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MPP1 - Themenkatalog

Hinweis

Dieser Themenkatalog basiert auf den Katalog von PI19 und wurde von PI20 vor der MPP angepasst. Inhalte kommen größtenteils von Mitstudenten. Diese Zusammenfassung kann keine eigenen Aufzeichnungen ersetzen und dient ausschließlich als Leitpfaden. Sämtliche Überschriften mit ! wurden nicht behandelt.

Inhaltsverzeichnis

Präambel

Most Important Topics

  • ISO/OSI
  • OOP-Paradigmen
  • TCP/IP, Handshake, IPv4 vs IPv6, Routing, IP und MAC, UDP-TCP, HTTP vs HTTPS
  • Rechnerarchitektur
  • Unterschiede Programmiersprachen, Einordnung, Compiler vs Interpreter
  • Datenbankentwurf, ER-Modell, SQL, ACID
  • 3-Schichten-Architektur
  • Struktogramm
  • V-Modell, Scrum
  • Verschlüsselung (Arten,Verfahren,Hash)
  • Definition Betriebssystem, Aufgaben, Scheduling, Parallelisierung
  • RAID Level
  • Sortieralogrithmen
  • Grundlagen Schaltung/Elektrotechnik
    • Vorwiderstand berechnen
    • R=U/I etc.

Grundlagen der Informationsverarbeitung

ToDo:

  • Struktogramm?

Grundbegriffe zum eventuellen Wiederholen

  • EVA-Prinzip
  • Single-User/Multi-User Systeme
  • Datenhierarchie
  • Unix-Dateisystem

Von-Neumann-Architektur

Neumann

  • binär codierte Daten und Programme im gleichen Speicher
  • Ordnung aufeinanderfolgender Befehle entspricht physischen Speicherung (Abweichungen über Sprünge möglich)
  • Kommunikation über BUS-Systeme (Daten-, Adress-, Steuer-, ...)
  • Neumann-Flaschenhals: Bussystem $\rightarrow$ ein Bus (und Speicher) für Programme und Daten

Harvard-Architektur

  • Separation von Befehls- und Datenspeicher
  • getrennter Bus für Programme und Daten (aktive und passive Daten)
  • $\rightarrow$ Mitigation des von-Neumann-Flaschenhalses
  • im Betrieb (während der Programmausführung) ist Programmspeicher read-only

Befehlsverarbeitung

Wie erfolgt die Befehlsabarbeitung in einer CPU?

       ┌──────────────────┒
       ↓                  │
   Holphase               │
       ↓                  │
  Decodierphase       nächster
       ↓               Befehl
Ausführungsphase          │
       ↓                  │
  ┌─ STOP? ───────────────┘
  ↓
STOP
  • Holphase: Transport des nächsten Befehls aus dem Speicher ins Steuerwerk
  • Decodierphase: Entschlüsseln und Interpretieren des Befehls
  • Ausführungsphase: Erzeugung von Steuersignalen zur Ausführung des Befehls (z.B. durch Mikroprogramme)
  • Wiederholung der Phasen, bis ein STOP-Befehl erreicht wird

Einordnung von Programmiersprachen / Programmierparadigmen

Maschinenorientierte Sprachen Problemorientierte Sprachen
orientieren sich am Befehlssatz der zugrundeliegenden Hardware Sprache orientiert sich an den zu lösenden Problemstellungen
Programmierung für einen spezifischen Prozessor (nicht plattformübergreifend) Bsp.: imperative, funktionale, logische o. deskriptive Programmierung
sehr einfache Befehle $\rightarrow$ Komplexe Programmierung auch "höhere Programmiersprachen"
Assembler-Programmierung $=$ Vereinfachung durch mnemonische Ersetzungen plattformunabhängige Entwicklung durch Verwendung von Compilern
hohe Effizienz einfachere Programmierung

Problemorientierte Programmiersprachen

  • zu sehr großen Teil von der zugrundeliegenden Maschine unabhängig
  • definierter Kern: Wesen der Sprachen überall gleich
  • eventuell maschinen-/plattformspezifische Erweiterungen
  • sog. Quellprogramme werden mit Übersetzungswerkzeugen in Maschinensprache des Rechners übersetzt
  • Eigentlicher Programmcode ist Quellprogramm
  • "Höhere Programmiersprache"

Imperative Programmiersprachen

  • Folge von Anweisungen
  • Weg der Verarbeitung im Vordergrund
  • Bsp.: C, Pascal, Fortan, Cobol, Basic

Funktionale Programmiersprachen

  • Funktionen die Eingabegrößen in Ausgabegrößen abbilden
  • Funktionen bestehen aus Ausdrücken, die sich aus Operationen zusammensetzen
  • Bsp.: Lisp

Deskriptive Programmiersprachen

  • Ergebnis selbst im Vordergrund $\rightarrow$ Sprache beschreibt Eigenschaften des gewünschten Ergebnis
  • Programm liefert alle Eingabewerte, die diese Bedingungen erfüllen
  • keine Manipulation der Eingabegrößen
  • oft Abfragesprachen für Datenbanken $\rightarrow$ Bsp.: SQL

Prädikative Programmiersprachen

  • Beweis in einem System aus Tatsachen und Regeln im Vordergrund (= Wissensbasis)
  • Benutzer formuliert Anfrage an das System, welches versucht, diese mit "richtig" oder "falsch" zu beantworten
  • Bsp.: Prolog

Objektorientierte Programmiersprachen

  • Zusammenfassen der zur Lösung von Teilproblemen notwendigen Daten und Operationen zu Objekten
  • Objekte kommunizieren über Signale und Botschaften miteinander
  • einige imperative Vertreter sind durch objektorientierte Programmierung erweitert wurden
  • Bsp.: C++, Java, Smalltalk

Maschinenorientierte Programmiersprachen

  • Orientierung an der vorliegenden Hardware (Befehlssatz des Zentralprozessors)
  • Typische Vertreter: Assemblersprachen

Befehl

  • bezeichnen einzelne Arbeitsschritte $\rightarrow$ kleinste, nicht weiter zerlegbare Einheit einer Programmiersprache
  • bei problemorientierten Sprachen: Anweisung (oft keine einzelnen Schritte, sondern komplexere Abläufe)
  • Befehl = Operationsteil + Adressteil

Call by Value vs. Call by Reference

  • Call by Value: Übergabe der Kopie eines Parameters bei Funktionsaufruf (z.B. int, char in C; Kopie existiert nur innerhalb der Funktion)
  • Call by Reference: Übergabe der Referenz auf einen Parameter bei Funktionsaufruf (z.B. * in C; Änderungen bleiben nach Verlassen der Funktion erhalten)

Unterschied Java, JavaScript, C#, C++

Java JavaScript C# C++
(optimierter) Interpreter Interpreter Compiler Compiler
plattformunabhängig plattformunabhängig plattformabhängig plattformabhängig
statically typed dynamically typed statically typed statically typed
Server-Anwendungen, Android Web- und Server-Anwendungen Desktop-Awendungen Low-Level / High-Performance-Anwendungen

Statisches vs. dynamisches Linking

statisches Binden

  • inkludierter Code wird in-place ersetzt
  • größere Binary
  • gute Portabilität

dynamisches Binden

  • Laden einer DLL (Bibliothek) zur Laufzeit
  • kleinere Binary, aber ohne DLL/SO nicht lauffähig
  • Austausch einer DLL einfach
  • "schlechte" Portabilität

Gleitpunktverfahren

eine Gleitkommazahl setzt sich zusammen aus:

  • Vorzeichenbit: Vorzeichen der Mantisse
  • Mantisse: auf $0.$ formatierte Zahl
    • 25 Stellen (bei 32-Bit Zahl)
  • Exponent: Anzahl Stellen, um die das Komma der Mantisse verschoben wurde
    • 6 Stellen (bei 32-Bit Zahl)
  • Bias: konstanter Wert, der vom Exponenten abgezogen wird, um negative Exponenten darstellen zu können ($\text{Exponent} - \text{Bias} = \text{tatsächlicher Exponent}$)
    • üblicherweise 32

Umrechnen von Zahlensystemen

Dezimal zu X

Divisionsrestmethode

  • bsp.: 160 zu Basis 7

$$\begin{matrix} 160 / 7 & = 22 & R 6 \\ 22 / 7 & = 3 & R 1 \\ 3 / 7 & = 0 & R 3 \\ \end{matrix} \uparrow\\ \Rightarrow 316_7$$

X zu Dezimal

  • bsp.: $316_7$ zu dezimal

$$ 6\cdot 7^0 + 1 \cdot 7^1 + 3 \cdot 7^2 = 160_{10} $$

Datenträgerverwaltung

Dateiverwaltung Festplattenaufbau

Datenverwaltung

  • Jede Datei erhält eigenen Dateidiskriptor
    • Datensatz der Datei näher Beschreibt (Dateiname, Adresse etc.)
  • Organisation der Daten in Dateien (Zusammengefasste Menge an Daten in bestimmter Struktur)
  • Wenn Datei Blockgröße des Speichermediums überschreitet, können Daten nicht sequentiell gespeichert werden
    • OS muss entsprechende Byteströme finden
    • Defragmentierung schiebt Daten wieder zusammen

Organisation von Dateien

  • Sequenzielle Dateiorganisation (Heap)
  • Indexierte Dateien
  • Indexsequentiell
  • Multilisten
  • Mehrstufige Indexstrukturen

