Vorlesung. Technologische Grundlagen der Informationsverarbeitung. Rechnerarchitektur. Dipl.-Ing. Gert Martin

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Hermann Schneider
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1 Vorlesung Technologische Grundlagen der Informationsverarbeitung Rechnerarchitektur Dipl.-Ing. Gert Martin

Geschichte der Computer Erste Versuche Charles Babbage (1792

Tabellen) Analytical Engine (unvollendet) Programmiert von Ada

2 Geschichte der Computer Erste Versuche Charles Babbage ( ) difference Engine 1832 (zum Berechnen numerischer Tabellen) Analytical Engine (unvollendet) Programmiert von Ada Lovelace (Tochter von Lord Byron) Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 2

3 Ada Lovelace Die Difference Engine wurde programmiert von Ada Lovelace (Tochter von Lord Byron) Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 3

4 Difference Engine Nachbau im British Museum Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 4

5 Analytical Engine Ein Teil der Analytical Engine (1910) Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 5

6 Aus Wikipedia Analytical Engine Diese sollte von einer Dampfmaschine angetrieben werden und wäre über 30 Meter lang und 10 Meter breit gewesen. Die Eingabe (Befehle und Daten) sollte über Lochkarten erfolgen, eine Methode, die in der damaligen Zeit der Steuerung mechanischer Webstühle diente. Für die Ausgabe waren ein Drucker, ein Kurvenplotter und eine Glocke geplant. Die Maschine sollte außerdem Zahlen in Lochkarten oder wahlweise Metallplatten stanzen können. Sie benutzte dezimale Fließkommaarithmetik und es war Speicher für 1000 Wörter zu 50 Dezimalstellen vorgesehen. Die Recheneinheit ("Mühle genannt) sollte in der Lage sein, die vier Grundrechenarten durchzuführen. Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 6

7 Rechnergenerationen 1. Generation (1945-Zuse, von Neumann, Aiken Relais Röhren, Steckboards 2. Generation ( ) Transistoren Entwicklung der Mainframes 3. Generation ( ) ICs und Multiprogramming 4. Generation ( ) 4. ) LSI und VLSI (Verly Large Scale Integration) PCs benutzerfreundliche Betriebssysteme Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 7

1. Generation von Computern ( 1945-1955) Konrad Zuse

8 1. Generation von Computern ( ) Konrad Zuse ( ) Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 8

9 Zuse Z1 (1937 mit Helmut Schreyer) Die Z1 gilt als Vorläufer des modernen Computers. Sie besaß bereits eine Kontrolleinheit, Speicher, Mikrobefehle und Fließkommaberechnung. Als Lochkarte diente altes Filmmaterial, in das Löcher gestanzt wurden. Nachbau in Berlin Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 9

10 Zuse Z3 (1941 mit Helmut Schreyer) Erster voll funktionsfähiger und frei programmierbarer Computer Programmiersprache: Plankalkül Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 10

11 Die Z3 besteht aus einer Relais-Gleitkommaarithmetikeinheit für Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, Quadratwurzel, Dezimal-Dual- und Dual-Dezimal-Umwandlung. Das Rechenwerk verfügt über zwei Register R1 und R2. einem Relais-Speicher aus 64 Wörtern je 22 bit (1 Bit Vorzeichen, 7 Bit Exponent, 14 Bit Mantisse) einem Lochstreifenleser für Filmstreifen, um Programme einzulesen (nicht aber Daten) eine Tastatur mit Lampenfeld für Ein- und Ausgabe von Zahlen und der manuellen Steuerung von Berechnungen. Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 11

12 Zuse Z 22 ( 1957) Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 12

13 Ausstattung der Zuse Z22 14 Worte Kernspeicher mit 38 Bit Wortbreite wurden Register genannt 38 kbyte Trommelspeicher Lochstreifenleser /-schreiber als Massenspeicher 380 V, 16 A Drehstrom-Versorgung 600 Elektronenröhren, als Flipflops geschaltet. Wasserkühlung Taktfrequenz 3 khz, Eingabe: Lochstreifenleser Ausgabe: Lochkartenschreiber Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 13

14 ENIAC ( USA 1942) (Electronic Numerical Integrator and Computer) Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 14

15 Eigenschaften Größe: 10x17m Gewicht: 27t Elektronenröhren Dioden Relais Widerstände und Kondensatoren Stromverbrauch: 174k Programmierung durch Steckverbindungen Programmiererinnen: Kay McNulty Mauchley Antonelli, Jean Bartik, Betty Holberton, Marlyn Meltzer, Frances Spence und Ruth Teitelbaum Hauptzweck: Manhatten Projekt, ballistische Tabellen Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 15

16 Colossus (England 1943) Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 16

17 Eigenschaften des Colossus Röhren Zeichen (à 5 Bit) pro Sekunde verarbeitbar Leistungsaufnahme: 4500 W. Speicher: 5 Zeichen von je 5 Bit in Schieberegistern. Nicht frei programmierbar Hauptzweck: Entschlüsselung des deutschen Enigma Codes 1946 wurden alle Maschinen vernichtet Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 17

