Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik.

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Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik 6. R echnerarchitektur Aufbau von D igitalrechnern Von-N eum ann-Rechnerarchitektur - Kom ponenten -Prinzipien Speicher - Begriffe -Speicherhierarchie - Entwicklungstrends Betriebssystem - Betriebssystem und Prozesse - U nix (D ateisystem , Shell-Benutzung) AlternativeRechnerarchitekturen

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6. Rechnerarchitektur

Aufbau von Digitalrechnern

Von-Neumann-Rechnerarchitektur- Komponenten- Prinzipien

Speicher- Begriffe- Speicherhierarchie- Entwicklungstrends

Betriebssystem- Betriebssystem und Prozesse- Unix (Dateisystem, Shell-Benutzung)

Alternative Rechnerarchitekturen

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A u f b a u e i n e s D i g i t a l r e c h n e r s

D i g i t a l r e c h n e r ( C o m p u t e r )u n i v e r s e l l e s i n f o r m a t i o n s v e r a r b e i t e n d e s S y s t e m , w e l c h e sF o l g e n v o n O p e r a t i o n e n ( a r i t h m e t i s c h e , l o g i s c h e , u . a . )d u r c h v o r z u g e b e n d e P r o g r a m m e g e s t e u e r t , s e l b s t t ä t i g( a u t o m a t i s c h ) a u s f ü h r e n k a n n .D i e U n i v e r s a l i t ä t b e s t e h t d a r i n , d a ß i m R a h m e n d e r v o mR e c h n e r a u s f ü h r b a r e n O p e r a t i o n e n b e l i e b i g e A l g o r i t h m e n( V e r f a h r e n ) i n e n t s p r e c h e n d e P r o g r a m m e t r a n s f o r m i e r t( ü b e r s e t z t ) w e r d e n k ö n n e n .E s w e r d e n a u s s c h l i e ß l i c h d i g i t a l e D a t e n - i nD u a l d a r s t e l l u n g - v e r a r b e i t e t .

A b l a u f u m g e b u n g

Ein- undAusgabe-geräte

Rechner

Hardware

Anwendungs-programme

System-programme

Software

SW/HW-Schnittstellen

HW-Schnittstellen

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Von-Neumann-Prinzipien

1. Der Rechner besteht aus fünf Funktionseinheiten(Steuerwerk, Rechenwerk, Speicher, Eingabewerk,Ausgabewerk).

2. Die Struktur des Von-Neumann-Rechners ist unabhängigvon den zu bearbeitenden Problemen.

3. Programme, Daten, Zwischen- und Endergebnisse werdenin demselben Speicher abgelegt.

4. Der Speicher ist in gleichgroße Zellen unterteilt, diefortlaufend durchnummeriert sind (Adressen).

5. Aufeinanderfolgende Befehle eines Programms werden inaufeinanderfolgenden Speicherzellen abgelegt.

6. Durch Sprungbefehle kann von der Bearbeitung der Befehlein der gespeicherten Reihenfolge abgewichen werden.

7. Es gibt zumindest- arithmetische Befehle- logische Befehle- Transportbefehle- sonstige Befehle wie Schieben, Unterbrechen, Warten

usw.

8. Alle Daten (Befehle, Adressen usw) werden binär codiert.

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V o n - N e u m a n n - R e c h n e r

Z e n t r a l e i n h e i t = C P U ( C e n t r a l P r o c e s s i n g U n i t )

S t e u e r w e r k ( L e i t w e r k ) : L a d e n , D e k o d i e r u n g u n d I n t e r p r e t a t i o n v o nB e f e h l e n s o w i e S t e u e r u n g d e r a n d e r A u s f ü h r u n g b e t e i l i g t e nK o m p o n e n t e n

R e c h e n w e r k ( A L U , A r i t h m e t i c L o g i c a l U n i t ) : A u s f ü h r u n g v o na r i t h m e t i s c h e n u n d l o g i s c h e n O p e r a t i o n e n ( V e r k n ü p f u n g v o nO p e r a n d e n )

Steuerwerk

Zentraleinheit (Prozessor)Speicher

Rechenwerk

Input/Output

Eingabe-geräte

Dialog- Ausgabe- Proz. Speichergerätegeräteexterner

Peripherie

Rechner

Daten

Programm

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Datenbus

Adreßbus

KontrollbusRechen-

werk

Steuer-

einheit

Speicher E/A-

Einheit

CPUArbeits-

speicher

Adressen

Daten

Operationsbefehle

Ein potentioneller Engpaß - Kommunikation zwischen CPU und Arbeitsspeicher:

Busstruktur

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Rechenwerk.

