1. Basiskomponenten eines Rechners Komponenten eines Rechners
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- Jasmin Schulz
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1 Komponenten eines Rechners Leitwerk / Steuerwerk Mikroprogrammierung Befehlssatz-Architekturen (ISA Instruction Set Architectures) Speicher-/Registeradressierung Rechenwerk / ALU Ganzzahl-/Fließkomma-Rechenwerke Speicherwerk Speicherhierarchie Interne und externe Speicherorganisation 1 Ein-/Ausgabewerk Kommunikation über Netzwerke, Busse
2 1.1 URA von Neumann scher Universalrechner (1) Konzept basiert auf 7 Prinzipien 1. Der Rechner besteht aus 4 Werken Leitwerk interpretiert Programme Leitwerk 2 Haupt- bzw. Arbeitsspeicher für Programme und Daten Rechenwerk führt arithmetische und logische Operationen aus Ein-/Ausgabewerk kommuniziert mit der Umwelt ferner: als Sekundärspeicher fungierender Langzeitspeicher Speicherwerk Rechenwerk E/A-Werk
3 1.1 URA von Neumann scher Universalrechner (2) 2. Struktur des Rechners unabhängig vom Problem: programmgesteuert SW-programmgesteuert HW-Programmierung Befehle Befehlsinterpreter Daten Folge arithmetischer und logischer Funktionen Ergebnisse Daten All-Zweck arithmetische und logische Funktionen Kontrollsignale Ergebnisse 3
4 1.1 URA von Neumann scher Universalrechner (3) 3. Programme und Daten stehen im selben Speicher, sind prinzipiell durch Rechner modifizierbar 4. Hauptspeicher ist in Zellen gleicher Größe eingeteilt, die durch fortlaufende Nummer (Adresse) benannt werden; über Adresse werden Daten und Programmbefehle angesprochen 5. Programm besteht aus einer Folge von Befehlen, die im Allgemeinen nacheinander ausgeführt werden (Prinzip der Sequentialität als Fortschaltungsregel) 4
5 1.1 URA von Neumann scher Universalrechner (4) 6. Abweichungen von der sequenziellen Ausführung der Befehle durch bedingte und unbedingte Sprungbefehle bewirkt Sprung an bestimmte Zelle im Hauptspeicher bedingte Sprünge sind von der Auswertung gespeicherter Werte abhängig 7. Der URA besitzt Binärcodes, Zahlen werden dual dargestellt 5
6 1.1 URA von Neumann scher Universalrechner (5) Speicherwerk S ASP S: Speicherregister W: Speicherwahl(adress)register ASP: Arbeitsspeicher W Prozessor Leitwerk Rechenwerk F +1 BZ B FE OS M v A Q M: Multiplikationsregister Q: Quotientenregister A: Akkumulator v: logische Verknüpfung 6 FB: Befehlsregister BZ: Befehlszähler FE: Funktionsentschlüsselung OS: Operationssteuerung E/A-Werk E/A: Ein-/Ausgaberegister E/A Kontrollsignale Datensignale
7 1.1.1 Der Befehlszyklus (1) Maschinenbefehlszyklus beschreibt gemeinsame Arbeitsweise von Leit- und Rechenwerk, umfasst folgende Stufen der Verarbeitung eines Maschinenbefehlszyklus: Befehlsholphase (BH) auf Basis des Befehlszählers wird der nächste zu bearbeitende Befehl aus dem Speicher ins Instruktionsregister eingelesen Dekodierungsphase (DE) dekodiert Operationskode generiert Steuersignale Operandenholphase (OP) stellt der ALU die im Maschinenbefehl im Adressteil spezifizierten Operanden zur Verfügung läuft evtl. parallel zur Dekodierungsphase Ausführungsphase (AU) verknüpft in den Registern des Rechenwerkes die zuvor geholten Operanden 7
8 1.1.1 Der Befehlszyklus (2) Rückschreibphase (RS) die während der Ausführungsphase produzierten Ergebnisse werden in die vorgesehenen Speicherstellen (Speicher, Register) zurückgeschrieben Adressierungsphase (AD) evtl. parallel mit einer der vorhergehenden Phasen Adresse des nächsten Befehls wird bestimmt und in den Befehlszähler Zyklus beginnt von neuem mit Befehlsholphase Verfahren wurde in gleicher Form, im Übrigen unabhängig von v. Neumann, auch von Zuse entwickelt 8
