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Universität Hamburg MIN-Fakultät Fachbereich Informatik 64-040 Rechnerstrukturen 64-040 Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen http://tams.informatik.uni-hamburg.de/ lectures/2014ws/vorlesung/rs – Kapitel 2 – Andreas Mäder Universität Hamburg Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften Fachbereich Informatik Technische Aspekte Multimodaler Systeme Wintersemester 2014/2015 A. Mäder 1

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64-040 Rechnerstrukturen

64-040 Modul InfB-RS: Rechnerstrukturenhttp://tams.informatik.uni-hamburg.de/

lectures/2014ws/vorlesung/rs

– Kapitel 2 –

Andreas Mäder

Universität HamburgFakultät für Mathematik, Informatik und NaturwissenschaftenFachbereich InformatikTechnische Aspekte Multimodaler Systeme

Wintersemester 2014/2015

A. Mäder 1

http://tams.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2014ws/vorlesung/rs
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2 Digitalrechner 64-040 Rechnerstrukturen

Kapitel 2

DigitalrechnerSemantic GapAbstraktionsebenenVirtuelle MaschineBeispiel: HelloWorldvon-Neumann-KonzeptGeschichteLiteratur

A. Mäder 18

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2 Digitalrechner 64-040 Rechnerstrukturen

Definition: Digitalrechner

Tanenbaum, Austin: Rechnerarchitektur [TA14]Ein Computer oder Digitalrechner ist eine Maschine, die Problemefür den Menschen lösen kann, indem sie die ihr gegebenen Befehleausführt. Eine Befehlssequenz, die beschreibt, wie eine bestimmteAufgabe auzuführen ist, nennt man Programm.Die elektronischen Schaltungen eines Computers verstehen einebegrenzte Menge einfacher Befehle, in die alle Programmekonvertiert werden müssen, bevor sie sich ausführen lassen. . . .

I Probleme lösen: durch Abarbeiten einfacher BefehleI Abfolge solcher Befehle ist ein ProgrammI Maschine versteht nur ihre eigene Maschinensprache

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2.1 Digitalrechner - Semantic Gap 64-040 Rechnerstrukturen

Befehlssatz und Semantic Gap. . . verstehen eine begrenzte Menge einfacher Befehle . . .

Typische Beispiele für solche Befehle:I addiere die zwei Zahlen in Register R1 und R2I überprüfe, ob das Resultat Null istI kopiere ein Datenwort von Adresse 13 ins Register R4⇒ extrem niedriges Abstraktionsniveau

I natürliche Sprache immer mit KontextwissenBeispiel: „vereinbaren Sie einen Termin mit dem Steuerberater“

I Semantic gap:Diskrepanz zu einfachen elementaren Anweisungen

I Vermittlung zwischen Mensch und Computer erfordertzusätzliche Abstraktionsebenen und Software

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2.1 Digitalrechner - Semantic Gap 64-040 Rechnerstrukturen

Rechnerarchitektur bzw. -organisation

I Definition solcher Abstraktionsebenen bzw. SchichtenI mit möglichst einfachen und sauberen SchnittstellenI jede Ebene definiert eine neue (mächtigere) Sprache

I diverse Optimierungs-Kriterien/Möglichkeiten:I Performance, Hardwarekosten, Softwarekosten, . . .I Wartungsfreundlichkeit, Stromverbrauch, . . .

Achtung / Vorsicht:I Gesamtverständnis erfordert Kenntnisse auf allen EbenenI häufig Rückwirkung von unteren auf obere Ebenen

A. Mäder 21

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2.1 Digitalrechner - Semantic Gap 64-040 Rechnerstrukturen

Rückwirkung von unteren Ebenen: Arithmetik

public class Overflow {...public static void main( String[] args ) {

printInt( 0 ); // 0printInt( 1 ); // 1printInt( -1 ); // -1printInt( 2+(3*4) ); // 14printInt( 100*200*300 ); // 6000000printInt( 100*200*300*400 ); // -1894967296 (!)printDouble( 1.0 ); // 1.0printDouble( 0.3 ); // 0.3printDouble( 0.1 + 0.1 + 0.1 ); // 0.300000000000004 (!)printDouble( (0.3) - (0.1+0.1+0.1) ); // -5.5E-17 (!)

