Grundlagen der Datenverarbeitung im Bauwesen

Inhalt

Begriffe

Speicherungsarten, technisch

Speicherungsformen, Organisation

Speicher i.d. Rechner-Architektur:

Einflussgrößen der Rechnerleistung:

Betriebssystem:

Netzarchitekturen

Datenbanken

Programmiersprachen:

Programmieren:

Wissensbasierte Systeme

Modelle für Planung & Berechnung

Numerische Modelle

DV am BAU

Integration:

Einführung von Branchensoftware

Probleme in der Disposition

Schule

Literaturtip:

Speicher i.d. C.-Architektur:

Wissensbasierte Systeme

Numerische Modelle

Einführung von Branchensoftware

Integration:

Probleme in der Disposition

Begriffe

EDV beruht auf der digitalen Darstellung (binäres Zahlensystem, Codierung von Alphazeichen, strukturelle Zusammenfassung) & ihre technische Realisierung (bzgl. Steuerung der Datenwege, -verarbeitung, -speicherung).

Dualsystem: Operationen werden genauso wie im Dezimalsystem vollzogen, lediglich der Sprung in die nächst größere Stelle wird nicht nach der 9 sondern nach der 1 vollzogen, i Z=±)bi*2 (b=0,1). Das Hexadezimalsystem wird häufig rechnerintern für die Kontrolle benutzt. Gültige Ziffern sind 0,… 9,A,B,C,D,E,F) Eine Ziffer entspricht 4 duale Ziffern, also 4 Bit: Das heißt, mit 2 Hexadezimalstellen kann ein Byte eindeutig dargestellt werden. - Bsp.: “F” Hexa. = “15” Dezi. = “1111” Dual.

Gleitkommadarstellungen: Reelle Zahlen können prinzipiell nur in begrenzter Genauigkeit dargestellt werden. Mit Gleitkommaformaten werden größere Genauigkeiten & ein größerer Zahlenbereich möglich. Sie besteht aus einer Mantisse (Ziffern des Logarithmus hinter dem Komma) die den Wert in einer gebrochenen ganzen Zahl darstellt & einem Exponenten, der die Stellung des Kommas angibt.

Bit: kleinste für den Computer erkennbare Informationseinheit Einheit, Bi nary Dig it; kann genau 2 verschiedene Werte annehmen: z.B. niedrige- & hohe Spannung (➭ Kondensatoren als Speicher), + & – (➭ Magnetspeicher) “geladen” & “entladen” oder “1” & “0”. Als Grundlage für die nächst größeren Informationseinheiten. Informationen werden im Computer als Bits gespeichert. Diesen logischen Werten entsprechend sind die elektronischen Schaltkreisen dann entweder “eingeschaltet” oder “ausgeschaltet”. Byte: kleinste adressierbare Speichereinheit, Basiseinheit in der EDV. Mit, 8 Bit also28 Möglichkeiten sind 256 Zeichen codierbar, die von 0-255 durchnummeriert werden. Die Nummern sind die “Dezimalcodes”. Zur Überprüfung der Parität eines Speicherelementes (+ o. -) wird 8 Datenbits ein Prüfbit zugeordnet. Ein Byte wird in vielen Codes zur Darstellung eines Zeichens verwendet (Codierung von Alphazeichen (Text) in DBCDIC, ASCI.). 210 Byte = 1024 Byte = 1 Kilobyte = 1 kb

Ein Code ist eine eindeutige Vorschrift zur Abbildung eines Zeichenvorrats. Die meisten Textzeichencodes verwenden 8 Bit zur Darstellung eines Zeichens.

Wichtig für die Wortbreite des PROZESSORS:

Einer- Komplement: = pos. Dezimalzahl Ð ein Byte kann von 0 bis 255 darstellen.

Zweier-Komplement: alle Bits werden zur Darstellung negativer Zahlen invertiert [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Ein Byte reicht dann von –127 bis +127.

Als Integer bezeichnet man eine Zweier-Komplement - 16-Bit-Dualzahl (216= -32786 bis +32786).