Digitaltechnik

Inhalte

  • Wie viel Bit benötigt man, um 1 Fehler zu erkennen bzw. zu korrigieren? 1/3 (Hamming 7-4 Code)
  • AD Wandler
  • Multiplexer, MUX-Bus, Vorteile gegenüber einem normalen Bus
  • Normalformen
  • Konjunktion, Disjunktion, Möglichkeiten zur Vereinfachung, Boolesche Algebra, KV
  • De-morgansches-Gesetz
  • XOR Wahrheitstabelle
  • RS FlipFlop Definition und Schaltung aufzeichnen

Eigenschaften von Codes

Was ist ein Code?(+Eigenschaften) Wie funktioniert ein BCD-Code, Binärcodes, Gray-Code

Code = Abbildungsvorschrift zur Darstellung von Zahlen

  • Bewertbarkeit: jeder Stelle wird eine bestimmte Wertigkeit zugeordnet
  • Gewicht: Anzahl der mit 1 belegten Stellen
  • Distanz: Anzahl der Stellen, die sich zwischen benachbarten Codeworten unterscheiden
  • Stetigkeit: stetig, wenn die Distanz über den gesamten Code hinweg gleich ist
  • Redundanz: mögliche Kombinationen vs. vom Code genutzte Kombinationen

BCD-Code

  • binär codierte Dezimalziffern
  • Redundanzen: bei 4 Bit nur 10 Kombinationen belegt
Ziffer | BCD-Code
   0   |   0000
   1   |   0001
   2   |   0010
   3   |   0011
   4   |   0100
   5   |   0101
   6   |   0110
   7   |   0111
   8   |   1000
   9   |   1001

Gray-Code

  • einschrittiger Code (Vermeidung von Abtastfehlern an einer Codescheibe)
Ziffer | Gray-Code
   0   |   0000
   1   |   0001
-------------------> Reflektionslinie 1
   2   |   0011
   3   |   0010
-------------------> Reflektionslinie 2
   4   |   0110
   5   |   0111
   6   |   0101
   7   |   0100
-------------------> Reflektionslinie 3
   8   |   1100
   9   |   1101
  10   |   1111
  11   |   1110
  12   |   1010
  13   |   1011
  14   |   1001
  15   |   1000

!Aiken-Code!

Nicht bei PI20 behandelt

  • Ziffern 5-9 negativsymmetrisch zu 0-4 $\rightarrow$ Neunerkomplementbildung durch Negation
Ziffer | Aiken-Code
   0   |   0000
   1   |   0001
   2   |   0010
   3   |   0011
   4   |   0100
--------------------
   5   |   1011
   6   |   1100
   7   |   1101
   8   |   1110
   9   |   1111

!Fehlererkennbare Codes!

Wurde bei PI20 nicht behandelt

  • Ziel: Erkennen einfacher Fehler $\rightarrow$ Verfälschung von 0 in 1 oder 1 in 0
  • Methoden: Quersummenprüfung, gleichgewichtige Codes (gleiche Zahl mit 1 belegter Stellen)

Paritätsbit

  • Zusätzliches Bit für Parität (XOR); ein Fehler erkennbar, Doppelfehler wird nicht erkannt
Dezimal | 2^2 | 2^1 | 2^0 | Parität
   0    |  0  |  0  |  0  |    0
   1    |  0  |  0  |  1  |    1
   2    |  0  |  1  |  0  |    1
   3    |  0  |  1  |  1  |    0
   4    |  1  |  0  |  0  |    1
   5    |  1  |  0  |  1  |    0
  ...

Gleichgewichtige Codes

  • einfach Fehler werden immer erkannt
  • Doppelfehler werden nur einseitig Erkannt (nur 0 zu 1 oder 1 zu 0)
  • Dreifachfehler werden nur bei Verfälschung von 0 zu 1 erkennt
  • z.B. 2-aus-5-Code (Achtung: Stellenwertigkeit gilt nicht für 0)
Dezimal | 7 | 4 | 2 | 1 | 0
   0    | 1 | 1 | 0 | 0 | 0
   1    | 0 | 0 | 0 | 1 | 1
   2    | 0 | 0 | 1 | 0 | 1
   3    | 0 | 0 | 1 | 1 | 0
   4    | 0 | 1 | 0 | 0 | 1
   5    | 0 | 1 | 0 | 1 | 0
  ...

!Fehlerkorrigierbare Codes!

Wurde bei PI20 nicht behandelt

  • Ziel: Fehlerkorrektur für übertragene Zeichen
  • Methoden: Rückfrageverfahren, automatische Fehlerkorrektur durch Empfänger bei Fehlererkennung (Block-Verfahren, Hamming-Codes)
  • Eigenschaften: Vergrößerung der Redundanz $\rightarrow$ Verringerung der Datenrate, Erhöhung Übertragungsdauer

Blockprüfung

  • Blockbildung aus mehreren Codeworten $\rightarrow$ Prüfwort am Ende eines Blocks$\rightarrow$ Paritätsbit für jede Zeile/Spalte
Dezimal | 2^3 | 2^2 | 2^1 | 2^0 | Parität
   5    |  0  |  1  |  0  |  1  |    0
   3    |  0  | *1* |  1  |  1  |    0 ← Fehler
   1    |  0  |  0  |  0  |  1  |    1
   6    |  0  |  1  |  1  |  0  |    0
   8    |  1  |  0  |  0  |  0  |    1
Prüfwort|  1  |  0  |  0  |  1  |    0
                 ↑
               Fehler

Hamming-Codes

  • Codes mit korrigierbaren Einzelzeichen $\rightarrow$ Überprüfung jedes Informationsbits mit zwei Prüfbits
  • Prinzip der Erkennung: ein Prüfbit falsch $\rightarrow$ Fehler im Prüfbit; zwei Prüfbit falsch $\rightarrow$ Fehler im Informationsbit
  • Prüfbits nebeneinander geschrieben ergeben die Stelle mit dem Fehler
  • z.B. 7-3-Hamming-Code:

$$\begin{matrix} k_0 = m_3 + m_2 + m_0\\ k_1 = m_3 + m_1 + m_0\\ k_2 = m_2 + m_1 + m_0 \end{matrix}$$

Dezimal | k0 | k1 | m3 | k2 | m2 | m1 | m0
   0    | 0  | 0  | 0  | 0  | 0  | 0  | 0
   1    | 1  | 1  | 0  | 1  | 0  | 0  | 1
   2    | 0  | 1  | 0  | 1  | 0  | 1  | 0
   3    | 1  | 0  | 0  | 0  | 0  | 1  | 1

AD-Wandler

  • Umwandeln von analogen Signalen (Spannung) in digitale Signale (0,1)
    ⟋         ┌─┘
  ⟋   -->   ┌─┘
⟋         ┌─┘

Volladdierer

x ──┬─────╮╒═══╗
    │     & AND╟───────────────╮╒════╗
y ──│───┬─╯╘═══╝               >=1 OR╟──── cout
    │   │╒════╗                │╘════╝
    │   =1 XOR╟─┬─────╮╒═══╗   │
    ╰───╯╘════╝ │     & AND╟───╯
cin ────────────│───┬─╯╘═══╝
                │   │╒════╗
                │   =1 XOR╟─────────────── s
                ╰───╯╘════╝

Konjunktive/Disjunktive-Normalform

  • Ausgangspunkt: Wahrheitstabelle (Darstellung aller Eingangskombinationen)
 A  B  C |  Y
 0  0  0 |  0
 0  0  1 |  1
 0  1  0 |  1
 0  1  1 |  1
 1  0  0 |  0
 1  0  1 |  0
 1  1  0 |  0
 1  1  1 |  1

Disjunktive Normalform

  • alle Eingansbelegungen für die die Funktion den Wert 1 annimmt werden disjunktiv verknüpft (OR)
  • $\rightarrow; Y = \bar{A}\bar{B}C \lor \bar{A}B\bar{C} \lor \bar{A}BC \lor ABC$

Konjunktive Normalform

  • alle Eingansbelegungen für die die Funktion den Wert 0 annimmt werden konjunktiv verknüpft (AND)
  • $\rightarrow; Y = (\bar{A}\lor\bar{B}\lor\bar{C}) \land (A\lor\bar{B}\lor\bar{C}) \land (A\lor\bar{B}\lor C) \land (A\lor B\lor\bar{C})$

KV-Diagramme

AB│
00│ 0 0 1 1
01│ 0 0 1 1  ───╲   Zusammenfassen zu 2er-Potenz-Blöcken (2,4,8,...)
11│ 0 0 0 1  ───╱   Verknüpfung der Blöcke mit ODER -> ¬AD v ¬CD v A¬BC
10│ 0 1 1 1
──┼──────────
 C│ 0 1 1 0
 D│ 0 0 1 1

Vereinfachung Boolescher Schaltfunktionen

(!a||(!a&&b)) eigentlich (¬a ∨ (¬a)∧b) = ¬a

(¬a ∨ ¬(a∧b))
Negation des zweiten Terms entfernen
(¬a ∨ (¬a)∨(¬b))
(¬a ∨ ¬a ∨ ¬b)
Vereinfachen !a ∨ !a = !a
(¬a ∨ ¬b)
Negation zusammenführen
¬(a∧b)

NAND(a,b)
Zur Überprüfung kann Wahrheitswerttabelle genutzt werden.

