Rechnerarchitektur für Wirtschaftsinformatik...

Rechnerarchitektur für Wirtschaftsinformatik

Zusammenfassung

Hochschule Fulda – FB AI Wintersemester 2017/18

http://ra.rz.hs-fulda.de Peter Klingebiel, HS Fulda, FB AI

Rechnerarchitektur - Peter Klingebiel - HS Fulda - FB AI 2

Was ist wichtig?

2


Der Alles-Markierer von Pia Valentin (AI - Digitale Medien – Danke an Pia für das Foto) 1. Platz im Fotowettbewerb „Zeig mir wie Du lernst“, HS Fulda 2014

3


ALLES!!!


4


OK, nicht wirklich

ALLES!!!


5


Übungen zu Rechnerarchitektur 1

• Inhalte der Übungen • 1. Übung: Elemente der Digitaltechnik 1

– Zahlensysteme und Zahlenkonversionen • 2. Übung: Elemente der Digitaltechnik 2

– Arithmetische Operationen mit Dualzahlen • 3. Übung: Kodierung und Logik 1

– Kodierung, Wahrheitstabellen • 4. Übung: Logik 2 und Historie

– Logische Verknüpfungen, • 5. Übung: Von-Neumann-Rechner und CPU 1

– Von-Neumann-Rechner, Aufbau CPU • 6. Übung: CPU 2, I/O und Speicher

– Mehr CPU, I/O-Formen, Speicher und -organisation

6


Teil 2 • Elemente der Digitaltechnik

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Zahlensysteme 1

• Positionssysteme • Babylonier, Chinesen, Mayas und Inder stellten

Zahlen in einem Positionssystem dar • jede Position gibt der Zahl ein anderes Gewicht • unsere „arabische Ziffern“ kommen aus Indien • arabische Zahlen:

• Beispiel: 32110 = 1 * 100 + 2 * 101 + 3 * 102

8


Zahlensysteme 2

• Dezimalsystem – Basis B: 10 – hat die Ziffern und Werte 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9

• Dualsystem – Basis B: 2 – hat die Ziffern und Werte 0 und 1 – Dualzahl besteht aus einer Folge von Bits

• Octalsystem – Basis B: 8 – Ziffern / Werte: 0,1,2,3,4,5,6,7

• Sedezimalsystem (Hexzahlen) – Basis B: 16 – Werte: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F

9


Dualzahlen 1

• Rechnersysteme verwenden Binärsystem • ideal, da exakt zwei Zustände existieren

• Dualsystem ist auch ein Binärsystem • Ziffernstelle einer binären Zahl Bit • jedes Bit kann zwei Zustände (0, 1) annehmen • Dualzahl Folge von Bits

10

mathematischer / logischer Zustand

mechanischer Schalter

elektrische Spannung

true / logisch 1 an 3,3 Volt

False / logisch 0 aus 0 Volt


Dualzahlen 2

• 1 Nibble = 4 Bit = Werte 0, 1, …, 14, 15 • darstellbar durch eine einstellige Sedezimalzahl

1210 = 11002 = C16

• 1 Byte = 2 Nibble = 8 Bit • darstellbar durch eine zweistellige Sedezimalzahl

3310 = 0010 00012 = 2116 216 116

• beachten: Bitreihenfolge bei Binärzahlen – MSB: most significant bit höchstwertigstes Bit zuerst – LSB: least significant bit niederwertigstes Bit zuerst

11


Dualzahlen 3

• Tabelle der Zahlen 0 bis 15

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Dezimalzahl Sedezimalzahl Dualzahl 0 0 0000

1 1 0001

2 2 0010

3 3 0011

4 4 0100

5 5 0101

6 6 0110

7 7 0111

8 8 1000

9 9 1001

10 A 1010

11 B 1011

12 C 1100

13 D 1101

14 E 1110

15 F 1111


Dualzahlen 4

• Umrechnung Dezimal → Dual • Verwendung von ganzahliger Division mit Rest … • … und folgendem Vorgehen:

– Schritt 1: x / n = y Rest z – Schritt 2: Mache y zum neuen x

falls x ≠ 0 dann Schritt 1, sonst Schritt 3 – Schritt 3: ermittle Reste von unten nach oben

• Beispiel: 3010 → n2 30 / 2 = 15 Rest 0 → x = y und Schritt 2 (LSB) 15 / 2 = 7 Rest 1 → x = y und Schritt 2 7 / 2 = 3 Rest 1 → x = y und Schritt 2 3 / 2 = 1 Rest 1 → x = y und Schritt 2 1 / 2 = 0 Rest 1 → Schritt 3, da x = 0 (MSB) → von unten nach oben: 11110 2

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Rechnen mit Dualzahlen 1

• Addition – wie bei Dezimalzahlen • Summand + Summand = Summe • Regeln für jede Ziffernstelle:

– 0 + 0 = 0 Übertrag 0 – 1 + 0 = 1 Übertrag 0 – 0 + 1 = 1 Übertrag 0 – 1 + 1 = 0 Übertrag 1 – 1 + 1 + 1 = 1 Übertrag 1 – Addition ist kommutativ

• Beispiel: 0101 1001 + 0011 0110 Ü 111 ----------- 1000 1111

14



• Subtraktion – wie bei Dezimalzahlen • Minuend - Subtrahend = Differenz • Regeln für jede Ziffernstelle:

– 0 - 0 = 0 – 1 - 0 = 1 – 1 - 1 = 0 – 0 - 1 = ? mit Borger! – 10 – 1 = 1 – Subtraktion ist nicht kommutativ

• alternativer Weg der Subtraktion: a - b = a + (-b)

• benötigt werden negative Zahlen!

