Vorlesung Technische Grundlagen der Informatik ( TGI)

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1 Vorlesung Technische Grundlagen der Informatik ( TGI) Prof. Dr. Rudolf Latz Fachbereich Informatik & Kommunikation Westfälische Hochschule Gelsenkirchen Bocholt Recklinghausen Die Unterlagen sind als Arbeitsgrundlage für die Lehrveranstaltungen gedacht. Eine weitergehende Verwendung einschließlich Weitergabe an Dritte ist nicht erlaubt. Bildquelle: M. Mano, Pearson Seite 0-0

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung 2. Zahlendarstellung, Konvertierungs- und arithmetische Algorithmen 3. Boolsche Schaltalgebra 4. Technische Realisierung von Schaltfunktionen, Transistoren und Gatter 5. Kombinatorische Schaltkreise, Schaltnetze 6. Speicherelemente, Flip-Flops, sequentielle Schaltungen 7. Endliche Zustandsautomaten und Steuerwerke 8. Operationswerke 9. Komplexe Schaltwerke a) Aufgabenspezifische Mikroprozessoren b) Universelle Mikroprozessoren 10. Speicher und deren Realisierung 11. Rechnerarchitekturen 12. Computerperipherie Seite 0-1

3 1 Einführung 1.1 Was ist Technische Informatik, was ist ein Computer? Eine allgemeine Definition dessen was man unter Informatik versteht lautet: Informatik ist die Wissenschaft von der algorithmischen Darstellung, Erkennung, Verarbeitung, Speicherung und Übertragung von Information. Zur Erfüllung dieser Aufgaben ist spezielle Hardware notwendig. Die Technische Informatik beschäftigt sich mit dem Entwurf, der logischen Struktur und der technischen Realisierung dieser Computer-Hardware. Sie bildet eine der vier Kernsäulen der Informatik. Diese vier Kernsäulen der Informatik sind in Abbildung 1.1 dargestellt. Neben der Technischen Informatik gibt es noch die Theoretische Informatik, die Praktische Informatik, und die Angewandte Informatik. Die Theoretische Informatik ist eng verknüpft mit der Technischen Informatik, weil viele der dort entwickelten Konzepte z. B. aus der Codierungstheorie, der Logik und dem Gebiet der Endlichen Automaten als mathematisches Fundament zur Beschreibung von Computer-Hardware dient. Die Technische Informatik ist für folgende Personen von besonderem Interesse bzw. sogar notwendig: 1.) Entwickler von Computer-Hardware. 2.) Hardwarenahe Programmierer, d.h. Programmierer spezieller Mikroprozessoren in z. B. Eingebetteten Systemen ( Embbeded Systems ). 3.) Programmierer in höheren Programmiersprachen, sie benötigen zwar keine detaillierten Hardwarekenntnisse, Kenntnisse derselben versetzen sie jedoch in die Lage in einem breiteren Anwendungsfeld der Informatik zu arbeiten, und unter Umständen auch effizientere Programme zu schreiben. Der hier angebotene Kurs der Technischen Informatik ist daher relevant für die Studiengänge Technische Informatik, Praktische Informatik und Medieninformatik. Was ist ein Computer? Der Begriff Computer steht für Rechner, genauer gesagt elektronische Rechenmaschine. Was jedoch zeichnet einen Rechner aus? Welche Aufgaben kann er lösen? Wie funktioniert er? Wie ist er aufgebaut? Seite 1-1

4 Abbildung 1.1: Darstellung der vier Kernsäulen der Informatik mit ihren wesentlichen Arbeitsgebieten und Darstellung der Gebiete, die in den Vorlesungen Technische Informatik mehr oder weniger ausführlich behandelt werden Seite 1-2

