Byte (8‐Bit):

(1)

N‐Bit‐Binärzahlen

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Logik und Arithmetik 11

N‐Bit‐Binärzahlen, Beispiel 16‐Bit:

Stelle: 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Binär-Digit: 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0

Least‐Significant‐Bit (LSB) und Most‐Significant‐Bit (MSB) Nibble (4‐Bit):

1010

Byte (8‐Bit):

1001 1000

Halfword (16‐Bit):

1111 1100 1001 1100 Word (32‐Bit):

0110 1101 0010 1010 1111 1100 1001 1100

(2)

Hexadezimaldarstellung

Hex Bin Hex Bin Hex Bin Hex Bin

0 0000 4 0100 8 1000 c 1100

1 0001 5 0101 9 1001 d 1101

2 0010 6 0110 a 1010 e 1110

3 0011 7 0111 b 1011 f 1111

1100 1001 0001 1111

Binär nach Hexadezimal

Hexadezimal nach Binär

AFFE

_hex

(3)

Physikalischer Speicher

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Assembler 13

Adresse Inhalt 0x00000000 : 10011001 0x00000001 : 01010111 0x00000002 : 00110011 0x00000003 : 10110100 0x00000004 : 10101111 0x00000005 : 10001000 0x00000006 : 11111000 0x00000007 : 10001101 ...

...

0xfffffffd : 10101111 0xfffffffe : 10111011 0xffffffff : 11111000

Wie viele Bytes können hier

insgesamt adressiert werden?

(4)

Speichergrößen

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 14

Bezeichnung Anzahl Bytes Gelegentlich für Sekundärspeicher Kilobyte (KB) 2¹⁰ Bytes

Megabyte (MB) 2²⁰ Bytes 10⁶ Bytes Gigabyte (GB) 2³⁰ Bytes 10⁹ Bytes Terabyte (TB) 2⁴⁰ Bytes 10¹² Bytes Petabyte (PB) 2⁵⁰ Bytes 10¹⁵ Bytes Exabyte (EB) 2⁶⁰ Bytes 10¹⁸ Bytes

Größenordnungen sind ab MB bis auf kleinen Fehler vergleichbar, z.B.:

(5)

Speichern von längeren Datenblöcken

• Beispiel: ein Word umfasst 4 Byte

• Wie legt man ein Word in den Speicher ab?

Word:

345455 543453 453543 22325 byte4 byte3 byte2 byte1

base+0 base+1 base+2 base+3 _Little‐

Endian Big‐

Endian

(6)

ASCII‐Zeichen

Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012

(7)

Unicode

(8)

Zeichenketten (Strings)

H a l l o W e l t ! @ + ^ a ° % % | } } @ @

Speicher

Niedrigere Adresse Höhere Adresse

Wann ist der Text zu Ende? Beispiele:

(1) Erste String‐Position speichert die String‐Länge

(2) String‐Länge ist in einer separaten Variable gespeichert

(3) String‐Ende wird mit einem speziellen Character markiert (z.B. \0)

(9)

Grundbegriffe

Verarbeiten von Daten

(10)

Maschinensprache

Berechne 0^2 + 1^2 + 2^2 + 3^2 + ... + 100^2

(11)

Dasselbe Programm in Assembler

Assembler

(12)

Instruction‐Set‐Architecture (ISA)

• Schnittstelle zwischen Hardware und Software

• ISA bestimmt

– Art der Speicherzugriffe

– Verfügbare arithmetische und logische Operationen – Typ und Größe der Operanden der Berechnungen – Arten von Programmsprüngen

– Die Art wie ISA‐Instruktionen in Maschinensprache codiert werden

• Wesentliche Klassifikaiton

– CISC (Complex‐Instruction‐Set‐Computer) – RISC (Reduced‐Instruction‐Set‐Computer)

• Moderne Prozessoren sind RISC (selbst x86 intern)

(13)

Grundbegriffe

Integrierte Schaltungen

(14)

Beispiel eines Mikroprozessors

AMD Barcelona

(15)

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 25 Bildquellen: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012;

de.wikipedia.org/wiki/Relais; de.wikipedia.org/wiki/Elektronenröhre; de.wikipedia.org/wiki/Transistor;

de.wikipedia.org/wiki/Integrierte_Schaltung; upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/94/VLSI_Chip.jp

Technologien zum Bau von Prozessor und Speicher

(16)

Der Chip‐Herstellungsprozess

(17)

Beispiel: 300mm AMD Opteron Wafer

(18)

Der Chip‐Herstellungsprozess

(19)

Performance

(20)

Definition von Performance

Response‐Time (oder Execution‐Time) – Gesamtzeit zur Abarbeitung einer Aufgabe Throughput(oder Bandwidth) – Anzahl Aufgaben pro Zeiteinheit

Performance p eines Computers mit Execution‐Time x:

Performance‐Ratio n zwischen zwei Computern mit Performance p₁ und p₂ bzw. Execution‐

Times x₁ und x₂:

Beispiel: Computer A braucht 10 Sekunden und Computer B braucht 15 Sekunden. Die Performance‐Ratio n_AB zwischen A und B ist:

(21)

Messen von Zeit und Frequenz

CPU‐Execution‐Time (oder CPU‐Time) – Zeit die die CPU für die Aufgabe beansprucht wird

System‐Performance – Performance auf der Basis von Execution‐Time CPU‐Performance – Performance auf der Basis von CPU‐Time

Bezeichnung Anzeil einer Sekunde Millisekunde (ms) 10^‐3 Sekunden

Mikrosekunde (µs) 10^‐6 Sekunden Nanosekunde (ns) 10^‐9 Sekunden Pikosekunden 10^‐12 Sekunden

Zeit Frequenz

Bezeichnung 1/Sekunde

Hz 1

KHz 10^3

MHz 10^6

GHz 10^9

(22)

Maschinentakt zur Zeitmessung

Clock‐Cycle Zeit

Clock‐Rate [Hz] bei Clock‐Periode [s]: Beispiel Clock‐Rate bei bei 250 ps Clock‐

Periode?

Zusammenhang zwischen CPU‐Time, Clock‐Cycles für ein Programm und Clock‐Periode bzw. Clock‐Rate:

(23)

Instruktionsperformance

Instruktion 1 Instruktion 2 Inst 3 Instruktion 4

…

Zeit

Clock Cycles per Instruction (CPI) – Mittlere Anzahl Cycles pro Instruktion für ein gegebenes Programm oder Programmfragment.

Instruction‐Count – Anzahl benötigter Instruktionen für ein gegebenes Programm oder Programmfragment.

Zusammenhang zwischen CPU‐Time, CPI, Instruction‐Count und Clock‐Periode bzw. Clock‐

Rate:

(24)

Zeitmessung zusammengefasst

Hardware‐ oder Software‐Komponente Beeinflusst bzw. kann beeinflussen

Algorithmus Instruction‐Count, CPI

Programmiersprache Instruction‐Count, CPI

Compiler Instruction‐Count, CPI

Instruction‐Set‐Architektur Instruction‐Count, Clock‐Rate, CPI Grundlegende Messgrößen

Einflussfaktoren

(25)

Performance‐Messung mittels MIPS?

MIPS – Millionen Instruktionen pro Sekunde

Also für ein Programm mit gegebener Execution‐Time und Instruction‐Count:

MIPS ist abhängig vom CPI‐Wert:

(26)

SPEC CPU Benchmark

Was ist das Geometrische Mittel g von x₁, …, x_n?

Beispiel: SPEC CINT 2006 Benchmarks für einen AMD Opteron X4 Model 2356 (Barcelona)