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• Multiplikation – wie bei Dezimalzahlen • Multiplikand * Multiplikator = Produkt • Regeln für jede Ziffernstelle:

– 0 * 0 = 0 – 1 * 0 = 0 – 0 * 1 = 0 – 1 * 1 = 1 – Multiplikation ist kommutativ

• Beispiel: 01011011 * 101 -------------- 01011011 + 00000000 + 01011011 -------------- 111000111

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• Besonderheit im dualen System: • Multiplikation mit 2er-Potenz (2,4,8 …) 2n

• Beispiel: 01011011 * 100 -------------- 0101101100 + 000000000 + 00000000 -------------- 0101101100

• verschieben der Bits um n Stellen nach links • untere Bits mit 0 auffüllen • Linksshift • möglicherweise Überlauf!

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• Division – wie bei Dezimalzahlen • Dividend ÷ Divisor = Quotient • wie im Dezimalsystem: Berechnung durch

fortlaufende Subtraktion • Besonderheit: Division durch 2er Potenz 2n: • Beispiel: 0101 1011 ÷ 100

--------------- 01 0110

• verschieben der Bits um n Stellen nach rechts • obere Bits mit 0 auffüllen • Rechtsshift • Ergebnis wird abgeschnitten! Kein Nachkommaanteil!

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Negative Dualzahlen 1

• Verwendung der Komplementdarstellung • eine negative Zahl wird durch das Komplement ihrer

positiven Zahl dargestellt • Verwendung finden das Einerkomplement und

besonders das Zweierkomplement • Einerkomplement:

– bei n Stellen zur Zahlendarstellung ist die größtmögliche Zahl 2n – 1

– Einerkomplement a1 ist größtmögliche Zahl – positive Zahl a – a1 = (2n – 1) – a

– Beispiel: 0010 1100 (+4410) 1101 0011 (-4410)

– Vorteil: einfach durch Inventieren der Bits zu berechnen

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• Zweierkomplement: – bei n Stellen zur Zahlendarstellung ist die größtmögliche

Zahl 2n – 1 (s.o.) – die kleinste gerade nicht mehr darstellbare Zahl ist um

1 größer und somit 2n – Zweierkomplement a2 ist die kleinste gerade nicht mehr im

Zahlenbereich darstellbare Zahl – positive Zahl – a2 = (2n) – a

– Beispiele: 0000 0001 (+110) 1111 1111 (-110) 0010 1100 (+4410) 1101 0100 (-4410)

– einfache Berechnung: Bits invertieren und 1 addieren – Vorteil: Subtraktion durch Addition des Zweierkomplements

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• Subtraktion mit Zweierkomplement: – Regel: a - b = a + (-b) – im Binärsystem: – Subtrahend als Zweierkomplement – dann Minuend und Subtrahend addieren – Beispiel: 0010 1100 (+4410)

- 0000 0001 (110) Zweierkomplement 1111 1111 (-110) dann Addition 0010 1100 (+4410) + 1111 1111 (-110) ----------------- 0010 1011 (430)

– Vorteil: Nur eine Additionsroutine notwendig!

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Festkommazahlen 1

• bisher: nur ganze Zahlen betrachtet • oft sind diese nicht passend, da

– Zahlenbereich eingeschränkt – Genauigkeit nicht ausreichend

• einfacher Ansatz: Fixpointzahlen – 1 Bit (z.B. MSB) ist Vorzeichenbit – 1 festgelegte Position ist Dezimalkomma bzw. –punkt – Beispiel:

– für die meisten Problemstellungen nicht ausreichend, da Zahlenbereich zu klein und Genauigkeit zu gering

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Gleitkommazahlen 1

• für die meisten Anwendungen werden daher Gleitkommazahlen verwendet – normiert nach IEEE 754 mit unterschiedlichen Größen – float (32 Bit) und double (64 Bit) – erweiterte Formate wie long double (> 80 Bit) u.a.

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Teil 3 • Kodierung

24


Kodierung 1

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Zahlendarstellung 1

• Natürliche Zahlen incl. 0 • Binärdarstellung einer natürlichen Zahl mit n Stellen

• größtmögliche Zahl bei n Stellen ist zmax = 2n – 1 • Anzahl möglicher Zahlen ist N = 2n • Beispiel: 32 Bit Adressbus 4.294.967.296 Adressen! • Übung: zmax und N bei Darstellung mit 8-Bit und 16-Bit?

