Technische Informatik I: Rechnerarchitektur

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1 I: Rechnerarchitektur Gernot A. Fink Fakultät, Universität SS 2003 Einführung Thema & Ziel der Vorlesung Entwicklungsgeschichte heutiger Rechner Vom Abakus zum Digitalrechner Technologische & Konzeptionelle Entwicklung Moderne Mehrschichtige Architekturen Triebkräfte der Entwicklung Das Computer-Spektrum Organisatorisches Literatur, Übungsgruppen, Leistungsnachweis Gernot A. Fink 0

2 Einführung Rechnerarchitektur was ist das? Teilgebiet der, das sich mit den Organisationsprinzipien und dem strukturellen Aufbau von digitalen Rechnern auf Hardware-Ebene beschäftigt. Der Aufbau / die Architektur eines speziellen Rechners oder einer Rechnerfamilie Gernot A. Fink > 1

3 Einführung Rechnerarchitektur was ist das? Teilgebiet der, das sich mit den Organisationsprinzipien und dem strukturellen Aufbau von digitalen Rechnern auf Hardware-Ebene beschäftigt. Der Aufbau / die Architektur eines speziellen Rechners oder einer Rechnerfamilie Ziel der Vorlesung: Verständnis der prinzipiellen Funktionsweise von digitalen Rechnern aus technischer Sicht (insbes. Möglichkeiten und Grenzen) Beachte: Grundlegende Prinzipien seit Jahrzehnten unverändert! Grundlagenwissen für das Digitalelektronische Praktikum vermitteln Gernot A. Fink > 1

4 Historische Entwicklung von Rechnern Zielsetzung ursprünglich immer Automatisierung von Berechnungen ( fehlerfreier, schneller ) in der Verwaltung, beim Militär, für die Wissenschaft siehe auch Heinz Nixdorf MuseumsForum, Paderborn ( Gernot A. Fink < > 2

5 Historische Entwicklung von Rechnern Zielsetzung ursprünglich immer Automatisierung von Berechnungen ( fehlerfreier, schneller ) in der Verwaltung, beim Militär, für die Wissenschaft siehe auch Heinz Nixdorf MuseumsForum, Paderborn ( Rechenhilfsmittel Abakus (ca. 200 n.chr. in China) Rechenschieber (ca. 1620) Gernot A. Fink < > 2

6 Historische Entwicklung von Rechnern II Mechanische Rechenmaschinen ( ) Gernot A. Fink < > 3

7 Historische Entwicklung von Rechnern II Mechanische Rechenmaschinen ( ) Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) Rechenmaschine für 4 Grundrechenarten, Zahlen in Binärdarstellung Gernot A. Fink < > 3

8 Historische Entwicklung von Rechnern II Mechanische Rechenmaschinen ( ) Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) Rechenmaschine für 4 Grundrechenarten, Zahlen in Binärdarstellung Charles Babbage ( ) Difference Engine, Analytical Engine beide nie fertiggestellt Gernot A. Fink < > 3

9 Historische Entwicklung von Rechnern II Mechanische Rechenmaschinen ( ) Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) Rechenmaschine für 4 Grundrechenarten, Zahlen in Binärdarstellung Charles Babbage ( ) Difference Engine, Analytical Engine beide nie fertiggestellt Herman Hollerith ( ) Lochkarten zur Datenspeicherung (erstmals um 1800 zur Steuerung mechanischer Webstühle) Gernot A. Fink < > 3

10 Historische Entwicklung von Rechnern II Mechanische Rechenmaschinen ( ) Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) Rechenmaschine für 4 Grundrechenarten, Zahlen in Binärdarstellung Charles Babbage ( ) Difference Engine, Analytical Engine beide nie fertiggestellt Herman Hollerith ( ) Lochkarten zur Datenspeicherung (erstmals um 1800 zur Steuerung mechanischer Webstühle) Konrad Zuse ( ) Z1: erster programmgesteuerter Rechenautomat Gernot A. Fink < > 3

