Grundbegriffe. Verarbeiten von Daten. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 19

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1 Grundbegriffe Verarbeiten von Daten Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 19

2 Maschinensprache Was macht dieses Programm? Berechne 0^2 + 1^2 + 2^2 + 3^ ^2 Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 20

3 Dasselbe Programm in Assembler Assembler Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 21

4 Instruction Set Architecture (ISA) Schnittstelle zwischen Hardware und Software ISA bestimmt Art der Speicherzugriffe Verfügbare arithmetische und logische Operationen Typ und Größe der Operanden der Berechnungen Arten von Programmsprüngen Die Art wie ISA Instruktionen in Maschinensprache codiert werden Wesentliche Klassifikaiton CISC (Complex Instruction Set Computer) RISC (Reduced Instruction Set Computer) Moderne Prozessoren sind RISC (selbst x86 intern) Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 22

5 Grundbegriffe Integrierte Schaltungen Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 23

6 Beispiel eines Mikroprozessors AMD Barcelona Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 24

7 Technologien zum Bau von Prozessor und Speicher Bildquellen: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012; de.wikipedia.org/wiki/relais; de.wikipedia.org/wiki/elektronenröhre; de.wikipedia.org/wiki/transistor; de.wikipedia.org/wiki/integrierte_schaltung; upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/94/vlsi_chip.jp Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 25

8 Der Chip Herstellungsprozess Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 26

9 Beispiel: 300mm AMD Opteron Wafer Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 27

10 Der Chip Herstellungsprozess Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 28

11 Performance Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 29

12 Definition von Performance Response Time (oder Execution Time) Gesamtzeit zur Abarbeitung einer Aufgabe Throughput (oder Bandwidth) Anzahl Aufgaben pro Zeiteinheit Performance p eines Computers mit Execution Time x: Performance Ratio n zwischen zwei Computern mit Performance p 1 und p 2 bzw. Execution Times x 1 und x 2 : Beispiel: Computer A braucht 10 Sekunden und Computer B braucht 15 Sekunden. Die Performance Ratio n AB zwischen A und B ist: Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 30

13 Messen von Zeit und Frequenz CPU Execution Time (oder CPU Time) Zeit die die CPU für die Aufgabe beansprucht wird System Performance Performance auf der Basis von Execution Time CPU Performance Performance auf der Basis von CPU Time Bezeichnung Millisekunde (ms) Mikrosekunde (µs) Nanosekunde (ns) Pikosekunden Anzeil einer Sekunde 10 3 Sekunden 10 6 Sekunden 10 9 Sekunden Sekunden Bezeichnung 1/Sekunde Hz 1 KHz 10^3 MHz 10^6 GHz 10^9 Zeit Frequenz Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 31

14 Maschinentakt zur Zeitmessung Clock Cycle Clock Rate [Hz] bei Clock Periode [s]: Zeit Beispiel Clock Rate bei bei 250 ps Clock Periode? Zusammenhang zwischen CPU Time, Clock Cycles für ein Programm und Clock Periode bzw. Clock Rate: Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 32

15 Instruktionsperformance Instruktion 1 Instruktion 2 Inst 3 Instruktion 4 Zeit Clock Cycles per Instruction (CPI) Mittlere Anzahl Cycles pro Instruktion für ein gegebenes Programm oder Programmfragment. Instruction Count Anzahl benötigter Instruktionen für ein gegebenes Programm oder Programmfragment. Zusammenhang zwischen CPU Time, CPI, Instruction Count und Clock Periode bzw. Clock Rate: Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 33

16 Zeitmessung zusammengefasst Grundlegende Messgrößen Hardware oder Software Komponente Beeinflusst bzw. kann beeinflussen Algorithmus Instruction Count, CPI Programmiersprache Instruction Count, CPI Compiler Instruction Count, CPI Instruction Set Architektur Instruction Count, Clock Rate, CPI Einflussfaktoren Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 34

17 Performance Messung mittels MIPS? MIPS Millionen Instruktionen pro Sekunde Also für ein Programm mit gegebener Execution Time und Instruction Count: MIPS ist abhängig vom CPI Wert: Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 35