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Zahlendarstellung 2

• Ganze Zahlen – Integerzahlen • Menge der natürlichen Zahlen incl. negativer Zahlen • Darstellung von negativen Zahlen (s.o) • 1 Vorzeichenbit (z.B. MSB) und Betrag in den

verbleibenden n-1 Bits – Nachteil: keine eindeutige 0 (warum?) – Nachteil: Vorzeichen und Betrag müssen bei Berechnungen

getrennt behandelt werden

• negative Zahlen als Komplemente darstellen (s.o.): • Einerkomplement: a1 = (2n – 1) – a • Zweierkomplement: a2 = (2n) – a

• Vorteil u.a. Subtraktion kann durch Addition ersetzt werden

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Zahlendarstellung 3

• Reelle Zahlen – Integerzahlen • in der Binärdarstellung sind reelle Zahlen aufgrund

der endlichen Bitbreite der Darstellung nur eine Näherung

• dadurch existieren eine Vielzahl von Problemen: – Differenzbildung zweier großer Zahlen – Berechnungen mit dem Ergebnis sehr kleiner Zahlen (~ 0) – Genauigkeit – Auflösung

• bei reellen Zahlen werden unterschieden • Festkommazahlen (Fixpoint) • Gleitkommazahlen (Floatingpoint)

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Kodierungen 1

• in der Rechnertechnik sind eine Vielzahl verschie-dener Kodes bekannt, die jeweils für bestimmte Aufgabenbereiche verwendet werden

• Wichtige Kodierungen

• ASCII-Kode • CCITT-Kode • BCD-Kode • Gray-Kode • Hamming-Kode • u.v.a.m.

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ASCII-Kodierung 1

• ASCII – American Standard Code for Information Interchange

• wird in der Rechnertechnik sehr häufig zur Kodier-ung von Text/Zeichen/Buchstaben angewendet

• ursprünglich: 7 Bit-Kode – MSB: Paritätsbit – Prüfbit zum Schutz vor Fehlern bei der

Verarbeitung (Übertragung, Speicherung, …) – Bit 0 .. 6: Nutzbits zur Kodierung der Zeichen

• erweiterter ASCII-Kode – ohne Prüfbit – Bit 0 … 7 zur Kodierung der Zeichen – viele länder- und systemspezifische Varianten – untereinander inkompatibel

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ASCII-Kodierung 2

• auch die 8-Bit ASCII-Kodierung ist heute nicht mehr angemessen

• notwendig sind Zeichenkodierungen, die mehr Zeichen enthalten und weltweit vereinheitlicht sind

• UNI-Kode 16 Bit – wird bei Windows, Linux, Internet verwendet – UTF-8 - Unicode Transformation Format - 8 (8 Bit) – UTF-16 - Unicode Transformation Format - 16 (16 Bit)

• UCS-Kode 16 und 32 Bit - Universal Character Set – in 16 Bit die weltweit wichtigsten Zeichen kodiert – In erweiterten 16 Bit weitere Zeichen – Standardisierter einheitlicher Zeichensatz

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Weitere Kodierungen 1

• es gibt eine Vielzahl weiterer Kodierungen für die jeweils gewünschten Anwendungsfälle

• einige wenige Beispiele: – Fotos – TIF, JPG, PNG, RAW – Grafiken – BMP, GIF, JPG – Audio – WAV, MPG3, WMA – Film – AVI, WMV, MPG, OGG – Textverarbeitung – DOC, DOCX, RTF, ODT, XML – Tabellenkalkulation – XLS, XLSX, ODS, – Präsentation – PPT, PPS, PPTX, ODP, CGM, PDF5 – …

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Teil 4 • Logik und Schaltalgebra

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Boolesche Algebra 1 • Boolesche Algebra Grundlage bei der Entwicklung

von Digitaltechnik / digitaler Elektronik • benannt nach George Boole, auf dessen Logikkalkül von

Mitte des 19. Jahrhunderts die Boolesche Algebra basiert • die Boolesche Logik kennt nur zwei Zustände:

0 oder 1 wahr oder falsch Schalter ein oder Schalter aus true oder false Spannung 5 Volt oder Spannung 0 Volt

• Boolesche Algebra bildet ein binäres System

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Boolesche Algebra 2

35

deutsch englisch Bezeichnung Operatoren C-Operator UND AND Konjunktion &&

ODER OR Disjunktion ||

NICHT NOT Negation !


AND 1

• AND – Funktion, Symbole, Wahrheitstabelle

• das Ergebnis einer logischen UND-Verknüpfung ist immer dann true, wenn alle Eingänge true sind

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OR 1

• OR – Funktion, Symbole, Wahrheitstabelle

• das Ergebnis einer logischen ODER-Verknüpfung ist immer dann true, wenn mindestens ein Eingang true ist

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NOT 1

• NOT – Funktion, Symbole, Wahrheitstabelle

• das Ergebnis einer logischen NICHT-Verknüpfung verändert eine Aussage in ihr Gegenteil, aus true wird false und aus false wird true

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Logische Grundfunktionen 1

• kurze Zusammenfassung • es gibt drei logische Grundfunktionen

• die Kombination dieser drei Grundfunktionen kann die Vielfalt der Funktionen der Digitaltechnik erzeugen

• einige Kombinationen der Grundfunktionen treten in der Digitaltechnik häufiger auf und werden als eigene Funktionsblöcke mit eigenen Bezeichnungen versehen

• dazu gehören NAND, NOR, XOR und XNOR

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deutsch englisch Bezeichnung UND AND Konjunktion

ODER OR Disjunktion NICHT NOT Negation


NAND 1

• NAND – Funktion, Symbole, Wahrheitstabelle

• das Ergebnis einer logischen NAND-Verknüpfung ist immer dann true, wenn kein oder nur ein Eingang true ist, und false, wenn beide Eingänge true sind

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NOR 1

• NOR – Funktion, Symbole, Wahrheitstabelle

• das Ergebnis einer logischen NOR-Verknüpfung ist immer dann true, wenn kein Eingang true ist

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XOR 1

• XOR – Funktion, Symbole, Wahrheitstabelle

• das Ergebnis einer logischen XOR-Verknüpfung ist immer dann true, wenn nur ein Eingang true ist, oder wenn beide Eingänge nicht gleich sind (Antivalenz)

