Rechnerarchitektur. 1. Grundlagen. Inhalt. Übersetzung und Interpretation. Virtuelle Maschinen

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1 Inhalt Rechnerarchitektur 1. Grundlagen Programm und Maschinensprache Übersetzung und Interpretation Virtuelle Maschinen Java Virtual Machine Schichtenstruktur eines Rechners Digitale Logik und Mikroarchitekturebene Instruction Set Architecture und Betriebssystemebene Assembler- und Problemorientierte Sprache Maschinennahe Programmierung Maschinenprogrammierung Assemblersprache Hard-, Soft- und Firmware eines Rechners Betriebssysteme Ausführung von Programmen Ziele und Entwicklung von Betriebssystemen Betriebssystemkomponenten Prozesse und Mehrprogrammbetrieb und Mikroprozessoren Computer-Spektrum SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 2 Programm und Maschinensprache Eine Reihe von Instruktionen, die beschreiben, wie eine bestimmte Aufgabe auszuführen ist: Programm Beispiele für Instruktionen Addition von zwei Zahlen Prüfen, ob eine Zahl = 0 ist Kopieren von Daten von einem Speicherort zum anderen Die primitiven Instruktionen bilden eine Sprache: Maschinensprache SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 3 Problem: Übersetzung und Interpretation Menschen wollen / können nicht in Maschinensprache programmieren. Lösung: Abbilden von Programmen, die in einer für Benutzer verständlichen Sprache geschrieben sind (Ebene 1), auf Maschinensprache (Ebene 0) Alternativen Übersetzen von Programmen der Ebene 1 in ein Programm der Ebene 0 (durch Übersetzer) und Ausführung des Programms auf der Ebene 0 Programm der Ebene 1 wird durch ein Programm der Ebene 0 (Interpreter) ausgeführt, indem das ausführende Programm das Programm der Ebene 1 als Eingabe auffasst, die Instruktionen der Ebene 1 prüft und als Folge von Ebene-0-Instruktionen ausführt. (Interpretation) SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 4 Virtuelle Maschinen Java Virtual Machine Konzept der virtuellen Maschine Maschine M n kann Programme der Sprache L n abarbeiten / ausführen Eine virtuelle Maschine M n setzt auf einer virtuellen Maschine M n-1, die Programme der Sprache L n-1 ausführt, und erlaubt das Ausführen von Programmen der Sprache L n Interpretation In L n geschriebene Programme werden vom Interpreter, der auf M n-1 läuft, interpretiert. Übersetzen In L n geschriebene Programme werden von Übersetzer in ein Programm der Sprache L n-1 übersetzt und auf M n-1 ausgeführt. Rechner kann sich aus mehreren Ebenen virtueller Maschinen zusammensetzen. M n mit L n M n-1 mit L n-1 M 3 mit L 3 M 2 mit L 2 M 1 mit L 1 M 0 mit L 0 Java-Programm Java Compiler JVM-Programm JVM Hardware / Betriebssystem 32-Bit-Wort-Speicher ca. 200 Instruktionen, zum Teil recht komplex und erfordern daher mehrere Speicherzyklen Compiler: Java-Programm JVM-Programm JVM-Interpreter führt (binäre) JVM-Programme aus (virtuelle Hardware der Java VM) Alternative: Just-In-Time- Compiler übersetzt JVM- Programm für Zielrechner. SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 5 SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 6

2 SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 7 Konstantenpool nicht beschreibbar JVM-Speicherbereiche für Konstanten, Zeichenketten, Zeiger auf andere Speicherbereiche Register mit Zeiger auf erstes Element des Konstantenpools (CPP) Lokale Variablenrahmen Erzeugung bei Methodenaufruf (1 Stack pro Thread) Aufrufparameter der Methode werden am Anfang des lokalen Variablenrahmens gespeichert. Register mit Zeiger auf aktuellen lokalen Variablenrahmen (LV) Operandenstapel Register mit Zeiger auf oberstes Element des Operandenstapels (SP) Methodenbereich enthält Programm, PC zeigt auf nächste Instruktion SP CPP LV3 LV2 LV1 LV PC Schichtenstruktur eines Rechners 5 Problemorientierte Sprache Übersetzung (Compiler) 4 Ebene der Assemblersprache Übersetzung (Assembler) 3 Ebene der Betriebssystemmaschine Teilinterpretation (Betriebssystem) 2 Instruction Set Architecture Interpretation (Mikroprogramm) o. direkte Ausführung 1 Mikroarchitektur Hardware 0 Digitale Logik SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 8 Digitale Logik und Mikroarchitekturebene ISA und Betriebssystemebene Digitale Logik Logikkomponenten (Gatter) Register Abbildung auf Transistorebene Mikroarchitekturebene ALU führt logische und arithmetische Operationen aus und ist mit Registern verbunden (Datenpfad) Steuerung des Datenpfads direkt durch Hardware oder Mikroprogramm Instruction Set Architecture (ISA) Beschreibung von Instruktionen, die von Mikroprogramm oder Hardware interpretativ ausgeführt werden Adressierungsmodi Datentypen Register Speichermodell Ebene der Betriebssystemmaschine interpretierte Ausführung Einige Anweisungen werden durch das Betriebssystem, andere durch das Mikroprogramm / die Hardware interpretiert. SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 9 SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 10 Unterschiede zwischen Ebenen Assembler- und Problemorientierte Sprache Ebenen 0-3 nicht für Computer- Benutzer üblicherweise Interpretation dienen der Ausführung von Interpretern und Übersetzern (entwickelt durch Systemprogrammierer) numerische Maschinensprachen Ebenen 4-5 für Anwendungsprogrammierer üblicherweise Übersetzung Sprachen enthalten Wörter und Abkürzungen. Ebene der Assemblersprache symbolische Form (angenehmere Gestaltung) einer der zugrunde liegenden Sprachen Übersetzen der Assemblersprachen- Programme durch Assembler anschliessende Interpretation durch die virtuelle oder physische Maschine Problemorientierte Sprache Verwendung durch Anwendungsprogrammierer Hochsprachen, z.b. C++, Java Übersetzung (Compiler) und / oder Interpretation SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 11 SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 12

