Vorlesung Computational Engineering I Rechnerarchitektur WS 2012/13

Transkript

1 Vorlesung Computational Engineering I Rechnerarchitektur WS 2012/13 Professor Dr.-Ing. Dietmar Fey Lehrstuhl Informatik 3 - Rechnerarchitektur WS 2012/13, 16./ Folie 1

2 Inhalt Vorlesung Organisatorisches Übung Betreuer Steffen Limmer, Andreas Schäfer 2 Übungsgruppen: Mo, 12:15-13:45, Mi, 14:15-15:45, Skript Vorlesungsfolien: Ergänzungsmaterialien: StudOn WS 2012/13, 16./ Folie 2

3 Literatur Fey (Hrsg.): Grid Computing Eine Basistechnologie für Computational Science, Springer 2010 Stallings: Computer Architecture & Organzation, Prentice Hall Hennessy/Patterson: Computer Organization & Design, Morgan Kaufmann Hennessy/Patterson: Computer Organization A Quantitative Approach. Morgan Kaufmann Mattson et. al.: Patterns for Parallel Programming, Addison-Wesley Märtin: Rechnerarchitekturen, fbv Leipzig WS 2012/13, 16./ Folie 3

4 0.1 Was ist Rechnerarchitektur? Frage: Wie funktioniert ein Computer? Daten verarbeiten Daten speichern Daten transportieren Im Blickfeld der Rechnerarchitektur stehen: Funktionsweise, Aufbau und Organisation von Komponenten, die Daten verarbeiten, speichern und transportieren Gibt es eine Definition einer Rechnerarchitektur? in der Literatur unterschiedlich genaue und auch nicht unbedingt völlig konforme Fassungen des Begriffs Rechnerarchitektur WS 2012/13, 16./ Folie 4

5 0.1 Was ist Rechnerarchitektur? Definition 1: nach Ungerer Rechnerarchitektur besteht aus zwei Schichten: Befehlsarchitektur Endoarchitektur Befehlsarchitektur Beschreibung des Verhaltens eines Rechners auf einer abstrakten Ebene alles was nach außen hin zur Software sichtbar wird Maschinendatentypen Maschinenoperationen Befehlssätze Unterbrechungssystem Ablage der Daten im Speicher usw. WS 2012/13, 16./ Folie 5

6 0.1 Was ist Rechnerarchitektur? Endoarchitektur: Darstellung der inneren Struktur und Arbeitsweise des Rechners auf abstrakter Beschreibungsebene Darstellung besteht aus drei Elementen Rechnerstruktur Statische Topologie der Hardware-Komponenten und ihrer Verbindungen Informationsstruktur Interne Repräsentation von Daten und Programm-Kode Operationsprinzip (Arbeitsweise des Rechners) Wie wird die Informationsstruktur unter Verwendung der Rechnerstruktur verändert Wie wird ein Programm und dessen Befehle verarbeitet? Datenpfade Kontrollpfade WS 2012/13, 16./ Folie 6

7 0.1 Was ist Rechnerarchitektur? Definition 2: Skript Vorlesung Rechnerstrukturen R.Brück, Uni Siegen: Rechnerstruktur = Rechnerarchitektur + Implementierung Rechnerarchitektur = Schnittstelle zwischen Rechner und Benutzer Befehlssätze Maschinenorganisation Implementierung Hardware-Aufbau der Komponenten (Speichereinheiten, Recheneinheiten und Verbindungssysteme), die Rechnerarchitektur realisieren WS 2012/13, 16./ Folie 7

8 0.1 Was ist Rechnerarchitektur Definition 3: W. Stallings, Computer Organization & Architecture Computer Organization Operations-Einheiten und Verbindungen, welche die Architektur- Spezifikationen erfüllen Computer Architecture Attribute eines Systems, die für den Programmierer sichtbar sind Trennung ermöglichte Architektur-Familien Unterschiedliche Notationen Konsens darüber, dass es solche Trennung gibt, welche die genannten Aufgaben erfüllt WS 2012/13, 16./ Folie 8

9 Meilensteine der Rechnerarchitektur Mechanische Computer 1642 Blaise Pascal: Apparat mit Räderwerk und Kurbel zum Addieren und Subtrahieren 1672 Wilhelm Gottfried Leibniz: mechanische Maschine, die auch multiplizieren und dividieren konnte 1822 Charles Babbage Difference Engine ein Algorithmus Berechnung von Zahlentabellen zur Schiffsnavigation konnte addieren und subtrahieren besaß Ausgabeeinheit: stanzte Ergebnisse mit stählernen Prägestempeln in Kupferplatte WS 2012/13, 16./ Folie 9

10 Analytical Engine im Gegensatz zu Differential Engine universell Speicher (Säulen, 1000 Worte à 50-stellige Zahlen) Recheneinheiten (Mühle) programmierbar durch Einstanzen von Befehlen in Lochkarten und gestanzte Ausgabe (Regal) Problem: mechanische Präzision der vielen Räder und Getriebe im 19.Jhrdt. erlaubte keine hohe Zuverlässigkeit WS 2012/13, 16./ Folie 10

11 Konrad Zuse automatische Rechenmaschinen Z1, Z2 und Z3 mit elektromagnetischen Relais erste vollautomatisch programmgesteuerte Rechner der Welt verwendeten Gleitkomma-Arithmetik WS 2012/13, 16./ Folie 11

