Rechnerstrukturen. Rechnerstrukturen. Universität Trier Peter Sturm Wintersemester 2002/2003. Rechnerstrukturen Winter 2002/03

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1 Rechnerstrukturen Universität Trier Peter Sturm Wintersemester 2002/2003 Rechnerstrukturen 0. Organisatorisches (c) Peter Sturm, Universität Trier 1

2 Organisatorisches Vorlesungszeiten Dienstags, Uhr, Hörsaal HS 4 Donnerstags, Uhr, Hörsaal HS 4 Übungsblätter wird in der Vorlesung besprochen Übungen Dienstags, Uhr, Hörsaal HS 9 eventuelle Termin- und Raumverschiebungen Übungsblätter Folienkopien Klausur wird in der Vorlesung besprochen Begleitliteratur Structured Computer Organization Andrew S. Tanenbaum Prentice Hall, 4. Auflage, 1998 Computer Architecture - A Quantitative Approach J.L. Hennessy, D.A. Patterson Morgan Kaufmann, 2. Auflage, 1996 Computer Organization and Design The Hardware / Software Interface J.L. Hennessy, D.A. Patterson Morgan Kaufmann, 2. Auflage, 1998 (c) Peter Sturm, Universität Trier 2

3 Rechnerstrukturen 1. Einführung Gegenstand der Vorlesung Struktur moderner Computer Welche Komponenten Welche Architektur Funktionsweise Funktion einzelner Komponenten Zusammenspiel Bewertungskriterien Effizienz Parallelitätsgrad Skalierbarkeit Zuverlässigkeit Kosten Pentium 4 (c) Peter Sturm, Universität Trier 3

4 Ziele Grundlagen über Elektronische Schalter (Transistor) Digitale Gatter und Bausteine Struktur moderner Computer Aufbau gängiger PCs Pentium, AMD, L1- und L2-Cache PCI / ISA DDR-, FPM-, EDO- und SD- RAM, Rambus aber auch SPARC, DEC Alpha, PowerPC Assemblerprogrammierung Weiterführende Vorlesungen Compilerbau Betriebssysteme Praxis Einfache Aufbauten auf sogenannten Proto-Boards Nur wenige Exemplare Freiwillige Übung auch privat erschwinglich Elektronischer Würfel (c) Peter Sturm, Universität Trier 4

5 Zugang ISA-PCI-Bridge EEPROM Bus Arbitrierung AND 1 aus n Dekoder OR Carry Look Ahead Addierer Quine- McCluskey-Minimierung Look-Through vs. Look-Aside Hierarchieebenen Sichten Architekturbezogen Sprachbezogen Architektursicht Komponenten Verbindung Idealerweise nur Übergänge von Ebene k zu Ebene k+1 In der Praxis vielfältige Kompromisse Überspringen von Ebenen Mehrere Hierarchien innerhalb einer Ebene Ebene k+1 Ebene k Ebene k-1 (c) Peter Sturm, Universität Trier 5

6 Architektursicht: Geräteebene Komponenten Tower Monitor Tastatur Maus Drucker Lautsprecher, Mikrophon Verbindung Tastatur, Maus, Monitor Floppy, CD, Band,... Netzanschluß serielle u. parallele Anschlüsse SCSI Line in, Mic, Line out,... Video, S-Video,... Architektursicht: Systemebene Komponenten Prozessor Cache Speicher E/A-Controller Interfacekarten Verbindung Prozessorbus Speicherbus Gerätebus PCI, SCSI, VME, (AGP),... serielle u. parallele Leitungen RS232, V.24,... USB, ISDN,... Computernetz Ethernet, FDDI, ATM,... RAM Prozessor Cache ROM Gerät Gerät E/A- Controller Interface Interface (c) Peter Sturm, Universität Trier 6

7 Architektursicht: Bausteinebene Dekoder Dekoder Dekoder Bit Zähler 4 Bit Zähler 4 Bit Zähler Clock Komponenten Register, Latches,... Decoder, Encoder,... Multiplexer, Demultiplexer,... arithmetische Bausteine Addierer Subtrahierer Multiplizierer Dividierer... Verbindung Leitungen Bus (mehrere Leitungen) diskrete Logik Architektursicht: Gatterebene Komponenten AND-Gatter OR-Gatter NOT-Gatter Verbindung Leitungen ev. elektronische Bausteine A0 A1 E3 E2 E1 E0 (c) Peter Sturm, Universität Trier 7

8 Architektursicht: Schaltkreisebene Komponenten Transistor Kondensator Widerstand Spule T 17 Verbindung Leitungen R 22 Sprachsicht Virtuelle Maschinen implementieren f k mit ( a, σ, t + 1) = f ( e, σ, t) k k k Syntax von a k und e k Semantik von f Eingabe e k Ausgabe a k Interpretieren vs. Übersetzen Virtuelle Maschine k Eingabe e k-1 Ausgabe a k-1 Virtuelle Maschine k-1 Eingabe e k-2 Ausgabe ak-2 (c) Peter Sturm, Universität Trier 8

9 Sprachsicht: Differentialgleichungen 2 Et () L d Q () t R dq () = + t + 2 dt dt 1 C Qt () Sprachsicht: Boolesche Algebra / Gleichungssysteme Wahrheitswerte 0 = False 1 = True Grundoperationen Konjunktion Disjunktion Negation Verknüpfungsregeln, Gesetze ( a + b) ( b + ac) = a b ( b + ac) = a b b + a b a c = 0 (c) Peter Sturm, Universität Trier 9

10 Sprachsicht: Mikroprogramme Programmierte Steuerung der Hardware PC Register 1 Register 2 nächster Befehl Addierer Zeit Sprachsicht: Register-Transfer-Sprachen Register, Datenpfade Sprachelemente Ausdrücke (boolesche und arithmetische Funktionen) Bedingte Anweisungen Schleifen (c) Peter Sturm, Universität Trier 10

11 Sprachsicht: Instruktionssatz Funktionsumfang komplexer Bausteine CPU Coprozessoren MMU Signalprozessor Ausführungsmodell Kontrollfluß Datenfluß Sprachsicht: Datenorientierte Protokolle Datenpakete Befehlscode LUN LBA (MSB) LBA LBA (LSB) Transferlänge Steuerbyte SCSI- Host-Adapter Controller Gerät 1 Protokoll zwischen Sender und Empfänger Mitteilung / Auftrag Synchron / Asynchron Arbitrierung bei Bussen Controller Gerät n (c) Peter Sturm, Universität Trier 11

12 Sprachsicht: Programmiersprachen Vielfältige Syntax und Semantik systemnahe Programmiersprachen, z.b. C oder C++ geeignete Datenstrukturen Bitfelder Zeiger Repräsentation bekannt einfache Datentypkonversionen (Cast) geringer verdeckter Overhead (Performanz) Assembler symbolische Befehle (Mnemonic) 1:1-Abbildung Assemblerbefehl - Instruktion Makromechanismen... loop: dec r3 jne out: move (r2++),(r1++) jmp loop: out: move (r2++),#0... Beziehung: Architektur - Sprache Programmiersprachen Assembler Abstraktionsgrad Datenpakete Instruktionen Register-Transfer Mikroprogramme boolsche Gleichungen Diffgl. Schaltkreis Gatter Bausteine System Gerät (c) Peter Sturm, Universität Trier 12