3 SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 13 Maschinennahe Programmierung Maschinenprogrammierung Assembler-Programmierung Einbettung von Assemblersequenzen in einer höheren Programmiersprache, z.b. C Einsatzbereiche Steuerung technischer Geräte Gerätetreiber eingebettete Systeme Optimierung von zeitkritischen Programmen Mikroprozessoren verarbeiten Maschinenbefehlssequenzen (binäre Kodierung) Assemblersprache symbolische Schreibweise zur Befehlsdarstellung Beispiel: MOVE R0,R1 durch Mikroprozessor-Befehlssatz geprägt Hardware-unabhängige, besser verständliche Notation und Syntax symbolischer Befehl Maschinenbefehl Assembler (Übersetzungsprogramm) Umsetzung eines Assemblerprogramms (Assemblercode) in ein Maschinenprogramm (Maschinencode) Assembler Assemblerprogramm Maschinenprogramm SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 14 Assemblersprache Format einer Programmzeile: Namensfeld Operationsfeld Adressfeld ;Kommentar Beispiel: M1: MOVE R0,R1 ;kopiere Inhalt von R0 nach R1 Zahlendarstellung dezimal: 1234 hexadezimal: 0x04, 0x0400FF03 (68xxx: 0x = $) oktal: 0123 binär: B Assembleranweisungen zur Steuerung der Übersetzungsvorgangs erzeugen keinen Binärcode Format einer Programmzeile SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 15 Hardware Hard-, Soft- und Firmware elektronische Schaltungen, Speicher, E/A-Geräte Software Algorithmen in Form von Programmen Betriebssystem und Anwendungsprogramme Firmware Mittelstellung zwischen Hard- und Software Mikroprogramme und Programme in Festwertspeichern, z.b. BIOS Eingabe Anwendungsprogramme Systemprogramme Software (Compiler, Editor, Lader) Betriebssystem Firmware Maschinenbefehle Datentypen, Adr.arten Hardware Register Bausteine Systemsoftware Ausgabe SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 16 Entwicklung mehrschichtiger Maschinen Jede Ebene hat eine Architektur bestehend aus Datentypen, Operationen und weiteren Merkmalen. zunehmend unklare Grenze zwischen Software und Hardware Hardware und Software sind logisch äquivalent! Jede durch Hardware ausgeführte Funktion kann durch Software simuliert werden. Evolutionsschritte Erfindung der Mikroprogrammierung (1951) Erfindung der Betriebssysteme (1960) Beseitigung der Mikroprogrammierung (ab ca. 1980) Ausführung von Programmen Einlesen des Programms durch Peripheriegerät, z.b. Lochkartenleser Übersetzung Ausgabe des Maschinenprogramms auf Lochkarten Einlegen des Maschinenprogramms Ausführen des Maschinenprogramms Automatisieren des Computer-Betriebs Betriebssystem (Programm als Bindeglied zwischen Computer-Benutzer und Computer-Hardware) SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 17 SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 18