18 SPEC CPU Benchmark Beispiel: SPEC CINT 2006 Benchmarks für einen AMD Opteron X4 Model 2356 (Barcelona) Was ist das Geometrische Mittel g von x 1,, x n? Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 36

19 SPEC Power Benchmark Beispiel: SPECpower_ssj2008 mit 2.3GHz AMD Opteron X (Barcelona) und 16GB DDR2 667 und 500GB Disk Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 37

20 Zum Abschluss: Amdahls Gesetz ohne Verbesserung mit Verbesserung Verbesserungsfaktor g von F nach F? T exe F F' Ist g gleich dem Speedup für das gesamte Programm? Sei 0 f 1 der Anteil von F an T exe, also f = F/T exe. Was ist der Speedup S? Bildquelle: Vorlesung Grundlagen der Rechnernetze, Prof. Platzner, (Version ) Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 38

21 Beispiel: Parallel ausführbare Programmkomponente Bildquelle: s_law Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 39

22 Meilensteine der Rechnerarchitektur Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 40

23 Generation 0: Mechanische Computer ( ) Jahr Name Gebaut von Kommentar 1642 Blaise Pascal Addition und Subtraktion mit Mechanischen Elementen Gottfried Wilhelm von Leibniz 1834 Analytical Engine Charles Babbage, University of Cambridge Zusätzlich Multiplikation und Division mit mechanischen Elementen. Erster Versuch (mechanische Bauteile waren zu der Zeit noch nicht präzise genug) eines mechanischen Computers mit Speicher, Recheneinheit und Punch Card I/O. Erster Computer Programmierer Ada Augusta Lovelace Z1 Konrad Zuse Erster funktionierender automatischer Rechner auf Basis von Relais. Z1 wurde 1944 durch Alliierten Bombardierung auf Berlin zerstört John Atanasoff, Iowa State College 1940 George Stibbitz, Bell Labs 1944 Mark I Howard Aiken, Harvard 1947 Mark II Howard Aiken, Harvard Erster Versuch (Idee konnte nach Stand der Technik nicht vollständig umgesetzt werden) eines automatischen Rechners auf Basis von binären Zahlen und Speicher auf Basis von Kondensatoren (DRAM funktioniert noch heute nach dem gleichen Prinzip). Weiterer funktionierender automatischer Rechner auf Basis von Relais. Erster funktionierender auf Relais basierender mechanischer Computer nach der Idee von Babbage. (72 Worte a 23 Dezimalstellen, Instruktionszeit 6 sek.) Nachfolger von Mark I, der aber durch Beginn des elektronischen Zeitalters obsolet wurde. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 41

24 Generation 1: Elektronenröhre ( ) Jahr Name Gebaut von Kommentar 1943 COLOSSUS Britische Regierung 1946 ENIAC John Mauchley und J. Presper Eckert, University of Pennsylvania Der weltweit erste elektronische Computer. Geheimprojekt der Britischen Regierung, um während des zweiten Weltkrieges Codes der Verschlüsselungsmaschine ENIGMA zu knacken. Alan Turing war mit an der Konstruktion des Computers beteiligt. Seit 1943 vom amerikanischen Militär gefördertes Projekt für den Bau eines elektronischen Computer zur Berechnung von Reichweitentabellen von schwerer Artillerie. ( Röhren, Relais, 30 Tonnen, 140 kw Verbrauch) Programmierung über Schalter und Jumper Kabel. Vorstellung des ENIAC war Inspiration für viele nachfolgende Computer Projekte. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 42

25 Generation 1: Elektronenröhre ( ) Jahr Name Gebaut von Kommentar 1949 EDSAC Maurice Wilkes, University of Cambridge 1951 EDVAC John Mauchley und J. Presper Eckert, Eckert Mauchley Corporation Zum ersten mal Programm gespeichert. Nachfolgeprojekt des ENIAC 1951 Whirlwind I MIT Erstmals Verwendung von kurzen Wortlängen a 16 Bit UNIVAC John Mauchley und J. Presper Eckert, Eckert Mauchley Corporation Der erste in den USA hergestellte kommerzielle Computer ILLIAC University of Illinois Weitere Beispiele von Röhrenrechnern 1952 MANIAC Weitzmann Institue Israel seinerzeit. Viele andere wurden auch gebaut 1953 JOHNIAC Rand Coropration Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 43