Entsprechen ist ein Word eine Einer- Komplement 16-Bit-Dualzahl (positive Dezimalzahl, 216= 0-65535). Heute gebräuchlich 32-Bit lange Darstellung: Longinteger (+/ - 2,15 Milliarden). Allgemein gilt auch: Ein Wort ist kleinster im Hauptspeicher adressierbare Bitstring, >= 1 Byte.

Baud: Maßeinheit für die Schrittgeschwindigkeit: Anzahl der pro Sekunde stattfindenden Signalwechsel bei der Datenübertragung (z.B. Modem). Dies kann z.B. einer von vielen Zuständen darstellen. Wird bei jedem stattfindendem Signalwechsel ein binäres Signal übertragen, so stimmt die Schrittgeschwindigkeit mit der Datenübertragungsrate überein,Ð dann gilt 1 Baud = 1Bit/ s.

Taktzeit / Taktfrequenz: Maß der Häufigkeit, mit der das Leitwerk (innere Uhr des Compis) Steuerimpulse (Takte) aussendet. Bei jedem Takt kann der Computer genau eine Umschaltung seiner Bausteine vornehmen. Maßgeblich: Physikalische Eigenschaften der Schaltelemente. Heute, PC-Welt: 600 MHz. Dies sagt jedoch nichts über die effektive Rechenleistung aus.

Wortzeit: Zeit, die der Rechner benötigt, um ein Wort (8, 16, 32, 64 Bit-Länge) verarbeiten zu können (z.B. Lesen bzw. Schreiben eines Speicherwortes). Um eine realistischere Leistungseinschätzung zu erhalten, eignet sich demnach die Wortzeit hierfür eher als die üblich angegebene Taktzeit. Operationszeit: Zeit, die zur Durchführung einer Operation (Operation = elementarer Arbeitsschritt oder Arbeitsvorgang in einer Rechenanlage), eines Befehles benötigt wird. wird gemessen in MOp/ s (mio. Oper./ sec)

Organisatorische Zusammenfassungen: Daten können durch Strukturierung schneller transportiert & verarbeitet werden: Datei: Zusammengefasste und -hängende Daten, betitelt. Die Obergrenze für die Größe einer Datei wird durch die verfügbaren Speichermedien gesetzt. Block: Zusammengesetzte Datensätze in speziellen Datenbereichen einer Datei (Menge aller Datensätze eines Objekts). Satz: Datengruppe mit logisch zusammenhängenden Einzeldaten.

Booten (Startroutine eines Rechners, bootstrap routine): Einschalten ➭Selbsttest ( Vergleich des Setup mit Diagnoseergebnis, bei Fehler Abbruch) ➭ BS-kern laden (letzter Schritt des ROM) ➭ Konfigurationsdateien ausführen ➭ Benutzeroberfläche aktivieren ➭ Programme starten (bei DOS in autoexec.bat) ➭ bereit für Eingabe.

Hardwaremäßige Zusammenstellung zzgl. logischen Zuordnung von Funktionen nennt man “Konfiguration”.

Zentraleinheit, CPU (Central Processing Unit), meint eigentlich den Prozessor (Steuerelement & Rechenelement) zzgl. des Arbeitsspeichers. Landläufig wird damit jedoch nur der Prozessor benannt.

Speicherungsarten, technisch

Dynamische Speicherung,

(auch kapazitive Sp.) temporärer Speicher, flüchtig, Daten gehen nach Ausschalten des Rechners verloren: z.B. Arbeitsspeicher. Bei herkömmlichen Speicherchips wird je Bit ein Kondensator in Verbindung mit einem Transistor geschaltet & entweder auf 1 oder auf 0 gestellt (ge-/ entladen). Damit die Bits nicht “umkippen” (der Kondensator sich nicht entlädt) muss die Spannung erneuert werden. Die Erneuerungsfrequenz beschreibt die Refresh- Rate. Diese Speicher müssen also ständig mit Energie versorgt werden. Wegen der Gefahr dass ein Bit “umkippt” (sich entlädt), werden zur Überprüfung der Parität des Speicherelementes (+/ -) 8 Datenbits ein Prüfbit zugeordnet.

