Instruction‐Set‐Architecture (ISA)

(1)

Grundbegriffe

Verarbeiten von Daten

(2)

Maschinensprache

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 20

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

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

(3)

Dasselbe Programm in Assembler

Assembler

(4)

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)

(5)

Grundbegriffe

Integrierte Schaltungen

(6)

Beispiel eines Mikroprozessors

AMD Barcelona

(7)

Technologien zum Bau von Prozessor und Speicher

(8)

Der Chip‐Herstellungsprozess

(9)

Beispiel: 300mm AMD Opteron Wafer

(10)

Der Chip‐Herstellungsprozess

(11)

Performance

(12)

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:

(13)

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

Bezeichnung 1/Sekunde

Hz 1

KHz 10^3

MHz 10^6

GHz 10^9

(14)

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:

(15)

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:

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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

(17)

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:

(18)

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)

(19)

SPEC Power Benchmark

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Zum Abschluss: Amdahls Gesetz

F

F'

ohne Verbesserung mit Verbesserung

T_exe

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

Verbesserungsfaktor g von F nach F‘?

Ist g gleich dem Speedup für das gesamte Programm?

Sei 0 ≤ f≤ 1 der Anteil von F an T_exe, also f = F/T_exe. Was ist der Speedup S?

(21)

Beispiel: Parallel ausführbare Programmkomponente

(22)

Meilensteine der Rechnerarchitektur

(23)

Generation 0: Mechanische Computer (1642‐1945)

Jahr Name Gebaut von Kommentar

1642 Blaise Pascal Addition und Subtraktion mit mechanischen Elementen.

1673 Gottfried Wilhelm von Leibniz

Zusätzlich Multiplikation und Division mit mechanischen Elementen.

1834 Analytical Engine

Charles Babbage, University of Cambridge

Erster Versuch (mechanische Bauteile waren zu der Zeit noch nicht präzise genug) eines mechanischen Computers mit Speicher,

Recheneinheit und Punch‐Card I/O. Erster Computer‐Programmierer Ada Augusta Lovelace.

1936 Z1 Konrad Zuse Erster funktionierender automatischer Rechner auf Basis von Relais. Z1 wurde 1944 durch Alliierten Bombardierung auf Berlin zerstört.

1937 John Atanasoff, Iowa State College

Erster Versuch (Idee konnte nach Stand der Technik nicht vollständig umgesetzt werden) eines automatischen Rechners auf Basis von binären Zahlen und Speicher auf Basis von Kondensatoren (DRAM funktioniert noch heute nach dem gleichen Prinzip).

1940 George Stibbitz, Bell Labs

Weiterer funktionierender automatischer Rechner auf Basis von Relais.

1944 Mark I Howard Aiken, Erster funktionierender auf Relais basierender mechanischer Computer

(24)

Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)

Jahr Name Gebaut von Kommentar 1943 COLOSSUS Britische

Regierung

Der weltweit erste elektronische Computer.

Geheimprojekt der Britischen Regierung, um während des zweiten Weltkrieges Codes der

Verschlüsselungsmaschine ENIGMA zu knacken. Alan Turing war mit an der Konstruktion des Computers beteiligt.

1946 ENIAC John

Mauchley und J. Presper

Eckert,

University of Pennsylvania

Seit 1943 vom amerikanischen Militär gefördertes

Projekt für den Bau eines elektronischen Computer zur Berechnung von Reichweitentabellen von schwerer Artillerie. (18.000 Röhren, 1.500 Relais, 30 Tonnen, 140 kW Verbrauch) Programmierung über Schalter und

Jumper‐Kabel. Vorstellung des ENIAC war Inspiration für viele nachfolgende Computer‐Projekte.

(25)

Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)

1949 EDSAC Maurice Wilkes,

University of Cambridge

Zum ersten mal Programm gespeichert.

1951 EDVAC John Mauchley und J.

Presper Eckert, Eckert‐

Mauchley Corporation

Nachfolgeprojekt des ENIAC

1951 Whirlwind I MIT Erstmals Verwendung von kurzen Wortlängen a 16 Bit.

1951 UNIVAC John Mauchley und J.

Presper Eckert, Eckert‐

Mauchley Corporation

Der erste in den USA hergestellte kommerzielle Computer.

1952 ILLIAC University of Illinois Weitere Beispiele von Röhrenrechnern seinerzeit. Viele andere wurden auch gebaut

1952 MANIAC Weitzmann Institue Israel

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Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)

Jahr Name Gebaut von Kommentar 1952 IAS John von

Neumann und Herman Goldstine Princeton‘s Institute of Advanced Studies

Als ehemaliger Beteiligter des ENIAC‐Projektes baut John von Neumann am Princeton‘s Institute of Advanced

Studies seine Eigene Version des ENIAC. Der Computer verwendet binäre Arithmetik und speichert das

Programm zusammen mit den Daten in einem Speicher.

Dieses Konzept, bezeichnet als von Neumann Maschine, wurde von John von Neumann erstmals beschrieben. Es fand auch schon im EDSAC Verwendung. Es ist Basis heutiger Computer.