}}

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2.1 Digitalrechner - Semantic Gap 64-040 Rechnerstrukturen

Rückwirkung von unteren Ebenen: Performance

public static double sumRowCol( double[][] matrix ) {int rows = matrix.length;int cols = matrix[0].length;double sum = 0.0;for( int r = 0; r < rows; r++ ) {

for( int c = 0; c < cols; c++ ) {sum += matrix[r][c];

}}return sum;

}

Matrix creation (5000×5000) 2105msec.Matrix row-col summation 75msec.Matrix col-row summation 383msec. ⇒ 5x langsamerSum = 600,8473695346258 / 600,8473695342268 ⇒ andere Werte

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2.2 Digitalrechner - Abstraktionsebenen 64-040 Rechnerstrukturen

Maschine mit mehreren Ebenen

Tanenbaum: Structured Computer Organization [TA14]

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2.2 Digitalrechner - Abstraktionsebenen 64-040 Rechnerstrukturen

Abstraktionsebenen und Sprachen

I jede Ebene definiert eine neue (mächtigere) SpracheI Abstraktionsebene ⇐⇒ SpracheI L0 < L1 < L2 < L3 < . . .Software zur Übersetzung zwischen den EbenenI Compiler:

Erzeugen eines neuen Programms, in dem jeder L1 Befehldurch eine zugehörige Folge von L0 Befehlen ersetzt wird

I Interpreter:direkte Ausführung der L0 Befehlsfolgen zu jedem L1 Befehl

A. Mäder 25

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2.3 Digitalrechner - Virtuelle Maschine 64-040 Rechnerstrukturen

Virtuelle Maschine

I für einen Interpreter sind L1 Befehle einfach nur DatenI die dann in die zugehörigen L0 Befehle umgesetzt werden

⇒ dies ist gleichwertig mit einer:Virtuellen Maschine M1 für die Sprache L1I ein Interpreter erlaubt es, jede beliebige Maschine zu simulierenI und zwar auf jeder beliebigen (einfacheren) Maschine M0I Programmierer muss sich nicht um untere Schichten kümmernI Nachteil: die virtuelle Maschine ist meistens langsamer als die

echte Maschine M1I Maschine M0 kann wiederum eine virtuelle Maschine sein (!)I unterste Schicht ist jeweils die Hardware

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2.3 Digitalrechner - Virtuelle Maschine 64-040 Rechnerstrukturen

Übliche Einteilung der Ebenen

Anwendungsebene Hochsprachen (Java, Smalltalk, . . . )Assemblerebene low-level AnwendungsprogrammierungBetriebssystemebene Betriebssystem, Systemprogrammierung

Rechnerarchitektur Schnittstelle zwischen SW und HW,Befehlssatz, Datentypen

Mikroarchitektur Steuerwerk und Operationswerk:Register, ALU, Speicher, . . .

Logikebene Grundschaltungen: Gatter, Flipflops, . . .Transistorebene Transistoren, Chip-LayoutPhysikalische Ebene Elektrotechnik, Geometrien

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2.3 Digitalrechner - Virtuelle Maschine 64-040 Rechnerstrukturen

Beispiel: Sechs Ebenen

Microsoft Windows XP

Chip Hardware

Instruktions-Cache

Intel x86+MMX+SSE2

z.B. Smalltalk, Visual Basic

COFF, ELF, ...

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2.3 Digitalrechner - Virtuelle Maschine 64-040 Rechnerstrukturen

Hinweis: Ebenen vs. Vorlesungen im BSc-Studiengang

Anwendungsebene: SE1+SE2, AD, . . .

Assemblerebene: RSBetriebssystemebene: GSS

Rechnerarchitektur: RSMikroarchitektur: RSLogikebene: RSDevice-Level: –

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2.4 Digitalrechner - Beispiel: HelloWorld 64-040 Rechnerstrukturen

HelloWorld: Anwendungsebene Quellcode

/* HelloWorld.c - print a welcome message */

#include <stdio.h>

int main( int argc, char ** argv ) {printf( "Hello, world!\n" );return 0;

}

Übersetzunggcc -S HelloWorld.cgcc -c HelloWorld.cgcc -o HelloWorld.exe HelloWorld.c

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2.4 Digitalrechner - Beispiel: HelloWorld 64-040 Rechnerstrukturen

HelloWorld: Assemblerebene cat HelloWorld.s

main:leal 4(%esp), %ecxandl $-16, %esppushl -4(%ecx)pushl %ebpmovl %esp, %ebppushl %ecxsubl $4, %espmovl $.LC0, (%esp)call putsmovl $0, %eaxaddl $4, %esppopl %ecxpopl %ebpleal -4(%ecx), %espret

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2.4 Digitalrechner - Beispiel: HelloWorld 64-040 Rechnerstrukturen