11 Historische Entwicklung von Rechnern III Die 1. Generation Vakuumröhren ( ) Gernot A. Fink < > 4

12 Historische Entwicklung von Rechnern III Die 1. Generation Vakuumröhren ( ) COLOSSUS (1943) unter Mitwirkung von Alan Turing Britisches Geheimprojekt zur Entschlüsselung des ENIGMA-Codes Gernot A. Fink < > 4

13 Historische Entwicklung von Rechnern III Die 1. Generation Vakuumröhren ( ) COLOSSUS (1943) unter Mitwirkung von Alan Turing Britisches Geheimprojekt zur Entschlüsselung des ENIGMA-Codes ENIAC (1946): erster elektronischer Universalrechner Röhren, 1500 Relais, 30t, 140kW Gernot A. Fink < > 4

14 Historische Entwicklung von Rechnern III Die 1. Generation Vakuumröhren ( ) COLOSSUS (1943) unter Mitwirkung von Alan Turing Britisches Geheimprojekt zur Entschlüsselung des ENIGMA-Codes ENIAC (1946): erster elektronischer Universalrechner Röhren, 1500 Relais, 30t, 140kW John von Neumann: Konzeption eines speicherprogrammierbaren Digitalrechners Speicher, Rechen-, Steuer- und E/A-Einheiten Gernot A. Fink < > 4

15 Historische Entwicklung von Rechnern III Die 1. Generation Vakuumröhren ( ) COLOSSUS (1943) unter Mitwirkung von Alan Turing Britisches Geheimprojekt zur Entschlüsselung des ENIGMA-Codes ENIAC (1946): erster elektronischer Universalrechner Röhren, 1500 Relais, 30t, 140kW John von Neumann: Konzeption eines speicherprogrammierbaren Digitalrechners Speicher, Rechen-, Steuer- und E/A-Einheiten IBM produziert 1953 ersten wissenschaftlichen Rechner: IBM 701 Gernot A. Fink < > 4

16 Historische Entwicklung von Rechnern IV Die 2. Generation Transistoren ( ) Gernot A. Fink < > 5

17 Historische Entwicklung von Rechnern IV Die 2. Generation Transistoren ( ) TX-0 als erster transistor-basierter Computer am M.I.T. entwickelt Gernot A. Fink < > 5

18 Historische Entwicklung von Rechnern IV Die 2. Generation Transistoren ( ) TX-0 als erster transistor-basierter Computer am M.I.T. entwickelt Digital Equipment Corporation gegründet (1957): PDP-1: erster Minicomputer PDP-8: verwendet erstmals ein Bus-System Gernot A. Fink < > 5

19 Historische Entwicklung von Rechnern IV Die 2. Generation Transistoren ( ) TX-0 als erster transistor-basierter Computer am M.I.T. entwickelt Digital Equipment Corporation gegründet (1957): PDP-1: erster Minicomputer PDP-8: verwendet erstmals ein Bus-System Control Data Corporation (CDC, Seymour Cray) Modell 6600 (1964): erster Supercomputer 10-mal schneller als IBM-Top-Modell, parallele Funktionseinheiten, speziell für number crunching Gernot A. Fink < > 5

20 Historische Entwicklung von Rechnern IV Die 2. Generation Transistoren ( ) TX-0 als erster transistor-basierter Computer am M.I.T. entwickelt Digital Equipment Corporation gegründet (1957): PDP-1: erster Minicomputer PDP-8: verwendet erstmals ein Bus-System Control Data Corporation (CDC, Seymour Cray) Modell 6600 (1964): erster Supercomputer 10-mal schneller als IBM-Top-Modell, parallele Funktionseinheiten, speziell für number crunching Burroughs B5000: Rechner speziell für ALGOL 60 Gernot A. Fink < > 5

21 Historische Entwicklung von Rechnern V Die 3. Generation integrierte Schaltungen ( ) Gernot A. Fink < > 6

22 Historische Entwicklung von Rechnern V Die 3. Generation integrierte Schaltungen ( ) IBM führt mit System/360 eine einzige Produktlinie ein Mehrprogrammbetrieb, Emulation anderer Rechner Gernot A. Fink < > 6

