Übersicht. Einleitung. Übersicht. Architektur. Dr.-Ing. Volkmar Sieh WS 2008/2009

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1 Übersicht Einleitung 1 Einleitung Dr.-Ing. Volkmar Sieh 2 Technologische Trends Institut für Informatik 3: Rechnerarchitektur Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg WS 2008/ Historischer Rückblick Einleitung 1/ Einleitung 2/ Übersicht 1 Einleitung 2 Technologische Trends 3 Historischer Rückblick Eine beschreibt eine Gesamtheit von Objekten, die in bestimmter Weise miteinander verbunden sind. Dies geschieht unabhängig von einer Realisierung. Einleitung 3/ Einleitung 4/

2 Auswirkungen der Rechnerarchitektur Die bestimmt ganz wesentlich die Rechenleistung eines Computers. Sie beeinflusst die Programmierbarkeit von Computern. Verschiedene Applikations-Klassen verwenden verschiedene en: Datenbank-Anwendungen Office-Anwendungen High-Performance-Computing Embedded Systems Mobile Computing Einleitung 5/ Einleitung 6/ Datenbank-Anwendungen: viele Benutzer On-Line-Operationen kurze Antwortzeiten kurz laufende Jobs große Datenmengen hohe Verfügbarkeit High-Performance-Computing wenige Benutzer Batch-Jobs lang laufende Jobs hohe Rechenleistung hohe Zuverlässigkeit Einleitung 7/ Einleitung 8/

3 Grand Challanges Einflüsse auf die Rechnerarchitektur Grand Challenges Beispiel: 72-Stunden Wettervorhersage Technologie Programmiersprachen / Compiler Betriebssysteme Anwendungen historische Einflüsse... Einleitung 9/ Einleitung 10/ Analysen Architekt Machbarkeitsstudie Leistungsbewertung Verläßlichkeitsbewertung Kostenanalyse Architekt sucht im Raum der möglichen Designs nach der besten Lösung Einleitung 11/ Einleitung 12/

4 -Analysen kriterien Eigenschaften guter en: hohe Rechenleistung zuverlässig, robust einfach skalierbar, modular handhabbar, programmierbar orthogonal, symetrisch ausgewogen wirtschaftlich, adäquat... Einleitung 13/ Einleitung 14/ kriterien kriterien Orthogonalität: jedes Modul bietet eine präzise beschriebene Funktionalität; es gibt keine zwei Module, die (in etwa) die gleiche Funktionalität bieten => Wartbarkeit, Kosten, Handhabbarkeit Skalierbarkeit: ohne weitere Änderungen kann durch Hinzufügen weiterer Module ein System verbessert werden => Erweiterbarkeit, Wirtschaftlichkeit Adäquatheit: Die Kosten eines Moduls sind adäquat zur Funktion => Performance, Kosten Symetrie: Existenz eines Moduls impliziert die Existenz eines anderen Moduls => einfache Programmierung Einleitung 15/ Einleitung 16/

5 kriterien kriterien (Transparenz) Virtualität: Elimination von physikalischen Grenzen (vitueller Prozessor, virtueller Speicher, virtuelle Kanäle) => skalierbar, ausbaubar, einfache Programmierung Transparenz: unwichtige Details werden verborgen => einfache Programmierung Zugriffstransparenz: identische Operationen um auf Speicher zuzugreifen (Hauptspeicher, Plattenspeicher,...) => einfache Programmierung Ortstransparenz: Zugriff auf Objekte ohne Wissen, wo das Objekt zur Zeit liegt => einfache Programmierung Replikationstransparenz: transparente Nutzung von mehreren Kopien von Objekten => Performance, Zuverlässigkeit Parallelitätstransparenz: transparente Nutzung von Parallelität => Performance, Erweiterbarkeit, Skalierbarkeit Einleitung 17/ Einleitung 18/ kriterien (Transparenz) Performance-Transparenz: System-Konfiguration kann geändert werden, ohne die Funktionalität zu beeinflussen. => Skalierbarkeit, Wartbarkeit, Zuverlässigkeit Größentransparenz: System kann erweitert werden, so dass sich die Performance verbessert => Skalierbarkeit, Kosten Fehlertransparenz: System verbirgt, maskiert oder toleriert Fehler => Zuverlässigkeit Ein Computer-System besteht aus mehreren Organisationsebenen / Abstraktionsebenen. Rechnerarchitektur beschäftigt sich mit der Maschinenebene. Einleitung 19/ Einleitung 20/