HelloWorld: Objectcode od -x HelloWorld.o

0000000 457f 464c 0101 0001 0000 0000 0000 00000000020 0001 0003 0001 0000 0000 0000 0000 00000000040 00f4 0000 0000 0000 0034 0000 0000 00280000060 000b 0008 4c8d 0424 e483 fff0 fc71 89550000100 51e5 ec83 c704 2404 0000 0000 fce8 ffff0000120 b8ff 0000 0000 c483 5904 8d5d fc61 00c30000140 6548 6c6c 2c6f 7720 726f 646c 0021 47000000160 4343 203a 4728 554e 2029 2e34 2e31 20320000200 3032 3630 3131 3531 2820 7270 7265 6c650000220 6165 6573 2029 5328 5355 2045 694c 756e0000240 2978 0000 732e 6d79 6174 0062 732e 72740000260 6174 0062 732e 7368 7274 6174 0062 722e0000300 6c65 742e 7865 0074 642e 7461 0061 622e0000320 7373 2e00 6f72 6164 6174 2e00 6f63 6d6d0000340 6e65 0074 6e2e 746f 2e65 4e47 2d55 7473...

A. Mäder 32

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2.4 Digitalrechner - Beispiel: HelloWorld 64-040 Rechnerstrukturen

HelloWorld: Disassemblieren objdump -d HelloWorld.o

HelloWorld.o: file format elf32-i386Disassembly of section .text:00000000 <main>:

0: 8d 4c 24 04 lea 0x4(%esp),%ecx4: 83 e4 f0 and $0xfffffff0 ,%esp7: ff 71 fc pushl 0xfffffffc(%ecx)a: 55 push %ebpb: 89 e5 mov %esp,%ebpd: 51 push %ecxe: 83 ec 04 sub $0x4,%esp

11: c7 04 24 00 00 00 00 movl $0x0,(%esp)18: e8 fc ff ff ff call 19 <main+0x19>1d: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax22: 83 c4 04 add $0x4,%esp

...

A. Mäder 33

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2.4 Digitalrechner - Beispiel: HelloWorld 64-040 Rechnerstrukturen

HelloWorld: Maschinencode od -x HelloWorld.exe

0000000 457f 464c 0101 0001 0000 0000 0000 00000000020 0002 0003 0001 0000 8310 0804 0034 00000000040 126c 0000 0000 0000 0034 0020 0009 00280000060 001c 001b 0006 0000 0034 0000 8034 08040000100 8034 0804 0120 0000 0120 0000 0005 00000000120 0004 0000 0003 0000 0154 0000 8154 08040000140 8154 0804 0013 0000 0013 0000 0004 00000000160 0001 0000 0001 0000 0000 0000 8000 08040000200 8000 0804 04c4 0000 04c4 0000 0005 00000000220 1000 0000 0001 0000 0f14 0000 9f14 08040000240 9f14 0804 0104 0000 0108 0000 0006 00000000260 1000 0000 0002 0000 0f28 0000 9f28 0804...

A. Mäder 34

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2.4 Digitalrechner - Beispiel: HelloWorld 64-040 Rechnerstrukturen

Hardware: „Versteinerte Software“

I eine virtuelle Maschine führt L1 Software ausI und wird mit Software oder Hardware realisiert

⇒ Software und Hardware sind logisch äquivalent„Hardware is just petrified Software“ K.P. Lentz– jedenfalls in Bezug auf L1 Programmausführung

Entscheidung für Software- oder Hardwarerealisierung?I abhängig von vielen Faktoren, u.a.I Kosten, Performance, ZuverlässigkeitI Anzahl der (vermuteten) Änderungen und UpdatesI Sicherheit gegen Kopieren, . . .

A. Mäder 35

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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

von-Neumann Konzept

I J.Mauchly, J.P. Eckert, J. von-Neumann 1945I Abstrakte Maschine mit minimalem Hardwareaufwand

I System mit Prozessor, Speicher, PeripheriegerätenI die Struktur ist unabhängig von dem Problem, das Problem wird

durch austauschbaren Speicherinhalt (Programm) beschriebenI gemeinsamer Speicher für Programme und Daten

I fortlaufend adressiertI Programme können wie Daten manipuliert werdenI Daten können als Programm ausgeführt werden

I Befehlszyklus: Befehl holen, decodieren, ausführen⇒ enorm flexibelI alle aktuellen Rechner basieren auf diesem PrinzipI aber vielfältige Architekturvarianten, Befehlssätze, usw.

A. Mäder 36

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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

von-Neumann Rechner

[TA14]

Fünf zentrale Komponenten:I Prozessor mit Steuerwerk und Rechenwerk (ALU, Register)I Speicher, gemeinsam genutzt für Programme und DatenI Eingabe- und AusgabewerkeI verbunden durch Bussystem

A. Mäder 37

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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

von-Neumann Rechner (cont.)

