkten 25:53.450 --> 25:53.970 Zugriff. 25:53.970 --> 25:59.530 Und wenn wir also hier zum Beispiel die Zahlen 28, 6 oder 33 in 25:59.530 --> 26:05.030 Dualdarstellung im Speicher stehen haben, an den Adressen hier 513 bis 26:05.030 --> 26:09.570 515, dann sieht das etwa so aus, wie hier angegeben, wenn Sie davon 26:09.570 --> 26:12.150 ausgehen, dass wir 16-Bit-Rechner hätten. 26:12.590 --> 26:15.850 Dann hätten wir 16-Bit jeweils und wir hätten hier entsprechend die 26:15.850 --> 26:22.070 Zahl 28, das ist die Zahl 6 und das hier ist die Zahl 33, 32 plus 1. 26:22.650 --> 26:24.130 Entsprechend, ja, Sie haben eine Frage. 26:32.550 --> 26:35.330 Das geht jetzt über das hinaus, was ich Ihnen hier erzählen kann. 26:35.670 --> 26:39.170 Also die einzelnen Rechner-Architekturen, die sind leicht 26:39.170 --> 26:39.890 unterschiedlich. 26:40.550 --> 26:43.910 Sie können das natürlich unterschiedlich machen. 26:44.030 --> 26:47.790 Sie können also variable Adressen definieren. 26:48.350 --> 26:52.170 Aber Sie müssen immer eine Möglichkeit haben, im Programm auf 26:52.170 --> 26:57.430 definierte Art und Weise auf die Speicheradressen zu definieren und 26:57.430 --> 26:58.610 auf die Speicher zuzugreifen. 26:59.490 --> 27:03.390 Dass es dafür leicht unterschiedliche Architekturen gibt, das ist 27:03.390 --> 27:03.650 klar. 27:03.730 --> 27:05.650 Die Realisierungen sind leicht unterschiedlich. 27:06.190 --> 27:13.950 Es gibt eine Vielfalt von Bezeichnungen für Rechner-Architekturen in 27:13.950 --> 27:19.090 Bezug auf die Art, welche Busse auf welche Speichereinheiten zugreifen 27:19.090 --> 27:19.470 usw. 27:20.330 --> 27:26.570 Logisch, vom Entwurfsprinzip her, sind die alle aufgebaut nach dem 27:26.570 --> 27:27.890 Prinzip des von Norman-Rechners. 27:28.510 --> 27:31.910 Wie dann ein spezieller Rechner funktioniert, den Sie in Ihrem 27:31.910 --> 27:35.550 Smartphone haben, da sollten Sie in die Spezifikation reingucken und 27:35.550 --> 27:36.750 dann wissen Sie darüber genaueres. 27:37.170 --> 27:39.470 Also wenn ich Ihnen darüber genaueres erzählen sollte, dann müsste ich 27:39.470 --> 27:41.650 Ihnen eine eigene Vorlesung halten über Rechner-Architektur. 27:42.070 --> 27:44.490 Da kann man dann auf die verschiedenen Varianten wesentlich genauer 27:44.490 --> 27:44.850 eingehen. 27:50.430 --> 27:52.950 Speicherhierarchie sieht so aus, wie ich das hier schon angedeutet 27:52.950 --> 27:54.890 habe, aber jetzt ohne externen Speicher. 27:55.050 --> 27:56.730 Eben hatte ich die Platte aufgemalt. 27:57.490 --> 28:01.450 Und wir haben also selbst zwischen der CPU, also Rechenwerk 28:01.450 --> 28:05.970 -Steuerwerk, und dem Arbeitsspeicher, da gibt es noch zwei Stufen. 28:06.610 --> 28:09.990 Da gibt es einerseits die Register, das ist ein Register im 28:09.990 --> 28:10.630 Rechenwerk. 28:11.830 --> 28:14.590 Natürlich haben wir den Arbeitsspeicher und dazwischen gibt es den 28:14.590 --> 28:15.430 Cache -Speicher. 28:16.550 --> 28:19.050 Und Sie sehen, dass hier unterschiedliche Eigenschaften angegeben 28:19.050 --> 28:23.890 sind, die Preise pro Bit, die Zugriffszeiten und die Kapazität der 28:23.890 --> 28:24.910 jeweiligen Speicher. 28:25.730 --> 28:31.010 Und es ist so, dass je näher Sie an die CPU rankommen, desto schneller 28:31.010 --> 28:33.390 wollen Sie zugreifen können auf die Daten. 28:34.810 --> 28:40.370 Weil Sie ja möglichst wenig eine Rechnung verlangsamen wollen, 28:40.490 --> 28:43.810 dadurch, dass Sie auf den Speicher zugreifen müssen. 28:44.790 --> 28:48.330 Deswegen soll die Zugriffszeit möglichst niedrig sein bei der CPU. 28:48.930 --> 28:51.750 Je weiter Sie wegkommen, desto höher darf sie werden. 28:52.450 --> 28:58.350 Die Kapazität, wenn der Preis hoch ist pro Bit, dann wird man nicht so 28:58.350 --> 28:59.810 große Speicher dort aufbauen. 28:59.810 --> 29:05.130 Wenn der Preis niedrig ist, kann man auch große Speicher bauen. 29:06.010 --> 29:09.470 Also, Register sind unmittelbar der CPU zugeordnet, liegen im 29:09.470 --> 29:10.550 Rechenwerk in der Regel. 29:11.750 --> 29:14.650 Arbeitsspeicher unten besteht aus zwei Teilen. 29:14.710 --> 29:18.670 Wir haben einerseits das Read-Only-Memory, ganz wichtig. 29:19.490 --> 29:24.810 Sie wollen ja, wenn Sie den Rechner einschalten, gerne erreichen, dass 29:24.810 --> 29:26.390 der in der Lage ist, loszulaufen. 29:27.790 --> 29:32.670 Das heißt, es muss Informationen geben, die im Speicher fest abgelegt 29:32.670 --> 29:36.190 sind, die dazu führen, dass der Rechner anfängt zu arbeiten. 29:37.150 --> 29:40.570 Und dann, das braucht man also zum Booten des Systems. 29:40.910 --> 29:47.410 Der zieht sich praktisch selbst nach oben durch das, was er hier in so 29:47.410 --> 29:49.430 einem Read-Only-Memory lesen kann. 29:50.050 --> 29:52.690 Und dann holt er sich sukzessive weitere Informationen von der 29:52.690 --> 29:56.530 Festplatte rüber oder von dem Hintergrundspeicher. 29:57.530 --> 29:59.510 Bei das Holostate-Disk geht es halt deutlich schneller. 29:59.910 --> 30:01.070 Rein in den Hauptspeicher. 30:02.170 --> 30:06.270 Und dann kann er, der Hauptspeicher, der Random Access Memory, ist 30:06.270 --> 30:11.030 halt leider ein Speicher, der seinen Inhalt vergisst, wenn der Strom 30:11.030 --> 30:14.950 abgeschaltet ist, bis auf dieses Read-Only-Memory. 30:15.610 --> 30:18.490 Deswegen müssen Sie immer wieder die ganzen Daten aus dem externen 30:18.490 --> 30:20.490 Speicher in den Hauptspeicher holen. 30:20.490 --> 30:23.230 Und erst dann können Sie richtig losrechnen. 30:28.920 --> 30:34.560 Beim BIOS können Sie ja auch einige Dinge noch verändern. 30:35.780 --> 30:43.960 Es gibt aber auch einen Teil des Speichers, es gibt auch die 30:43.960 --> 30:48.940 Möglichkeit, dass Sie im Rechner eine Batterie haben, ist dort häufig 30:48.940 --> 30:52.180 mit vorhanden, die dafür sorgt, dass ein gewisser Bereich des 30:52.180 --> 30:56.280 Speichers die Information halten kann. 30:57.120 --> 30:58.980 Der ist dann nicht flüchtig. 30:59.580 --> 31:02.780 Und dann ist das also etwas mehr als ein Read-Only-Memory. 31:03.320 --> 31:05.280 Denn BIOS können Sie überschreiben. 31:06.080 --> 31:11.100 Aber das ist ein Bereich, der permanent diese Inhalte zur Verfügung 31:11.100 --> 31:11.380 hat. 31:15.040 --> 31:18.300 Wir reden noch über die Art, wie wir aus dem Hintergrundspeicher in 31:18.300 --> 31:19.780 den Hauptspeichersachen hineinbekommen. 31:20.280 --> 31:24.060 Das, was Sie als Bindeglied brauchen, zwischen dem Arbeitsspeicher und 31:24.060 --> 31:28.440 der CPU, ist noch ein sogenannter Cache-Speicher. 31:29.620 --> 31:30.540 Der steht hier in der Mitte. 31:33.220 --> 31:36.640 Und diese Speicherarten sind in unterschiedlicher Technologie 31:36.640 --> 31:37.440 ausgeführt. 31:37.440 --> 31:39.690 Das hier sind DRAMs. 31:40.220 --> 31:42.480 Da hatte ich Sie schon einmal darauf hingewiesen, als wir uns mit 31:42.480 --> 31:44.200 Transistoren beschäftigt haben. 31:44.680 --> 31:46.280 Und das hier ist SRAM. 31:47.160 --> 31:50.060 Ganz konkret haben Sie da noch weitere Spezifikationen dran. 31:50.620 --> 31:54.920 Nicht nur einfach DRAM und SRAM, aber das eine sind statische Speicher 31:54.920 --> 31:57.560 und das andere sind dynamische Speicher. 31:58.040 --> 32:01.980 Die statischen Speicher brauchen deutlich mehr Hardwareaufwand, 32:02.060 --> 32:06.260 brauchen mehr Transistoren, weil die Inhalte statisch zur Verfügung 32:06.260 --> 32:06.560 stehen. 32:06.700 --> 32:09.780 Und deswegen ist ein Zugriff schneller möglich als bei einem 32:09.780 --> 32:12.700 dynamischen Speicher, wo der Inhalt wieder aufgefrischt werden muss 32:12.700 --> 32:13.680 nach einem Lesevorgang. 32:14.860 --> 32:18.540 Und deswegen ist der Arbeitsspeicher preiswerter als der Cache 32:18.540 --> 32:18.980 -Speicher. 32:19.080 --> 32:20.360 Der liegt hier irgendwo in der Mitte. 32:22.240 --> 32:23.840 Zugriffszeit ist deutlich niedriger. 32:24.480 --> 32:28.360 Und die Kapazität ist eben auch niedriger als beim Arbeitsspeicher. 32:29.200 --> 32:32.120 Und Sie werden später noch sehen, wie man mit dem Cache tatsächlich 32:32.120 --> 32:32.640 umgeht. 32:33.220 --> 32:39.100 Das Problem ist, wenn Sie in Ihrem Rechner den Cache nicht sinnvoll 32:39.100 --> 32:43.520 ausnutzen, wenn er zu klein ist oder wenn Sie Programme schreiben, die 32:43.520 --> 32:50.000 Ihre Daten so ungünstig holen aus dem Hauptspeicher oder aus dem 32:50.000 --> 32:54.820 externen Speicher, dass Sie immer wieder das Problem haben, dass die 32:54.820 --> 32:57.060 Daten, die Sie brauchen, gerade nicht im Cache liegen. 32:57.060 --> 33:01.620 Dann haben Sie eine Laufzeitverzögerung, die kann um Faktor 10 oder 33:01.620 --> 33:06.960 noch mehr größer sein als die Laufzeit, die Sie hätten, wenn Sie den 33:06.960 --> 33:09.340 Cache -Speicher sinnvoll ausnutzen. 33:10.040 --> 33:13.720 Auch das ist also entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines 33:13.720 --> 33:14.220 Rechners. 33:14.680 --> 33:19.880 Wie gut nutzen die Programme diese Möglichkeit aus, Daten in den Cache 33:19.880 --> 33:25.180 zu schreiben, obwohl sie eigentlich alle nur im Arbeitsspeicher 33:25.180 --> 33:25.440 liegen. 