Grundlagen IT - Zusammenfassung

Zusammenfassung Grundlagen IT - Vincent

Digitalisierung

Definition & Effekte

Definitionen

Im Allgemeinen versteht man unter Digitalisierung, dass analoge Leistungserbringung ganz oder teilweise durch ein computerhabbares Modell ersetzt wird

Im technischen Sinne bedeutet Digitalisierung die binäre Repräsentation von Medien (Texte, Bilder, Töne, Filme) sowie Eigenschaften physischer Objekte in Form aneinandergereihter Sequenzen aus “0” und “1”, die von heutigen Computern mit extrem hoher Geschwindigkeit verarbeitet werden können

Im elektrotechnischen Sinne bedeutet Digitalisierung die die Entwicklung elektronischer Schaltungen, die analoge Signale zeit- und wertediskret in digitale Signale überführen.

Effekte

Kontext

innerbetrieblicher IT-Einsatz

Automatisierungseffekte

Digitale Automatisierung bislang analoger Abläufe & Prozesse beschleunigt und standardisiert diese.

Automatisierung

manuell → automatisch

Informatisierungseffekte

Automatisierung macht die Informationen digital besser verfügbar. Folge:

Informatisierung - Verfügbarkeit von Informationen

Auswertung der zusätzlich verfügbaren Daten ermöglicht bessere Managmententscheidungen

Transformationseffekte

Digitale Technologien ermöglichen es, neben den Automatisierungseffekten auch komplett neue Geschäftsprozesse zu entwicklen

Transformation

neuartige Prozesse

(IT-Infrastruktur)

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Datenspeicherung

Größeneinheiten

SI-Einheiten (Basis 10)

Kilo, Mega, usw. sind nach SI-Norm zur Basis 10 definiert.

1 Byte = 8 Bits
1 Kilobyte = 1000 Bytes
1 Megabyte = 1000 Kilobyte
1 Gigabyte = 1000 Megabyte
1 Terabyte = 1000 Gigabyte

IEC-Einheiten (Basis 2)

Angaben zur Basis 2 werden nach IEC-Norm folgendermaßen bezeichnet: ==KiB, MiB, GiB, TiB (Kibi-, Mebi-, Gibibyte, Tebibyte)==

1 Byte = 8 Bits
1 Kibibyte = 1024 Bytes
1 Mebibyte = 1024 Kibibyte
1 Gibibyte = 1024 Mebibyte
1 Tebibyte = 1024 Gibibyte

Auswirkungen auf Speichergrößen

Auswirkungen

• Arbeitsspeicher verwenden i.d.R. das 2er-System
• ==Festplatten verwenden in der Regel das 10er-System ⇒ Festplatten schrumpfen im System==

Zahlensysteme

Dezimal: $D_{10}=\{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9\}$ Dual: $D_2=\{0,1\}$ Oktal: $D_8=\{0,1,2,3,4,5,6,7\}$ Verwendung im Unix-Rechtesystem für Dateien Hexadezimal: $D_{16}=\{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F\}$ Vorteil: ermöglicht Anzeigen eines Bytes mit nur zwei Ziffern

KLAUSURRELEVANT

Umrechnung zwischen den Systemen beherrschen

Komplementdarstellung

Einerkomplement

Darstellung negativer Zahlen durch Invertierung, erstes Bit fungiert indirekt als Vorzeichenbit 0 → + und 1 → -:

Dezimalzahl	positiv	negativ
1	0001	1110
2	0010	1101
3	0011	1100
4	0100	1011

Probleme des Einerkomplements

Zwei Darstellungen von 0 möglich, z.B. 0000 und 1111.

Beim Rechnen mit Übertrag muss beim Überschreiten des ersten Bits der Übertrag nochmals zum Zwischenergebnis addiert werden!

Erklärvideo Einerkomplement

Zweierkomplement

Darstellung negativer Zahlen durch Invertierung, dann Addieren von 1, erstes Bit fungiert indirekt als Vorzeichenbit 0 → + und 1 → -:

Dezimalzahl	positiv	negativ
1	0001	1111
2	0010	1110
3	0011	1101
4	0100	1100

Vorteile des Zweierkomplements

==Nur noch eine Darstellung der Null möglich== ⇒ größerer darstellbarer Zahlenraum

Beim Rechnen mit Übertrag muss beim Überschreiten des ersten Bits der Übertrag nicht mehr zum Zwischenergebnis addiert werden!

Subtraktion einfach möglich, indem man den Subtrahenden einfach als negative Zahl zum Minuenden addiert.