I Prozessor (CPU) = Steuerwerk + OperationswerkI Steuerwerk: zwei zentrale Register

I Befehlszähler (program counter PC)I Befehlsregister (instruction register IR)

I Operationswerk (Datenpfad, data-path)I Rechenwerk (arithmetic-logic unit ALU)I Universalregister (mind. 1 Akkumulator, typisch 8..64 Register)I evtl. Register mit Spezialaufgaben

I Speicher (memory)I Hauptspeicher/RAM: random-access memoryI Hauptspeicher/ROM: read-only memory zum BootenI Externspeicher: Festplatten, CD/DVD, Magnetbänder

I Peripheriegeräte (Eingabe/Ausgabe, I/O)A. Mäder 38

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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

von-Neumann Rechner: IAS Computer

John von Neumann, R. J. Oppenheimer, IAS Computer Princeton www.computerhistory.org

A. Mäder 39

http://www.computerhistory.org
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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

PRIMA: die Primitive Maschine

ein (minimaler) 8-bit von-Neumann RechnerI RAM: Hauptspeicher 256Worte à 8-bitI vier 8-bit Register:

I PC: program-counterI BR: instruction register („Befehlsregister“)I AR: address register (Speicheradressen und Sprungbefehle)I AKKU: accumulator (arithmetische Operationen)

I eine ALU für Addition, Inkrement, Shift-OperationenI ein Schalter als EingabegerätI sehr einfacher BefehlssatzI Demo: http://tams.informatik.uni-hamburg.de/applets/

hades/webdemos/50-rtlib/90-prima/chapter.html

A. Mäder 40

http://tams.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades/webdemos/50-rtlib/90-prima/chapter.html
http://tams.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades/webdemos/50-rtlib/90-prima/chapter.html
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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

PRIMA: die Primitive Maschine

clock

AKKUQ

DENA

CLK

NR 00_H

switch

RAMnCS

A

nWE

DIN

DOUT

PCQ

DENA

CLK

NR 00_H

0

BRQ

DENA

CLK

NR 00_H0INCR

Y

A

2:1A1 A0

YS

ARQ

DENA

CLK

NR 00_H

cycle1_fetch

cycle2_address

cycle3_execute

overflow_flag

enable_ram_write

enable_akku

enable_areg

enable_breg

select_addr_mux

select_pcmux

enable_pc

alu_function

switch_in

nRESET

CLK

Overflow

AkkuInhalt

Befehl 2:1A1 A0

YS

ALUOPC

A B CIN

YCOUT

STW

executeaddress

fetch

[HenHA] Hades Demo: 50-rtlib/90-prima/prima

A. Mäder 41

http://tams.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades/webdemos/50-rtlib/90-prima/prima.html
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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