Die Geschichte von IBM Hermann Hollerith (1860 1929) Sohn deutscher Einwanderer Erfinder des Hollerith-Lochkartenverfahrens

18 Die Geschichte von IBM Hermann Hollerith ( ) Sohn deutscher Einwanderer Erfinder des Hollerith-Lochkartenverfahrens Volkszählung 1890/1891: Auswertung in zwei Jahren mit 43 Maschinen und 500 Leuten (vorher 7 Jahre) Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 18

19 Von Hollerith zu IBM 1896: Hollerith gründet Tabulating Machine Company 1911 verkauft für 1,21 Millionen Dollar plus zehn Jahre Beratervertrag, $ pro Jahr. fusioniert mit Computing Scale Corporation, International Time Recording Company zur Computing Tabulating Recording Corporation (CTR). Thomas J. Watson ( ) wurde 1914 Chef 1924 in International Business Machines Corporation (IBM) umbenannt Ab 1952 Entwicklung von Mainframe Computern Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 19

20 IBM 701 ( 1952) (mit Thomas Watson) Floating Point Geschwindigkeit: ca. 2 KFlops Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 20

21 IBM Roadrunner 6480 Opteron Prozessoren, Cell-Prozessoren 1,105 Peta-FLOPS Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 21

John von Neumann ( 1903 1957) ein Mathematiker österreichischungarischer Herkunft, beschrieb das Konzept eines universell programmierbaren Rechners, in dem Programm und Daten gleich

22 John von Neumann ( ) ein Mathematiker österreichischungarischer Herkunft, beschrieb das Konzept eines universell programmierbaren Rechners, in dem Programm und Daten gleich behandelt wurden 1945 in dem zunächst unveröffentlichten Papier First Draft of a Report on the EDVAC im Rahmen des Baus der EDVAC-Rechenmaschine. Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 22

23 Von Neumann Architektur: Ein ganz grobes Bild Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 23

24 Ein etwas genaueres Bild Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 24

25 Die wichtigsten Komponenten Prozessor ist das `Gehirn' des Computers ( CPU) Hauptspeicher (main memory) zum speichern von Programmen und Daten wenn Programme ausgeführt werden. Der Hauptspeicher ist aufgeteilt in Blöcke von Bits (Wörter) Die Wortlängen sind heutzutage entweder 32 Bit oder 64 Bit. Jedes Wort hat eine eindeutige Adresse (ebenfalls 32 oder 64 Bits). Mit 32 Bits ist die kleinste Adresse (hex) und die höchste Adresse FF FF FF FF (hex) ungefähr 4,29 Milliarden (dezimal). Peripherie: Die Peripherie besteht aus allen externen Geräten Platten, CD-Laufwerke, DVD-Brenner dauerhafte Speicherung von Daten) Tastatur, Maus, Video und Audio Karten, Netzwerk Karten. Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 25

26 Hauptspeicheradressierung Der Hauptspeicher ist eine Folge von Worten. Jedes Wort hat eine Adresse (von 0 angefangen) Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 26

27 Bus Die wichtigsten Komponenten eines typischen Busses Adressbus zum Senden der Adresse für den Datenzugriff auf den Hauptspeicher. Datenbus Um die Daten an den Prozessor zu schicken. Statusbus um Informationen über den Status des Systems zu schicken. Kontrollbus um Kontrollinformationen zwischen Prozessor und Peripherie auszutauschen (z.b. Interrupts) Uhr (clock) eine globale Uhr, um alle Aktivitäten zu synchronisieren (typischerweise 2 GHertz); das bedeutet maximal 2 Milliarden Instruktionen pro Sekunde können ausgeführt werden. Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 27

28 Ein modernes Beispiel: AMD-Opteron Über 200 Millionen Transistoren Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 28

29 Maschinensprache Eine Maschinensprache ist eine (Programmier-) Sprache, in der man die Anweisungen (Instruktionen) an den Prozessor so formuliert, dass der sie ohne weitere Übersetzung ausgeführt werden können. Anweisungen in einer Maschinensprache sind in binärer Form als Maschinencode kodiert. Alle Programme müssen in Maschinensprache übersetzt werden, bevor sie ausgeführt werden (das macht der Compiler). Maschinenanweisungen werden genauso wie Daten als Bitfolgen gespeichert. Jede Anweisung korrespondiert zu einer Hardwareeinrichtung im Prozessor, die sie ausführt. Die Menge der Maschinenanweisungen, die ein Computer ausführen kann ist der Instruktionsvorrat (engl. instruction set). Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 29

30 Quellen Prof. Dr. Hans Jürgen Ohlbach Vorlesung Rechnerarchitektur / von Neumann Rechnerarchitektur / Dipl.-Ing. Gert Martin 30

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