Rechnerorganisation

Martin Steffen Wintersemester 2003/04

Rechnerorganisation

Abschnitt I Funktionsweise auf Aufbau von Rechnern

Inhalt: Geschichtliches · von Neumann Architektur · CPU · Speicher und Speichergrößen

Wintersemester 2002/03 Lehrstuhl für Softwaretechnologie

Geschichte des Computers

• lange Vorgeschichte von Rechenhilfen, aber keine “Computer” im modernen Sinne

• Charles Babbage (1791-1871): Differential Engine, Analytical Engine (nicht realisiert). Ada Lovelace: Gedankenspielereien zu “Software”

• Konrad Zuse: 1936 Z1: mechanisches, programmgesteuertes Rechnengerät • Howard H. Aiken: Mark I (1944): elekromechanischer Rechner

• 1946: ENIAC: Erster ”elektronischer“ Rechner (Röhren)

• John von Neumann: 1946: Prinzip der frei-programmierbaren Rechners

• Alan Turing: Theoretische Grundlagen (Turingmaschine), Rechenmachinen zum Entschlüsseln

• …

1. Funktionsweise auf Aufbau von Rechnern 2 Wintersemester 2002/03 Lehrstuhl für Softwaretechnologie

Prinzipien der Von Neumann-Architektur

Prinzipien des Rechners wurden bereits früh formuliert: John von Neumann:

Ein Computer besteht aus Steuerwerk, Rechenwerk, Speicher, und den Ein- /Ausgabegeräten Steuerwerk = CPU. Rechenwerk = ALU, Croprozessoren, verschiedene Speicherebenen.

Die Struktur des Computers muß unabhängig vom zu bearbeiteten Problem sein Im Speicher befinden sich Daten und das Programm Heute meist mehrere Programme gleichzeitig

Der Speicher ist in Zellen gleicher Größe unterteilt und fortlaufend nummeriert gilt im wesentl. unverändert (virtuelle Adressierung)

Das Programm besteht aus einer Folge von Befehlen, die nacheinander aufgeführt sind. Die Ausführung eines Sprunges kann von gespeicherten Werten abhängig gemacht werden Die Maschine benutzt Binärcodes.

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Schematische Architektur

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CPU

• CPU

– Central processing unit: “Prozessor”= da wo die Arbeit gemacht wird

– Integrierte Schaltungen = “Chip”^{1}

– Taktrate = Anzahl der elementaren Operationen pro Sekunde (gemessen in Hz, heutzutage eher MHz und bereits GHz)

• Bekannte Hersteller: Intel, AMD

• Beachte: Taktrate bestimmt nicht alleine die Geschwindigkeit des Rechners

• Spezialprozessoren und Ko-Prozessoren für Spezialaufgaben

1Es gibt natürlich auch Speicherchips.

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Speicherhierarchie (abstrakt)

• Speicher = Hardware zum Aufbewahren von Daten

• Es gibt nicht einen monolithischen Speicher, sondern eine Hierarchie, unterschieden nach

– Speicherkapazität

– Geschwindigkeit

– Preis

– ”Nähe“ zur CPU

– flüchtig oder dauerhaft

– Zugriffsarten ∗ nur lesbar (ROM), les- und schreibbar

∗ Wahlfreier Zugriff (RAM), sequentieller Zugriff (Magnetband)

– physikalische Speicherprinzipien

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Speicherhierarchie

• Speicherstufen, aufsteigend nach Größe:

– Register: sehr klein/schnell, flüchtig

– Cache:^{2} flüchtig

– Hauptspeicher: flüchtig, Speicher in dem der Prozessor die für das laufende Programm benötigten Daten hält (oder zumindest zu halten versucht …)

– Festplattenspeicher: Permanent, enthält das Dateisystem (siehe Abschitt III)

– Hintergrundspeicher (zum Archivieren, d.h., permanent): Bänder, Zip, …

• Sonderspeicher:

– Videospeicher (flüchtig),

– Floppy: am Aussterben

– CD-Rom, beschreibbare CD, …

2manchmal mehrstufig

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Bits und Bytes

• Datenmenge werden in Bits^{3} gemessen, beziehungsweise in 8er-Gruppen von bits = Byte

1 bit = “binary digit” = 0 oder 1
Byte = 8 Bit
1 KByte = 1024 Bytes (ca. 1000 bytes)
1 Megabyte (MB) = 1 048 576 Bytes (ca. 1 Mio bytes)
1 Gigabyte (GB) = 1 073 741 824 Bytes
⋮

3Das Binärsystem, also das 2er System, ist schon recht alt, es wurde 1679 von Leibniz erfunden.

