Grundlagen der Rechnerarchitektur -...

Grundlagen der Rechnerarchitektur

EinführungEinführung

U t A t h dlUnsere erste Amtshandlung:Wir schrauben einen Rechner auf

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Einführung 2

Vorlesungsinhalte• Binäre Arithmetik

• MIPS AssemblerMIPS Assembler

• ARM, x86 und ISA‐Prinzipien

• Querschnittsthemen

• Prozessor• Prozessor

• Speicher

• Ein‐Ausgabe

• Parallelität• Parallelität


Übersicht dieses Vorlesungsabschnitts• Grundbegriffe

• PerformancePerformance

• Meilensteine der Rechnerarchitektur

• Trends


Grundbegriffe


Rechnertypen• Personal Mobile Device (PMD)

– Mobiltelefon, Tablet‐Computer– Schwerpunkte sind Energie‐Effizienz und EchtzeitSchwerpunkte sind Energie Effizienz und Echtzeit

• Desktop‐Computing– Schwerpunkt Preis‐Performance

• Server– Schwerpunkt Verfügbarkeit, Skalierbarkeit, Durchsatz

l / h l• Cluster/Warehouse‐Scale‐Computer– Verwendung für “Software as a Service (SaaS)”– Schwerpunkt Preis‐PerformanceSchwerpunkt Preis Performance– Subklasse: Supercomputer, Schwerpunkt: Floating‐Point‐Performance

schnelle interne Netze; abarbeiten von Batch‐Jobs

E b dd d C t• Embedded‐Computer– Schwerpunkt : Preis


Standard‐Organisation eines Rechners

Speichert Daten Eingabe von Daten

Ausgabe von Daten

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Einführung 7Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy. “Computer Organization And Design”. 3rd Edition

Verarbeitet Daten

Computer‐SchichtenmodellHöhere Programmiersprachen

Betriebssystem

AssemblerspracheSoftware

Grundlagen derR h hit kt

Instruktionssatz‐Architektur

et ebssyste Rechnerarchitektur

Mikroarchitektur(Register‐Transfer Ebene)

LogikschaltungenHardware

Grundlagen der Digitaltechnik

Geometrie

Transistoren

Geometrie

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ EinführungBildquelle: Vorlesung „Grundlagen der Rechnernetze“, Prof. Platzner, (Version 10.09.10)

8

GrundbegriffeD t ll d S i h D tDarstellen und Speichern von Daten


Binäre Zahlendarstellungll i hl i b li bi i bDarstellung einer Zahl zu einer beliebigen Basis b:

Dezimalwert dieser Zahl zur Basis b:

Binärzahlen‐Beispiel: 1101two. Was ist der Dezimalwert?

i di i hl ?Was ist die Binärzahl zu 11ten?

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Logik und Arithmetik 10

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 0Binär-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)Nibble (4‐Bit):1010Byte (8‐Bit):Byte (8‐Bit):1001 1000Halfword (16‐Bit):Halfword (16 Bit):1111 1100 1001 1100Word (32‐Bit):


0110 1101 0010 1010 1111 1100 1001 1100

HexadezimaldarstellungHex 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 1111Binär nachHexadezimal

AFFEhexHexadezimalnach Binär

AFFEhex


Physikalischer SpeicherAd I h ltAdresse Inhalt 0x00000000 : 100110010x00000001 : 01010111

Wie viele Bytes können hier insgesamt adressiert werden?

0x00000001 : 010101110x00000002 : 001100110x00000003 : 101101000x00000004 : 101011110x00000005 : 100010000 00000006 111110000x00000006 : 111110000x00000007 : 10001101............0xfffffffd : 101011110xfffffffe : 101110110 ffffffff 11111000

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Assembler 13

0xffffffff : 11111000

Speichergrößen

Bezeichnung Anzahl Bytes Gelegentlich für SekundärspeicherSekundärspeicher

Kilobyte (KB) 210 Bytes

Megabyte (MB) 220 Bytes 106 Bytes

Gigabyte (GB) 230 Bytes 109 Bytes

Terabyte (TB) 240 Bytes 1012 Bytes

Petabyte (PB) 250 Bytes 1015 Bytes

Exabyte (EB) 260 Bytes 1018 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?Wie legt man ein Word in den Speicher ab?