Arten von Kippgliedern

  • Bistabil: zwei stabile Zustände
  • Monostabil: ein statischer Zustand und ein quasistatischer Zustand (zeitlich begrenzt)
  • Astabil: kein stabiler Zustand (toggelt)

Schaltsymbole

  • Grundsätzlich: Rechteck mit Symbol in der Mitte, Eingangssignale und Ausgangssignale
    • Kreise für Negegation an Ausgängen
  • Zeichen
    • G: UND-Abhängigkeit
    • ¬: Invertierung
    • V: ODER
    • N: XOR
    • Z: Verbindungsabhängigkeit
    • X: Übertragungsabhängigkeit

Multiplexer/Demultiplexer

  • kombinatorische Logikschaltung
  • von mehreren Eingangsleitung auf einen einzigen Common Output umschalten

Multiplexer Demultiplexer

FlipFlop

RS-FlipFlop

  • nicht taktgesteuert
  • besteht aus zwei NOR oder zwei NAND Verknüpfungen
  • 1-aktiver FlipFlop: RS mit NOR
  • 0-aktiver FlipFlop: RS mit NAND
  • häufig hinter Schalter oder Taster um Schaltvorgang prellfrei zu machen

RS-FF

Wahrheitstabelle der Gatter

OR NOR
0 0 0 1
0 1 1 0
1 1 1 0
1 0 1 0

Wahrheitstabelle FF

S R $Q^m+1$
0 0 $Q^m$ Speichern (vorheriger Zustand bleibt erhalten)
0 1 0 Zurücksetzen (R-Reset)
1 0 1 Setzen
1 1 - WIU WIU VERBOTEN WIU WIU AAAAH (Inversion würde aufgehoben werden)

D-FF

D-FF

D C $Q^m+1$
0 1 0 Zurücksetzen
1 1 1 Setzen
d 0 $Q^m$ Speichern

JK-FF

JK-FF

C J K $Q^m+1$
1 0 0 $Q^m$ Speichern
1 0 1 0 Zurücksetzen
1 1 0 1 Setzen
1 1 1 ¬$Q^m$ Toggeln
0 d d $Q^m$ Speichern

T-FF

t-FF

C T $Q^m+1$
0 0 $Q^m$
$\uparrow$ 0 $Q^m$
$\uparrow$ 1 ¬$Q^m$

Schaltnetz/Schaltwerk

  • Schaltnetze besitzt keine Rückkopplung, Schaltwerke mindestens ein Ausgang auf einem Eingang rückgekoppelt
  • Schaltwerk erhält speichernden Charakter

Hazards

  • Entsteht bei Änderung zweier Eingangsvariablen, Ausgangszustand soll aber 1 bleiben
  • Statisch
    • 0-Hazzard: Signal sollte 1 sein, fällt kurz auf 0 runter
    • 1-Hazzard: Signal sollte 0 sein, springt kurz auf 1
  • Dynamisch
    • 0-Hazzard: Signal sollte 1 sein, fällt immer wieder kurz auf 0 runter
    • 1-Hazzard: Signal sollte 0 sein, springt immer wieder kurz auf 1

Moore

  • $Y$ ist ausschließlich von $z^m$ abhängig
  • Nach ersten Schaltznetz fließen die Ausgangsvariablen nicht in Betrachtung ein

Moore1 Moore2

Mealy

  • $Y$ ist sowohl von $z^m$ als auch von mindestens einer Eingangsvariable $x$ abhängig
  • In einem zweiten Schaltnetz werden $x$ neu betrachtet

Mealy1 Mealy2

Elektrotechnik

ToDo:

  • Kupferleiter (Widerstand & Kapazitiver Widerstand)
  • RGB???

Grundlegende Inhalte

  • Warum ist RAM flüchtig
  • Wiederstand, kapazitiver Widerstand
  • Stromkreis abzeichnen
  • LED-Schaltkreis/Schaltkreise + LED Schaltsymbole
  • Dioden Kennlinie/Dioden-Diagramm
  • Vorwiderstand berechnen
  • elektrische Leistung
  • Stromkreis zeichnen, LED o.ä.

Grundlegende elektrische Bauteile

Kondensator

  • Speichern von elektrischen Ladungen
  • Anwendung: Glättungskondensatoren, Datenspeicherung im flüchtigen Speicher

Ohmscher Widerstand

  • begrenzt den Strom
  • Spannung ändert sich anhand des Ohmschen Gesetzes
  • Ohmsches Gesetz:$R=\frac{U}{I}$
  • Anwendung: Vorwiderstand, Spannungsteiler

Diode

  • Halbleiterelement
  • sperrt in Abhängigkeit von Stromrichtung
    • ist bei bestimmten Spannungen geschlossen/offen
    • Wenn geschlossen rechnerisch ein Widerstand dahinter geschalten
  • Anwendung: Gleichrichter, LeuchtEmitterDiode (LED), Schutzdiode für Spulen
  • Zehnerdiode: Auf Betrieb im Durchbruchsbereich ausgelegt, für Spannungsbegrenzung/stabilisierung geeignet

Diodenkennlinie:

Diodenkennlinie

Transistor

  • Halbleiterelement
  • besteht aus: Kollektor, Emitter und Basis
  • Grundlage für heutige Rechentechnik
  • Anwendung: Verstärker, Schalter
  • Betriebsarten: Inversbetrieb, Normalbetrieb, Sperrbetrieb, Sättigungsbetrieb

CMOS

  • Halbleiterbauelement
  • Funktioniert durch Wechselspiel zweier Transistoren
    • n-Kanal-Mosfet
    • p-Kanal-Mosfet

Spule

  • Transformation von Spannungen
  • erzeugen Magnetfelder / Induktivität
  • Anwendungen: Relais, Störfilter

Schaltungstypen

  • Basiskonfiguration: hat Spannungsverstärkung aber keine Stromverstärkung
  • Ermitterschaltung: hat Strom- und Spannungsverstärkung
  • Kollektorshaltung: hat Stromverstärkung aber keine Spannungsverstärkung

Flüchtiger RAM

Warum ist ein RAM-Speicher flüchtig?

  • DRAM-Zelle besteht aus Kondensator und Transistor
  • Speicherung als Ladung im Kondensator
    • Transistor-Leckströme machen Refresh nötig
    • Abschalten der Betriebsspannung: Entladung des Kondensators $\rightarrow$ flüchtig
  • SRAM-Zelle: Kein Refresh nötig aber gleiches Prinzip mit Spannung

Signalübertragung Kabel

Warum darf/kann ein Kabel für die Signalübertragung nicht unendlich lang sein?

  • Signallaufzeit: Latenz
  • Abschwächung des Signals durch Störungen, Interferenz, elektrischer Widerstand (Google: Leitungsdämpfung)

weitere Themen

  • Knotenpunktregel, Maschenregel (Kirchhoff)
  • Spannungsrichtig, Stromrichtig messen
  • $R=U/I$

Algorithmen und Datenstrukturen

Eigenschaften von Algorithmen

  • Eindeutigkeit: keine widersprüchliche Beschreibung haben
  • Ausführbarkeit: jeder Einzelschritt muss ausführbar sein
  • Finitheit(= Endlichkeit): Beschreibung des Algorithmus muss endlich sein
  • Terminierung: nach endlich vielen Schritten enden
  • Determiniertheit: bei gleichen Voraussetzungen stets gleiches Ergebnis
  • Determinismus: zu jedem Zeitpunkt höchstens eine Möglichkeit der Fortsetzung

Sortieralgorithmen

  • Sortieren = zentrales Problem der Computeranwendung (grundlegende Voraussetzung für effizientes Suchen)
  • Anwendung: statistische Auswertung großer Datenmengen, Datenbankanwendungen (erfordern effiziente Zugriffe), Teilschritt in anderen Algorithmen

Eigenschaften von Sortierverfahren

  • stabiles Sortieren: Reihenfolge gleicher Werte bleibt erhalten
  • Speicherbedarf: in situ (Array) oder ex situ (Liste)
  • Anzahl der Vergleiche/Tausche (best-/worst-case)

Selection-Sort

  • Idee: entferne jeweils das kleinste Element aus der Ausgangsfolge und füge es am Ende der Ergebnisfolge ein
  • Selection-Sort ist terminiert (sortierter Bereich wird in jedem Durchlauf vergrößert)
  • $N-1$ Swaps, $N-1$ Durchläufe (in jedem Durchlauf $i$ $N-i$ Vergleiche)
  • in situ, kein stabiles Verfahren
  • Aufwandsabschätzung: $T_{worst}(n)=T_{best}(N)\rightarrow O(N^2)$

Bubble-Sort

  • Idee: Tausche benachbarte Schlüssel, wenn diese nicht in der gewünschten Reihenfolge sind
  • Bubble-Sort ist terminiert (sortierter Bereich wird in jedem Durchlauf vergrößert)
  • In jedem Durchlauf wandert das größte Element an die richtige Stelle
  • in situ, stabiles Suchverfahren (bei fast Vorsortierung trotzdem $n-1$ Durchläufe)
  • Aufwandsabschätzung: $T_{worst}(n)\rightarrow O(N^2); T_{best}(N)\rightarrow O(N); T_{avg}\rightarrow(N^2)$

Insertion-Sort

  • Idee: Entnimm der Ausgangsfolge ein beliebiges Element und sortiere es in die (bereits sortierte) Ergebnisfolge
  • Insertion-Sort ist terminiert (Ausgangsfolge wird bei jedem Durchlauf um ein Element verringert)
  • $N-1$ Durchläufe (in jedem Durchlauf $i$ $N-i$ Vergleiche)
  • pro Durchlauf von Vorsortierung abhängige Anzahl von Vergleichen und Verschiebungen ($T_{worst}(n)\neq T_{best})
  • in situ, stabiles Verfahren
  • Aufwandsabschätzung: $T_{worst}(n)\rightarrow O(N^2); T_{best}(N)\rightarrow O(N); T_{avg}\rightarrow(N^2)$