5 Je nachdem wie weit man bei der Betrachtung der Funktionsweise eines Rechners von der eigentlichen physikalischen Realisierung eines Rechners abstrahiert, unterscheidet man verschiedene Abstraktionsebenen. Diese Abstraktionsebenen sind in folgender Abbildung dargestellt. Leistungsmaß Abbildung1.2: Darstellung der verschiedenen Abstraktionsebenen eines Rechners und Angabe des Leistungsmaßes für einige Ebenen Auf der Ebene der Anwendung sieht der Benutzer des Rechners nur die Anwendung. Er kümmert sich nicht um Details des Ablaufs im Rechner sondern betrachtet nur den Ablauf innerhalb seiner Anwendung. Auf der Ebene der Höheren Programmiersprachen, wie z. B. C,C++, Java usw. versteht man den Rechner als einen schwarzen Kasten der Programme in der höheren Programmiersprache einliest und direkt auf der Hardware ausführt. Auf der Assembler-Ebene werden in einer symbolischen Notation Befehle zur Verfügung gestellt, die im Betriebssystem bzw. im Seite 1-3

6 Technische Grundlagen der Informatik Maschinenbefehlssatz vorhanden sind, mittels derer ein Programmierer Programme schreiben kann. Zudem werden einem Programmierer, um ihm das Programmieren zu erleichtern, auf dieser Ebene Pseudoinstruktionen zur Verfügung gestellt, die sich durch wenige Maschinenbefehle realisieren lassen. Auf der Betriebssystemebene existiert ein in Maschinensprache geschriebenes Programm, Betriebssystem genannt, (englisch: Operating System OS), welches die Betriebsmittel wie Speicher, Ein- und Ausgabegeräte verwaltet, die Ausführung von Programmen steuert, und die Kommunikation zwischen Mensch und Computer ermöglicht bzw. vereinfacht. Alle Personal Computer (PC s) besitzen ein Betriebssystem. Es sind jedoch auch Rechner für spezielle Anwendungsbereiche z. B. Eingebettete Systeme, im Einsatz, die kein Betriebssystem besitzen. Die Ebene der Maschinensprache ist die unterste Ebene, die für einen Programmierer noch frei zugänglich ist, und in der er Programme für den Rechner schreiben kann. Die Maschinenbefehle sind als Folgen von 0 und 1 codiert, für einen Programmierer also recht unangenehm zu programmieren. Diese Ebene ist die Software/Hardware Schnittstellenebene eines Prozessors. Der Satz der verfügbaren Maschinenbefehle, die auf dieser Ebene zur Verfügung stehen, bestimmt die sogenannte Architektur eines Rechners, d.h. der Maschinenbefehlssatz eines Rechners und seine Hardwarearchitektur hängen miteinander zusammen. Die einzelnen Befehle in der Maschinensprache werden nach folgendem allgemeinen Arbeitsprinzip ausgeführt: Fetch ( Holen ) -> Decode (ermittle um welchen Befehl es sich handelt ) -> Execute ( setze die Steuersignale und führe den Befehl aus ) Zunächst wird ein Befehl aus dem Arbeitsspeicher ( Hauptspeicher ) geholt ( Fetch ). Dann wird nachgeprüft um welchen Befehl es sich handelt, und es werden dann die zum Ausführen des Befehls notwendigen Steuersignale für die Hartware ermittelt. Dann wird der Befehl von der Ausführungseinheit, in der Regel einer Arithmitischen- Logischen Einheit ( ALU ), ausgeführt. Seite 1-4