Word:345455 543453 453543 22325345455 543453 453543 22325byte4 byte3 byte2 byte1

base+0 base+1 base+2 base+3 Little‐EndianBig‐Endian


ASCII‐Zeichen

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Assembler 16Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012

Unicode

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Assembler 17Bildquelle: 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

p

Wann ist der Text zu Ende? Beispiele:(1) Erste String‐Position speichert die String‐Länge(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)

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Assembler 18

GrundbegriffeV b it D tVerarbeiten von Daten


Maschinensprache


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

Assembler

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Einführung 21Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012

Instruction‐Set‐Architecture (ISA)• Schnittstelle zwischen Hardware und Software• ISA bestimmt

– Art der Speicherzugriffe– Verfügbare arithmetische und logische Operationen g g p– Typ und Größe der Operanden der Berechnungen– Arten von Programmsprüngeng p g– Die Art wie ISA‐Instruktionen in Maschinensprache codiert werden

• Wesentliche Klassifikaiton– CISC (Complex‐Instruction‐Set‐Computer)( p p )– RISC (Reduced‐Instruction‐Set‐Computer)

• Moderne Prozessoren sind RISC (selbst x86 intern)Moderne Prozessoren sind RISC (selbst x86 intern)


GrundbegriffeI t i t S h ltIntegrierte Schaltungen


Beispiel eines Mikroprozessors

AMD Barcelona


Technologien zum Bau von Prozessor und Speicher


Bildquellen: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012;de.wikipedia.org/wiki/Relais; de.wikipedia.org/wiki/Elektronenröhre; de.wikipedia.org/wiki/Transistor;

de.wikipedia.org/wiki/Integrierte_Schaltung; upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/94/VLSI_Chip.jp

Der Chip‐Herstellungsprozess


Beispiel: 300mm AMD Opteron Wafer


Der Chip‐Herstellungsprozess


Performance


Definition von PerformanceResponse‐Time (oder Execution‐Time) – Gesamtzeit zur Abarbeitung einer Aufgabe

Throughput (oder Bandwidth) – Anzahl Aufgaben pro ZeiteinheitThroughput (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 DieBeispiel: Computer A braucht 10 Sekunden und Computer B braucht 15 Sekunden. Die Performance‐Ratio nAB zwischen A und B ist:


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

Bezeichnung 1/Sekunde

Hz 1

Mikrosekunde (µs) 10‐6 Sekunden

Nanosekunde (ns) 10‐9 Sekunden

Pikosekunden 10‐12 Sekunden

KHz 10^3

MHz 10^6

GHz 10^9Pikosekunden 10 12 Sekunden

Zeit Frequenz

GHz 10^9


Maschinentakt zur Zeitmessung

ZeitCl k C lClock‐Cycle

Clock‐Rate [Hz] bei Clock‐Periode [s]: Beispiel Clock‐Rate bei bei 250 ps Clock‐Periode?Periode?

Zusammenhang zwischen CPU‐Time, Clock‐Cycles für ein Programm und Clock‐Periode g , y gbzw. Clock‐Rate:


Instruktionsperformance

ZeitInstruktion 1 Instruktion 2 Inst 3 Instruktion 4 …Instruktion 1 Instruktion 2 Inst 3 Instruktion 4

Clock Cycles per Instruction (CPI) – Mittlere Anzahl Cycles pro Instruktion für ein b P d P f tgegebenes Programm oder Programmfragment.

Instruction‐Count – Anzahl benötigter Instruktionen für ein gegebenes Programm oder ProgrammfragmentProgrammfragment.

