Einführung in die Technische Informatik

Das vorliegende Buch „Technische Informatik“ deckt im wesentlichen sowohl Computer-Hardware als auch Betriebssysteme und Systemsoftware ab. Im Abschnitt über Computer-Hardware wollen wir zeigen, wie man elektronische Bauelemente einsetzt, um Rechnersysteme aufzubauen. Wir wollen den geneigten Leser in die Lage versetzen, die technischen Möglichkeiten und Grenzen solcher Systeme zu verstehen und zu bewerten. Auf diese Weise können Leistungsmerkmale heutiger Rechnersysteme besser beurteilt und weitere Entwicklungen verfolgt werden. Der Stoff des vorliegenden Buches ist auf das Informatikstudium ausgerichtet und beschränkt sich auf minimale elektrotechnische Kenntnisse. Soweit diese unbedingt erforderlich sind, werden sie kurz anwendungsbezogen eingeführt.

lMit dem Buch „Informatik. Grundlagen“ haben wir die eher theoretischen Grundlagen der Informatik vorgestellt. Mit dem vorliegenden Buch “Technische Informatik“ wollen wir eine Brücke bauen, die erworbenen Kenntnisse auf den Entwurf digitaler Schaltungen anzuwenden.

Im vorigen Teil haben wir verschiedene Funktionen als logische Schaltungen realisiert. Nun sollen diese Einzelteile zu Baugruppen mit einer komplexeren Funktionalität und schließlich zu einem Prozessor zusammengefügt werden. Genaue Schaltungsdetails interessieren uns in diesem Zusammenhang nicht mehr. Da auf dieser Abstraktionsebene die Register mit ihren Verbindungen und Operationen im Vordergrund stehen, nennt man sie auch Register-Transfer-Ebene. Während in Kapitel 2 die Funktion der logischen Schaltungen relevant war, die elektronische Struktur der Gatter aber nicht näher betrachtet wurde, soll in der Register-Transfer-Ebene nur noch die Funktionalität von Registern und anderen Baugruppen (z. B. Multiplexern, Codierern oder Addierern) betrachtet werden. Die darunter liegende Struktur wird als gegeben betrachtet. Wir gehen also in der Abstraktion einen Schritt weiter.

Während wir im vorigen Teil den Aufbau eines Prozessors besprochen haben, soll nun das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten einer Zentraleinheit CPU (engl. Central Processing Unit) bestehend aus

Betrachtet man die Entwicklung der Computer mit ihren Betriebssystemen genauer, so ist im Laufe der Zeit eine sehr deutliche Zunahme der „gleichzeitig“ zu erledigenden Tätigkeiten festzustellen. Bis in die Ära des Batch-Betriebs arbeitete ein Rechner noch zu jedem Zeitpunkt an genau einer Aufgabe. So wurde etwa ein als Stapel von Lochkarten vorliegendes Programm zuerst eingelesen und dann exekutiert. Diese sequentielle Ausführung verschwendete jedoch sehr viel Rechnerleistung, da der Prozessor während der langsamen I/O-Operationen unbeschäftigt in einer Warteschleife laufen musste. Beachten Sie, dass der (auch heute noch!) eklatante Geschwindigkeitsunterschied zwischen einem Prozessor und einem peripheren Gerät es ersterem erlaubt, Tausende Befehle auszuführen, bis zum Beispiel vom Disk-Controller angeforderte Daten endlich eintreffen!

Nach der konzeptuellen Einführung des Multi-Prozessings können wir uns jetzt der Frage widmen, wie Prozesse eigentlich im Speicher eines Rechners „angelegt“ werden bzw. welche Voraussetzungen dafür eigentlich notwendig sind. Bis jetzt sind wir ja mit einer diesbezüglich eher vagen Vorstellung ausgekommen. Welche betriebssysteminternen Aktivitäten zieht also das P­­_CREATE(program, parameter, attributes), mit dem ein neuer Prozess erzeugt wird, nun tatsächlich nach sich?

An dieser Stelle ist es angebracht, uns kurz zu Überlegen, was die auf Basis der bisher besprochenen Betriebssystem-Mechanismen aufgebaute virtuelle Maschine bereits leistet: Im Prinzip ist sie in der Lage, den geordneten Ablauf mehrerer paralleler Prozesse zu kontrollieren. Diese logische Parallelität erlaubt es, beliebig viele solche Prozesse zu erzeugen, ihren Ablauf zu beeinflussen und ihre Termination zu bewirken. Bei der Erstellung irgendwelcher Anwendungsprogramme brauchen wir somit keinen Gedanken mehr an die eigentliche Ablaufsteuerung zu verschwenden. Allerdings laufen die Prozesse (noch) ziemlich unkoordiniert nebeneinander her.

Wir sind mit unseren Ausführungen über Betriebssysteme nun an jenem Punkt angelangt, an dem zum ersten Mal die Computer-Netzwerke ins Spiel zu bringen sind. Deren Entwicklung kann mit Fug und Recht als die wohl weitreichendste und zugleich tiefgreifendste Innovation in der Computer-Technologie der letzten Jahrzehnte bezeichnet werden. Während sich der Datenaustausch zwischen zwei verschiedenen Rechnersystemen früher auf das Hin- und Hertragen von Magnetbändern oder (im besten Fall) auf die (serielle) Übertragung über eine direkte Verbindung beschränken musste, ist heutzutage ein einfacher Zugriff auf geographisch weit entfernte Datenbestände selbstverständlich. Dieser Trend ist auch mit dem Aussterben der Rechenzentrums-Dinosaurier auf das engste verbunden: Statt die Aufgaben an einen großen Computer (Mainframe) heranzutragen, werden nun kleinere Computer an die Aufgaben, das heißt, an die Benutzer, herangebracht. Um aber dabei eine Äquivalente Funktionalität und Performance zu erhalten, ist eine sehr enge Kopplung der „persönlichen“ Computer erforderlich: ein gutes Netzwerk.

Wir sind mit unseren Ausführungen endlich so weit gekommen, dass wir ein bisher sorgfältig vermiedenes Thema aufgreifen können, nämlich, wie eigentlich ein Betriebssystem aufgebaut ist. Bislang haben wir zum Beispiel eher diffus von System Calls gesprochen und in diesem Zusammenhang informell vorausgesetzt, dass der gleichzeitige Aufruf von Service Calls keine Probleme verursachen kann; in Wirklichkeit ist das Ganze aber keineswegs so einfach.

Das vorliegende Buch soll nicht enden, ohne noch einmal Rückschau auf die vorangegangenen Abschnitte zu halten. Dabei ist klar, dass trotz allem eine ganze Reihe von Fragen offen bleibt, da das Fachgebiet der „Technischen Informatik“ — um mit Fontane zu sprechen — doch ein weites Feld ist. So wurden einige Gebiete wie z.B. eine Einführung in die Grundlagen der Elektrotechnik oder Grundlagen der Halbleiterphysik, die eigentlich in diesem Zusammenhang unverzichtbar sind, nicht angesprochen. Überhaupt haben wir uns bemüht, den Studierenden der Informatik nicht allzu sehr mit elektrotechnischen Fakten zu belasten, sondern uns vielmehr auf eine funktionale Darstellung beschränkt. Andererseits sollen die Themenbereiche des vorliegenden Lehrbuches noch einmal benannt werden. Hierbei haben wir das vorliegende Buch in zwei Hauptgebiete gegliedert: Hardware von Computersystemen und Betriebssysteme und Systemsoftware.