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Speicherkapazitäten

Medium  Kapazität (ca.)
1 Schreibmaschinenseite 2 KB
Diskette (“Floppy”)  1 MB
Hauptspeicher  100MB
Festplatte  10 GB
Magnetband  2 GB und mehr
Audio-CD/CD-Rom  ca. 1GByte
DVD  20 Gbyte
menschl. Gehirn  10^{15} Bytes (geschätzt)

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Hard/Software im System

• Hardware: alles was man anfassen kann, der Rest = Software/die Programme^{4}

• grob: folgende Schichten im einem Rechner

Anwenderprogramme Fenstersystem …
Compiler Editoren Kommandointerpreter

Betriebssystem Maschinensprache Mikroprogrammierebene Physikalische Hardware

4Die Grenzen sind nicht ganz so eindeutig.

Abschnitt II Dateisystem

Inhalt: Dateien und Dateiformate · Organisation · spezielle Verzeichnisse · Navigation durch die Struktur · Veränderung der Verzeichnisstruktur

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Dateien

• Datei (engl. file) = zusammenhängende Menge gespeicherter Daten

• mögliche Inhalte: Text, Programm, Programmcode, Musik, Bilder, …

• Typ der Datei bestimmt Bearbeitungsart (z.B. Musikdateien wird man nicht anschauen, sondern abspielen/anhören)

• Typ: gekennzeichnet per Konvention durch bestimmte Dateiextensionen^{5}

• z.B., datei.txt kennzeichnet eine Textdatei, weitere Beispiele folgen am Nachmittag

• Extensionen können kombiniert werden datei.ps.gz

5In Dateibrowsern in graphischen Oberflächen werden, gemäß den Extensionen, die verschiedenen Typen durch mehr oder minder selbsterklärende Bildchen/Icons symbolisiert.

2. Dateisystem 12 Wintersemester 2002/03 Lehrstuhl für Softwaretechnologie

Organisation der Dateien: der Verzeichnisbaum

• hierarchische Strukturierung als Baum von Verzeichnissen

• Verzeichnis:^{6} enthält Menge von Dateien und (Unter)-Verzeichnissen

• Verzeichnis ≈ Spezialform einer Datei^{7}

• Pfad:

– “Weg” durch den Baum ⇒Lokalisierung von Dateien/Verzeichnissen

– Trenner der Verzeichnisse: durch Schrägstrich (“slash”):^{8}/

• Wurzel des Baumes (“root”-Verzeichnis), gekennzeichnet durch:

                                /

6Englisch: directory, beim Macintosh auch als Ordner bekannt. 7der Vollständigkeit halber: Un*x kennt vier prinzipielle (aus Sicht des Betriebssystems unterschiedliche) Klas-

sen von Dateien: normale Dateien, Verzeichnisse, Pipes und Devices. Wenn wir von ”Datei“ reden, werden wir im folgenden Datei im engeren Sinne meinen, keine Verzeichnisse etc.

8Bei DOS wird der umgekehrte Schrägstrich (“backslash”) zum selben Zweck verwendet.

2. Dateisystem 13 Wintersemester 2002/03 Lehrstuhl für Softwaretechnologie

Typische Struktur eine Verzeichnisbaumes

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Je nach “Browser”: verschiedene Sichten (1)

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Je nach “Browser”: verschiedene Sichten (2)

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Homeverzeichnis

• jede Benutzer: Portion des Plattenplatzes^{9} = sein Teilbaum des Gesamtbaumes ⇒

• Einstiegspunkt = Heimatverzeichnis (“home” oder “home-directory”)

• Beispiel: User kurs001 ⇒

/home /kurs001 /

bezeichnet das entsprechende Home,

                   /home/kurs001/texte/ und
           /home/kurs001/texte/seminararbeit.ps

ein Unterverzeichnis (vermutlich mit verschiedenen Texten) bzw. eine Datei, vermutlich die Postscriptdatei einer Seminararbeit

9Der einem von der Administration zugeteilte Anteil des Plattenplatzes heißt Quota, mit dem Befehl quota kann man sich über die Größe informieren.