23 Historische Entwicklung von Rechnern V Die 3. Generation integrierte Schaltungen ( ) IBM führt mit System/360 eine einzige Produktlinie ein Mehrprogrammbetrieb, Emulation anderer Rechner PDP-11: erfolgreichster Minicomputer im wissenschaftlichen Bereich Gernot A. Fink < > 6

24 Historische Entwicklung von Rechnern V Die 3. Generation integrierte Schaltungen ( ) IBM führt mit System/360 eine einzige Produktlinie ein Mehrprogrammbetrieb, Emulation anderer Rechner PDP-11: erfolgreichster Minicomputer im wissenschaftlichen Bereich Die 4. Generation VLSI-Integration (seit 1980) höhere Integrationsdichte macht persönliche Rechner (Personalcomputer) möglich Gernot A. Fink < > 6

25 Historische Entwicklung von Rechnern V Die 3. Generation integrierte Schaltungen ( ) IBM führt mit System/360 eine einzige Produktlinie ein Mehrprogrammbetrieb, Emulation anderer Rechner PDP-11: erfolgreichster Minicomputer im wissenschaftlichen Bereich Die 4. Generation VLSI-Integration (seit 1980) höhere Integrationsdichte macht persönliche Rechner (Personalcomputer) möglich Erster PC als Bausatz auf Basis des Intel 8080 Gernot A. Fink < > 6

26 Historische Entwicklung von Rechnern V Die 3. Generation integrierte Schaltungen ( ) IBM führt mit System/360 eine einzige Produktlinie ein Mehrprogrammbetrieb, Emulation anderer Rechner PDP-11: erfolgreichster Minicomputer im wissenschaftlichen Bereich Die 4. Generation VLSI-Integration (seit 1980) höhere Integrationsdichte macht persönliche Rechner (Personalcomputer) möglich Erster PC als Bausatz auf Basis des Intel 8080 CP/M Betriebssystem für 8080-Rechner (diskettenbasiert) Gernot A. Fink < > 6

27 Historische Entwicklung von Rechnern V Die 3. Generation integrierte Schaltungen ( ) IBM führt mit System/360 eine einzige Produktlinie ein Mehrprogrammbetrieb, Emulation anderer Rechner PDP-11: erfolgreichster Minicomputer im wissenschaftlichen Bereich Die 4. Generation VLSI-Integration (seit 1980) höhere Integrationsdichte macht persönliche Rechner (Personalcomputer) möglich Erster PC als Bausatz auf Basis des Intel 8080 CP/M Betriebssystem für 8080-Rechner (diskettenbasiert) Steve Jobs & Steve Wozniak bauen den Apple Gernot A. Fink < > 6

28 Historische Entwicklung von Rechnern V Die 3. Generation integrierte Schaltungen ( ) IBM führt mit System/360 eine einzige Produktlinie ein Mehrprogrammbetrieb, Emulation anderer Rechner PDP-11: erfolgreichster Minicomputer im wissenschaftlichen Bereich Die 4. Generation VLSI-Integration (seit 1980) höhere Integrationsdichte macht persönliche Rechner (Personalcomputer) möglich Erster PC als Bausatz auf Basis des Intel 8080 CP/M Betriebssystem für 8080-Rechner (diskettenbasiert) Steve Jobs & Steve Wozniak bauen den Apple IBM-PC auf Intel 8088-Basis mit Standardkomponenten (1981) offener, dokumentierter Standard wird von anderen Firmen geklont, Betriebssystem MS-DOS [Rechte verbleiben bei Microsoft] Gernot A. Fink < > 6

29 Historische Entwicklung von Rechnern V Die 3. Generation integrierte Schaltungen ( ) IBM führt mit System/360 eine einzige Produktlinie ein Mehrprogrammbetrieb, Emulation anderer Rechner PDP-11: erfolgreichster Minicomputer im wissenschaftlichen Bereich Die 4. Generation VLSI-Integration (seit 1980) höhere Integrationsdichte macht persönliche Rechner (Personalcomputer) möglich Erster PC als Bausatz auf Basis des Intel 8080 CP/M Betriebssystem für 8080-Rechner (diskettenbasiert) Steve Jobs & Steve Wozniak bauen den Apple IBM-PC auf Intel 8088-Basis mit Standardkomponenten (1981) offener, dokumentierter Standard wird von anderen Firmen geklont, Betriebssystem MS-DOS [Rechte verbleiben bei Microsoft] Mitte der 80er Jahre: RISC-Rechner entstehen (SPARC, MIPS) extrem kleiner Instruktionsvorrat, Mikroprogrammebene wird abgeschafft Gernot A. Fink < > 6