4 SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 19 Ziele von Betriebssystemen robustes Ausführen von Anwendungsprogrammen einfaches Benutzen eines Computers für Anwender effizientes Ausnutzen der Computer-Hardware Vermeiden von Überlastsituationen und Idle-Zeiten geringer Rechenaufwand faire Betriebsmittelverwaltung Sicherheit bzgl. unerlaubtem Zugriff und Ausfällen Entwicklung von Betriebssystemen Entwicklung einer virtuellen Maschine durch Hinzufügen von Instruktionen und Merkmalen zur ISA-Ebene Einige Instruktionen sind identisch zur ISA-Ebene, andere (z.b. E/A-Operationen) unterscheiden sich völlig ( Systemaufrufe) Entwicklung von Kommunikationsmöglichkeiten zwischen Computern Unterstützung der gemeinsamen Benutzung eines Computers durch mehrere Programme / Benutzer SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 20 Betriebssystemkomponenten Prozessverwaltung Hauptspeicherverwaltung Sekundärspeicherverwaltung Dateiverwaltung E/A-Subsystem Kommunikationssystem Kommando-Interpreter und grafische Benutzerschnittstellen Schutzsysteme Anwendungsprogrammfehler illegale Ein-/Ausgabe-Operationen Monopolisierung der CPU durch eine Anwendung SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 21 Prozess informell: Prozess = Programm in Ausführung besteht aus Programmcode Aktivität: Programmzähler + Prozessorregisterinhalt Stack (Laufzeitkeller) mit temporären Daten Daten (globale Variablen) Zustandsinformation der benötigten Betriebsmittel Prozesszustände neu: Prozess wurde erzeugt rechnend: Ausführung der Instruktionen des Prozesses auf CPU blockiert: Prozess wartet auf Ereignis, z.b. Ende einer E/A-Operation ausgelagert: Prozess ist wegen Hauptspeichermangels auf Hintergrundspeicher ausgelagert. bereit: Prozess wartet auf CPU-Zuteilung beendet: Prozess hat Ausführung abgeschlossen SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 22 Mehrprogrammbetrieb Speichern mehrerer Aufträge (Jobs) Speicherverwaltung Verteilen der CPU-Zeit (Scheduling) Betriebssystem Job 1 Job 2 Job 3 Speicher eines Mehrprogramm- Betriebssystems Betriebssystem Job 1 Job 2 Job 3 I/O Starten der I/O Interrupt Prozessumschaltung Prozess 0 Prozess 1 Interrupt oder Systemaufruf (z.b. E/A) Zustand in PLB 0 sichern Zustand von PLB 1 laden rechnend Zustand in PLB 1 sichern Zustand von PLB 0 laden Scheduler wählt nächsten rechnenden Prozess aus Dispatcher gibt dem ausgewählten Prozess die Kontrolle über die CPU Kontextwechsel Sicherung des alten Prozesszustands (Register, Betriebssysteminformationen) in Prozessleitblock (PLB) Laden des neuen Prozesszustands aus PLB Wechsel in Benutzermodus Sprung auf korrekte Stelle im Anwendungsprogramm und Fortsetzung der Ausführung SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 23 SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 24

5 SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 25 Mechanische Computer ( ) Blaise Pascal ( ) erste funktionierende Rechenmaschine (Addition, Subtraktion) Gottfried Leibniz ( ) mechanische Maschine mit Taschenrechnerfunktionalität Charles Babbage ( ): Difference Machine mit Ausgabe durch Prägung auf Kupferplatten Analytical Engine mit vier Komponenten (Speicher, Rechen-, Ein- und Ausgabeeinheit) Konrad Zuse ( ) Rechenmaschine auf der Basis elektromagnetischer Relais 1. Generation: Vakuumröhren ( ) ENIAC (University of Pennsylvania, 1946) Vakuumröhren 1500 Relais Gewicht: 30 Tonnen IAS (von Neumann /Princeton, 1952) erster Universal-Rechner mit gespeicherten Befehlen SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur Generation: Transistoren ( ) Entdeckung des Transistors (1948, Bell Labs) erster Computer mit Transistoren: TX-0 (1957, MIT) TX-0 als Vorgänger der DEC PDP-1 (1961) 4 kbyte, 18 Bit Wörter Zykluszeit 5 µs $ IBM 7094 (1963) Zykluszeit 2 µs Kernspeicher mit 32 kbyte, 36 Bit Wörter 3. Generation: Integrierte Schaltungen ( ) IBM System/360 Verschiedene Rechner (Grösse / Leistung) mit der gleichen Assemblersprache Mehrprogrammbetrieb Emulation anderer (früherer) Computer Adressraum 16 MByte Wort-orientierte Register, Byte-orientierte Speicher SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 27 SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 28 Entwicklung von Mikroprozessoren 4. Generation: VLSI-Integration (1980 ) IBM Personalcomputer (1981) Intel 8088 Prozessor Transistoren 5 MHz Bit-Register offene Architektur Betriebssystem (MS-DOS) von einer damals kleinen Firma Ablösung von CISC durch RISC, später hybride Konzepte Pentium P4 (2003) Transistoren 3 GHz 512 KB Level-2-Cache SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 29 SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 30

6 SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 31 Entwicklung von Mikroprozessor-Frequenzen Computer-Spektrum Typ Wegwerfcomputer Eingebettete Computer Spielecomputer Personalcomputer Server Workstation Grossrechner Supercomputer Preis ($) Anwendungen Glückwunschkarten Uhren, Autos, Geräte Heimvideospiele Desktop-, Laptop- Computer Netz-Server Abteilungsrechner Bankrechner Wettervorhersage SS 03 Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur 32