9 1.1.1 Der Befehlszyklus (3) Befehlszyklus als Zustandsdiagramm Befehl holen mehrfache Operanden Operanden holen mehrfache Ergebnisse Ergebnis speichern Adresse Befehl berechnen Befehl dekodieren Adresse Operand berechnen Befehl ausführen Adresse Ergebnis berechnen Befehl fertig Bearbeiten von Vektoren 9
10 1.1.2 Abweichungen vom URA-Prinzip (1) Alternativen zum URA und dem Prinzip der von Neumannschen Befehlsbearbeitung Neuronale Rechner w ij x 11 x 21 out in xi, j th xi 1, j wi, j i, j ( ) Datenflussrechner x y z w / * x / y z z w
11 1.1.2 Abweichungen vom URA-Prinzip (2) Systolische Rechner Kombination aus Datenflussund SIMD-Prinzip synchrones getaktetes System alle Prozessorknoten führen gleiche Operation aus Ein-/Ausgabe über am Rand angeordnete Prozessorknoten Anwendung in der digitalen Signalverarbeitung 0 y a b x... x a 31 a 21 a 11 a 31 a 21 a 11 a b b 11 b 11 b 11 b 12 y x... a 32 a 22 a 12 a 32 a 22 a 12. a b. b 21 b 21 b 21 y x... a 33 a 23 a 13 a 33 a 23 a 13.. a b.. b 31 b 31 y b 12 b 12 b 22 b 22 b 31 b b b 22 b b 32 b 32...
12 1.1.2 Abweichungen vom URA-Prinzip (3) es gilt: Prinzip der von Neumannschen Befehlsbearbeitung kommt im Prinzip in nahezu allen kommerziellen Prozessoren zur Anwendung folgende Modifikationen sind jedoch häufig gegeben: aus Gründen der Leistungssteigerung und der Zuverlässigkeit Vervielfachung einer oder mehrerer Teilwerke mehrere E/A-Werke, um Ein-/Ausgabe zu beschleunigen bzw. den Datendurchsatz zu erhöhen mehrere Leit- und Rechenwerke, um mehrere Befehle gleichzeitig zu bearbeiten 12
13 1.1.2 Abweichungen vom URA-Prinzip (4) 13 anstelle der zweistufigen Speicherhierarchie (Haupt- und Hintergrundspeicher) mehrstufige Hierarchie besseres Preis-/Leistungsverhältnis führt zu mehrstufigen Hintergrundspeichern (Kosten/Bit bei Magnetplatte geringer als bei Halbleiterspeicher) durch technologische Entwicklung bedingt Prozessoren wurden immer schneller, Zugriff auf Speicher erweist sich zunehmend als Flaschenhals ( von Neumannscher Flaschenhals ) Lösung: kleine schnelle Halbleiterspeicher ( Cache) getrennte Speicher und Busse für Daten und Befehle Prinzip der Selbstmodifikation aus Sicherheitsgründen aufgegeben Ist jedoch für rekonfigurierbare Hardware (dynamische Rekonfigurierbarkeit) wieder aktuell geworden auf
14 1.2. Prozessorarchitekturen (1) Prozessor besteht aus Leitwerk und Rechenwerk inkl. Teilen des Speicherwerks Implementierung und Realisierung eines Prozessors hängt ab von Technologie Architektur Bsp.: Princeton- und Minima-URA Architekturkonzept URA Princeton-Implementierung mit Parallelrechenwerk Realisierung mit Röhrenspeicher Minima-Implementierung mit Serienrechenwerk Realisierung mit Trommelspeicher 14
15 1.2 Prozessorarchitekturen (2) 1971: INTEL 4004 aufgebaut aus TTL-Schaltkreisen 4-Bit ALU(Arithmetisch-Logische Einheit), BCD-Arithmetik, 45 Assemblerbefehle, 4-Bit Kommunikationsbus Entwicklungszeit: 1 Mann-Jahr : INTEL Bit ALU 1976: TMS9900 (Texas Instruments) und Z80 (Zilog), INTEL 8085 (16-Bit-Prozessor)
16 1.2. Prozessorarchitekturen (3) 1978: INTEL Bit ALU 1983: INTEL zwei Modi: Real Mode und Protected Mode 16
17 1.2 Prozessorarchitekturen (4) 1984: 32-Bit Prozessoren INTEL 80386, Motorola 68020, NS : INTEL Pentium, DEC ALPHA, IBM PowerPC, AMD K6, Athlon seit 2001: 64-Bit Prozessoren Itanium, Sledgehammer seit 2006: Multikern-Prozessoren Aktuell: z.b. AMD Opteron 6-Kern Istanbul 17