33:25.440 --> 33:29.120 Da liegen sie zunächst mal drin und dann werden Daten in den Cache 33:29.120 --> 33:33.440 -Speicher geholt, um sie näher an dem gerade ausgeführten Programm zu 33:33.440 --> 33:33.740 haben. 33:34.880 --> 33:36.520 Und wie man das macht, werden wir später noch sehen. 33:37.120 --> 33:40.880 Wenn Sie den Cache-Speicher nicht nutzen, haben Sie einen deutlich 33:40.880 --> 33:45.180 langsameren Rechner, weil Sie bei jeder Ausführung eines Befehls 33:45.180 --> 33:48.960 mehrfach auf den Speicher zugreifen müssen und das dauert sehr viel 33:48.960 --> 33:52.800 länger als die Ausführung eines Befehls in der CPU. 33:53.980 --> 33:57.480 Also, das ist hier auch ein wichtiger Punkt. 33:58.560 --> 34:01.640 Die schlechte Ausnutzung kann Rechner erheblich verlangsamen. 34:02.600 --> 34:06.780 Andererseits, wenn Sie einen Echtzeitrechner brauchen, wenn Sie 34:06.780 --> 34:09.620 Echtzeitrechnungen machen, wo Sie feste Zeitschranken einhalten 34:09.620 --> 34:13.080 müssen, dann dürfen Sie keinen Cache verwenden, weil Sie bei 34:13.080 --> 34:19.080 Verwendung eines Caches eventuell mit Fehler rechnen müssen, weil die 34:19.080 --> 34:22.520 Daten, auf die Sie zugreifen wollen, nicht im Cache sind. 34:22.600 --> 34:24.580 Dann müssen Sie noch auf den Arbeitsspeicher zugreifen. 34:24.940 --> 34:25.740 Das dauert länger. 34:26.840 --> 34:32.140 Und dann haben Sie garantierte Zugriffszeiten auf den Speicher, eben 34:32.140 --> 34:34.240 nur wenn Sie nicht den Cache ausnutzen. 34:34.500 --> 34:37.520 Wenn Sie den Cache ausnutzen, können Sie mal schneller sein, aber Sie 34:37.520 --> 34:39.380 können nicht garantieren, dass Sie schneller sind. 34:39.920 --> 34:44.900 Und dann ist es besser, wenn man keinen Cache hat. 34:44.900 --> 34:48.040 Aber normalerweise brauchen Sie einen möglichst großen Cache, damit 34:48.040 --> 34:50.780 Sie schnell rechnen können. 34:50.960 --> 34:52.880 Wir gehen darauf aber noch genauer ein, wenn wir uns mit 34:52.880 --> 34:55.300 Speicherhierarchie genauer beschäftigen. 34:56.420 --> 34:58.280 Das war zunächst mal genug zum Speicher. 34:58.340 --> 35:00.660 Wie gesagt, wir haben noch einen ganzen Abschnitt, der sich nur mit 35:00.660 --> 35:01.840 Speichern beschäftigen wird. 35:02.500 --> 35:03.460 Kommt das Rechenwerk. 35:03.580 --> 35:06.300 Und im Rechenwerk geht es darum, die Daten zu verarbeiten. 35:07.620 --> 35:10.200 Wir wollen Operationen ausführen, arithmetische, logische. 35:10.200 --> 35:13.240 Wir wollen Vergleiche machen können von Zahlen. 35:13.860 --> 35:16.460 Wir haben dann alle möglichen Register und Funktionseinheiten da drin. 35:16.560 --> 35:19.940 Zum Beispiel die sogenannte ALU, Arithmetic Logic Unit. 35:21.160 --> 35:23.540 Da gibt es dann irgendwelche Register A und B. 35:24.380 --> 35:26.980 Und einen Operantenregister, ein Ergebnisregister. 35:27.860 --> 35:31.560 Und dann wird eine Addition oder Subtraktion oder Multiplikation 35:31.560 --> 35:35.320 ausgeführt, je nachdem, was gerade ansteht. 35:35.840 --> 35:38.660 Und Sie haben sogenannte Statusregister, das ist dieses SR. 35:39.570 --> 35:45.920 Und die Funktionseinheit, also die Arithmetic Logic Unit, die ALU, 35:46.100 --> 35:51.960 verknüpft die Operanten gemäß dem gerade auszuführenden Befehl zu 35:51.960 --> 35:53.020 einem Ergebnis. 35:53.660 --> 35:58.140 In der Regel haben Sie heute nicht nur eine, sondern mehrere. 35:58.200 --> 35:59.280 Habe ich hier aber gar nicht drauf. 35:59.900 --> 36:05.580 Wir haben hier in der Regel mehrere solche arithmetisch-logische 36:05.580 --> 36:06.100 Einheiten. 36:06.100 --> 36:17.300 Insbesondere gibt es normalerweise extra Gleitpunkt-Einheiten. 36:17.460 --> 36:19.000 Also Gleitpunkt-Arithmetik-Einheiten. 36:20.080 --> 36:27.800 Oder Sie haben eine GPU, Graphical Processing Unit, für spezielle 36:27.800 --> 36:32.560 Operationen, die ausgeführt werden, wenn Sie Bildverarbeitung machen. 36:32.560 --> 36:36.200 Was heute zum Beispiel bei Spielen ganz wichtig ist, dass Sie Echtzeit 36:36.200 --> 36:39.960 ganz viel auf ein Bild verändern können. 36:40.340 --> 36:43.720 Dazu brauchen Sie sehr schnelle Funktionsbausteine, das sind dann 36:43.720 --> 36:45.140 Graphical Processing Units. 36:45.920 --> 36:47.860 Die Dinge sind alle in heutigen Rechnern drin. 36:50.620 --> 36:55.980 Im Prinzip ist das nur eine Art Funktionseinheit, die Operationen 36:55.980 --> 36:56.620 ausführen kann. 36:56.900 --> 36:58.980 Wie gesagt, es gibt davon in der Regel mehrere. 37:00.920 --> 37:05.500 Und was wir machen müssen, ist halt Transfer von Daten zwischen 37:05.500 --> 37:07.840 Rechenwerk und Speicherwerk. 37:08.360 --> 37:14.400 Wir wollen Bullshit-Operationen machen können oder Verknüpfungen 37:14.400 --> 37:15.380 machen können von Bits. 37:16.440 --> 37:19.320 Wir wollen arithmetische Operationen ausführen können. 37:19.860 --> 37:22.480 Schiebeoperationen, nach links, rechts schieben, also Multiplikationen 37:22.480 --> 37:24.440 mit Zweierpotenzen. 37:25.140 --> 37:28.120 Dafür, hatten Sie schon mal gesehen, gibt es Schieberegister und 37:28.120 --> 37:28.700 ähnliches. 37:30.160 --> 37:34.640 Und dann müssen wir sehen, wie wir so ein Rechenwerk steuern können. 37:35.180 --> 37:41.060 Wir haben also Steuersignale, die vom Steuerwerk in das Rechenwerk 37:41.060 --> 37:41.860 gegeben werden. 37:41.980 --> 37:45.440 Dadurch wird festgelegt, welche Operation die ALU jetzt gerade 37:45.440 --> 37:46.320 ausführen soll. 37:46.320 --> 37:51.820 Und die Ergebnisse, etwa zum Beispiel Division durch 0 oder Not a 37:51.820 --> 37:56.880 Number oder all solche Dinge, die werden über Statusregister an das 37:56.880 --> 38:00.100 Steuerwerk zurückgegeben, sodass man dann entsprechend darauf 38:00.100 --> 38:00.980 reagieren kann. 38:02.220 --> 38:04.200 Also, das sind Dinge, die wir hier drin haben. 38:04.340 --> 38:07.380 Wir müssen natürlich auch vom Rechenwerk auf das Speicherwerk 38:07.380 --> 38:08.360 zugreifen können. 38:10.660 --> 38:13.620 Wir werden uns den Ablauf gleich noch genauer anschauen. 38:13.620 --> 38:15.480 Wir haben dann das Steuerwerk. 38:16.340 --> 38:23.080 Das Steuerwerk soll die Befehle ausführen, die im Programm stehen. 38:23.760 --> 38:26.260 Das Programm steht zunächst mal irgendwo im Speicher. 38:26.820 --> 38:33.160 Im Steuerwerk muss ich also einerseits einen Befehlszähler haben, oder 38:33.160 --> 38:39.700 auch Program Counter, der mir sagt, an welcher Stelle im Speicher der 38:39.700 --> 38:41.760 aktuell auszuführende Befehl liegt. 38:41.760 --> 38:46.560 Und dieser aktuell auszuführende Befehl steht im Instruktionsregister. 38:48.960 --> 38:53.020 Das ist unser Instruktionsregister. 38:53.820 --> 38:57.120 Da liegt ein Befehl drin, der natürlich irgendeinen Op-Code hat, 38:57.180 --> 38:58.240 Operations -Code. 38:58.380 --> 39:03.100 Und hier haben wir dann Operation 1, Operant 1, Operant 2, vielleicht 39:03.100 --> 39:03.980 mehrere Operanten. 39:04.900 --> 39:08.820 In der Regel 1 bis 3 Operanten in einem Befehl. 39:08.820 --> 39:11.840 Und das steht alles im Instruktionsregister drin. 39:12.860 --> 39:16.800 Und damit das Steuerwerk das auch alles richtig macht, muss das 39:16.800 --> 39:22.640 Steuerwerk erstmal in der Lage sein, einen Befehl zu holen aus dem 39:22.640 --> 39:23.180 Speicher. 39:24.100 --> 39:25.000 Das ist der erste Schritt. 39:27.820 --> 39:29.820 Dann steht der Befehl im Instruktionsregister. 39:30.920 --> 39:33.100 Dann muss dieser Befehl entschlüsselt werden. 39:33.100 --> 39:35.560 Er ist nicht irgendwie verschlüsselt. 39:35.640 --> 39:39.100 Es geht nur darum festzustellen, dass ist hier die Operation zum 39:39.100 --> 39:41.140 Beispiel eine Addition. 39:42.620 --> 39:46.100 Und hier steht vielleicht die Zahl 7 und da steht vielleicht irgendwie 39:46.100 --> 39:48.100 ein I17. 39:50.500 --> 39:54.140 Und das heißt, das eine ist vielleicht eine ganz normale Adresse eines 39:54.140 --> 39:58.640 Registers und das I17 ist eine indirekte Adresse, um in der Zelle 17 39:58.640 --> 40:01.640 erstmal nachzuschauen, wo die Adresse des Operanten liegt. 40:03.400 --> 40:08.340 Also, entschlüsseln heißt hier, Zerlegung des Befehls, der im 40:08.340 --> 40:12.300 Instruktionsregister steht, in seine Bestandteile, den Opcode und die 40:12.300 --> 40:12.880 Operanten. 40:14.800 --> 40:18.560 Erkennen der Befehlsart, Zerlegung in die Bestandteile. 40:19.880 --> 40:23.220 Und dann, wenn man das erkannt hat, was dort drin steht, müssen die 40:23.220 --> 40:25.140 entsprechenden Rechnungen ausgeführt werden. 40:25.920 --> 40:30.700 Es muss also ausgeführt werden, das was im Befehl vorgeschrieben ist. 40:30.700 --> 40:36.040 Dazu müssen die Operanten erstmal in das Rechenwerk geholt werden. 40:36.780 --> 40:39.680 Das kann ja sein, dass die erst noch irgendwo im Speicher liegen und 40:39.680 --> 40:43.120 dass im Speicher erst die Adresse liegt, aus der ein tatsächlich 40:43.120 --> 40:44.740 Operant geholt werden muss. 40:45.560 --> 40:49.200 Die müssen also geladen werden aus dem Speicher in das Rechenwerk. 