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XNOR 1

• XNOR – Funktion, Symbole, Wahrheitstabelle

• das Ergebnis einer logischen XNOR-Verknüpfung ist immer dann true, wenn alle Eingänge true oder false sind, oder wenn alle Eingänge den gleichen Zustand haben (Äquivalenz)

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Funktionen mit mehreren Eingängen 1

• oft sind Funktionen mit mehr als zwei Eingängen nötig, insbesondere für die AND- und OR-Funktionen

• Kombination von Grundfunktionen • Beispiel: logische UND-Verknüpfung von drei Größen

X, Y, Z: A = X ∧ Y ∧ Z = (X ∧ Y) ∧ Z

• ODER-Verknüpfung von vier Eingängen A, B, C, D A v B v C v D = (A v B) v ( C v D) 44


Zusammengesetzte Funktionen 1

• kurze Zusammenfassung

• neben den drei Grundfunktionen AND, OR und NOT gibt es kombinierte Funktionen, z.B. NAND, NOR, XOR und XNOR

• weitere zusammengesetzte Funktionen sind möglich, haben aber keine praktische Bedeutung

• zu den zusammengesetzten Funktionen gehören auch die Grundfunktionen, mit denen mehr als zwei Größen verknüpft werden, z.B. OR mit vier Eingängen

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Schaltalgebra 1

• bei den logischen Verknüpfungen / Funktionen werden zur Darstellung der Zusammenhänge zwischen den Zustän-den der Eingangsgrößen und der Ergebnisgröße Wahr-heitstabellen verwendet

• allgemein gilt:

der Zusammenhang von Eingangsgrößen und Ergebnisgröße ist mittels Funktionsgleichung und/oder Wahrheitstabelle darstellbar

• Beispiel: Funktionsgleichung und Wahrheitstabelle der UND-Verküpfung sind gleichwertig

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Schaltalgebra 2

• logische Grundfunktionen wie AND, OR und NOT und zusammengesetzte Funktionen wie NAND, NOR, XOR und XNOR werden ganz selten einzeln verwendet

• durch die Verknüpfung dieser Elemente werden größere digitale Verknüpfungen realisiert

• bei elektronischen Digitalrechnern werden die Verknüpf-ungsfunktionen als elektronische Schaltelemente realisiert

digitale Schaltungen

• allgemein gilt:

jede digitale Schaltung kann mit einer Wahrheitstabelle und/oder einer Funktionsgleichung beschrieben werden

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Wahrheitstabellen 1

• Wahrheitstabellen enthalten Kombinationen der Eingangsgrößen und weist von diesen abhängig der Ausgangsgröße ihren Wert zu

• werden alle möglichen Kombinationen der Eingangs-größen beschrieben, dann ist die Wahrheitstabelle eindeutig

• Wahrheitstabellen sind nach festem Schema aufgebaut

• Schaltungen mit zwei und mit drei Eingangsgrößen

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A B X

0 0

1 0

0 1

1 1

A B C X

0 0 0

1 0 0

0 1 0

1 1 0

0 0 1

1 0 1

0 1 1

1 1 1


Wahrheitstabellen 2

• ist die Ausgangsgröße einer Schaltung durch n Eingangs- größen bestimmt, dann ist die Anzahl der in der Wahrheits- tabelle zu berücksichtigenden Kombinationen der Eingangs- größen

2n • damit ist die Funktion der

Schaltung vollständig mit der Wahrheitstabelle beschrieben

49

20 21 22 23

A B C D X

0 0 0 0

1 0 0 0

0 1 0 0

1 1 0 0

0 0 1 0

1 0 1 0

0 1 1 0

1 1 1 0

0 0 0 1

1 0 0 1

0 1 0 1

1 1 0 1

0 0 1 1

1 0 1 1

0 1 1 1

1 1 1 1


Schaltalgebra 1

• Rechenregeln der Schaltalgebra

• A sei eine Variable, 0 und 1 Konstanten • daraus ergeben sich folgende Regeln

A ∧ 0 = 0 A ∨ 0 = A A = A A ∧ 1 = A A ∨ 1 = 1 A ∧ A = A A ∨ A = A A ∧ A = 0 A ∨ A = 1

• es müssen noch weitere Regeln beachtet werden

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Schaltalgebra 2

• Kommutativgesetz (Vertauschungsgesetz)

• Kommutativgesetz bei UND A ∧ B = B ∧ A

• Kommutativgesetz bei ODER A ∨ B = B ∨ A

• die Reihenfolge, mit der Variable mit UND und ODER verknüpft werden, ist gleichgültig

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Schaltalgebra 3

• Assoziativgesetz (Verbindungsgesetz)

• Assoziativgesetz bei UND A ∧ (B ∧ C) = (A ∧ B) ∧ C

• Assoziativgesetz bei ODER A ∨ (B ∨ C) = (A ∨ B) ∨ C

• die Reihenfolge, mit der Variable mit UND und ODER zugeordnet werden, ist gleichgültig

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Schaltalgebra 4

• Distributivgesetz (Verteilungsgesetz)

• Distributivgesetz bei UND (konjunktiv) A ∧ (B ∨ C) = (A ∧ B) ∨ (A ∧ C)

• Distributivgesetz bei ODER (disjunktiv) A ∨ (B ∧ C) = (A ∨ B) ∧ (A ∨ C)