18 1.2 Prozessorarchitekturen (5) Beispiele von Mikroprozessoren Prozessorkern Prozessorkern Pentium III Cache Peripheriesteuerung Rechenwerk Cache Cachesteuerung Befehlsablaufsteuerung 18
19 1.2. Prozessorarchitekturen (6) Beispiele Mikroprozessoren Pentium III 28M transistors / 733MHz-1Gz / 13-26W L=0.25µm shrunk to L=0.18µm PowerPC 7400 (G4) 6.5M transistors / 450MHz / 8-10W L=0.15µm 19
20 1.2 Prozessorarchitekturen (7) 20 Pentium IV 0.18-micron process technology (2, 1.9, 1.8, 1.7, 1.6, 1.5, and 1.4 GHz) Introduction date: August 27, 2001 (2, 1.9 GHz);...; November 20, 2000 (1.5, 1.4 GHz) Level Two cache: 256 KB Advanced Transfer Cache (Integrated) System Bus Speed: 400 MHz SSE2 SIMD Extensions Transistors: 42 Million Typical Use: Desktops and entrylevel workstations 0.13-micron process technology (2.53, 2.2, 2 GHz) Introduction date: January 7, 2002 Level Two cache: 512 KB Advanced Transistors: 55 Million
21 1.2 Prozessorarchitekturen (8) Intel s McKinley Introduction date: Mid 2002 Caches: 32KB L1, 256 KB L2, 3MB L3 (onchip) Clock: 1GHz Transistors: 221 Million Area: 464mm 2 Typical Use: High-end servers Future versions: 5GHz, 0.13-micron technology!?? 21
22 1. Basiskomponenten eines Rechners 1.2. Prozessorarchitekturen (9) AMD Quad-Core Codename: Barcelona 4 Kerne Einführung 2007 Transistoren: 500 Millionen Fläche: 283 mm 2 22
23 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (1) Mikroprogramm erstmalig erwähnt von M.V. Wilkes (frühe 1950er Jahre) Innerer von Neumann-Rechner Durchbruch Mitte 1964 (IBM System/360er Reihe) Warum Mikroprogramme? Semantische Lücke Speicher war früher kostbares Gut Flexibilität Mikroinstruktionen (Mikrobefehle) Folge von Mikroinstruktionen -> Mikroprogramm 23
24 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (2) Mikroprogramm vs. Computer-Programm Begriffsverwirrung vorbeugen Programmierung eines Computers mittels Software durch Makrobefehle Hochsprachenbefehle, Assemblerbefehle Mikroprogrammierung eines Computers mittels Firmware Gesamtheit aller Mikrobefehle / Mikroprogramme einer Maschine Bestimmte Folge von Mikrobefehlen bestimmt ein Mikroprogramm 24
25 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (3) Zusammenhang Makrobefehl Mikroprogramm / Mikrobefehl Makrobefehl bildet Einstieg / Einsprung in ein Mikroprogramm Mikroprogramm Makrobefehl Mikrobefehl 1 Mikrobefehl 2 Mikrobefehl 3 25 Mikrobefehl n
26 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (4) Frage: Wie wird nun ein Makroprogramm zu einer semantisch äquivalenten Folge von Mikroprogrammen? 26
27 Steuerwerk 1. Basiskomponenten eines Rechners Grundzüge Mikroprogrammierung (5) Dafür braucht man ein Rechenwerk Lade B Lade A 1 2 B A A + B A - B B - A A Addierer 27 Lade C Wähle Addierer Wähle Eingabe Wähle Speicher Lade D Lade E Wähle C Wähle D Wähle Speicher Wähle Ausgabe C D E Eingabe vom Speicher Speicher Ausgabe
28 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (6) Folgenden Befehl ausführen A B A Welche Mikrobefehle sind notwendig bzw. welche Steuersignale sind zu aktivieren? 28
29 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (7) Was ist mit Sprungbefehlen? s. S. 27; Befehl 19 Notwendig: Steuer- und Rechenwerk zu erweitern 29
30 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (8) Erweiterung detailliert C < 0 Vorzeichenbit C = 1 if (C < 0) then F = F else F = F + 1 ; Vorzeichen von C Springe falls C < 0 Adresse des Mikrobefehls Addierer F 30
31 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (9) Mikrobefehlssequenz mit Sprungbefehl 31