.

.

Register

Register

Kontroll- und

Steuerschaltungen

AkkumulatorAddierwerk und Komple-mentierer

ALU

Aufbau des Rechenwerks

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Arithmetisch-Logische Einheit

ALU

X-Register Y-Register

Z-Register Flag-Register

Mode

Function-select

MS1

S0C1

Z1 Z0Z2Z3

C2C3C4

Y2 Y1 Y0Y3 X2 X1 X0X3C0

1-Bit ALU

1-Bit ALU

1-Bit ALU

1-Bit ALU

Overflow

4-Bit-ALU

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P1: Phase 1

P2: Phase 2

P3: Phase 3

Taktgeber

. . .

R0

R1

R7

3

3

3

1

1

1

1

1

1

Z-Bus Mehrzweck-register

X-Bus Y-Bus

ALU

X-Register Y-Register

Z-Register

Rechnerkern: ALU + Register + Busse

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Vom Mikroprogramm zum Assemblercode

• Der Mikrocode: Beschreibt Ablauf der Operationen im Rechnerkern (Stellung der Schalter, Steuerleitungen). Dieser wird von der Mikroprogrammeinheit des Steuerwerkes generiert.

• Das Mikroprogramm zur Ausführung der Befehle im ROM des Steuerwerkes gespeichert.

• Maschinencode: Nächsthöhere Ebene der Programmierung. Befehle und Adressen können direkt angesprochen werden. Jeder Befehl durch eine Zahl, seinen OpCode, repräsentiert.

• Assemblercode: Besser lesbare Form der Maschinensprache. Befehle durch Worte benannt.

• Befehle des Assemblercodes in aufeinanderfolgenden Zellen des RAM gespeichert. Änderung in der Reihenfolge der Abarbeitung durch Sprungbefehle.

• Einige Register der CPU erfüllen spezielle Funktionen (Akkumulator, Befehlszähler) und sind direkt ansprechbar.

• Demonstration am „Ein-Adreß-Rechner“.

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Speicher I

• Daten und Programme im Speicher des Computers bereitgehalten.

• Programmbefehle im Hauptspeicher in aufeinanderfolgenden Speicherzellen abgelegt.

• Jedes Datum ist ein Speicherwort der Länge n Bits.

• Jedes Wort belegt eine durch eine Adresse ansprechbare Speicherstelle im Speicher.

• Aufbau eines Speicherwortes für einen Befehl:Operationsteil Adreßteil

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Speicher II

ausschließlich als Binärspeicher realisiert- kleinste Speichereinheit: 1 Bit- 1 Byte (B) = 8 Bit (erlaubt i.a. Speicherung von 1 Zeichen)- 1 Kilo-Byte (KB) = 210 B = 1024 B, 1 Mega-Byte (MB) = 220 B- 1 Giga-Byte (GB) = 230 B; 1 Tera-Byte (TB) = 240 B

Speicherzelle (Adressierungseinheit) meist 1 B;mehrere Zellen können zu einem Speicherwort (Zugriffsein-heit) zusammengefaßt werden

Unterschiedliche Speichertypen- Hauptspeicher (Arbeits- bzw. Primärspeicher) vs. Hintergrundspeicher (Extern-bzw. Sekundärspeicher)- Halbleiter-, Magnet-, optische Speicher- flüchtige vs. nicht-flüchtige Speicher- direkte (wahlfreier) vs. sequentielle, lesende vs. schreibende Zugriffsmöglichkeit

RAM = Random Access Memory

ROM = Read Only Memory

Gegensätzliche Eigenschaften hinichtlich Zugriffszeit,Kapazität und Kosten=> Nutzung von Speicherhierarchien

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Der Zugang zum Hauptspeicher

MODE

Adreß-register

Datenregister

Speicher

Blockschaltbild für den Speicher

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DECODER

01

S

W

S

W

S

W

S

W

WRead

Write

Mode

MAR

Speicher

MDR

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S p e i c h e r h i e r a r c h i e R e k u r s i v e s P r i n z i p