• Distributivgesetz hat große Bedeutung bei Umformung und Vereinfachung von Verknüpfungsgleichungen

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Schaltalgebra 5

• Morgansche Gesetze • der englische Mathematiker de Morgan hat die boolesche

Algebra um das 1. und 2. de Morgansche Gesetz erweitert

• 1. de Morgansches Gesetz A ∧ B = A ∨ B

• bei Auflösung der Invertierung wird aus UND ein ODER

• 2. de Morgansches Gesetz A ∨ B = A ∧ B

• bei Auflösung der Invertierung wird aus ODER ein UND 54


Schaltalgebra 6

• Bindungsregel • Verknüpfung mehrerer Variablen mit UND und ODER

kann zu Mehrdeutigkeiten führen • Beispiel: X = A ∨ B ∧ C • X = (A ∨ B) ∧ C oder X = A ∨ (B ∧ C) ??? • führt zu unterschiedlichen Ergebnissen! • Lösung: den logischen Verknüpfungen werden unter-

schiedliche Prioritäten zugeordnet • UND-Verknüpfung bindet stärker als ODER-Verknüpfung

Y = A ∨ B ∧ C ist damit eindeutig Y = A ∨ (B ∧ C)

• („Punktrechung geht vor Strichrechnung“)

• Setzen von Klammern Reihenfolge der Verknüpfung 55


Teil 6 • Von-Neumann-Rechner

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Merkmale 1 • Bestandteile des Von-Neumann-Rechners sind

– Rechenwerk – Leitwerk – Speicher – Ein-/Ausgabesystem – Verbindungseinrichtungen / Busse

• Rechenwerk und Leitwerk CPU • CPU arbeitet taktgesteuert • Informationen werden binär dargestellt • im Rechenwerk Verarbeitung von Worten fester Länge • Hauptspeicher fortlaufend adressierte Speicherworte • Zugriff auf Inhalt eines Speicherworts über seine Adresse

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Merkmale 2 • Rechner verarbeitet Programme, die extern eingegeben

und intern gespeichert werden • Befehle und Daten werden im gemeinsamen Haupt-

speicher gespeichert • CPU verarbeitet Befehle und Daten sequentiell • normale Befehlsverarbeitung geschieht fortlaufend

in der Reihenfolge der gespeicherten Befehle • die sequentielle Abarbeitung der Befehle kann durch

Sprungbefehle oder Verzweigungen verändert werden • jede nach der Theorie der Berechenbarkeit mögliche

Berechnung ist programmier- und ausführbar, soweit es die Wortbreite zulässt

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Blockschaltbild 1 • Aufbau eines Von-Neumann-Rechners

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CPU

Speicher

Ein- / Ausgabe IO

Steuerwerk

Rechenwerk ALU

Addressbus Datenbus

Steuerbus


Von-Neumann-Zyklus 1 • wie läuft die Ausführung von Programmbefehlen im Von-

Neumann-Rechner ab? • Initial: setze Programmer PC auf Startadresse • Von-Neumann-Zyklus • Fetch – lade Befehl aus dem Speicher ins Befehlsregister

und erhöhe Programcounter PC um einen Schritt • Decode – dekodiere den Befehl → löse Befehl in einzelne

Schaltinstruktionen ins Leitwerk auf • Fetch Operands – lade weitere Operanden aus dem Speicher • Execute – führe logische / arithmetische Operationen im

Rechenwerke aus, bei Sprüngen verändere PC • Write back – schreibe Resultat der Operation zurück in den

Hauptspeicher

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Nachteile 1 • manche Aufgaben werden vom Von-Neumann-Rechner

nicht sehr effizient gelöst • Beispiel

r = (a + b) * (c + d)

• Warum?

• Sequentielle Abarbeitung der Befehle

61

a + b c + d (a+b) * (c+d)

t0 t1 t2 t t3


Nachteile 2 • sind nun a, b, c und d unabhängig voneinander, können

die Berechnungen a + b und c + d parallel erfolgen

• besonders bei Vektorrechnungen wird dies deutlich

c = a + b

62

(a+b) * (c+d)

a + b c + d

a1 + b1 a2 + b2 a3 + b3 t0 t1 t2

t t3

t0 t1 t2 t t3


Nachteile 3 • weitere Nachteile des Von-Neumann-Rechners:

• im Speicher sind Befehle und Daten anhand des

Bitmusters nicht unterscheidbar • im Speicher sind variable und konstante Daten nicht

unterscheidbar • bei falscher Adressierung können Speicherinhalte

verändert werden, die nicht geändert werden dürfen, z.B. Instruktionen und konstante Daten

• da Daten und Befehle im gleichen Speicher gehalten werden, wird die Verbindung und Datenübertragung zwischen CPU und Speicher über den Systembus zum sog. Von-Neumann-Flaschenhals

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Nachteile 4 • entscheidende Nachteile des Von-Neumann-Rechners

– sequentielle Abarbeitung der Programme bzw. der

Programmbefehle – Daten und Programmkode nutzen gemeinsam den

Hauptspeicher (Von-Neumann-Flaschenhals)

• zur Behebung dieser gravierenden Nachteile wurden – Konzepte des Von-Neumann-Rechners verändert – neue Rechnerarchitekturen entwickelt – Parallelarchitekturen – Verteilte Systeme

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Pipelining 1 • Befehlsabarbeitung Von-Neumann-Rechner

• Konzept des Pipelining • Instruktionen überlappend / parallel ausführen • sequentielle Abarbeitung