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Arbeitsverzeichnis

• aktuelles Verzeichnis (wo man “sich gerade befindet”): Arbeitsverzeichnis (working directory)

• Default/nach dem Einloggen: = Homeverzeichnis

• Anzeigen des Arbeitsverzeichnisses mittels

                                pwd

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Absolute und relative Pfadnamen

• 1. absolut = Pfad von der Wurzel aus

2. relativ = Pfad vom Arbeitsverzeichnis aus

• Spezialverzeichnisse:

Abkürzung Bedeutung
.  ”Hier“, Arbeitsverzeichnis
..  ”eins hoch“, übergeordnetes Verzeichnis

~benutzer Homeverzeichnis von benuzer (i.d.R.= /home/benutzer)

• 1. absolut

/home /kurs001 /t e x t e /

2. relativ (ohne / zu Beginn). Angenommen, man befindet sich in /home/-

kurs001/Mail, dann bezeichnet

. . /t e x t e /

das absolute Verzeichnis /home/kurs001/texte

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Einfache Orientierung & Navigation

• Wo bin ich?: pwd^{10} zeigt den absoluten Pfad des Arbeitsverzeichnisses

• Inhalt eines Verzeichnisses?: ls <verzeichnis>^{11}

• Abkürzung: nur ls: listet das aktuelle Arbeitsverzeichnis

• Wechsel des Verzeichnisse: cd^{12}

                        cd <verzeichnis>

– Abkürzung: cd = cd ~ = in’s Homeverzeichnis wechseln

10print working directory 11ls = list. Es entricht dem DOS-Kommando dir. Der Befehl hat eine Reihe von Optionen, mit der man weitere

Informationen (Zugriffsrechte, Dateigröße, Besitzer …) bekommen kann. Man kann den Befehl auch auf ein einzelne Dateien, nicht nur Verzeichnisse anwenden.

12change directory. Genaue Verwendung bitte selbst nachschlagen.

2. Dateisystem 20 Wintersemester 2002/03 Lehrstuhl für Softwaretechnologie

Veränderung der Dateistruktur

• Anlegen von neuen Dateien: meist mittels allgemeiner/spezieller Editoren

• Auf dem Übungszettel: ein paar einfache Möglichkeiten zur Dateierzeugung

• Achtung! Nach dem Löschen sind die Daten weg

Befehl Beispiel  Erklärung
cp  Kopieren

        cp <datei1> <datei2>
        cp <datei1> <verzeichnis>

mv  “move”

        mv <datei1> <datei2>
        mv <datei1> <verzeichnis>

rm      rm <datei>  “remove”: Datei löschen

rmdir rmdir <verzeichnis> “remove directory”: Verzeich-

nis löschen

        mv <datei1> <verzeichnis>

mkdir mkdir <verzeichnis> “make directory”: neues Verzeichnis anlegen

Wintersemester 2002/03 Lehrstuhl für Softwaretechnologie 2. Dateisystem 22

Abschnitt III Betriebssystem

Inhalt: Aufgaben · Geschichte · Begriffsklärung

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Aufgaben des Betriebssystems

• Resourcenverwaltung

• Resource = – Zeit (Stichwort Multitasking, Multiuserbetrieb)

– Speicherverbrauch (Festplatten, Hauptspeicher)

– Zuteilung und Verwaltung von I/O-Resourcen (Drucker, Tastatur, Bild-

schirm, Maus, (Daten-)Netzanschlüsse …)

• Verbergen der Hardware (Abstraktion) inbesondere Dateisystem

• Schutz

• Plattform/einheitliche Schnittstelle für Anwenderprogramme

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Geschichte der Betriebssysteme

