Rechnerarchitektur und Betriebssysteme (CS201): Architektur, ALU, Flip-Flop

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Hannah Gerhardt
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1 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme (CS201): Architektur, ALU, Flip-Flop 17. September 2013 Prof. Dr. Christian Tschudin Departement Mathematik und Informatik, Universität Basel Uebersicht Ausgewählte geschichtliche Rechenmaschinen Von Neumann Architektur Aufbau einer ALU (arithmetic logic unit) Aufbau einer Speicherzelle (Flip-Flop) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 2/30

2 Rechner und Betriebssystemarchitektur Turingmaschinen eine Idee: Aber wie kann in der materiellen Welt gerechnet werden? Tape? Konrad Zuse benützte Relais... Betriebssystem-Software : Wie soll ein OS organisiert sein, was für Dienste soll es bieten? Koppelung der beiden Themen: Wie muss Hardware spezifische OS-Aufgaben unterstützen, bzw welche werden erst durch HW-Support ermöglichen? Beispiel: virtueller Speicher c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 3/30 Geschichte I: Verschiedene Rechenmaschinen Additions-Hilfen Multiplikation Gleichungen lösen ca 1700: Leibnitz führt binäres Zahlensystem ein (Leibniz, 1673) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 4/30

3 Geschichte II: Jacqard Webstuhl, 1801 c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 5/30 Geschichte II: Jacqard 1801 Webstuhl: Gelochte Karten kontrollieren das Muster des zu webenden Stoffes Programmierbare Maschine (z.b. bedingte Sprünge) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 6/30

4 Geschichte III: Babbage 1834 Charles Babbage ( ), Analytical Engine c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 7/30 Geschichte III: Babbage 1834 Lochkarten für Input, Lochkarten für Programm, (mechanischer) Speicher, Zentraleinheit mit Dezimalarithmetik, Lochkarten für Output Zwischenresultate können Programmabarbeitung beeinflussen! c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 8/30

5 Geschichte IV: Von Neumann (1945) Das Programm ist in der Maschine und wird wie Daten behandelt.. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 9/30 Von Neumann Architektur Memory beherbergt Instruktionen und Daten Zentrale Kontrolleinheit holt Instruktionen aus dem Speicher Arithmetischer Prozessor Input/output-Mechanismen für den Datentransfer. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 10/30

6 Von Neumann Architecture (Forts.) Modernes Diagram der von Neumann Architektur: c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 11/30 Andere Computer Architekturen Dataflow Der Kontrollfluss wird nicht durch eine Zentraleinheit bestimmt, sondern durch die Daten, die durch ein Netz von Recheneinheiten fliessen. DNA Daten werden als Proteine repräsentiert, Enzyme bearbeiten sie. Quanten-Computing Zustandswahrscheinlichkeiten parallel bearbeiten. und andere (Analogcomputer etc)... c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 12/30

7 Digitalcomputer Hypothetische Aufgabe an Sie: Bauen Sie einen digitalen Computer von Grund auf. Welt ist analog, darin digitalen Computer realisieren. Was wählen Sie? elektronisch (sind wir gewohnt) mechanisch (siehe Babbage) optisch (immer noch Forschung, erst ansatzweise) elektromechanisch (Z1 - Konrad Zuse 1937) Röhren (z.b. Ermeth, Stiefel/Rutishauser/Speiser@ETHZ 1948) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 13/30 Nachgebaute Z1, Konrad Zuse c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 14/30

8 ERMETH im Kommunikationsmuseum Bern c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 15/30 Rückgriff auf Vorlesung Theorie der Informatik Aussagenlogik: UND, ODER, NICHT etc Abstrakte Funktionen, abstraktes Rechenmodell, Sprachen Wie sollen Berechnungen in Realität implementiert werden? Darstellungsfrage (in Aussagenlogik auch Modell genannt): Wahrheitswerte in reale Sachverhalte abbilden Verknüpfungsoperationen ebenso Ansatz Digitalcomputer: a) Darstellung eines binären Wertes, b) dazu logische Grundoperationen, c) daraus arithmetische Operationen und Programmflusssteuerung realisieren c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 16/30

9 Graphische Darstellung von Logik-Gatter (Mind.) Drei verschiedene Darstellungen, US- und Europa, IEEE c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 17/30 Graphische Darstellung von Logik-Gatter c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 18/30

10 Logische Schaltungen: Spannungspegel Wahrheitswerte durch unterschiedliche Signalpegel darstellen c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 19/30 Logische Schaltungen mit elektromech. Relais "NOT" Batterie a Relais Lampe "AND" "OR" a a b b c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 20/30

11 Logische Schaltungen mit Transistoren Verschiedene Generationen RTL = resistor-transistor logic TTL = transistor-transistor logic MOS = metal-oxide semiconductor logic CMOS = complementary metal-oxide semiconductor logic c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 21/30 RTL Implementierung: Inverter c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 22/30

12 RTL Implementierung: NOR (NOT-OR) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 23/30 RTL Implementierung: NAND (NOT-AND) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 24/30

13 Warum NAND und NOR? Mit Transistoren einfach zu realisieren Als Grundbausteine, um die anderen Gatter zu implementieren: NOT, AND, OR etc. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 25/30 Konfektionierung von Gattern: DIL (dual in-line) Noch heute so erhältlich (siehe Baukasten in den Uebungen). Heutzutage: custom-made (ASIC), programmable logic arrays (PLA/PAL) und field-programmable gate arrays (FPGA). c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 26/30

14 Aus (NAND-) Gatter eine ALU bauen Ziel: Arithmetic Logic Unit aufbauen. Ansatz: Wahrheitstafeln! Mehrere Schritte: 1-Bit-Addierer 1-Bit ALU (arithmetic logic unit) N-Bit ALU Später noch zu besprechen: Problem des Vorzeichens (Integer-Darstellung), Floating Point c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 27/30 Ein-Bit-Addierer a b carry one bit adder carry sum Zusätzlicher Uebertrag -Eingang (carry) für n-bit-zahlen: Beginnend mit der niederwertigsten Position wird der Uebertrag an die jeweils höherwertige Pos weitergegeben. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 28/30

15 Eine 1-Bit-ALU Arithmetic Logical Unit für mehrere Rechenarten: Addition, Subtraktion, logisches Und, logisches Oder, Vergleich etc. Parallele Berechnung aller (!) Operationen, Selektion mit einem Multiplexer a select b Selektion durch die Kontrolleinheit (Control Unit) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 29/30 1-bit ALU, verallgemeinert Diese ALU beinhaltet: AND, OR, ADD (with carry), NOT (bininvert) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 30/30

16 32-Bits ALU Kombination von 1-Bit ALUs zu einer vollen 32-bits ALU c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 31/30 Zeit und Speicher (Wie Daten in Hardware speichern?) Elektronik: keine mechanischen Teile vorhanden (Position) Elektronen fliessen die ganze Zeit Erzeuge Elektronen-Schleifen: Ausnützen der Schaltzeit von Gattern und die Uebertragunsverzögerung c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 32/30

17 Zustand aufbewahren: RS Flip-Flop (RS=reset/set) Ausgangssignal wird zum Eingang zurückgespiesen, um Zustand zu halten : Wenn S=R=0 gilt, hängt der Output vom letzten Input ab (Speicher!) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 33/30 Zeitdiagram RS Flip-Flop (und Schaltgrund) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 34/30

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