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FE DE FO EX WB

t Befehle

1

2 3

t0 t1 t2

4

FE DE FO EX WB FE DE FO EX WB

t Befehle

1

2 3

t0 t1 t2




Parallelarchitektur 1 • Harvardarchitektur als Beispiel für eine einfache

Parallelarchitektur • Trennung von Befehlsspeicher und Datenspeicher

mit je eigenen Bussen

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Parallelarchitektur 2 • Memorymap • Von-Neumann-Rechner Harvard-Rechner

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Programm

Daten

Hauptspeicher 0x0000

0x8FFF

0x2FFF

0xFFFF

Programm Daten

0x3000

0xFFFF 0xFFFF

0x0000 0x0000

0x2FFF

0x5FFF

Programmspeicher Datenspeicher


Caching 1 • Transfer Hauptspeicher CPU ist langsam

• Single Level Cache (einfache CPUs)

• Three Level Cache (leistungsfähige CPUs)

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CPU

CPU

CPU

Hauptspeicher

Hauptspeicher

Hauptspeicher

Cache

L1 L2 L3

sehr schnell

langsam

sehr schnell

langsam

mittelschnell schnell langsam


Speichersegmentierung 1 • Aufteilung des Hauptspeichers in Segmente • Instruktionen, Daten, Konstanten, Stack, Heap, …

• Memory Management Unit (MMU) erforderlich

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Stack

Konstanten

Daten

Instruktionen

Programm

Hauptspeicher

read

read-execute

read-write

read-write

Rechte

Instruktionen Daten

Konstanten Stack


Flynnsche Klassifikation 1 • Michael J. Flynn publizierte 1966 ein Schema zur

Klassifikation von Rechnerarchitekturen • dabei wird nach Befehls- und Datenströmen unterteilt • Single Instruction (SI) – Multiple Instruction (MI) • Single Data (SD) – Multiple Data (MD) • damit ergibt sich das folgenden Schema mit den

vier Rechnerklassen SISD, MISD, SIMD und MIMD

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single instruction

multiple instruction

single data

SISD

MISD multiple

data

SIMD

MIMD


Flynnsche Klassifikation 2 • SISD – Single Instruction, Single Data

• in diese Klasse fallen traditionelle Einkern-Rechner, so auch der Von-Neumann- und der Harvard-Rechner

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Flynnsche Klassifikation 3 • SIMD – Single Instruction, Multiple Data

• Großrechnerarchitektur, Array- oder Vektorrechner • neuere CPUs (x86) und GPUs haben SIMD-Befehle

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Flynnsche Klassifikation 4 • MISD – Multiple Instruction, Single Data

• diese Klasse ist umstritten, schwer zuzuordnen • fehlertolerante redundante Systeme

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Flynnsche Klassifikation 5 • MIMD – Multiple Instruction, Multiple Data

• Supercomputer, Mehrprozessorrechner • parallele Systeme, verteilte Systeme

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Teil 7 • CPU

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Aufbau und Busse 1 • Interne und externe Bussysteme

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CPU

Steuerwerk

Rechenwerk ALU

Addressbus Datenbus Steuerbus

interner Datenbus

interner Steuerbus

Taktgeber Clock


Aufbau und Bussysteme 2

• alle Abläufe innerhalb einer CPU sind taktgesteuert • der Takt wird von einem externen Taktgeber (Clock)

geliefert

• unterschieden werden interne und externe Bussysteme • die verschiedenen Bussysteme intern oder extern können

unterschiedlich breit sein

• Busysteme können unidirektional oder bidirektional sein – der Adressbus z.B. ist unidirektional – der Steuerbus z.B. ist bidirektional

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Register 1 • Register sind Speicherplätze für Operanden in der CPU • in Registern werden Operanden und Zwischenergebnisse

von Berechnungen gespeichert • Register sind extrem schnell zugreifbar • unterschieden werden

– allgemeine Register, z.B. für Berechnungen – spezielle Register, z.B. Befehlszähler/Programcounter

• Register sind dem Rechenwerk oder dem Leitwerk zugeordnet

• Register können unterschiedlich breit sein (z.B. 8 Bit, 16 Bit, 32 Bit, 64 Bit, 80 Bit, 96 Bit, 128 Bit)

• die Gesamtheit aller Register innerhalb der CPU wird als Programmiermodell bezeichnet

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Rechenwerk 1 • die ALU (arithmetic logical unit) ist der Hauptbestandteil

des Rechenwerks • Hinzu kommen Register wie der Akkumulator oder das

Flagregister und ggfs. Shifter (für die Multiplikation)

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Rechenwerk

Register

Akkumulator Flagregister

Shifter

ALU


ALU 1 • die ALU verknüpft zwei Operanden zu einem Ergebnis

80

ALU

Operand 1 Operand 2

Resultat

Flags


ALU 2

81


ALU 3 • die ALU benötigt mindestens zwei Register

• Akkumulator (besondere Bedeutung wird später deutlich)

• Zwischenregister zur Entkopplung der Rechenschleife

82

ALU

Akkumulator Zwischenreg.

