Hardwarearchitekturen und Rechensysteme

Transkript

1 Lehrstuhl für Eingebettete Systeme Hardwarearchitekturen und Rechensysteme 1. Einleitung Folien zur Vorlesung Hardwarearchitekturen und Rechensysteme von Prof. Dr. rer. nat. U. Brinkschulte Prof. Dr.-Ing. L. Hedrich (basierend auf Materialien von Prof. Dr.-Ing. K. Waldschmidt)

2 Motivation Computer Hardware ist allgegenwärtig Nr.:2

3 Motivation Nr.:3

4 Wirkungsfeld Technische Informatik Rechensysteme Eingebettete Systeme Heterogene Systeme Hardware/Software Codesign Entwurfsmethodik / Synthese Logischer Entwurf digitaler Systeme Rechnerarchitektur / Rechnerorganisation Physikalische, elektrotechnische und technologische Grundlagen Nr.:4

5 Ubiquitous Computing Ubiquitous Computing/Ambient Intelligence: Allgegenwärtige Rechnerleistung vorwiegend in Eingebetteten Systemen Sind das Computer? Computer im täglichen Leben: Braune Ware (Unterhaltung): Stereoanlage, Autoradio mit MP3-Player, Handy Weiße Ware (Haushalt): Waschmaschine mit Computerregelung, Hausvernetzung Kfz: Motorregelung, Fahrstabilitätsregelung Nr.:5

6 Ubiquitäre Systeme Die dritte Ära der Rechnernutzung 1. Grossrechner: ein Rechner viele Nutzer 2. Personal Computer: ein Rechner ein Nutzer 3. Ubiquitäre Systeme: viele Rechner ein Nutzer Nr.:6

7 Merkmale ubiquitärer Systeme Ubiquitäre Systeme sind eine Erweiterung sogenannter eingebetteter Systeme Rechner, die in technische Systeme eingebettet sind, also z.b. Waschmaschine, Fahrkartenautomaten, ABS im Auto etc. überall in hoher Zahl vorhanden - Allgegenwart ubiquitäre Systeme nutzen drahtlose Vernetzung Handytechnologien, Funk-LAN, Bluetooth, Infrarot Umgebungswissen, das es ubiquitären Systemen erlaubt, sich in hohem Maße auf den Menschen einzustellen Neue Geräte wie z.b. Handhelds, tragbare Rechner Nr.:7

8 Schlaue Weste Die Weste erlaubt es, alle Informationen hautnah bei sich zu haben. Zu jeder Weste gehör ein Mikrorechner, der über ein Funknetzwerk mit einem Zentralrechner verbunden ist. Der Große lieferte dem Kleinen ständig alle Informationen z.b. über Zeitpläne, Startaufstellungen, Ergebnisse und sonstige Meldungen. Verlässt der Journalist den Funkbereich, ist er vom Funknetz abgeschnitten. Kommt er zurück, werden alle Infos sofort aktualisiert. Infos am Körper: Schlaue Weste für Sportjournalisten Nr.:8

9 MediaCup (Teco Karlsruhe) Nr.:9

10 Der Boden der MediaCup enthält die Elektronik in einem abnehmbaren Gummiüberzieher. Kern ist ein kleiner Mikroocontroller Die Elektronik wird kabellos mit Energie versorgt; ein 15 minütiger Aufladevorgang kann die Tasse etwa 10 Stunden mit Energie versorgen. Sensoren erkennen Temperatur und Bewegungszustand der Tasse. Diese Informationen wird von der Tasse in den Raum gesendet. Nr.:10

11 Aufbau eingebetteter Systeme Umgebung Eingebettetes System: Hardware (Elektronik) Colibree Prototyp für Home-Automation der TU Braunschweig (OS: Linux) Software (Programme) Nr.:11

12 Eingebettete Systeme Eingebettete Systeme (ES) sind maßgeschneiderte Computer für spezielle Aufgaben. Anforderungen: ES PC Preis <100$ $ Leistungsaufnahme <1W 40W + Taktfrequenz max 100MHz 2 GHz + Diese Anforderungen sind erfüllbar, da die Rechner in eingebetteten Systemen auf genau eine Aufgabe optimiert sind. Ziel des Entwurfs: Optimierung des eingebetteten Systems für seine spezielle Aufgabe. Probleme: Time to market, Sicherheit & Qualität, Komplexität & Heterogenität... Nr.:12