30 Alte Bekannte? IBM PC Apple Macintosh PET 2001 Osbourne 1 Commodore C64 Gernot A. Fink < > 7

31 Moderne mehrschichtige Architekturen Problemorientierte Sprache Assemblersprache Übersetzung (Compiler) Betriebssystem Übersetzung (Assembler) Maschinenbefehle Teilinterpretation Mikroarchitektur Interpretation direkte Ausführung Hardware Digitale Logik Gernot A. Fink < > 8

32 Moderne mehrschichtige Architekturen Problemorientierte Sprache Ebene der digitalen Logik Assemblersprache Betriebssystem Maschinenbefehle Übersetzung (Compiler) Übersetzung (Assembler) Teilinterpretation setzt auf Geräteebene auf (Bereich der Elektrotechnik) Gatter, Schaltnetze & -werke zur Realisierung von Funktionseinheiten (z.b. Addierwerken) und Speichern bzw. Registern Mikroarchitektur Interpretation Hardware direkte Ausführung auch Digitalelektronisches Praktikum Digitale Logik Gernot A. Fink < > 8

33 Moderne mehrschichtige Architekturen Problemorientierte Sprache Maschinenbefehlsebene Assemblersprache Betriebssystem Übersetzung (Compiler) Übersetzung (Assembler) definiert den Befehlsvorrat eines Rechners Instruktionen sind digital codiert Maschinenbefehle Mikroarchitektur Interpretation Teilinterpretation direkte Ausführung Bei ersten Digitalrechnern der 40er zusammen mit digitaler Logik einzig vorhandene Ebene! Hardware Digitale Logik Gernot A. Fink < > 8

34 Moderne mehrschichtige Architekturen Problemorientierte Sprache Mikroarchitekturebene Assemblersprache Betriebssystem Übersetzung (Compiler) Übersetzung (Assembler) realisiert Maschinenbefehle als Folge elementarer Mikroinstruktionen (ggf. durch Mikroprogramm) entfällt bei RISC-Rechnern Teilinterpretation Maschinenbefehle Interpretation Mikroarchitektur Hardware direkte Ausführung 1951 von Maurice Wilkes zur vereinfachung der Hardware erfunden! Digitale Logik Gernot A. Fink < > 8

35 Moderne mehrschichtige Architekturen Problemorientierte Sprache Betriebssystemebene Assemblersprache Betriebssystem Maschinenbefehle Übersetzung (Compiler) Übersetzung (Assembler) Teilinterpretation verwaltet die Betriebsmittel (CPU, Speicher, E/A-Geräte) ermöglicht Mehrprogramm bzw. -benutzerbetrieb Beispiele: UNIX, MacOS, Windows, BS 2000, VMS, MVS Interpretation Mikroarchitektur Hardware Digitale Logik direkte Ausführung In den 60er Jahren zur Verbesserung der Bedienbarkeit von Rechnern erstmals entwickelt! II Gernot A. Fink < > 8

36 Moderne mehrschichtige Architekturen Problemorientierte Sprache Assemblerebene Assemblersprache Betriebssystem Maschinenbefehle Übersetzung (Compiler) Übersetzung (Assembler) Teilinterpretation symbolische Form der Maschinenbefehle Assembler übersetzt in digitale Repräsentation i.d.r. für jede Prozessorlinie verschieden Mikroarchitektur Interpretation direkte Ausführung Hardware Digitale Logik Gernot A. Fink < > 8

