Kapitel 11: Historische Entwicklung und Mikroprozessoren

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1 Kapitel 11: Historische Entwicklung und Mikroprozessoren Technische Grundlagen der Informatik 2 SS 2009 R. Hoffmann FG Rechnerarchitektur Technische Universität Darmstadt

2 Historie Babagge, Difference Engine 1937 Zuse, Z-1, mechanisch 1943 Zuse Z-3, Relais 1943 ENIAC, Elektronenröhre 1957 Transistorrechner Integrierte Schaltungen deutsches Patent von Jacobi Mikroprozessor Intel 4004

3 Difference Engine Charles Babbage Mechanical special-purpose computer designed to tabulate polynomial functions. Die Entwicklung von Babbages Rechenmaschinen ist untrennbar verbunden mit der Leistung seiner engen Mitarbeiterin Ada Lovelace, die die Programmierung der Maschine zumindest theoretisch beschrieb und damit auch die erste Software schuf.

4 Zuse Z1 1937, mechanisch Speicher für 64 Gleitkommazahlen, je 22 Bit. Das Rechenwerk beherrschte die Operationen Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, Quadratwurzel, Dezimal-Dual- sowie Dual- Dezimal-Umwandlung. Konrad Zuse entwickelte eine abstrakte Beschreibung des Rechenwerks, die sowohl auf Maschinen mit mechanischen Schaltgliedern als auch auf relaisbasierte Rechner anwendbar ist

5 Z Z1 in der elterlichen Wohnung in Berlin 1936

6 1941 Zuse Z3 Erster voll funktionsfähiger programmierbarer Rechner Erstmals Verwendung des Dualsystems 3000 Relais Enthält sehr viele Merkmale moderner Rechner: Gleitkommazahlenberechnung Ein- und Ausgabeeinheiten Möglichkeit der Benutzerinteraktion während des Rechenvorgangs "Mikroprogramme" Pipelining von Instruktionsfolgen Numerische Sonderwerte Parallele Ausführung von Operationen soweit wie möglich 11 6

7 Z Die Z3 ist eine getaktete Maschine. Die Taktung wird von einem Elektromotor übernommen, der eine sogenannte Taktwalze antreibt. Diese ist eine Trommel, welche sich ca. 5,3 mal pro Sekunde dreht und während einer Drehung die Steuerung der einzelnen Relaisgruppen übernimmt. Die Z3 verfügt über folgende Maschinenbefehle: Pr z - Speicherzelle z in Register R1/R2 laden: 1 Zyklus LOAD Ps z - R1 in Speicherzelle z schreiben: 0-1 Zyklus STORE Ls1 - Addition R1 := R1 + R2: 3 Zyklen Ls2 - Subtraktion R1 := R1 - R2: 4 5 Zyklen Lm - Multiplikation R1 := R1 * R2: 16 Zyklen Li - Division R1 := R1 / R2: 18 Zyklen Lw - Quadratwurzel R1 := SQRT(R1): 20 Zyklen Lu - Dezimalzahl einlesen in R1 / R2: 9-41 Zyklen Ld - R1 als Binärzahl ausgeben: 9-41 Zyklen Die Eingabe numerischer Daten muss über die Tastatur erfolgen, d. h. Zahlen können nicht auf dem Lochstreifen kodiert werden. Über die Tastatur können alle Operationen außer den Speicherzugriffen (Pr und Pz) direkt ausgeführt werden. Der Lochstreifen kann nur Befehle enthalten. Jeder Befehl auf dem Lochstreifen wird mit 8 Bit kodiert. Die Z3 kennt keine Sprungbefehle, ist jedoch Turingmächtig, wie Raúl Rojas 1998 zeigte.

