Rechnerstrukturen. Michael G. Wahl Universität Siegen FB 12, Institut für Mikrosystemtechnik. Tel: (0271)

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1 Rechnerstrukturen Michael G. Wahl Universität Siegen FB 12, Mikrosystemtechnik 1 Tel: (0271)

2 Rechnerstrukturen - was ist das? Rechnerstrukturen Implementierung und Rechnerarchitektur, kurz: Alles was man braucht, um eine Maschine zu bauen, auf der man Programme laufen lassen kann. Implementierung Technologie, digitale Logik, Speichereinheiten, Recheneinheiten, Verbindungssysteme, Hardware-Aufbau von Komponenten, die die Rechnerarchitektur realisieren: ALU, Cache, Pipelining Rechnerarchitektur Schnittstelle zwischen Rechner und Benutzer = Befehlssatzarchitektur (Instruction Set Architecture) Maschinenorganisation 2

3 Technologie Herstellung von Integrierten Schaltungen Heute fast ausschließlich auf CMOS-Basis Grundmaterial Herstellungsschritte Fotolithographie Aufbringen von Materialien, Deposition Entferne von Material, Ätzen Reinigen Mechanische Bearbeitung: schneiden, polieren... Fertigungsstätte Ausbeute: Wie viele der gefertigten Schaltungen sind funktionsfähig? 3

4 Entwurfsprozess und Modellierung Hierarchische Beschreibung vom Gatter bis zum Prozessor Genauigkeit: Wie genau kann ich die Schaltung beschreiben? Komplexität: Welche Genauigkeit kann ich handhaben? Modellierung der Elemente Funktion Zeitverhalten Fläche Entwurfsablauf Top-down Bottom-up Yoyo Meet in the middel 4

5 Funktionseinheiten Schaltnetze: Funktion Ein simpler Inverter Ein UND Gatter Multiplexer und Decoder Arithmetische Schaltungen: Addierer, Multiplizierer,.. Arithmetisch-logische Einheiten (ALU) Schaltwerke: Funktion und Zeit Speicheelemente, Flipflops Synchrone Automaten Moore Mealy Mikroprogrammsteuerung Memories (DRAM, SRAM) 5

6 Die fünf Komponenten eines Rechners 6

7 Befehlssatzarchitektur (Instruction Set Architecture)... the attributes of a [computing] system as seen by the programmer, i.e. the conceptual structure and functional behavior, as distinct from the organization of the data flows and controls the logic design, and the physical implementation. Amdahl, Blaaw, und Brooks, Organisation des programmierbaren Speichers Datentypen und Datenstrukturen: Codierungen und Darstellungen Befehlssatz Befehlsformate Modelle für Befehls- und Datenzugriffe Ausnahmebedingungen SOFTWARE

8 Der Befehlssatz: Ein kritisches Interface Software Befehlssatz Hardware 8

9 Beispiele für Befehlssatzarchitekturen Digital Alpha HP PA-RISC Sun Sparc (v8, v9) SGI MIPS (MIPS I, II, III, IV, V) Intel (8086,80286,80386, ,Pentium, MMX,...) Motorola/IBM/Apple (PowerPC /603/604, 740/750/7400) IA

10 Maschinenorganisation TECHNIK Fähigkeiten und Leistung der prinzipiellen Funktionseinheiten (e.g., Registers, ALU, Shifters,...) Verbindungen zwischen diesen Einheiten Sichtweise des Logikdesigners ISA Ebene Informationsfluss zwischen den Komponenten Logik und Methoden zur Realisierung des Informationsflusses Funktionseinheiten & Verbindungen Choreographie der Funktionseinheiten Beschreibung auf Register-Transfer- Ebene (Register Transfer Level (RTL)) 10

11 Beispiel einer Maschinenorganisation TI SuperSPARC TMS390Z50 in Sun SPARCstation20 SuperSPARC MBus Modul Gleitkomma-Einheit Integer Einheit L2 $ CC MBus DRAM Controller 11 Inst Cache Ref MMU Bus Interface Daten Cache Speicher Puffer L64852 SBus SBus DMA SBus Karten MBus control M-S Adapter SCSI Ethernet STDIO seriell kbd maus audio RTC Boot PROM Floppy

