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Moderne Rechner
Hardware and Software
Kurt Mehlhorn Kosta Panagioutou
Max-Planck-Institut für Informatik
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Inhalt
• Hardware = die Maschine, z.B. dieses Notebook lenovo X220 Tablet
• Software = Programme, die auf der Maschine laufen, z.B. Windows, Word, Powerpoint, Firefox, Thunderbird, Skype.
• In der Software liegt die Würze • Maschinen sind rasend schnell
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AEG Computer Room, 1913
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Erste Computer
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Zuse Z1 (1937) Z3 (1941) Z4 (1945)
ENIAC (1946)
Z3, Z4 und ENIAC sind programmierbar (Programm extern) und Turingmächtig Z3 und Z4 arbeiten mit Relais, ENIAC arbeitet mir Röhren
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Speicher
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Zuse
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Arithmetische Einheit
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EDVAC (Electronic …. Computer)
First Draft of a Report on the EDVAC by John von Neumann, June 30, 1945 EDVAC, fertiggestellt in 1951 • Stored program • Speicher, 5.5 kilobytes • multiplication time 2.9 milliseconds • 6,000 vacuum tubes • consumed 56 kW of power • 45.5 m² of floor space and weighed 17,300 lb (7,850 kg) • operating personnel was thirty people for each eight-hour shift • Kosten 500,000 Dollar (entspricht etwa 6 Millionen in 2010)
Das Vorbild für alle modernen Rechner 8
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Mein erster Rechner
• Programmierbare Elektronische Rechen-anlage München (PERM), röhrenbasiert
• Betriebnahme 7. Mai 1956, Piloty/Sauer • erster ALGOL-Compiler • KM lernte auf der PERM programmieren
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PERM
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Von Neumann Rechner
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• Speicher enthält Daten und
Programm • Befehlszyklus
1. Führe Befehl mit Nummer BZ aus
2. Erhöhe BZ um eins 3. Gehe nach 1.
Speicher CPU
Akkumulator
Befehlzähler
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Typische Befehle
• LOADZERO ACC ⇽ 0 • LOAD n ACC ⇽ M[n] • STORE n M[n] ⇽ ACC • ADD n ACC ⇽ ACC +M[n] • DECR ACC ⇽ ACC - 1 • JUMPPOS n if ACC > 0, BZ ⇽ n • STOP
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In M[1] steht eine Zahl n, bilde 1 + … + n
1. LOADZERO 2. STORE 2 3. LOAD 2 M[1] = i und M[2] = i+1 + … + n 4. ADD 1 5. STORE 2 M[1] = i und M[2] = i + … + n 6. LOAD 1 7. DECR 8. STORE 1 M[1] = i – 1 und M[2] = i + … + n 9. JUMPPOS 3 10.STOP M[1] = 0 und M[2] = 1 + … + n
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Kenngrößen und Neuerungen
• Hauptspeicher: 109 Worte a 64 Bit • Befehlszyklus: 109 Befehle pro Sekunde • Eine Million mal leistungsfähiger (Geschwindigkeit,
Speicher, Größe), eine Million mal billiger als 1950 • Neuerungen seit 1950
– Interrupts (Unterbrechungen) – Speicherhierarchie: Cache, Main, Disk – Bildschirme und Graphik – Netze – Preis und Leistung – Software, Nutzerfreundlichkeit
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Supercomputer
• 72 Schränke, • 73000 PowerPCs mit je 2 Gbyte RAM • Simulation: Physik, Klima, Chemie,
Strömung • 13 Mio Euro
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Entstehung des Universums 𝟏𝟏𝟏𝟏 Partikel
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Bildschirme und Graphik
• Dieser Schirm: 1366 x 768 Pixels • Für die CPU: für jedes der Pixel kann man
Farbe und Helligkeit einstellen • Graphikkarte zeigt die Werte auf dem
Bildschirm an.