Zusammenhang zwischen CPU‐Time, CPI, Instruction‐Count und Clock‐Periode bzw. Clock‐Rate:


Zeitmessung zusammengefasst

G dl d M öß

Hardware‐ oder Software‐Komponente Beeinflusst bzw. kann beeinflussen

Grundlegende Messgrößen

Algorithmus Instruction‐Count, CPI

Programmiersprache Instruction‐Count, CPI

Compiler Instruction Count CPICompiler Instruction‐Count, CPI

Instruction‐Set‐Architektur Instruction‐Count, Clock‐Rate, CPI

Einflussfaktoren


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:


SPEC CPU Benchmark

Beispiel: SPEC CINT 2006 Benchmarks für einen AMD Opteron X4 Model 2356 (Barcelona)

Was ist das Geometrische Mittel g von x1, …, xn?

Beispiel: SPEC CINT 2006 Benchmarks für einen AMD Opteron X4 Model 2356 (Barcelona)


SPEC Power Benchmark

Beispiel: SPECpower_ssj2008 mit 2.3GHz AMD Opteron X4 2356 (Barcelona)


p p _ j p ( )und 16GB DDR2‐667 und 500GB Disk

Zum Abschluss: Amdahls Gesetzohne Verbesserung mit Verbesserung

Verbesserungsfaktor g von F nach F‘?

F'FTexe

Ist g gleich dem Speedup für das gesamte Programm?

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

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Einführung 38Bildquelle: Vorlesung „Grundlagen der Rechnernetze“, Prof. Platzner, (Version 10.09.10)

Beispiel: Parallel ausführbare Programmkomponente

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Einführung 39Bildquelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Amdahl‘s_law

Meilensteine der Rechnerarchitektur


Generation 0: Mechanische Computer (1642‐1945)Jahr Name Gebaut von Kommentar

1642 Blaise Pascal Addition und Subtraktion mit Mechanischen Elementen.

1673 Gottfried Wilhelm Zusätzlich Multiplikation und Division mit mechanischen Elementen1673 Gottfried Wilhelm von Leibniz

Zusätzlich Multiplikation und Division mit mechanischen Elementen.

1834 AnalyticalEngine

Charles Babbage, University of

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

Cambridge 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 zerstörtwurde 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, Harvard

Erster funktionierender auf Relais basierender mechanischer Computer nach der Idee von Babbage. (72 Worte a 23 Dezimalstellen, Instruktionszeit 6 sek.)

1947 Mark II Howard Aiken Nachfolger von Mark I der aber durch Beginn des elektronischen


1947 Mark II Howard Aiken, Harvard

Nachfolger von Mark I, der aber durch Beginn des elektronischen Zeitalters obsolet wurde.

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 g g p j g g,des zweiten Weltkrieges Codes der Verschlüsselungsmaschine ENIGMA zu knacken. Alan Turing war mit an der Konstruktion des Computers beteiligt.

1946 ENIAC John Mauchley und

Seit 1943 vom amerikanischen Militär gefördertes Projekt für den Bau eines elektronischen Computer zur auc ey u d

J. PresperEckert, University of

oje t ü de au e es e e t o sc e Co pute uBerechnung von Reichweitentabellen von schwererArtillerie. (18.000 Röhren, 1.500 Relais, 30 Tonnen, 140 kW Verbrauch) Programmierung über Schalter und y

Pennsylvania) g g

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


Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)

Jahr Name Gebaut von Kommentar

1949 EDSAC Maurice Wilkes, Zum ersten mal Programm gespeichert.University of Cambridge

1951 EDVAC John Mauchley und J. Presper Eckert, Eckert‐

Nachfolgeprojekt des ENIAC

Mauchley Corporation

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

1951 UNIVAC John Mauchley und J. Presper Eckert, Eckert‐Mauchley Corporation

Der erste in den USA hergestellte kommerzielle Computer.