Erklärvideo Zweierkomplement

Fließkommadarstellung (Floating Point)

• Vorzeichenbit $v$
• Mantisse $m$
  • nicht ganzzahliger Anteil
  • Komma i.d.R. zwischen erster und zweiter positioniert ⇒ Mantisse ist dann normalisiert
• Basis $b$
  • Zahl, die zu potenzieren und anschließend mit der Mantisse zu multiplizieren ist
  • Exponent $e$ der Basis $b$

Digitalisierung analoger Vorlagen/Signale

Qualität beeinflussende Parameter

• Abtastrate (Dichte)
• Anzahl der Quantisierungsstufen (Umfang des Wertebereichs) (Genauigkeit)

Wandlungsfehler

Definition: Wandlungsfehler

• in Abtastgrafik als Leerräume zwischen realem Signalverlauf und digital gespeichertem Verlauf

Kodierung

Warum Kodierung

• Ziel: Texte auf verschiedenen Computersystemen einheitlich Darstellung
• Lösung: standardisierte Zeichentabllen

Ältere Standards

ASCII

American Standard Code for Information Interchange

• erste systemübergreifende Kodierung
• 7-Bit Kodierung: $2^7=128$ verschiedene Zeichen
  • 33 nicht druckbare, 95 druckbare Zeichen
• 8. Bit ist Paritätsbit für die Fehlererkennung

ISO-8859

• Erweiterung des Zahlenraums auf 8 Bit → $2^8=256$ Zeichen
• Zeichen 0-127 = ASCII
• Zeichen 128-255 je nach Sprachraum unterschiedlich belegt (ISO-8859-1 bis ISO 8859-16)

Beispiele

unterschiedliche europäische Ausprägungen (Latin), kyrillisch, arabisch, griechisch, hebräisch usw.

Unicode (ISO 10636)

• Zeichenkodierung, die alle menschlichen Schriftzeichen oder Textelemente enthalten soll
• erste 128 Zeichen identisch mit ASCII
• jedem Zeichen ist eindeutige Nummer zugeordnet
  • von U+0000 bis U+10FFFF(U=Unicode, +=Trennzeichen, Zahlencode in Hexadezimal)
• plattformunabhängig
• Varianten (untereinander kompatibel)
  • UTF-8 (Linux, WWW, E-Mail)
  • UTF-16 (Windows, macOS)
  • UTF-32
  • Zahl hinter UTF ist die Anzahl der Bits, mit denen Zeichen mindestens kodiert wird

Aussagen- und Schaltungslogik

Boolsche Algebra

• es gibt nur zwei Werte
  • 0 = falsch/false (keine Spannung/Strom)
  • 1 = wahr/true (Strom / Spannung)

Boolsche Basisoperatoren

Operator	Zeichen	Darstellung in Logikgatter	Beschreibung
OR	|	>=1	oder
AND	&	& (2)	und
XOR	⊕	=1	entweder-oder
NOT	¬	1○	Negation

Darstellung in Schaltung

• OR in Parallelschaltung
• ANDin Serienschaltung

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Rechnerarchitektur

Von-Neumann-Rechner

• ALU (Arithmetic Logic Unit)
  • Rechenwerk
• Control Unit (Steuerwerk)
  • interpretiert Anweisungen eines Programms
  • verschaltet Datenquelle, -senke und notwendige ALU-Komponenten
  • regelt Befehlsabfolge
• BUS (Bus-System)
  • Kommunikation zwischen Komponenten
• Memory (Speicherwerk)
  • Arbeitsspeicher
  • speichert Programme & Daten zugänglich für das Rechenwerk
• I/O Unit (Eingabe-/Ausgabewerk)
  • Ein- und Ausgabe von Daten zum Anwender oder anderen Systemen (Schnittstellen)

Unterschied zur Harvard Architektur

Wesentlicher Unterschied

Bei der Harvard-Architektur sind die Speicher für Befehle und zu verarbeitende Daten voneinander getrennt

Vorteile

• Speicherschutz & Berechtigungen einfacher umsetzbar
• schadhafte/maliziöse Daten können nicht als Programmcode ausgeführt werden
• Paralleles Laden von Daten und Programmcode möglich
• unterschiedliche Speichertechnik für jeweiligen Einsatzzweck einsetzbar

Nachteile

• effiziente Speichernutzung: ungenutzter Speicher einen Typs kann nicht für Zwecke des anderen Typs benutzt werden (insbesondere bei Speicherknappheit)

