Vorlesung Grundlagen der Rechnerarchitektur und -organisation SS 2010

Vorlesung Grundlagen der Rechnerarchitektur und -organisation SS 2010 Dietmar Fey Lehrstuhl Informatik 3 - Rechnerarchitektur 19.4.2010, Folie 1 / 40

Organisatorisches Organisatorisches Übungen Übung 10 Übungsgruppen: Mo 14:15-15:45 07.150 Franz Richter Mo 14:15-15:45 00.156 Matthias Felix Di 12:15-13:45 00.156 Matthias Felix Di 12:15-13:45 07.150 Franz Richter Di 14:15-15:45 00.153 Max Schneider Mi 12:15-13:45 00.153 Ralf Seidler bzw. Gregor Lang Do 12:30-14:00 00.153 Christopher Dennl Do 14:15-15:45 00.153 Volkmar Sieh Fr 8:30-10:00 00.152 Matthias Sand Fr 10:15-11:45 00.156 Stefan Potyra Beginn des Übungsbetriebs: ab 26.4.2010 19.4.2010, Folie 2 / 40

Organisatorisches Organisatorisches Vorlesung / Skript Skript Vorlesungsfolien: http://www3.informatik.uni-erlangen.de/lehre/semester/ss10.html Ergänzungsmaterialien: zum Vorlesungsstoff StudOn 19.4.2010, Folie 3 / 40

Organisatorisches Organisatorisches Klausur Am Ende der Vorlesungszeit Dauer: 90 Minuten Note im Bachelor-Studium bzw. Scheinerwerb durch Klausur Bonuspunkte erzielbar über Übungsaufgaben 19.4.2010, Folie 4 / 40

Rechnerarchitektur in der Forschung Woran forscht man in der Rechnerarchitektur? Z.B. Parallele Architekturen Cluster-Rechner Grids / Clouds Parallelisierung für Multi-Kern-Prozessoren / GPGPUs Architekturen für Netzwerke Architekturen für Eingebettete Systeme Hochgeschwindigkeitskamera-Systeme 19.4.2010, Folie 5 / 40

Inhalt Vorlesung Inhalt Vorlesung - vorläufig (Struktur wird evtl. noch geändert) Kapitel 0: Einleitung Historische Entwicklung Was ist Rechnerarchitektur? Kapitel 1.1: Architektur von Rechnern und Prozessoren URA-(Universalrechenautomat)-Prinzip Prozessorentwicklung Kapitel 1.2: Komponenten eines Rechners Einführung in Techniken aktueller Prozessoren Einblick in Rechenwerke Speicherarchitekturen Peripherie Busse 19.4.2010, Folie 6 / 40

Inhalt Vorlesung Kapitel 2: Hardwarenahe Programmierung x86-assembler 2.1 Zentraler Bus 2.2 E/A-Kontroller 2.4 ALU 2.5 Steuerwerk 2.6 Beispiele 19.4.2010, Folie 7 / 40

Inhalt Vorlesung Kapitel 3: Schnittstelle zum Betriebssystem (wichtig für Vorl. Systemprogrammierung) 3.1 Memory Management Unit / Schutzmechanismen 3.2 Translation Look-aside-Buffer 3.3 Realisierung von Segmentierung / Paging 3.4 Unterbrechungen / Interrupts 3.5 Multitasking 19.4.2010, Folie 8 / 40