12 Was umfasst der Begriff Rechnerstrukturen? Anwendung Betriebssystem Praktische Informatik Rechnerstrukturen Befehlssatzarchitektur Compiler Firmware Befehlsbearb. I/O System Datenpfad & Steuerung Logikentwurf Schaltungsentwurf Layout Vorlesung RA I 12 Koordination vieler Abstraktionsebenen der Beschreibung Berücksichtigung ständig wechselnder äußerer Einflüsse Entwurf, Leistungsmessung, Leistungsbewertung

13 Treibende Kräfte auf Rechnerstrukturen Technologie Betriebssysteme Programmiersprachen Anwendungen Rechnerstrukturen Geschichte 13

14 Technologie 14 DRAM Speicherkapazität Gegen 1985 entstehen Ein-Chip 32-Bit Prozessoren und Single- Board-Computer Year DRAM Size Kb Kb Mb Mb Mb Mb Mb Gb Tr ansi st or e n Mikroprozessor Logikdichte i i i Penti um R4400 Workstations, PCs, Multiprozessoren basieren seither auf dieser Technik Mit den neu auf dem Markt erscheinenden Prozessoren ist Mainframe-Leistung auf einem Chip verfügbar. i 4004 i 8086 SU MI P S R3010 R10000 i 80x 86 M68K MI P S A l pha

15 Technologiebedingtes Wachstum in Zahlen Prozessor Transistoranzahl: ca. 30% pro Jahr (heute ca. 100 Mio.) Taktrate: ca. 20% pro Jahr Speicher DRAM Kapazität: ca 60% pro Jahr (4x alle 3 Jahre) Zugriffsgeschwindigkeit: ca. 10% pro Jahr Kosten pro Bit: sinken um ca. 25% pro Jahr Plattenspeicher Kapazitätssteigerung: ca. 60% pro Jahr 15

16 Prozessorleistung (absolut) 350 Leistungsverdopplung ca. alle 1,5 Jahre RISC RISC- Einführung Intel x86 35%/yr 0 Year 16

17 Prozessorleistung (relativ) Log Leistung Supercomputer Mikroprozessoren Mainframes Minicomputer Jahr ear

18 Beispiel: Ein Prozessor neuerer Generation: Der PowerPC 7540 (G4) Geschwindigkeit bis 1,2 GHz Busfrequenz 133 MHz Bus Interface 64 Bits L1 Cache 32/32 kbyte L2 Cache 256 kbyte Prozess 0,18 µm U int 1,3-1,6V U I/O 1,8V / 2,5 V Leistung 21,3 W / 1 GHz Performance 2280 Drystone 1GHz 18

19 Power PC

20 Technologie IBM Kupfer- Technologie 20

21 Detailansicht Wolfram / Kupfertechnologie 21

22 Was haben wir nun vor? 22 Architekturen und Leistungsbewertung Prozessorvergleich: Der Kampf der Giganten? Entwurfsmethodik Wie man aus vagen Ideen 50 Millionen Transistoren kocht. Advanced Pipelining Keine Pause: die Sklaventreiber im Steuerwerk. Speicherhierarchien & Speichermanagement Sichere Orte zum schnellen Verstauen von Daten Ein Beispiel: Der PowerPC In der realen Welt ist alles komplizierter... Aktuelle Architekturen Was gibt es außer der MIPS? Multiprozessorarchitekturen Gleichschritt oder unkoordiniertes Geschwätz? Signalprozessoren Ohne mein Handy bin ich nur ein halber Mensch!? Zuverlässige Systeme Rechner jenseits des PCs

23 Materialien 23 Textbücher: D. A. Patterson, J. L. Hennessy: Computer Organization & Design: The Hardware/Software Interface Second Edition, 1998 J. L. Hennessy, D. A. Patterson : Computer Architecture: A Quantitative Approach Third Edition P. Lapsley, J. Bier, A. Shoham, E. A. Lee DSP Processor Fundamentals IEEE Press, 1997 und viele andere Quellen Präsentationen On-Line-Präsentationen und Foliensätze verfügbar über die WEB- Seiten der Fachgruppe Mikrosystemtechnik iseran.rs.uni-siegen.de

24 Unter dem Gehäusedeckel Die Anatomie eines PC 24

25 Geschichtliches 25 Erste Phase: Mechanische Maschinen Zweite Phase Erste elektronische Rechner Relais Röhren Transistoren Dritte Phase: Mainframes Vierte Phase: Workstation / PC Fünfte Phase: Netzwerkrechner