26 Generation 1: Elektronenröhre ( ) Jahr Name Gebaut von Kommentar 1952 IAS John von Neumann und Herman Goldstine Princeton s Institute of Advanced Studies Als ehemaliger Beteiligter des ENIAC Projektes baut John von Neumann am Princeton s Institute of Advanced Studies seine Eigene Version des ENIAC. Der Computer verwendet binäre Arithmetik und speichert das Programm zusammen mit den Daten in einem Speicher. Dieses Konzept, bezeichnet als von Neumann Maschine, wurde von John von Neumann erstmals beschrieben. Es fand auch schon im EDSAC Verwendung. Es ist Basis heutiger Computer. Speicher Die original von Neumann Maschine Control Unit Arithmetic Logic Unit Accumulator Input Output Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 44

27 Generation 1: Elektronenröhre ( ) Jahr Name Gebaut von Kommentar IBM IBM im Computer Sektor bisher mit Herstellung von Lochkarten und Mechanischem Kartensortiermaschinen tätig. Erster Computer in einer Serie von wissenschaftlichen IBM Rechnern, welche die Industrie innerhalb eines Jahrzehnts dominierten IBM Nachfolge des 701 mit mehr Speicher ( Bit Wörter anstatt 2048) und erstmals mit Fließkomma Hardware IBM Verbesserter 704 und auch letzter von IBM produzierte Reihe von Röhren Computern. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 45

28 Generation 2: Transistoren ( ) Jahr Name Gebaut von Kommentar 1955 TX 0 MIT Lincoln Laboratory 1958 TX 2 MIT Lincoln Laboratory Erster Transistor basierter Computer (16 Bit Maschine). Nachfolger des Whirlwind I. Nachfolger des TX 0 (64K 36 bit Speicher). Rechner auf dem Ivan Sutherland sein revolutionäres Programm SketchPad realisierte IBM Transistor Version des IBM 709. Anwendung wissenschaftliches Rechnen. Preis mehrere Millionen IBM Kleine geschäftsorientierte Computer. Deutlich günstiger als der PDP 1 DEC Ehemaliger TX 0/TX 2 Mitarbeiter Kenneth Olsen gründetet DEC, die mit dem PDP 1 den ersten kommerziellen Minicomputer ähnlich dem TX 0 mit einem innovativen 512x512 Display herstellte. (50 Stück verkauft; Bit Worte; Instruktionen/Sek, d.h. halb so schnell wie der seinerzeit schnellste Computer IBM 7090; Kosten $ ; Kosten eines IBM 7090 betrug Millionen). Studenten des MIT implementierten mit Spacewar das erste Video Spiel auf einem PDP 1. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 46

29 Generation 2: Transistoren ( ) Jahr Name Gebaut von Kommentar IBM Nachfolger des IBM Cycle Time von 2 Mikrosekunden Wörter mit 36 Bit Länge B5000 Burroughs Erste Maschine, mit der auch die Unterstützung von High Level Sprachen (Algol 60, Vorgänger von C und Java) berücksichtigt wurde CDC Erster wissenschaftlicher Supercomputer. Fast 10 mal Schneller als der IBM Designer des 6600 war Seymour Cray. Geschwindigkeit wurde durch hoch parallel arbeitende CPU und parallele Abarbeitung von I/O etc. erreicht. Viele Ideen des 6600 finden sich in modernen Computern wieder PDP 8 DEC 12 Bit Maschine. Nachfolger des PDP 1 aber wesentlich billiger (Kosten $16.000). Erster Massenmarkt Computer. Innovation: Single Bus. CPU Speicher Console Terminal Paper Tape I/O Other I/O Der PDP 8 Omnibus Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 47

