Verständnis zum Aufbau und der Arbeitsweise von Rechnersystemen

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Eike Otto
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1 B Einführung B.1 1 Zielsetzung Verständnis zum Aufbau und der Arbeitsweise von Rechnersystemen Möglichkeiten und Grenzen der Hardware Verständnis für spezifisches Systemverhalten Entwicklung hardwarenaher Programme Ansteuerung von Ein- Ausgabegeräten (z.b. Treiber) Implementierung effizienter Programme (z.b. in Maschinensprache) B.2

2 1 Zielsetzung (2) Grundlage für Hauptstudiumsveranstaltungen Bereich Technische und Systemnahe Informatik Entwurf digitaler Hardware Rechnerarchitektur Betriebssysteme Rechnernetze Verteilte Systeme B.3 2 Analoge und digitale Rechner Analogrechner Verarbeitung kontinuierlicher Größen Länge, Spannung, Temperatur nach Clements Größe Zeit Beispiele: Rechenschieber (17. Jahrhundert) Feuerleitrechner (Anfang d. 20. Jahrhunderts) elektromechanischer Analogrechner (um 1930) B.4

3 2 Analoge und digitale Rechner (2) Digitale Rechner Verarbeitung diskreter Größen mechanische Rasten, Spannungsniveaus, Stromfluss nach Clements Größe Zeit Beispiele: Abacus (3000 v. Chr.) Lochkartenwebstuhl (Anfang 19. Jahrhundert) heutige Rechner B.5 2 Analoge und digitale Rechner (3) Vergleich: Genauigkeit Unterscheidung Genauigkeit der Darstellung von Größen Genauigkeit der Verarbeitung von Größen Analogrechner theoretisch beliebig genau Darstellung unpräzise Mechanik/Elektronik des Rechners: Ungenauigkeiten selbst bei einfachen Berechnungen (z.b. durch Temperaturabhängigkeit) Digitalrechner theoretisch ungenau Darstellung (kann nur in Stufen rechnen) unpräzise Mechanik/Elektronik des Rechners: nur in Extremfällen Ungenauigkeiten bei der Verarbeitung B.6

4 2 Analoge und digitale Rechner (4) Vergleich: Datenspeicherung Analogrechner Speicherung von Daten problematisch siehe z.b. alte Tonkassetten Digitalrechner Speicherung von Daten einfach realisierbar B.7 2 Analoge und digitale Rechner (5) Analogrechner Einsatz für Spezialprobleme Beispiel: Lösen von Differentialgleichungen heute nicht mehr in Gebrauch Digitalrechner heute vorwiegend elektronische Digitalrechner im Einsatz Vorteil insbesondere höhere Genauigkeit lässt sich kostengünstiger als bei Analogrechnern erreichen B.8

noch heute im asiatischen Raum im Einsatz 1629 Rechenschieber (William Oughtred)

9 3 Historische Entwicklung (2) 1666 Grundlagen der Logik (Gottfried Wilhelm

5 3 Historische Entwicklung 3000 v. Chr. Abacus: älteste Rechenhilfe der Welt genauer Ursprung unklar verschiedene Versionen noch heute im asiatischen Raum im Einsatz 1629 Rechenschieber (William Oughtred) 1642 Pascaline (Blaise Pascal) mechanische Rechenmaschine nur Addition B.9 3 Historische Entwicklung (2) 1666 Grundlagen der Logik (Gottfried Wilhelm Leibniz) 1673 mechanische Rechenmaschine, Stepped Reckoner (Leibniz) vier Grundrechenarten Wurzelziehen Präzisionsprobleme bei der Herstellung B.10

11 3 Historische Entwicklung (4) 1822 Differenzmaschine (Charles Babbage) Präzisionsprobleme bei der Herstellung nie vollendet 1834