8 Plankalkül von Zuse Der Plankalkül gilt als die erste Programmiersprache der Welt (1945). Konrad Zuse schrieb das ca. 300-seitige Werk 1945 in Hinterstein im Allgäu. Wußten Sie, daß das Ergibtzeichen bei einer Zuweisungsoperation von Konrad Zuse stammt? Er schrieb: a + b => c. Heute schreiben wir c = a + b. Konrad Zuse hat im Jahr 1945 auch die WHILE- Schleife im Plankalkül konzipiert. Ganze sieben Schleifenarten (Wiederholungsschleifen) dachte er sich aus. Und, in der Literatur wird angenommen, daß die ersten Schachprogramme von Shannon entworfen wurden. Weit gefehlt. Konrad Zuse hat 1945 auf 60 Seiten Schachprogramme konzipiert. Weiterhin: bedingte Anweisungen Arrays und Datentypen Assertions Ausnahmebehandlung

9 Der erste elektronische Computer John Vincent Atanasoff entwarf und implementierte den ersten elektronischen, digitalen Rechner, den Atanasoff-Berry- Computer (ABC) Ames Lab. Iowa Binärarithmektik, gleichzeitige Lösung von bis zu 29 linearen Gleichungen. ca. 270 Röhren, erster kapazitiver Speicher mit Refreshing 11 9

10 ENIAC - The second electronic computer (1946) Der ENIAC (kurz für Electronic Numerical Integrator and Computer) war der zweite elekronische digitale Universalrechner und einer der ersten Computer überhaupt. Im Auftrag der US-Armee wurde er ab 1942 von J. Presper Eckert und John W. Mauchly an der Universität von Pennsylvania entwickelt und am 16. Februar 1946 offiziell in Dienst gestellt. Bis zu seiner Abschaltung im Jahr 1955 diente er der US-Armee zur Berechnung ballistischer Tabellen Röhren 20 Akkumulatoren Dezimalzahlen mit Vorzeichen, 10 Stellen Operationen: +, -, *, sqrt, div Funktionstabellen-ROM Programmierung durch umsteckbare Verbindungen, kein Programmspeicher

11 SSEM Baby University of Manchester (1948) Small Scale Experimental Machine (Kilburn, Williams) Erster berechnungsuniverseller von-neumann-rechner, auf dem ein Programm lief ( ) CRT= Cathode Ray Tube (Elektronenstrahlröhre) Vollelektronischer CRT Speicher (Williams-Kilburn-Tube) 32 Worte zu 32 Bits Wahlfreier, sofortiger Zugriff Refresh Serielle Arithmetik daraus entwickelt: Manchester/Ferranti Mark I

12 EDSAC University of Cambridge (1949) Electronic Delay Storage Automatic Calculator (M. Wilkes, D. Wheeler) Erster praktisch benutzbarer von- Neumann-Rechner Hauptspeicher: 512 (1024) Worte zu 17 Bits (35 Bit doppelte Genauigkeit) Quecksilber- Verzögerungsleitung 3000 Elektronenröhren für Logik, 500 khz Takt, 650 ips, 4.5 ms Multiplikation, 200 ms Division in SW, 12 kw Leistungsaufnahme, 20 m² Stellfläche Initial Orders 31 (41) Befehle über Schalter gesetzt Systemsoftware zum Laden, relozieren und Ausführen von Programmen Bibliothek mit 87 Unterprogrammen, hauptsächlich mathematisch Quecksilber-Verzögerungsleitung (Ursprung: Radartechnik) 32 Tanks (1,5 m lang) für 32 Zahlen zu 17 Bits 2 Tanks gekoppelt ergeben 35 Bits Nachteile Warten, bis Bit verfügbar Konstante Temperatur erforderlich (Ofen, 42 Grad C) Aber: Relativ zuverlässig

13 EDSAC 11 13

14 Manchester/Ferranti Mark I (1951), U.K CRT-Speicher organisiert in 20- Bit grosse, adressierbare "Line"s; eine Line pro Befehl und zwei aufeinanderfolgende Lines pro Zahl (siehe Abbildung) Serielle 40-Bit Arithmetik mit HW Addition, Subtraktion und Multiplikation (Akkumulator mit doppelter Länge) sowie Logikoperationen, 50 Befehle 8 Index-Register (B-Lines), um in Befehlen gespeicherte Immediate- Adressen zu modifizieren; einfache B-Line Arithmetik (Adressrechnung) und Tests 8 Seiten CRT-Hauptspeicher (1 CRT pro 64*20-Bit Seite) 512 Seiten Magnettrommelspeicher, 2 Seiten pro Spur, 30 ms pro Umdrehung