Mauchley Corporation

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

1952 MANIAC Weitzmann Institue Israelgebaut

1953 JOHNIAC Rand Coropration


Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)Jahr Name Gebaut von Kommentar

1952 IAS John von Neumann

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

und Herman GoldstinePrinceton‘s

Studies seine Eigene Version des ENIAC. Der Computer verwendet binäre Arithmetik und speichert das Programm zusammen mit den Daten in einem Speicher.

Institute ofAdvancedStudies

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.

Di i i lSpeicher Die original von Neumann Maschine

ControlUnit

ArithmeticLogic Unit

Input


UnitAccumulator Output

Generation 1: Elektronenröhre (1945‐1955)


1953 701 IBM IBM im Computer‐Sektor bisher mit Herstellung von hk d h h hLochkarten und Mechanischem Kartensortiermaschinen

tätig. Erster Computer in einer Serie von wissenschaftlichen IBM‐Rechnern, welche die Industrie i h lb i J h h t d i i tinnerhalb 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.


Generation 2: Transistoren (1955‐1965)J h N G b KJahr 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. Anwendungwissenschaftliches Rechnen. Preis mehrere Millionen.

1959 1401 IBM Kl i häft i ti t C t D tli h ü ti1959 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

k / k d h h lb h llWorte; 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). St d t d MIT i l ti t it S d


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

Generation 2: Transistoren (1955‐1965)Jahr Name Gebaut von KommentarJahr Name Gebaut von Kommentar

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 parallelSeymour 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.p

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

CPU Speicher ConsoleTerminal

Paper Tape I/O

Other I/O Der PDP‐8Omnibus


Generation 3: Integrierte Schaltungen (1965‐1970)h bJahr Name Gebaut von Kommentar

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.p


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,

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

Texas Instruments, , ) g

Eingebettete Systeme.

1974 8080 Intel Erste Personal‐Computer werden als Bastel‐Kits bestehend aus loser Platine Kabeln Netzteil ggfbestehend 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 / y y8080ern populär.




1974 CRAY‐1 Cray Erster Vektor‐Supercomputer. Die Architektur wurde vom Team um Seymour Cray entwickelt Die erste Cray‐1Team 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 A l I St J b Ei d t P l C t W d l f ti1976 Apple I Steve Jobs und Steve Wozniak, Apple

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

Apple

1977 Apple II Steve Jobs und Steve W i k

Einer der ersten höchst erfolgreichen massengefertigte Mikrocomputer.

Wozniak, Apple

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


y p g pMilliarden von Keyboards.



1981 IBM PC IBM, PhilipEstridge

Erster IBM Personal Computer, gefertigt aus kommerziellen Komponenten Intel 8088 als CPU DerEstridge kommerziellen Komponenten. Intel 8088 als CPU. Der Computer wurde ein Best‐Seller. Beginn der modernen Personal‐Computer‐Ära. Ausgestattet mit MS‐DOS von Microsoft.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‐M d ll ll Z itModelle 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‐Dollarschlecht. Produktion wurde 1984 wieder eingestellt.

1984 Macintosh Apple Deutlich preisgünstiger, aber dem Apple Lisa technisch


pp p g g ppähnlich. Der Mac wurde zum großen Erfolg.



1985 386 Intel Mit dem 8088‐Erfolg produzierte Intel größere und bessere Versionen Der 32 Bit Prozessor 386 ist derbessere 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 seinerEiner der besten Multimedia Home‐Computer seiner Zeit.

1990 RS6000 IBM Erste superskalare Maschine.

1992 Alpha DEC Erster 64‐Bit Personal Computer.



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

TechnologyErster Mikrocontroller auf Basis von EEPROMs. Diese erlauben das „Flashen“ ohne zusätzliche Hardware und erlaubt damit auch In‐System‐Programming. Bemerkung: Mikrocontroller gibt es schon seit 1971. Mikrocontroller finden sich mittlerweile sehr vielen AlltagsgegenständenMikrocontroller finden sich mittlerweile 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 )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 GS881997 GS88 Ericson Der Begriff Smartphone wird erstmals von Ericson mit Einführung des GS88geprägt.