6 Rechnerarchitektur: von Computer-Hardware. User Interface (Programmiererschnittstelle): ISA Hardware-System- (Struktur): HSA Hardware-Komponenten bedeutet wichtige Entscheidungen bezüglich der Struktur von Hardware (oder Software): Auswahl von Komponenten und Interfaces Verbindung von Komponenten zu größeren Einheiten Einleitung 21/ Einleitung 22/ Übersicht Hardware-Ideen müssen von Software-Designern akzeptiert werden; daher sollten Hardware-Designer viel über Software wissen. Software-Designer sollten viel über Hardware lernen, um mit Hardware-Designern über neue Hardware reden und sie damit beeinflussen zu können. 1 Einleitung 2 Technologische Trends 3 Historischer Rückblick Einleitung 23/ Einleitung 24/

7 - 1940: Mechanische Maschinen : Elektromechanische Relais, Röhren : Transistor, Magnetkernspeicher : SSI - MSI, Halbleiterspeicher, Mikroprozessoren : LSI - VLSI, Vektorrechner, Multiprozessoren, Pipelining : RISC, Super-Skalar, massiv-parallele Multiprozessoren, High-Performance-Workstations und -Netze Zeiten für die Ausführung einzelner Operationen: Elemente Zeit relative Zeit Relais 100ms Röhre 1ms Transistor 100µs SSI-MSI 1µs 100 VLSI 10ns 1 Einleitung 25/ Einleitung 26/ Kapazität und Zugriffszeiten von RAM-Chips: Anzahl Logikelemente in Mikroprozessoren: Jahr Größe Zugriffszeit kbyte 250 ns kbyte 220 ns MByte 190 ns MByte 165 ns MByte 145 ns MByte 120 ns MByte GByte GByte Einleitung 27/ Einleitung 28/

8 Instruktionen pro Sekunde / $ Technologie => große Änderungen: Prozessor Anzahl Logikelemente: 30% pro Jahr Taktrate: 20% pro Jahr RAM Kapazität: 60% pro Jahr (alle 3 Jahre vervierfacht) Geschwindigkeit: 10% pro Jahr Kosten pro Bit: 25% pro Jahr Harddisk Kapazität: 60% pro Jahr Einleitung 29/ Einleitung 30/ Systemverbesserungen Vorhersagen: Einleitung 31/ Einleitung 32/

9 - Prozessor-Verbesserungen Verbesserungen in Technologie und auf allen Ebenen: Prozessor RAM System Verbindungsnetzwerk Beispiel: Intel i80x : 8086 (16 Bit Daten, 20 Bit Adressen) 1980: 8087 Floating-Point-Coprozessor 1982: (24 Bit Adressen) 1985: (32 Bit Daten/Adressen) : 80486, Pentium (einige neue Instruktionen) 1999: Merced / Itanium Einleitung 33/ Einleitung 34/ Übersicht Schickhard 1 Einleitung Wilhelm Schickhard 2 Technologische Trends 3 Historischer Rückblick Einleitung 35/ Einleitung 36/

10 Pascal Leibniz Blaise Pascal Gottfried von Leibniz Einleitung 37/ Einleitung 38/ Babbage Hollerith-Maschine Erster programmierbarer Computer Charles Babbage Herman Hollerith Einleitung 39/ Einleitung 40/

11 Zuse Z1 Mark 1 Erster frei programmierbarer Rechner Erster Digitalrechner Konrad Zuse Howard Aiken Einleitung 41/ Einleitung 42/ ENIAC 1 John von Neumann Rechner mit elektronischen Röhren John Eckert von-neumann - / IAS bit-parallel Machine John Mauchly Einleitung 43/ Einleitung 44/

12 DEC PDP-1 Erster kommerzieller Rechner mit Monitor und Tastatur Intel 4004 Erster Mikroprozessor Einleitung 45/ Einleitung 46/ ILLIAC IV Erster SIMD-Rechner Cray 1 Erster Vektor-Rechner (> 100 Million FLOPS) Seymour Cray Einleitung 47/ Einleitung 48/

13 Apple 1 Erster Ein-Platinen-Rechner Steven Jobs Heute Mobile Geräte Steve Wozniak Einleitung 49/ Einleitung 50/