Computertechnologie Flashcards
Welche Prozessoren sind in einem PC zu finden?
Auf der Grafikkarte befindet sich die GPU, ein Prozessor steuert den Datenfluss der Festplatte, ein anderer Prozessor ist im DVD Laufwerk für die Codierung der Daten zuständig, auf der Soundkarte kann sich ein Soundprozessor befinden und ein anderer Prozessor im Drucker verarbeitet die vom Computer kommenden Druckdaten so weiter, dass das Druckwerk daraus Text und Bilder erstellen kann. Weiter Prozessoren gibt es z.B. in der Tastatur oder in der Maus.
Was zeichnet die CPU im Vergleich zu anderen Prozessoren aus?
Der Zentralprozessor steuert den Einsatz der anderen Prozessoren, er gibt so gesehen den Takt an.
Welche Elemente beinhaltet eine aktuelle CPU?
Neben dem Rechenwerk (ALU) und dem Steuerwerk ist inzwischen ein Speichermanager und Cachespeicher integriert.
Welche Aspekte bestimmen die Leistung einer CPU?
Die Taktfrequenz, die Bitbreite, die Größe des Chachspeichers, die Anzahl der Kerne
Beschreiben Sie den Weg eines Datensatzes von der Festplatte bis in die ALU einer CPU. Welche Zwischenschritte werden gemacht? Was ist der Vorteil dieses hohen Aufwands?
Die Daten kommen aus dem angeschlossenen Massenspeicher in den Hauptspeicher. Von dort aus gehen sie in den Cachespeicher, der möglicherweise in sich in verschiedene Leistungs- und Geschwindigkeitsebenen unterteilt ist. Die Daten kommen dann in den Registerbereich der CPU. Von hier aus gehen sie in die ALU und werden verarbeitet.
Welche Strategie zur Leistungssteigerung verfolgen die Prozessorhersteller zurzeit?
Die Taktfrequenzerhöhung ist technisch nicht sehr viel weiter zu bringen. Daher wird primär mit Hilfe von mehreren Prozessorkernen versucht, die Öeistung zu steigern. Ein weiterer Ansatz ist die Vergrößerung des Cachespeichers.
Welche Voraussetzung ist zu erfüllen, damit eine Applikation geschwindigkeitsmäßig bei der Umstellung von einer Single Core CPU auf eine Multi Core CPU profitiert?
Eine sehr große Zahl von Applikationen läuft nur auf einem Prozessorkern. Wird ein zweiter angeboten ist das Programm nicht in der Lage, ihn zu nutzen. Dies ist nur dann möglich, wenn das Programm auf die Mehrkernumgebung angepasst (portiert) wird. Beispielsweise könnte dies so aussehen:
Mit einem Rendering Programm soll ein Bild berechnet werden. Hierfür ist für jeden einzelnen Bildpunkt der Wert zu berechnen. Üblicherweise erfolgt dies in einer Schleife. Die betreffende Applikationen wird für jeden Bildpunkt aufgerufen und mit unterschiedlichen Werten gestartet.
Problemlos kann die Schleife parallel auf beiden Kernen eines Dualprozessor laufen, die jeweiligen Startwerte werden z.B. im Reissverschlussverfahren auf beiden Kerne verteilt. In diesem Fall ist nahezu eine Verdoppelung der Ausführungsgeschwindigkeit bei einer Dual-Core Prozessor möglich.
Erklären Sie, wie Daten in einem DRAM Baustein gespeichert werden.
Die Grundlage eines dymanischen RAMs ist ein Kondensator. In ihm kann für eine begrenzte Zeit Ladung gespeichert werden. Über den Zustand geladen / ungeladen kann die binäre Information 1 / 0 gespeichert werden. In der Halbleitertechnik wird ein DRAM in einem Siliziumwafer durch Ätzen aufgebaut. Dadurch entsteht eine becherähnliche Struktur. Durch die geringe Oberfläche entlädt sich dieser Kondensator sehr schnell wieder. Wird der DRAM Baustein nicht mehr mit Spannung versorgt, gehen die Daten verloren.