K l e i n e r e , s c h n e l l e r e u n d t e u r e r e C a c h e - S p e i c h e r w e r d e n b e n u t z t ,u m D a t e n z w i s c h e n z u s p e i c h e r n , d i e s i c h i n g r ö ß e r e n , l a n g s a m e r e nu n d b i l l i g e r e n S p e i c h e r n b e f i n d e n

P r e i s - L e i s t u n g s - T r a d e o f f ( S t a n d 1 9 9 2 )S c h n e l l e r S p e i c h e r i s t t e u e r u n d d e s h a l b k l e i n ;S p e i c h e r h o h e r K a p a z i t ä t i s t t y p i s c h e r w e i s e l a n g s a m e r

CacheCache

Main Memory

Online External Storage

Near-line (Archive) Storage

Offline

Memory Capacity

Registers

Electronic Storage

Block AddressedNonvolatile Electronic orMagnetic

Tape or DiskRobots

Processor

Current Data

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E n tw ic k lu n g s tr e n d s : E le k tr o n is c h e S p e ic h e r

D ie S p e ic h e rk a p a z itä t p ro C h ip e rh ö h te s ic h u m d e n F a k to r 4 a lle 3 J a h re .M o o r e ’s L a w :M e m o ry C h ip C a p a c ity ( y e a r) = K b /c h ip fo r y e a r in [1 9 7 0 ...2 0 0 0 ]

4yea r 1970–( )

3----------------------------------

dyn. Speicher Mikroprozessoren

Jahr Größe Mrd.Bits Größe Mio.Tr. Taktfr. Verdr.eb. I/O [mm2] per Chip [mm2] per cm2 [MHz] p.Chip

1995 190 0.064 250 4 300 4-5 900

1998 280 0.256 300 7 450 5 1350

2001 420 1 360 13 600 5-6 2000

2004 640 4 430 25 800 6 2600

2007 960 16 520 50 1000 6-7 3600

2010 1400 64 620 90 1100 7-8 4800

Entwicklung für Speicher und Prozessoren

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E n tw ic k lu n g s tr e n d s : P r o z e s s o r e n

D ie M ip s -R a te n v o n P ro z e s s o re n s t i e g e n z w is c h e n 1 9 6 5 u n d 1 9 9 0 v o n e tw a 0 .6M ip s a u f 4 0 M ip s ( S k a la r le is tu n g ) , w a s e in e m F a k to r v o n 7 0 e n ts p r ic h t . D ieL e i s tu n g s fä h ig k e i t v o n M ik ro p ro z e s s o re n ( E in - C h ip - P ro z e s s o r e n ) e rh ö h te s ic h s e i t1 9 8 0 w e s e n t l ic h s tä rk e r ; s ie v e rd o p p e l te s ic h u n g e fä h r a l l e 1 8 M o n a te .

R e l a tiv e L e is tu n g sf ä h i g k e i t

1 00 0

1 00

10

19 6 5 1 97 0 1 97 5 1 9 80 1 98 5 1 99 0

M ik ro p roze ssor e nM in ire chn e r

Ma in f ra m e s

Sup e rc om p u te r

$ / M I P S1,00 0 ,00 0

10 0

19 8 1 19 85 1 98 9 1 99 3

Mik ro pr o zes so r en

M in ire c hn e r

M ain f ram e s10 0 ,0 00

10 ,0 00

1,00 0

$ 41 9, 00 0

$ 16 8, 00 0

$ 15 ,0 00

$ 14 0

$6 ,0 00

$5 4, 00 0

1 9 83 1 9 9119 87

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Chipgröße und Transistorzahl12 mm2 --> 350 mm2 * 29 14 % pro Jahr2.300 --> 15 Millionen * 6.500 42 % pro Jahr

Taktfrequenz750 kHz --> 500MHz * 670 30 % pro Jahr

Taktzyklen pro Instruktion8 --> 0.25 / 32 15 % pro Jahr

MIPS0,1 --> 2.000 20.000 49% pro Jahr

25 Jahre Mikroprozessoren

Treibende Kraft der Mikroelektronik

Kosten senken bei gleichzeitiger Erhöhung der Rechenleistung und Zuverlässigkeit Im einzelnen:

höhere Schaltkreisdichten höhere Modulpackungsdichten mehr Verbindungen zwischen Chips weniger Chips, weniger Module, weniger Kabelverbindungen/Stecker weniger Kosten für Kühlung und Stromversorgung