13 Wie entsteht das alles? Mikroelektronik Software Nr.:13

14 Der erste Transistor William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain entwickeln 1948 den ersten Transistor. Quelle : IEEE Computer Society Nr.:14

15 Die erste integrierte Schaltung Jack Kilby, Texas Instruments, stellt 1958 die erste integrierte Schaltung her. Ein Transistor, ein Widerstand und eine Kapazität arbeiten zusammen auf einem einkristallinen Stück Germanium. Quelle : Siemens Nr.:15

16 DTL erste kompakte Logikfunktionen NAND (Nicht Und) Gatter in Dioden-Transistor-Logik Nr.:16

17 TTL robuste und leistungsfähige Logikfunktionen Mit der Einführung der Transistor-Transistor-Logik (TTL) im Jahre 1962 beginnt der Siegeszug der Digitaltechnik. NOR-Gatter mit 7 Bauelementen auf 1,2 mm 2 Quelle: Siemens NAND-Gatter in TTL Nr.:17

18 Eine legendäre Firmengründung 1969 wird die Firma Intel gegründet, die sich zum führenden Unternehmen der Halbleiterindustrie entwickeln wird. Die ersten 106 Intel-Angestellten auf dem Parkplatz ihrer Firma in Mountain View (Quelle: Intel) Nr.:18

19 Ein Gesetz wird entdeckt 1965 stellt Gordon Moore (Fairchild) fest, daß sich die Anzahl der Transistoren in einer integrierten Schaltung alle 18 Monate verdoppelt. Er behauptet, daß dieser Trend bis 1975 anhalten wird. Moore's Law ist geboren. "Cramming more components onto integrated circuits" Quelle: Electronics, Vol. 38, No. 8, 1965 Nr.:19

20 Die erste µp-anzeige (15. Nov. 1971) Fachzeitschrift: Electronics News Nr.:20

21 Die Zentraleinheit wurde 1971 unter der Bezeichnung Intel 4004 als Kernstück eines Mikrorechnersystems (MCS-4) angeboten. Sie war Bestandteil einer modularen Lösung für einen Tischrechner für die Firma Busicom Zum Vergleich: Eine festverdrahtete Lösung für das gleiche Problem (von Busicom selbst entwickelt) bestand aus: 12 Bausteinen jeweils ca 2000 Transistoren jeweils ca 40 Anschlüsse Nr.:21

22 Fast gleichzeitig beauftragte die Firma Datapoint Corporation die Firmen Intel und Texas Instruments mit der Entwicklung eines Bausteins zur Steuerung eines Terminals. Intel hatte Erfolg, der Baustein war jedoch um Faktor 10 zu langsam. Dieser Baustein wurde von Intel 1972 unter der Bezeichnung 8008 als universelle 8-Bit CPU vertrieben. Kenndaten: ca Transistoren PMOS Technologie (2 Versorgungsspannungen) 8 Bit Datenbus, 14 Bit Adressbus (16 kbyte) 6 Register (8 Bit), 45 Befehle Instruktionszeit ca. 30 Mikrosekunden 18 Anschlüsse Nr.:22

23 Ein Pentium-Ahnherr mit seinen Vätern 1974 stellt Intel den 8080 vor, einen Mikroprozessor mit 5000 Transistoren. Damit steht der Personal Computer (PC) vor der Tür. Andy Grove, Robert Noyce, Gordon Moore (1978) Layout des 8080 (Quelle : Intel) Nr.:23

24 Andere können es auch 1982 stellt Siemens einen Ein-Chip-Mikrocomputer mit Transistoren auf 25 mm 2 vor. Quelle: Siemens Nr.:24

25 DRAMs: Die Technologielokomotive Beim 4 Megabit-Speicher wird 1988 erstmalig die dritte Dimension des Siliziums durch sogenannte Grabenkondensatoren genutzt. Frauenhaar auf 4M-DRAM (Quelle : Siemens) Nr.:25