Was ist der Unterschied zwischen einem DRAM und einem SRAM?
Ein SRAM Speicher basiert auf einem Flip-Flop auf Transistorbasis. Die Information ist dadurch wesentlich schneller abrufbar. Daher werden SRAM in allen Speichern, die sehr schnell die Daten zur Verfügung stellen sollen, wie bspw. Cache Speichern eingesetzt.
Erklären Sie die Funktion eines ROM Bausteins. Was ist der Unterschied zu einem EPROM bzw. Flash Speicher?
In einem ROM Baustein sind bildlich gesprochen sehr viele dünne Fäden gespannt, die man einzeln gezielt durchbrennen lassen kann. Jeder intakte Draht entspricht einer 1, jeder unterbrochene einer 0.
Ein EPROM erlaubt das Löschen der Information in einem ROM Baustein. Dies kann durch UV Licht oder heutzutage vor allem durch einen Überspannungsimpuls durchgeführt werden. Danach steht der EPROM wieder für eine Programmierung bereit.
Flash EPROMs können gezielt an einzelnen Stellen gelöscht und wieder neu beschrieben werden. Daher haben sie sich als Wechseldatenträger durchgesetzt.
Erklären Sie den Aufbau einer Festplatte.
Eine Festplatte besteht aus einer oder mehreren Scheiben aus Alu oder auch Glas, die mit einer magnetischen Schicht überzogen sind. Ein Schreib-Lesekopf verändert gezielt an einzelnen Stellen die Richtung der Magnetisierung. Dieser Zustand kann später mit dem gleichen Kopf wieder ausgelesen werden, so dass der Datensatz rekonstruiert werden kann.
Die Relativgeschwindigkeit des Kopfes zur Oberfläche liegt bei ca. 300 km/h. Der Abstand beträgt weniger als ein Hundertstel des Durchmessers eines Haares. Damit der Kopf nicht auf die Oberfläche aufschlägt, muss die Trägerscheibe möglichst plan sein. Dazu ist der Schreib/Lesekopf speziell geformt, um den Groundeffekt auszunutzen, und in einem konstanten Abstand zur Oberfläche zu bleiben. In der Festplatte ist kein Vakuum, sondern besonders saubere Luft.
Was bedeutet RAID? Erklären Sie, wie die Daten bei RAID 0, RAID 1 bzw. RAID 5 gespeichert werden.
RAID steht für „Redundant Array of Independent Drives“. Bei RAID 1 werden die Daten gleich doppelt auf zwei identische Platten geschrieben. Geht eine kaputt, ist der Datensatz auf der anderen sicher vorhanden. Bei RAID 5 wird zu jedem Datenpaket eine Prüfsumme berechnet. Die Daten werden in kleineren Gruppen zusammen mit der Prüfsumme verteilt auf mindestens drei Festplatten gespeichert. Geht eine Platte kaputt, ist mit Hilfe der Prüfsumme der Inhalt wieder zu rekonstruieren. Da die Berechnung des Datensatzes mit Hilfe dieses Verfahrens aufwändig ist, ist das Lesen und Schreiben von Daten dann deutlich verlangsamt. Der Ausfall einer Festplatte wird umgehend als Fehler gemeldet. Nach dem Austausch der defekten Harddisk startet ein Rebuild-Prozess. Hierbei werden die Daten, die auf der ausgefallenen Disk standen, komplett neu berechnet und auf die neue Platte geschrieben. Ist der Prozess beendet wird die übliche Schreib-/Lesegeschwindigkeit wieder erreicht.
