Meilensteine der Rechnerarchitektur. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 40

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1 Meilensteine der Rechnerarchitektur Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 40

2 Generation 0: Mechanische Computer ( ) 1642 Blaise Pascal Addition und Subtraktion mit mechanischen Elementen Gottfried Wilhelm von Leibniz 1834 Analytical Engine Charles Babbage, University of Cambridge Zusätzlich Multiplikation und Division mit mechanischen Elementen. Erster Versuch (mechanische Bauteile waren zu der Zeit noch nicht präzise genug) eines mechanischen Computers mit Speicher, Recheneinheit und Punch Card I/O. Erster Computer Programmierer Ada Augusta Lovelace Z1 Konrad Zuse Erster funktionierender automatischer Rechner auf Basis von Relais. Z1 wurde 1944 durch Alliierten Bombardierung auf Berlin zerstört John Atanasoff, Iowa State College 1940 George Stibbitz, Bell Labs 1944 Mark I Howard Aiken, Harvard 1947 Mark II Howard Aiken, Harvard Erster Versuch (Idee konnte nach Stand der Technik nicht vollständig umgesetzt werden) eines automatischen Rechners auf Basis von binären Zahlen und Speicher auf Basis von Kondensatoren (DRAM funktioniert noch heute nach dem gleichen Prinzip). Weiterer funktionierender automatischer Rechner auf Basis von Relais. Erster funktionierender auf Relais basierender mechanischer Computer nach der Idee von Babbage. (72 Worte a 23 Dezimalstellen, Instruktionszeit 6 sek.) Nachfolger von Mark I, der aber durch Beginn des elektronischen Zeitalters obsolet wurde. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 41

3 Generation 1: Elektronenröhre ( ) 1943 COLOSSUS Britische Regierung 1946 ENIAC John Mauchley und J. Presper Eckert, University of Pennsylvania Der weltweit erste elektronische Computer. Geheimprojekt der Britischen Regierung, um während des zweiten Weltkrieges Codes der Verschlüsselungsmaschine ENIGMA zu knacken. Alan Turing war mit an der Konstruktion des Computers beteiligt. Seit 1943 vom amerikanischen Militär gefördertes Projekt für den Bau eines elektronischen Computer zur Berechnung von Reichweitentabellen von schwerer Artillerie. ( Röhren, Relais, 30 Tonnen, 140 kw Verbrauch) Programmierung über Schalter und Jumper Kabel. Vorstellung des ENIAC war Inspiration für viele nachfolgende Computer Projekte. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 42

4 Generation 1: Elektronenröhre ( ) 1949 EDSAC Maurice Wilkes, University of Cambridge 1951 EDVAC John Mauchley und J. Presper Eckert, Eckert Mauchley Corporation Zum ersten mal Programm gespeichert. Nachfolgeprojekt des ENIAC 1951 Whirlwind I MIT Erstmals Verwendung von kurzen Wortlängen a 16 Bit UNIVAC John Mauchley und J. Presper Eckert, Eckert Mauchley Corporation Der erste in den USA hergestellte kommerzielle Computer ILLIAC University of Illinois Weitere Beispiele von Röhrenrechnern 1952 MANIAC Weitzmann Institue Israel seinerzeit. Viele andere wurden auch gebaut 1953 JOHNIAC Rand Coropration Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 43

5 Generation 1: Elektronenröhre ( ) 1952 IAS John von Neumann und Herman Goldstine Princeton s Institute of Advanced Studies Als ehemaliger Beteiligter des ENIAC Projektes baut John von Neumann am Princeton s Institute of Advanced Studies seine Eigene Version des ENIAC. Der Computer verwendet binäre Arithmetik und speichert das Programm zusammen mit den Daten in einem Speicher. Dieses Konzept, bezeichnet als von Neumann Maschine, wurde von John von Neumann erstmals beschrieben. Es fand auch schon im EDSAC Verwendung. Es ist Basis heutiger Computer. Speicher Die original von Neumann Maschine Control Unit Arithmetic Logic Unit Accumulator Input Output Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 44

6 Generation 1: Elektronenröhre ( ) IBM IBM im Computer Sektor bisher mit Herstellung von Lochkarten und mechanischen Kartensortiermaschinen tätig. Erster Computer in einer Serie von wissenschaftlichen IBM Rechnern, welche die Industrie innerhalb eines Jahrzehnts dominierten IBM Nachfolge des 701 mit mehr Speicher ( Bit Wörter anstatt 2048) und erstmals mit Fließkomma Hardware IBM Verbesserter 704 und auch letzter von IBM produzierte Reihe von Röhren Computern. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 45