26 Blaise Pascal Geboren in Clermont-Ferrand, 19. June 1623 Gestorben

27 Blaise Pascal Bekannter Mathematiker Erste mechanische Addiermaschine 27

28 Gottfried Wilhelm, Freiherr von Leibnitz Geboren 1646 Gestorben in Hannover, 14.November

29 Gottfried Wilhelm, Freiherr von Leibnitz Erste Rechenmaschine: 1668 Erfindung des binären Zahlensystems 29

30 Wilhelm Schickard Tübingen,

31 Schickard 1624 Multiplikationsmaschine mit zylindrischem Akkumulator 31

32 Charles Babbage Geboren 1792 Gestorben

33 Charles Babbage Rechenmaschine & Programmsteuerung Die Analytical Engine ( ) 33

34 Charles Babbage Rekonstruktion der Differenzmaschine 34

35 Hermann Hollerith

36 Hermann Hollerith Lochkarte, 1884, Institute of Technology, Massachusetts Tabulating Machine Company (1896) eine der Ursprünge von IBM (1911/12) 36

37 Die ersten elektronischen Maschinen Deutschland 37 Ort Henschel Luftfahrt, Berlin Personen Konrad Zuse... Maschinen Z1 mechanisch programmierbarer Digitalrechner (1936) Z2 voll funktionierender Rechner (1939) Z3 Erstes binäres Programm (1941) Z4 Verzweigungen, Adressberechnung (1946)

38 Konrad Zuse Z-Rechner Plankalkül,erste Programmiersprache

39 Z 1 39

40 Die ersten elektronischen Maschinen England 40 Ort University of Manchester Personen Frederic C. Williams Tom Kilburn Alan Turing... Maschinen Small Scale Experimental Machine (SSEM) 21. Juni 1948 Erste Maschine mit Speicher für Daten und Programme Mark 1 Hardware-Multiplizierer 20/40 bits

41 Frederic C. Williams Tom Kilburn Entwicklungsleiter Speicherröhre 41

42 Alan Mathison Turing 23. Juni Juni 1954 (Winslow) 42

43 Alan Mathison Turing Computer design Programming Neural networks Definition der 'Turing' Maschine Spezialist für Verschlüsselung im 2. Weltkrieg Entschlüsselung des Enigma-Algorithmus Der Turing Test Verhaftet als Homosexueller Selbstmord durch Zyanid 43

44 Turing Maschine Eine Turing-Maschine (1936) besteht aus Endlicher Automat Unendliches sequentielles Band mit Speicherzellen Schreib- und Lesekopf Bandbewegung je ein Schritt vorwärts / rückwärts Theoretisches Modell eines Zustandsautomaten Eine Turing-Maschine kann alle anderen Maschinen emulieren, auch eine Turing-Maschine 44

45 Manchester Mark 1 45

46 Die ersten elektronischen Maschinen USA Wo? Moore School of Engineering Wer? John Mauchly John V. Atanasoff... Was? ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) 10 Dezimalstellen Fest verdrahtetes Programm EDVAC UNIVAC... 46

47 John Louis von Neumann Geboren in Budapest, 28. Dezember 1903 Gestorben in Washington, D.C., 2. August

48 John Louis von Neumann Studium in Chemie (Berlin, ETH Zürich) Promovierte an der Universität in Budapest (1926) Visiting professor in Princeton (1933) Mathematische Grundlagen der Quantenphysik Professor in Princeton (1933) Erster Speicherprogrammierbarer Computer: EDVAC (1944) 48

49 John W. Mauchly 30. August Januar

50 ENIAC Dantenfluss durch ENIAC 50

51 ENIAC 51

52 ENIAC Akkumulator-Einheit dekadisch rechnend 52

53 Erste kommerzielle Computer UNIVAC I,

54 Mainframes IBM 360/50 2 MHz KB 54

55 Digital Equipment Corporation Ken Olson & Harlan Anderson PDP 8, 1965 > Rechner Ken Olsen: Es wird keinen Bedarf an privaten Rechnern geben. 55

56 DEC PDP 11 PDP 11/ bit Architektur PDP 11/ KB 56

57 Personal Computer Apple II 6502 Proz. 1 MHz 4k RAM 64 K max

58 Personal Computers IBM PC/XT ,77 MHz 64k RAM 640 K max

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