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1 Rechnerstrukturen Universität Trier Peter Sturm Wintersemester 2001/2002 Rechnerstrukturen 0. Organisatorisches

2 Organisatorisches Vorlesungszeiten Montags, Uhr, Hörsaal HS 6 Freitags, Uhr, Hörsaal HS 6 Übungsblätter Ausgabe in der Freitag-Vorlesung Abgabe spätestens Donnerstag 12 Uhr Übungen: Steffen Rothkugel Montags, Uhr, Raum E 52 /~sturm/professur eventuelle Termin- und Raumverschiebungen Übungsblätter Folienkopien (meist aber knapp vorher) Klausur Zulassungsvoraussetzung 50% der Übungspunkte Begleitliteratur Structured Computer Organization Andrew S. Tanenbaum Prentice Hall, 3. Auflage, 1990 Computer Architecture - A Quantitative Approach J.L.. Hennessy, D.A.. Patterson Morgan Kaufmann, 2. Auflage, 1996 Computer Organization and Design The Hardware / Software Interface J.L.. Hennessy, D.A.. Patterson Morgan Kaufmann, 2. Auflage, 1997 Computer Organization and Architecture William Stallings Prentice Hall, 4. Auflage, 1995

3 Rechnerstrukturen 1. Einführung Gegenstand der Vorlesung Struktur moderner Computer Welche Komponenten Welche Architektur Funktionsweise moderner Computer Funktion einzelner Komponenten Zusammenspiel / Synchronisation Bewertungskriterien Effizienz Parallelitätsgrad Skalierbarkeit Zuverlässigkeit Kosten

4 Ziele Grundlagen über Elektronische Schalter (Transistor) Digitale Gatter und Bausteine Struktur moderner Computer Aufbau gängiger Pentium-PCs PCs Pentium, Pentium MMX, Pentium Pro und Pentium II L1- und L2-Cache FPM-, EDO- und SDRAM PCI / ISA aber auch SPARC,, DEC Alpha, PowerPC Assemblerprogrammierung Weiterführende Vorlesungen Compilerbau Betriebssysteme Zugang ISA-PCI-Bridge EEPROM Bus Arbitrierung AND 1 aus n Dekoder OR Carry Look Ahead Addierer Quine- McCluskey-Minimierung Look-Through vs. Look-Aside Hierarchieebenen Sichten Architekturbezogen Sprachbezogen

5 Architektursicht Komponenten Verbindung Idealerweise nur Übergänge von Ebene k zu Ebene k+1 In der Praxis vielfältige Kompromisse Überspringen von Ebenen Mehrere Hierarchien innerhalb einer Ebene Ebene k+1 Ebene k Ebene k-1 Architektursicht: Geräteebene Komponenten Tower Monitor Tastatur Maus Drucker Lautsprecher, Mikrophon... Verbindung Tastatur, Maus, Monitor Floppy, CD, Band,... Netzanschluß serielle u. parallele Anschlüsse SCSI Line in, Mic,, Line out,... Video, S-Video, S......

6 Architektursicht: Systemebene Komponenten Prozessor Cache Speicher E/A-Controller Interfacekarten Verbindung Prozessorbus Speicherbus Gerätebus PCI,, SCSI, VME,, (AGP( AGP),... serielle u. parallele Leitungen RS232,, V.24,... USB,, ISDN,... Computernetz Ethernet, FDDI,, ATM,... RAM Prozessor Cache ROM Gerät Gerät E/A- Controller Interface Interface Architektursicht: Bausteinebene Dekoder Dekoder Dekoder Bit Zähler 4 Bit Zähler 4 Bit Zähler Clock Komponenten Register, Latches,,... Decoder, Encoder,,... Multiplexer, Demultiplexer,,... arithmetische Bausteine Addierer Subtrahierer Multiplizierer Dividierer... Verbindung Leitungen Bus (mehrere Leitungen) diskrete Logik

7 Architektursicht: Gatterebene Komponenten AND-Gatter OR-Gatter NOT-Gatter... Verbindung Leitungen ev. elektronische Bausteine A0 A1 E3 E2 E1 E0 Architektursicht: Schaltkreisebene Komponenten Transistor Kondensator Widerstand Spule... Verbindung Leitungen T 17 R 22

8 Sprachsicht Virtuelle Maschinen implementieren f k mit ( ak, σ, t + 1) = fk ( ek, σ, t) Eingabe e k Virtuelle Maschine k Ausgabe a k Syntax von a k und e k Semantik von f Interpretieren vs. Übersetzen Eingabe e k-1 Ausgabe a k-1 Virtuelle Maschine k-1 Eingabe e k-2 Ausgabe a k-2 Sprachsicht: Differentialgleichungen 2 Et () L d Q () t R dq () = + t + dt 2 dt 1 C Qt ()

9 Sprachsicht: Boolesche Algebra / Gleichungssysteme Wahrheitswerte 0 = False 1 = True Verknüpfungsregeln, Gesetze f ( w, x, y, z) = ( w+ y + x) ( xy+ zy) + * * + * f(w,x,y,z) Sprachsicht: Mikroprogramme Programmierte Steuerung der Hardware PC Register 1 Register 2 nächster Befehl Addierer Zeit

10 Register, Datenpfade Sprachelemente Ausdrücke (boolesche und arithmetische Funktionen) Bedingte Anweisungen Schleifen... Sprachsicht: Instruktionssatz Funktionsumfang komplexer Bausteine CPU Coprozessoren MMU Signalprozessor... Ausführungsmodell Kontrollfluß Datenfluß... =1997 Peter Sturm, Universität Trier =1997 Peter Sturm, Universität Trier Sprachsicht: RegisterRegister-TransferTransfer-Sprachen

11 Sprachsicht: Datenorientierte Protokolle Datenpakete LUN Befehlscode LBA (MSB) LBA LBA (LSB) Transferlänge Steuerbyte SCSI- Host-Adapter Controller Gerät 1 Protokoll zwischen Sender und Empfänger Mitteilung / Auftrag Synchron / Asynchron Arbitrierung bei Bussen Controller Gerät n Sprachsicht: Programmiersprachen Vielfältige Syntax und Semantik systemnahe Programmiersprachen, z.b. C oder C++ geeignete Datenstrukturen Bitfelder Zeiger Repräsentation bekannt einfache Datentypkonversionen (Cast( Cast) geringer verdeckter Overhead (Performanz) Assembler symbolische Befehle (Mnemonic( Mnemonic) 1:1-Abbildung Assemblerbefehl - Instruktion Makromechanismen... loop: dec r3 jne out: move (r2++),(r1++) jmp loop: out: move (r2++),#0...

12 Beziehung: Architektur - Sprache Programmiersprachen Assembler Abstraktionsgrad Datenpakete Instruktionen Register-Transfer Mikroprogramme boolsche Gleichungen Diffgl. Schaltkreis Gatter Bausteine System Gerät

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