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

2008 HTC Dream HTC Erstes Smartphone auf Basis des Android OS.

2010 Nexus One Google Google bringt das Nexus One Smartphone für Android OS heraus.


2010 Wave S8500 Samsung Bada‐OS‐basiertes Smartphone mit einer Million verkaufter Exemplare in den ersten vier Wochen auf dem Markt.

Beispiel heutiger Mikrocontoller und Mikroprozessoren

Mikroprozessoren Mikrocontroller

Architektur Typ Ursprüngliche S ifik i

Beispiel i

Architektur Herteller

Spezifikationdurch

weiterer Hersteller

x86 (beinhaltet Pentium und

CISC Intel AMD

MCS‐51 Intel

H8 RenesasTechnologies

Pentium und co.)

PowerPC RISC Motorola, IBM Apple

Z8 Zilog

PIC MicrochipTechnology

IBM, Apple

Sun SPARC RISC Sun Fujitsu, Texas Instruments

MIPS RISC MIPS

68HC08 Freescale(ehemals Motorola)

MIPS RISC MIPS Technologies

Hitachi SuperH RISC Hitachi

AVR Atmel

MSP430 Texas Instruments

ARM RISC ARM Limited

68k CISC Motorola

TMS320 Texas

Embedded


Instruments

Trends


Moore‘s Law

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Einführung 56Bildquelle: en.wikipedia.org/wiki/Moores_law

Single‐Prozessor‐PerformanceMove to multi-processor

RISCRISC

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Einführung 57Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy. “Computer Architecture”. 5th Edition, 2012

Die Power‐Wall

Leistungsverlust P in Abhängigkeit von kapazitiver Last C, Spannung U und Taktfrequenz f:


Alte Verkaufszahlen: Prozessoren

Anzahl verkaufter Prozessoren (embedded ≥ 32 bit) bzw Systeme (desktop server)


Anzahl verkaufter Prozessoren (embedded, ≥ 32 bit) bzw. Systeme (desktop, server)

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

Alte Verkaufszahlen: ISAsAnzahl verkaufter Prozessoren (≥ 32 bit)

ca. 80% davonfür Mobiltelefone

Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Einführung 60Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy. “Computer Organization And Design”. 3rd Edition

Zusammenfassung und Literatur


Zusammenfassunghi k b i h l• Computer‐Architektur beinhaltet

– Instruction‐Set‐ArchitekturRechnerorganisation/Mikroarchitektur– Rechnerorganisation/Mikroarchitektur

– Hardware• ISA als Schnittstelle zwischen Hard‐ und SoftwareISA als Schnittstelle zwischen Hard und Software• Performance ist abhängig vom Produkt der Einzelfaktoren:

– Instruction‐Count– CPI– Clock‐Cyclesi b h i h i li h li i i d• Leistungsverbrauch ist heute ein wesentlicher limitierender

Faktor• Ausblick: wesentliche Performanceverbesserungen durch• Ausblick: wesentliche Performanceverbesserungen durch

– Parallelität– Cachingg


Literatur[P H 2012] D id A P d J h L H[PattersonHennessy2012] David A. Patterson und John L. Hennessy,

„Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 20121.1 Introduction1.2 Below Your Program1.3 Under the Covers1.4 Performance1.5 The Power Wall1.7 Real Stuff: Manufacturing and Benchmarking the AMD Opteron X41.8 Fallacies and Pitfalls1.8 Fallacies and Pitfalls1.9 Concluding Remarks

[HennessyPatterson2012] John L. Hennessy und David A. Patterson, Computer Architecture“ Fifth Edition 2012„Computer Architecture , Fifth Edition, 20121.1 Introduction1.2 Classes of Computers

[T b 2006] A d S T b St t d C t[Tanenbaum2006] Andrew S Tanenbaum, „Structured Computer Organization“, Fifth Edition, 20061.1.2 Contemporary Multilevel Machines

l h1.2 Milestones in Computer Architecture


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