7 Generation 2: Transistoren ( ) 1955 TX 0 MIT Lincoln Laboratory 1958 TX 2 MIT Lincoln Laboratory Erster Transistor basierter Computer (16 Bit Maschine). Nachfolger des Whirlwind I. Nachfolger des TX 0 (64K 36 bit Speicher). Rechner auf dem Ivan Sutherland sein revolutionäres Programm SketchPad realisierte IBM Transistor Version des IBM 709. Anwendung wissenschaftliches Rechnen. Preis mehrere Millionen IBM Kleine geschäftsorientierte Computer. Deutlich günstiger als der PDP 1 DEC Ehemaliger TX 0/TX 2 Mitarbeiter Kenneth Olsen gründetet DEC, die mit dem PDP 1 den ersten kommerziellen Minicomputer ähnlich dem TX 0 mit einem innovativen 512x512 Display herstellte. (50 Stück verkauft; Bit Worte; Instruktionen/Sek, d.h. halb so schnell wie der seinerzeit schnellste Computer IBM 7090; Kosten $ ; Kosten eines IBM 7090 betrug Millionen). Studenten des MIT implementierten mit Spacewar das erste Video Spiel auf einem PDP 1. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 46

8 Generation 2: Transistoren ( ) IBM Nachfolger des IBM Cycle Time von 2 Mikrosekunden Wörter mit 36 Bit Länge B5000 Burroughs Erste Maschine, mit der auch die Unterstützung von High Level Sprachen (Algol 60, Vorgänger von C und Java) berücksichtigt wurde CDC Erster wissenschaftlicher Supercomputer. Fast 10 mal Schneller als der IBM Designer des 6600 war Seymour Cray. Geschwindigkeit wurde durch hoch parallel arbeitende CPU und parallele Abarbeitung von I/O etc. erreicht. Viele Ideen des 6600 finden sich in modernen Computern wieder PDP 8 DEC 12 Bit Maschine. Nachfolger des PDP 1 aber wesentlich billiger (Kosten $16.000). Erster Massenmarkt Computer. Innovation: Single Bus. CPU Speicher Console Terminal Paper Tape I/O Other I/O Der PDP 8 Omnibus Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 47

9 Generation 3: Integrierte Schaltungen ( ) IBM Erste Computer Produktlinie (z.b. Model 30, 40, 50, 65) von IBM die beides wissenschaftliches (bisher 7094) und kommerzielles (bisher 1401) Rechnen vereinte. Produktlinie basiert auf ICs. Innovationen: eine Assembler Sprache für alle Geräte der Produktlinie, Multiprogramming, Emulation von 1401 und PDP 11 DEC DECs IC basierter 16 Bit Nachfolger des PDP 8. Dominierender Minicomputer in den 1970ern. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 48

10 Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970) 1971 Intel 4004 Intel Erster in Serie produzierter Ein Chip Mikroprozessor. (4 Bit Mikroprozessor) 1971 TMS 1000 Gary Boone und Michael Cochran, Texas Instruments Erster Mikrocontroller (bestehend aus ROM, RAM, Prozessor, Clock). Einsatzgebiet: Eingebettete Systeme Intel Erste Personal Computer werden als Bastel Kits bestehend aus loser Platine, Kabeln, Netzteil, ggf. Floppy und ICs verkauft. Ein Standard IC ist der Intel Software gab es keine. Später wurde das CP/M Betriebssystem von Gary Kindall auf 8080ern populär. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 49

11 Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970) 1974 CRAY 1 Cray Erster Vektor Supercomputer. Die Architektur wurde vom Team um Seymour Cray entwickelt. Die erste Cray 1 wurde 1976 am Los Alamos National Laboratory in Betrieb genommen und kostete 8,8 Millionen US Dollar Apple I Steve Jobs und Steve Wozniak, Apple 1977 Apple II Steve Jobs und Steve Wozniak, Apple Einer der ersten Personal Computer. Wurde als fertig bestückte Platine verkauft. Einer der ersten höchst erfolgreichen massengefertigte Mikrocomputer VAX DEC Erster 32 Bit Super Minicomputer Intel Als Antwort auf den Texas Instruments TMS 1000 Mikrocontroller entwickelt Intel ebenfalls ein Computer System auf einem Chip. Einsatzgebiet beispielsweise in Milliarden von Keyboards. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 50

12 Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970) 1981 IBM PC IBM, Philip Estridge Erster IBM Personal Computer, gefertigt aus kommerziellen Komponenten. Intel 8088 als CPU. Der Computer wurde ein Best Seller. Beginn der modernen Personal Computer Ära. Ausgestattet mit MS DOS von Microsoft Osborne 1 Osborne Erster tragbarer Personal Computer mit etwa 11 kg Gewicht C64 Commodore Personal Computer auf Basis des 6510er 8 Bit Mikroprozessors. Mit 12.5 bis 17 Millionen verkauften Einheiten einer der erfolgreichsten Personal Computer Modelle aller Zeiten Lisa Apple Erster Personal Computer mit Maus und Betriebssystem mit grafischer Benutzeroberfläche (GUI). Verkaufte sich wegen des hohen Preises von rund US Dollar schlecht. Produktion wurde 1984 wieder eingestellt Macintosh Apple Deutlich preisgünstiger, aber dem Apple Lisa technisch ähnlich. Der Mac wurde zum großen Erfolg. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 51

