1. Basisinformationstechnologie I
Wintersemester 2013/14
06. November 2013 – Rechnertechnologie I
Universität zu Köln. Historisch-Kulturwissenschaftliche Informationsverarbeitung
Jan G. Wieners // jan.wieners@uni-koeln.de

2. Inhalte der heutigen Sitzung
Überblick: Rechner-/Computerentwicklung




Moore
Leibniz
Babbage
Turing
 Exkurs: Turingtest
 Weizenbaum
 von Neumann




 Exkurs: Spieltheorie
Die von Neumann Rechnerarchitektur
Konzept: Universalrechner
Cache als Hardwareelement
Caching als Grundmechanismus
Zeitgemäße Rechnerhardware
 Motherboard, etc.

3. Kurzwiederholung

4. Binärdarstellung ganzer Zahlen
Wie ℤ darstellen?
MSB (Most Significant Bit,
d.h.: erstes Bit, ganz links)
zur Kennzeichnung
verwenden
 MSB == 0, dann positive Zahl
 MSB == 1, dann negative Zahl
…Probleme?
1000 = -0
0001 = +1
1001 = -1
0010 = +2
1010 = -2
0011 = +3
1011 = -3
0100 = +4
1100 = -4
0101 = +5
1101 = -5
0110 = +6
Möglichkeit I:
0000 = +0
1110 = -6
0111 = +7
1111 = -7

5. Zweierkomplementdarstellung
-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
1000 = -8
1100 = -4
0000 = 0
0100 = 4
1001 = -7
1101 = -3
0001 = 1
0101 = 5
1010 = -6
1110 = -2
0010 = 2
0110 = 6
1011 = -5
1111 = -1
0011 = 3
0111 = 7
Darstellbarer Zahlenbereich: -2n-1 bis 2n-1-1

6. Subtraktion im Binärsystem
Aufgabe: Berechnen Sie 13-5 im Binärsystem
Schritt 1: Umrechnen und Zweierkomplement bilden
13/2=6, Rest 1
6/2 =3, Rest 0
3/2 =1, Rest 1
1/2 =0, Rest 1
5/2=2, Rest 1
2/2=1, Rest 0
1/2=0, Rest 1
13 = 0000 1101
5 = 101 = 0000 0101
Einerkomplement: 1111 1010
Zweierkomplement:1111 1011
Schritt 2: Binärzahlen addieren
0000 1101
+1111 1011
Ü1 1111 111
---------------10000 1000
Zahl ist positiv (MSB==0)  Die führende 1, die aus der Addition ad infinitum resultiert, überschreitet
den Wertebereich und wird gestrichen
Ergebnis: 13-5 = 0000 1101 + 1111 1011 = 0000 1000 = 8

7. Rechner-/Computerentwicklung

8. Rechner-/Computerentwicklung
„Wenn sich die Luftfahrtindustrie
genauso schnell wie die
Computertechnologie entwickelt
hätte, würde ein Flugzeug 500 Dollar
kosten und könnte die Erde in 20
Minuten mit 5 Gallonen Treibstoff
umrunden. Allerdings hätte es die
Größe eines Schuhkartons.“
(Gordon Moore, zitiert nach: Tanenbaum, Andrew S.: Computerarchitektur, S. 43.)
 Kostenreduzierung
 Leistungsfähigkeit (Performance)
 Ressourcenverbrauch
 Strukturreduzierung

9. Das Mooresche Gesetz (Moore‘s Law)
„Die Anzahl der
Transistoren, die auf
einem Chip (IC, Integrated
Circuit) untergebracht
werden können,
verdoppelt sich alle 2
Jahre.“

10. Rechner-/Computerentwicklung
Anno Pief: Abakus, etc.
17. Jahrhundert
 Blaise Pascal (1623-1662)
Rechenmaschine „Pascaline“
[Addition / Subtraktion]
 Gottfried Wilhelm Leibniz
(1646-1716):
Rechenmaschine
[Addition / Subtraktion
Division / Multiplikation]
Bildnachweis:
Pascaline: David Monniaux
Leibniz„ Rechenmaschine: Kolossos, http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Leibnitzrechenmaschine.jpg&filetimestamp=20060706122903

