Computer Hardware

Question 1

Was ist der Prozessor und woraus besteht er?

Answer 1

zentrale Recheneinheit (CPU) eines Computers.

Eine CPU besteht mindestens aus einer Kontroll-Einheit (engl.
Control Unit CU), einer ALU und einem Satz an Registern.

Question 2

Komponenten einer CPU

Answer 2

Der Programmzähler: spezielles Register, das die Adresse
des nächsten Befehls enthält. Üblicherweise wird er nach der Ausführung eines Befehls um 1 erhöht.

Stack Pointer: Register, das die Adresse des obersten Elements des Stacks enthält.

Program Status Word (PSW): enthält Statusinformationen
über die Ausführung eines Befehls. Hier finden sich
beispielsweise diverse Statusbits, Prioritätsinformationen, die Interrupt-Maske oder die aktuelle Privilegienstufe.

Question 3

CPU Architekturen

Answer 3

Die CPU Architektur bestimmt, welche Befehle ausgeführt werden können und wie diese Befehle codiert sind.

• RISC (Reduced Instruction Set Computer) besitzt wenige und einfache Befehle. Komplexe Operationen werden aus einfachen Befehlen zusammengesetzt.
• CISC (Complex Instruction Set Computer) besitzt viele und teilweise sehr spezielle Befehle. Komplexe Operationen werden durch dedizierte Befehle ausgeführt, die aber Platz in der CPU verbrauchen.

Question 4

Wie werden Befehle verarbeitet?

Answer 4

1. Fetch: Der Befehl wird aus dem Speicher geladen.
2. Decode: Der Befehl wird dekodiert und die benötigten Operanden aus den Register geladen.
3. Execute: Der Befehl wird ausgeführt.
4. Write Back: Ergebnisse werden zurück in den Speicher geschrieben.

Question 5

Pipelining

Answer 5

Durch Pipelining können die verschiedenen Phasen der
Befehlsausführung parallel ausgeführt werden.

Während der aktuelle Befehl ausgeführt wird, wird der nächste bereits dekodiert und der übernächste bereits geholt.

Durch diesen Mechanismus kann die Ausführungsgeschwindigkeit eines Prozessors deutlich erhöht werden.

Question 6

Memory

Answer 6

Speicher soll möglichst schnell, groß und günstig sein.
Es gibt (noch) keine Technologie, die alle drei Eigenschaften gleichzeitig erfüllt.
Verschiedene Speichertechnologien werden daher üblicherweise kombiniert um verschiedenen Aufgaben
gerecht zu werden.

Question 7

Speicher pyramide

Answer 7

1. Register
2. Cache
3. Main Memory

Question 8

Unterschied zwischen SRAM und DRAM

Answer 8

SRAM: schneller, flüchtiger Speicher, der pro Bit aus 4-6 Transistoren besteht. Wird genutzt für Register und Caches innerhalb des Prozessors.

DRAM: Dynamic RAM ist ein schneller, flüchtiger Speicher, der pro Bit aus einem Transistor und einem Kondensator besteht. Wird für den Hauptspeicher von PCs verwendet.

Question 9

Register

Answer 9

Speicherzellen, auf die der Prozessor besonders schnell zugreifen kann.

Sie sind in der Regel nahe an den Rechenwerken des
Prozessors angesiedelt.
Register haben oft eine bestimmte Aufgabe, beispielsweise um Daten, Adressen oder Befehle zu speichern.

Question 10

Caches

Answer 10

Caches sind kleine, schnelle Speicher, die in der Nähe des
Prozessors angebracht sind.

Level 1 Caches liegen dem Prozessor am nächsten und arbeiten mit dem Prozessortakt.

Weitere Ebenen sind langsamer getaktet aber dafür größer.

Sie speichern:

• Anweisungen, die kürzlich oder häufig ausgeführt wurden.
• Daten, auf die kürzlich oder häufig zugegriffen wurde.

Question 11

Speichertechnologien

Answer 11

Flash Memory/EEPROM: nichtflüchtiger Speicher, der schnell gelesen aber nur vergleichsweise langsam gelöscht werden kann. Findet breite Verwendung in USB-Sticks, SD-Karten und Solid State Drives (SSD).

Magnetspeicher: Magnetische Speicher sind sehr langsam, aber sehr groß und günstig.

Question 12

I/O Geräte

Answer 12

sind über Bus-Systeme mit dem Prozessor verbunden.

Geräte-Controller sind kleine Prozessoren, die die Kommunikation mit dem Gerät übernehmen.

Über den Bus und den Geräte-Controller können Befehle und Daten zwischen Prozessor und Gerät ausgetauscht werden.

Gerätetreiber sind Softwarekomponenten, die die
Kommunikation zwischen dem Betriebssystem und dem Gerät
übernehmen.

Question 13

Was ist ein Bus-System

Answer 13

System zur Übertragung von Daten zwischen zwei oder mehreren Geräten.

Über ein Bus-System kann eine CPU mit Speicher, Peripheriegeräten und anderen CPUs kommunizieren.

Question 14

Welche Möglichkeiten gibt es um mit I/O Geräten zu kommunizieren?

Answer 14

Polling: Gerät wird wiederholt abgefragt um den Status von I/O Operations zu überprüfen.

Interrupts: Gerät sendet ein Signal (Interrupt), wenn eine I/O
Operation abgeschlossen ist. Die CPU wird unterbrochen und führt eine Interrupt-Service-Routine aus.

Direct Memory Access (DMA): Über einen DMA-Controller kann der Hauptspeicher direkt vom I/O Gerät beschrieben werden. Dadurch wird die CPU in ihrer Arbeit nicht unterbrochen.

Question 15

BIOS

Answer 15

ist eine kleine Software, die am Mainboard gespeichert ist.

Wird beim Einschalten des Computers ausgeführt, überprüft vorhandene Hardware (RAM, Keyboard, …) und initialisiert angeschlossene Geräte.

Das BIOS sucht bootfähige Geräte und lädt die Bootloader Software von diesen in den Hauptspeicher, bevor es die
Kontrolle an diese übergibt.

Question 16

Bootloader

Answer 16

Software, die eine Partition auf einem bootfähigen Gerät sucht und die dort gespeicherte Betriebssystemsoftware in den Hauptspeicher lädt.

Das Betriebssystem enumeriert alle zuvor initialisierten
Geräte und lädt Gerätetreiber für diese.

Question 17

Welche Vorteile haben Interrupts gegenüber Polling?

Answer 17

Effizienz: Interrupts ermöglichen es dem System, andere Aufgaben auszuführen, bis ein relevantes Ereignis eintritt, während Polling ständig den Status überprüft, was zu einer unnötigen Belastung führen kann.

Energieeffizienz: Mit Interrupts kann das System in einen stromsparenden Zustand wechseln und nur bei Bedarf aufwachen, was besonders bei batteriebetriebenen Geräten vorteilhaft ist.

Schnellere Reaktionszeiten: Interrupts ermöglichen eine sofortige Reaktion auf Ereignisse, während bei Polling Verzögerungen auftreten können, bis das nächste Überprüfungsintervall erreicht ist.