15 Manchester/Ferranti Mark I ms pro Befehl, Multiplikation 2.16 ms Peripheriebefehle Lese oder stanze eine Zeile von/in 5-Loch Papierband Übertrage eine Seite (oder Spur) von/nach Trommel nach/von CRT (oder Doppelseite) Programmierung sehr kompliziert 5 Bit -> 32 Zeichen des Fernschreibercodes, von 0-31: /E@A:SIU½DRJNFCKTZLWHYPQOBG"MXV Lösung: Mark I Autocode (1954) Erste implementierte Programmiersprache Mischung aus Assembler und Hochsprache Skalarprodukt aus zwei Vektoren: real int vi = v[i] n1, n2 n1 = 201 n2 = 301 v99 = 0 7: v98 = vn1 x vn2 v99 = v99+v98 n1 = n1+1 n2 = n2+1 j7, 280 >= n1

16 UNIVAC I Remington Rand, Eckert/Mauchly (1951) UNIVersal Automatic Computer I Erster massenproduzieter Rechner, 46 Installationen, Preis $ $1.5 Mio 5200 Röhren, 13 t, 125 kw, 35.5 m² 2,25 MHz, 1905 ips, 525 us Add, 2150 us Mult Metallbandlaufwerk statt Lochkarte 1000 Worte zu 12 Characters BCD XS3 Arithmetik, 11 Digits+Sign 6 Bits pro Digit + 1 Paritätsbit, Codes vom alphanumerischen Zeichensatz Subtraktion mit 9er-Komplement Addition erfordert +3/-3

17 Mercury Delay Line (UNIVAC I) 11 17

18 IBM 701/704 ( ) IBM 701, IBM's erster wissenschaftlicher Rechner 18/36 Bit Wortlänge, 2048 Worte in 72 Williams-Tubes, 30 us Zugriffszeit Add 60 us, Mult und Div 456 us, Fixpunktarithmetik Befehle: 1 Bit Vorzeichen, 5 Bit OPC, 12 Bit Address Nur 2 Register: Akkumulator 38 Bit, 2 Bit Overflow, Multiplier/Quotient 36 Bit Neu bei IBM 704 (inkompatibel) Floating Point Arithmetik (8 Bit Exponent, 29 Bit Mantisse) 3 Indexregister Programmiersprachen FORTRAN und LISP Kernspeicher, 18 us Zugriffszeit

19 The First Integrated Circuits

20 Intel 4004, First Microprocessor Transistoren 10 µm 10,8 µs instruction cycle 1 MHZ clock 4-Bit-Arithmetik 16-Pin package 15 V Versorgungsspannung

21 Intel

22 Teil des Schaltplans, (c) Intel 11 22

23 Intel386 (1985) First 32-bit chip 275,000 transistors 16 MHz 33 MHz 1 micron Multi-tasking Mary Jane Irwin ( )

24 Pentium III(1999) 9.5 million transistors 0.25-micron technology Internet Streaming SIMD extensions SIMD = Single Instruction Multiple Data (Vektorbefehle)

25 Intel Pentium (IV) Microprocessor 11 25

26 IBM Power PC 970 (130nm) Ghz 58 Mio Transistoren 118 mm2 Apple Power G5, the fastest PC in 2003, has dual PPC 970 CPU

27 2 Cores 2007: IBM Power6 65nm SOI process with 10 layers of metal 340 mm 2 die 18,4 mm x 18,4 mm 700 Mio Transistoren 2 Mio Trans pro mm 2 ein Transistor: 0,5 x 1µm x 1µm Core-Spannung 0,8 V SOI = Silicon on Insulator

28 Moore s Law In 1965, Gordon Moore noted that the number of transistors on a chip doubled every 18 to 24 months. He made a prediction that semiconductor technology will double its effectiveness every 18 months

29 Transistors (MT) Technische Grundlagen der Informatik 2, SS 09, R. Hoffmann, TUD Moore s Law in Microprocessors Transistors on lead microprocessors double every 2 years # X growth in 1.96 years! P6 Pentium proc Year Courtesy, Intel

30 Transistoren auf dem Chip 11 30

31 Frequency (Mhz) Technische Grundlagen der Informatik 2, SS 09, R. Hoffmann, TUD Clock Frequency Lead microprocessors frequency doubles every 2 years # X every 2 years P6 Pentium proc Year Courtesy, Intel