PRIMA: die Zyklen

Befehl holen decodieren PC inkrementieren

clock

AKKUQ

DENA

CLK

NR 00_H

switch

RAMnCS

A

nWE

DIN

DOUT

PCQ

DENA

CLK

NR 00_H

0

0INCRY

A

2:1A1 A0

YS

ARQ

DENA

CLK

NR 00_H

cycle1_fetch

cycle2_address

cycle3_execute

overflow_flag

enable_ram_write

enable_akku

enable_areg

enable_breg

select_addr_mux

select_pcmux

enable_pc

alu_function

switch_in

nRESET

CLK

Overflow

AkkuInhalt

Befehl 2:1A1 A0

YS

ALUOPC

A B CIN

YCOUT

BRQ

DENA

CLK

NR 00_H

STW

executeaddress

fetch

clock

AKKUQ

DENA

CLK

NR 00_H

switch

RAMnCS

A

nWE

DIN

DOUT

PCQ

DENA

CLK

NR 00_H

0

BRQ

DENA

CLK

NR 00_H0INCR

Y

A

2:1A1 A0

YS

ARQ

DENA

CLK

NR 00_H

cycle1_fetch

cycle2_address

cycle3_execute

overflow_flag

enable_ram_write

enable_akku

enable_areg

enable_breg

select_addr_mux

select_pcmux

enable_pc

alu_function

switch_in

nRESET

CLK

Overflow

AkkuInhalt

Befehl 2:1A1 A0

YS

ALUOPC

A B CIN

YCOUT

STW

executeaddress

fetch

clock

AKKUQ

DENA

CLK

NR 00_H

switch

RAMnCS

A

nWE

DIN

DOUT

PCQ

DENA

CLK

NR 00_H

0

BRQ

DENA

CLK

NR 00_H0INCR

Y

A

2:1A1 A0

YS

ARQ

DENA

CLK

NR 00_H

cycle1_fetch

cycle2_address

cycle3_execute

overflow_flag

enable_ram_write

enable_akku

enable_areg

enable_breg

select_addr_mux

select_pcmux

enable_pc

alu_function

switch_in

nRESET

CLK

Overflow

AkkuInhalt

Befehl 2:1A1 A0

YS

ALUOPC

A B CIN

YCOUT

STW

executeaddress

fetch

clock

switch

RAMnCS

A

nWE

DIN

DOUT

PCQ

DENA

CLK

NR 00_H

0

BRQ

DENA

CLK

NR 00_H0INCR

Y

A

2:1A1 A0

YS

ARQ

DENA

CLK

NR 00_H

cycle1_fetch

cycle2_address

cycle3_execute

overflow_flag

enable_ram_write

enable_akku

enable_areg

enable_breg

select_addr_mux

select_pcmux

enable_pc

alu_function

switch_in

nRESET

CLK

Overflow

AkkuInhalt

Befehl 2:1A1 A0

YS

ALUOPC

A B CIN

YCOUT

AKKUQ

DENA

CLK

NR 00_HSTW

executeaddress

fetch

clock

AKKUQ

DENA

CLK

NR 00_H

switch

RAMnCS

A

nWE

DIN

DOUT

PCQ

DENA

CLK

NR 00_H

0

BRQ

DENA

CLK

NR 00_H0INCR

Y

A

2:1A1 A0

YS

ARQ

DENA

CLK

NR 00_H

cycle1_fetch

cycle2_address

cycle3_execute

overflow_flag

enable_ram_write

enable_akku

enable_areg

enable_breg

select_addr_mux

select_pcmux

enable_pc

alu_function

switch_in

nRESET

CLK

Overflow

AkkuInhalt

Befehl 2:1A1 A0

YS

ALUOPC

A B CIN

YCOUT

STW

executeaddress

fetch

clock

AKKUQ

DENA

CLK

NR 00_H

switch

RAMnCS

A

nWE

DIN

DOUT

PCQ

DENA

CLK

NR 00_H

0

BRQ

DENA

CLK

NR 00_H0INCR

Y

A

2:1A1 A0

YS

ARQ

DENA

CLK

NR 00_H

cycle1_fetch

cycle2_address

cycle3_execute

overflow_flag

enable_ram_write

enable_akku

enable_areg

enable_breg

select_addr_mux

select_pcmux

enable_pc

alu_function

switch_in

nRESET

CLK

Overflow

AkkuInhalt

Befehl 2:1A1 A0

YS

ALUOPC

A B CIN

YCOUT

STW

executeaddress

fetch

rechnen speichern springenA. Mäder 42

Page 27: 64-040- Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen · leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ecx subl $4, %esp movl $.LC0, (%esp) call puts movl

Universität Hamburg

MIN-FakultätFachbereich Informatik

2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

PRIMA: Befehl holenBR = RAM[PC]

clock

AKKUQ

DENA

CLK

NR 00_H

switch

RAMnCS

A

nWE

DIN

DOUT

PCQ

DENA

CLK

NR 00_H

0

0INCRY

A

2:1A1 A0

YS

ARQ

DENA

CLK

NR 00_H

cycle1_fetch

cycle2_address

cycle3_execute

overflow_flag

enable_ram_write

enable_akku

enable_areg

enable_breg

select_addr_mux

select_pcmux

enable_pc

alu_function

switch_in

nRESET

CLK

Overflow

AkkuInhalt

Befehl 2:1A1 A0

YS

ALUOPC

A B CIN

YCOUT

BRQ

DENA

CLK

NR 00_H

STW

executeaddress

fetch

A. Mäder 43

Page 28: 64-040- Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen · leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ecx subl $4, %esp movl $.LC0, (%esp) call puts movl

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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

PRIMA: decodierenSteuersignale = decode(BR)

clock

AKKUQ

DENA

CLK

NR 00_H

switch

RAMnCS

A

nWE

DIN

DOUT

PCQ

DENA

CLK

NR 00_H

0

BRQ

DENA

CLK

NR 00_H0INCR

Y

A

2:1A1 A0

YS

ARQ

DENA

CLK

NR 00_H

cycle1_fetch

cycle2_address

cycle3_execute

overflow_flag

enable_ram_write

enable_akku

enable_areg

enable_breg

select_addr_mux

select_pcmux

enable_pc

alu_function

switch_in

nRESET

CLK

Overflow

AkkuInhalt

Befehl 2:1A1 A0

YS

ALUOPC

A B CIN

YCOUT

STW

executeaddress

fetch

A. Mäder 44

Page 29: 64-040- Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen · leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ecx subl $4, %esp movl $.LC0, (%esp) call puts movl

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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