7 Die Mikroprogramm-Ebene findet man in der Regel nur bei sogenannten CISC-Rechnerarchitekturen ( CISC = Complex Instruction Set Computer ). In einem Mikroprogramm werden die Maschinenbefehle eines Anwendungsprogramms in Steuersignale für die Hardware umgesetzt, d. h. es steuert die Hardware bei der Durchführung eines Maschinenprogramms. Es wird in einem Festwertspeicher ( ROM = Read Only Memory ) abgelegt. Bei Rechnern ohne Mikroprogramm, in der Regel sogenannten RISC ( Reduced Instruction Set Computer ) Rechnern, wird das Mikroprogramm durch eine entsprechende spezielle Hardware, ein sogenanntes Steuerwerk, ersetzt. Die Ebene des Physikalischen Rechners umfasst die gesamte Hardware aus der ein Rechner besteht. Im Einzelnen wird auf dieser Ebene betrachtet wie der Rechner hardwaremäßig aus unterschiedlichen Funktionseinheiten vom Transistor als Schalter über Gatter bis zur Steuer- und Recheneinheit aufgebaut ist. Exkurs: Übersetzer ( Compiler ) Ein Übersetzer, auch Compiler genannt, ist ein Maschinenprogramm, das ein Programm auf höherer Abstraktionsebene in ein Programm auf niedrigerer Abstraktionsebene transformiert ( übersetzt ). Von einem Vollcompiler spricht man, wenn ein Programm in Maschinensprache übersetzt wird. Ein Maschinenprogramm kann nicht mehr weiter übersetzt werden. Befehl nach Befehl werden über die Steuerung aus dem Hauptspeicher in den Prozessor geholt ( Fetch-Phase ), dekodiert ( Decode-Phase ) und letztendlich ausgeführt ( Execute-Phase ). Seite 1-5

8 1.2 Kurze Überblick der Geschichte von Rechenautomaten Erste Rechenhilfen wurden bereits im 11. Jahrhundert vor Christus in China verwendet. Sie werden als Abakus bezeichnet, und sind in ähnlicher Form auch heute noch in Gebrauch. Alle Grundrechenarten lassen sich mit diesen Rechenhilfen manuell durchführen. Das erste vollautomatische Rechenwerk zum Addieren und Subtrahieren und zum halbautomatischen Multiplizieren und Dividieren ersann der deutsche Astronom, Mathematiker und Theologe Wilhelm Schickard ( ). Bis zur Erfindung des ersten elektromechanischen Rechners, der Z3, im Jahre 1941 durch Konrad Zuse, die mit elektromechanischen Relais arbeitete, wurden von etlichen Erfindern viele unterschiedliche mechanische Rechenmaschinen erfunden. Der erste von Konrad Zuse 1938 fertigstellte Rechner, die Z1, war auch noch ein voll mechanischer Rechner. Die Z3 unterscheidet sich nicht nur in ihrer hardwaremäßigen Realisierung mittels elektromechanischer Relais von bisherigen Rechenmaschinen, sondern auch in ihrem konzeptionellen Aufbau war sie revolutionär. Bei der Z3 handelt es sich um den ersten funktionsfähigen, frei programmierbaren, auf dem binären Zahlensystem und der binären Schaltungstechnik (daher Relais) basierenden Rechner der Welt. Er wurde am 12. Mai 1941 fertiggestellt. Abbildung 1.3: Blockschaltbild zur Darstellung des konzeptionellen Aufbaus der Z3 Seite 1-6

9 Abbildung 1.4: Foto des Nachbaus einer Z3. Das 1941 fertiggestellte Original wurde durch einen Bombenangriff zerstört Seite 1-7

10 Abbildung 1.5: Technische Daten des Z3 Rechners von Konrad Zuse, der mit elektromechanischen Relais betrieben wurde Abbildung 1.6: Darstellung der Abarbeitung von Befehlen in einer Pipeline-Architektur in der Z3 Seite 1 8