40:49.340 --> 40:53.800 Es sei denn, das kann auch passieren, dass ein Operant direkt, also 40:53.800 --> 40:56.180 die Zahl, die dort steht, direkt verwendet werden soll. 40:57.000 --> 40:59.520 Dann müssen die Operationen ausgeführt werden. 40:59.700 --> 41:02.440 Das Ergebnis muss gespeichert werden in einem Register. 41:02.600 --> 41:04.600 Also es ist in dem Ergebnisregister drin. 41:05.100 --> 41:08.680 Kann sein, dass das reich kann sein, dass das Ergebnis in eine 41:08.680 --> 41:11.620 definierte Stelle im Speicher wieder geschrieben werden muss. 41:12.400 --> 41:15.780 Und es muss anschließend der Befehlszähler, der Program-Counter 41:15.780 --> 41:18.500 verändert werden, um 1 erhöht werden. 41:18.500 --> 41:24.080 Oder bei einem Sprungbefehl auf den Wert der Befehlsadresse gesetzt 41:24.080 --> 41:26.780 werden, die als nächstes ausgeführt werden soll. 41:28.460 --> 41:34.100 Und das hier ist das, was abläuft, wenn ein Programm ausgeführt wird. 41:34.560 --> 41:40.700 Es wird jeder einzelne Befehl in die CPU geholt, wird ausgeführt und 41:40.700 --> 41:46.740 das heißt, wir haben immer diese Bestandteile Fetch, Decode, Execute. 41:47.740 --> 41:55.080 Auch wieder eine ganz zentrale Erkenntnis, wenn ein Programm 41:55.080 --> 41:59.980 ausgeführt wird, dann muss jeder Befehl eines Programms aus dem 41:59.980 --> 42:04.920 Speicher in die CPU geholt werden, muss dort entschlüsselt werden und 42:04.920 --> 42:05.960 wird dann ausgeführt. 42:06.240 --> 42:11.020 Dadurch, dass entsprechend Steuersignale an das Rechenwerk gegeben 42:11.020 --> 42:14.780 werden und das Rechenwerk führt dann entsprechend diese Operationen 42:14.780 --> 42:18.620 aus und die Ergebnisse sind dann wieder irgendwo abzulegen. 42:19.000 --> 42:20.240 Das dauert. 42:20.820 --> 42:23.240 Wir werden uns jetzt genauer mal drüber anschauen, was dort eigentlich 42:23.240 --> 42:23.700 passiert. 42:24.140 --> 42:29.020 Der Maschinenbefehlszyklus ist eigentlich der Kern der Ausführung von 42:29.020 --> 42:35.860 Programmen und das sollte man auch wissen, wie ein Programm 42:35.860 --> 42:37.000 tatsächlich ausgeführt wird. 42:37.000 --> 42:40.200 Pause können wir gleich machen. 42:40.560 --> 42:42.400 Oh, wir können auch jetzt eine Pause machen, meinetwegen. 42:43.160 --> 42:43.720 Ist in Ordnung. 46:01.920 --> 46:05.780 So, ich denke, wir können uns dann mal die Aufgabe hier kurz angucken. 46:06.340 --> 46:10.940 Nur als kleine Wiederholung zu der Zahlendarstellung. 46:11.940 --> 46:16.660 Welche der folgenden Codierungsarten wird bei der IEEE 754 Darstellung 46:16.660 --> 46:18.860 verwendet, um den Exponenten zu codieren? 46:19.700 --> 46:23.100 Das habe ich Ihnen ja schon angegeben. 46:23.400 --> 46:29.040 Also BCD-Codierung wäre sehr ineffizient, wäre viel zu lang. 46:30.380 --> 46:34.620 XS-Cuda-Codierung, haben zwei richtig gesagt, das ist die, die man 46:34.620 --> 46:40.840 nimmt, hat halt den großen Vorteil gegenüber der unten angegebenen 1 46:40.840 --> 46:44.380 -Komplement - oder 2-Komplement-Codierung, dass wir die Größe 46:44.380 --> 46:50.820 vergleichen können, also die Größe der codierten Exponenten, nämlich 46:50.820 --> 46:54.200 die Charakteristiken in ihrer Größe vergleichen können und wir kriegen 46:54.200 --> 46:58.220 das gleiche Ergebnis, als wenn wir eben die Original-Exponenten 46:58.220 --> 47:04.660 verglichen hätten in ihrer Größe, also dabei die negativen und die 47:04.660 --> 47:09.500 positiven halt einfach nur verschoben werden und nicht bei der 47:09.500 --> 47:10.960 Codierung vertauscht werden. 47:11.860 --> 47:17.380 Also, das dazu ist irgendwie etwas dunkler geworden, ist das richtig? 47:18.400 --> 47:19.240 Etwas seltsam? 47:20.740 --> 47:22.020 Keine Ahnung, woran das liegt? 47:23.160 --> 47:25.900 Ah, wieder besser. 47:27.840 --> 47:33.980 So, und jetzt ist aber das Schöne... 47:36.050 --> 47:43.630 Hier alles verschwunden, das wollten wir haben und wir wollten das 47:43.630 --> 47:44.290 hier haben. 47:44.930 --> 47:45.590 Was ist das denn? 47:45.650 --> 47:48.690 Das hat einer überall hier noch... 47:48.690 --> 47:51.870 Bei den anderen meinten sie, das wäre auch richtig, aber die verwenden 47:51.870 --> 47:52.630 wir natürlich nicht. 47:52.750 --> 47:55.730 Wir verwenden weder die Icon- oder 2-aus-5-Codierung, das waren 47:55.730 --> 47:58.450 Codierungen von Ziffern und nicht von Zahlen. 47:59.310 --> 48:03.150 Kann man auch machen, wäre aber viel zu lang, wäre nicht effizient. 48:04.070 --> 48:10.390 Und wir haben also die XSQ-Codierung und nicht die Icon-Codierung, 48:10.650 --> 48:14.530 nicht die 2-aus-5-Codierung und eben auch nicht die 1-Kompliment- oder 48:14.530 --> 48:20.590 2 -Kompliment-Codierung, sondern nur die Nummer 2 ist richtig, die XSQ 48:20.590 --> 48:21.110 -Codierung. 48:21.350 --> 48:25.550 Weil wir damit Gleitpunkt-Operationen, Additionen insbesondere, 48:26.470 --> 48:28.450 deutlich effizienter machen können. 48:28.450 --> 48:33.050 Wir können den Vergleich der Exponenten damit schneller machen, als 48:33.050 --> 48:35.590 wenn wir das anders realisieren würden. 48:36.590 --> 48:40.370 Lassen Sie uns zurückkommen zur Vorlesung der Maschinenbefehlszyklus. 48:40.930 --> 48:46.050 Ganz wichtige Erkenntnis, wie Befehle im Rechner ausgeführt werden. 48:46.550 --> 48:50.690 Das ist eben ein ING-Pass im Rechner, die müssen alle dort irgendwie 48:50.690 --> 48:51.570 ausgeführt werden. 48:51.570 --> 48:57.470 Jetzt schauen wir uns das mal an, was passiert, wenn wir einen Befehl 48:57.470 --> 49:02.010 haben, wir sollen den Inhalt einer Speicherzelle 500 um 16 erhöhen. 49:03.150 --> 49:10.650 Dann ist hier im Programme-Counter steht also hier 1000 drin. 49:11.650 --> 49:21.530 Es steht in der Speicherzelle irgendwo im Speicher an Adresse 1000 der 49:21.530 --> 49:22.870 zu bearbeitende Befehl. 49:23.750 --> 49:32.390 Also dieser Befehl, das kann ein Additionsbefehl sein, wo eben dann 49:32.390 --> 49:38.090 der Inhalt der Speicherzelle 500 um 16 zu erhöhen ist. 49:38.870 --> 49:44.890 Wir haben als Inhalt von Speicherzelle 500 zum Beispiel den Wert 17. 49:46.250 --> 49:49.490 Jetzt wird der Befehl geholt, ich hole den Inhalt aus dem 49:49.490 --> 49:50.370 Speicherwerk. 49:51.670 --> 49:55.830 Dazu muss ich natürlich zunächst mal zugreifen auf das Speicherwerk, 49:55.950 --> 49:57.450 muss dem Speicherwerk etwas sagen. 49:57.450 --> 50:08.410 Das Speicherwerk muss antworten und muss eben den Befehl in unser 50:08.410 --> 50:10.110 Instruktionsregister hineinschreiben. 50:10.770 --> 50:13.690 Und dann muss da eben stehen, dass hier das ein Additionsbefehl ist 50:13.690 --> 50:17.330 und dann steht da wahrscheinlich auch noch die 16 irgendwie und die 50:17.330 --> 50:18.670 Speicherzelle 500. 50:19.890 --> 50:24.610 So, dann muss das erst mal alles dekodiert werden, das hatte ich 50:24.610 --> 50:25.530 gerade eben gemacht. 50:26.610 --> 50:28.950 Ich muss erkennen, dass es sich um eine Addition handelt, dass die 50:28.950 --> 50:33.090 Speicherzelle 500 oder der Inhalt zu holen ist und es soll die 50:33.090 --> 50:36.670 konstante Zahl 16 darauf addiert werden. 50:37.350 --> 50:41.750 Dann muss ich entsprechend den Inhalt der Speicherzelle 500 holen. 50:42.270 --> 50:45.370 Das heißt, ich muss zunächst mal zugreifen auf den Speicher. 50:45.370 --> 50:47.130 Der muss antworten. 50:48.250 --> 50:53.470 Dann habe ich den Inhalt der Speicherzelle 500, also die 17, steht 50:53.470 --> 50:55.430 dann hier irgendwo im Rechenwerk drin. 50:56.550 --> 50:59.810 Nicht die 17, natürlich doch die 17, also Inhalt der Speicherzelle 50:59.810 --> 51:00.190 500. 51:00.970 --> 51:06.090 Und dann will ich addieren die 16 dazu. 51:06.090 --> 51:13.250 Dann kommt da halt entsprechend gerade raus 33 und die 33 muss ich 51:13.250 --> 51:17.170 dann entsprechend wieder reinschreiben in den Rechner. 51:18.370 --> 51:24.070 Das heißt, wir haben mehrfach zugreifen müssen auf den Speicher, um 51:24.070 --> 51:26.320 den Inhalt zu holen. 51:27.350 --> 51:30.090 Die Anzahl der Speicherzugriffe hier ist relativ hoch. 51:30.090 --> 51:37.990 Wir mussten den Befehl holen, wir mussten den Operanten holen aus dem 51:37.990 --> 51:40.970 Speicher und anschließend etwas zurückschreiben in den Speicher. 51:41.050 --> 51:47.090 Das sind also in diesem Fall drei Speicherzugriffe. 51:47.790 --> 51:48.510 Das war nichts. 51:48.770 --> 51:50.430 Drei Speicherzugriffe. 51:51.750 --> 51:54.730 Um einen einfachen Befehl auszuführen. 51:55.070 --> 51:56.510 Drei Speicherzugriffe. 51:57.290 --> 52:01.230 Und ich hatte schon gesagt, der Zugriff auf einen Speicher ist um 52:01.230 --> 52:03.250 Größenordnungen langsamer. 52:04.070 --> 52:08.670 Also etwa eine Größenordnung langsamer als die Ausführung einer 52:08.670 --> 52:11.250 Addition im Rechenwerk. 52:12.050 --> 52:16.190 Das heißt, wir haben eine Verlangsamung durch den Zugriff auf den 52:16.190 --> 52:16.630 Speicher. 52:18.130 --> 52:21.850 Das ist häufig bezeichnet als zum Beispiel Frontside-Bus. 52:22.390 --> 52:27.070 Wenn Sie sich anschauen, die Frequenz, mit der Sie über den Frontside 52:27.070 --> 52:35.090 -Bus auf Ihren Speicher zugreifen können, dann ist die Frequenz der 52:35.090 --> 52:40.070 Zugriffe in der Regel deutlich niedriger als die Taktfrequenz Ihres 52:40.070 --> 52:40.510 Rechners. 