Statische Speicherung

Kernspeicher werden heute nicht mehr verwand. Medium ist die magnetische Remanenz des Werkstoffes Ferrit, das bistabiles Verhalten aufweist: eine von 2 Möglichkeiten wird stets angenommen, also wie geschaffen für die duale Darstellung.

Flip-Flop oder Schaltspeicher: Heute verwendet. Zur statischen Speicherung werden Verstärker, z.B. Röhren (veraltet) oder Transistoren bistabil zusammengeschaltet. 4 bis 6 Transistoren je Bit, als Basis großer Schaltspeicher.

Magnetspeicher: 1er Bit als Wechsel der Magnetisierungsrichtung, das 0er Bit als Beibehalten, Verbreitet in der Massenspeicherung .

Optische Speicher: z.B. CD-ROM, mittlerweile z.T. auch wiederbeschreibbar, Binäre Information ist in Form von “pits” (Vertiefungen) & “Lands” (Ebenen) auf der Oberfläche dargestellt. Diese wird von einem Laser abgetastet, dessen Reflexion von einer Fotozelle registriert wird. Hohe Kapazität Zuverlässigkeit, enorm wachsende Verbreitung, auch Datensicherung.

Speicherungsformen, Organisation

sequentielle Speicherung (z.B. auf Magnetband, Kassette): Datenträger & Datenstrukturen können nur in festen vorgegebenen Reihenfolgen gelesen oder beschrieben werden Ð lange Zugriffszeit.

direkter/ wahlfreier Zugriff, Random Access, jede Speicherzelle eines Speichers ist unabhängig von ihrer Position auf die gleiche Weise mit dem gleichen Zeitaufwand erreichbar.

Indexsequentieller Zugriff: Zwischenform der beiden erstgenannten: In Tabellen, ggf. in strukturierten Untertabellen, werden Adressen der relevanten Datensätze getrennt gespeichert; kann dann sequentiell gesucht werden oder durch best. Verfahren bei sortierten Tabellen angezielt werden. Diese Speicherungsform erfordert aber die Benutzung von Hilfsprogrammen zur Definition der Datenträgerabschnitte, zur Einspeicherung, Änderung & Löschung von Daten.

Speicher i.d. Rechner-Architektur:

Interne Speicher: Werden direkt von der Zentraleinheit angesteuert:

Register: Im Prozessor werden für die eigentliche Verarbeitung von Daten & für schnellste Verfügbarkeit Register eingerichtet, Basis ist der Laufzeitspeicher (Verzögerungsglied, logische Schaltung) für 1 Bit.

Cache: Speichereinheit, heute meist im Prozessor, Pufferspeicher zwischen RAM & CPU, besonders schneller Arbeitsspeicher, zum schnelleren Datenzugriff. Bei mod. Prozessoren außerdem L2-Cache (> L1-Cache), zur weiteren Zwischenlagerung (z. Hauptspeicher) hin.

Daten & Programme werden schon auf Verdacht bereitgestellt (➭Shadowing), Kapazität bis zu x-Hundert Kb.

Dynamic Random Access Memory, (DRAM bzw. RAM): Arbeitsspeicher o. Hauptspeicher , Dynamisch, wahlfreier Zugriff. Die Speicherzellen der Chips sind in Zeilen & Spalten gegliedert, die durch elektrische Signale direkt angesteuert werden können). Hier: Ablage aller für die gerade laufenden Programme relevanten Daten: Leitung der Befehle zur CPU & wieder Ablage der Ergebnisse. Speicher-Chips in Blockanordnung auf kl. Platinen, Zugriffszeit 60 Nanosekunden.

CMOS: batteriegepufferter RAM-Chip als Speicherort für Setup – Infos (Konfiguration, Uhrzeit)

ROM (Read only Memory, Bausteine, Dauerhafte Infos/ Routinen, die nur gelesen & nicht gelöscht werden können), Festwertspeicher: Daten gehen nach Ausschalten nicht verloren (permanent) wie z.B. das BIOS (Basic input output System).