Quick-Sort

  • Idee: wähle ein beliebiges Element $x$ aus der Folge (= Pivotelement)
    • teile die Restfolge in zwei Teilmengen (LTM und RTM)
    • sortiere beide Teilmengen mit Quick-Sort (Rekursion)
  • Auswahl des Pivot-Elements durch verschiedene Strategien $\rightarrow$ für höchste Effizienz teilen in zwei gleichgroße Teilmengen
  • Termination: bei Partitionierung entstehende Teilmengen sind immer kleiner als die Ausgangsmenge bis zur einelementigen Liste
  • in situ, kein stabiles Verfahren
  • worst-case: Conquer zerlegt eine Folge von $N$ Elementen rekursiv in 2 Folgen der Länge $1$ und $N-1$ ($T_{worst}\rightarrow O(N^2)$)
  • best-case: Conquer zerlegt eine Folge von $N$ Elementen rekursiv in 2 Folgen gleicher Länge ($T_{best}\rightarrow O(N log N)$)

Merge-Sort

  • Idee: Zerlege die Ausgangsmenge rekursiv in 2 gleichgroße Teilmengen (bis einelementige Mengen)
    • Mische jeweils 2 benachbarte Teilmengen, sortiere dabei die Elemente
  • Gut geeignet für Sortierung von Daten auf externen Medien
  • Termination: durch sukzessive Teilung der Folge bis zu einelementiger Folge gesichert
  • ex situ, stabiles Verfahren
  • worst case: $O(N log N)$
  • best = worst (immer optimale Teilung)

Binärbaum

Was soll man groß dazu sagen

  • Ein Elternknoten hat max. zwei Kindknoten

Einfach verkettete Liste

  • Dynamische Infrastuktur zur geordneten Speicherung von Datenelementen
  • Anzahl kann während Laufzeit beliebig variieren

Verschlüsselung

Wurde bei PI20 eher in IT-Trends behandelt

Schutzziele

  • Klartext so transformieren, dass originale Informationen nicht mehr lesbar sind
  • Vertraulichkeit

symmetrisch vs. asymmetrisch

symmetrisch

  • gleicher Schlüssel für Ver- und Entschlüsselung
  • hohe Performance
  • typische Schlüsselänge: >128bit
  • Problem: sicherer Schlüsseltausch
  • Implementierungen: AES-256 (Rijndael), DES (unsicher)

asymmetrisch

  • unterschiedliche Schlüssel für Ver- und Entschlüsselung
  • vergleichsweise niedrige Performance
  • in der Regel:
    • Verschlüsselung mit Public-Key des Empfängers
    • Entschlüsselung mit Private-Key des Empfängers
  • privater Schlüssel muss sicher verwahrt werden
  • ermöglicht durch: Einsatz mathematischer Einwegfunktionen
    • privater Schlüssel darf nicht aus öffentlichem ableitbar sein
  • Implementierungen: RSA

hybrides Verfahren

  • Kombination von symmetrischen und asymmetrischen Verfahren
    • asymmetrisches Verfahren für den sicheren Schlüsseltausch
    • symmetrisches Verfahren für den Nutzdatenaustausch
  • Implementierungen: TLS/SSL

Hashing

Wie kann man bei symmetrischer Verschlüsselung prüfen ob die originale Nachricht ankam?

Wie kann sondiert werden?

  • variable Eingangsgröße auf fixe Ausgangsgröße abbilden
  • Lawineneffekt (minimale Änderung im Eingang führt zu großen Änderungen im Ausgang)
  • Anwendungen: Speichern von Passwörtern, Integritätsüberprüfung
  • sichere/kryptografische Hashverfahren: SHA-256
  • verschiedene Sondierungsverfahren: lineares, quadratisches Sondieren

Digitale Signatur

  • Authentifizierung des Kommunikationspartners
  • Hash der Nachricht wird mit Private-Key des Absenders verschlüsselt
  • Funktionen wie Unterschrift: Abschlussfunktion, Identitätsfunktion, Echtheitsfunktion, Warnfunktion, Beweisfunktion

Stack und Queue

  • Queue: FIFO: First In, First Out
    • auch Warteschlange
    • Anwendung: Round-Robin-Verfahren
  • Stack: LIFO: Last In, First Out
    • auch Kellerspeicher genannt
    • Rechnen mit Postfix-Notation
    • Anwendung: Funktionsaufrufe, Speicherung statischer Daten

Graphen

  • Was ist ein Graph? Travelling Salesman-Problem, Minimal Spanning Tree, ...
    • Tiefen/Breitensuche; Adjazenzmatrix aufstellen können

Struktogramm

  • Dokumentieren von Algorithmen unabhängig von Programmiersprache
  • Genormt nach DIN 66261 [Wir sind hier schließlich in Deutschland]
  • Erfolgt mittels einfacher Formen, hauptsächlich Rechteck
  • Hilfreicher Zwischenschritt von Problem zu Programm

Automaten und Sprachen

Reguläre Ausdrücke

Was sind reguläre Ausdrücke?

  • beschreiben reguläre Mengen

Definition einer regulären Menge

  • $\emptyset \in R$; die leere Menge ist regulär
  • ${\epsilon}\in R$; die Menge, die das leere Wort enthält ist regulär
  • ${a}\in R ;\forall; a \in A$
  • Vereinigungen und Konkatenationen von regulären Mengen sind ebenfalls regulär
    • $(p)^{\ast}$: Konkatenation von $p$ mit sich selbst
    • $(pq)$: Konkatenation von $p$ und $q$
    • $p \lor q$: Vereinigungsmenge von $p$ und $q$
  • Eine Menge ist genau dann regulär, wenn sie in endlich vielen Schritten aus diesen Regeln gewonnen werden kann

Beispiel: Alphabet $A={a,b}$, dessen Worte weder aa noch bb enthalten

$$L \subset A^{\ast}=(ab)^{\ast}\lor(ba)^{\ast}\lor a(ba)^{\ast} \lor b(ab)^{\ast}$$

Grammatiken

Was ist eine Grammatik? (+Grammatik-Typen)

  • Regelwerk, das festlegt, welche Zeichen und Zeichenfolgen zu einer Sprache gehören (= Wortproblem)
  • Definition von Programmiersprachen erfolgt über präzise Grammatiken

Bestandteile einer Grammatik

$$G = {T,V,S,P}$$

  • Menge $T$ von Terminalsymbolen: unveränderliche und unteilbare Bestandteile der Sprache
  • Menge $V$ von Nichtterminalsymbolen: Zeichen und Zeichenfolgen, die nach den Regeln der Grammatik gebildet werden können
  • Menge $P$ von Grammatikregeln: Regeln, die festlegen wie aus Terminalsymbolen und/oder Nichtterminalsymbolen neue Konstrukte (Nichtterminalsymbole) gebildet werden können
  • Das Startsymbol $S$: Nichtterminalsymbol, aus dem alle Worte der Sprache abgeleitet werden
<Zeichen> ::= <Buchstabe> | <Sonderzeichen> | <Ziffer>
<Buchstabe> ::= A | B | C | ... | Z

Die Chomsky-Hierarchie

Einteilung von Grammatiken in vier Klassen:

  • Chomsky-0: Grammatiken ohne Einschränkungen
  • Chomsky-1: Alle Regeln der Form $u\rightarrow v$ mit $u \in V^+$ mit $v \in ((V \cup T) - {S})^+$ und $|u| \leq |v|$ oder $S \rightarrow \varepsilon$ (kontextsensitive Grammatiken)
  • Chomsky-2: Alle Regeln der Form $A\rightarrow v$ mit $A \in V$ und $v \in (V \cup T)^*$ (kontextfreie Grammatiken)
  • Chomsky-3: Alle Regeln der Form $A\rightarrow v$ mit $A \in V$ und $v = \varepsilon$ oder $v = aB$ mit $a \in T$ und $B \in V$ (rechtslinear, reguläre Grammatiken)

Turing-Maschine

  • Mathematisches Modell, das Berechenbarkeit definiert Wikipedia
  • unendlich langes Band : Bandalphabet
  • Lese-Schreibkopf kann Lesen, Schreiben, arbeitet auf Band : Eingabealphabet
  • Zustandsmenge
  • Anfangszustand
  • Überführungsfunktion: Wenn in Zustand .. und Symbol .. gelesen, dann ist .. neuer Zustand, schreibe Symbol .. und gehe mit LS links/rechts oder bleibe stehen

Registermaschinen

  • Registermaschine = vereinfachtes Modell realer Rechner (Vorbild: Von-Neumann-Architektur)
  • beinhaltet Befehlszähler, Akkumulator, Programm und endliche Anzahl von Registern
  • jedes Register kann eine beliebig große natürliche Zahl aufnehmen und die Operationen Inkrement, Dekrement und das Testen des Wertes im Register auf 0
  • eine Registermaschine besitzt $m$ Register und berechnet die Funktionen $f:N^r_0 \rightarrow N^s_0 ;\text{mit}; r,s \leq m$
  • Eingabe in den ersten Registern $r$, Ausgabe beginnend im ersten Register $s$

Programm

  • einzelne Befehle des Programmes sind nummeriert
  • Programm verarbeitet natürliche Zahlen aus den Eingaberegistern in natürliche Zahlen in den Ausgaberegistern
  • Eingabe wird in den Erste $r$ Registern gespeichert (restliche Register mit 0 belegt)
  • Programm beginnt bei der mit 0 gekennzeichneten Anweisung, stoppt, wenn zu einer Marke verzweigt werden soll, die nicht im Programm enthalten ist
  • Konfigurationen = Momentaufnahmen des Zustandes der Register einer Registermaschine

Automatenkonstruktion

Nicht-deterministischer endlicher Automat

  • Orakel bestimmt Folgezustand
  • gleiche Eingaben führen nicht immer zur gleichen Ausgabe
  • theoretisches Modell (Orakel technisch nicht vollumfänglich realisierbar)
  • z.B.: $(ab \lor aba)^\ast$:
   ╭←───b─────╮
 ╭═╧╮        ╭┴─╮
→╢q0╟───a───→┤q1│
 ╰═╤╯        ╰┬─╯
   ↑   ╭──╮   │
   ╰─a─┤q2├←b─╯
       ╰──╯

deterministischer endlicher Automat

  • gleiche Eingaben führen immer zur gleichen Ausgabe
  • tatsächlich von Computer ausführbar
  • z.B.: $(ab \lor aba)^\ast$:
               ╭←───────a──────────╮
 ╭══╮        ╭─┴╮      ╭══╮       ╭╧═╮
→╢q0╟───a───→┤q1├──b──→╢q2╟───a──→╢q3║
 ╰═╤╯        ╰┬─╯      ╰╤╤╯       ╰═╤╯
   │          a         │╰←───b─────╯
   │          ↓         │
   │         ╭┴─╮       │
   ╰───b────→┤q4├←──b───╯
             ╰┬┬╯
              ↑a,b
              ╰╯

Betriebssysteme

Hinweis von PI20: Wir haben das aufgrund der Gestaltungsweise der Vorlesung mittels Studentenvorträge evtl. nicht ausführlich genug behandelt. Es folgen hauptsächlich Themen von PI19, die man auf jeden Fall sich anschauen sollte.

