Grundlagen der Rechnerarchitektur

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Einführung

Unsere erste Amtshandlung:

Wir schrauben einen Rechner auf

Vorlesungsinhalte

• Binäre Arithmetik

• Assembler

• ISA‐Prinzipien

• Prozessor

• Speicher

• Ein‐Ausgabe

• Parallelität

Übersicht dieses Vorlesungsabschnitts

• Grundbegriffe

• Performance

• Meilensteine der Rechnerarchitektur

• Trends

Grundbegriffe

Rechnertypen

• Personal Mobile Device (PMD)

– Smartphone, Tablet‐Computer

– Schwerpunkte sind Energie‐Effizienz und Echtzeit

• Desktop‐Computing

– Schwerpunkt Preis‐Performance

• Server

– Schwerpunkt Verfügbarkeit, Skalierbarkeit, Durchsatz – Breite Spanne: bzgl. Kosten und Verfügbarkeit

•

Von: Low‐End Server (z.B. einfache File‐ oder Webserver)

•

Bis: Supercomputer mit zehntausenden CPUs und vielen Terabyte RAM

(Schwerpunkt: Floating‐Point‐Performance; schnelle interne Netze; abarbeiten von Batch‐Jobs)

• Cluster/Warehouse‐Scale‐Computer (Gigantische Datencenter, 100.000 von  Servern)

– Große Anbieter verleihen Serverkapazität an Unternehmen – Infrastruktur für Cloud‐Computing

– Verwendung für “Software as a Service (SaaS)”

– Schwerpunkt Preis‐Performance

• Embedded‐Computer

– Größte Computer‐Klasse

– Schwerpunkt: Preis, Integrierbarkeit in Alltagsgegenstände

Standard‐Organisation eines Rechners

Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy. “Computer Organization And Design”.3rd Edition

Verarbeitet Daten

Speichert Daten Eingabe von Daten

Ausgabe von Daten

Computer‐Schichtenmodell

Geometrie Transistoren Logikschaltungen

Mikroarchitektur (Register‐Transfer Ebene) Instruktionssatz‐Architektur

Betriebssystem Assemblersprache

Höhere Programmiersprachen 

Software

Hardware Grundlagen der Digitaltechnik

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Bildquelle: Vorlesung „Grundlagen der Rechnernetze“, Prof. Platzner, (Version 10.09.10)

Grundbegriffe

Darstellen und Speichern von Daten

Binäre Zahlendarstellung

Darstellung einer Zahl zu einer beliebigen Basis b:

Dezimalwert dieser Zahl zur Basis b:

Binärzahlen‐Beispiel ^:  1101 _two . Was ist der Dezimalwert?

Was ist die Binärzahl zu 11 _ten ?

N‐Bit‐Binärzahlen

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

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

Physikalischer Speicher

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?

Speichergrößen

Bezeichnung Anzahl Bytes Gelegentlich für  Sekundärspeicher Kilobyte (KB) 2

Bytes

Megabyte (MB) 2

Bytes 10

Bytes Gigabyte (GB) 2

Bytes 10

Bytes Terabyte (TB) 2

Bytes 10

Bytes Petabyte (PB) 2

Bytes 10

Bytes Exabyte (EB) 2

Bytes 10

Bytes

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

Kilobyte versus Kibibyte

• Vorige Tabelle ist in Bezug auf  Speicherkapazität korrekt

• Dummerweise gilt in der IT je nach  Kontext mal

– KB = 2

Byte, MB = 2

Byte, GB = 2

Byte, … oder

– KB = 10

Byte, MB = 10

Byte, GB = 10

Byte, …

• D.h. einmal Verwendung als Binärpräfix  (wie z.B. hier) oder Verwendung als  sogenannte SI‐Einheit

• Aus diesem Grund hat die International  Electrotechnical Commission (IEC) 

schon vor vielen Jahren die weiteren  Einheiten KiB, MiB, GiB, … eingeführt

• Diese finden immer mehr Verbreitung  in der technischen Literatur 

Bezeichnung Größenordnung KiB (kibibyte) 2

Byte MiB (mebibyte) 2

Byte GiB (gibibyte) 2

Byte TiB (tebibyte) 2

Byte

…

Sobald man diese speziellen 

Binärpräfixe verwendet, macht es 

natürlich Sinn die Größen KB, MB, GB, 

TB, … als SI‐Einheiten zu verwenden, 

d.h. in der Form 10

mit n=3,6,9,12 …

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

ASCII‐Zeichen

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

Unicode

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

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)