52:41.310 --> 52:48.010 Das heißt, die Geschwindigkeit Ihres Frontside-Buses, also der Bus 52:48.010 --> 52:53.010 zwischen Speicherwerk und Rechenwerk, gibt Ihnen an, wie lange es 52:53.010 --> 52:56.130 effektiv eigentlich dauert, um ein Befehl auszuführen. 52:57.890 --> 52:59.950 Die CPU könnte wesentlich schneller sein. 53:00.470 --> 53:04.570 Aber wenn Sie bei jeder Ausführung eines Befehls auf den Speicher 53:04.570 --> 53:07.930 zugreifen müssen, und wir haben gesehen, zumindest mit dem Befehl muss 53:07.930 --> 53:13.590 ich erholen, und dann muss ich noch Operanten holen, das dauert. 53:14.310 --> 53:18.070 Deswegen ist es so wichtig, diese Zeit zu verkürzen, durch Cache und 53:18.070 --> 53:18.570 Ähnliches. 53:20.590 --> 53:22.270 Darauf kommen wir dann nochmal wieder zurück. 53:23.250 --> 53:26.290 Und damit sind wir jetzt zunächst mal bei einer Ausgabeeinheit. 53:26.870 --> 53:29.630 Wir wollen ja auch etwas eingeben und ausgeben können. 53:30.570 --> 53:32.450 Und was haben wir für Eingabeeinheiten? 53:32.590 --> 53:35.930 Nun Vielfalt, vielfältige Dinge, natürlich die Tastatur. 53:36.730 --> 53:39.890 Oder Sie haben eine Maus, oder wie ich hier einen Stift. 53:39.970 --> 53:42.330 Ich kann den schöneren rummalen auf dem Bildschirm, das ist eine 53:42.330 --> 53:43.490 Eingabe in den Rechner. 53:44.350 --> 53:48.830 Oder ich habe Menüauswahl am Bildschirm, oder ich habe Sensoren, ein 53:48.830 --> 53:52.610 Mikrofon, auch das wird verwendet, um hier Eingaben zu machen in den 53:52.610 --> 53:52.950 Rechner. 53:53.770 --> 53:56.710 Oder ich habe vielleicht Druck, Temperatur, ähnliches. 53:56.790 --> 54:01.590 Wenn Sie zum Beispiel Roboter steuern, dann haben Sie sogenannte 54:01.590 --> 54:04.650 haptische Sensoren. 54:04.790 --> 54:08.270 Das heißt, Sie können, wenn Sie mit der Hand eines Roboters ein Glas 54:08.270 --> 54:12.670 aufnehmen wollen, müssen Sie in der Lage sein, mit dem richtigen Druck 54:12.670 --> 54:16.890 tatsächlich mit den Fingern der Hand des Roboters ein Glas anzufassen 54:16.890 --> 54:17.670 und hochzuheben. 54:18.090 --> 54:21.270 Das sind haptische Informationen, die so ähnlich sind wie das, was wir 54:21.270 --> 54:24.710 in unseren Fingern haben, dass wir druckempfindlich sind und 54:24.710 --> 54:27.850 entsprechend unsere Bewegungen anpassen können. 54:28.810 --> 54:32.350 Dann gibt es eine Ausgabe, Bildschirm, Drucker, Lautsprecher, alles 54:32.350 --> 54:33.370 mögliche gibt es. 54:33.450 --> 54:36.730 Auch da können Sie in unterschiedlicher Form Dinge ausgeben. 54:36.730 --> 54:40.090 Sie können auch Nachrichten rausschicken über ein Netz und Ähnliches. 54:41.110 --> 54:45.730 Also Ein- und Ausgabe, Sie können über Netze mit anderen Rechnern 54:45.730 --> 54:49.110 kommunizieren und von denen Informationen bekommen oder etwas 54:49.110 --> 54:49.730 hinschreiben. 54:50.930 --> 54:55.350 Sie haben dann die Sekundärspeicher, Externspeicher, Festplatte, 54:55.470 --> 55:00.590 Flärspeicher, CDs, Kassetten, Magnetband, all das taucht heutzutage 55:00.590 --> 55:01.010 auf. 55:01.010 --> 55:06.610 Und wenn Sie jetzt kommunizieren, ist natürlich wichtig, kommen die 55:06.610 --> 55:09.910 Daten eigentlich genau so an, wie ich sie rausgeschickt habe oder ist 55:09.910 --> 55:11.050 die Reihenfolge anders? 55:11.870 --> 55:15.350 Wenn Sie etwas übers Internet rausschicken, kann die Reihenfolge 55:15.350 --> 55:17.990 völlig anders sein, als die Reihenfolge, in der Sie Daten 55:17.990 --> 55:18.890 rausgeschickt haben. 55:20.270 --> 55:22.870 Also das ist etwas, was wichtig ist. 55:22.870 --> 55:26.990 Wenn das nicht gewährleistet ist, dass die Reihenfolge eingehalten 55:26.990 --> 55:30.570 wird bei der Kommunikation, müssen Sie bei den kommunizierenden 55:30.570 --> 55:33.750 Programmen in der Lage sein, die richtige Reihenfolge 55:33.750 --> 55:34.530 wiederherzustellen. 55:35.410 --> 55:38.770 Erfordert also mehr Aufwand auf der Protokollebene für die 55:38.770 --> 55:39.670 Kommunikation. 55:40.230 --> 55:42.030 Das Format der Daten ist wichtig. 55:42.030 --> 55:47.110 Wie stelle ich eigentlich einen Rechner im Cache da, im Hauptspeicher, 55:47.470 --> 55:50.730 auf einer Festplatte oder auf einer Diskette oder auf der CD? 55:51.270 --> 55:52.990 Wie formatiere ich meine Dateien? 55:53.350 --> 55:54.430 Sehr unterschiedlich. 55:55.150 --> 55:59.050 Das heißt, ich muss meine Datenformate noch anpassen, wenn ich etwas 55:59.050 --> 56:06.650 von der Festplatte oder von der Floppy Disk oder vom Band rüberhole in 56:06.650 --> 56:07.430 den Hauptspeicher. 56:07.430 --> 56:12.130 Da muss ich Datentransformationen machen, muss Formate ändern, um 56:12.130 --> 56:15.930 tatsächlich dann richtig auf die Inhalte zugreifen zu können. 56:16.330 --> 56:21.250 Je nachdem, was für eine Art, wenn Sie also hier eine Festplatte 56:21.250 --> 56:28.790 haben, da werden halt die Daten auf Spuren abgelegt und dort jeweils 56:28.790 --> 56:29.750 in Sektoren eingeteilt. 56:29.750 --> 56:33.350 Das heißt, Sie haben hier gewisse Stücke von zusammenhängenden 56:33.350 --> 56:36.030 Speicherzellen, unterbrochen jeweils. 56:36.810 --> 56:41.870 Und das heißt, Sie müssen Ihre Dateien so organisieren, dass die 56:41.870 --> 56:46.870 jeweils in diese Sektoren oder die Spuren auf einem Sektor genau 56:46.870 --> 56:47.950 abgelegt werden können. 56:48.970 --> 56:51.650 Im Hauptspeicher sieht das völlig anders aus. 56:51.770 --> 56:54.330 Auf einer SSD sieht das auch wieder völlig anders aus. 56:54.750 --> 56:58.350 Das heißt, Sie haben sehr viel Daten hin und her zu transformieren, 56:58.670 --> 57:02.230 wenn Sie Daten zwischen dem Hauptspeicher und einem externen Speicher 57:02.230 --> 57:03.770 hin und her laufen lassen. 57:03.970 --> 57:05.070 Was wir ständig machen. 57:06.170 --> 57:08.450 Da muss der Rechner sehr viel tun, um das sinnvoll zu machen. 57:08.850 --> 57:10.930 Und die Geschwindigkeit ist auch unterschiedlich, da kommen wir noch 57:10.930 --> 57:14.750 später drauf, wenn wir uns mit den Speicherbausteinen noch einmal 57:14.750 --> 57:15.530 genauer beschäftigen. 57:16.290 --> 57:20.910 Eine Frage ist, wie wir eigentlich mit der Ein-Ausgabe-Einheit 57:20.910 --> 57:21.750 arbeiten. 57:22.190 --> 57:25.870 Wir können eine feste Zuordnung haben der CPU zum Ein-Ausgabe-Gerät. 57:26.330 --> 57:30.470 Stellen Sie sich mal vor, die CPU müsste warten, bis Sie auf der 57:30.470 --> 57:32.690 Tastatur ein Zeichen eingegeben haben. 57:33.310 --> 57:36.590 Das wäre eine unendlich lange Wartezeit im Vergleich zu der 57:36.590 --> 57:40.070 Geschwindigkeit, mit der die CPU Informationen verarbeiten könnte. 57:40.690 --> 57:42.710 Das macht eigentlich nicht viel Sinn. 57:42.710 --> 57:46.450 Deswegen haben wir in der Regel eine unterbrechungsgesteuerte Ein 57:46.450 --> 57:47.150 -Ausgabe. 57:47.750 --> 57:54.270 Das heißt, der Rechner, Sie haben also hier Ihren Prozessor, der soll 57:54.270 --> 57:54.870 irgendwas tun. 57:54.990 --> 58:00.590 Jetzt braucht er eine Eingabe und dann muss ein Eingabeprozessor 58:00.590 --> 58:01.170 arbeiten. 58:02.030 --> 58:04.210 Die CPU macht aber mittlerweile was anderes. 58:04.920 --> 58:08.310 Und wenn der hier fertig ist, dann wird eine Information nach oben 58:08.310 --> 58:08.710 geschickt. 58:09.210 --> 58:12.130 Und dann kann der das alte Programm wieder aufnehmen und kann auf die 58:12.130 --> 58:15.610 inzwischen eingetroffene Information reagieren. 58:16.370 --> 58:19.150 Das ist ein unterbrechungsgesteuerter Ein-Ausgabe-Vorgang. 58:19.650 --> 58:23.930 Das heißt, es wird die Ausführung eines Programms unterbrochen, wenn 58:23.930 --> 58:27.290 eine gewisse Information da ist, beziehungsweise wenn eine Information 58:27.290 --> 58:31.710 gebraucht wird, wird das der Ein-Ausgabe-Einheit mitgeteilt. 58:31.710 --> 58:34.810 Und die muss dann dafür sorgen, dass irgendwann die Information 58:34.810 --> 58:35.870 bereitgestellt wird. 58:36.810 --> 58:40.850 Also die CPU ist deutlich schneller als die Ein-Ausgabe. 58:41.930 --> 58:44.530 Und wenn wir uns nur mal anschauen, was das eigentlich heißt. 58:45.370 --> 58:48.630 Stellen Sie sich vor, Sie haben mittlerweile 16 Megabit pro Sekunde, 58:48.710 --> 58:49.570 das ist schon gar nicht mehr so schnell. 58:50.030 --> 58:52.990 Ich hoffe, Sie haben schon 50 Megabit pro Sekunde, aber das ist auch 58:52.990 --> 58:53.730 nicht ganz schlecht. 58:54.390 --> 58:57.630 CPU mit 3 Gigahertz-Takt ist durchaus in Ordnung. 58:57.630 --> 59:03.890 Jetzt haben Sie ein IP-Paket, also ein typisches Datenpaket, minimaler 59:03.890 --> 59:05.790 Größe, 576 Byte. 59:06.530 --> 59:08.690 Das wollen Sie lesen. 59:11.070 --> 59:14.290 Das bekommen Sie von außen geschickt, dieses IP-Paket. 59:16.450 --> 59:20.930 Das dauert genauso lange wie etwa die Ausführung von 900.000 59:20.930 --> 59:21.790 Maschinenbefehlen. 59:22.830 --> 59:28.730 Nur dieses IP-Paket in Ihren Rechner hinein zu bekommen, also das von 59:28.730 --> 59:32.190 extern zu bekommen, das dauert so lange. 59:32.890 --> 59:34.250 Über diese DSL-Leitung. 59:36.190 --> 59:40.430 Sie wollen in der Regel nicht nur ein IP-Paket lesen, sondern viele. 