Basisinformationstechnologie I

Transkript

1 Basisinformationstechnologie I Wintersemester 2014/ November 2014 Rechnertechnologie II: Schaltalgebra Universität zu Köln. Historisch-Kulturwissenschaftliche Informationsverarbeitung Jan G. Wieners // jan.wieners@uni-koeln.de

2 Themenüberblick Rechnertechnologie I Überblick: Rechner-/Computerentwicklung Moore Leibniz Babbage Turing Exkurs: Turingtest Weizenbaum von Neumann Exkurs: Spieltheorie Die von Neumann Rechnerarchitektur Konzept: Universalrechner Cache als Hardwareelement Caching als Grundmechanismus Zeitgemäße Rechnerhardware Motherboard, etc.

3 Von-Neumann-Architektur

4 Von-Neumann-Architektur Steuerwerk Rechenwerk Interne Datenwege Arbeitsspeicher / Speicherwerk Ein-/Ausgabewerk Zentrale Recheneinheit (CPU = Central Processing Unit) Steuerwerk Rechenwerk (ALU) Funktionsweise & Eigenschaften Zahlen werden im Rechner binär dargestellt Universalrechner Programme und Daten werden in einem gemeinsamen Speicher abgelegt Befehle geben nur die Speicheradresse an, wo die Daten abgelegt sind, nicht die Daten selbst Speicherwerk Interne Datenwege (Bus-System) Ein- /Ausgabewerk

5 Von-Neumann-Architektur Befehlsverarbeitung Von-Neumann-Zyklus in fünf Teilschritten: FETCH DECODE FETCH OPERANDS EXECUTE UPDATE PROGRAM COUNTER (UPC)

6 Von-Neumann-Architektur Befehlsverarbeitung Von-Neumann-Zyklus in fünf Teilschritten: FETCH DECODE FETCH OPERANDS EXECUTE UPDATE PROGRAM COUNTER (UPC) FETCH: Laden des nächsten zu bearbeitenden Befehls in das Befehlsregister (bildet gemeinsam mit Steuerwerk und Rechenwerk die CPU). DECODE: Befehl wird durch Steuerwerk in Schaltinstruktionen für das Rechenwerk übersetzt. FETCH OPERANDS: Operanden holen, die durch den Befehl verändert werden sollen. EXECUTE: Rechenwerk führt die Operation aus. UPC: Erhöhung des Befehlszählers, damit der Rechner weiß, an welcher Stelle des Programms er sich gerade befindet. Geschieht parallel zu DECODE und FETCH OPERANDS.

7 Von-Neumann-Architektur Vor- und Nachteile

8 Von-Neumann-Architektur Vorteile Bedeutende Idee: Zunächst Laden des Programmes und der Daten in ein und denselben Speicher, danach Ausführung. Vor von Neumanns Ansatz war das Programm hardwareseitig verschaltet / repräsentiert oder wurde über Lochstreifenkarten schrittweise eingelesen und sofort (sequentiell) verarbeitet. Nun möglich: Sprünge auf vorhergehende und spätere Programmsequenzen Modifikation des Programmcodes während des Programmablaufes Paradigmawechsel: Übergang vom starren Programmablauf zur flexiblen Programmsteuerung bzw. von der Rechenmaschine zur Datenverarbeitungsmaschine

9 Von-Neumann-Architektur Nachteile Da Daten und Befehle im Speicher gehalten werden, wird die Verbindung und Datenübertragung zwischen CPU und Speicher über den Systembus zum Von- Neumann-Flaschenhals: Jeglicher Datenverkehr von und zur CPU wird über den internen Bus abgewickelt, dessen Transfergeschwindigkeit langsamer ist, als die Verarbeitungsgeschwindigkeit der CPU. Dieses Problem versucht man in modernen PC's durch die Verwendung von schnellem Cache-Speicher abzuschwächen, der meist in die CPU integriert ist.