32 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (10) Kodierung der Steuersignale 32
33 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (11) Kodierung der Steuersignale 33
34 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (12) Architektur eines mikroprogrammierten Leitwerks (Control Address Register) Leitwerkadressregister: enthält Adresse der nächsten Instruktion (Control Buffer Register) nimmt Inhalt aus Mikroprogrammspeicher auf Sequenzlogik Erzeugt Lesesignale Entscheidet, wo nächste Adresse hergeholt wird 34
35 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (13) Horizontale Mikroprogrammierung Horizontales Mikroprogrammwort erweitert um Sprungadresse 35 Systembus: Bündel von Leitungen, dass alle Komponenten miteinander verbindet Interne CPU Signale: Leitungen, die direkt an die ALU gehen und Operationen auslösen Überall wo 1 steht, wird Kontrollleitung aktiviert Überall wo 0 steht, wird Kontrollleitung nicht aktiviert Indirect Bit: indirekte Adressierung wird verwendet (s. später)
36 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (14) Vertikale Mikroprogrammierung vertikales Mikroprogrammwort mit Sprungadresse Anstatt direkte Kontrollsignale wird ein kodierter Funktionskode verwendet, aus denen Mikroinstruktion über Dekoder erzeigt wird 36 Vorteil: Kompaktere Darstellung auf Kosten zusätzlicher Dekodierlogik
37 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (15) Darstellung der Funktion eines mikroprogrammierten Leitwerkes 37
38 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (16) Berücksichtigung Unterbrechungen von außen und indirekte Adressierung Modifizierter Instruktionszyklus Grobe Aufteilung in Zustände Holen, Ausführen, Indirekte Adressierung, Unterbrechung 38
39 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (17) Modifizierter Instruktionszyklus (detailliert) Berücksichtigt indirekte Adressierung und eventuell auftretende Unterbrechungen Unterbrechungen: z.b. angeschlossene Peripherie (Drucker) meldet Fertigstellung eines Auftrages oder hat Bedienwunsch 39
40 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (18) Organisation Leitwerksspeicher Feste Folge von Mikroinstruktionen, die vorher gezeigten Ablauf zeitlich nacheinander umsetzen 40
41 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (19) Klassisches Schema Mikroprogrammwerk nach Wilkes Wegen Platzbedarf: Folgeadresse stets mitgespeichert Adressdekoder Makrobefehls- Register mit Mikroprogramm- Einsprungs-Adresse Mikrobefehls- Adressregister Folgeadresse Takt. 41 Kontrollsignale zum Rechenwerk Signal für bedingte Verzweigung
42 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (20) Zusammenfassung: Vorteile Mikroprogrammierung Mikroprogrammspeicher veränderbar Führt zu hoher Flexibilität Befehls-Kompatibilität Neue Prozessorversion versteht Befehle der alten Version 42 Andere Befehle emulieren Prozessor versteht Befehlssatz eines anderen Prozessors Mikroprogrammspeicher nicht als Festwertspeicher, sondern ladbar (Prinzip bei Update von BIOS verwendet) Gar nicht Mikroprogrammspeicher verwenden, sondern Befehlsübersetzung mit Software (Prinzip Befehlsübersetzung) Basis für Virtuelle Maschinen
43 1.2.1 Grundzüge Mikroprogrammierung (21) Weiterer Vorteil: Mikroprogrammierung ermöglicht übersichtlicheren Entwurf mit Mikroprogammwerk ohne Mikroprogammwerk 43
das Grundprinzip findet sich auch heute noch, trotz aller gewaltigen technologischen Veränderungen, in modernen Mikroprozessoren D.
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