11. Ein Automat: die mechanische Ente (de Vaucanson, 1738)

12. Rechner-/Computerentwicklung
Charles Babbage (1792-1871)
 Difference Engine /
Differenzmaschine
 Lösung polynominaler Fkt.
 [Addition]
 Analytical Engine (Entwurf)
 Sollte von Dampfmaschine
betrieben werden
 Wäre mehr als 30 Meter lang
und 10 Meter breit gewesen
 Deutet zahlreiche Innovationen
und Konzepte an, u.a.:
 Eingabe (Befehle u. Daten) über
Lochkarten
 Ausgabe über Lochkartenstanzer
 Speicherwerk
 Rechenwerk
Bildnachweis:
Detailaufnahme Difference Engine: Carsten Ullrich

13. Rechner-/Computerentwicklung: Colossus (1943)
COLOSSUS (1943, u.a. Turing)
ENIGMA / Lorenz-Schlüsselmaschine

14. Alan Turing



1912 (London) – 1954
1936: On Computable Numbers,
with an Application to the
“Entscheidungsproblem”
 Turingmaschine
2. Weltkrieg: „Code Knacker“, u.a.
„Turing-Bombe“, „Colossus“

15. Alan Turing




1945-1948: National Physical
Laboratory: ACE (Automatic
Computing Engine), Referenz zu
Babbages „Analytical Engine“
1948-1949: „Manchester Mark I“,
Röhrencomputer
1950: „Computing machinery and
intelligence“
 Turingtest
2012: Turingjahr

16. Exkurs (ein kleiner):
Der Turingtest

17. Turingtest

19. Turingtest: Bots

20. Eine Implementierung des Turingtests: ELIZA






Benutzer: „Ich habe ein
Problem mit meinem Auto.“
ELIZA: „Warum, sagen Sie,
haben Sie ein Problem mit
Ihrem Auto?“
----Benutzer: „Ich habe ein
Problem mit meinem Vater.“
ELIZA: „Erzählen Sie mir
mehr über Ihre Familie!“
----Benutzer: „Krieg ist der
Vater aller Dinge.“
ELIZA: „Erzählen Sie mir
mehr über Ihre Familie!“

22. http://www.cleverbot.com/

23. ...Rechnerentwicklung

24. ENIAC (1946, Electronic Numerical Integrator and Computer)

25. John von Neumann
John von Neumann
 * 1903 (Budapest) als
János von Neumann
zu Margitta,
† 1957 (Washington D.C.)
 U.a. Arbeiten zur
Quantenmechanik,
Spieltheorie,
Manhattan-Projekt (mit Oppenheimer)
 Informatik: Von-Neumann-Architektur bzw. VonNeumann-Rechner: Rechner, in dem Daten und
Programm binär codiert in einem Speicher liegen.

26. Exkurs (noch ein kleiner):
Spieltheorie

27. X O
X
O

28. X O
X
O O
X O
X
O
X O
X
O
O

30. Spieltheorie nach von Neumann und Morgenstern
„Theory of Games and Economic Behavior“ (1944)
 Spiel („game“): Gesamtheit der Regeln, die das Spiel
beschreiben
 Spielpartie („play“): Vorgang, in dem das Spiel gespielt wird
 Spielzug („move“)
 Zugwahl („choice“)

Spielregeln determinieren, welche Spielsymbole zu
welchem Spielzeitpunkt auf welche Art und Weise bewegt
werden dürfen

31. Spieltheorie nach von Neumann und Morgenstern


32. Ein Spiel in Normalform
Koch
Köchin: 50 Euro

Koch: 50 Euro
Koch: 100 Euro
Köchin: 100 Euro
Köchin: 20 Euro
Koch: 0 Euro
Köchin
Köchin: 0 Euro
Koch: 20 Euro

33. Juul, Jesper: „255,168 ways of playing Tic Tac Toe”
(„http://www.jesperjuul.net/ludologist/255168-ways-of-playing-tic-tac-toe)
Extensivform von Spielen (Tic Tac Toe)

34. …ein wenig abstrakter…
3
12
8
2
4
6
14
5
2

35. Der Minimax-Algorithmus
3
MAX
max(3,2,2)=3
min(14,5,2)=2
min(2,4,6)=2
3
MIN
2
2
min(3,12,8)=3
3
12
8
2
4
6
14
5
2

36. Die Von-Neuman-Architektur

37. Universalrechner: Struktur des Rechners ist unabhängig
Universalrechner
von dem zu lösenden Problem, d.h. keine starre
Programmierung des Rechners über hardwareseitige
Repräsentation (z.B. Kabelverbindungen bei ENIAC) des
Programmes.