RAID 0 besitzt – anders als der Name es vermuten wird – gar keine Redundanz. Hierbei werden Daten verteilt auf mehrere Platten geschrieben, beispielsweise bei zwei Platten in einem reissverschlußartigen Verfahren. Dies führt nahezu zur Verdoppelung der Geschwindigkeit beim Daten lesen und schreiben. Fällt aber eine der beiden Platten aus, ist nicht nur der halbe Datenbestand weg, sondern die kompletten Datensätze können nicht wieder gelesen werden.
Wie werden die Daten auf einer CD gespeichert?
Bei einer CD gibt es Berge und Täler (Pits und Lands). Anders als im ersten Moment zu erwarten werden „0“ und „1“ nicht dem Berg bzw. Tal zugeordnet. Der Wechsel von oben nach unten, egal in welcher Richtung er erfolgt, wird als logische 1 gelesen. Die Speicherung von mehreren 1 hintereinander wird durch die Umcodierung der Daten im Laufwerk möglich. Von dieser sieht der Anwender aber nichts.
Die Daten sind auf der hinteren Seite einer Polycarbonatscheibe entweder durch ein Pressverfahren oder durch Brennen aufgebracht. Dahinter befindet sich die Reflexionsschicht (meist Aluminium), deren Rückseite wird dann zum Beschriften der CD verwendet. Beim Brennen wird eine organische Schicht kurzzeitig so stark erhitzt, dass sie eintrübt.
Die Datenmenge auf der CD konnte von 650 MB auf knapp 900 MB gesteigert werden, indem die Spezifikation zur Datendichte voll ausgenutzt wurde. Die Drehzahl wurde im Vergleich zur Audio-CD stark gesteigert, so dass der Datendurchsatz deutlich erhöht wurde. Damit war die CD aber weitgehend ausgereizt.
Was wurde gemacht, um die Datenmenge im Vergleich zur CD zu steigern?
Die Steigerung der Datenmenge war durch den Einsatz einer anderen Wellenlänge zur Abtastung von Pit und Land möglich. An Stelle von rotem wurde eher gelbes Licht (635 nm) verwendet. Damit war eine Steigerung der Datenmenge um den Faktor 5 möglich. Um Kratzer auf der Reflexionsschicht zu verhindern wanderte die Datenebene in die Mitte des Polycarbonatträgers. Mit dieser DVD der ersten Generation war die Speicherung eines kompletten Spielfilms möglich.
Um die Datenmenge weiter zu erhöhen wurde einerseits eine zweite Datenebene auf der Rückseite der DVD untergebracht. Dies erforderte aber das Drehen des Datenträgers wie bei einer Schallplatte und die Beschriftung war nahezu unmöglich. Daher wurde alternativ eine zweite Datenebene hinter die erste gebracht, und die erste Lage wurde teildurchlässig für Licht ausgeführt. Durch die Veränderung des Fokus konnte so nahezu die doppelte Datenmenge (ca. 9 GB) gespeichert werden. Bei der Kombination von beiden Verfahren waren bis zu 18 GB auf der DVD unterzubringen.
Erklären Sie die Datenspeicherung auf der Blu-Ray Disc.
Um die Kapazität weiter zu steigern wurde bei der Blu-ray Disk (ebenso wie bei der HD-DVD) die Wellenlänge geändert. Wie der Name es andeutet wird jetzt blaues Licht verwendet. Da bei der Blu-ray Disk die Daten jetzt ganz nah an der Sensoreinheit liegen können bis zu 50 GB gespeichert werden. Das alternativ vorgeschlagene Verfahren HD-DVD als direkte Weiterentwicklung der DVD hat leider das Rennen um den Nachfolger der DVD verloren, da Sony die Mehrheit der Filmstudios in Hollywood hinter sich bringen konnte. Der Nachfolger der Blu-ray Disk wird vermutlich nicht als weiterentwickeltes CD Laufwerk mit UV Licht auf dem Markt erscheinen, sondern es wird ein holographisches Verfahren zum Einsatz kommen.