Definition Betriebssystem

Die Programme eines digitalen Rechnersystems, die zusammen mit den Eigenschaften dieser Rechenanlage die Basis der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechnersystems bilden und die insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen

  • DIN 44300

Aufgaben eines Betriebssystems

  • Bedienschnittstelle für Nutzer -> Programme (CLI/UI)
  • Verstecken technischer Details/Automatisierung von Vorgängen
    • Abstraktion der HW (einfache Programmierschnittstelle)
    • Definition von Konzepten (Prozess, Datei, Speicher, ...)
    • Vermeidung von Fehlern (Schutz der HW -> Stabilität)
  • Steuern von Abläufen/Kontrollieren von Ressourcennutzung
    • quasiparallele Ausführung mehrere Prozesse (sichere Trennung)
    • Blockaden von Prozessen verhindern, CPU-Leistung zuweisen
    • effiziente, zuverlässige, sichere Verwaltung
  • Dienste für Anwender/Anwendungsprogramme
    • Prozess-, Speicher-, Dateiverwaltung, E/A-Operationen, Interprozesskommunikation (über APIs realisiert)
  • Privilegiensystem zum Schutz der Anwendungen untereinander (inkl. OS)
    • Kern-Modus: alle Rechte für Betriebssystem-Code
    • Benutzer-Modus: eingeschränkte Rechte für Anwendungs-Code
    • Schnittstelle zwischen Usermode und Kernel = Traps (Einstiegspunkte; vgl. Software-Interrupt)

Klassifizierung von Betriebssystemen

  • Nach Betriebsart: Netzwerk-, Realzeit- oder universale Betriebssysteme
  • Nach Anzahl der gleichzeitig laufenden Programme: Einzel- (singletask) oder Mehrprogrammbetrieb (multitask)
  • Nach Anzahl der gleichzeitigen Nutzer: Einzel- oder Mehrbenutzerbetrieb
  • Nach Anzahl der verwalteten Prozessoren: Ein- oder Mehr-Prozessor-Betriebssystem

Betriebsmittel

Welche Betriebsmittel kennen Sie?

  • aktive Ressourcen verarbeiten passive Ressourcen
  • Einteilung in Klassen: Entziehbarkeit, Zuteilbarkeit, Wiederverwendbarkeit, Hard- oder Software Ressource
  • aktive Ressourcen: CPU, Netzwerk
  • passive Ressourcen: Festplatte, Arbeitsspeicher

Thread/Prozess/Task

  • Programm: statische Beschreibung eines sequentiellen Algorithmus
  • Prozess: Programm in der Ausführung
  • Thread: sequentieller Abarbeitungsablauf innerhalb eines Prozesses
  • Task: Synonym für Prozess, aber auch Thread

Parallelität und Nebenläufigkeit

  • Mehrprogrammbetrieb: Verwaltung mehrerer Prozesse in einem Einprozessorsystem
  • Mehrprozessorbetrieb: Verwaltung mehrerer Prozesse in einem Mehrprozessorsystem
  • Verteilte Verarbeitung: Verwaltung mehrerer Prozesse auf mehreren Verteilten Computersystemen (Cluster)

Grundlegender Bedeutung: Kommunikation, Synchronisation zwischen Prozessen; Nutzung von Ressourcen und Prozessorzeit

  • Parallelität: Die Anweisungen zweier Prozesse werden gleichtzeitig unabhängig voneinander ausgeführt (echte Parallelität $\rightarrow$ nur auf Multiprozessor-Systemen)
  • Nebenläufigkeit: Die Anweisungen zweier Prozesse werden unabhängig voneinander sequentiell ausgeführt (pseudo Parallelität $\rightarrow$ auf Monoprozessor-Systemen)

Dateisysteme

Dateisystemarten nennen können + Vor- und Nachteile

  • Beispiele: exFAT, ext4, NTFS, FAT32

Virtueller Speicher

  • mehrere Fragmente müssen für das Programm so dargestellt werden, als ob sie aus einem kontinuierlichen Bereich stammen
  • verlangt ein Programm mehr Speicher als vorhanden, wird der inaktive Teil ausgelagert (geswappt)
  • Umsetzung der virtuellen in eine physische Adresse durch die Memory Management Unit (MMU)

Implementierung

  • jeder Prozess besitzt eigenen virtuellen Adressraum
  • virtueller Adressraum besteht aus gleich großen Seiten (pages)
  • Arbeitspeicher unterteilt in gleich große Kacheln (page frame)
  • i.d.R.: $\text{page} = \text{page frame}$ oder $\text{page} * n = \text{page frame}$
  • Hintergrundspeicher aufgeteilt in zusammenhängende Blöcke gleicher Größe (nur blockweise adressierbar)
  • Verwaltung der Adresse und des Zustand jeder Seite in einer Seitentabelle
  • Typische Größe eines Seitentabelleneintrags: 32 Bit (Zugriffsrechte, Informationsbits für Speicherverwaltung, Seitenrahmennummer)

Cache

Wozu dienen Caches in Rechnersystemen?

  • schneller Zwischenspeicher
  • dient Ausgleichung der Zugriffslücke
  • Größe ist aus Kostengründen meist begrenzt

Speicherzuweisungsstrategien

First fit

  • Speicherverwaltung durchläuft Liste der Reihe nach, reserviert erstbesten Block
  • fängt immer wieder an Position 0 an

Next fit

  • analog zu first fit
  • jedoch $\rightarrow$ fängt an Position d. letzten Treffers an

Best fit

  • Suche nach dem Block, bei dem beim Einfügen der Werte die kleinste Fragmentierung auftritt

Seitenersetzungsstrategien

  • wird versucht auf eine Seite zuzugreifen, die nicht im physischen Speicher liegt, wird ein Systemaufruf mit einem Seitenfehler (page fault) ausgelöst
    • wenig genutzter Speicherrahmen wird ausgelagert, angeforderte Seite wird in den freien Rahmen geladen
    • Anpassung der Seitentabelle, Wiederholung des Befehls
  • richtiges Auslagern ist eines der größten Probleme virtueller Speichersysteme (extreme Auswirkungen auf Gesamtleistung)
  • Worst case: ausgelagerte Seite wird sofort wieder benötigt $\rightarrow$ Seitenflattern (trashing)

Optimale Seitenersetzungsstrategie

  • lagere die Seite aus, für die der nächste Zugriff am weitesten in der Zukunft liegt (theoretisch beste Strategie)
  • jedoch unmöglich, herauszufinden, welche Seite wann als nächstes gebraucht wird (praktisch nicht umsetzbar)
  • Auch bekannt als Belady-Theorem der optimalen Verdrängung

Seitenersetzungsstrategien (optimale Strategie dient als Referenz)

  • NRU: teilt Seiten anhand ihrer R- und M-Bits (read, modified) in vier Klassen ein und entfernt zufällig eine Seite aus der niedrigsten, nicht-leeren Klasse
  • FIFO: Auslagern der Seite, die sich am längsten im Hauptspeicher befunden hat (älteste Seite)
  • Second-Chance: FIFO mit R-Bit Überprüfung (verhindert Auslagern häufig genutzter Seiten)
  • LRU: Auslagern der Seite, auf die am längsten nicht mehr zugegriffen wurde (aufwändig, Umsetzung über Hardware)
  • NFU: Seite, die am seltensten benutzt wird, soll ausgelagert werden (mit Zähler realisiert; Problem: anfangs viel genutzte Seiten werden nicht augelagert)
  • Aging: Software-Simulation von LRU (alle Zähler 1 Bit nach rechts, R-Bit addiert)
  • Clock: analog Second-Chance -> Uhrzeiger wandert so lange um die Elemente, bis eine Seite mit einem zurückgesetzten R-Bit gefunden wird
  • WSClock: Kombination aus Working-Set (Menge von Seiten eines Prozesses) und Clock

Scheduling-Strategien für Prozesse

Non-präemptive Scheduling

  • First come first serve (FCFS / FIFO): Jobs werden bei Entstehen in Warteschlange eingefügt
  • Shortest-Job-First (SJF): Prozesse mit (geschätzt) kürzester Ausführungzeit werden zuerst bedient
  • Highest response ratio next (HRN): Bearbeitet Jobs mit maximalem Verhältnis Antwortzeit zu Bedienzeit zuerst. (Zeiten liegen Schätzungen zugrunde)
  • Prioritätsscheduling (PS): Nächster Job, der in rechenbereit-Liste aufgenommen wird, wird in Warteschlange gemäß seiner Prioritäten einsortiert

