Rechner Architektur. Martin Gülck

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1 Rechner Architektur Martin Gülck

2 Grundlage Jeder Rechner wird aus einzelnen Komponenten zusammengesetzt Sie werden auf dem Mainboard zusammengefügt (dt.: Hauptplatine) Mainboard wird auch als Motherboard bezeichnet Ein paar Beispiele

3 ASUS K8V für Athlon64 MSI 865PE für Pentium 4 +

4 Der Kern

5 Central Processing Unit (CPU) zentrale Kontrolleinheit alles wird über die CPU gesteuert (fast) alle Prozessoren basieren auf: Von-Neumann-Rechnermodell (Daten und Befehle werden im gleichen Speicherbereich abgelegt.)

6 Exkurs: CPU-Taktfrequenz (clock speed) Einfachster Maßstab für Geschwindigkeit Misst die Anzahl der einfachsten Operationen/Sekunde (in Hz) Heute nicht mehr aussagekräftig für Geschwindigkeit, da moderne Prozessoren mehrere Befehle parallel ausführen

7 CPU Komponenten CPU Steuerwerk (Control Unit CU) Adresswerk (Address Unit AU) Cache Bus-Schnittstelle (Bus Interface Unit BIU) Steuerbus Adressbus Datenbus Interner Bus Rechenwerk (Arithmetical Logical Unit ALU) Register Speicher Kontroller

8 CPU Bausteine Komponente Steuerwerk Rechenwerk Adresswerk Register Funktion Steuert den Programmablauf Erledigt die Mathematischen Operationen Adressvermittlung für Intern- und Externenbus Datenspeicher für Operanden und andere operationsrelevante Daten

9 Cache Zwischenspeicher häufig verwendeter Daten und Befehle Liegt auf dem Prozessor daher ist er sehr schnell Beschleunigt die Ausführung/Zugriff auf häufig verwendete Daten, da der Zugriff meist mit vollem CPU-Takt möglich ist Auf aktuellen CPUs: Level 1, Level 2, (Level 3)

10 Funktionsweise: Cache Beim Abruf von Daten aus dem RAM werden zuerst alle Caches überprüft. Die CPU versucht Daten und Befehle, die wahrscheinlich mehrfach verwendet werden, in den Cache zu speichern. Cache ist nur klein, da die Geschwindigkeit mit der Größe abnimmt

11 Funktionsweise - Diagramm Hauptspeicher Cache Index Daten Index Tag Daten 0 Hallo 0 3 XYZ Hallo 2 asd 3 XYZ 4 foo 5 bar

12 Exkurs: Was ist ein Bus? Problemstellung: 10 Geräte miteinander verbinden 2 Lösungen: 1. Lösung: alle mit allen verbinden ergibt 45 Verbindungen 2. Lösung: alle Geräte über eine Leitung verbinden Bus-Prinzip

13 Der Bus 0 Master Gerät Slave 1 1 Slave 3 3 Slave 2 Woher weiß ein Gerät, dass es Daten empfangen soll? jedes Gerät bekommt eine Adresse vor jedes Datenpaket kommt die Zieladresse 2

14 Beispiel Klassisch : kein Bus (6 Verbindungen) Slave 1 Foo Slave 2 Bus System (1 Verbindung) Mastergerät [0] [2] Hallo Mastergerät Hallo Slave 1 [1] [2] Foo Bar Slave 2 [2] Slave 3 Slave 3 [3] [0] Bar

15 Unterscheidungsmerkmale Vektor- vs. Skalarprozessoren RISC vs. CISC Prozessoren Register-, Datenbus- und Adressbusgröße

16 Vektor- vs. Skalarprozessoren Vektorprozessoren wenden Operationen auf Vektoren an Skalarprozessoren arbeiten mit einzelnen Zahlen Heute werden fast ausschließlich Skalarprozessoren eingesetzt!

17 RISC vs. CISC RISC und CISC beschreiben den Umfang des Befehlssatzes einer CPU RISC CPUs besitzen nur wenige einfache Befehle (Addieren, Multiplizieren, etc.) CISC CPUs besitzen neben einfachen auch Befehle zur Ausführung spezieller Operationen (3D Grafik, Video, etc.) Heute ist die Differenzierung nicht mehr relevant, da hauptsächlich Mischformen verwendet werden RISC Reduced Instruction Set Computer CISC Complex Instruction Set Computer

18 Register-, Datenbus- und Adressbusgröße Innerhalb der CPU werden Daten in Häppchen (Wörtern - engl. words) verarbeitet Dies gilt für die Register, den Daten- und den Adressbus. Die Größe dieser words wird in Bit angegeben und beschreibt den Prozessor Heute für PCs verwendet: 32/64-Bit Prozessoren Anderen gängige Größen: 4/8/16-Bit

19 Wie funktioniert die CPU? Funktioniert nach dem DEA-Prinzip: 1. Befehl holen (Fetch) 2. Nächte Adresse berechnen 3. Befehl dekodieren (Decode) 4. Operanden Adressen berechnen 5. Operanden holen 6. Befehl ausführen (Execute) 7. Ergebnis Adresse berechnen 8. Ergebnis speichern (Write Back)

20 Wie sieht eine CPU aus? So oder so oder so?

21 Zwei aktuelle CPUs Die

22 Die einige 100x vergrößert:

23 Funktionsweise des Systems Zentraleinheit (CPU) Steuerwerk (Control Unit CU) Speicher (RAM) Rechenwerk (Arithmetical Logical Unit ALU) Verbindungssystem (Front Side Bus - FSB) Northbridge (Ein-/Ausgabewerk)

24 Peripherie

25 Peripherie-Schnittstelle

26 Northbridge Erledigt Kommunikation zwischen : CPU RAM (Arbeitsspeicher) AGP-Port Southbridge Heute besitzen einige auch einen integrierten Graphikprozessor

27 Southbridge

28 Southbridge Erledigt die Kommunikation mit allen Geräten, die nicht durch die Northbridge angebunden sind z.b.: PCI-Bus (Peripheriesteckplätze) PS/2 (Tastatur- / Mausanschluss) Serielle Schnittstelle (Serial Bus) Parallelport USB (Universal Serial Bus) Datenträgeren (Diskette, CD-ROM, Festplatte, etc.)

29 Wo liegt alles auf der CPU? L1 L1 Pentium 4-13nm Die

30 Kennzahlen Größe Taktfrequenz Front Side Bus-Takt Operationen/Sekunden Fließkommaoperationen/Sekunde Cache-Größen Transistorenanzahl Einheit Hz/GHz Hz/Mhz MIPS MFLOPS KB Aktueller Stand [Prozessor] 3,6 GHz [P4] 1000 MHz [K8] MIPS [P4] 6959 MFLOPS [P4] L1: 128 KB [P4/K8] L2: 1024 / 2048 KB L3: 4096 KB [Xeon] M (mit Cache) Fertigungsgröße (Transistorgröße) µm/nm 0,09µm = 90nm * (P4) * menschliches Haar: 100µm

31 Noch Fragen? Folien gibt s später im Netz. Meine

32 Vielen Dank

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