Literatur Stallings: Computer Organization and Architecture, Pearson 2002 Märtin: Rechnerarchitekturen : CPUs, Systeme, Software- Schnittstellen, Fachbuchverlag, Leipzig, 2002 Hennessy / Patterson: Computer Architecture A Quantitative Approach, 4.ed, Morgan Kaufmann, 2006 Hennessy / Patterson: Computer Organization and Design, 4.ed, Morgan Kaufmann, 2008 Tannenbaum: Computerarchitektur, 5. Auflage, Pearson Studium, 2006 19.4.2010, Folie 9 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung Meilensteine der Rechnerarchitektur Mechanische Computer 1642 Blaise Pascal: Apparat mit Räderwerk und Kurbel zum Addieren und Subtrahieren 1672 Wilhelm Gottfried Leibniz: mechanische Maschine, die auch multiplizieren und dividieren konnte 1822 Charles Babbage Difference Engine ein Algorithmus zur Berechnung von Zahlentabellen zur Schiffsnavigation konnte addieren und subtrahieren besaß Ausgabeeinheit: stanzte Ergebnisse mit stählernen Prägestempeln in Kupferplatte 19.4.2010, Folie 10 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung Analytical Engine im Gegensatz zu Differential Engine universell Speicher (Säulen, 1000 Worte à 50-stellige Zahlen) Recheneinheiten (Mühle) programmierbar durch Einstanzen von Befehlen in Lochkarten und gestanzte Ausgabe (Regal) Problem: mechanische Präzision der vielen Räder und Getriebe im 19.Jhrdt. erlaubte keine hohe Zuverlässigkeit 19.4.2010, Folie 11 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung 1936-1941 Konrad Zuse automatische Rechenmaschinen Z1, Z2 und Z3 mit elektromagnetischen Relais erste vollautomatisch programmgesteuerte Rechner der Welt verwendeten Gleitkomma-Arithmetik 19.4.2010, Folie 12 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung 1928-1942 Atanasoff entwickelten Konzept für Computer ABC - Computer mit Binärarithmetik für Speicher Kondensatoren, die immer wieder aufgefrischt werden mussten (Urvater des DRAMs) 19.4.2010, Folie 13 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung 1944 Aiken: baute Mark 1 Allzweck-Rechner aus Relais gelochte Ein-/Ausgabe 72 Wörter mit jeweils 23-stelligen Zahlen Mark II wurde fertig als Relais-Computer überholt waren, das elektronische Zeitalter begann Elektronische Computer zunächst angetrieben durch Zweiten Weltkrieg 1943 britische Regierung, Alan Turing: COLOSSUS erster digitaler elektronischer Computer der Welt Aufgabe: Entschlüsselung verschlüsselter Befehle für die weitere Entwicklung der Rechnerarchitektur ohne Bedeutung, da alle Ideen des Projektes 30 Jahre unter Verschluss gehalten 19.4.2010, Folie 14 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung 1946 ENIAC Mauchley/Eckert erkannte ebenfalls Bedeutung des Militärs als Finanzgeber ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) 18000 Vakuumröhren, 1500 Relais, 30 Tonnen Gewicht, 140 kw Strom Arbeitete im Dezimalsystem 19.4.2010, Folie 15 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung 1951 MIT Whirlwind 1 erster Echtzeit-Computer nicht wie ENIAC und IAS für Verarbeitung großer Zahlenmengen gedacht 16 Bit Worte, Projekt führte zu Erfindung des magnetischen Kernspeichers 1952 John von Neumann: Mitglied des ENIAC-Projekts und bereits zu Lebzeiten einer der