59:41.170 --> 59:46.330 Sie haben Kilobyte, Megabyte an Daten, die Sie hin- und herschieben. 59:46.330 --> 59:51.730 Das dauert lange, das wissen Sie, das dauert lange, um solche Daten 59:51.730 --> 59:52.890 hin - und herzuschieben. 59:54.690 --> 59:57.110 Also macht man das so, das hätte ich schon gesagt. 59:57.950 --> 01:00:02.910 Während der Programmausführung liest die CPU das Statusregister des 01:00:02.910 --> 01:00:09.210 Peripheriegeräts und wenn dort eine Ausgabebereitschaft da ist, dann 01:00:09.210 --> 01:00:13.250 wird ein Interrupt-Händler gestartet, der dann veranlasst, dass die 01:00:13.250 --> 01:00:17.390 nächste Ein-Ausgabe-Informationseinheit geholt wird oder gelesen wird 01:00:17.390 --> 01:00:17.910 oder was immer. 01:00:18.670 --> 01:00:21.970 Und die CPU fährt dann mit der Ausführung dieses Programms oder eines 01:00:21.970 --> 01:00:23.970 anderen Programms weiter fort. 01:00:24.510 --> 01:00:27.170 Ein Programm, das eben schon alle Daten hat. 01:00:27.890 --> 01:00:30.870 Und das Programm, das auf eine Information wartet zum Beispiel, das 01:00:30.870 --> 01:00:36.010 wird dann erstmal in Wartestellung gelegt, in Standby gelegt, sodass 01:00:36.010 --> 01:00:38.970 es erstmal warten muss, bis die Information bereitsteht. 01:00:40.310 --> 01:00:43.150 Wenn Sie 100 Megabit pro Sekunde haben, geht es ein bisschen 01:00:43.150 --> 01:00:43.570 schneller. 01:00:44.610 --> 01:00:47.850 Also statt 16 Megabit 100 Megabit, aber dann haben Sie hier immer noch 01:00:47.850 --> 01:00:50.470 so etwa 140.000 Befehle pro IP-Paket. 01:00:51.050 --> 01:00:54.230 Muss man sich einfach klar machen, Kommunikation mit der Außenwelt ist 01:00:54.230 --> 01:00:56.750 teurer als das, was Sie intern machen können. 01:00:58.310 --> 01:01:04.870 Und wenn Sie noch schneller kommunizieren können, irgendwann sind Sie 01:01:04.870 --> 01:01:07.170 an der Ausführungszeit von Befehlen. 01:01:07.970 --> 01:01:14.070 Dann wird eventuell irgendwann die CPU langsamer als die Datenmengen, 01:01:14.190 --> 01:01:14.750 die kommen können. 01:01:15.690 --> 01:01:21.330 Wenn jetzt also, wie gesagt, das ist hier die Art, wie wir in der 01:01:21.330 --> 01:01:21.850 Regel das machen. 01:01:21.850 --> 01:01:25.490 Wir haben einen Ausgabeprozessor, der kommuniziert mit dem Datennetz 01:01:25.490 --> 01:01:26.310 und wir haben die CPU. 01:01:27.190 --> 01:01:32.730 Und die beiden arbeiten eben nebenläufig, parallel, unabhängig 01:01:32.730 --> 01:01:33.250 voneinander. 01:01:35.170 --> 01:01:39.210 Und wenn man jetzt natürlich die Übertragungsbandbreiten immer weiter 01:01:39.210 --> 01:01:43.790 erhöht, also wir sind im lokalen Netz in der Regel bei 100 Megabit, 01:01:43.790 --> 01:01:51.050 hier am KIT haben wir 1 Gigabit mittlerweile als schnelle 01:01:51.050 --> 01:01:51.990 Datenverbindung. 01:01:52.790 --> 01:01:57.510 Wir können auch bis in den Terabit-Bereich hinein, da ist das, man 01:01:57.510 --> 01:01:58.490 weiß, dass das geht. 01:01:59.250 --> 01:02:03.410 Bei den Backbones, da sind wir im Terabit-Bereich mittlerweile. 01:02:03.850 --> 01:02:06.590 Also sehr große Übertragungsbandbreiten. 01:02:07.150 --> 01:02:10.550 Und da ist dann irgendwann so, dass die Datenmengen, die kommen, so 01:02:10.550 --> 01:02:13.570 groß sind, dass die CPUs nicht mehr schnell genug sind, um die 01:02:13.570 --> 01:02:14.650 tatsächlich zu verarbeiten. 01:02:15.590 --> 01:02:19.610 Also da muss man sehen, wie man das geeignet balanciert, wie man das 01:02:19.610 --> 01:02:20.270 ausgleicht. 01:02:23.270 --> 01:02:27.910 Wenn man jetzt kommuniziert zwischen einzelnen Komponenten, ich sagte, 01:02:28.030 --> 01:02:30.750 der Von-Neumann-Rechner ist aufgebaut, dass eine Menge von Komponenten 01:02:30.750 --> 01:02:35.730 über Busse kommunizieren, da muss man sehen, mit diesen Bussen, wie 01:02:35.730 --> 01:02:37.130 die eigentlich kommunizieren können. 01:02:37.130 --> 01:02:40.330 Sie haben jetzt hier N-Geräte, die wollen alle was schreiben. 01:02:41.690 --> 01:02:42.970 Das ist schwierig. 01:02:43.150 --> 01:02:44.430 Das ist eine elektrische Leitung. 01:02:45.090 --> 01:02:48.450 Diese Leitung wird auf 1 oder 0 gesetzt, die einzelne Bit-Leitung. 01:02:49.190 --> 01:02:51.590 Und dann ist die gesamte Leitung auf 1 oder auf 0. 01:02:52.450 --> 01:02:55.090 Diese Information verbreitet sich über den ganzen Bus. 01:02:55.950 --> 01:03:02.050 Das heißt, Sie haben ein sogenanntes Exclusive Right. 01:03:03.050 --> 01:03:05.050 Es kann aber jeder... 01:03:13.190 --> 01:03:14.770 Einer darf schreiben. 01:03:15.930 --> 01:03:24.570 Es können aber alle, die damit verbunden sind, können lesen, was auf 01:03:24.570 --> 01:03:25.290 dem Bus steht. 01:03:26.090 --> 01:03:28.910 Das heißt, wir haben ein Concurrent Read. 01:03:35.620 --> 01:03:39.800 Das ist das Prinzip einer Buskommunikation. 01:03:40.100 --> 01:03:42.020 Concurrent Read, Exclusive Right. 01:03:42.140 --> 01:03:44.420 Einer darf schreiben, alle dürfen lesen. 01:03:45.060 --> 01:03:47.640 Und dann lesen alle und stellen fest, ob sie angesprochen sind oder 01:03:47.640 --> 01:03:48.000 nicht. 01:03:48.160 --> 01:03:51.080 Und der, der angesprochen ist, holt sich die Information, die anderen 01:03:51.080 --> 01:03:54.120 ignorieren die Information, die dort auf dem Bus steht. 01:03:55.120 --> 01:03:59.200 Und jetzt gibt es für die Organisation der Kommunikation über so einen 01:03:59.200 --> 01:04:00.660 Bus verschiedene Regeln. 01:04:00.660 --> 01:04:03.660 Es muss festgelegt werden, wer schreiben darf. 01:04:04.580 --> 01:04:07.540 Und das macht man dann über verschiedene Arten, die auf der nächsten 01:04:07.540 --> 01:04:08.220 Folie kommen. 01:04:08.960 --> 01:04:12.480 Die Bandbreite des Buses ist die Anzahl der Bitleitungen, die parallel 01:04:12.480 --> 01:04:12.920 sind. 01:04:13.720 --> 01:04:17.420 Und der Vorteil ist, dass Sie das einfacher erweitern können. 01:04:17.580 --> 01:04:22.440 Allerdings, der Engpass wird immer größer für die einzelnen 01:04:22.440 --> 01:04:26.480 Komponente, weil immer mehr versuchen, auf diese beschränkte Ressource 01:04:26.480 --> 01:04:26.800 zuzugreifen. 01:04:26.800 --> 01:04:31.100 Wenn nur einer schreiben darf, müssen die anderen alle warten, das ist 01:04:31.100 --> 01:04:31.620 ein Engpass. 01:04:31.760 --> 01:04:32.920 Und das muss man geeignet steuern. 01:04:34.200 --> 01:04:37.700 Und hier sind nochmal die Daten, also die verschiedenen Busarten 01:04:37.700 --> 01:04:38.380 dargestellt. 01:04:39.040 --> 01:04:44.260 Wir haben Datenbus, Adressbus, Steuerbus, Infoneumannrechner, um also 01:04:44.260 --> 01:04:48.320 einerseits die Daten zu übertragen, also zum Beispiel alle Bits eines 01:04:48.320 --> 01:04:49.720 Arbeitsspeicherelementes. 01:04:50.690 --> 01:04:54.960 Wir müssen über den Adressbus die von der CPU berechneten 01:04:54.960 --> 01:04:57.440 Speicheradressen entsprechend übertragen können. 01:04:58.480 --> 01:05:01.800 Und dann haben wir noch einen Steuerbus, der Steuersignale zwischen 01:05:01.800 --> 01:05:04.720 der CPU und anderen Funktionseinheiten vermittelt. 01:05:04.840 --> 01:05:11.400 Also so ein Bus kann eine etwas kompliziertere Struktur sein, um eben 01:05:11.400 --> 01:05:15.520 diese Komponenten in einer Rechnerarchitektur geeignet zu verbinden. 01:05:16.280 --> 01:05:20.000 Und jetzt kommen wir zu der Frage, wie wir eigentlich den Bus zuteilen 01:05:20.000 --> 01:05:22.200 können, also dieses Exclusive Write. 01:05:22.700 --> 01:05:24.020 Wie wird das eigentlich gemacht? 01:05:24.860 --> 01:05:26.720 Und dazu gibt es halt verschiedene Möglichkeiten. 01:05:27.480 --> 01:05:29.960 Sie haben die verschiedenen Komponenten hier in grün angegeben. 01:05:30.440 --> 01:05:34.420 Und es gibt in der Regel eine Steuer- oder Kontrolleinheit, die die 01:05:34.420 --> 01:05:35.760 Übertragung kontrolliert. 01:05:35.860 --> 01:05:39.280 Das ist eine Möglichkeit, zentral das zu machen. 01:05:40.300 --> 01:05:42.700 Eine andere Möglichkeit ist es, das dezentral zu machen. 01:05:44.720 --> 01:05:46.520 Wie funktioniert das? 01:05:46.620 --> 01:05:52.280 Bei der zentralen Buszuteilung würde jeder Teilnehmer eine eigene 01:05:52.280 --> 01:05:58.680 Meldeleitung erhalten und würde der zentralen Einheit melden, wenn er 01:05:58.680 --> 01:05:59.700 was schreiben will. 01:06:01.060 --> 01:06:01.780 Und bzw. 01:06:02.260 --> 01:06:05.380 die Bussteuereinheit könnte auch Teilnehmerwünsche abfragen. 01:06:05.540 --> 01:06:07.440 Das wäre ein besonderes Polling. 01:06:08.440 --> 01:06:12.400 Da würde dann abgefragt werden, ob jemand schreiben möchte. 01:06:13.320 --> 01:06:15.840 Oder man macht eine zyklische Buszuteilung. 01:06:16.500 --> 01:06:22.800 Jeder hat meinetwegen hier irgendeine Zeitscheibe und die dreht sich 01:06:22.800 --> 01:06:23.180 herum. 01:06:24.300 --> 01:06:30.740 Und jeder hat einen Sektor auf dieser Zeitscheibe, einen 01:06:30.740 --> 01:06:34.100 Zeitintervall, in dem er schreiben darf. 01:06:34.100 --> 01:06:37.820 Und dann bekommt jeder mal die Möglichkeit, etwas raufzuschreiben. 01:06:38.400 --> 01:06:43.100 Aber bis zum nächsten Mal muss man warten, bis man wieder dran ist. 01:06:44.180 --> 01:06:47.100 Und dezentral gibt es jetzt auch verschiedene Möglichkeiten. 