13 Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970) Intel Mit dem 8088 Erfolg produzierte Intel größere und bessere Versionen. Der 32 Bit Prozessor 386 ist der Vorgänger des Pentium MIPS MIPS Erste Kommerzielle RISC Maschine 1985 Atari ST Atari Personal Computer auf Basis des Motorola 68000er. Einer der ersten Computer mit einer Color GUI. (Version des Digital Research's GEM) 1987 SPARC Sun Erste SPARC Prozessor basierte Workstation von Sun 1987 Amiga500 Amiga Personal Computer auf Basis des Motorola 68000er. Einer der besten Multimedia Home Computer seiner Zeit RS6000 IBM Erste superskalare Maschine Alpha DEC Erster 64 Bit Personal Computer. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 52

14 Generation 5: Invisible Computers (ab 1993) 1993 PIC Microchip Technology Erster Mikrocontroller auf Basis von EEPROMs. Diese erlauben das Flashen ohne zusätzliche Hardware. Bemerkung: Mikrocontroller gibt es schon seit Mikrocontroller finden sich mittlerweile in sehr vielen Alltagsgegenständen Newton Apple Erster Palmtop Computer. Vorgänger der PDAs Simon IBM Erstes Smart Phone welches neben Telefonieren mit einfachen Programmen aufwartet. (Kalender, etc.) 1996 Nokia 9000 Nokia Kombination aus PDA von HP und Nokias zu der Zeit best verkauften Mobiltelefon. (unter anderem und textbasiertes Browsen) 1997 GS88 Ericson Der Begriff Smartphone wird erstmals von Ericson mit Einführung des GS88 geprägt Kyocera 6035 Palm Erstes in den USA weitverbreitetes Smartphone. Limitierte Unterstützung von Web Browsing Palm OS Treo Handspring Web Browsing, , etc. und Mobile Drittanbieter Applikationen BlackBerry RIM Etwa 32 Millionen Kunden December iphone Apple Erstes Smartphone mit einem Multi Touch Interface HTC Dream HTC Erstes Smartphone auf Basis des Android OS Nexus One Google Google bringt das Nexus One Smartphone für Android OS heraus Wave S8500 Samsung Bada OS basiertes Smartphone mit einer Million verkaufter Exemplare in den ersten vier Wochen auf dem Markt. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 53

15 Beispiel heutiger Mikrocontoller und Mikroprozessoren Mikroprozessoren Mikrocontroller Architektur Typ Ursprüngliche Spezifikation durch x86 (beinhaltet Pentium und co.) Beispiel weiterer Hersteller CISC Intel AMD PowerPC RISC Motorola, IBM, Apple Sun SPARC RISC Sun Fujitsu, Texas Instruments MIPS RISC MIPS Technologies Hitachi SuperH RISC Hitachi ARM RISC ARM Limited 68k CISC Motorola TMS320 Texas Instruments Architektur MCS 51 H8 Z8 PIC 68HC08 AVR MSP430 Embedded Herteller Intel Renesas Technologies Zilog Microchip Technology Freescale (ehemals Motorola) Atmel Texas Instruments Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 54

16 Trends Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 55

17 Moore s Law Bildquelle: en.wikipedia.org/wiki/moores_law Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 56

18 Single Prozessor Performance Move to multi-processor Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy. Computer Architecture. 5th Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 57

19 Die Power Wall Leistungsverlust P in Abhängigkeit von Spannung U und Taktfrequenz f: Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 58

20 Alte Verkaufszahlen: Prozessoren Anzahl verkaufter Prozessoren (embedded, 32 bit) bzw. Systeme (desktop, server) Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy. Computer Organization And Design. 3rd Edition Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 59

21 Alte Verkaufszahlen: ISAs Anzahl verkaufter Prozessoren ( 32 bit) ca. 80% davon für Mobiltelefone Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy. Computer Organization And Design. 3rd Edition Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 60

22 Zusammenfassung und Literatur Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 61

23 Zusammenfassung Computer Architektur beinhaltet Instruction Set Architektur Rechnerorganisation/Mikroarchitektur Hardware ISA als Schnittstelle zwischen Hard und Software Performance ist abhängig vom Produkt der Einzelfaktoren: Instruction Count CPI Clock Cycles Leistungsverbrauch ist heute ein wesentlicher limitierender Faktor Ausblick: wesentliche Performanceverbesserungen durch Parallelität Caching Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 62

24 Literatur [PattersonHennessy2012] David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, Introduction 1.2 Below Your Program 1.3 Under the Covers 1.4 Performance 1.5 The Power Wall 1.7 Real Stuff: Manufacturing and Benchmarking the AMD Opteron X4 1.8 Fallacies and Pitfalls 1.9 Concluding Remarks [HennessyPatterson2012] John L. Hennessy und David A. Patterson, Computer Architecture, Fifth Edition, Introduction 1.2 Classes of Computers [Tanenbaum2006] Andrew S Tanenbaum, Structured Computer Organization, Fifth Edition, Contemporary Multilevel Machines 1.2 Milestones in Computer Architecture Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 63