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Preisverfall durch Technologieentwicklung

Kosten reduzieren sich im Mittel um 43% pro Jahr

$

0,1

1

10

100

1000

10000

1000001 MB Hauptsp.1 MB Festpl.1 MIPS (Chip)

72 74 78 82 86 90 94 98

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Aufgaben eines Betriebssystems

Das Betriebssystem eines Rechners ist die zusammenfassendeBezeichnung für alle Programme, die

- die Ausführung der Benutzerprogramme und- die Verteilung der Betriebsmittel auf die einzelnen Benutzer-

programmesteuern und überwachen.

Das Betriebssystem erlaubt dem Anwendungsprogrammierer,von der Rechner-Hardware zu abstrahieren (z.B. bei derSpeicherabbildung oder beim Externspeicherzugriff).Es stellt jedem Benutzer eine virtuelle Maschine (Prozeß) fürdie Ausführung seines Programms zur Verfügung

Wichtige Funktionen des Betriebssystems- Ein-/Ausgabe- Daten- und Programmverwaltung- Programmausführung- Bereitstellung von Dienstleistungsprogrammen wie

Übersetzer, Texteditoren usw.- Koordination der zeitlich verzahnten (überlappten)

Ausführung der Programme verschiedener Benutzer- Durchführung und Überwachung von Schutzmaßnahmen

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Bekannte Betriebssysteme

Betriebssystem Computer

MS-DOS PC

MS-DOS mit MS Windows3.x

PC

OS/2 PC

Windows 95 und 98 PC

Windows NT PC und Workstation

MVS,VM/SP Mainframes

UNIX Workstations

LINUX PC

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Grundsoftware. ROM-BIOS.

Jeder Rechner benötigt eine Grundausstattung an Software. Diese wird teilweise in Festwertspeichern (ROM) gehalten und beim Start oder Reset des Rechners aktiviert.

Aufgaben:

•Testen und Initialisieren der Hardware.

•Elementare Ein- und Ausgabeoperationen.

•Laden ausführbarer Programme und deren Start.

•Starten des Betriebssystems.

Diese Software heißt ROM-BIOS. (read only memory - basic input output system)

(bei IBM-kompatiblen PCs)

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Betriebsmittel (engl. ressources) sind alle Hard- und Softwarekomponenten, die zur Ausführung eines Programmes gebraucht werden. Dazu zählen also

•Hardwarekomponenten wie Prozessor, Speicher und E/A Geräte.

•Softwareobjekte wie Programmvariable, Befehle, Daten und Dateien.

Betriebsmittel unterteilt in •Reale BM: Die wirklich vorhandenen Hard- und Softwareobjekte.

•Virtuelle BM: Vom Betriebssystem simulierte BM mit scheinbar den gleichen Eigenschaften wie die realen BM. Anzahl unbegrenzt. Beispiel virtueller Bildschirm.

•Logische BM: Abstraktion von den technischen oder physikalischen Eigenschaften der realen BM. Beispiel Datei, von der nur der logische Aufbau wie Zugriffsart, Satzformat und Blockgröße interessiert, nicht aber ihre physikalische Speicherung z.B. auf der Festplatte.

Betriebsmittel

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R e c h n e r m o d e l l - A b l a u f

V e r e i n f a c h t e S i c h t : E i n b e n u t z e r b e t r i e b

V e r e i n f a c h t e S i c h t : M e h r b e n u t z e r b e t r i e b

W i c h t i g e P r o z e ß - E i g e n s c h a f t e n : E i n h e i t d e sS c h u t z e s ( I s o l a t i o n ) , d e s S c h e d u l i n g ( Z e i t s c h e i b e n v e r g a b e )u n d d e r B e t r i e b s m i t t e l v e r g a b e ( D a t e i e n , S p e i c h e r u s w . )

Anwendungs-programm

(AP)

Betriebs-system (BS)

Extern-speicher

Ablaufumgebung von AP: Prozeß

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UNIX-Dateisystem (1)