Präemptive Scheduling

  • Round-Robin (RR): Kombination aus der FCFS-Strategie und dem Zeitscheibenverfahren
  • Dynamic Priority Round Robin: Prioritäten der Prozesse in "rechenbereit"-Schlange erhöhen sich nach jeder sie nicht berücksichtigenden Zeitscheibe
  • Shortest Remaining Time First: Variante von SJF $\rightarrow$ bevorzugt Jobs mit kleinster restlicher Bedienzeit

Adressierungsarten

  • Unmittelbar: Operand direkt im Adressteil (ohne Speicherzugriff)
  • Absolut/Direkt: Operand in Adressteil angegebene Adresse
  • Indirekt: Adresse von Speicherzelle enthält Adresse des Operanden
  • Symbolische: Speicherzelle enthält frei wählbaren Namen (wird während des Linkens durch absolute Adresse ersetzt)
  • Indizierte: Adressteil + Adresse Indexregister = Adresse des Operanden
  • Relative: wie indizierte, nur statt Indexregister Basisregister
  • PC-relative: Berechnung der nächsten Adresse relativ zur aktuell bearbeiteten Adresse
  • Virtuelle: Speicherbereich außerhalb des physischen Hauptspeichers

Serielle vs. Parallele Datenübertragung

Serielle Datenübertragung

  • einzelne Bits werden nacheinander übertragen (eine Leitung)
  • geringere Störanfälligkeit; niedrige Übertragungsgeschwindigkeit

Parallele Datenübertragung

  • mehrere Bits werden parallel übertragen (mehrere Leitungen)
  • störanfällig $\rightarrow$ parallele Leitungen beeinflussen sich gegenseitig (Übersprechen)
  • Berücksichtigung von Laufzeitunterschieden verschiedener Leitungen nötig

Warum ist heute die serielle Datenübertragung verbreiteter?

  • Taktrate hat gegenüber Busbreite gewonnen
  • Früher: seriell für langsamere Datenübertragungen über ggf. längere Distanzen
    • parallele für schnellere Übertragungen über kürzere Entfernungen

Interrupts

Was passiert beim Auftreten eines Interrupts? (+Interrupt vs. Trap)

  • Interrupt = kurzfristige Unterbrechung eines Programms durch eine von der CPU abzuarbeitende Befehlssequenz (Interrupt Service Routine $\rightarrow$ schnelle Reaktion auf I/O, Zeitgeber, ...)

Ablauf

  • Sperren weiterer Unterbrechungen mit gleicher oder geringerer Priorität
  • Sicherung wichtiger Register-Informationen
  • Bestimmen der Interruptquelle (durch Hardware realisiert)
  • Laden des zugehörigen Interruptvektors
  • Abarbeitung der Interruptroutine
  • Rückkehr zur unterbrochenen Aufgabe (Registerinformationen wiederherstellen)

Traps

  • Trap = Art automatischer Prozeduraufruf bei bestimmten Bedingungen (z.B. Gleitkommaüberlauf) $\rightarrow$ Programmcounter wird mit Adresse des Trap-Handlers überschrieben

Semaphore

  • Semaphore = Variable, die einem Prozess erlaubt und anderen verbietet
  • Manipulation der Semaphore über zwei unteilbare Operationen (reservieren = P(sema); freigeben = V(sema))
  • Synchronisation von Prozessen $\rightarrow$ Semaphore realisiert ein passives Warten der Prozesse

Spooling

Was ist Spooling?

  • Dienst verwaltet eine Ressource zentral $\rightarrow$ kann von mehreren Prozessen angefordert werden
  • z.B. Drucker-Spooler = Puffer für Druckeraufträge (nicht bei allen Ressourcen möglich)

Betriebssystemverwaltung

RAID

  • Redundant Array of Independent Disks
  • Nutzen von Redundanzen zur Erhöhung der Ausfallsicherheit oder des Datendurchsatzes (keine Datensicherung!)
  • Mirroring: alle Daten auf mehreren Speichermedien gespeichert (kein Datenverlust bei einem Ausfall)
  • Striping: Daten auf allen Speichermedien verteilen (Datenverlust bei einem Ausfall)
    • Parität: Bei verteilter Datenspeicherung durch Striping $\rightarrow$ Speicherung von Paritätsinformationen auf weiterem Speichermedium
  • RAID 0: Striping über min. 2 Datenträger (höhere Performance, aber keine Ausfallsicherheit)
  • RAID 1: Mirroring über min. 2 Datenträger (Ausfallsicherheit; geringe Netto-Kapazität; hohe Kosten)
  • RAID 5: Striping mit einer XOR-Parität über 3-16 Datenträger (hohe Netto-Kapazität und Lesegeschwindigkeit; komplexe Initialisierung, langsames Schreiben)
  • RAID 6: Striping mit zweifachen Paritätsinformationen (Reed-Solomon-Code) über 4-16 Datenträger (Ausfallsicherheit zweier Speichermedien)
  • RAID 10: Striping und Mirroring über min. 4 Datenträger
  • RAID 50: Striping, Mirroring und Parität über min. 6 Datenträger
  • RAID 60: Striping, Mirroring und doppelte Parität über min. 8 Datenträger
  • Spare: zusätzliches Speichermedium $\rightarrow$ bei Ausfall erfolgt sofortiger Restore auf Spare

Pipes

Was sind Pipes?

  • Pipes verbinden die Ausgabe eines Programmes mit der Eingabe eines anderen $\rightarrow$ Datenstrom zwischen zwei Prozessen nach dem FIFO-Prinzip
  • Symbol: |; z.B. cat example.txt | wc -l

Datensicherung

  • unabhängige Datenkopien, getrennt vom Produktivsystem aufbewahren
  • 3-2-1 Regel
    • 3 Datenstände
    • 2 unterschiedliche Speichermedien
    • 1 off-site
  • Online Backup $\rightarrow$ sofort verfügbar und immer online
  • Offline Backup $\rightarrow$ nicht immer verfügbar und online, braucht Zeit um eingesetzt werden zu können
  • Hot Backup $\rightarrow$ wird im laufenden Betrieb erstellt
  • Cold Backup $\rightarrow$ wird im ausgeschalteten Zustand erstellt (konsistenter Zustand wird gesichert)

Parallelisierung

  • mehrere Recheneinheiten arbeiten parallel
  • Beschleunigen von Berechnungen
  • Erfüllung großer Speicheranforderungen
  • Höherer Durchsatz

Rechnernetze

Grundlegende Themen

  • Netzwerktopologien
  • Token Ring
  • Netzwerkprotokolle
  • IP-Routing
  • 3-Wege-Handshake
  • DNS, DHCP
  • ISO/OSI
  • Client Server
  • UDP/TCP

ISO/OSI-Referenzmodell und TCP/IP

Schicht Funktion Protokolle TCP/IP
Anwendungsschicht Kommunikation zw. Anwendungen NFS, DNS, Anwendungungsschicht
Darstellungsschicht Transformation zw. Datenformaten, Verschlüsselung Anwendungungsschicht
Sitzungsschicht Dialogsteuerung, Synchronisation Anwendungungsschicht
Transportschicht Ende-zu-Ende-Kommunikation zw. Prozessen TCP, UDP Transportschicht
Vermittlungsschicht Wegewahl Sender -> Empfänger, Kopplung heterogener Teilnetze IP Internetschicht
Sicherungsschicht Behandlung von Übertragungsfehlern Ethernet Netzzugangsschicht (Link Layer)
Bitübertragungsschicht physikalische Ebene -> Übertragung von Signalen Netzzugangsschicht (Link Layer)

  • Protokolle der oberen 3 Schichten nicht eins zu eins zuordbar

  • Normalerweise in ein Protokoll vereint

  • Protokoll = Regeln zur Steuerung der Kommunikation

  • Dienst = durch Sicht erbrachte Funktionalität

Verbindungstypen

Verbindungsorientiert Verbindungslos
- Beziehung zwischen Sender und Empfänger -Keine Information über Existenz einer Beziehung
- Gegenseitiges Wissen über Beziehung -Kommunikation kann ohne Verbindungsaufbau begonnen werden
Leistungsvermittelt Paketvermittelt
- Fest zwischen Sender und Empfänger durchgeschaltet - Leitungen werden gemeinsam genutzt
- Ermöglicht Zusicherung von Quality of Service -Daten werden in Pakete aufgeteilt, die Informationen über Zuordnung des Empfängers bereithalten

Netzwerktopologien

  • Unterscheidung zwischen physikalischer und logischer Topologie:
    • Physikalische Topologie: tatsächlich vorhandenen Netzwerkkomponenten und ihrer Verbindungen
      • z.B.: Ring, Voll- oder Teilvermaschtes Netz, Stern, Baum, Bus, Linie ("offener Ring")
    • Logische Topologie: Kommunikationsbeziehungen und Struktur des Datenflusse
  • SPOF im Netz $\rightarrow$ Ausfallsicherheit gering

IP und Routing

  • Forwarding:
    • beschreibt Entscheidungsprozess eines Netzknotens Über welchen Nachbarn eine Nachricht weitergeleitet werden soll
  • Routing:
    • bestimmt den gesamten Weg eines Nachrichtenstroms durch das Netzwerk
TODO: Wie funktioniert Routing eigentlich? (Grob) <--->

Warum braucht man ne IP Adresse anstatt gleich mit MAC zu kommunizieren?