6 3 Historische Entwicklung (3) 1804 automatischer Webstuhl (Joseph Jacquard) Lochkarten bestimmen Muster Löcher steuern Anheben und Senken der Kettfäden erster Nur-Lese-Speicher (ROM, Read-Only Memory) B.11 3 Historische Entwicklung (4) 1822 Differenzmaschine (Charles Babbage) Präzisionsprobleme bei der Herstellung nie vollendet 1834 Analytische Maschine (Babbage) theoretisch programmierbar erster universeller Rechenautomat Rechenwerk Mill Speicher Store Einsatz von Lochkarten erste Programmierin: Lady Augusta Ada Lovelace B.12

3 Historische Entwicklung (5) 1847 Boolesche Algebra (George Boole) binäre logische Operationen Basis für heutige Digitalrechner 1890 Tabelliermaschine

13 3 Historische Entwicklung (6) 1930 elektromech.

7 3 Historische Entwicklung (5) 1847 Boolesche Algebra (George Boole) binäre logische Operationen Basis für heutige Digitalrechner 1890 Tabelliermaschine (Herman Hollerith) Zähl- und Sortiermaschine (Volkszählung) Basis Lochkarten Holleriths Firma wurde später zur IBM B.13 3 Historische Entwicklung (6) 1930 elektromech. Analogrechner Differential Analyzer (Vannevar Bush) 1940 Z3 (Konrad Zuse) Relaistechnik (2200 Stück) 10 Hertz Taktfrequenz 22-stellige Binärzahlen (Gleitkomma- Format) dezimale Ein-/Ausgabe Speicher mit 64 Worten Steuereinheit mit Sequenzer Addition in 3 Takten, Multiplikation in 16 Takten B.14

3 Historische Entwicklung (7) 1945 von Neumann Architektur (Presper Eckert, John Mauchly, John von Neumann) klassischer Universalrechner vier wesentliche Komponenten: Leitwerk, Rechenwerk,

8 3 Historische Entwicklung (7) 1945 von Neumann Architektur (Presper Eckert, John Mauchly, John von Neumann) klassischer Universalrechner vier wesentliche Komponenten: Leitwerk, Rechenwerk, Speicherwerk, Ein- u. Ausgabewerk Programme und Daten in einem Speicher Rechenwerk mit ALU und Registern Leitwerk mit fetch-decodeexecute Instruktionszyklus E/A-Werk zur Ein- und Ausgabe binäre Kodierung Leitwerk E/A-Werk Rechenwerk Speicherwerk B.15 3 Historische Entwicklung (8) 1946 ENIAC (John Mauchly, Presper Eckert) Röhrentechnik (19000 Stück) 130 m 2, 30 Tonnen, 140 kw ca Additionen je Sek. 20 Akkumulatoren 1 Multiplizierer, 3 Funktionstabellen programmiert durch Kabelverbindungen E/A mittels Lochkarten gebaut für ballistische Berechnungen B.16

Minicomputer 1965 PDP-8 Omnibus (erstes Bussystem) B.

9 3 Historische Entwicklung (9) 1959 Integrierte Schaltung (Jack Kilby) 1961 PDP-1 (DEC) Transistortechnik magnetischer Kernspeicher für Bit Worte 200 khz Takt CRT, 512 x 512 Pixel Grafik erster Minicomputer 1965 PDP-8 Omnibus (erstes Bussystem) B.17 3 Historische Entwicklung (10) 1965 IBM 360 erste Rechnerfamilie mit gleichem Instruktionssatz Mehrprogrammbetrieb mikroprogrammierbar 32-Bit Worte 16 MByte Adressraum B.18

10 3 Historische Entwicklung (11) 1972 PDP Bit Speicherworte Entwicklungsumgebung für UNIX und C 1976 Cray-1 erster Vektorrechner 1985 MIPS erster RISC-Mikroprozessor 1987 Connection Machine erster massiv paralleler Rechner mit Prozessoren B.19 3 Historische Entwicklung (12) 1992 DEC Alpha erster RISC-Mikroprozessor mit 64-Bit CPU 1997 Supercomputer ASCI Red 1 TFlops 2000 erster Mikroprozessor mit 1 GHz Taktfrequenz 2005 erster Dual-Core Mikroprozessor B.20