PRIMA: PC inkrementierenPC = PC+1

clock

AKKUQ

DENA

CLK

NR 00_H

switch

RAMnCS

A

nWE

DIN

DOUT

PCQ

DENA

CLK

NR 00_H

0

BRQ

DENA

CLK

NR 00_H0INCR

Y

A

2:1A1 A0

YS

ARQ

DENA

CLK

NR 00_H

cycle1_fetch

cycle2_address

cycle3_execute

overflow_flag

enable_ram_write

enable_akku

enable_areg

enable_breg

select_addr_mux

select_pcmux

enable_pc

alu_function

switch_in

nRESET

CLK

Overflow

AkkuInhalt

Befehl 2:1A1 A0

YS

ALUOPC

A B CIN

YCOUT

STW

executeaddress

fetch

A. Mäder 45

Page 30: 64-040- Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen · leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ecx subl $4, %esp movl $.LC0, (%esp) call puts movl

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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

PRIMA: rechnenAkku = Akku + RAM[AR]

clock

switch

RAMnCS

A

nWE

DIN

DOUT

PCQ

DENA

CLK

NR 00_H

0

BRQ

DENA

CLK

NR 00_H0INCR

Y

A

2:1A1 A0

YS

ARQ

DENA

CLK

NR 00_H

cycle1_fetch

cycle2_address

cycle3_execute

overflow_flag

enable_ram_write

enable_akku

enable_areg

enable_breg

select_addr_mux

select_pcmux

enable_pc

alu_function

switch_in

nRESET

CLK

Overflow

AkkuInhalt

Befehl 2:1A1 A0

YS

ALUOPC

A B CIN

YCOUT

AKKUQ

DENA

CLK

NR 00_HSTW

executeaddress

fetch

A. Mäder 46

Page 31: 64-040- Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen · leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ecx subl $4, %esp movl $.LC0, (%esp) call puts movl

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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

PRIMA: speichernRAM[AR] = Akku

clock

AKKUQ

DENA

CLK

NR 00_H

switch

RAMnCS

A

nWE

DIN

DOUT

PCQ

DENA

CLK

NR 00_H

0

BRQ

DENA

CLK

NR 00_H0INCR

Y

A

2:1A1 A0

YS

ARQ

DENA

CLK

NR 00_H

cycle1_fetch

cycle2_address

cycle3_execute

overflow_flag

enable_ram_write

enable_akku

enable_areg

enable_breg

select_addr_mux

select_pcmux

enable_pc

alu_function

switch_in

nRESET

CLK

Overflow

AkkuInhalt

Befehl 2:1A1 A0

YS

ALUOPC

A B CIN

YCOUT

STW

executeaddress

fetch

A. Mäder 47

Page 32: 64-040- Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen · leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ecx subl $4, %esp movl $.LC0, (%esp) call puts movl

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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

PRIMA: springenPC = AR

clock

AKKUQ

DENA

CLK

NR 00_H

switch

RAMnCS

A

nWE

DIN

DOUT

PCQ

DENA

CLK

NR 00_H

0

BRQ

DENA

CLK

NR 00_H0INCR

Y

A

2:1A1 A0

YS

ARQ

DENA

CLK

NR 00_H

cycle1_fetch

cycle2_address

cycle3_execute

overflow_flag

enable_ram_write

enable_akku

enable_areg

enable_breg

select_addr_mux

select_pcmux

enable_pc

alu_function

switch_in

nRESET

CLK

Overflow

AkkuInhalt

Befehl 2:1A1 A0

YS

ALUOPC

A B CIN

YCOUT

STW

executeaddress

fetch

A. Mäder 48

Page 33: 64-040- Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen · leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ecx subl $4, %esp movl $.LC0, (%esp) call puts movl

Universität Hamburg

MIN-FakultätFachbereich Informatik

2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

PRIMA: Simulator

http://tams.informatik.uni-hamburg.de/applets/jython/prima.html

A. Mäder 49

http://tams.informatik.uni-hamburg.de/applets/jython/prima.html
Page 34: 64-040- Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen · leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ecx subl $4, %esp movl $.LC0, (%esp) call puts movl

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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

Personal Computer: Aufbau des IBM PC (1981)

[TA14]

I Intel 8086/8088, 512KByte RAM, Betriebssystem MS-DOSI alle Komponenten über den zentralen („ISA“-) Bus verbundenI Erweiterung über Einsteckkarten

A. Mäder 50

Page 35: 64-040- Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen · leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ecx subl $4, %esp movl $.LC0, (%esp) call puts movl

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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

Personal Computer: Prototyp (1981) und Hauptplatine

A. Mäder 51

Page 36: 64-040- Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen · leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ecx subl $4, %esp movl $.LC0, (%esp) call puts movl

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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

Personal Computer: Aufbau mit PCI-Bus (2000)

[TA14]

A. Mäder 52

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2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