38. Von-Neumann-Architektur
………
………
………
………
………
………

39. Von-Neumann-Architektur


Steuerwerk
Rechenwerk
Zentrale Recheneinheit
(CPU = Central Processing Unit)
Steuerwerk
Rechenwerk
(ALU)

40. Von-Neumann-Architektur



Steuerwerk
Rechenwerk
Interne Datenwege
Zentrale Recheneinheit
(CPU = Central Processing Unit)
Steuerwerk
Rechenwerk
(ALU)
Funktionsweise &
Eigenschaften
 Zahlen werden im Rechner
binär dargestellt
 Universalrechner
 Programme und Daten
werden in einem
gemeinsamen Speicher
abgelegt
 Befehle geben nur die
Speicheradresse an, wo die
Daten abgelegt sind, nicht die
Daten selbst
Interne Datenwege
(Bus-System)

41. Von-Neumann-Architektur




Steuerwerk
Rechenwerk
Interne Datenwege
Arbeitsspeicher /
Speicherwerk
Zentrale Recheneinheit
(CPU = Central Processing Unit)
Steuerwerk
Rechenwerk
(ALU)
Funktionsweise &
Eigenschaften
 Zahlen werden im Rechner binär
dargestellt
 Universalrechner
 Programme und Daten werden in
einem gemeinsamen Speicher
abgelegt
 Befehle geben nur die
Speicheradresse an, wo die
Daten abgelegt sind, nicht die
Daten selbst
Interne Datenwege
(Bus-System)
Speicherwerk

42. Von-Neumann-Architektur





Steuerwerk
Rechenwerk
Interne Datenwege
Arbeitsspeicher /
Speicherwerk
Ein-/Ausgabewerk
Funktionsweise &
Eigenschaften
 Zahlen werden im Rechner binär
dargestellt
 Universalrechner
 Programme und Daten werden in
einem gemeinsamen Speicher
abgelegt
 Befehle geben nur die
Speicheradresse an, wo die
Daten abgelegt sind, nicht die
Daten selbst
Zentrale Recheneinheit
(CPU = Central Processing Unit)
Steuerwerk
Rechenwerk
(ALU)
Interne Datenwege
(Bus-System)
Speicherwerk
Ein/Ausgabewerk

43. Von-Neumann-Architektur
Befehlsverarbeitung  Von-Neumann-Zyklus in
fünf Teilschritten:





FETCH
DECODE
FETCH OPERANDS
EXECUTE
UPDATE PROGRAM COUNTER (UPC)

44. Von-Neumann-Architektur
Befehlsverarbeitung  Von-Neumann-Zyklus in
fünf Teilschritten:





FETCH
DECODE
FETCH OPERANDS
EXECUTE
UPDATE PROGRAM COUNTER (UPC)
 FETCH: Laden des nächsten zu bearbeitenden Befehls
in das Befehlsregister (bildet gemeinsam mit
Steuerwerk und Rechenwerk die CPU).

45. Von-Neumann-Architektur
Befehlsverarbeitung  Von-Neumann-Zyklus in
fünf Teilschritten:





FETCH
DECODE
FETCH OPERANDS
EXECUTE
UPDATE PROGRAM COUNTER (UPC)
 FETCH: Laden des nächsten zu bearbeitenden Befehls
in das Befehlsregister (bildet gemeinsam mit
Steuerwerk und Rechenwerk die CPU).
 DECODE: Befehl wird durch Steuerwerk in
Schaltinstruktionen für das Rechenwerk übersetzt.

46. Von-Neumann-Architektur
Befehlsverarbeitung  Von-Neumann-Zyklus in fünf
Teilschritten:





FETCH
DECODE
FETCH OPERANDS
EXECUTE
UPDATE PROGRAM COUNTER (UPC)
 FETCH: Laden des nächsten zu bearbeitenden Befehls in das
Befehlsregister (bildet gemeinsam mit Steuerwerk und
Rechenwerk die CPU).
 DECODE: Befehl wird durch Steuerwerk in Schaltinstruktionen
für das Rechenwerk übersetzt.
 FETCH OPERANDS: Operanden holen, die durch den Befehl
verändert werden sollen.