Statische Speicherchips: viel schneller als Festplatte aber auch viel teuer, langsamer als dynamische Sp.

Externe Speicher:

Speicher, die nicht direkt von der Zentraleinheit adressiert werden (sondern über Schnittstellen & Treibern),Ð Peripheriegeräte.

Lochkarten (gähn:-)

Festplatten: (HDD) Wichtigster Massenspeicher, Alu- oder Glas-Magnetplatten 1 oder mehrere (als Stapel). Schreib- bzw. Leseköpfe schweben (Rotationsgeschwindigkeit/ Luftkissenboot) starr mit einander verbunden auf den Plattenoberfläche, in hermetisch abgeschlossenem Gehäuse (damit kein Staubkorn zwischen Pl. u. Kopf kommt, Headcrash!). Plattenunterteilung in Zylindern. Arm schwenkbar & verschiebbar. Wahlfreier Zugriff, Zugriffszeit ca. 10 Millisec., schnellster Massenspeicher für Programme & Daten. Manche Betriebssysteme benutzen die Festplatte als “virtuellen Speicher”, auf dem Daten ausgelagert werden, wenn die Arbeitsspeicherkapazität nicht ausreicht. Kapazität heute ab(!) 6 bis 60 GB. Datenübertragungsrate >6 MB/sec. Verbindungsnormen/ Schnittstellen: IDE-, EIDE- oder SCSI-Festplatte (vgl. Rechnerleistung).

ZIP-Drive: auswechselbare, nicht fest installierte Festplatte, um große Datenmengen auf andere Rechner zu übertragen. Externes Gerät meist Parallel (Druckeranschluss, langsam), internes seriell. 100MB. Sy Quest ist ein ähnliches Verfahren.

Floppy-Disk: gleiche Prinzip wie ZIP u. HD, Datenträger (Magnetscheibe), jedoch flexibel, ist auswechselbar, aber Speicherkapazität ist wesentlich geringer (1,44MB).

Magnetbänder-Streamer: Datenträger besteht aus dünnen magnetisierbaren Kunststoffband. Speicherung & Zugriff sequentiell ggf. mehrere Minuten Zugriffszeit. Aufgrund der günstigen Preise von schnellen Plattenspeichern, Magnetbänder meist nur noch zur Datensicherung.

DAT-Streamer: Digitale Speicherbänder, heute im Profibereich da relativ schneller Zugriff (200fach Bandbeschleunig.) & 4-12 GB Kapazität. Spuren werden diagonal beschrieben.

Magnetkarten, als Speicher f. kl. Datenaustausch, z.B. an Geldautomaten, Pferderennen, Parkscheine.

CD-ROM: Digitale Speicherung von Daten, Bild & Ton, wesentlich im Multimediabereich, 1 Spiralspur auf Kunststoffscheibe vgl. optische Speicher, Kapazität 640/ 757MB; Übertragungsrate >1GB/ sec

DVD: Seit 1995 auch Video-CDs mit 2 x 4,7 GB Kapaz., Konkurrenz zur Videokassette.

Magnetoptische Laufwerke MOD: Magnetisierung bei Einwirkung von Hitze durch Laserstrahl Ðgeringes Magnetfeld Ð hohe Kapazität. Lesbar durch Drehung der Polarisationsrichtung von Laserlicht (Kerr-Effekt); bis 5 GB, Laufwerke teuer, daher kein aufkommen, (# CD-Brenner)

Einflussgrößen der Rechnerleistung:

Bus: Datentransfer zwischen den Modulen, Adress-, Daten-, Steuerbus (Befehls-); Übermittlung durch elektr. Leitung, oder optische Verbindung (Glasfaser):

ISA (16-Bit, 5MB/ sec),

aufbauend EISA (32-Bit, 33MB/ sec),

PCI: (32-Bit, 132MB/ s o. 64-Bit, 264MB). Bus#CPU entkoppelt - schneller, offener Standard (Intel).