renommiertesten Mathematiker der Welt erkannte Schwächen von ENIAC umständliche Programmierung Dezimalarithmetik Maschine IAS (Institute of Advanced Studies, Princeton) behandelte Programmkode wie Daten! Diese werden wie Daten im Speicher digital dargestellt Binärdarstellung 19.4.2010, Folie 16 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung Zeit der Pioniere ging dem Ende zu, in den 50er Jahren Aufstieg von IBM anfangs auf Herstellung von Kartenlesern spezialisiert zunächst viel kleiner als UNISYS (Fa. von Mauchley und Eckert) 1960 PDP-1 von DEC Lincoln Laboratorien, MIT: Transistor-Rechner TX-0, TX-1, TX-2, 16-Bit Maschine nach Art des Whirlwind, erlangte keine Bedeutung aber einer der Konstrukteure, Olson, gründete die Firma DEC baute auf Basis des TX-0 die PDP-1 PDP-1 4 KByte an 18-Bit Wörtern, Zykluszeit von 5 µs halbe Leistung von IBM 7090 Preis: 120000 $; IBM 7090 mehrere Millionen Geburt der Mini-Computer 19.4.2010, Folie 17 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung 1965 wurde die PDP-8 eingeführt gegenüber PDP-1 mit 12000 $ wesentlich billigere 12-Bit Maschine wichtige Neuerung: Bus, der Omnibus oder Unibus, IAS dagegen speicherzentriert PDPs waren vor allem im wissenschaftlichen Bereich sehr beliebt 19.4.2010, Folie 18 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung IBM 1961: IBM 1401, kleiner Computer als Verkaufsschlager im kommerziellen Bereich 1962: IBM 7094: wissenschaftlicher Rechner 1964: neue Firma CDC tritt auf CDC 6600 erster wissenschaftlicher Supercomputer nutzte Parallelverarbeitung (mehrere Funktionseinheiten Addierer, Multiplizierer und Dividierer, sowie Peripherieprozessoren) 10x schneller als 7094 erste sog. Number Cruncher entwickelt von Seymour Cray 19.4.2010, Folie 19 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung Rechner mit integrierten Schaltungen 1958 gelang es Noyce mehrere Transistoren in Silizium zu integrieren IBM vollzogen als Erste radikalen Schritt Rechnerfamilie IBM 360 mit verschiedenen Modellen Kompatibilität der Assembler-SW zwischen Modellen Mehrprogrammbetrieb Mikroprogrammierung erlaubte Emulieren anderer Rechner 19.4.2010, Folie 20 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung PDP-11: Rechner ebenfalls mit integrierter CPU war besonders an Universitäten sehr erfolgreich vorherrschende Minicomputer der 70er Jahre Oben erwähnte CDC6600 ebenfalls integrierte CPU 1974: Cray 1 erster Vektor-Superrechner 1978: DEC VAX erster 32-Bit Superminicomputer 19.4.2010, Folie 21 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung 80er Jahre: VLSI-Technik Geburtsstunde des Mikroprozessors INTEL 4004 leistungsfähigere und billigere CPUs 1974: 8080 erste universelle CPU auf einem Chip Integrierte Mikroprozessoren Basis für Entstehen von Tischcomputern 19.4.2010, Folie 22 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung Siegeszug der Tischcomputer Personalcomputer Apple anfänglich als Bausatz ohne Software IBM PC bisher untypisches Verhalten für IBM offenes System sog. IBM Klones entstehen kaufen wichtige Komponenten hinzu (Betriebssystem MS-DOS, Intel 8080) machen ungewollt INTEL und insbesondere Microsoft zu Industrie-Giganten 19.4.2010, Folie 23 / 40