• bis ca. 1955: keinerlei Betriebssysteme

• 1955-65: Batch-Systeme (HW: Transistoren, Lochkarten/Magnetbändern als E/A)

• 65-80: Multiprogramming und Time-sharing-Betrieb (Interaktiv) auf Großrechnern (IBM360), Ursprung von Un*x: ca. 1970^{13}

• Nach 1980:

– Aufstieg des PC: DOS, Windows95 und seine Nachfolger^{14}

– Verbreitung von lokalen Netzen (verteilte Betriebssysteme), Internet

• Zukunft: eingebettete Systeme? Netcomputer? …

13Man schreibt oft Un*x anstelle Unix, denn Unix ist ein geschütztes Markenzeichen von Bell Corp. Mit Un*x meint man alle Unixe — oder Unices, wie die Lateiner sagten — z.B. Berkely, BSD, Solaris, System V, HPUX, und auch die verschiedenen Linux-Abkömmlinge.

14Natürlich gibt’s auch noch MAC-OS, und OS-2 &c

3. Betriebssystem 25 Wintersemester 2002/03 Lehrstuhl für Softwaretechnologie

Multitasking/Multiuser/Timesharing

• Heutzutage: Betriebssystem abeitet viele Dinge (scheinbar) gleichzeitig ab^{15} • Illusion der Gleichzeitigkeit durch schnelles/geschicktes Hinundherjonglieren

der zu bearbeitenden Aufgaben (Multitasking)

• inbesondere langsam: die menschlichen Reaktionen (Tastatur, Maus) und überhaupt E/A: ⇒ interaktives Verhalten für mehrere Benutzer möglich

• Mehrbenuzterbetrieb: erhöhte Anforderungen an Sicherheit (z.B. Trennung der Speicherbereiche etc.)

15Nur scheinbar, wenn man nur einen Prozessor besitzt. Letzten Endes ist es (fast) nur eine von-Neumann Maschine, und von Neumann hat u.A. gesagt: ein Befehl nach dem anderen.

3. Betriebssystem 26

Abschnitt IV Sonstiges

Inhalt: Hilfe im System · Disketten · Drucken

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Das Wichtigste überhaupt: Hilfe im System

• primäre Hilfe zu einzelnen Befehlen: Manual-Pages:

                      man <command> oder xman

die manpages zeigen kurz die Verwendung des jeweiligen Befehl (Liste der Optionen) und oft ein paar Standardbeispiele

• Info-System im emacs oder xemacs^{16}

– Info-Information i.d.R. ausführlicher als manpages,

– Manche (größere) Pakete verwenden Info-pages als primäre Nachschlagequelle

• Internet

– bei lokale Problemen: FAQs des Instituts

16Emacs/Xemacs steht erst übermorgen auf dem Kursprogramm. Die Info-Seiten bekommt man auch mit xinfo.

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Diskettenbenutzung

• bequeme Sammlung von Programmen zur Diskettenbenutzung: mtools

• verwendet DOS-Dateiformat ⇒brauchbar zum Datentransport zwischen^{17}DOS↔ Un*x

mformat a:  Floppy formatieren (d.h., inbesondere auch löschen!!)
mcopy datei.txt a:  auf Floppy kopieren
mcopy a:* .  alles von Floppy ins System kopieren
mdel a:datei.txt  Datei auf Floppy löschen
mdir a:  Verzeichnis (directory) anzeigen
eject  Auswurf der Diskette

17Es gibt (neben unterschiedlichen Filesystemen) einen Unterschied zwischen Textdateien in beiden Systemen: die Darstellung der “Neuen Zeile”. Unter Un*x erkennt man eine DOS-generierte Textdatei daran, daß lauter ^M durch die Datei gesprenkelt sind. dos2unix und unix2dos sind zwei Konvertierungskommandos, die man in dem Zusammenhang brauchen kann, falls einem der Editor die Angelegenheit nicht ohnehin ausbügeln hilft. Alternativ ist die Option -t von mcopy hilfreich.