11 Abbildung 1.7: Der Befehlssatz des Z3 Rechners Mit Hilfe der Befehle Lu bzw. Ld wird eine Dezimalzahl über die numerische Tastatur eingelesen bzw. auf der numerischen Anzeige ausgegeben. Beide Befehle stoppen die Ausführung der Maschine, bis der Benutzer manuell die Fortsetzung veranlasst. Über die Befehle Prz und Psz wurde die Kommunikation mit dem Hauptspeicher gesteuert. Die übrigen Befehle sind Befehle mit denen arithmetische Operationen durchgeführt werden. Die wesentlichen Strukturmerkmale des Z3 Rechners sind in folgender Aufstellung zusammengefasst: - Die Kernfunktionen des Rechners bestehen aus Steuerwerk, Rechenwerk und dem davon getrennten Speicher. Diese Struktur findet sich auch heute noch in den allermeisten Computerarchitekturen. - Die Z3 rechnete bereits im Gleitkommaformat, so dass in einem weiten Zahlenbereich sehr genaue Rechnungen durchgeführt werden konnten. - Die Z3 arbeitete bereits mit dem Prinzip der Mikroprogrammierung. Im Steuerwerk befindet sich ein sogenannter Mikrosequenzer mit dessen Hilfe sich komplexe Rechenoperationen in mehrere elementare Berechnungsschritte zerlegen und ausführen lassen. Das Prinzip findet sich heute noch in sogenannten CISC-Rechnern. Seite 1 9

12 - Zur Geschwindigkeitssteigerung führt die Z3 die Befehle bereits überlappend aus ( Pipeline- Architektur ). Zur gleichen Zeit wo ein Befehl ins Steuerwerk eingelesen wird, wird ein Berechnungsergebnis weggeschrieben. - Das verwendete Rechenwerk arbeitet bereits mit dem Carry-lookahead-Algorithmus um Rechenoperationen zu beschleunigen. Programmiert wird die Z3 mit Hilfe eines 8-spurigen Lochstreifens. Jede 8-spurige Zeile codiert einen Befehl, bei dem Lese-und Schreibbefehl zusätzlich noch die Adresse des Operanden im Hauptspeicher. Die insgesamt neun möglichen Befehle lassen sich in die Kategorien Einund Ausgabe, Speichertransfer und Arithmetik unterteilen. Ein weiterer elektromechanischer Rechner, der unter der Leitung von Howard H. Aiken konstruiert, und am 7. August 1944 fertiggestellt wurde, war die Harvard Mark I, die für die Harvard University gebaut wurde. In ihm kam das Konzept zum tragen Code und Daten in getrennten Speichern vor zu halten. Bei Rechnern mit einer solchen Struktur spricht man daher auch von Harvard-Struktur. Die erste voll funktionsfähige Rechenmaschine, die nahezu alle Definitionen eines modernen Computer-Begriffs erfüllt, ist die 1944 fertiggestellte ENIAC. In der ENIAC war es im Gegensatz zur Z3 und der Harvard Mark I bereits möglich Verzweigungen und Schleifen zu programmieren. Diese Maschine war allerdings nicht auf flexible Programmierung ausgelegt, da die Programmierung über Steckverbindungen erfolgte. Dieser Rechner wurde an der University of Pennsylvania unter der Leitung von Eckert und Mauchly gebaut und 1946 fertiggestellt. Die Schaltungslogik wurde in dieser Maschine mit Hilfe von Trioden-Vakuum-Röhren realisiert. Diese waren in der Schaltgeschwindigkeit einige tausend mal schneller als Relais. Nachteilig war jedoch die große Störanfälligkeit und der hohe Stromverbrauch. Ein bahnbrechendes Konzept bezüglich der Programmierung von Rechnern entwickelte John von Neumann. Er schlug vor Programme und Daten in einem gemeinsamen Speicher ab zu legen, um damit eine große Flexibilität bei der Programmsteuerung zu haben. Dadurch wurde die Rekursivität der Programmsteuerung möglich, d. h. Programme konnten durch Programme verändert werden. Seite 1 10

13 Abbildung 1.8: Foto eines Teils des ENIAC-Rechners, der mit Vakuumröhren als Schalter arbeitete Abbildung 1.9: Übersicht über die Entwicklung der Schaltelemente beim Einsatz in digitalen Rechnern Seite 1 11