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Software
• Systemprogramme – Programmiersprachen und Compiler – Betriebssysteme: Viele Programme gleichzeitig – Internet
• Anwendungsprogramme – Büroprogramme – Email – Skype – Browser
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1. LOADZERO 2. STORE 2 3. LOAD 2 4. ADD 1 5. STORE 2 6. LOAD 1 7. DECR 8. STORE 1 9. JUMPPOS 3 10. STOP
int Sum(int n) { int sum = 0; int i; for (i = 1; i <= n; i++) sum = sum + i; return sum; }
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Programmiersprachen und Compiler C, C++, Java, Python,
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Betriebssystem (Operating System) Windows, Linux, Android, Mac-OS
• Hausmeister des Rechners • Verwaltet Prozesse und Speicher • Filesystem • Interrupts, Unterbrechungen • Gerätetreiber • Ein- und Ausgabe • Netzwerk • User Interface
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• Internetdienste: Email, WWW, …
• Anwendungschicht: http, https
• Transportschicht, TCP
• Netzschicht, IP • Physikalisches Netz
Protokoll = Regeln des korrekten Verhaltens
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Das Internet
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Das Internet http://en.wikipedia.org/wiki/Wulff
• Internetdienste: Email, WWW, … • Anwendungschicht (Kommunikation) • Transportschicht (Übertragungsprotokoll)
zuverlässige Übertragung von Daten • Netzschicht (Internetprotokoll): verschickt
Pakete fester Länge von Punkt zu Punkt, best effort, keine Flusskontrolle
• Physikalisches Netz verschickt Bits über eine Leitung (auch Funk)
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Schicht 1: physikalische Schicht
• Daten werden über eine Leitung übertragen (auch Funk)
• Ähnlich: – Post leert Briefkasten und bringt sie zur
Hauptpost – Post transportiert Briefe von einem Postamt
zu einem anderen Postamt.
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Schicht 2: Internetprotokoll
• Rechner haben Namen, 137.253.17.34 ähnlich zu Telefonnummern
• Geographisch gruppiert • DNS (Telefonbuch) überzetzt von lesbaren
Namen zu Nummern • IP stellt Pakete fester Länge zu; Wege
werden dynamisch bestimmt • wie Briefe bei der Post
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Schicht 3: Übertragungsprotokoll
• Schickt Dateien zuverlässig von Punkt zu Punkt
• Bricht Dateien in Pakete auf • Überprüft Zustellung • Setzt Pakete wieder zur Datei zusammen
(richtige Reihenfolge)
• Analogie: Sekretariate
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Anwendungschicht
• Einfache grundlegende Anwendungen • http = Hypertext Transfer Protokoll • http://en.wikipedia.org/wiki/Merkel • Findet Nummer von wikipedia bei DNS • Schickt Nachricht GET wiki/Merkel an
en.wikipedia.org • En.wikipedia.org schickt Datei wiki/Merkel
zurück
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<H1>Homepage</H1> <TABLE> <TBODY> <TR vAlign=top align=left> <TD> <a href="fotos/Kurt1980.jpg"> <img alt="(Click for a less recent picture)" border="0" height="266" width="198" src="fotos/Kurt-Mehlhorn.jpg"></a> </TD> <TD> <H2>Kurt Mehlhorn</H2> <P><A title="Max-Planck-Insitut für Informatik" href="http://www.mpi-inf.mpg.de/">Max-Planck-Institut für Informatik</A><BR> <A title="Department 1: Algorithms and Complexity" href="http://www.mpi-inf.mpg.de/departments/d1">Department 1: Algorithms and Complexity</A><BR> <p> <a href="http://frweb.cs.uni-sb.de/index.php?theme=1&lang=en">Computer Science Department, Saarland University</a> <p> <a href="http://www.mmci.uni-saarland.de/ ">Cluster of Excellence: Multimodal Computing and Interaction</a> </p><p> <a href="http://www.impecs.org">Indo Max Planck Center for Computer Science</a>
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Hohe Anwendung, z.B. Browser
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Schreibprogramme (Word, Latex)
• Automatischer Randausgleich, Proportionalschrift statt Schreibmaschine, Ligaturen
• Ich gehe nach Hause und komme übermorgen wieder ins Büro um dann weiterzuarbeiten. Also dann bis übermorgen.
• Ich gehe nach Hause und komme übermorgen wieder ins Büro um dann weiterzuarbeiten. Also dann bis übermorgen.
• ff statt ff
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• Elektronische Post ist eine Nachbildung der Funktionalität klassischer Post
• Eine wesentliche Neuheit sind Spamfilter; darüber mehr in der Vorlesung über maschinelles Lernen
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Empfehlungssysteme
• Kunden, die dieses Buch gekauft haben, haben auch folgende Bücher gekauft
• Wenn ihnen diese fünf Filme gefallen haben, dann sollten ihnen auch dieser Film gefallen
• Thunderbird glaubt, dass diese email Spam ist.
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Kunden, die dieses Buch …
Für jedes Buch i speichere Paare (j, Anzahl der gemeinsamen Verkäufe von i und j)
• Zwei Kopien der Liste: einmal sortiert nach Buchnamen, einmal sortiert nach Anzahl der Verkäufe
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Zusammenfassung
• Rechner sind extrem schnell: 109 Befehle pro Sekunde
• Software ist in Schichten aufgebaut • Schichten bieten nach oben Dienste an
und nutzen Dienste der nächsten Schicht • Viele wichtige Entwicklungen von
Einzelpersonen oder kleinen Teams
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