Technische Informatik I

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1 Technische Informatik I SS 2001 PD Dr. A. Strey Abteilung Neuroinformatik Universität Ulm

2 Inhalt Einführung: Überblick über die historische Entwicklung der Rechnerhardware Teil 1: Digitale Logik kurzer Exkurs technologische Grundlagen Boolesche Algebra kombinatorische Logik sequentielle Logik programmierbare logische Bausteine 2

3 Inhalt (Forts.) Teil 2: Rechnerorganisation Rechnerarithmetik Mikroprogrammierung Entwurf eines hypothetischen Prozessors Speicherorganisation Teil 3: Grundlegende Konzepte von Betriebssystemen Prozeßbegriff Speicherverwaltung Virtueller Speicher 3

4 Ziel Verständnis des Aufbaus und der Arbeitsweise eines Computers, z.b. um Möglichkeiten und Grenzen moderner Hardware kennenzulernen E/A-Geräte anzusteuern effiziente Programme zu implementieren zeitkritische Routinen in Maschinensprache kodieren zu können die Grundlagen für den Entwurf digitaler Hardware bereitzustellen 4

5 Literatur A. Clements: The Principles of Computer Hardware, 3. Auflage, Oxford University Press, 2000 L. Keedy, J. Kaiser: Skript Technische Informatik, Teile 1 und 2 W. Oberschelp, G. Vossen: Rechneraufbau und Rechnerstrukturen, 8. Auflage, Oldenbourg Verlag, 2000 W. Coy: Aufbau und Arbeitsweise von Rechenanlagen, Vieweg Verlag, 1988 J.L. Hennessy, D.A. Patterson: Computer Organization and Design, Morgan Kaufmann 1994 H. Liebig, S: Thome: Logischer Entwurf digitaler Systeme, 3. Auflage, Springer

6 Organisatorisches Vorlesung: Mi (Klinik), Do (H4/5) Übung: Di (ca. 14-tägig), Beginn: , weitere Termine am 22.5., 5.6., 19.6., 3.7., Praktikum: Vorbesprechung und Einteilung am Di, , im H1 (Pflichtveranstaltung!) Versuch 1 (kombinatorische Logik) vom , Versuch 2 (sequentielle Logik) vom , Versuch 3 (Zustandsmaschinen) vom

7 Historische Entwicklung: Frühzeit 8500 v. Chr.: Zählsysteme in vielen Kulturen benutzt häufig 5 oder 10 als Basis 3000 v. Chr.: Abacus älteste mechanische Rechenhilfe Ursprung in Babylonien, noch heute in China benutzt 2 Zonen: heaven, earth einfache Algorithmen nötig 7

8 Historische Entwicklung: : Pascaline entwickelt von B. Pascal auf Zahnrädern basierend Addition von zwei bis zu 8-stelligen Dezimalzahlen Subtraktion nur mit 10er Komplement 1673: Stepped Reckoner entwickelt von G.W. Leibniz Staffelwalze für Mult., Div. 8

9 Historische Entwicklung: : Lochkarte entwickelt von Jacquard zur Steuerung eines Webstuhls Unterschiedliche Webmuster durch unterschiedlich gelochte Holzbrettchen erster Nur-Lese-Speicher (ROM) für Programme 9

10 Historische Entwicklung: (Forts.) 1830: analytic engine entwickelt von C. Babbage Leitwerk, programmierbar mit Lochkarten Rechenwerk ( mill ) Speicher ( store ) für 1000 Dezimalzahlen aus 50 Stellen Ein-/Ausgabe mit Lochkarten Verzweigungen möglich erster universeller Rechner 10

11 Historische Entwicklung: (Forts.) 1850: Boolesche Algebra entwickelt von G. Boole binäre logische Operationen mathematische Basis für moderne Digitalrechner 1890: Tabelliermaschine entwickelt von H. Hollerith zum schnellen Zählen und Sortieren Holleriths Tabulating Machine Company wurde 1924 zur IBM 11

12 Historische Entwicklung: : Z3 entwickelt von K. Zuse 10 Hertz Taktfrequenz basierend auf 2200 Relais 22-stellige Binärzahlen (im Gleitkomma-Format) dezimale Ein-/Ausgabe Speicher mit 64 Worten Steuereinheit mit Sequenzer Addition in 3 Takten, Multiplikation in 16 Takten 12

13 Historische Entwicklung: seit 1945 Zeitalter der elektronischen Digitalrechner 1. Generation ( ): mit Vakuumröhren 2. Generation ( ): mit Transistoren 3. Generation ( ): mit ICs 4. Generation (seit 1980): mit VLSI 13

14 Historische Entwicklung: seit 1945 (Forts.) 1946: ENIAC Röhren, 1500 Relais 130 m 2, 30 Tonnen, 140 kw dezimale Kodierung ca Additionen je Sek. 20 Akkumulatoren, 1 Multiplizierer, 3 Funktionstabellen programmiert durch Kabel E/A mittels Lochkarten gebaut für ballistische Berechnungen 14

15 Historische Entwicklung: seit 1945 (Forts.) 1946: von-neumann Maschine Speicherwerk enthält Programme und Daten Rechenwerk mit ALU und Registern zentrales Steuerwerk mit fetch-decode-execute Instruktionszyklus E/A-Werk mit Daten- Umwandlung binäre Kodierung 15

16 Historische Entwicklung: : PDP-1 gebaut von DEC auf Transistortechnik basiert magnetischer Kernspeicher für Bit Worte 200 khz Takt CRT, 512 x 512 Pixel Grafik erster Minicomputer Es folgten: PDP-8 mit Omnibus (erstes Bussystem, 1965), PDP-11 mit 16-Bit Worten (1970) 16

17 Historische Entwicklung: seit 1965 IBM System/360 erste Rechnerfamilie mit gleichem Instruktionssatz Mehrprogrammbetrieb Mikroprogammierung 32-Bit Worte 16 Mbyte Adreßraum 17

18 Historische Entwicklung: seit 1975 Mikroprozessoren am Beispiel Intel: 1974: Intel 8080 (erste universelle 8-Bit CPU auf einem Chip) 1978: Intel 8086 (erste 16-Bit CPU auf einem Chip) 1981: Einführung des IBM PC 1985: Intel (erste 32-Bit CPU) 1989: Intel (Cache auf Chip) 1993: Intel Pentium (zwei Pipelines) 1995: Intel Pentium Pro (bis zu fünf Instruktionen gleichzeitig) 18

19 Historische Entwicklung: seit 1975 (Forts.) Weitere Meilensteine der Computer-Hardware: 1976: Cray-1 (erster Vektorrechner) 1985: MIPS (erster RISC-Mikroprozessor) 1987: Connection Machine (erster massiv paralleler Rechner mit Prozessoren) 1992: DEC Alpha (erster RISC-Mikroprozessor mit 64-Bit CPU) 1997: Supercomputer ASCI Red liefert mehr als 1 TFlops 2000: erster Mikroprozessor mit 1 GHz Taktfrequenz 19

20 Leistungssteigerung

21 Komplexitätssteigerung

22 Architektur eines einfachen Computers 22

23 Schichtenmodell eines Computers 23