Grundlagen der Rechnerarchitektur

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Maximilian Brodbeck
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1 Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung

2 Unsere erste Amtshandlung: Wir schrauben einen Rechner auf Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 2

3 Vorlesungsinhalte Binäre Arithmetik MIPS Assembler ARM, x86 und ISA Prinzipien Querschnittsthemen Prozessor Speicher Ein Ausgabe Parallelität Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 3

4 Übersicht dieses Vorlesungsabschnitts Grundbegriffe Performance Meilensteine der Rechnerarchitektur Trends Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 4

5 Grundbegriffe Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 5

6 Rechnertypen Personal Mobile Device (PMD) Mobiltelefon, Tablet Computer Schwerpunkte sind Energie Effizienz Effizienz undechtzeit Desktop Computing Schwerpunkt Preis Performance Server Schwerpunkt Verfügbarkeit, Skalierbarkeit, Durchsatz Cluster/Warehouse Scale Computer l Verwendung für Software as a Service (SaaS) Schwerpunkt Preis PerformancePerformance Subklasse: Supercomputer, Schwerpunkt: Floating Point Performance schnelle interne Netze; abarbeiten von Batch Jobs Embedded Computer d Schwerpunkt : Preis Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 6

7 Standard Organisation eines Rechners Speichert Daten Eingabe von Daten Ausgabe von Daten Verarbeitet Daten Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy. Computer Organization And Design. 3rd Edition Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 7

8 Computer Schichtenmodell Höhere Programmiersprachen Software Assemblersprache Betriebssystem ebssyste Grundlagen der Rechnerarchitektur hit Instruktionssatz Architektur Hardware Mikroarchitektur (Register Transfer Ebene) Logikschaltungen Grundlagen der Digitaltechnik Transistoren Geometrie Bildquelle: Vorlesung Grundlagen der Rechnernetze, Prof. Platzner, (Version ) Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 8

9 Grundbegriffe Darstellen und Speichern von Daten Dt Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 9

10 Binäre Zahlendarstellung Darstellung einer Zahl zu einer beliebigen blibi Basis b: Dezimalwert dieser Zahl zur Basis b: Binärzahlen Beispiel: 1101 two. Was ist der Dezimalwert? Was ist die Binärzahl zu 11 ten? Grundlagen der Rechnerarchitektur Logik und Arithmetik 10

11 N Bit Binärzahlen N Bit Binärzahlen, Beispiel 16 Bit: Stelle: Binär-Digit: Least Significant Bit (LSB) und Most Significant Bit (MSB) Nibble (4 Bit): 1010 Byte (8 Bit): Halfword (16 Bit): Word (32 Bit): Grundlagen der Rechnerarchitektur Logik und Arithmetik 11

12 Hexadezimaldarstellung Hex Bin Hex Bin Hex Bin Hex Bin c d a 1010 e b 1011 f 1111 Binär nach Hexadezimal Hexadezimal nach Binär AFFE hex Grundlagen der Rechnerarchitektur Logik und Arithmetik 12

13 Physikalischer Speicher Adresse Inhalt 0x : x : x : x : x : x : x : x : xfffffffd : xfffffffe : xffffffff : Wie viele Bytes können hier insgesamt adressiert werden? Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 13

14 Speichergrößen Bezeichnung Anzahl Bytes Gelegentlich für Sekundärspeicher Kilobyte (KB) 2 10 Bytes Megabyte (MB) 2 20 Bytes 10 6 Bytes Gigabyte (GB) 2 30 Bytes 10 9 Bytes Terabyte (TB) 2 40 Bytes Bytes Petabyte (PB) 2 50 Bytes Bytes Exabyte (EB) 2 60 Bytes Bytes Größenordnungen sind ab MB bis auf kleinen Fehler vergleichbar, z.b.: Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 14

15 Speichern von längeren Datenblöcken Beispiel: ein Word umfasst 4 Byte Wie legt man ein Word in den Speicher ab? Word: byte4 byte3 byte2 byte1 base+0 base+1 base+2 base+3 Little Endian Big Endian Grundlagen der Rechnerarchitektur Logik und Arithmetik 15

16 ASCII Zeichen Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 16

17 Unicode Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 17

18 Zeichenketten (Strings) Niedrigere Adresse Höhere Adresse Speicher H a l l o W e l + ^ a % % Wann ist der Text zu Ende? Beispiele: (1) Erste String Position speichert die String Länge (2) String Länge ist in einer separaten Variable gespeichert (3) String Ende wird mit einem speziellen Character markiert (z.b. \0) Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler 18

19 Grundbegriffe Verarbeiten von Dt Daten Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 19

20 Maschinensprache Was macht dieses Programm? Berechne 0^2 + 1^2 + 2^2 + 3^ ^2 Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 20

21 Dasselbe Programm in Assembler Assembler Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 21

22 Instruction Set Architecture (ISA) Schnittstelle zwischen Hardware und Software ISA bestimmt Art der Speicherzugriffe Verfügbare arithmetische und logische Operationen Typ und Größe der Operanden der Berechnungen Arten von Programmsprüngen g Die Art wie ISA Instruktionen in Maschinensprache codiert werden Wesentliche Klassifikaiton CISC (Complex Instruction Set Computer) p RISC (Reduced Instruction Set Computer) ModerneProzessoren sind RISC (selbst x86 intern) Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 22

23 Grundbegriffe Integrierte t Shlt Schaltungen Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 23

24 Beispiel eines Mikroprozessors AMD Barcelona Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 24

25 Technologien zum Bau von Prozessor und Speicher Bildquellen: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012; de.wikipedia.org/wiki/relais; de.wikipedia.org/wiki/elektronenröhre; de.wikipedia.org/wiki/transistor; de.wikipedia.org/wiki/integrierte_schaltung; upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/94/vlsi_chip.jp Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 25

26 Der Chip Herstellungsprozess Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 26

27 Beispiel: 300mm AMD Opteron Wafer Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 27

28 Der Chip Herstellungsprozess Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 28

29 Performance Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 29

30 Definition von Performance Response Time (oder Execution Time) Gesamtzeit zur Abarbeitung einer Aufgabe Throughput (oder Bandwidth) AnzahlAufgaben Aufgaben prozeiteinheit Performance p eines Computers mit Execution Time x: Performance Ratio n zwischen zwei Computern mit Performance p 1 und p 2 bzw. Execution Times x 1 und x 2 : Beispiel: Computer A braucht 10 Sekunden und Computer B braucht 15 Sekunden. Die Performance Ratio n AB zwischen A und B ist: Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 30

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