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Drucken

• Arten von Drucker: Tintenstrahl/Laser

• Leider: im Kurs drucken nicht möglich, keine Übungen dazu …

• Voreingestellt pro Rechner (i.d.R): Standarddrucker (=der nächste erreichbare)

• Druckkommando: lpr <datei>^{18}

• Druckbar: Text (=“Ascii”), Postscript

• viele Tools: print-Button

• Vorsicht bei Folien: falsche Kombination von Folien/Drucker kann den Drucker beschädigen

18lp ist eine Alternative

4. Sonstiges 30

Abschnitt V Dateisystem (II)

Inhalt: Rechte und Privilegien · Spezielle Dateiformate

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Un*x-Rechte

• drei Dinge, die man mit Dateien machen kann

1. Lesen (r für read) Anschauen, kopieren

2. Schreiben (w für write): Verändern, Überschreiben

3. Ausführen (x für execute): Programme aufrufen/laufen lassen

• Verzeichnis = Sonderform einer Datei ⇒

– Lesen: Inhalt mittel ls anzeigen lassen

– Schreiben = Verzeichnisstrukur ändern d.h., neue Dateien/Unterverzeichnisse anlegen/löschen

– Ausführen = in das Verzeichnis wechseln (mittels cd)^{19}

19Beachte: Lesen eines Verzeichnisses und in das Verzeichnis wechseln sind verschiedene Dinge.

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Benutzerklassen und Un*x-Gruppen

• drei hierarchiche Klassen von Benutzern

1. Benutzer u user
2. Gruppe g group
3. Alle  o others

• Jeder Benutzer gehört einer oder mehrerer Gruppen an, die seine Privilegien festlegen

• z.B. user, student, mitarbeiter, verschiedene administrative Gruppen

• Jede Datei/Verzeichnis hat Zugriffsprivilegien für Lesen/Schreiben/Ausführen getrennt für jede der drei Benutzer

• zwei wichtige Attribute einer Datei: Besitzer (owner) + Gruppe

5. Dateisystem (II) 33 Wintersemester 2002/03 Lehrstuhl für Softwaretechnologie

Un*x-Gruppen (Forts.)

• Anschauen mittels ls -lg (g für ”Gruppe“, l für ”lang“, mit ls -lag bekommt man auch noch sog. unsichtbare Dateien angezeigt, a für ”alle“)

[ms @ sokrates ] > l s −lag
t o t a l 1023
drwxr−xr−x 47 ms  mwpr  2560 Oct 8 1 1 : 4 0 .
dr−xr−xr−x 9 r o o t  r o o t  9 Oct 8 1 3 : 4 4 . .
drwxrwxr−x 11 ms  mwpr  512 Jun 2 0 7 : 2 9 Lehrstuhl
drwx− 5 ms  mwpr  4096 Oct 8 0 8 : 5 1 Mail
drwxr−xr−x 3 ms  mwpr  512 Aug 1 1 0 7 : 5 0 bin
drwxr−x− 8 ms  mwpr  512 Aug 1 7 0 8 : 5 9 papers
drwx− 14 ms  mwpr  1024 Oct 4 0 9 : 3 8 p r i v

• Ändern mittels chgrp und chown^{20}

• jeder Benutzer ist für das Setzen der Rechte selbst verantwortlich

• für Fortgeschrittene: Automatisierung mittels umask-Kommando

20für change group und change owner

5. Dateisystem (II) 34

Dateiformate

Extension Kürzel  Erklärung  Viewer/Bearbeitungsprogramm

*.txt

ASCII einfachstes Textformat

jeder Editor

{*.html, \atop *.htm}  hypertext markup lang. WWW- Dokumente  Browser/Editor

*.ps

Postscript Dokumente, wird von Druckern verarbeitet

                  ghostview, gv

*.pdf  port. document format Dokumente  acroread
*.tex  L^{A}TEX (oder TEX)

*.dvi

“device independant” Ergebnis eines L^{A}TEX-Textes

                  xdvi
{*.jpg, \atop *.gif}

zwei bekannte Bildformate, es gibt noch viele mehr

                  xv

*.fig  Zeicheneditorformat xfig

{*.gz \atop *.Z}

komprimierte Datei (mit Hilfe von

gzip oder com-
press

dekomprimieren:

                  gunzip

*.tar  “tape archive”  Archiv  tar

Tabelle 1: Häufige Dateiformate und ihre Extensionen

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Wildcards

• Hilfreiche Notation:

• auf Häufigsten gebraucht: * = “Wildcard”= stellvertretend für beliebiges

• Zur Bezeichnung von Dateien – ls a*: Liste alle Dateien die mit a beginnen

– rm *.ps *.dvi entferne alle postscript und alle dvi-Dateien

Abschnitt VI Interaktion

Inhalt: Kommandointerpreter · Befehle · Unix-Pfad · Sonstiges zur Bash

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Kommandointerpreter: die Shell

• wichtige System-Schnittstelle: Kommandointerpreter, Shell: interaktive Befehlseingabe

• In X-Menues: meist als Xterm benannt^{21}

• es gibt eine Reihe von Un*x-Shells:^{22} Bourne shell (der Urvater), C-Shell, tcshell, Korn shell. Bei uns Bash (“bourne-again shell”)

• Kommando: Textueller Befehl an das System, allgemeines Format

                  <commando> <optionen> <file>

• Optionen sind oft optional, verfügbare Optionen hängen vom Befehl ab (die manpages geben jeweils Auskunft)

21X-Terminal = ein Fensterrahmen um einen Kommandointerpreter herum 22Die Unterschiede sind für uns unerheblich. Der Benutzer merkt Unterschiede zwichen den Shells nur am

Ausmaß der Bequemlichkeit. In diesem Sinne gibt es bequeme Shells, d.h. solche, bei denen man alte Befehle wiederholen kann und edieren etc., und unbequeme, bei denen man das nicht kann.

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Umgebung

• Benutzerinteraktion unter bestimmten Voreinstellungen (Defaultdrucker? Lieblingseditor? Windowsystem? …)

Umgebung (environment)

• Umgebung

– von Systemadministration (hoffentlich) sinnvoll vorbelegt

– von Benutzer anpassbar/erweiterbar

• Umgebungsvariable:

– anzeigbar mittels env

  – verändern^{23} mittels export <VARIABLE>=<WERT>

• wichtige Umgebungsvariable: PATH

23Umgebungsvariablen sind unabhängig von der Wahl der Shell, aber die Syntax export .. = .. ist bashspezifisch.

Wintersemester 2002/03 Lehrstuhl für Softwaretechnologie

Der Unix-PATH

• Annahme: ausführbare Datei (“Programm”):

                  /usr/local/games/bin/tetris
⇒ Eingabe von /usr/local/games/bin/tetris führt es aus

⇒ Auf Dauer unpraktisch ⇒wichtige Umgebungsvariable PATH

• Aufruf eines Programmes in einem der dort erwähnten Verzeichnisse^{24} Verzeichnisse: der Pfad kann weggelassen werden ⇒Aufruf nur mit tetris

• welches Programm wird aufgerufen: das, welches mit passendem Namen als erstes im PATH gefunden wird (Ausprobieren which <programm>)

24der Wert von PATH ist eine Liste von Verzeichnissen, sie sind durch ein : jeweils getrennt.

6. Interaktion 40 Wintersemester 2002/03 Lehrstuhl für Softwaretechnologie

Sonstiges zur Shell-Anpassung (speziell Bash)

• bei gutverwalteten Systemen: vernünftige Voreinstellungen

• vom Benutzer änderbar

• dauerhafte Änderungen z.B. in ~benutzer/.bashrc^{25}

• Nützliche, einfache Sache: sog. alias

• Beispiel: alias zeigemiralles="ls -lag"

• Falls man das dauerhaft will: einfügen der Zeile ins ~benutzer/.bashrc

25Viele Tools haben bestimmte Steuerdateien, oft verborgene Dateien, das sind die, die mit einem Punkt beginnen und die man mit einem einfachen ls nicht zu Gesicht bekommt. Oft (durchaus nicht immer) enden sie mit dem Kürzel rc, was für resource steht. Wen’s interessiert kann sich das .bashrc anschauen.

6. Interaktion 41