Interner Datenbus


ALU 4 • Realisierung der Rechnerarithmetik • die ALU muss so gebaut sein, dass sie die vier

arithmetischen Grundoperationen durchführen kann • bekannt: die vier Grundoperationen lassen sich auf die

Addition zurückgeführen – Subtraktion Addition des negativen Operanden – Multiplikation mehrfache Addition – Division mehrfache Subtraktion

• in minimalster Ausführung reicht es aus, wenn die ALU zwei Operanden addieren kann

• mittels Software, z.B. Microcode, können die weiteren Grundoperationen programmiert werden

83


Addition 1 • Volladdierer und Schaltung aus HA- und OR-Glied

84

O1i Ei Volladdierer für eine Ziffernstelle i O2i Üi+1 Üi

Ziffer (Operand 1, i = 1,2)

Ziffer (Operand 2, i = 1,2)

Ziffer (Ergebnis, i = 1,2)

Übertrag (i = 2,3)

Übertrag (i = 1,2)

HA

HA

O1i

O2i

(E)

(Ü)

Üi

(E)

(Ü)

Üi+1 ≥1

Ei

ALU


Addition 2

85

• 8 Bit-Volladdierer für zwei Binärzahlen

• Addierer berücksichtigt möglichen Übertrag beim Eingang und setzt bei Überlauf (Übertrag) in Bit 7 das Carryflag

O1 O2 Ci

VA Co E

O1 O2 Ci

VA Co E

O1 O2 Ci

VA Co E

O1 O2 Ci

VA Co E

O1 O2 Ci

VA Co E

O1 O2 Ci

VA Co E

O1 O2 Ci

VA Co E

O1 O2 Ci

VA Co E

C Ü Carryflag

Übertrag Eingang

Operand1 (8 Bit) Operand2 (8 Bit)

Ergebnis (8 Bit)

Bit 6 Bit 7 Bit 5 Bit 3 Bit 4 Bit 2 Bit 1 Bit 0


Addition 3 • bekannt: mit derartigem Volladdierer lassen sich alle

vier Grundoperationen ausführen • hat diese Lösung Nachteile? Wenn ja, welche? • viel Rechenzeit für Multiplikation und Division • Gleitkommaoperationen nur mit hohem Aufwand machbar • besser: ALU enthält Bauteile für alle Operationen

ALU

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+ - * /

Ergebnis

Operand 1 Operand 2

01 Betriebsart

00 – Addition 01 – Subtraktion 10 – Multiplikation 11 – Division


Co-Prozessoren 1 • für Gleitkommaoperationen wird häufig ein eigener

Prozessor in die CPU integriert oder extern neben die CPU angeordnet

• Gleitzahlprozessor / Floating Point Unit

• weitere Co-Prozessoren: MMU, GPU, …

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CPU FPU


Leitwerk 1 • Leit- oder Steuerwerk / Control Unit

das Leitwerk ist für die Ausführung von Befehlen zuständig zum Leitwerk gehören - Befehlszähler (PC) - Stapelzeiger (SP) - Befehlsregister - Ablaufsteuerung

CU

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Befehlzähler (PC)

Stapelzeiger (SP)

Ablaufsteuerung

Opcode

Befehlsregister

Adressfeld

Holen

Ausführen


Befehle und Befehlssätze 1 • Rechner erledigen ihre Aufgabe durch Abarbeiten einer

Befehlsfolge, d.h. einem vom Programmierer vorge-gebenen Programm

• die Befehle werden innerhalb der CPU interpretiert und ausgeführt

• alle von einer CPU ausführbaren Befehle werden als Maschinenbefehle bezeichnet, die somit die elementare Form von Befehlen darstellen

• jeder CPU-Typ besitzt einen Befehlssatz, d.h. einen eigenen charakteristischen Satz von Maschinenbefehlen

• der Befehlssatz wird vom CPU-Konstrukteur erstellt • Befehlssätze unterschiedlicher CPUs unterscheiden sich

z.T. erheblich voneinander

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Befehle und Befehlssätze 2 • es gibt viele Befehle mit gleicher oder ähnlicher Wirkung,

die zu Gruppen zusammengefasst werden • es gibt insbesondere folgende Befehlsgruppen

– Transferbefehle – Arithmetikbefehle – Logikbefehle – Schiebe- und Rotationsbefehle – Sprungbefehle – Steuerungsbefehle – Sonderbefehle

• Befehle müssen binär kodiert werden, damit sie von der CPU verarbeitet werden können

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Maschinenbefehle 1 • Aufbau von Maschinenbefehlen (einfachste Form)

• Opcode Befehl in binärer Darstellung • Adressfeld zu verarbeitender Operand (binär) • falls die Breite eines Maschinenworts für den gesamten

Befehl nicht ausreichend ist, wird der Befehl aus mehreren Maschinenworten zusammengesetzt (CISC)

• der Befehl wird dann nacheinander vom Speicher geladen • damit können Befehle unterschiedlich lang sein • RISC: Befehle haben immer die gleiche Länge

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Opcode Adressfeld

Breite Maschinenwort


Maschinenbefehle 2 • mehrere Möglichkeiten zur Darstellung und Kodierung von

Programmen in Maschinensprachen – binäre Darstellung – Funktionsbeschreibung – abkürzende symbolische Schreibweise (Mnemonics)

• die binäre Darstellung von Maschinenbefehlen ist bei der

Programmierung ziemlich umständlich und fehlerträchtig • das gilt sowohl für Binärcodes als auch für Hexcodes

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Maschinenbefehle 3 • Mnemonics / Assemblersprache • Maschinencodeprogramme lassen sich besser mit einer

abkürzenden symbolischen Schreibweise beschreiben • die Befehle werden Mnemonics genannt • jede CPU hat ihre eigenen Mnemonics • die Summe aller Mnemonics Assemblersprache • Beispiel: 8085-Assembler: Mnemonics Binärcode