01:06:48.020 --> 01:06:52.700 Da habe ich zum Beispiel eine gemeinsame Meldeleitung hier angegeben. 01:06:53.960 --> 01:06:56.960 Also in rot die Meldeleitung. 01:06:57.260 --> 01:06:59.720 Die schreiben alle darauf, dass sie schreiben wollen. 01:07:00.320 --> 01:07:02.060 Da können sie auch alle draufschreiben. 01:07:02.440 --> 01:07:04.900 Da habe ich also mehrere Schreibwünsche. 01:07:05.420 --> 01:07:08.560 Das kommt hier an als ein Wunsch zu schreiben. 01:07:10.220 --> 01:07:17.160 Und dann wird ein Verfügbarkeitssignal geschickt an den Ersten in 01:07:17.160 --> 01:07:18.280 dieser Reihe. 01:07:19.060 --> 01:07:21.800 Und wenn der nicht schreiben möchte, dann reicht er das weiter. 01:07:21.900 --> 01:07:23.680 Wenn der nicht schreiben möchte, dann reicht er das weiter. 01:07:24.060 --> 01:07:26.920 Wenn der schreiben möchte, dann schreibt er auf den Bus. 01:07:28.300 --> 01:07:32.760 Der Verschluckt also dann derjenige, der senden will, der verschluckt 01:07:32.760 --> 01:07:36.920 das Verfügbarkeitssignal, gibt am Ende ein Freigabesignal, dass der 01:07:36.920 --> 01:07:39.600 Bus wieder frei ist, und dann können wieder Schreibwünsche geäußert 01:07:39.600 --> 01:07:40.020 werden. 01:07:40.520 --> 01:07:41.660 Und entsprechend geht das wieder los. 01:07:42.140 --> 01:07:44.400 Und wieder möchte der was schreiben, und wieder möchte der was 01:07:44.400 --> 01:07:44.800 schreiben. 01:07:45.120 --> 01:07:47.620 Das heißt, der arme Kerl hier hinten, der bekommt nie das 01:07:47.620 --> 01:07:49.620 Verfügbarkeitssignal abgeliefert. 01:07:50.120 --> 01:07:50.980 Ist ein Nachteil. 01:07:51.620 --> 01:07:57.120 Nicht fair, der würde also keine Möglichkeit haben, etwas zu 01:07:57.120 --> 01:07:57.500 schreiben. 01:07:58.440 --> 01:07:59.440 Das ist nicht so gut. 01:08:00.160 --> 01:08:01.580 Deswegen gibt es noch andere Möglichkeiten. 01:08:02.480 --> 01:08:04.280 Man kann parallel abfragen. 01:08:05.100 --> 01:08:05.780 Wer möchte alles? 01:08:05.860 --> 01:08:08.660 Das ist so ähnlich wie bei dieser zentralen Einheit. 01:08:08.780 --> 01:08:10.320 Jeder hat eine eindeutige Priorität. 01:08:11.340 --> 01:08:14.020 Und der Sender höchster Priorität darf senden. 01:08:14.880 --> 01:08:17.980 Was Priorität ist, kann man festlegen. 01:08:17.980 --> 01:08:22.280 Das kann Wartezeit sein, kann eine andere Komponente sein, eine andere 01:08:22.280 --> 01:08:24.040 Information sein, die eine Rolle spielt. 01:08:24.700 --> 01:08:25.640 Das ist unterschiedlich. 01:08:26.760 --> 01:08:30.340 Und dann gibt es eine zyklische Buszuteilung, bei der das 01:08:30.340 --> 01:08:34.000 Berechtigungssignal durch die Sender hindurchläuft, ein sogenannter 01:08:34.000 --> 01:08:34.700 Token Ring. 01:08:35.560 --> 01:08:41.480 Token Ring ist eine klassische Architektur für lokale Netze, bei denen 01:08:41.480 --> 01:08:45.020 die Verbindungsleitung, die Kommunikationsleitung im Token Ring 01:08:45.020 --> 01:08:46.640 Verfahren weitergegeben wird. 01:08:46.640 --> 01:08:52.320 Das heißt, jeder bekommt hier bei so einem Ring ein, wo die alle 01:08:52.320 --> 01:08:53.080 dranhängen. 01:08:53.980 --> 01:08:56.220 Die wollen alle gerne schreiben. 01:08:56.940 --> 01:09:00.320 Und dann wird eben ein Token, irgendein Signal, wird hier 01:09:00.320 --> 01:09:01.480 weitergegeben. 01:09:01.580 --> 01:09:05.740 Wenn man diesen Token in der Hand hat, dann darf man schreiben. 01:09:06.260 --> 01:09:10.040 Nur einer hat diesen Token, deswegen haben Sie automatisch die 01:09:10.040 --> 01:09:14.140 Möglichkeit, während Sie den Token haben, zu schreiben. 01:09:14.140 --> 01:09:16.080 Danach geben Sie an den Nächsten weiter. 01:09:16.900 --> 01:09:18.840 Das heißt, das ist eine zyklische Zuteilung. 01:09:19.420 --> 01:09:22.320 Jeder, der schreiben will, schreibt, solange er den Token hat. 01:09:22.440 --> 01:09:23.440 Und danach gibt es weiter. 01:09:23.900 --> 01:09:25.480 Das heißt, jeder kommt irgendwann mal dran. 01:09:26.140 --> 01:09:29.940 Das, was wir vorher hatten, dieses Verhungern am Ende des Busses, das 01:09:29.940 --> 01:09:30.920 taucht hier nicht auf. 01:09:31.680 --> 01:09:34.980 Und dann gibt es ein Verfahren, das Sie eigentlich alle im Prinzip 01:09:34.980 --> 01:09:35.860 ständig nutzen. 01:09:36.420 --> 01:09:39.740 Das Verfahren, das dem Ethernet zugrunde liegt. 01:09:39.740 --> 01:09:43.480 Ein sogenanntes Carrier Sense Multiple Access. 01:09:44.280 --> 01:09:45.600 Da passiert Folgendes. 01:09:46.840 --> 01:09:49.000 Etwas, was Sie übrigens ständig sehen können. 01:09:49.400 --> 01:09:55.400 Wenn Sie die Ethernetleitung einstecken, also die Netzleitung 01:09:55.400 --> 01:09:59.440 einstecken in Ihren Rechner, dann sehen Sie ein grünes und ein gelbes, 01:09:59.820 --> 01:10:01.100 so einen gelben Punkt. 01:10:02.100 --> 01:10:05.300 Und das heißt, dadurch wird angedeutet, dass Sie mit dem Netz 01:10:05.300 --> 01:10:09.960 verbunden sind und dass ab und zu mal Probleme auftauchen. 01:10:11.260 --> 01:10:14.640 Und es ist so, dass ein sendewilliger Teilnehmer sendet, falls der Bus 01:10:14.640 --> 01:10:15.520 frei ist. 01:10:15.960 --> 01:10:19.500 Es kann natürlich sein, wenn Sie hier mehrere sendewillige Teilnehmer 01:10:19.500 --> 01:10:22.980 haben, dass die versuchen gleichzeitig zu schreiben. 01:10:24.420 --> 01:10:26.180 Wenn das passiert, gibt es eine Kollision. 01:10:27.260 --> 01:10:29.620 Und dann muss halt die Nachricht nochmal geschickt werden. 01:10:30.200 --> 01:10:32.500 Wenn die es jetzt beide genau gleichzeitig wieder machen würden, wäre 01:10:32.500 --> 01:10:33.000 das schlecht. 01:10:33.000 --> 01:10:36.900 Das heißt, die warten eine zufällige Zeit und schreiben dann wieder. 01:10:37.360 --> 01:10:39.800 Und dann hofft man, dass dann nicht wieder ein Konflikt auftaucht. 01:10:40.320 --> 01:10:43.000 Das ist also Carrier, Send, Multiple Access. 01:10:43.300 --> 01:10:46.840 Jeder darf jederzeit schreiben, aber wenn es einen Konflikt gibt 01:10:46.840 --> 01:10:52.460 dabei, dann wird das angezeigt, dann merkt man, da haben mehrere 01:10:52.460 --> 01:10:56.160 geschrieben, dann muss ich diesen Schreibwunsch wiederholen, warte 01:10:56.160 --> 01:10:59.560 einen Augenblick und dann hofft man, dass beim nächsten Mal nicht 01:10:59.560 --> 01:11:01.660 wieder zwei gleichzeitig schreiben wollen. 01:11:03.380 --> 01:11:07.880 Also, wenn Sie an einer langen Ethernet-Leitung viele Komponenten dran 01:11:07.880 --> 01:11:11.600 haben, ist die Wahrscheinlichkeit dafür, dass mehrere gleichzeitig 01:11:11.600 --> 01:11:12.760 schreiben, natürlich immer höher. 01:11:13.400 --> 01:11:16.300 Das heißt, Sie bekommen dann häufiger Schwierigkeiten mit der 01:11:16.300 --> 01:11:17.020 Übertragung. 01:11:17.620 --> 01:11:20.800 Also die Kollisionserkennung und Behandlung ist hier ganz wichtig, 01:11:21.520 --> 01:11:24.280 sorgt dafür, dass Sie durchaus mit einer hohen Geschwindigkeit 01:11:24.280 --> 01:11:25.000 schreiben können. 01:11:25.760 --> 01:11:30.040 Aber man muss eben die Kollision erkennen, weil man hier einen 01:11:30.040 --> 01:11:32.980 mehrfachen Zugriff erlaubt. 01:11:33.300 --> 01:11:40.080 Das ist so dieses... Carrier, Send heißt halt, der Träger erkennt, ob 01:11:40.080 --> 01:11:43.060 dort mehrere gleichzeitig schreiben wollen oder nicht. 01:11:43.180 --> 01:11:47.060 Oder Sie bekommen Informationen, ob der Bus gerade frei ist. 01:11:47.120 --> 01:11:51.020 Wenn mehrere sehen, der ist frei, dann schreiben Sie halt drauf, 01:11:51.400 --> 01:11:52.000 eventuell. 01:11:52.780 --> 01:11:54.320 Dann kann es eine Kollision geben. 01:11:55.000 --> 01:11:57.060 Dann gibt es ganz andere Technologien. 01:11:57.640 --> 01:12:00.240 Sie können einen optischen Bus haben. 01:12:00.780 --> 01:12:03.860 Ein optischer Bus hat einen großen Vorteil. 01:12:04.740 --> 01:12:08.980 Da haben Sie erstmal sehr schnell und wenn Sie hier Informationen 01:12:08.980 --> 01:12:12.660 reingeben, dann geht die in einer bestimmten Richtung über den Bus. 01:12:13.400 --> 01:12:19.680 Bei einem Draht, den Sie auf ein Potenzial heben, auf 0 oder 1, da 01:12:19.680 --> 01:12:23.660 haben Sie auf dem gesamten Draht, auf der gesamten elektrischen 01:12:23.660 --> 01:12:27.480 Leitung, das gleiche Potenzial, mehr oder weniger. 01:12:28.600 --> 01:12:30.740 Diese Information verbreitet sich über den gesamten Bus. 01:12:31.920 --> 01:12:37.100 Bei einem optischen Bus wird eine Information über den Bus in eine 01:12:37.100 --> 01:12:38.320 gewisse Richtung geschickt. 01:12:38.320 --> 01:12:42.360 Das heißt, der Nächste kann dann hier etwas abgreifen. 01:12:43.100 --> 01:12:46.700 Und es kann auch sein, dass mehrere Informationen gleichzeitig oder 01:12:46.700 --> 01:12:50.500 nebenläufig über diesen Bus laufen, weil sie nacheinander 01:12:50.500 --> 01:12:51.380 raufgeschickt werden. 01:12:51.420 --> 01:12:55.340 Das heißt, Sie können hier in so einer Art Pipelining auf dem Bus 01:12:55.340 --> 01:12:56.340 Informationen schicken. 01:12:56.480 --> 01:12:58.080 Sie können mehrere Daten nacheinander schicken. 01:12:58.780 --> 01:13:01.440 Sie haben also diese Pipelining-Möglichkeit. 