Schnellerer Speicherzugriff durch den DMA-Kanal (Festplatte-Arbeitsspeicher).

Schnittstellen: IDE veraltet, kostengünstig; EIDE wurden wegen schneller CD-ROM eingeführt, langsamstes Gerät bestimmt die Datentransferrate; SCSI hohe Datenübertragungsrate für HDD, CD-ROM, -Brenner, Scanner, bis 20MB/ sec, Geräte werden Leistungs-individuell bedient, teuer.

Kapazität d. Cache-Speichers als Zwischenlager bestimmen die Leistung des Prozessors mit (teuer).

Co-Prozessor können bestimmte Rechenfunktionen übernehmen.

Die Festplatten - Zugriffszeit ist heute nur ein Bruchteil gegenüber der von vor Jahren.

Auch die Kapazität des Arbeitsspeichers kann limitierend sein.

Weitere Boards mit CPU sind an Schnittstellen des Motherboards einsteckbar, z.B. zur Verwaltung der Massenspeicher.

- Engpass feststellen!.

Softwaresysteme für PCs Betriebssysteme (Systemsoftware) als Mittler zw. Prozessor & Anwendungssoftw., diese vermittelt zwischen BS & Benutzer.

Betriebssystem:

Operating System. Heute in Schichtenarchitektur: Kern (Organisationsprogramm) ➭

Systemaufruf ➭ Benutzeroberfläche ➭ Hilfsprogramme & Anwendungen. Beispiele: PC-Welt: PS/ 2, , Windows xx, LINUX, MS-DOS, MAC-OS.

IBM-Welt: OS/ 2, OS 400, PC-DOS,

Offene Systeme: UNIX, LINUX

Def.: Bindeglied zwischen Hardware & Anwendungsprogrammen, Systemsoftware. Zugeschnitten auf Rechnertyp, manche jedoch Portierbar (UNIX). Die Befehlsbreite eines BS soll auf die des Prozessors abgestimmt sein. Aufgaben immer umfangreicher: Starten & Beenden des Betriebs, Hardware Steuerung, Fehlerdiagnose, Anwendungsprogramm kontrolle, Verwaltung & Bereitstellung von Konfigurationen, Nutzerprofilen, Zugriffsrechten, Bereitstellung von Dienstprogrammen (Sortier-, Editier-, Kompressions-, Transferprogramme, Treiber, kl. Anwendungen) Organisation & Verwaltung der Speichermedien, der Aus- und Eingabegeräte, der Dateien, des Arbeitsspeichers (Shadowing: Abbilden von Datenbereichen im Arbeitsspeicher nach erwartetem Bedarf, Swapping: Auslagerung von Dateiteilen in den Virtuellen Arbeitsspeicher (HD), Paging: Swapping in Blöcken), Spool-Betrieb: Bedienung von langsamer Peripherie parallel zur Anwendung (Drucken im Hintergrund).

Betriebsarten:

Einprogrammbetrieb (DOS, die gerade genutzte Anwendung hat die volle Kontrolle, bei Berechnungen ist nichts weiter möglich). Multitasking: mehrere Programme laufen nebeneinander, gleichzeitig im RAM. BS achtet darauf, dass v.d. Anwendungen nicht “fremde” Daten im RAM geändert werden. Kooperatives Multitasking: BS hat nur bedingte Kontrolle über die Anwendungen, BS ist darauf angewiesen, dass Anwendungen Kapazitäten freigeben (Windows) Echtes Multitasking: Zeitscheiben (Zeitsequenzen, Millisekunden) werden nach gleichmäßig o. nach Priorität vergeben (die meisten modernen BS). Multithreading: Ein Programm kann gleichzeitig in verschiedenen Funktionen arbeiten (suchen, rechnen, Text aufnehmen)

Multi-User-Betrieb: Mehrere Anwender werden bedient. Timesharing: Kapazitäten der Anwender in Zeitscheiben teilen evtl. mit Prioritätensetzung, je nach Konfig. (vgl. Batchverarbeitung).