  • Routing im Internet (effizient) ermöglichen, Zusammengehöriges kommt in ein Sub-Netz
  • man möchte keine Broadcasts im Internet
  • MAC gilt nur in lokalen Netzen
  • privacy concerns
  • MAC hat nur kleinen Adressraum (48 Bit)

IPv4 vs IPv6

IPv4                                | IPv6
- 32bit Adressen  (NAT!)            | - 128bit Adressen
- keine autom. Adress-Conf.         | - SLAAC
- variabler Header                  | - konstanter Header + Extension-Header
  -> ineffizentes Routing           |
- Fragmentierung durch Router       | - Fragmentierung durch Sender

UDP vs TCP

UDP                              | TCP
- verbindungslos                 | - verbindungsorientiert
- unzuverlässig                  | - zuverlässig
- geringer Protokoll-Overhead    | - höherer Protokoll-Overhead
- keine Reihenfolgegarantie      | - Reihenfolgegarantie
- Anw.: DNS, DHCP, NTP, SNMP     | - Flusskontrolle, Überlaststeuerung

TCP-Handshake

C                 S
l |->   SYN   ->| e
i |<- SYN,ACK <-| r
e |->   ACK   ->| v
n |             | e
t |<-   ...   ->| r

SYN = Senden der SeqNr
ACK = Bestätigen der SeqNr
  • SYN-Flooding = hohes Datenaufkommen bei vielen halboffenen Verbindungen

TCP Fast-Open

  • Ziel: Latenz beim wiederholten Verbindungsaufbau reduzieren (3-Wege-Handshake vor Übermittlung von Anwendungsdaten)
  • Grundprinzip: Client fragt beim ersten Verbindungsaufbau ein spezifisches TFO-Cookie an
  • Bei erneutem Verbindungsaufbau werden direkt mit dem ersten Segment Anwendungsdaten und das gespeicherte TFO-Cookie übermittelt (kein regulärer Drei-Wege-Handshake erforderlich)

TLS

Was ist der Unterschied zischen HTTP und HTTPS?

  • setzt auf TCP-Verbindungen auf
  • bietet: Authentisierung und Schlüsselaustausch, Verschlüsselungsalgorithmen und kryptographische Hashfunktionen
  • sichert z.B. HTTP-Kommunikation (https) oder Schlüsseltausch bei OpenVPN
  • $\rightarrow$ großer Overhead zusammen mit TCP

DNS

= Namensauflösung (Domain $\rightarrow$ IP)

                       <-> 1. Root-DNS (/cache)
- Resolver <-> ISP-DNS <-> 2. TLD-DNS (/cache)
                       <-> 3. autoritativer NS (Resource-Record)

URL-Aufruf

Was passiert bei einem Browseraufruf (URL)?

  • Namensauflösung URL -> IP durch DNS
  • HTTP-Request
  • HTTP Response: Status Code, HTML-Page

DHCP

  • Dynamic Horst Configuration Protocol ermöglicht die automatische Konfiguration von TCP/IP-Netzwerkinformationen für IPv4 und IPv6
  • DISCOVER: DHCP-Server im lokalen Netz suchen
  • OFFER: Server offerieren Basis-Konfiguration
  • REQUEST: Client bestätigt Konfiguration
  • ACK: Server bestätigt, optionale Konfiguration
  • Konfiguration: Default-Gateway, Subnetz, IP, (DNS), (Timeserver)

SDSL / ADSL

  • SDSL: Symmetric Digital Subscriber Line
    • Upload und Download Speeds gleich
    • teurer als ADSL $\rightarrow$ als Business-Leitung verkauft
  • ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line
    • Upload und Download Speeds unterschiedlich (meist Upload Speed kleiner)
  • VDSL: Very-fast Digital Subscriber Line

Datenbanken

ToDo:

  • Datenbankentwurf (einzelne Modelle, Formalitäten sind sehr wichtig!)
  • ERM
  • "SQL"

Datenbankentwurf

  • Anforderungsanalyse (requirements engineering)
    • funktionale und nicht funktionale Anforderungen nennen
  • Modellierung der Sichten
  • TODO:

ANSI-SPARC Drei-Ebenen-Konzept

  • Externe Ebene: logische Datenstrukturen der Anw.-Programme zur Präsentation der Daten an den Benutzer
    • $\updownarrow$ logische Datenunabhängigkeit: Sicht der Anw.-Prog. unabhängig von der Gesamtsicht der Daten
  • Konzeptionelle Ebene: logische Gesamtstruktur der Daten (Eigenschaften, Beziehungen); neutral zu Anw.-Prog. (relationales Modell)
    • $\updownarrow$ physische Datenunabhängigkeit: Anw.-Prog. von physischer Speicherung unabhängig, Speicherstrukturen uninteressant
  • Interne Ebene: physische Datenstrukturen, Speichermedien

Datenmodelle

hierarchisches Modell

  • hierarchische Datensätze mit verschiedenen Feldern
  • stark an Filesystem orientiert $\rightarrow$ Baumstruktur (Verweise über Pointer)
  • Grenzen: starres Modell, das keine n:m-Beziehungen unterstützt (ohne Redundanzen)

Netzwerkmodell

  • Verallgemeinerung des hierarchischen Modells $\rightarrow$ keine strenge Hierarchie
  • m:n-Beziehungen indirekt über Hilfsdatensatztyp möglich (2x 1:n)

Relationales Modell

  • ein Objekt besitzt bestimmte Merkmale (= Attribute)
  • Beziehungen zwischen den Objekten besitzen ebenfalls Merkmale
  • Speicherung in einfacher Tabellenform (Zeilen = Objekte, Spalten = Attribute)
  • Darstellung von Beziehungen zwischen Objekten durch Attributwerte statt Pointer

Objektorientiertes Datenmodell

  • Sammlung von Objekten (enthalten Attribute und weitere Objekte)
  • eindeutige Identifikation von Objekten durch unveränderliche Indikatoren
  • Erfassen von mehr Semantik $\rightarrow$ aufwändige Verbundoperationen entfallen (Optimierung vs. Datenunabhängigkeit)
  • Kriterien: komplexe Objekte, Kapselung, Klassen- und Typhierarchie, Sicherstellung der Objektidentität, ...

Objektrelationale Systeme

  • Verknüpfung von relationalen Systemen und Objektorientierung

Operationen im Relationalen Modell

  • Selection: Auswahl von Zeilen, die bestimmte Bedingungen erfüllen
  • Projektion: Auswahl bestimmter Attribute eines Datensatzes (Spalten)
  • Join: Verbinden zweier Datensätze

ACID (Transkationseigenschaften)

  • Atomarität, Konsistenz, Isolation, Dauerhaftigkeit
  • Atomarität
    • eine Transaktion ist immer atomar (unteilbar)
    • Wenn eine Datenbankanweisung nicht erfolgreich durchgeführt werden kann, müssen alle vorherigen Änderungen der Transaktion rückgängig gemacht werden (Rollback)
  • Konsistenz
    • vor und nach einer Transaktion befindet sich die Datenbank immer in einem konsistenten Zustand
  • Isolation/Abkapselung
    • alle Änderungen, die eine Transaktion bewirkt sollen erst nach Beendigung für andere Transaktionen sichtbar werden
    • Sperrprotokolle, Zeitstempelverfahren
  • Dauerhaftigkeit
    • das Ergebnis einer abgeschlossenen Transaktion steht dauerhaft in der Datenbank, kann nicht mehr verloren gehen

Sperrkonzepte

RX-Sperrverfahren

               vorhandene Sperre
                 | NL | R | X        NL = No Lock   |   + = Sperranforderung realisierbar
angeforderte   R |  + | + | %        R = Read Lock  |   % = bestehende Sperre muss aufgehoben werden
Sperre         X |  + | % | %        X = Write Lock |
  • Gefahren durch Deadlocks: Transaktionen abbrechen (später erneut durchführen) oder Timeout-Verfahren

Constraints

Was sind Constraints?

  • Wahrung der Konsistenz durch Bedingungen $\rightarrow$ ermöglichen DBMS Integrität zu prüfen
  • z.B. CONSTRAINT ck_plz CHECK (plz LIKE '[0-9][0-9][0-9][0-9][0-9]');

Speicherpyramide

Register               ╱╲         1 - 10 ns
Cache                 ╱  ╲      10 - 100 ns      Adressierung von Bytes, flüchtig
Hauptspeicher        ╱    ╲     0.1 - 1  µs
                    ╱      ╲          ╱╲
                   ╱--------╲         ││  Zugriffslücke > 10^5
                  ╱          ╲        ╲╱
Externspeicher   ╱   online   ╲          ms
Archivspeicher  ╱   nearline   ╲        sec      blockadressierbar, nichtflüchtig
Archivspeicher ╱     offline    ╲ sec - min
               ‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾

Systemanalyse

ToDo:

  • SCRUM
  • "agile Entwicklung"
  • Welche Phasenmodelle gibt es und wie funktionieren diese? (inkl. Vor- und Nachteile)
  • Welche Rolle spielt das Testen in der SE?
  • Aufwandsschätzung

Softwareengineering

  • Motivation - Wieso Softwareengineering? TODO
  • erste, zweite und dritte Softwarekrise
  • Definition: Entwicklung von Software, Organisation + Modellierung Datenstrukturen, Betrieb der Systeme
  • Struktur in den Entwicklungsprozess bringen
  • Regeln definieren
  • feste Absprache in Verträgen
  • mehr Sicherheit für Kunden und Produzenten: Vorhersagen, Schätzung möglich
  • Dokumentation und Tests werden (oft) obligatorisch
  • Ziel: Verbesserung der Qualität, Standardisierung, Beschleunigung des Entwicklungsprozesses