0 Einleitung 0.1 Historische Entwicklung PC-Welle mit IBMs Marktmacht überrollte alles andere Hersteller wie Atari, Commodore, Sinclair chancenlos Nischen für Arbeitsplatzrechner für Konstruktion, CAD mit besonderen Anforderungen an Grafik und Rechenleistung 1985 Workstations von MIPS und 1987 Workstations von SUN mit SPARC- Prozessoren RISC-Maschine 19.4.2010, Folie 24 / 40

0 Einleitung 0.2 Was ist Rechnerarchitektur? Frage: Wie funktioniert ein Computer? Daten verarbeiten Daten speichern Daten transportieren Im Blickfeld der Rechnerarchitektur: Funktionsweise, Aufbau und Organisation von Komponenten, die Daten verarbeiten, speichern und transportieren Gibt es eine Definition einer Rechnerarchitektur? in der Literatur unterschiedlich genaue und auch nicht unbedingt völlig konforme Fassungen des Begriffs Rechnerarchitektur 19.4.2010, Folie 25 / 40

0 Einleitung 0.2 Was ist Rechnerarchitektur? Definition 1: nach Ungerer, Universität Augsburg Rechnerarchitektur besteht aus zwei Schichten: Befehlsarchitektur Endoarchitektur Befehlsarchitektur Beschreibung des Verhaltens eines Rechners auf einer abstrakten Ebene alles was nach außen hin zur Software sichtbar wird Maschinendatentypen Maschinenoperationen Befehlssätze Unterbrechungssystem Ablage der Daten im Speicher usw. 19.4.2010, Folie 26 / 40

0 Einleitung 0.2 Was ist Rechnerarchitektur? Endoarchitektur: Darstellung der inneren Struktur und Arbeitsweise des Rechners auf abstrakter Beschreibungsebene Darstellung besteht aus drei Elementen Rechnerstruktur statische Topologie der Hardware-Komponenten und ihrer Verbindungen Informationsstruktur interne Repräsentation von Daten und Programm-Kode Operationsprinzip (Arbeitsweise des Rechners) Wie wird die Informationsstruktur unter Verwendung der Rechnerstruktur verändert Wie wird ein Programm und dessen Befehle verarbeitet? Datenpfade (Transport der Operanden, Befehle) Kontrollpfade (Steuerung der Verarbeitung) 19.4.2010, Folie 27 / 40

0 Einleitung 0.2 Was ist Rechnerarchitektur? Definition 2: Skript Vorlesung Rechnerstrukturen R.Brück Uni Siegen: Rechnerstruktur = Rechnerarchitektur + Implementierung Rechnerarchitektur = Schnittstelle zwischen Rechner und Benutzer Befehlssätze Maschinenorganisation Implementierung Hardware-Aufbau der Komponenten (Speichereinheiten, Recheneinheiten und Verbindungssysteme), die Rechnerarchitektur realisieren 19.4.2010, Folie 28 / 40

0 Einleitung 0.2 Was ist Rechnerarchitektur Definition 3: W. Stallings, Computer Organization & Architecture Computer Organization Operations-Einheiten und Verbindungen, welche die Architektur- Spezifikationen erfüllen Computer Architecture Attribute eines Systems, die für den Programmierer sichtbar sind Trennung ermöglichte Architektur-Familien Unterschiedliche Notationen Konsens darüber, dass es solche Trennung gibt, welche die genannten Aufgaben erfüllt 19.4.2010, Folie 29 / 40

1 Architektur von Rechnern und Prozessoren 1.1 von Neumann sche Universalrechenautomat (1) Urvater der meisten Rechner ist der klassische Universalrechenautomat (URA) geht zurück auf John von Neumann, Goldstine, Burks (Princeton, 1946) Das Grundprinzip findet sich auch heute noch, trotz aller gewaltigen technologischen Veränderungen, in modernen Mikroprozessoren 19.4.2010, Folie 30 / 40

1 Architektur von Rechnern und Prozessoren 1.1 von Neumann sche Universalrechenautomat (2) Deja-vu? 19.4.2010, Folie 31 / 40

1 Architektur von Rechnern und Prozessoren 1.1 von Neumann sche Universalrechenautomat (3) Konzept basiert auf 7 Prinzipien 1. Der Rechner besteht aus 4 Werken Leitwerk Leitwerk interpretiert Programme Haupt- bzw. Arbeitsspeicher für Programme und Daten Speicherwerk Rechenwerk führt arithmetische und logische Operationen aus Rechenwerk Ein-/Ausgabewerk kommuniziert mit der Umwelt ferner: als Sekundärspeicher fungierender Langzeitspeicher Ein-/ Ausgabewerk 19.4.2010, Folie 32 / 40 E/A-Werk

1 Architektur von Rechnern und Prozessoren 1.1 von Neumann sche Universalrechenautomat (4) 2. Struktur des Rechners unabhängig vom Problem: programmgesteuert SW-programmgesteuert HW-Programmierung Befehle Befehlsinterpreter Daten Folge arithmetischer und logischer Funktionen Ergebnisse Kontrollsignale Daten All-Zweck arithmetische und logische Funktionen Ergebnisse 19.4.2010, Folie 33 / 40