Von-Neumann-Zyklus

1. FETCH: abzuarbeitenden Befehl aus Speicher in Befehls-Register (Steuerwerk) laden
2. DECODE: Steuerwerk übersetzt Befehl in Schaltinstruktionen für das Rechenwerk
3. FETCH OPERANDS: Parameter (Operanden) für Befehl aus dem Speicher holen
4. EXECUTE: Rechenwerk führt Operation aus
5. UPDATE INSTRUCTION POINTER: Erhöhung Befehlszähler. Neubeginn des Zyklus, Ausführung des nächsten Befehls

Rechnerkomponenten

Aufgaben der wesentlichen Komponenten

• Mainboard
  • verbindet Komponenten
  • bietet interne & externe Anschlüsse (zzgl. evtl. Zusatzfunktionen)
• CPU
  • Hauptprozessor, welcher die meisten Arbeiten erledigt (Berechnungen, Datenkonvertierung/-verlagerung, Treffen von Entscheidungen)
• Arbeitsspeicher
  • enthält aktuell ausgeführte Programme und deren Daten
  • RAM = Random Access Memory (Gegensatz ROM = Read Only Memory)
  • Ansprechen jeder Speicherzelle direkt über Adresse (Random Access)
  • Inhalte der Speicherzelle werden ständig aufgefrischt
  • ohne elektrischen Strom Datenverlust
  • begrenzter Speicherplatz
• Massenspeicher
  • Speichermedium, wenn Computer keine Spannung hat und für große Datenmengen
• Erweiterungskarten
  • Nachrüsten nicht vorhandener Funktionen
  • z.B. Verbesserung bisher eingesetzter Hardware (z.B. Grafikkarten)

Mainboard

Bestandteile & Steckplätze

• Steckplätze für Prozessor, Arbeitsspeicher & Erweiterungskarten
• Chipsatz
• interne & externe Anschlüsse
• BIOS
• Energiesteuerung
• Bussysteme
• Uhr

interne & externe Anschlüsse

• SATA
• USB

BIOS

• Power On Self-Test (POST)
• Hardwareinitialisierung
• Falls Konfiguriert: BIOS-Passwort- bzw. Datenträger-Passwort-Abfrage
• Darstellung Startbildschirm
• BIOS-Setup: Harware-Konfiguration
• Datenträgerüberprüfung für Boot, Laden des Startcodes des gewählten Betriebssystems vom Datenträger

(U)EFI

Unified Extensible Firmware Interface. Nachfolger des klassischen BIOs.

• Ziele:
  • einfachere Bedienung
  • erweiterte Netzwerkfähigkeiten
  • GUI
  • betriebssystemunabhänige Treiber
  • leichter aktualisierbar
  • größerer Funktionsumfang
  • leichter erweiterbar

Chipsatz

Northbridge

• MCH: Memory Controller Hub
• Bindeglied zwischen CPU-Komponenten und Arbeitsspeicher (inkl. dem der GPU)
• dicht an CPU ⇒ schneller Datentransfer
• bei neuen Mainboards/CPU kein separater Chip mehr
• Anbindung Southbridge

Southbridge

• ICH: I/O Controller Hub
• Datensteuerung und -transfer mit Peripherie und internen Erweiterungen (PCIe/PCI-Steckplätze)
• BIOS auf EEPROM oder Flash-Speicher
• Anschlüsse
  • externe Anschlüsse
  • Massenspeicheranschlüsse

PCH (Platform Controller Hub)

Wenn Northbridge-Funktionen bereits in die CPU integriert sind, dann wird die Southbridge zusammen mit den verbleibenden Northbridge-Komponenten im PCH vereint.

Unterschied paralleler & serieller Bussysteme

parallel

• parallele Datenübertragung zeitgleich auf mehreren Leitungen (Anzahl der Leitungen = Busbreite)

Probleme paralleler Bussysteme

• Laufzeiten der Signale (unterschiedliche Leitungslängen bei Leitungslauf über Ecken) → erst nach Eintreffen des Signals auf längster Leitung ist Übertragung komplett
• hoher Platzbedarf auf Mainboard ⇒ erschwerte Leitungsverlegung
• dicht beieinander verlegte Leitungen stören sich gegenseitig elektrisch
• nur eine Komponente kann Daten übertragen

Beispiele: Bussysteme (parallel)

• Systemdatenbus
  • ISA
  • PCI (Periphal Component Interconnect)
• Datenträger
  • IDE, P-ATA (Parallel ATA)

seriell

• serielle Datenübertragung von Bits eines oder mehrerer Bytes nacheinander über einzelne Leitungen