47. Von-Neumann-Architektur
Befehlsverarbeitung  Von-Neumann-Zyklus in fünf
Teilschritten:





FETCH
DECODE
FETCH OPERANDS
EXECUTE
UPDATE PROGRAM COUNTER (UPC)
 FETCH: Laden des nächsten zu bearbeitenden Befehls in das
Befehlsregister (bildet gemeinsam mit Steuerwerk und
Rechenwerk die CPU).
 DECODE: Befehl wird durch Steuerwerk in Schaltinstruktionen
für das Rechenwerk übersetzt.
 FETCH OPERANDS: Operanden holen, die durch den Befehl
verändert werden sollen.
 EXECUTE: Rechenwerk führt die Operation aus.

48. Von-Neumann-Architektur
Befehlsverarbeitung  Von-Neumann-Zyklus in fünf Teilschritten:





FETCH
DECODE
FETCH OPERANDS
EXECUTE
UPDATE PROGRAM COUNTER (UPC)
 FETCH: Laden des nächsten zu bearbeitenden Befehls in das
Befehlsregister (bildet gemeinsam mit Steuerwerk und Rechenwerk die
CPU).
 DECODE: Befehl wird durch Steuerwerk in Schaltinstruktionen für das
Rechenwerk übersetzt.
 FETCH OPERANDS: Operanden holen, die durch den Befehl verändert
werden sollen.
 EXECUTE: Rechenwerk führt die Operation aus.
 UPC: Erhöhung des Befehlszählers, damit der Rechner weiß, an welcher
Stelle des Programms er sich gerade befindet. Geschieht parallel zu
DECODE und FETCH OPERANDS.

49. Von-Neumann-Architektur
Vor- und Nachteile

50. Von-Neumann-Architektur
Vorteile
 Bedeutende Idee: Zunächst Laden des Programmes und der
Daten in ein und denselben Speicher, danach Ausführung.
 Vor von Neumanns Ansatz war das Programm hardwareseitig
verschaltet / repräsentiert oder wurde über Lochstreifenkarten
schrittweise eingelesen und sofort (sequentiell) verarbeitet.
 Nun möglich:
 Sprünge auf vorhergehende und spätere Programmsequenzen
 Modifikation des Programmcodes während des Programmablaufes
 Paradigmawechsel: Übergang vom starren
Programmablauf zur flexiblen Programmsteuerung bzw.
von der Rechenmaschine zur
Datenverarbeitungsmaschine

51. Von-Neumann-Architektur
Nachteile
 Da Daten und Befehle im Speicher gehalten werden,
wird die Verbindung und Datenübertragung zwischen
CPU und Speicher über den Systembus zum VonNeumann-Flaschenhals:
 Jeglicher Datenverkehr von und zur CPU wird über den
internen Bus abgewickelt, dessen Transfergeschwindigkeit
langsamer ist, als die Verarbeitungsgeschwindigkeit der
CPU.
Dieses Problem versucht man in modernen PC's durch die
Verwendung von schnellem Cache-Speicher
abzuschwächen, der meist in die CPU integriert ist.

52. Heutige Computer

54. Rechnerkomponenten
...?

55. Central Processing Unit
 Verarbeitung von Daten, die sich in Form von Bitfolgen /
Bytes im RAM (Random Access Memory) befinden
CPU-Bestandteile:
 Register: Hilfsspeicherzellen, mit ALU verknüpft
 Breite: z.B. 32 oder 64 Bit
 ALU: Erwartet Daten / Argumente in Registern, legt
Ergebnisse in Registern ab

56. CPU-Cache
Schneller (aus Kostengründen kleiner)
Pufferspeicher, in dem Kopien des RAM (in
Auszügen) vorgehalten werden, die
möglicherweise als nächstes von der CPU
benötigt werden.
 Intention / Ziele:
 Verringerung der Zugriffszeit bzw. Verringerung
der Anzahl der Zugriffe auf den zu cachenden
Speicher  Von-Neumann Flaschenhals
Vorteil:
 Durch Umgehung des Von-Neumann
Flaschenhalses: Steigerung der Ausführungsund Verarbeitungsgeschwindigkeit von
Programmen
Nachteil:
 Schwer vorhersehbar, welche Teile des
Hauptspeichers von der CPU im nächsten
Schritt benötigt werden  Cache-Misses
 Teuer

57. CPU-Cache
Grundidee des Caches: Häufig gebrauchte
Speicherworte / Daten sollten im Cache stehen, um das
Problem des von-Neumann-Flaschenhalses zu mindern.
Funktionsprinzip des Cache:
 Die CPU fordert ein gesuchtes Datum oder eine gesuchte
Instruktion im Cache an.
 Bei einem Cache-Hit befindet sich das Datum/Instruktion im
Cache.
 Bei einem Cache-Miss (die gewünschte Information befindet
sich nicht im Cache) wird ein bestimmter Bereich, der das
gesuchte Datum bzw. die gesuchte Instruktion enthält, aus
dem Hauptspeicher in den Cache geladen (in der Hoffnung,
dass folgende Zugriffe sich auf diesen aktualisierten Bereich
beziehen!).

