Technische Informatik I SS 2001 PD Dr. A. Strey Abteilung Neuroinformatik Universität Ulm Inhalt Einführung: Überblick über die historische Entwicklung der Rechnerhardware Teil 1: Digitale Logik kurzer Exkurs technologische Grundlagen Boolesche Algebra kombinatorische Logik sequentielle Logik programmierbare logische Bausteine 2 1
Inhalt (Forts.) Teil 2: Rechnerorganisation Rechnerarithmetik Mikroprogrammierung Entwurf eines hypothetischen Prozessors Speicherorganisation Teil 3: Grundlegende Konzepte von Betriebssystemen Prozeßbegriff Speicherverwaltung Virtueller Speicher 3 Ziel Verständnis des Aufbaus und der Arbeitsweise eines Computers, z.b. um Möglichkeiten und Grenzen moderner Hardware kennenzulernen E/A-Geräte anzusteuern effiziente Programme zu implementieren zeitkritische Routinen in Maschinensprache kodieren zu können die Grundlagen für den Entwurf digitaler Hardware bereitzustellen 4 2
Literatur A. Clements: The Principles of Computer Hardware, 3. Auflage, Oxford University Press, 2000 L. Keedy, J. Kaiser: Skript Technische Informatik, Teile 1 und 2 W. Oberschelp, G. Vossen: Rechneraufbau und Rechnerstrukturen, 8. Auflage, Oldenbourg Verlag, 2000 W. Coy: Aufbau und Arbeitsweise von Rechenanlagen, Vieweg Verlag, 1988 J.L. Hennessy, D.A. Patterson: Computer Organization and Design, Morgan Kaufmann 1994 H. Liebig, S: Thome: Logischer Entwurf digitaler Systeme, 3. Auflage, Springer 1996 5 Organisatorisches Vorlesung: Mi 14-16 (Klinik), Do 14-16 (H4/5) Übung: Di 16-18 (ca. 14-tägig), Beginn: 15.5.01, weitere Termine am 22.5., 5.6., 19.6., 3.7., 17.7.01 Praktikum: Vorbesprechung und Einteilung am Di, 08.05.01, 16-18 im H1 (Pflichtveranstaltung!) Versuch 1 (kombinatorische Logik) vom 28.5.-8.6.01, Versuch 2 (sequentielle Logik) vom 18.6.-29.6.01, Versuch 3 (Zustandsmaschinen) vom 9.7.-20.7.01 6 3
Historische Entwicklung: Frühzeit 8500 v. Chr.: Zählsysteme in vielen Kulturen benutzt häufig 5 oder 10 als Basis 3000 v. Chr.: Abacus älteste mechanische Rechenhilfe Ursprung in Babylonien, noch heute in China benutzt 2 Zonen: heaven, earth einfache Algorithmen nötig 7 Historische Entwicklung: 1600-1700 1642: Pascaline entwickelt von B. Pascal auf Zahnrädern basierend Addition von zwei bis zu 8-stelligen Dezimalzahlen Subtraktion nur mit 10er Komplement 1673: Stepped Reckoner entwickelt von G.W. Leibniz Staffelwalze für Mult., Div. 8 4
Historische Entwicklung: 1800-1900 1804: Lochkarte entwickelt von Jacquard zur Steuerung eines Webstuhls Unterschiedliche Webmuster durch unterschiedlich gelochte Holzbrettchen erster Nur-Lese-Speicher (ROM) für Programme 9 Historische Entwicklung: 1800-1900 (Forts.) 1830: analytic engine entwickelt von C. Babbage Leitwerk, programmierbar mit Lochkarten Rechenwerk ( mill ) Speicher ( store ) für 1000 Dezimalzahlen aus 50 Stellen Ein-/Ausgabe mit Lochkarten Verzweigungen möglich erster universeller Rechner 10 5
Historische Entwicklung: 1800-1900 (Forts.) 1850: Boolesche Algebra entwickelt von G. Boole binäre logische Operationen mathematische Basis für moderne Digitalrechner 1890: Tabelliermaschine entwickelt von H. Hollerith zum schnellen Zählen und Sortieren Holleriths Tabulating Machine Company wurde 1924 zur IBM 11 Historische Entwicklung: 1900-1945 1941: Z3 entwickelt von K. Zuse 10 Hertz Taktfrequenz basierend auf 2200 Relais 22-stellige Binärzahlen (im Gleitkomma-Format) dezimale Ein-/Ausgabe Speicher mit 64 Worten Steuereinheit mit Sequenzer Addition in 3 Takten, Multiplikation in 16 Takten 12 6
Historische Entwicklung: seit 1945 Zeitalter der elektronischen Digitalrechner 1. Generation (1940-1955): mit Vakuumröhren 2. Generation (1955-1965): mit Transistoren 3. Generation (1965-1980): mit ICs 4. Generation (seit 1980): mit VLSI 13 Historische Entwicklung: seit 1945 (Forts.) 1946: ENIAC 18000 Röhren, 1500 Relais 130 m 2, 30 Tonnen, 140 kw dezimale Kodierung ca. 5000 Additionen je Sek. 20 Akkumulatoren, 1 Multiplizierer, 3 Funktionstabellen programmiert durch Kabel E/A mittels Lochkarten gebaut für ballistische Berechnungen 14 7
Historische Entwicklung: seit 1945 (Forts.) 1946: von-neumann Maschine Speicherwerk enthält Programme und Daten Rechenwerk mit ALU und Registern zentrales Steuerwerk mit fetch-decode-execute Instruktionszyklus E/A-Werk mit Daten- Umwandlung binäre Kodierung 15 Historische Entwicklung: 1955-1965 1961: PDP-1 gebaut von DEC auf Transistortechnik basiert magnetischer Kernspeicher für 4096 18-Bit Worte 200 khz Takt CRT, 512 x 512 Pixel Grafik erster Minicomputer Es folgten: PDP-8 mit Omnibus (erstes Bussystem, 1965), PDP-11 mit 16-Bit Worten (1970) 16 8
Historische Entwicklung: seit 1965 IBM System/360 erste Rechnerfamilie mit gleichem Instruktionssatz Mehrprogrammbetrieb Mikroprogammierung 32-Bit Worte 16 Mbyte Adreßraum 17 Historische Entwicklung: seit 1975 Mikroprozessoren am Beispiel 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 80386 (erste 32-Bit CPU) 1989: Intel 80486 (Cache auf Chip) 1993: Intel Pentium (zwei Pipelines) 1995: Intel Pentium Pro (bis zu fünf Instruktionen gleichzeitig) 18 9
Historische Entwicklung: seit 1975 (Forts.) Weitere Meilensteine der Computer-Hardware: 1976: Cray-1 (erster Vektorrechner) 1985: MIPS (erster RISC-Mikroprozessor) 1987: Connection Machine (erster massiv paralleler Rechner mit 65536 Prozessoren) 1992: DEC Alpha 21064 (erster RISC-Mikroprozessor mit 64-Bit CPU) 1997: Supercomputer ASCI Red liefert mehr als 1 TFlops 2000: erster Mikroprozessor mit 1 GHz Taktfrequenz 19 Leistungssteigerung 1975-2000 20 10
Komplexitätssteigerung 1975-2000 21 Architektur eines einfachen Computers 22 11
Schichtenmodell eines Computers 23 12