12 Atanasoff entwickelten Konzept für Computer ABC - Computer mit Binärarithmetik für Speicher Kondensatoren, die immer wieder aufgefrischt werden mussten (Urvater des DRAMs) WS 2012/13, 16./ Folie 12

13 1944 Aiken: baute Mark 1 Allzweck-Rechner aus Relais gelochte Ein-/Ausgabe 72 Wörter mit jeweils 23-stelligen Zahlen Mark II wurde fertig als Relais-Computer überholt waren, das elektronische Zeitalter begann Elektronische Computer zunächst angetrieben durch Zweiten Weltkrieg 1943 britische Regierung, Alan Turing: COLOSSUS erster digitaler elektronischer Computer der Welt Aufgabe: Entschlüsselung verschlüsselter Befehle für die weitere Entwicklung der Rechnerarchitektur ohne Bedeutung, da alle Ideen des Projektes 30 Jahre unter Verschluss gehalten WS 2012/13, 16./ Folie 13

14 1946 ENIAC Mauchley/Eckert erkannte ebenfalls Bedeutung des Militärs als Finanzgeber ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) Vakuumröhren, 1500 Relais, 30 Tonnen Gewicht, 140 kw Strom Arbeitete im Dezimalsystem WS 2012/13, 16./ Folie 14

15 1951 MIT Whirlwind 1 erster Echtzeit-Computer nicht wie ENIAC und IAS für Verarbeitung großer Zahlenmengen gedacht 16 Bit Worte, Projekt führte zu Erfindung des magnetischen Kernspeichers 1952 John von Neumann: Mitglied des ENIAC-Projekts und bereits zu Lebzeiten einer der renommiertesten Mathematiker der Welt erkannte Schwächen von ENIAC umständliche Programmierung Dezimalarithmetik Maschine IAS (Institute of Advanced Studies, Princeton) behandelte Programmkode wie Daten! Diese werden wie Daten im Speicher digital dargestellt Binärdarstellung WS 2012/13, 16./ Folie 15

16 Zeit der Pioniere ging dem Ende zu, in den 50er Jahren Aufstieg von IBM anfangs auf Herstellung von Kartenlesern spezialisiert zunächst viel kleiner als UNISYS (Fa. von Mauchley und Eckert) 1960 PDP-1 von DEC Lincoln Laboratorien, MIT: Transistor-Rechner TX-0, TX-2, 16-Bit Maschine nach Art des Whirlwind, erlangte keine Bedeutung aber einer der Konstrukteure, Olson, gründete die Firma DEC baute auf Basis des TX-0 die PDP-1 PDP-1 4 KByte an 18-Bit Wörtern, Zykluszeit von 5 µs halbe Leistung von IBM 7090 Preis: $; IBM 7090 mehrere Millionen Geburt der Mini-Computer WS 2012/13, 16./ Folie 16

17 1965 wurde die PDP-8 eingeführt gegenüber PDP-1 mit $ wesentlich billigere 12-Bit Maschine wichtige Neuerung: Bus, der Omnibus oder Unibus, IAS dagegen speicherzentriert PDPs waren vor allem im wissenschaftlichen Bereich sehr beliebt WS 2012/13, 16./ Folie 17

18 IBM 1961: IBM 1401, kleiner Computer als Verkaufsschlager im kommerziellen Bereich 1962: IBM 7094: wissenschaftlicher Rechner 1964: neue Firma CDC tritt auf CDC 6600 erster wissenschaftlicher Supercomputer nutzte Parallelverarbeitung (mehrere Funktionseinheiten Addierer, Multiplizierer und Dividierer, sowie Peripherieprozessoren) 10x schneller als 7094 erste sog. Number Cruncher entwickelt von Seymour Cray WS 2012/13, 16./ Folie 18

19 Rechner mit integrierten Schaltungen 1958 gelang es Noyce mehrere Transistoren in Silizium zu integrieren IBM vollzogen als Erste radikalen Schritt Rechnerfamilie IBM 360 mit verschiedenen Modellen Kompatibilität der Assembler-SW zwischen Modellen Mehrprogrammbetrieb Mikroprogrammierung erlaubte Emulieren anderer Rechner WS 2012/13, 16./ Folie 19

20 PDP-11: Rechner ebenfalls mit integrierter CPU war besonders an Universitäten sehr erfolgreich vorherrschende Minicomputer der 70er Jahre Oben erwähnte CDC6600 ebenfalls integrierte CPU 1974: Cray 1 erster Vektor-Superrechner 1978: DEC VAX erster 32-Bit Superminicomputer 80er Jahre: VLSI-Technik leistungsfähigere und billigere CPUs Geburt des Mikroprozessors INTEL : 8080 WS 2012/13, 16./ Folie 20

21 Siegeszug der Tischcomputer Personalcomputer Apple anfänglich als Bausatz ohne Software IBM PC bisher untypisches Verhalten für IBM offenes System, sog. IBM Klones entstehen kaufen wichtige Komponenten hinzu (Betriebssystem MS-DOS, Intel 8080) machen ungewollt INTEL und insbesondere Microsoft zu Industrie-Giganten WS 2012/13, 16./ Folie 21

22 PC-Welle mit IBMs Marktmacht überrollte alles andere Hersteller wie Atari, Commodore, Sinclair chancenlos Nischen für Arbeitsplatzrechner für Konstruktion, CAD mit besonderen Anforderungen an Grafik und Rechenleistung 1985 Workstations von MIPS und 1987 Workstations von SUN mit SPARC- Prozessoren RISC-Maschine WS 2012/13, 16./ Folie 22