Speicher

Control Unit

Arithmetic Logic Unit Accumulator

Input Output Die original von Neumann Maschine

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Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)

1953 701 IBM IBM im Computer‐Sektor bisher mit Herstellung von Lochkarten und mechanischen Kartensortiermaschinen tätig. Erster Computer in einer Serie von

wissenschaftlichen IBM‐Rechnern, welche die Industrie innerhalb eines Jahrzehnts dominierten.

1956 704 IBM Nachfolge des 701 mit mehr Speicher (4096 36‐Bit‐Wörter anstatt 2048) und erstmals mit Fließkomma‐Hardware.

1958 709 IBM Verbesserter 704 und auch letzter von IBM produzierte Reihe von Röhren‐Computern.

(28)

Generation 2: Transistoren (1955‐1965)

Jahr Name Gebaut von Kommentar 1955 TX‐0 MIT Lincoln

Laboratory

Erster Transistor‐basierter Computer (16‐Bit‐Maschine).

Nachfolger des Whirlwind I.

1958 TX‐2 MIT Lincoln Laboratory

Nachfolger des TX‐0 (64K 36‐bit Speicher). Rechner auf dem Ivan Sutherland sein revolutionäres Programm SketchPad realisierte.

1959 7090 IBM Transistor‐Version des IBM 709. Anwendung

wissenschaftliches Rechnen. Preis mehrere Millionen.

1959 1401 IBM Kleine geschäftsorientierte Computer. Deutlich günstiger als der 7090.

1961 PDP‐1 DEC Ehemaliger TX‐0/TX‐2 Mitarbeiter Kenneth Olsen gründetet DEC, die mit dem PDP‐1 den ersten kommerziellen

Minicomputer ähnlich dem TX‐0 mit einem innovativen 512x512 Display herstellte. (50 Stück verkauft; 4096 18‐Bit Worte; 200.000 Instruktionen/Sek, d.h. halb so schnell wie der seinerzeit schnellste Computer IBM 7090; Kosten

$120.000; Kosten eines IBM 7090 betrug Millionen).

Studenten des MIT implementierten mit Spacewar das erste Video‐Spiel auf einem PDP‐1.

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Generation 2: Transistoren (1955‐1965)

1962 7094 IBM Nachfolger des IBM 7090. Cycle‐Time von 2

Mikrosekunden. 32.536 Wörter mit 36‐Bit‐Länge.

1963 B5000 Burroughs Erste Maschine, mit der auch die Unterstützung von High‐

Level‐Sprachen (Algol‐60, Vorgänger von C und Java) berücksichtigt wurde.

1964 6600 CDC Erster wissenschaftlicher Supercomputer. Fast 10 mal Schneller als der IBM 7094. Designer des 6600 war

Seymour Cray. Geschwindigkeit wurde durch hoch parallel arbeitende CPU und parallele Abarbeitung von I/O etc.

erreicht. Viele Ideen des 6600 finden sich in modernen Computern wieder.

1965 PDP‐8 DEC 12‐Bit Maschine. Nachfolger des PDP‐1 aber wesentlich billiger (Kosten $16.000). Erster Massenmarkt‐Computer.

Innovation: Single‐Bus.

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Generation 3: Integrierte Schaltungen (1965‐1970)

1964 360 IBM Erste Computer‐Produktlinie (z.B. Model 30, 40, 50, 65) von IBM die beides wissenschaftliches (bisher 7094) und

kommerzielles (bisher 1401) Rechnen vereinte. Produktlinie basiert auf ICs. Innovationen: eine Assembler‐Sprache für alle Geräte der Produktlinie, Multiprogramming, Emulation von 1401 und 7094.

1970 PDP‐11 DEC DECs IC‐basierter 16‐Bit‐Nachfolger des PDP‐8.

Dominierender Minicomputer in den 1970ern.

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Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970)

1971 Intel 4004 Intel Erster in Serie produzierter Ein‐Chip‐

Mikroprozessor.(4‐Bit‐Mikroprozessor) 1971 TMS 1000 Gary Boone und

Michael Cochran, Texas Instruments

Erster Mikrocontroller (bestehend aus ROM, RAM, Prozessor, Clock). Einsatzgebiet:

Eingebettete Systeme.

1974 8080 Intel Erste Personal‐Computer werden als Bastel‐Kits bestehend aus loser Platine, Kabeln, Netzteil, ggf.

Floppy und ICs verkauft. Ein Standard‐IC ist der Intel 8080. Software gab es keine. Später wurde das CP/M Betriebssystem von Gary Kindall auf 8080ern populär.

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Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970)

1974 CRAY‐1 Cray Erster Vektor‐Supercomputer. Die Architektur wurde vom Team um Seymour Cray entwickelt. Die erste Cray‐1

wurde 1976 am Los Alamos National Laboratory in

Betrieb genommen und kostete 8,8 Millionen US‐Dollar.