01:13:02.720 --> 01:13:07.140 Aber, wenn der hier etwas rausschickt und es soll hier hinkommen, dann 01:13:07.140 --> 01:13:11.200 brauchen Sie halt einen Ring, damit das hier dann tatsächlich gelesen 01:13:11.200 --> 01:13:11.900 werden kann. 01:13:12.520 --> 01:13:16.380 Das ist wieder ein Nachteil, aber dafür gibt es auch sehr viele 01:13:16.380 --> 01:13:22.640 unterschiedliche optische Kommunikationsarchitekturen, um über diese 01:13:22.640 --> 01:13:27.100 optischen Möglichkeiten besser zu kommunizieren als mit elektrischen 01:13:27.100 --> 01:13:27.380 Bussen. 01:13:28.340 --> 01:13:32.000 Es ist also nicht einfach nur die Möglichkeit, über einen Bus zu 01:13:32.000 --> 01:13:32.620 kommunizieren. 01:13:32.680 --> 01:13:33.840 Da kann man noch sehr viel mehr machen. 01:13:34.220 --> 01:13:36.200 Sehr interessante Kommunikationstechnologie. 01:13:37.140 --> 01:13:40.340 Sie müssen dann aber die Informationen erstmal von den elektrischen 01:13:40.340 --> 01:13:43.720 Informationen in optische Informationen umwandeln. 01:13:44.280 --> 01:13:45.300 Das dauert lange. 01:13:46.260 --> 01:13:50.300 Das heißt, es lohnt sich nur, wenn Sie dann eben wirklich das wieder 01:13:50.300 --> 01:13:53.920 kompensieren können, durch die höhere Geschwindigkeit der Übertragung. 01:13:54.880 --> 01:13:55.200 Okay. 01:13:56.640 --> 01:14:00.440 Und damit sind wir schon durch diese ersten Teile hier durch. 01:14:01.280 --> 01:14:04.540 Das war also die grundlegende Vorstellung des von-Neumann-Rechners. 01:14:05.220 --> 01:14:09.500 Und jetzt muss man doch mal sehen, dass wir es hier mit einem starken 01:14:09.500 --> 01:14:10.680 Engpass zu tun haben. 01:14:12.020 --> 01:14:16.080 Ich habe Ihnen schon gesagt und dargestellt, bei jeder Ausführung 01:14:16.080 --> 01:14:20.980 eines Befehls, also der Befehl kommt aus dem Speicher, müssen 01:14:20.980 --> 01:14:27.460 Informationen zwischen CPU und Speicher hin- und hergeschoben werden. 01:14:27.860 --> 01:14:32.200 Wir haben also hier einen Engpass, weil wir mehrfach hier hin- und 01:14:32.200 --> 01:14:33.000 herlaufen müssen. 01:14:34.780 --> 01:14:37.740 Und das ist der sogenannte physikalische von-Neumann-Engpass. 01:14:38.960 --> 01:14:43.620 Jetzt wissen Sie, alles was gemacht wird, wird im Rechner so 01:14:43.620 --> 01:14:44.300 ausgeführt. 01:14:44.300 --> 01:14:47.940 Wenn Sie also jetzt ein Programm entwerfen, dann haben Sie im Kopf 01:14:47.940 --> 01:14:50.640 drin, alles was wir tun, ist ein sequenzieller Prozess. 01:14:51.600 --> 01:14:55.180 Also werde ich meine Programme so schreiben, dass dieser sequenzielle 01:14:55.180 --> 01:14:57.040 Prozess bestmöglich abläuft. 01:14:58.380 --> 01:15:01.180 Nun habe ich Ihnen aber gesagt, in den Rechnern heutzutage gibt es 01:15:01.180 --> 01:15:03.820 nicht nur eine CPU, sondern eine ganze Reihe. 01:15:04.480 --> 01:15:09.320 Es gibt nicht nur einen Speicher, es gibt mehrere Funktionseinheiten, 01:15:10.040 --> 01:15:12.320 da kann also einiges auch parallel ausgeführt werden. 01:15:12.320 --> 01:15:16.060 Und auch die Reihenfolge der Befehle ausgeführt werden müssen, ist ja 01:15:16.060 --> 01:15:17.160 vielleicht gar nicht so wichtig. 01:15:18.480 --> 01:15:21.840 Wir hatten gesagt, im Prinzip könnten bestimmte Operationen auch in 01:15:21.840 --> 01:15:25.060 der Reihenfolge verändert werden, kann bei den Gleitpunkt-Operationen 01:15:25.060 --> 01:15:26.980 Probleme machen, aber normalerweise geht das. 01:15:28.160 --> 01:15:34.240 Und das heißt, wenn wir im Kopf die Sequenzialisierung haben, dann 01:15:34.240 --> 01:15:37.460 produzieren wir einen weiteren Engpass in unserem Kopf oder beim 01:15:37.460 --> 01:15:38.900 Entwerfen eines Programms. 01:15:38.900 --> 01:15:42.740 Und das ist das, was man den Intellektuellen von Norman Engpass nennt. 01:15:43.340 --> 01:15:48.680 Wenn wir also in einem Programm zu viel festlegen, wie etwas geschehen 01:15:48.680 --> 01:15:53.480 soll, dann reduzieren wir die Möglichkeiten des Betriebssystems, also 01:15:53.480 --> 01:15:58.000 der Rechnerarchitektur, ein Programm schneller auszuführen, als wir 01:15:58.000 --> 01:16:00.080 das in unserem Kopf haben vorstellen können. 01:16:01.360 --> 01:16:04.620 Und deswegen ist es eben wichtig, dass man im Programm nicht streng 01:16:04.620 --> 01:16:05.660 sequenzialisiert. 01:16:06.280 --> 01:16:09.680 Deswegen haben wir objektorientierte Sprachen oder auch funktionale 01:16:09.680 --> 01:16:13.940 Programmiersprachen, in denen man sagt, was gemacht werden soll, aber 01:16:13.940 --> 01:16:15.480 nicht, wie es gemacht werden soll. 01:16:15.580 --> 01:16:18.760 Wenn Sie in ein Restaurant gehen, sagen Sie auch nicht, wie ein 01:16:18.760 --> 01:16:22.100 Gericht hergestellt werden soll, sondern Sie sagen, was Sie gerne 01:16:22.100 --> 01:16:22.660 essen wollen. 01:16:23.660 --> 01:16:25.240 Und der Koch weiß, wie man das macht. 01:16:25.660 --> 01:16:28.340 Wenn Sie dem genau vorschreiben, wie er es zu tun hat, ist er 01:16:28.340 --> 01:16:29.120 sicherlich unglücklich. 01:16:29.820 --> 01:16:33.500 Also, der Intellektuelle von Norman Engpass, der sollte uns möglichst 01:16:33.500 --> 01:16:36.620 nicht stören in dem Entwurf von Programmen. 01:16:37.100 --> 01:16:45.600 Dafür haben wir dann zum Beispiel die objektorientierten oder die 01:16:45.600 --> 01:16:53.240 funktionalen Programmiersprachen. 01:16:55.580 --> 01:16:58.420 Haben Sie eigentlich festgestellt, dass ich heute an keiner einzigen 01:16:58.420 --> 01:17:00.260 Stelle diesen senkrechten Strich hatte? 01:17:01.000 --> 01:17:03.820 Etwas, was mich immer gestört hat, ich habe einen neuen Rechner. 01:17:04.600 --> 01:17:07.240 Der hat anscheinend auch einen neuen Stift und verbesserte Software. 01:17:07.780 --> 01:17:10.520 Also es gibt doch manchmal Verbesserungen bei den Rechnern, die man 01:17:10.520 --> 01:17:11.220 sich neu kauft. 01:17:13.940 --> 01:17:17.400 Also objektorientierte und funktionale Programmiersprachen, die 01:17:17.400 --> 01:17:23.820 erlauben es, etwas zu schreiben, was getan werden soll und nicht so 01:17:23.820 --> 01:17:25.540 sehr, wie es getan werden soll. 01:17:25.980 --> 01:17:29.180 Manchmal wollen wir auch genau sagen können, wie es getan wird. 01:17:29.560 --> 01:17:31.720 Genauso wie ich Ihnen sagte, bei der Hardware wollen wir manchmal 01:17:31.720 --> 01:17:35.560 genau sagen, wie Komponenten nebeneinander liegen sollen, damit wir 01:17:35.560 --> 01:17:37.940 Kontrolle haben über die Datenlaufzeit. 01:17:38.620 --> 01:17:41.720 Aber häufig ist uns das egal und es kommt uns nur darauf an, dass 01:17:41.720 --> 01:17:42.700 etwas getan wird. 01:17:44.240 --> 01:17:48.300 Und jetzt gibt es eine ganze Reihe von Möglichkeiten, den von Neumann 01:17:48.300 --> 01:17:52.780 -Engpass zu vermeiden, indem man bereits auf Hardware-Ebene 01:17:52.780 --> 01:17:54.840 Datenstrukturen zulässt. 01:17:55.220 --> 01:17:59.400 Also zum Beispiel Felder oder Listen oder Bäume. 01:17:59.400 --> 01:18:02.820 Also ich kann meinetwegen hier irgendein Feld haben und ich kann 01:18:02.820 --> 01:18:06.260 sagen, das ist eine Datenstruktur und da sind die einzelnen 01:18:06.260 --> 01:18:10.040 Komponenten direkt zugreifbar und das ist eine Einheit. 01:18:10.820 --> 01:18:15.540 Das ist nicht ein 32-Bit-Wort, sondern irgendeine größere Einheit, ein 01:18:15.540 --> 01:18:18.440 Array oder ein Vektor entsprechend angegeben. 01:18:18.440 --> 01:18:21.560 Oder ich habe eine Liste und da habe ich meinetwegen immer 01:18:21.560 --> 01:18:26.540 Verknüpfungen von einem zum nächsten Element und so weiter. 01:18:27.660 --> 01:18:32.040 Eine sequenziell durchlaufende Liste oder ich habe eine Baumstruktur 01:18:32.040 --> 01:18:39.580 und das sollte möglichst als eine Einheit im Rechner adressierbar 01:18:39.580 --> 01:18:41.900 sein, Hardware-mäßig adressierbar sein. 01:18:42.400 --> 01:18:45.840 Das ist bei Bäumen schon schwierig, bei Arrays und bei Listen durchaus 01:18:45.840 --> 01:18:47.000 machbar. 01:18:47.780 --> 01:18:52.820 Das heißt im von Neumann Rechner habe ich diese Strukturen, Quatsch, 01:18:52.880 --> 01:18:54.940 in höheren Programmiersprachen habe ich diese Strukturen. 01:18:55.440 --> 01:19:00.140 Beim von Neumann Rechner wird das alles abgebildet auf eine Folge von 01:19:00.140 --> 01:19:01.860 Informationen im Speicher. 01:19:02.420 --> 01:19:06.420 Und das muss man vermeiden, indem man eben diese semantische Kluft 01:19:06.420 --> 01:19:06.900 vermeidet. 01:19:06.980 --> 01:19:11.920 Ich möchte gerne Hardware haben, die auch größere oder komplexere 01:19:11.920 --> 01:19:14.720 Objekte direkt übernehmen kann. 01:19:15.740 --> 01:19:20.600 Sie wissen, wenn Sie in Java etwas schreiben oder ein Objekt haben, 01:19:20.740 --> 01:19:25.000 das wollen Sie weitergeben, dann wird es zur Übertragung serialisiert. 01:19:25.660 --> 01:19:28.560 Die ganze Struktur geht dann verloren, Sie haben eine Folge von 01:19:28.560 --> 01:19:32.000 Informationen und der Empfänger muss daraus wieder das Objekt 01:19:32.000 --> 01:19:32.800 konstruieren. 