Rechnerstrukturen 6. System Systemebene 1 (Monoprozessor) 2-n n (Multiprozessor) s L1- in der L2- ( oder Motherboard) ggf. L3- MMU Speicher Memory Controller (Refresh etc.) E/A-Geräte (c) Peter Sturm, Universität Trier 1
Architektur eines PC (Externer L2-) Graphikkarte Speicher 100 MHz AGP Northbridge L2- PCI Southbridge Netzkarte SCSI Seriell/Parallel ISA USB EIDE Platte Architektur eines PC (Interner L2-) Graphikkarte AGP Speicher 100 MHz Northbridge 400 MHz L2- PCI Southbridge Netzkarte SCSI Seriell/Parallel ISA USB EIDE Platte (c) Peter Sturm, Universität Trier 2
Die Register 32/64 Bit Daten (Register) Instruktionen ca. 250 bei Intel Adressierungsarten Taktfrequenz 400 MHz und mehr Nominalleistung 1 bis maximal 3 Takte/Instruktion 133... 400 MIPS Voraussetzung für Nominalleistung Möglichst wenig Sprünge Möglichst wenig Datenabhängigkeiten Zugriff auf externe Daten in 2.5 ns... Die s Zwischenspeicherung von Instruktionen und Daten Assoziativspeicher Register L1- MMU Adresse a Hit Adresse a1 Adresse a2 Adresse an Daten d1 Daten d2 Daten dn L2- Taktfrequenz Meist takt (Pentium II o.ä.) 100 MHz (Sockel 7, z.b. AMD K6-2) Trefferquote 90% bis 95% (L1-) Miss (c) Peter Sturm, Universität Trier 3
Der Speicher Varianten FPM/EDO-RAM Synchrone DRAM (SDRAM) Rambus (400 MHz und mehr) 64 Bit Speicherzellen 100-133 133 MHz Taktfrequenz gängig Maximale Bandbreite 528 MByte/s Bandbreite wird praktisch nie erreicht Hohe Trefferquote bei den s Nicht genug Bedarf (Video in TV-Qualität nur 25 MByte/s unkomprimiert) Engpässe dahinter Speicher Northbridge Der PCI-Bus Peripheral Component Interconnect 33 MHz Taktfrequenz 32 Bit Busbreite (64 Bit möglich) 133 MHz Transferleistung AGP = Accelerated Graphics Port PCI mit doppelter Frequenz AGP Northbridge PCI (c) Peter Sturm, Universität Trier 4
Ein- und Ausgabe Graphikkarte Beispiele Graphikkarte: 2 GByte Transferleistung Speicher 35 Operationen pro Pixel bei 1024x768, 24 bpp und 25 Bilder/s Netzkarte: 12.5... 125 MByte/s SCSI: 10.. 80 MByte/s EIDE/UltraDMA: 33 MByte/s Platten: 3.. 10 MByte/s Southbridge Netzkarte SCSI Seriell/Parallel ISA USB EIDE Platte Anbindung von E/A-Geräten Entkopplung bus vom E/A-Bus Unterschiedliche Taktfrequenzen Elektrische Trennung Bridge PCI-Standard Transparent (Zugriff über Adressen) Zwei Architekturansätze Dedizierter E/A-Bus Speicherbasierte E/A (c) Peter Sturm, Universität Trier 5
Dedizierter E/A-Bus Interrupts Hauptspeicher Gerät Gerät Bevorzugte Architektur bei 80x86-en Privilegierte Befehle für Ein- und Ausgabe IN <E/A /A-Port> OUT <E/A-Port> Speicherbasierte Ein/Ausgabe Interrupts Hauptspeicher Gerät Gerät Zugriff auf E/A-Geräte über normale Speicheroperationen Direkter Zugriff auch im nicht-privilegierten Modus möglich Geräteserver sind normale Anwendungen (c) Peter Sturm, Universität Trier 6
Die Speicherhierarchie Register max. einige 100 Bytes Zugriffszeit 1-21 2 nsec Interner (Level 1 ) einige Kbyte Zugriffszeit 5-105 nsec Haupt- ( Level 2 ) 256 Kbyte bis ca. 2 Mbyte Zugriffszeit 15-20 nsec Hauptspeicher 4 Mbyte bis 4 Gbyte und mehr Zugriffszeit 60-150 nsec Externe Speicher (Platten, Disketten, CD, DAT,...) 0.5 Gbyte aufwärts Zugriffszeit 8 msec bis zu mehreren Minuten Externe Speicher Vielfältige Ausführungsformen: Festplatten (gängigste) Optische Systeme Optisch-magnetische Systeme (MO-Disk) DAT Zugriffsformen: wahlfrei sequentielle (Backup-Systeme) Kleinste Zugriffseinheit Block (Sektor,...) 512 Byte bis 8 Kbyte Große Geräte-s gängig (256 Kbyte bis einige Mbyte) (c) Peter Sturm, Universität Trier 7
DMA-Controller Quelladresse Inkrement / Dekrement / Gleich Zieladresse Inkrement / Dekrement / Gleich Anzahl Elemente Elementgröße Kopieren größerer Speicherbereiche zwischen Hauptspeicher und Gerät Blocktransfer zwischen Platte und Speicher Empfangen und Senden von Nachrichten Kopiervorgang wird durch nur angestoßen definiert DMA-Auftrag Auftrag (spezielle Register im DMA-Controller) Ausführung findet nebenläufig statt zwischen Speicherzugriffen durch die -Zugriffe wegen -Speicher seltener auf Hauptspeicher Weitere E/A-Geräte Sehr großes Spektrum: serielle / parallele Schnittstellen Bus-Controller Netzwerk-Controller Graphik-Controller Videokarten (inkl. MPEG-Komprimierung) Audiokarten (z.b. inkl. Signalprozessor für 44.1 khz, 16 Bit Stereo) CD-Brenner... Teilweise zeitkritische Funktionsaspekte Audio und Video CD s brennen: Einmal angefangen, muß der Datenstrom mit der gewählten Bandbreite zum Brenner (150, 300 oder 600 Kbyte/sec), sonst ist der CD-Rohling hinüber (c) Peter Sturm, Universität Trier 8
Multiprozessoren Hauptspeicher Bei hoher -Hitrate können mehrere en auf einen gemeinsamen Speicher zugreifen (max. 32-64 Knoten) Problem: -Kohärenz Snoopy s Symmetrische und Asymmetrische Systeme Interruptverw. Verwaltung der E/A-Geräte Symmetrisch: Jeder kann jedes Gerät bedienen und Interrupts verarbeiten Asymmetrisch: Es existiert eine feste Gerät- -Zuordnung Vorteile symmetrischer Systeme: besserer Lastausgleich Fehlertoleranz (c) Peter Sturm, Universität Trier 9