10 Heutige Computer

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13 CPU-Cache

14 CPU-Cache Grundidee des Caches: Häufig gebrauchte Speicherworte / Daten sollten im Cache stehen, um das Problem des von-neumann-flaschenhalses zu mindern. Funktionsprinzip des Cache: Die CPU fordert ein gesuchtes Datum oder eine gesuchte Instruktion im Cache an. Bei einem Cache-Hit befindet sich das Datum/Instruktion im Cache. Bei einem Cache-Miss (die gewünschte Information befindet sich nicht im Cache) wird ein bestimmter Bereich, der das gesuchte Datum bzw. die gesuchte Instruktion enthält, aus dem Hauptspeicher in den Cache geladen (in der Hoffnung, dass folgende Zugriffe sich auf diesen aktualisierten Bereich beziehen!).

15 Cache-Hierarchie L1 L2 L3 Ln

16 Cache / Caching als allgemeines Prinzip

17 Speicherhierarchie

18 Themenüberblick Rechnertechnologie II Strukturierte Computerorganisation (Tanenbaum) (Logik)Gatter Transistoren Integrierte Schaltkreise Integrationsgrad Gattertypen Boolesche- / Schaltalgebra Rechenschaltung: Halb- und Volladdierer

19 Strukturierte Computerorganisation

20 Strukturierte Computerorganisation Ebene 5 Problemorientierte Sprache Ebene 4 Assemblersprache Ebene 3 Betriebssystemmaschine Ebene 2 Befehlssatzarchitektur (ISA) Ebene 1 Mikroarchitektur Ebene 0 Digitale Logik

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24 Quelle:

25 Strukt. Computerorganisation Ebene 3: Betriebssystemmaschine Grundlegende Trennung zw. Ebenen 0-3 und 4-5: Die untersten drei Ebenen sind kein Tummelplatz für den Durchschnittsprogrammierer, sondern dienen hauptsächlich dazu, die Interpreter und Übersetzer auszuführen, die zur Unterstützung der höheren Ebenen benötigt werden. (Tanenbaum, 2006: S. 23) Ebene 5 Ebene 4 Ebene 3 Ebene 2 Ebene 1 Ebene 0 Problemorientierte Sprache Assemblersprache Betriebssystemmaschine Befehlssatzarchitektur (ISA) Mikroarchitektur Digitale Logik

26 Digitale Logik & Co.

27 Quelle:

28 Arduino Musikwissenschaft: Physical Computing (Gernemann-Paulsen)

29 (Logik)Gatter Umsetzung z.b. über Transistoren Elektronisches Bauelement zum Schalten (im Nanosekundenbereich) und Verstärken elektrischer Signale (i.e. 0V / 5V)

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31 Integrationsgrad: absolute Anzahl von Transistoren in einem Integrierten Schaltkreis Größenordnungen: SSI Small Scale Integration: 1 bis 10 Gatter MSI Medium Scale Integration: 10 bis 100 Gatter LSI Large Scale Integration: 100 bis G. VLSI Very Large Scale Integration: > G. (vgl.: Tanenbaum: Computerarchitektur. Strukturen Konzepte Grundlagen. 2006, 5.Auflage. S. 167.)

32 (Logik)Gatter Vereinfacht: Blackbox mit n Eingängen und einem Ausgang A & Y B Eingänge / Ausgang: Spannungszustände, i.e. 0 Volt für 0 und 5 Volt für 1

33 Schaltalgebra

34 Boolesche Algebra / Schaltalgebra Beschreibung von Schaltungen, die sich durch Kombination von Gattern aufbauen lassen über Boolesche Algebra: George Boole ( ) Variablen und Funktionen können nur die Werte 0 (wahr, TRUE) und 1 (falsch, FALSE) annehmen bzw. zurückgeben. Z.B. Datentyp bool in C++ Vollständige Beschreibung der Booleschen Fkt. über Tabelle mit 2 n Zeilen, wobei n gleich Anzahl der Eingangsvariablen / - werte Wahrheitstabelle Schaltalgebra kennt zwei Konstanten: 0 (Schalter geschlossen / Leitung unterbrochen) und 1(Schalter offen / Leitung durchgeschaltet)

35 Wahrheitstabelle Für zwei Eingänge (A, B): 2²=4 Tabellenzeilen A B Y Bitte beachten: 0 und 1 sind in diesem Kontext Wahrheitswerte (0 ist FALSE, 1 ist TRUE)!