26 Moore s Law Quelle: Nr.:26

27 SIA Roadmap (Semiconductors Industries of America) Nr.:27

28 Mehr Leistung bei weniger Stromverbrauch Strukturgrößen 0,35 µ 0,25 µ 0,18 µ 0,13 µ 0,10 µ 0,07 µ Nr.:28

29 Verfügbarkeit von Speicherchips Nr.:29

30 Mikroelektronik für alle Chipkarten-IC Intelligenter Leistungsschalter Bild-im-Bild-Baustein GSM-Baustein DECT-Baustein 16 MegaBit DRAM Quelle: Siemens Nr.:30

31 Umsatz der Halbleiterindustrie NEC Intel Toshiba Samsung Hitachi TI Intel Toshiba Motorola STM Infineon Renesas NEC STM Philips 10 Siemens Freescale Mrd. $ Summe 237 Mrd $ Source : isuppli Nr.:31

32 Wirkungskette der Mikroelektronik Bruttoinlandprodukt 1881 Mrd. EUR Umsatz der 5er Gruppe 463 Mrd. EUR Maschinenbau Elektrotechnik Fahrzeugbau Feinmechanik Büro- & Datentechnik Elektronikgeräte Produktion 43 Mrd. EUR Bauelemente 13 Mrd. EUR Quelle: GMM 1999 (Zahlen Deutschland 1998) Mikroelektronik 7 Mrd. EUR Nr.:32

33 Pentium 4 Prozessor-Architektur Nr.:33

34 Pentium 4 Chip Layout Nr.:34

35 Core i7 (Nehalem) Prozessor-Architektur Nr.:35

36 Core i7 Chip Layout Nr.:36

37 Moore s Law nicht logarithmisch Transistoren pro Chip G K 4K 16K 64K 256K 1M 4M 16M 256M 64M Nr.:37

38 Größer, kleiner, mehr, schneller In den nächsten Jahren steigen die Scheibendurchmesser auf mehr als 450 mm, schrumpfen die Transistordimensionen auf unter 0,03 µm. 450 mm steigt die Speicherkapazität eines DRAMs auf über 64 Gigabit. Intel: Prozeß P860 Intel: Prozeß P1264 Damit steigt die Geschwindigkeit (Parallelität), Kapazität und Komplexität Nr.:38

39 Wie entwirft man diese großen Schaltungen? Synthese Nr.:39

40 Entwurfskomplexität Immer weiter wachsende Komplexität alle 18 Monate verdoppelt sich die Anzahl der Schalter auf einem Chip. Computer werden weitere Bereiche des täglichen Lebens durchdringen. Kreative und originelle Lösungen werden durch sehr kleine und billige Prozessoren ermöglicht. Lösung: Rechnergestützter Entwurf: Rechner (-werkzeuge) entwerfen Rechner Der Entwurf (eingebetteter) Systeme wird durch Rechner automatisiert. Abstraktes Modell Synthese Struktur, Realisierung Simulation, Verifikation Simulation, Verifikation Nr.:40

41 Ein Produktivitätsproblem Quelle: International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS): 1999 Edition Nr.:41

42 Was bringt uns technische Informatik? Was ist ein Computer? Woraus ist er aufgebaut? Wie wird er programmiert? Warum ist er so langsam? Wie kann man ihn schneller machen? Wieso wird er denn so warm? Was ist ein Chip? Zusammenhang zwischen physikalisch/elektrotechnischen Grundlagen und logischen Funktionen Woraus ist er aufgebaut? Wie entwirft man ihn? Nr.:42

43 Gliederung 1. Einleitung 2. Rechnerarchitektur 3. Boolesche Funktionen und Boolesche Algebra 4. Schaltnetze 5. Asynchrone sequentielle Schaltungen 6. Synchrone sequentielle Schaltungen 7. Hardwareentwurf mit VHDL 8. Systemgrundlagen Nr.:43

44 Ausblick Die Technische Informatik entwickelt sich stetig weiter! Gestalten Sie die Zukunft mit. Nr.:44