Haupteigenschaften Hierarchische Struktur des Dateisystems: Kataloge und Dateien

Gleichförmige Behandlung aller Daten in verschiedenen Dateien

Dynamische Erzeugung und Löschung von Dateien

Schrittweises Wachstum von Dateien (nach Bedarf)

Dateibezogener Schutz der Daten

Behandlung von Peripheriegeräten (wie Terminals oderBandgeräte) als Dateien

Aufbau Baumartige Struktur mit einem Wurzelknoten ( / ) (root)

Jeder Nicht-Blattknoten (non-leaf) ist ein Katalog von Dateien (directory)

Blattknoten sind entweder Kataloge, normale Dateien oder spezielle Gerätedateien

Der eindeutige Pfad innerhalb des Dateibaumes zu einer bestimmten Datei bildet ihren eindeutigen Namen (Pfadnamen).

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U N I X - D a t e i s y s t e m ( 2 )

B e i s p i e l e i n e s h i e r a r c h i s c h s t r u k t u r i e r t e n K a t a l o g s( D a t e i b a u m )

A u s w a h l / A d r e s s i e r u n g d u r c h P f a d n a m e n- a b s o l u t e A d r e s s i e r u n g

/ e t c / p a s s w d/ u s r / r a h m / p r o g r a m m e / m o d u l a / p r o g 2

- r e l a t i v e A d r e s s i e r u n g b e g i n n t b e i m a k t u e l l e n K a t a l o g ( W o r k i n g D i r e c t o r y / u s r / r a h m )

p r o g r a m m e / m o d u l a / p r o g 2e m a i lp r o g r a m m e / p r o g 1

bin etc devusr

/

passwd abel rahm

email programme skript

modula prog1

prog1 prog2

. . . . . .

. . .

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UNIX-Dateisystem (3)

Umgang mit Katalogen

mkdir directory1 Erzeugen des angegebenen Katalogs directory1

cd [directory1] Ändern des aktuellen Katalogs; directory1 wird derneueaktuelle Katalog. Das Kommando cd (ohneNamensangabe) stellt den Katalog ein, der beiBeginn der Sitzung aktuell war (Home Directory)

pwd Ausgabe des Namens des aktuellen Katalogs(Working Directory)

rmdir directory1 Löschen von Katalog directory1, wenn er keineDateien mehr enthält.

Option: -r

(Rekursiv-Modus) löscht zuerst alle Dateien/Kataloge des Katalogsund dann den Katalog selbst

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Umgang mit Dateien

ls dateinamen Auflisten der angegebenen Dateinamen

Optionen: -t, -l, -u, ... nach Uhrzeit, langes Format, nach letztemZugriff, ...

cp datei1 datei2 Kopieren der datei1 nach datei2; falls vorhanden,wird datei2 überschrieben

mv datei1 datei2 Verlagern (Umbenennen) von datei1 nach datei2;falls vorhanden, wird datei2 ersetzt

rm dateinamen Löschen der angegebenen dateinamen

cat dateinamen Ausgeben der angegebenen dateinamen

vi datei1 Editieren der Datei datei1

sort datei1 Datei1 zeilenweise alphabetisch sortieren

diff datei1 datei2 Ausgabe aller Unterschiede

wc datei1 Zählen der Zeilen, Worte und Zeichen von datei1

man kommandoname Ausgabe einer Beschreibung dieses Kommandos

Bemerkung:

dateinamen Name einer Datei oder eine Liste vonDateinamen; "*" dient als "Wild Card"

more dateinamen Vergleiche cat, mit Funktionen zum Blättern

pr dateinamen Formatierte Ausgabe der angegebenenDateinamen

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Architekturtypen

1. SISD (single instruction - single data)

von-Neumann-Rechner:-ein-Prozessor-System (Steuer- und Rechenwerk)-eine Befehls- und eine Operandenfolge mit streng sequentieller Abarbeitung

2. SIMD (single instruction - multiple data)

spezielle Prozessorteile sind mehrfach vorhanden,z.B. mehrere ALUsBspe.: Pipeline-, Feld- und Vektorrechner

3. MIMD (multiple instruction - multiple data)

vollständige Prozessoren sind mehrfach vorhanden:-Multiprozessorsysteme

mehrere autonome Rechner sind miteinander verbunden:-verteilte Systeme