Personal Computer: Hauptplatine (2005)

de.wikibooks.org/wiki/Computerhardware_für_Anfänger

A. Mäder 53

http://de.wikibooks.org/wiki/Computerhardware_f�r_Anf�nger
Page 38: 64-040- Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen · leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ecx subl $4, %esp movl $.LC0, (%esp) call puts movl

Universität Hamburg

MIN-FakultätFachbereich Informatik

2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

Personal Computer: Aufbau (2010)

Intel ark.intel.com

I Mehrkern-Prozessoren („dual-/quad core“)I schnelle serielle Direktverbindungen statt PCI/ISA Bus

A. Mäder 54

http://ark.intel.com
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MIN-FakultätFachbereich Informatik

2.5 Digitalrechner - von-Neumann-Konzept 64-040 Rechnerstrukturen

Mobilgeräte: Smartphone (2010)

A. Mäder 55

Page 40: 64-040- Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen · leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ecx subl $4, %esp movl $.LC0, (%esp) call puts movl

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

Timeline: Vorgeschichte

???? Abakus als erste Rechenhilfe1642 Pascal: Addierer/Subtrahierer1671 Leibniz: Vier-Operationen-Rechenmaschine1837 Babbage: Analytical Engine

1937 Zuse: Z1 (mechanisch)1939 Zuse: Z3 (Relais, Gleitkomma)1941 Atanasoff & Berry: ABC (Röhren, Magnettrommel)1944 Mc-Culloch Pitts (Neuronenmodell)1946 Eckert & Mauchly: ENIAC (Röhren)1949 Eckert, Mauchly, von Neumann: EDVAC

(erster speicherprogrammierter Rechner)1949 Manchester Mark-1 (Indexregister)

A. Mäder 56

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

Abakus8 00 5 14 2 5 2 10 7 0

10 1010 10 10 10 10 10 10 10 1010 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Wert in Spalte

Kugel = 5

Kugel = 1

der SpalteZehnerpotenz

A. Mäder 57

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

Mechanische Rechenmaschinen

1623 Schickard: Sprossenrad, Addierer/Subtrahierer1642 Pascal: „Pascalene“1673 Leibniz: Staffelwalze, Multiplikation/Division1774 Philipp Matthäus Hahn: erste gebrauchsfähige

„4-Spezies“-MaschineA. Mäder 58

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Universität Hamburg

MIN-FakultätFachbereich Informatik

2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

Difference EngineCharles Babbage 1822: Berechnung nautischer Tabellen

Original von 1832 und Nachbau von 1989, London Science Museum

A. Mäder 59

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MIN-FakultätFachbereich Informatik

2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

Analytical EngineCharles Babbage 1837-1871: frei programmierbar, Lochkarten, unvollendet

A. Mäder 60

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

Zuse Z1Konrad Zuse 1937: 64 Register, 22-bit, mechanisch, Lochfilm

A. Mäder 61

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

Zuse Z3Konrad Zuse 1941, 64 Register, 22-bit, 2000 Relays, Lochfilm

A. Mäder 62

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

Atanasoff-Berry Computer (ABC)J.V.Atanasoff 1942: 50-bit Festkomma, Röhren und Trommelspeicher, fest programmiert

A. Mäder 63

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

ENIAC — Electronic Numerical Integrator and ComputerMauchly & Eckert, 1946: Röhren, Steckbrett-Programm

A. Mäder 64

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

First computer bug

A. Mäder 65

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

EDVACMauchly, Eckert & von Neumann, 1949: Röhren, speicherprogrammiert

A. Mäder 66

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

Manchester Mark-1Williams & Kilburn, 1949: Trommelspeicher, Indexregister

A. Mäder 67

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

Manchester EDSACWilkes 1951: Mikroprogrammierung, Unterprogramme, speicherprogrammiert

A. Mäder 68

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

Timeline: Verbesserungen1952: IBM 701 Pipeline1964: IBM S/360 Rechnerfamilie, software-kompatibel1971: Intel 4004 4-bit Mikroprozessor1972: Intel 8008 8-bit Mikrocomputer-System1978: Intel 8086 16-bit Mikroprozessor1979: Motorola 68000 16/32-bit Mikroprozessor1980: Intel 8087 Gleitkomma-Koprozessor1981: Intel 8088 8/16-bit für IBM PC1984: Motorola 68020 32-bit, Pipeline, on-chip Cache1992: DEC Alpha AXP 64-bit RISC-Mikroprozessor1997: Intel MMX MultiMedia eXtension Befehlssatz2006: Sony Playstation 3 1+8 Kern-Multiprozessor2006: Intel-VT / AMD-V Virtualisierung. . .