30 Generation 3: Integrierte Schaltungen ( ) Jahr Name Gebaut von Kommentar IBM Erste Computer Produktlinie (z.b. Model 30, 40, 50, 65) von IBM die beides wissenschaftliches (bisher 7094) und kommerzielles (bisher 1401) Rechnen vereinte. Produktlinie basiert auf ICs. Innovationen: eine Assembler Sprache für alle Geräte der Produktlinie, Multiprogramming, Emulation von 1401 und PDP 11 DEC DECs IC basierter 16 Bit Nachfolger des PDP 8. Dominierender Minicomputer in den 1970ern. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 48

31 Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970) Jahr Name Gebaut von Kommentar 1971 Intel 4004 Intel Erster in Serie produzierter Ein Chip Mikroprozessor. (4 Bit Mikroprozessor) 1971 TMS 1000 Gary Boone und Michael Cochran, Texas Instruments Erster Mikrocontroller (bestehend aus ROM, RAM, Prozessor, Clock). Einsatzgebiet: Eingebettete Systeme Intel Erste Personal Computer werden als Bastel Kits bestehend aus loser Platine, Kabeln, Netzteil, ggf. Floppy und ICs verkauft. Ein Standard IC ist der Intel Software gab es keine. Später wurde das CP/M Betriebssystem von Gary Kindall auf 8080ern populär. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 49

32 Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970) Jahr Name Gebaut von Kommentar 1974 CRAY 1 Cray Erster Vektor Supercomputer. Die Architektur wurde vom Team um Seymour Cray entwickelt. Die erste Cray 1 wurde 1976 am Los Alamos National Laboratory in Betrieb genommen und kostete 8,8 Millionen US Dollar Apple I Steve Jobs und Steve Wozniak, Apple 1977 Apple II Steve Jobs und Steve Wozniak, Apple Einer der ersten Personal Computer. Wurde als fertig bestückte Platine verkauft. Einer der ersten höchst erfolgreichen massengefertigte Mikrocomputer VAX DEC Erster 32 Bit Super Minicomputer Intel Als Antwort auf den Texas Instruments TMS 1000 Mikrocontroller entwickelt Intel ebenfalls ein Computer System auf einem Chip. Einsatzgebiet beispielsweise in Milliarden von Keyboards. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 50

33 Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970) Jahr Name Gebaut von Kommentar 1981 IBM PC IBM, Philip Estridge Erster IBM Personal Computer, gefertigt aus kommerziellen Komponenten. Intel 8088 als CPU. Der Computer wurde ein Best Seller. Beginn der modernen Personal Computer Ära. Ausgestattet mit MS DOS von Microsoft Osborne 1 Osborne Erster tragbarer Personal Computer mit etwa 11 kg Gewicht C64 Commodore Personal Computer auf Basis des 6510er 8 Bit Mikroprozessors. Mit 12.5 bis 17 Millionen verkauften Einheiten einer der erfolgreichsten Personal Computer Modelle aller Zeiten Lisa Apple Erster Personal Computer mit Maus und Betriebssystem mit grafischer Benutzeroberfläche (GUI). Verkaufte sich wegen des hohen Preises von rund US Dollar schlecht. Produktion wurde 1984 wieder eingestellt Macintosh Apple Deutlich preisgünstiger, aber dem Apple Lisa technisch ähnlich. Der Mac wurde zum großen Erfolg. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 51

34 Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970) Jahr Name Gebaut von Kommentar Intel Mit dem 8088 Erfolg produzierte Intel größere und bessere Versionen. Der 32 Bit Prozessor 386 ist der Vorgänger des Pentium MIPS MIPS Erste Kommerzielle RISC Maschine 1985 Atari ST Atari Personal Computer auf Basis des Motorola 68000er. Einer der ersten Computer mit einer Color GUI. (Version des Digital Research's GEM) 1987 SPARC Sun Erste SPARC Prozessor basierte Workstation von Sun 1987 Amiga500 Amiga Personal Computer auf Basis des Motorola 68000er. Einer der besten Multimedia Home Computer seiner Zeit RS6000 IBM Erste superskalare Maschine Alpha DEC Erster 64 Bit Personal Computer. Grundlagen der Rechnerarchitektur Einführung 52