58. Cache Hierarchie
Cache-Speicher ist sehr schnell,
aber auch sehr teuer, darum
Verwendung mehrerer Caches
in einer Cache-Hierarchie:
 Durchnummerierung vom Cache
mit der niedrigsten Zugriffszeit (L1)
bis
zum langsamsten Cache (Ln), z.B. L1
Cache, L2 Cache, etc.
Arbeitsweise:
 Zunächst wird der schnellste Cache
durchsucht; enthält der L1 Cache die
benötigten Daten nicht, wird der
nächste (zumeist langsamere und
größere) Cache durchsucht.

59. Cache als allgemeines Prinzip
Cache Speicher ist keine Idee, die allein der CPU
vorbehalten ist  allgemeines Prinzip
Beispiele im Alltag:
 Buffering: Video-Dateien aus dem Web (z.B. bei youtube)
werden gepuffert und anschließend wiedergegeben, um die –
im Vergleich zur Festplatte - niedrige Übertragungsrate des
Internets auszugleichen  Stichw. „Von-NeumannFlaschenhals“
 Cache kann überall da sinnvoll eingesetzt werden,
wo Speichermedien unterschiedlicher
Geschwindigkeit miteinander kommunizieren.
Auch wenn sich in den kommenden Jahren die aktuelle
Technik völlig verändert, wird es immer Speicher geben,
der schneller ist als anderer.

60. Speicherhierarchie



Faktum I: Die Zugriffszeit vergrößert sich, je weiter wir nach unten gehen.
Faktum II: Die Speicherkapazität vergrößert sich, je weiter wir nach unten
gehen.
Faktum III: Die Anzahl der „Bits pro Dollar“ vergrößert sich, je weiter wir
nach unten gehen, i.e.: Die Preise für die Speichermedien sinken, je weiter
wir uns nach unten bewegen.

61. Inhalte der heutigen Sitzung
Kurzer Überblick: Rechner-/Computerentwicklung




Moore
Leibniz
Babbage
Turing
 Exkurs: Turingtest
 Weizenbaum
 von Neumann




 Exkurs: Spieltheorie
Die von Neumann Rechnerarchitektur
Konzept: Universalrechner
Cache als Hardwareelement
Caching als Grundmechanismus
Zeitgemäße Rechnerhardware
 Motherboard, etc.

62. /

63. Hausaufgaben
Aufgabe 1 (1 Punkt)
Was macht den Von-Neumann Rechner zu einem
Universalrechner?
Aufgabe 2 (1 Punkt)
Aus welchen Komponenten setzt sich ein von Neumann-Rechner
zusammen? Welche Aufgaben haben die einzelnen Komponenten?
Aufgabe 3 (1 Punkt)
Welche Problematik wird als der von Neumann-Flaschenhals
bezeichnet?
Aufgabe 4 (1 Punkt)
Was ist Cache-Speicher? Erörtern Sie bitte
 „Cache“ als Bestandteil der CPU
UND (!)
 „Cache“ / „Caching“ als allgemeines Prinzip.

64. Hausaufgaben
Aufgabe 5 (3 Punkte)
In seiner 1950 publizierten Arbeit „Computing Machinery and
Intelligence“, wie sie sich unter
http://www.csee.umbc.edu/courses/471/papers/turing.pdf findet,
beschreibt Alan Turing ein Gedankenexperiment, das als „Turingtest“
bezeichnet wird.
 Lesen Sie bitte die ersten beiden Kapitel des Aufsatzes („The Imitation
Game“ und „Critique of the New Problem“) und geben sie das
Gedankenexemperiment nach Turing wieder.
 Erläutern Sie bitte im Kontext des Turingtests, welche Antworten sich
auf die Fragen des Fragestellers als (menschlich) „intelligent“
bezeichnen lassen.
 Nähern Sie den Begriff der Intelligenz an: Wodurch ist menschliche
Intelligenz charakterisiert? Sind Sie / bist Du der Meinung, dass es
möglich ist, ein Computersystem zu implementieren, das den Turingtest
besteht – ein Computersystem also, das sich als „intelligent“
bezeichnen ließe?