14 Ein großer Fortschritt zur Realisierung von Rechnern brachte die Erfindung des Halbleitertransistors durch Shockley, Bardeen und Brattain im Jahre 1948, wofür sie 1956 den Nobelpreis erhalten haben. Der Transistor als Schalter hatte gegenüber der Vakuumröhre eine ganze Reihe von Vorteilen wie: Höhere Zuverlässigkeit, geringere Energieverbrauch, kleinere Abmessungen, höhere Schaltgeschwindigkeit. Zunächst wurden Rechner mit diskreten Transistoren realisiert, bis 1971 bei Intel, unter der Leitung von Federico Faggin, der erste Mikroprozessor, der Intel 4004, entwickelt wurde. Bei einem Mikroprozessor sind alle Komponenten des Prozessors auf einem einzigen Halbleiterstück, Chip genannt, in der Regel aus Silizium bestehend, aufgebaut. Zuvor hatte Jack Kilby 1958 den ersten integrierten Schaltkreis ( engl. Integrated Circuit kurz IC ) genannt, hergestellt bei dem viele Transistoren auf einem einzigen Chip integriert werden. Dafür erhielt er im Jahre 2000 den Nobelpreis. Die Maschinensprache des Intel 4004 bestand aus 46 Befehlen. Der Mikroprozessor war aus 2300 Transistoren aufgebaut und lief mit einer Taktfrequenz von 108 khz. Abbildung 1.10: Sicht auf den Chip eines Mikroprozessors 4004 (links) und einen vergrößerten Ausschnitt (rechts) Seite 1 12

15 Das Mikroprozessorkonzept war der entscheidende Durchbruch bei der Entwicklung von Rechnern und ist der Auslöser einer bis heute andauernden Leistungsexplosion bei Rechnern. Die Mikroprozessoren werden bis heute stetig in ihrer Leistungsfähigkeit verbessert. Das ist auch deutlich in der nachfolgenden Graphik zu sehen, wo die Anzahl der Transistoren in Mikroprozessoren von Intel dargestellt ist. Die Anzahl der auf einem Chip befindlichen Transistoren kann als Maß für die rechnerische Leistungsfähigkeit des Mikroprozessors aufgefasst werden. Abbildung 1.11: Darstellung der Entwicklung der Leistungsfähigkeit von Mikroprozessoren anhand der Anzahl an Transistoren am Beispiel von Intelprozessoren Diese Entwicklung kann im sogenannten Moore schen Gesetz, das nach einem Intelmitarbeiter benannt ist, zusammengefasst werden: Die Anzahl der auf einem Chip integrierten Transistoren verdoppelt sich alle 18 Monate. Die Erhöhung der Anzahl der Transistoren auf einem Chip, bei nahezu gleicher Fläche, wird dadurch erreicht, dass die Transistoren in immer kleineren Abmessungen hergestellt werden d. h. die Strukturgröße wird immer kleiner und damit die Transistordichte, Anzahl Transistoren pro Fläche, immer größer. Eine zusätzliche Leistungssteigerung ergibt sich aber auch noch dadurch, dass diese kleineren Transistoren schneller Seite 1 13

16 geschaltet werden können d. h. ein Prozessor kann mit höherer Taktrate betrieben werden. Das Moore sche Gesetz hat jedoch keine uneingeschränkte Gültigkeit. Aufgrund physikalischer Grundgesetze wird es ab einer bestimmten Transistordichte nicht mehr gelten. Schließlich kann ein Transistor nicht beliebig klein gemacht werden. Die Leistungssteigerung auf dem Gebiet der Mikroprozessoren wird auch sehr eindrucksvoll deutlich, wenn man einige Kenndaten des ersten Mikroprozessors, des Intel 4004, mit den Kenndaten eines modern Mikroprozessors, hier dem Pentium 4, vergleicht. Der Intel Pentium 4 enthält in seiner ursprünglichen Version Transistoren. Der Intel 4004 enthält 2300 Transistoren. Das ist eine Erhöhung um den Faktor 18300! Die Taktfrequenz des Intel Pentium 4 liegt bei 1,5 GHz, die des Intel 4004 bei 108 KHz. Das ist eine Erhöhung um den Faktor 13900! Abbildung 1.12: Chipfoto eines Pentium 4 Prozessors Seite 1 14