A. Mäder 69

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

erste Computer, ca. 1950:

I zunächst noch kaum SoftwareunterstützungI nur zwei Schichten:1. Programmierung in elementarer Maschinensprache (ISA level)2. Hardware in Röhrentechnik (device logic level)− Hardware kompliziert und unzuverlässig

Mikroprogrammierung (Maurice Wilkes, Cambridge, 1951):I Programmierung in komfortabler MaschinenspracheI Mikroprogramm-Steuerwerk (Interpreter)I einfache, zuverlässigere HardwareI Grundidee der sog. CISC-Rechner (68000, 8086, VAX)

A. Mäder 70

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

erste Betriebssysteme

I erste Rechner jeweils nur von einer Person benutztI Anwender = Programmierer = OperatorI Programm laden, ausführen, Fehler suchen, usw.

⇒ Maschine wird nicht gut ausgelastet⇒ Anwender mit lästigen Details überfordert

Einführung von BetriebssystemenI „system calls“I Batch-Modus: Programm abschicken, wartenI Resultate am nächsten Tag abholen

A. Mäder 71

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Universität Hamburg

MIN-FakultätFachbereich Informatik

2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

zweite Generation: Transistoren

I Erfindung des Transistors 1948 J. Bardeen, W. Brattain, W. Shockley

I schneller, zuverlässiger, sparsamer als RöhrenI Miniaturisierung und dramatische Kostensenkung

I Beispiel Digial Equipment Corporation PDP-1 (1961)I 4K Speicher (4096 Worte á 18-bit)I 200 kHz TaktfrequenzI 120 000 $I Grafikdisplay: erste Computerspiele

I Nachfolger PDP-8: 16 000 $I erstes BussystemI 50 000 Stück verkauft

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

Festplatten

Massenspeicher bei frühen Computern:I LochkartenI LochstreifenI Magnetband

I MagnettrommelI Festplatte

IBM 350 RAMAC (1956)5MByte, 600ms Zugriffszeit

http://de.wikibooks.org/wiki/Computerhardware_für_Anfänger

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http://de.wikibooks.org/wiki/Computerhardware_f�r_Anf�nger
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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

dritte Generation: ICs

I Erfindung der integrierten Schaltung 1958 (Noyce, Kilby)I Dutzende. . . Hunderte. . . Tausende Transistoren auf einem Chip

I IBM Serie-360: viele Maschinen, ein einheitlicher BefehlssatzI volle SoftwarekompatibilitätEigenschaft Model 30 Model 40 Model 50 Model 65Rel. Leistung [Model 30] 1 3,5 10 21Zykluszeit [ns] 1 000 625 500 250Max. Speicher [KiB] 64 256 256 512Pro Zyklus gelesene Byte 1 2 4 16Max. Anzahl von Datenkanälen 3 3 4 6

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

vierte Generation: VLSI

I VLSI = Very Large Scale IntegrationI ab 10 000 Transistoren pro Chip

I gesamter Prozessor passt auf einen ChipI steigende Integrationsdichte erlaubt immer mehr Funktionen

1972 Intel 4004: erster Mikroprozessor1975 Intel 8080, Motorola 6800, MOS 6502, . . .1981 IBM PC („personal computer“) mit Intel 8088. . .

I Massenfertigung erlaubt billige Prozessoren (< 1$)I Miniaturisierung ermöglicht mobile Geräte

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

Xerox Alto: first workstation

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2.6 Digitalrechner - Geschichte 64-040 Rechnerstrukturen

Rechner-Spektrum

Typ Preis [$] BeispielanwendungWegwerfcomputer 0,5 GlückwunschkartenMikrocontroller 5 Uhren, Geräte, AutosMobile Computer undSpielkonsolen

50 Smartphones, Tablets, Heimvideospiele

Personalcomputer 500 Desktop- oder Notebook-ComputerServer 5 000 NetzwerkserverWorkstation Verbund 50 000 – 500 000 Abteilungsrechner (Minisupercomp.)Großrechner (Mainframe) 5 Millionen Batch-Verarbeitung in einer BankSupercomputer > 50 Millionen Klimamodelle, Simulationen

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2.7 Digitalrechner - Literatur 64-040 Rechnerstrukturen

Literatur

[TA14] A.S. Tanenbaum, T. Austin: Rechnerarchitektur –Von der digitalen Logik zum Parallelrechner.6. Auflage, Pearson Deutschland GmbH, 2014.ISBN 978–3–86894–238–5

[HenHA] N. Hendrich: HADES — HAmburg DEsign System.Universität Hamburg, FB Informatik, Lehrmaterial.tams.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades

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http://tams.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades

Übung zu Betriebssysteme - Entkäfern mit GDB & GEF · add esp, 8 ; CPU Kontext und IRQ-Nummer vom Stack nehmen pop eax pop ecx pop edx iret %endmacro IRQ 0, 0 IRQ 1, 0 IRQ 2, 0

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