Lasten- und Pflichtenheft

Lastenheft

  • Basisanforderungen und das grobe Konzept zum Projekt vom Auftraggeber
  • Erforderliche Funktionen, Qualitätsanforderungen
  • relevante technische Daten und vertragliche Rahmenbedingungen

Pflichtenheft

  • ausformulierte Lösungen sowie die detaillierten Anforderungen auf Basis des Lastenhefts vom Auftragnehmer
  • Dokumentation der Ausgangslage, Definition der Ziele $\rightarrow$ beschreiben der Prozessabläufe
  • Soll-Konzept, das die Anforderungen des Auftraggebers erfüllt
  • technische Struktur
  • tabellarische Übersicht der wichtigsten Daten
  • Belege, Ablaufpläne und Checklisten

Phasenmodelle

  • Welche Phasenmodelle gibt es und wie funktionieren diese? (inkl. Vor- und Nachteile) TODO

Wasserfallmodell (einfaches Phasenmodell)

  • Phasen stur nacheinander, keine Tests außer Abnahme
  • Wenn Fehler in vergangener Phase: Projekt fehlgeschlagen

Vorteile

  • Gesamtkosten und Aufwand zu Beginn klar
  • Einzelabschnitte sind wenig komplex
  • Phasenpipelining möglich

Nachteile

  • wenig Flexibilität bezüglich Änderungsmöglichkeiten
  • Testen nur am Ende
  • für komplexe Aufgaben oder große Teams ungeeignet
  • Kunde wird kaum involviert
  • Fail Early wird nicht unterstützt

Iteriertes Phasenmodell

  • Wasserfallmodell aber:
  • Phase kann bei Problemen wieder zurückgesetzt werden
  • Prinzip: Plan, Do, Check, Act, (zurück zu Plan)
    • kurze Planungszeit, schnell in das Do übergehen und nach kurzer Zeit prüfen

Spiralenmodell

  • Weiterentwicklung Wasserfallmodell
  • Prototypen

V-Modell

V-Modell

  • klar definiert
  • Lasten-und Pflichtenheft
  • kein Reagieren auf neue Anforderungen
  • siehe auch System-Analyse
Vorteile Nachteile
klarer Ablauf (nächster Schritt bei Fehler wird klar) Fehler in der Analyse-Phase erst sehr spät sichtbar (früher mehr Kommunikation mit dem Kunden und MVP als Lösung)
klare Test-Struktur vorgegeben bezieht sich nur auf Entwicklung: Kein Betrieb, keine Wartung definiert
Iterationen bis alle Tests der Phase OK sind kein Rückspringen in vorherige Phase ohne Fehlerfall vorgesehen (siehe iteriertes Wasserfallmodell)

Systementwurf

ToDo:

  • Was ist OOP? Wieso wurde OOP eingeführt? Wofür wird OOP verwendet?
    • Unterschied Klasse/Objekt/Interface/abstrakte Klasse
  • UML

OOP-Paradigmen

  • Abstraktion: Jedes Objekt im System kann als ein abstraktes Modell eines Akteurs betrachtet werden $\rightarrow$ Klassen oder Prototypen
  • Kapselung:
    • Verbergen von Implementierungsdetails
    • Ein Objekt hat eine Schnittstelle, die darüber bestimmt, auf welche Weise mit dem Objekt interagiert werden kann
  • Persistenz: Objektvariablen existieren, solange die Objekte vorhanden sind
  • Polymorphie: Fähigkeit eines Bezeichners, abhängig von seiner Verwendung unterschiedliche Datentypen anzunehmen (vgl. virtual-Klassen)
  • Vererbung: abgeleitete Klasse erben die Methoden und Attribute der Basisklasse
  • Was ist OOP? Wieso wurde OOP eingeführt? Wofür wird OOP verwendet?

Was ist OOP?

  • siehe OOP-Paradigmen
  • Alles ist ein Objekt
  • Objekte sind Instanzen einer Klasse
  • etc..

Wieso?

  • Wiederverwendbarkeit Entwurfstmuster
    • steigert Produktivität der Programmierer
    • vermeidet Fehler
  • Datenkapselung

Wofür?

  • Immer komplexere Softwareprodukte
  • Architektur einer Software der Realität ähnlich abbilden

MVC-Architektur

  • Model: Daten
  • View: Darstellung der Daten des Modells, Realisierung der Benutzerinteraktionen
  • Controller: verwaltet Model und View, realisiert Geschäftslogik (Algorithmen)

Compiler vs. Interpreter

Compiler

  • Übersetzung des gesamten Quellcodes in hardwarespezifischen Maschinencode
  • Beispiele: C, C++, C#
  • Vorteil: hohe Ausführungsgeschwindigkeit, geringerer Speicherbedarf
  • Nachteil: aufwändiger hardwarespezifischer Compile-Prozess

Interpreter

  • befehlsweise Verarbeitung auf einer abstrakten Maschine zur Laufzeit
  • Interpreter parst Programm $\rightarrow$ lässt es auf Basis-System laufen
  • Beispiele: Python, Ruby
  • Vorteil: keine Hardwarebindung
  • Nachteil: beschränkte Optimierungsmöglichkeiten, Zusatzaufwand für abstrakte Maschine, keine Spezialisierung für Hardware möglich

XML

Was ist XML? Wie können XML-Dateien validiert werden?

  • XML = EXtensible Markup Language
  • Auszeichnungssprache zur Darstellung hierarchisch strukturierter Daten in einem Textformat
  • für Mensch und Maschine lesbar
  • Validierung: wohlgeformt = physische Struktur eingehalten (Regeln der Sprache); valide = entspricht einem definiertem Schema

tag-basiertes XML

<ROOT>
  <MITARBEITER>
    <NAME>Müller</Name>
    <ID>0815</ID>
  </MITARBEITER>
</ROOT>

inhaltsbasiertes XML

<ROOT>
  <PROPERTY Name="Mitarbeiter">
    <VALUE TYPE='STR' Bezeichner="Name">Müller</VALUE>
    <VALUE TYPE='INT' Bezeichner="ID">0815</VALUE>
  </PROPERTY>
</ROOT>

Hardwarenahe Programmierung

ToDo:

  • Was ist das wichtigste Flag in Rechensystemen + Wieso? (Overflow-Flag)

RISC vs. CISC

Reduced Instruction Set Computing   | Complex Instruction Set Computing
────────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────────
reduzierter, homogener Befehlssatz  | komplexer, aber komfortabler Befehlssatz
parallele Verarbeitung              | sequenzielle Verarbeitung
-> geringere Taktrate, Verbrauch    | -> höhere Taktrate, Stromverbrauch nötig
-> aber: Synchronisationsaufwand    |
komplexer Compile-Schritt           | Befehle werden als Microcode ausgeführt
Pipelining möglich                  | Pipelining schwierig

Pipelining

Die einzelnen Phasen der Befehlsausführung werden sequenziell parallel versetzt ausgeführt $\rightarrow$ Erhöhung des Befehlsdurchsatzes

             ┌─────────────┬───────────────┬──────────────────┐
Befehl 1:    │  Hol-Phase  │ Decodierphase │ Ausführungsphase │
             └─────────────┼───────────────┼──────────────────┼──────────────────┐
Befehl 2:                  │   Hol-Phase   │   Decodierphase  │ Ausführungsphase │
                           └───────────────┼──────────────────┼──────────────────┼─────┐
Befehl 3:                                  │    Hol-Phase     │   Decodierphase  │ ... │
                                           └──────────────────┴──────────────────┴─────┘

IT-Trends

Cloud Computing

  • Nutzung der IT-Infrastruktur von externen Dienstleistern (Computerressourcen als Dienstleistung)
  • schnelles Deployment, hohe Verfügbarkeit, unabhängig von lokaler Infrastruktur $\rightarrow$ dynamisch skalierbar
  • "Pay as you go" $\rightarrow$ verschiedene Modelle: IaaS, PaaS, SaaS

Nachteile

  • Abhängigkeit von Dritten (Cloud-Anbieter) $\rightarrow$ Kosten können ggf. höher sein
  • Vertraulichkeit muss sichergestellt sein, Daten müssen sicher sein (z.B. DSGVO)
  • permanente Internetverbindung benötigt $\rightarrow$ Geschwindigkeit und Latenz

Machine-Learning und Künstliche Intelligenz

Künstliche Intelligenz (TODO)

  • Überbegriff für Anwendungen, bei denen Maschinen menschenähnliche Intelligenzleistungen wie Lernen, Urteilen und Problemlösen erbringen
  • geeignet für nicht-turing-vollständige Probleme
  • KI müssen trainiert werden, z.B. mit Belohnungssystem oder supervised learning
  • schwache KI: Experte auf einem Gebiet, Vorhersagen/Entscheidungen treffen
  • starke KI: System, das eigenständig entscheidet, anpassbar, quasi die Fähigkeiten (und darüber hinaus) eines Menschen in Software

Machine-Learning

  • Teilbereich KI
  • Erkennen von Mustern in Datenbeständen: in der Lage, eigenständig Lösungen für Probleme zu finden

Anwendung

  • Mustererkennung in Daten
  • Objekterkennung (in Bildern)
  • Autonomes Fahren

Internet of Things (IoT)

  • Was sind IoT?
  • (alltägliche) Gegenstände sind Teil des Internets
  • bekommen ID, kommunizieren untereinander, empfangen Befehle, senden Daten
  • Aufgaben ohne Eingriffe von außen erledigen
  • Industriell vs privat
  • Vgl. Smart-Home, Wearables