1976 Apple I Steve Jobs und Steve Wozniak, Apple

Einer der ersten Personal‐Computer. Wurde als fertig bestückte Platine verkauft.

1977 Apple II Steve Jobs und Steve Wozniak, Apple

Einer der ersten höchst erfolgreichen massengefertigte Mikrocomputer.

1978 VAX DEC Erster 32‐Bit Super‐Minicomputer

1977 8084 Intel Als Antwort auf den Texas Instruments TMS 1000

Mikrocontroller entwickelt Intel ebenfalls ein Computer‐

System auf einem Chip. Einsatzgebiet beispielsweise in Milliarden von Keyboards.

(33)

Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970)

Jahr Name Gebaut von Kommentar 1981 IBM PC IBM, Philip

Estridge

Erster IBM Personal Computer, gefertigt aus

kommerziellen Komponenten. Intel 8088 als CPU. Der Computer wurde ein Best‐Seller. Beginn der modernen Personal‐Computer‐Ära. Ausgestattet mit MS‐DOS von Microsoft.

1981 Osborne‐1 Osborne Erster tragbarer Personal‐Computer mit etwa 11 kg Gewicht.

1982 C64 Commodore Personal‐Computer auf Basis des 6510er 8‐Bit

Mikroprozessors. Mit 12.5 bis 17 Millionen verkauften Einheiten einer der erfolgreichsten Personal‐Computer‐

Modelle aller Zeiten.

1983 Lisa Apple Erster Personal Computer mit Maus und Betriebssystem mit grafischer Benutzeroberfläche (GUI). Verkaufte sich wegen des hohen Preises von rund 10.000 US‐Dollar

(34)

Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970)

1985 386 Intel Mit dem 8088‐Erfolg produzierte Intel größere und bessere Versionen. Der 32‐Bit Prozessor 386 ist der Vorgänger des Pentium.

1985 MIPS MIPS Erste Kommerzielle RISC‐Maschine

1985 Atari ST Atari Personal‐Computer auf Basis des Motorola 68000er.

Einer der ersten Computer mit einer Color GUI. (Version des Digital Research's GEM)

1987 SPARC Sun Erste SPARC‐Prozessor‐basierte Workstation von Sun 1987 Amiga500 Amiga Personal‐Computer auf Basis des Motorola 68000er.

Einer der besten Multimedia Home‐Computer seiner Zeit.

1990 RS6000 IBM Erstesuperskalare Maschine.

1992 Alpha DEC Erster 64‐Bit Personal Computer.

(35)

1993 PIC Microchip

Technology

Erster Mikrocontroller auf Basis von EEPROMs. Diese erlauben das „Flashen“

ohne zusätzliche Hardware. Bemerkung: Mikrocontroller gibt es schon seit 1971. Mikrocontroller finden sich mittlerweile in sehr vielen

Alltagsgegenständen.

1993 Newton Apple Erster Palmtop‐Computer. Vorgänger der PDAs.

1993 Simon IBM Erstes Smart‐Phone welches neben Telefonieren mit einfachen Programmen aufwartet. (Kalender, Email etc.)

1996 Nokia 9000 Nokia Kombination aus PDA von HP und Nokias zu der Zeit best‐verkauften Mobiltelefon. (unter anderem Email und textbasiertes Browsen)

1997 GS88 Ericson Der Begriff Smartphone wird erstmals von Ericson mit Einführung des GS88 geprägt.

2001 Kyocera 6035 Palm Erstes in den USA weitverbreitetes Smartphone. Limitierte Unterstützung von Web‐Browsing.

2002 Palm OS Treo Handspring Web‐Browsing, Email, etc. und Mobile Drittanbieter‐Applikationen.

2002 BlackBerry RIM Etwa 32 Millionen Kunden December 2009.

2007 iPhone Apple Erstes Smartphone mit einem Multi‐Touch Interface.

Instruction‐Set‐Architecture (ISA)

Grundbegriffe

Maschinensprache

Dasselbe Programm in Assembler

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)

Grundbegriffe

Beispiel eines Mikroprozessors

Technologien zum Bau von Prozessor und Speicher

Der Chip‐Herstellungsprozess

Beispiel: 300mm AMD Opteron Wafer

Der Chip‐Herstellungsprozess

Performance

Definition von Performance

Messen von Zeit und Frequenz

Maschinentakt zur Zeitmessung

Instruktionsperformance

…

Zeitmessung zusammengefasst

Performance‐Messung mittels MIPS?

SPEC CPU Benchmark

SPEC Power Benchmark

Zum Abschluss: Amdahls Gesetz

Beispiel: Parallel ausführbare Programmkomponente

Meilensteine der Rechnerarchitektur

Generation 0: Mechanische Computer (1642‐1945)

Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)

Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)

Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)

Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)

Generation 2: Transistoren (1955‐1965)

Generation 2: Transistoren (1955‐1965)

Generation 3: Integrierte Schaltungen (1965‐1970)

Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970)

Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970)

Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970)

Generation 4: Very Large Scale Integration (ab 1970)

Generation 5: „Invisible‐Computers“ (ab 1993)