36 Wahrheitstabelle Für drei Eingänge (A, B, C): 2³=8 Tabellenzeilen A B C Y

37 Gattertypen / Verknüpfungsarten Verschiedene Gattertypen, d.h. Arten, Eingangssignale miteinander zu verknüpfen: UND (AND) ODER (OR) NICHT (NOT) NICHT UND (NAND)...

38 Gattertypen: UND / AND Gatter Konjunktion Symbol (nach US ANSI ) Funktion Y = A B Wahrheitstabelle A B Y

39 Gattertypen: UND / AND Gatter Konjunktion Symbol (nach IEC ) IEC: International Electrotechnical Commission Funktion Y = A B Wahrheitstabelle A B Y

40 Gattertypen: ODER / OR Gatter Disjunktion Symbol Funktion Y = A B Wahrheitstabelle A B Y

41 Gattertypen: NICHT / NOT Gatter Negation Symbol Funktion Y = A oder Y = A Wahrheitstabelle A Y

42 Übung 1 Bestimmen Sie die Wahrheitstabelle für das folgende Gatter: A B A B Y=A B

43 Gattertypen: NICHT UND / NAND Gatter Symbol Funktion Y = A B oder Y = (A B) Wahrheitstabelle A B Y

44 Gattertypen: NICHT ODER / NOR Gatter Symbol Funktion Y = A B oder Y = (A B) Wahrheitstabelle A B Y

45 Bildnachweis: macgyver multitool joke, paper spin, Dave O,

46 Übung 2 Bestimmen Sie die vollständigen Wahrheitstabellen für die folgenden Funktionsgleichungen: Y = (A B) A Y = (A B) (B A) Y = (A B) (A C) C = A Y = C B C (Eingänge des Gatters kurzgeschlossen)

47 Übung 2: Schritt 1 Bestimmen Sie die vollständigen Wahrheitstabellen für die folgende Funktionsgleichung: Y = (A B) A A B

48 Übung 2: Schritt 2 Bestimmen Sie die vollständigen Wahrheitstabellen für die folgende Funktionsgleichung: Y = (A B) A A B A B

49 Übung 2: Schritt 3 Bestimmen Sie die vollständigen Wahrheitstabellen für die folgende Funktionsgleichung: Y = (A B) A A B A B A

50 Übung 2: Schritt 4 Bestimmen Sie die vollständigen Wahrheitstabellen für die folgende Funktionsgleichung: Y = (A B) A A B A B A Y

51 Übung 2 Bestimmen Sie die vollständigen Wahrheitstabellen für die folgende Funktionsgleichung: Y = (A B) (B A) A B A B B A (B A) Y= (A B) (B A)

52 Übung 2 Bestimmen Sie die vollständigen Wahrheitstabellen für die folgende Funktionsgleichung: Y = (A B) (A C) A B C A B A C Y= (A B) (A C)

53 Übung 2 Bestimmen Sie die vollständigen Wahrheitstabellen für die folgende Funktionsgleichung: C = A Y = C B C (Eingänge des Gatters kurzgeschlossen) A B C = A B Y= C C

54 Übung 3 Bestimmen Sie die Wahrheitstabelle für die folgende Schaltung: A B C Y

55 Übung 3 Bestimmen Sie die Wahrheitstabelle für die folgende Schaltung: ABCY

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