32 Power (Watts) Technische Grundlagen der Informatik 2, SS 09, R. Hoffmann, TUD Power Dissipation Lead Microprocessors power continues to increase 100 P6 Pentium proc Year Power delivery and dissipation will be prohibitive # Courtesy, Intel

33 Power Density (W/cm2) Technische Grundlagen der Informatik 2, SS 09, R. Hoffmann, TUD Power Density Rocket Nozzle Nuclear Reactor Hot Plate P6 Pentium proc Year Power density too high to keep junctions at low temp # Courtesy, Intel

34 Arten von Mikroprozessoren Universal-Mikroprozessoren Desktop Notebook Server Cluster Mikrocontroller Embedded Systems Digitale Signalprozessoren Digitale Signalverarbeitung, z. B. Fast Fourier Transformation

35 Embedded System Ein Eingebettetes System (Embedded System) ist ein Elektronik-System, das in einem größeren Gesamtsystem integriert ist und das als solches nicht isoliert in Erscheinung tritt. Es unterstützt dedizierte Funktionen innerhalb eines Gesamtsystems und wird meist dafür gezielt entworfen. Eingebettete Systeme können sowohl Standard- Mikroprozessoren und -Mikrocontroller, als auch an die jeweilige Anwendung angepaßte spezielle Hardund Software enthalten.

36 Beispiele für Embedded Systems In Gesamtsystemen, wie Automobil Haushaltsgeräte Drucker Unterhaltungselektronik Spielzeuge Handy Flugzeug

37 Mikrocontroller für Embedded Systems Möglichst viele Funktionen werden auf dem Chip integriert, so daß der Zusatz-Hardwareaufwand minimal wird SoC = System on a Chip Ausstattungsvarianten 4, 8, 16, 32 Datenwegbreite mit Speicher RAM, ROM, EEPROM serielles Interface, paralleles Interface, Timer, A/D- Wandler, spezielle Interfaces

38 Analog Devices: Blackfin Embedded Processor 11 38

39 Mikrocontroller im Kraftfahrzeug Verarbeitungsbreite

40 Aktive Federung Für besonders hohe Fahrdynamik und mehr Sportlichkeit ist die Mercedes CL- Klasse serienmäßig mit dem neuen Active Body Control ABC ausgestattet. Das aktive Federungssystem bügelt Straßenunebenheiten einfach aus: dank einer aktiven Stahlfederung, die per Elektrohydraulik gesteuert wird Beim Aktive Body Control (ABC) von Mercedes handelt es sich um ein aktives elektro-hydraulisches Federungssystem, das den Aufbau (Body) in allen Fahrsituationen auf gleichem Niveau halten soll. Mit diesem Fahrwerkssystem werden sowohl die Federung und die Schwingungsdämpfung verändert als auch die Niveauregelung ermöglicht Aktive Fahrwerkssysteme (AFS) wie das ABC verbessern das Fahrverhalten, in dem sie den Bewegungen des Fahrzeugs um die Hochachse (Schleudern) Längsachse (Wanken) und die Querachse (Nicken) entgegenwirken. Zum Erfassen dieser Bewegungen sind Sensoren erforderlich: Drehzahlfühler des ABS (Raddrehzahlen, Fahrgeschwindigkeit) Lenkwinkelsensor (Lenkwinkel und Lenkgeschwindigkeit) Giermomentsensor (Drehung des Fahrzeugs um die Hochachse) Längs- und Querbeschleunigungssensoren ( Beschleunigungs-, Brems- und Kurvenkräfte) Niveausensoren (Höhe des Fahrzeugaufbaus) Zum Regelung sind in jedem Federbein vertikal verstellbare Hydraulikzylinder (Plunger) angeordnet. Je mehr Öl in den Hydraulikzylinder gepumpt wird, um so stärker wird die Feder vorgespannt und um so größer wird die Federkraft. Die Ölpumpe arbeitet mit Drücken bis zu 200 bar. Zur Erfassung der Kolbenstangenstellung und Rückmeldung an das Steuergerät ist jeweils ein Wegsensor am Hydraulikzylinder angebracht.

41 Reaktion auf Kontext Darstellung paßt sich an den Betrachter an, nimmt mit ihm elektronischen Kontakt auf RFID = "Radio Frequency Identification" Quelle: David Carr, Kunst des Malens: Der Akt, Könemann Verlag, Köln 1996