Vorteile serieller Bussysteme

• höhere Taktdaten möglich ⇒ gleicht Wegfall paralleler Leitungen aus
• vereinfachtes Platinendesign durch weniger Leitungen
• Punkt-zu-Punkt-Verbindungen: zeitgleiche Übertragungen zwischen verschiedenen Komponenten aufgrund verschiedener Leitungen möglich

Beispiele: Bussysteme (parallel)

• Systemdatenbus
  • PCIe (Periphal Component Interconnect express)
• Datenträger
  • S-ATA (Serial ATA)
  • M.2/PCIe
• Universell
  • ==USB (Universal Serial Bus)==

ÜBUNGSAUFGABE

1. Erläutern Sie die Unterschiede zwischen PCI und PCIe.

• graphische Darstellung der Unterschiede

CPU

Bestandteile & Aufgaben

• Steuerwerk zentrales Element mit Befehlsregister, Befehlszeiger und Befehlsdecoder
• Rechenwerk (ALU) arithmetisch-logische Einheit, arbeitet Befehle vom Steuerwerk ab (arithmetische und logische Operationen)
• Speichermanager verwaltet Inhalte des Caches; Verbindung von CPU zu Arbeitsspeicher; Zuordnung realer Speicheradressen zum CPU-Adressraum
• Register Speicherbereiche innerhalb eines Prozessors, direkt mit der Recheneinheit verbunden; für Operanden & Berechnungsergebnisse; schnellste, direkt zugängliche Speichereinheit des Prozessors; wenige bis 100 pro CPU
• Cache Zwischenspeicher zwischen Registern und RAM; häufig verwendete Daten und Befehle; direkte schnelle Verbindung ohne externen Bus; Notwendig aufgrund des Ungleichgewichts CPU-Geschwindigkeit ↔️ Arbeitsspeicherzugriffsgeschwindigkeit
• (Northbridge)
• CPU-Bus ⇒ verbindet alle Komponenten miteinander

Cache-Hierarchie

Level	1	2	3	4	Arbeitsspeicher
Geschwindigkeit	schnell	langsamer	langsam	wenn vorhanden, außerhalb der CPU	langsamster Zugriff
Größe	klein (32 kB)	größer (512 kb)	groß (4 MB)		bis in TB-Größe

• Tabellenskizze

Ablauf Befehlszyklus

→ Von-Neumann-Zyklus

Interrupts

• Grundkonzept Anforderung, laufendes Programm zu unterbrechen; nach Verarbeitung der Unterbrechung wird das Programm weiter fortgesetzt
• Auslöser (Beispiele)
  • Tastendruck
  • Soundkarte braucht neue Daten
  • Netzwerkkarte empfängt neue Daten
  • Maus wurde bewegt
• Verarbeitung durch Interrupt-Controller

Datenträger/Speicherkonzepte

optisch

Funktionsprinzip & Datenorganisation

• Daten werden von innen nach außen in spiralförmiger Spur abgespeichert
• Leseeinheit auf beweglichem Schlitten besteht aus Licht emittierender Laserdiode und lichtempfindlicher Fotozelle zur Auswertung des reflektierten Lichts

Unterschied gepresst & gebrannt

gepresst	gebrannt
Daten werden mechanisch als Vertiefungen und Erhebungen aufgebracht (Pits & Lands)	durch Anwender beschrieben, Daten werden in Materialkombination gespeichert, deren Reflexionseigenschaft beim Brennen punktuell geändert wird
länger haltbar	empfindlichere Reaktion auf Temperatureinflüsse und UV-Licht

magnetisch

Magnetband

• magnetisch beschichtetes Plastikband wird an Schreib- & Lesekopf vorbeigeführt
• für Schreib- & Lesevorgänge wird jeweils an passende Stelle des Bandes gespult
• eigentlicher Übertraungsvorgang mit sehr hohen Bandbreiten
• Skizze

Festplatte

• Bestandteile
  • eine/mehrere mit magnetisierbaren Material beschichtete Scheiben rotieren in staubdichten Gehäuse
  • bewegliche Arme mit zwei Schreib- und Leseköpfen (für Ober- und Unterseite)
  • Schreib-/Leseköpfe schweben auf hauchdünnen Luftpolster

Head Crash

• Anlass: Schreib-/Leseköpfe berühren Magnetscheiben (z.B. aufgrund von Erschütterungen) ⇒ Lesekopf fräst Magnetschicht von Trägermaterial
• Auswirkung: Schäden & Datenverlust

