Grundlagen der Rechnerarchitektur

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Einführung

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 2

Unsere erste Amtshandlung:

Wir schrauben einen Rechner auf

Vorlesungsinhalte

• Binäre Arithmetik

• MIPS Assembler

• ARM, x86 und ISA‐Prinzipien

• Querschnittsthemen

• Prozessor

• Speicher

• Ein‐Ausgabe

• Parallelität

Übersicht dieses Vorlesungsabschnitts

• Grundbegriffe

• Performance

• Meilensteine der Rechnerarchitektur

• Trends

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 4

Grundbegriffe

Rechnertypen

• Personal Mobile Device (PMD)

– Mobiltelefon, Tablet‐Computer

– Schwerpunkte sind Energie‐Effizienz und Echtzeit

• Desktop‐Computing

– Schwerpunkt Preis‐Performance

• Server

– Schwerpunkt Verfügbarkeit, Skalierbarkeit, Durchsatz

• Cluster/Warehouse‐Scale‐Computer

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

– Schwerpunkt Preis‐Performance

– Subklasse: Supercomputer, Schwerpunkt:  Floating‐Point‐Performance  schnelle interne Netze; abarbeiten von Batch‐Jobs

• Embedded‐Computer

– Schwerpunkt : Preis

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 6

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

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung

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

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Grundbegriffe

Darstellen und Speichern von Daten

Binäre Zahlendarstellung

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Logik und Arithmetik 10

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

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Logik und Arithmetik 12

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

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Einführung 14

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.:

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

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Assembler 16

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)

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐Assembler 18

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)

Grundbegriffe

Verarbeiten von Daten

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

Dasselbe Programm in Assembler

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

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)

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