01:19:33.800 --> 01:19:37.120 Das ist sowas ähnliches, dass Sie da also die Struktur erst mal 01:19:37.120 --> 01:19:41.180 vergessen auflösen müssen, um eine sequenzielle Übertragung zu 01:19:41.180 --> 01:19:41.720 ermöglichen. 01:19:42.900 --> 01:19:44.660 Also, das ist die Alternative. 01:19:45.360 --> 01:19:50.380 Wir haben eine Typerkennung auf Hardware-Ebene und können dann auf 01:19:50.380 --> 01:19:53.220 Komponenten direkt zugreifen. 01:19:54.460 --> 01:19:59.100 Und das geht zum Beispiel für ganze Zahlen, Gleitpunktzahlen, komplexe 01:19:59.100 --> 01:19:59.460 Zahlen. 01:19:59.820 --> 01:20:03.240 Komplexe Zahlen bestehen ja aus zwei Gleitpunktzahlen, also aus zwei 01:20:03.240 --> 01:20:04.560 reellen Zahlen. 01:20:04.560 --> 01:20:09.720 Wenn Sie die als vierfache Genauigkeit haben, dann haben Sie also bei 01:20:09.720 --> 01:20:16.500 einer komplexen Zahl acht mal 32 Bit, um eine komplexe Zahl 01:20:16.500 --> 01:20:17.220 darzustellen. 01:20:18.320 --> 01:20:21.420 Das sind schon relativ große Speicherinhalte. 01:20:21.540 --> 01:20:26.520 Oder Sie geben ganze Vektoren oder Matrizen als Objekte an, können Sie 01:20:26.520 --> 01:20:29.800 in Programmiersprachen zum Teil direkt so verwenden. 01:20:29.800 --> 01:20:35.240 Oder Sie haben verkettete Listen, Schlange, Keller, irgendeine Datei 01:20:35.240 --> 01:20:36.300 oder irgendein Objekt. 01:20:36.380 --> 01:20:39.880 Das wird natürlich immer schwieriger, das direkt auf Hardware-Ebene zu 01:20:39.880 --> 01:20:40.540 unterscheiden. 01:20:41.040 --> 01:20:42.860 Da wird die Hardware etwas komplizierter. 01:20:44.020 --> 01:20:49.020 Und wenn ich einen Vektor habe, Vektordatentyp, dann habe ich also zum 01:20:49.020 --> 01:20:53.480 Beispiel hier einen Vektor, das sind die Komponenten eines Vektors. 01:20:54.820 --> 01:21:00.800 Und der hat eine Basisadresse, dann habe ich die Anzahl der Elemente 01:21:00.800 --> 01:21:05.440 in meinem Vektor und ich muss sagen, was habe ich hier für einen 01:21:05.440 --> 01:21:06.400 Datentyp drin stehen. 01:21:07.480 --> 01:21:12.760 Und jetzt will ich gerne auf den Vektor zugreifen. 01:21:13.420 --> 01:21:17.020 Dann brauche ich nur anzugeben, das ist ein Vektor, das steht an der 01:21:17.020 --> 01:21:21.560 Stelle B und hat A Elemente, Datentyp D. 01:21:22.040 --> 01:21:24.300 Dann kann ich damit auf alle diese Elemente zugreifen. 01:21:24.300 --> 01:21:30.020 Und wenn ich jetzt zum Beispiel zwei solche Vektoren habe, dann kann 01:21:30.020 --> 01:21:36.960 ich die schicken zu einer Einheit, die meinetwegen die beiden addiert. 01:21:37.680 --> 01:21:43.880 Und wenn ich also weiß, ich habe Vektoren, dann kann ich also 01:21:43.880 --> 01:21:49.860 einerseits den Vektor insgesamt übertragen und ich kann anschließend 01:21:49.860 --> 01:21:54.600 Vektor -Operationen ausführen, indem ich im Pipelining-Verfahren diese 01:21:54.600 --> 01:21:57.260 ganzen Additionen mache, wenn das reelle Zahlen sind. 01:21:57.360 --> 01:22:01.620 Wir wissen, eine reelle Zahl, wenn die addiert wird, dauert das etwas 01:22:01.620 --> 01:22:02.000 länger. 01:22:02.780 --> 01:22:07.420 Dazu habe ich dann hier eine Gleitpunkteinheit, die im Pipelining 01:22:07.420 --> 01:22:10.280 -Verfahren die Addition schnell macht. 01:22:10.400 --> 01:22:13.320 Das heißt, die kann in jedem Takt eine neue Zahl dort einlesen, 01:22:13.660 --> 01:22:17.160 braucht eine ganze Zeit, um dann die Addition durchzuführen. 01:22:17.160 --> 01:22:21.320 Aber hier unten kommen dann in genau dem gleichen Takt die Ergebnisse 01:22:21.320 --> 01:22:22.540 entsprechend raus. 01:22:22.700 --> 01:22:26.060 Also zwei Vektoren zu addieren mit einer geeigneten Vektor 01:22:26.060 --> 01:22:28.280 -Recheneinheit geht sehr schnell. 01:22:29.140 --> 01:22:33.140 Genauso schnell, als wenn Sie zwei Zahlen einzeln addieren bzw. 01:22:33.480 --> 01:22:36.100 mit der einzelnen Werte kommen, ganz schnell dort raus. 01:22:36.960 --> 01:22:39.660 Das wird in Vektorrechnern verwendet, das ist also das Geheimnis 01:22:39.660 --> 01:22:43.520 hinter Vektorrechnern, dass dort die Daten als Vektoren abgelegt sind 01:22:43.520 --> 01:22:46.780 und dass häufig solche Vektor-Operationen in technisch 01:22:46.780 --> 01:22:48.360 -wissenschaftlichen Anwendungen vorkommen. 01:22:48.920 --> 01:22:52.460 Und deswegen sind Vektorrechner so die ersten Superrechner gewesen, 01:22:52.600 --> 01:22:54.680 die schnell sein konnten. 01:22:55.440 --> 01:23:00.520 Dann gibt es die Möglichkeit, assoziativ zuzugreifen auf Daten. 01:23:01.280 --> 01:23:05.200 Völlig anderes Konzept des Zugriffs auf Daten. 01:23:05.200 --> 01:23:06.900 Was passiert hier? 01:23:07.680 --> 01:23:12.880 Wir haben unseren Speicher, der hat N Speicherzellen. 01:23:14.120 --> 01:23:19.260 Und jetzt sagen wir, wir suchen nach irgendeiner Bit-Kombination. 01:23:20.560 --> 01:23:23.860 Da steht das Werte drin im Suchregister und wir maskieren bestimmte 01:23:23.860 --> 01:23:24.920 Werte dort hinaus. 01:23:25.100 --> 01:23:29.200 Also wir sagen, das was im Suchregister steht an den letzten drei 01:23:29.200 --> 01:23:32.580 Positionen ist das, wonach ich suche. 01:23:32.580 --> 01:23:36.560 Und diese Information wird jetzt verknüpft mit allen Speicherzellen 01:23:36.560 --> 01:23:37.380 gleichzeitig. 01:23:38.300 --> 01:23:42.020 Und dann sehe ich also, aha, hier habe ich einen Treffer und 01:23:42.020 --> 01:23:44.480 vielleicht noch mehr, aber da habe ich einen Treffer und da unten habe 01:23:44.480 --> 01:23:45.180 ich auch einen Treffer. 01:23:45.820 --> 01:23:49.780 Und dann steht in dem Vergleichsindikator anschließend, hier oben eine 01:23:49.780 --> 01:23:52.800 1, da steht eine 1, da steht eine 1. 01:23:52.800 --> 01:23:59.520 Und ich habe mit einem Schritt, mit einem assoziativen Vergleich alle 01:23:59.520 --> 01:24:04.520 Speicherelemente verglichen mit diesen drei Bits und festgestellt, an 01:24:04.520 --> 01:24:08.360 welchen Stellen jetzt diese drei Bits einen Treffer hatten. 01:24:09.240 --> 01:24:12.040 Und dann kann ich damit weitermachen, kann Operationen darauf 01:24:12.040 --> 01:24:13.100 ausführen und ähnliches. 01:24:14.100 --> 01:24:16.920 Das kann man sogar so weit führen, dass man sagt, ich führe 01:24:16.920 --> 01:24:22.240 Operationen an allen Stellen aus im Speicher direkt, in denen 01:24:22.240 --> 01:24:24.160 bestimmte Daten drinstehen. 01:24:24.960 --> 01:24:28.880 Ich kann also assoziativ rechnen, das heißt, ich adressiere 01:24:28.880 --> 01:24:35.640 Speicherzellen nicht über die Adresse, sondern über ihren Inhalt. 01:24:36.680 --> 01:24:40.960 Das ist der wesentliche Punkt, ich habe mir den Inhalt angeschaut und 01:24:40.960 --> 01:24:45.940 ich habe also diese drei Speicherzellen gleichzeitig adressiert über 01:24:45.940 --> 01:24:48.200 den Inhalt, der in ihnen gespeichert ist. 01:24:48.660 --> 01:24:52.480 Und ich adressiere den Inhalt nicht über eine Adresse, sondern über 01:24:52.480 --> 01:24:53.420 den Inhalt. 01:24:54.420 --> 01:24:58.100 Damit kann ich also deutlich mehr machen, offensichtlich habe ich hier 01:24:58.100 --> 01:25:02.920 aber auch einen deutlich höheren Aufwand, um einen solchen 01:25:02.920 --> 01:25:04.860 assoziativen Speicher zu realisieren. 01:25:04.860 --> 01:25:10.780 Die sind durchaus verfügbar, zum Teil als direkte Hardware oder in 01:25:10.780 --> 01:25:13.460 logischer Form, werden dann irgendwie so umgesetzt. 01:25:14.160 --> 01:25:20.360 Also man kann das machen, man kann also Suchvorgänge so ausführen und 01:25:20.360 --> 01:25:22.340 sie brauchen dafür diese komplexe Logik. 01:25:23.320 --> 01:25:27.180 Man kann auch einen ganzen Rechner auf die Art und Weise aufbauen, ist 01:25:27.180 --> 01:25:32.400 auch mal gemacht worden, sogar von einem früheren Mitarbeiter von mir. 01:25:32.920 --> 01:25:36.400 Sie können auch neuronale Netze, wir reden heute über Deep Learning, 01:25:37.140 --> 01:25:40.340 Sie können auch neuronale Netze als eine Art assoziative Speicher 01:25:40.340 --> 01:25:44.760 auffassen, weil Sie dort Informationen reingeben und dann über das, 01:25:44.860 --> 01:25:50.180 was in Ihrem neuronalen Netz gespeichert ist, bestimmte Informationen 01:25:50.180 --> 01:25:52.480 ansprechen und dann Ergebnisse rausbekommen. 01:25:52.480 --> 01:25:58.380 Da müssen Sie nicht Punkte adressieren in Ihrem neuronalen Netz, 01:25:58.680 --> 01:26:02.120 sondern Sie geben die Informationen hinein und es werden die 01:26:02.120 --> 01:26:06.180 entsprechenden Stellen im neuronalen Netz aktiviert, die Ihnen die 01:26:06.180 --> 01:26:08.320 Ausgabe am Ende liefern. 01:26:08.320 --> 01:26:14.180 Das ist also Assoziativ-Speicher und dann sind eben Cache-Speicher, 01:26:14.400 --> 01:26:17.500 auf die wir nächstes Mal noch genauer eingehen werden, noch weitere 01:26:17.500 --> 01:26:24.300 Assoziativ -Vorgänge, Speicher-Zugriffsstrukturen realisiert. 01:26:24.520 --> 01:26:28.100 Das werde ich Ihnen nächstes Mal dann vorstellen, wenn wir uns dann 01:26:28.100 --> 01:26:31.560 mit der Speicherhierarchien oder Speicherstrukturen beschäftigen. 01:26:32.060 --> 01:26:34.680 Nächstes Mal werden wir uns zunächst anschauen, Konzepte der 01:26:34.680 --> 01:26:35.580 Parallelverarbeitung. 01:26:35.580 --> 01:26:38.020 Ich danke Ihnen für die Aufmerksamkeit, das war's für heute.