1 Architektur von Rechnern und Prozessoren 1.1 von Neumann sche Universalrechenautomat (5) 3. Programme und Daten stehen in demselben Speicher, sind prinzipiell durch Rechner modifizierbar 4. Hauptspeicher ist in Zellen gleicher Größe eingeteilt, die durch fortlaufende Nummer (Adresse) benannt werden; über Adresse werden Daten und Programmbefehle angesprochen 5. Programm besteht aus einer Folge von Befehlen, die im Allgemeinen nacheinander ausgeführt werden (Prinzip der Sequentialität als Fortschaltungsregel) 19.4.2010, Folie 34 / 40

1 Architektur von Rechnern und Prozessoren 1.1 von Neumann sche Universalrechenautomat (6) 6. Abweichungen von der sequentiellen Ausführung der Befehle durch bedingte und unbedingte Sprungbefehle bewirkt Sprung an bestimmte Zelle im Hauptspeicher bedingte Sprünge sind von der Auswertung gespeicherter Werte abhängig 7. Der URA besitzt Binärcodes, Zahlen werden dual dargestellt 19.4.2010, Folie 35 / 40

1 Architektur von Rechnern und Prozessoren 1.1 von Neumann sche Universalrechenautomat (7) Speicherwerk S ASP S: Speicherregister W: Speicherwahl(adress)register ASP: Arbeitsspeicher W Prozessor Leitwerk Rechenwerk F +1 BZ B FE OS M v A Q M: Multiplikationsregister Q: Quotientenregister A: Akkumulator v: logische Verknüpfung FB: Befehlsregister FE: Funktionsentschlüsselung BZ: Befehlszähler OS: Operationssteuerung E/A E/A-Werk E/A: Ein-/Ausgaberegister 19.4.2010, Folie 36 / 40

1 Architektur von Rechnern und Prozessoren 1.1.1 Der Befehlszyklus (1) Maschinenbefehlszyklus beschreibt gemeinsame Arbeitsweise von Leit- und Rechenwerk umfasst folgende Stufen der Verarbeitung eines Maschinenbefehlszyklus Befehlsholphase (BH) auf Basis des Befehlszählers wird der nächste zu bearbeitende Befehl aus dem Speicher ins Instruktionsregister eingelesen Dekodierungsphase (DE) dekodiert Operationskode generiert Steuersignale 19.4.2010, Folie 37 / 40

1 Architektur von Rechnern und Prozessoren 1.1.1 Der Befehlszyklus (2) Operandenholphase (OP) stellt der ALU die im Maschinenbefehl im Adressteil spezifizierten Operanden zur Verfügung Ausführungsphase (AU) verknüpft in den Registern des Rechenwerkes die zuvor geholten Operanden Rückschreibphase (RS) die während der Ausführungsphase produzierten Ergebnisse werden in die vorgesehenen Speicherstellen (Speicher, Register) zurückgeschrieben Adressierungsphase (AD) Adresse des nächsten Befehls wird bestimmt und im Befehlszähler abgelegt 19.4.2010, Folie 38 / 40

1 Architektur von Rechnern und Prozessoren 1.1.1 Der Befehlszyklus (3) Zyklus beginnt von neuem mit Befehlsholphase Verfahren wurde in gleicher Form im Übrigen unabhängig von v.neumann auch von Zuse entwickelt 19.4.2010, Folie 39 / 40

1 Architektur von Rechnern und Prozessoren 1.1.1 Der Befehlszyklus (4) Befehlszyklus als Zustandsdiagramm Befehl holen Operanden holen Ergebnis speichern mehrfache Operanden mehrfache Ergebnisse Adresse Befehl berechnen Befehl dekodieren Adresse Operand berechnen Befehl ausführen Adresse Ergebnis berechnen Befehl fertig Bearbeiten von Vektoren 19.4.2010, Folie 40 / 40