• Datenorganisation (Spur/Zylinder, Sektor)
  • auf konzentrischen Ringen, den Spuren gespeichert
  • Spuren in Sektoren mit fester Bytegröße unterteilt
  • eine Datei erstreckt sich i.d.R. über mehrere Sektoren

elektrisch

grundsätzliches Funktionsprinzip

• Speichern der Information durch elektrische Ladungen (elektrischer Schalter ist geöffnet oder geschlossen)

flüchtig ↔️ nicht flüchtig

• flüchtig: verliert ohne Stromversorgung seinen Inhalt (Register, Cache, RAM)
• nicht-flüchtig: Speicherinhalt bleibt auch ohne Stromversorgung erhalten (Flash-Speicher)

Speicherzellendichte

• SLC (Single-Level Cell) Speichern von einem Bit je Schalter (0 oder 1)
• MLC (Multi-Level Cell) Speichern von vier Zuständen je Schalter (zwei Bit)
• TLC (Triple-Level Cell) Speichern von acht Zuständen je Schalter (drei Bit)
• QLC (Quadruple-Level Cell) Speichern von 16 Zuständen je Schalter (vier Bit) ⇒ Ab der Multi-Level Cell wird die abgestufte Durchlässigkeit als Zustandsmessung des Schalters genutzt (z.B. zu-fast zu-fast offen-offen)

Auswirkungen in der Realität

• jeder Schreib-/Löschvorgang nutzt die Speicherzellen ab
• ==MLC/TLC/QLC sind in Herstellung günstiger als SLC==, da mehr Daten auf gleichem Raum gespeichert werden
• dafür sind SLC-Speicher schneller und langlebiger

Abnutzung und Gegenmaßnahmen

• Wear Leveling (steuerelektronische Maßnahmen gegen Abnutzung) gleichmäßiges Verteilen der Daten; Umsortieren häufig genutzter Daten; Zusammenfassen von Zugriffen
• Cache
• SLC-Bereich

Begriffe

• Zugriffszeit/Latenz Zeit, die von Anforderung der Daten bis Übertragung vergeht
• Übertragungsrate nach Abschluss der Zugriffsvorbereitungen dauerhafte Datenübertragungsgeschwindigkeit
• IOPS (Inputs and Outputs Per Second) Anzahl verarbeitbarer Ein-/Ausgabeanforderungen je Sekunde
• Speicherhierarchie

RAID

Redundant Array of Disks. Datenträgerverbund, wird vom Betriebssystem als einzelner, virtueller Datenträger wahrgenommen.

RAID ersetzt kein Backup!

Level

0. Striping Datenblöcke werden zerteilt und gleichmäßig auf alle beteiligten Datenträger verteilt; Maxmimierung der Lese- & Schreibgeschwindigkeit ⚠︎ nicht redundant
1. Mirroring Daten werden auf allen beteiligten Datenträgern komplett und identisch gespeichert; Bei Ausfall eines Datenträgers stehen Daten nach wie vor ohne Unterbrechung zur Verfügung → redundant
2. Striping mit Absicherung (Parity) wie Level 0; zusätzlich werden aus Daten generierte Zusatzinformationen (Parität/Prüfsumme) verteilt gespeichert; Zusatzinformationen ermöglichen Datenwiederherstellung bei Ausfall maximal eines Datenträgers → eingeschränkt redundant

Vergleich

Eigenschaft	RAID 0 (Striping)	RAID 1 (Mirroring)	RAID 5 (Distributed Parity)
Schreibgeschwindigkeit	Sehr schnell (Daten werden parallel geschrieben)	Langsam (Daten müssen auf mehrere Festplatten gespiegelt werden)	Mittel (Schreiben mit Paritätsinformationen)
Lesegeschwindigkeit	Sehr schnell (paralleler Zugriff)	Schnell (Daten können von verschiedenen Platten gelesen werden)	Schnell (paralleler Zugriff möglich)
Speicherkapazität	Maximale Nutzung (Summe aller Plattenkapazitäten)	50% Kapazitätsverlust (Hälfte der Platten für Spiegelung)	ca. 80% Nutzbare Kapazität (Eine Platte für Paritätsinformationen)
Redundanz	Keine (Ausfall einer Platte führt zum Datenverlust)	Sehr hoch (Vollständige Datensicherung durch Spiegelung)	Mittel (Überlebens- und Rekonstruktionsfähigkeit bei Plattenausfall)