37 Moderne mehrschichtige Architekturen Problemorientierte Sprache Hochsprachenebene Assemblersprache Betriebssystem Übersetzung (Compiler) Übersetzung (Assembler) Teilinterpretation problemorientierte Programmiersprachen zur Verwendung durch den Anwendungsprogrammierer Übersetzung in Assemblersprache nach Programmerstellung (Compiler) oder zur Laufzeit (Interpreter) Maschinenbefehle Interpretation Mikroarchitektur Hardware direkte Ausführung Beispiele: C, C++, LISP, FORTRAN, COBOL, ALGOL, APL, PASCAL, Java Algorithmen und Datenstrukturen Digitale Logik Gernot A. Fink < > 8

38 Triebkräfte der Entwicklung Das Moorsche Gesetz (nach Gordon Moore, Mitbegründer von Intel, 1965) Die Anzahl der auf einem Chip integrierten Transistoren verdoppelt sich alle 18 Monate! Gernot A. Fink < > 9

39 Triebkräfte der Entwicklung Das Moorsche Gesetz (nach Gordon Moore, Mitbegründer von Intel, 1965) Die Anzahl der auf einem Chip integrierten Transistoren verdoppelt sich alle 18 Monate! Nathans erstes Softwaregesetz (nach Nathan Myhrvold, Microsoft) Software ist ein Gas. Es dehnt sich aus und füllt den Behälter, in dem es sich befindet. Gernot A. Fink < > 9

40 Triebkräfte der Entwicklung Das Moorsche Gesetz (nach Gordon Moore, Mitbegründer von Intel, 1965) Die Anzahl der auf einem Chip integrierten Transistoren verdoppelt sich alle 18 Monate! Nathans erstes Softwaregesetz (nach Nathan Myhrvold, Microsoft) Software ist ein Gas. Es dehnt sich aus und füllt den Behälter, in dem es sich befindet. Fortschritte in der Telekommunikations- und Netzwerktechnik Video-on-Demand, Multi-Media-Messaging, mobiles Internet Gernot A. Fink < > 9

41 Das Computer-Spektrum Typ Preis Anwendungsbeispiel Wegwerfcomputer 1 Glückwunschkarten Eingebettete Computer 10 Uhren, Autos, Haushaltsgeräte Spielecomputer 100 Heimvideospiele Personalcomputer 1000 Desk- und Laptop-Computer Workstations Arbeitsplatzrechner i.d. Forschung Mehrprozessorsysteme Dateiserver, Abteilungsrechner Großrechner Stapeldatenverarbeitung bei Banken Hochleistungsrechner Wettervorhersage, (militärische) Simulation Gernot A. Fink < > 10

42 Literatur Monographien (demnächst) im Semesterapparat W. Oberschelp, G. Vossen: Rechneraufbau und Rechnerstrukturen, Oldenbourg, 9. Auflage, 2003 (7. Aufl. im Semesterapparat) grundlegend Andrew S. Tannenbaum, James Goodman: Computerarchitektur, Prentice Hall, 2001 ergänzend (Einführung: siehe Kap. 1) Gernot A. Fink < > 11

43 Organisatorisches Übungsgruppen Termine Mo 8-10 Uhr C Jan Mihrmeister Di Uhr C Tolga Dalman Di Uhr C Michael Schnittger Mi Uhr C Sebastian Steinberg Do Uhr C Tolga Dalman Fr Uhr C Christian Plahl Anmeldung bei Angelika Deister (Sekretariat, D6-149) Mo 5.5. Do von 10 bis 15 Uhr (Eintragung in übungsgruppenspezifische Listen) Begin ab Donnerstag, dem Erwerb von Leistungsnachweisen 6 Credit Points bzw. Schein über 4 SWS durch Klausur am Semesterende Gernot A. Fink < > 12

44 Ansprechpartner Tutoren (in den Übungsgruppen, im GZI [Zeiten werden nachgereicht]) Angelika Deister (Sekretariat ) Raum: D6-149, Tel.: 5329, angelika@... Sprechzeiten: Mo Do Dr.-Ing. Gernot A. Fink (Vertreter der Professur im SS 2003, ursprüngl. Angewandte ) Raum: M5-116, Tel.: 2931, gernot@... Sprechzeiten: n.v. Gernot A. Fink < 13