11 3.1 Entwicklung der Prozessoren Beispiel: Prozessoren von Intel 1974 Intel 8080 erste universelle 8-Bit CPU auf einem Chip 1978 Intel 8086 erste 16-Bit CPU auf einem Chip 1981 Einführung des IBM PC 1985 Intel erste 32-Bit CPU 1989 Intel Cache und FPU auf Chip integriert B Entwicklung der Prozessoren (2) 1993 Intel Pentium zwei Pipelines 1995 Intel Pentium Pro bis zu fünf Instruktionen gleichzeitig 2002 Pentium 4 bis zu 2,4 GHz Takt Trace-Cache 2005 Dual Core Pentium zwei Prozessorkerne B.22

12 3.2 Leistungssteigerung Mips 100 Mips Cray 1 Cray Pentium 4 Itanium 2 Pentium III Ultra Sparc III Pentium P6 Ultra Sparc II Pentium 4 Pentium Pentium III 1 GFlops 100 MFlops 10 Mips Pentium P6 Pentium 10 MFlops 1 Mips MFlops nach Strey 80386/387 (bezogen auf Linpack Benchmark) MFlops B Komplexitätssteigerung Mooresches Gesetz Verdoppelung der Transistorzahl alle 18 Monate Anzahl Transistoren Pentium III Pentium Pro Pentium II Pentium nach Strey Mooresches Gesetz: Verdopplung der Transistoranzahl alle 18 Monate B.24

13 3.4 Entwicklung der Betriebssysteme Stapelverarbeitung Wechselpufferbetrieb Spooling (Trennung von Ein-, Ausgabe und Berechnung) 1964 DOS 360 (IBM) allgemeines Betriebssystem mit Mehrprogrammbetrieb 1969 Unix (Bell Labs) Betriebssystem für Minicomputer 1972 MVS (IBM) Virtueller Speicher B Entwicklung der Betriebssysteme (2) 1976 CPM 80 (Digital Research) Betriebssystem für Mikroprozessor 1981 MS/DOS (Microsoft) Durchbruch als Mikroprozessor-Betriebssystem 1982 MacOS / Finder (Apple) graphische Oberfläche 1985 Netware (Novell) Vernetzung von PCs 1986 MS Windows (Microsoft) die graphische Oberfläche für PC B.26

14 3.4 Entwicklung der Betriebssysteme (3) 1990 Windows NT (Microsoft) echter Multiprogrammbetrieb nun auch auf dem PC 1996 Linux (Linus Thorvald) Open Source Unix 2001 Windows XP (Microsoft) bunter, schneller, besser (?) B.27 4 Schichtenmodell Abstraktionsschichten eines Rechensystems Ebene 6 Ebene 5 Ebene 4 Ebene 3 Ebene 2 Ebene 1 Ebene 0 Problemorientierte Sprache Compiler Assemblersprache Assembler Betriebssystem Teilinterpretation ISA (Instruction Set Architecture) Interpretation durch Mikroprogramm Mikroarchitektur Implementierung in Gattern Digitale Logik Implementierung in Hardware Physik B.28

15 5 Struktur der Vorlesung Überblick A Organisatorisches B Einführung C Schaltalgebra D Sequentielle Logik E Technologische Grundlagen F Programmierbare Logikbausteine G Zahlendarstellung und Rechnerarithmetik H Hypothetischer Prozessor I Einführung in Betriebssysteme J Prozesse und Nebenläufigkeit K Speicherverwaltung B.29 5 Struktur der Vorlesung (2) Einordnung der Kapitel Ebene 6 Problemorientierte Sprache A B Ebene 5 Assemblersprache Ebene 4 I Betriebssystem J K Ebene 3 Ebene 2 Ebene 1 Ebene 0 ISA (Instruction Set Architecture) C D E Mikroarchitektur Digitale Logik Physik H F G B.30

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