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Opcode

LDA

MOV

ADI

Addr/Op

spaddr

4711D

A, B

Opcode Addr/Op

00111010

01000111

11000110

00000000 00001010

00011000

1. Befehl

2. Befehl

3. Befehl


Maschinenbefehle 4 • Befehlsdekodierung • Befehl wird binär im Befehlsregister der CPU gespeichert • Befehlsdecoder erzeugt die internen und externen Steuer-

signale an die beteiligten Einheiten zur Befehlsausführung

• Steuersignale auf dem Steuerbus

• Ablaufsteuerung fest verdrahtet oder als Mikroprogramm (Mikrokode)

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Befehlsregister

Befehlsdekodierer

Takt- und Ablauf- Steuerung

Takt

interne Steuersignale

externe Steuersignale

Status- und Meldesignale


Maschinenbefehle 5 • Mikroprogrammsteuerung • jeder Befehl besteht aus einer Folge von Mikrobefehlen,

die nacheinander abgearbeitet werden

• Vorteil: Austausch des Befehlssatzes ohne Veränderung der CPU

• Nachteil: durch die sequentielle Abarbeitung der Mikrobefehle wird Befehlsausführung langsamer

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Befehlsregister

Befehlsdekodierer

Mikrobefehl Mikroprogrammspeicher

Adresse Mikrobefehl 1

Mikrobefehl 2

Mikrobefehl 3

Mikrobefehl 4

…

Adresse + 0

Adresse + 1

Adresse + 2

Adresse + 3

…

Befehl


Programmbearbeitung 1 • Arbeitsweise der CPU

• beim Von-Neumann-Rechner sequentielle Abarbeitung

der Programmbefehle • Befehle und Daten befinden sich unter fortlaufenden

Adressen im Hauptspeicher • Programmsteuerung erfolgt durch den Befehlszähler • zum Starten eines Programms wird der Befehlszähler mit

der Anfangsadresse des Programms geladen • unter der Anfangsadresse ist der erste Befehl des

Programms gespeichert • mit jeden weiteren Befehl wird der Befehlszähler mit dem

Takt erhöht

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Programmbearbeitung 2 • Start des Von-Neumann-Rechners

• beim Start des Rechnersystems wird der Befehlszähler

mit der Adresse einer Initialisierungsroutine geladen, die sich meist im BIOS (Monitorprogramm) befindet

• das BIOS oder das Monitorprogramm befindet sich in einem nichtflüchtigen Speicher

• damit dieser Vorgang einfach zu realisieren ist, wird als Adresse für das Initialisierungsprogramm häufig die Adresse 0 verwendet

• diese Adresse kann man einfach durch einen Reset des Zählers erzeugen und laden

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Programmbearbeitung 3 • Abweichungen von der sequentiellen Bearbeitung

• beim Von-Neumann-Rechner gibt es Befehle oder

Bedingungen, mit denen die sequentielle Abarbeitung der Programmbefehle unterbrochen werden kann

• hierzu gehören • Sprungbefehle

bedingte oder unbedingte Sprünge • Unterprogrammaufrufe

bedingte oder unbedingte Unterprogrammaufrufe sowie die Rückkehrbefehle

• Interrupts interne und externe Interrupts sowie die Rückkehrbefehle

98


Programmbearbeitung 4

• Sprungbefehle • Sprung unterbricht die laufende sequentielle Abarbeitung und

setzt diese an der Sprungadresse fort • die aktuelle Adresse des Programmzählers wird mit der

Sprungadresse ersetzt 99

Adresse Befehl Befehlszähler

… … …

n - 2 Befehl1 n – 1

n - 1 Befehl 2 n

n jump adresse adresse → n + 1

n + 1 Befehl 4

n + 2 Befehl 5

… … …

adresse Befehl A adresse + 1

adresse + 1 Befehl B adresse + 2

adresse + 2 Befehl C adresse + 3

… … …


Programmbearbeitung 4 • Unterprogramme (Subroutines, Funktionen) • ein Unterprogramm ist ein in sich abgeschlossenes

Programm bzw. Teilprogramm • eine Folge von im Programm wiederholt auftretenden

Befehlen wird zu einem Unterprogramm zusammengefaßt • Einsparung von Hauptspeicher • bessere Übersichtlichkeit des Programms • Aufruf von Unterprogrammen mit dem call-Befehl • call-Befehl ist ein besonderer Sprungbefehl • wie beim Sprung wird beim call-Befehl die Adresse

angegeben, an der das Unterprogramm startet • Rückkehr aus dem Unterprogramm mit return-Befehl

100



• Unterprogrammaufruf

• Unterprogramme können verschachtelt werden

101

Adresse Befehl Befehlszähler

… … …

n - 2 Befehl1 n – 1

n - 1 Befehl 2 n

n call adresse adresse → n + 1

n + 1 Befehl 4

n + 2 Befehl 5

… … …

adresse Befehl A adresse + 1

adresse + 1 Befehl B adresse + 2

adresse + 2 return n + 1

… … …

Stack

n + 1


Programmbearbeitung 6 • Interrupts • besondere interne oder externe Ereignisse können die

Unterbrechung des ablaufenden Programms notwendig machen, um auf diese Ereignisse zu reagieren

• Interruptsignale lösen Interrupts aus • bein Auftreten eines Interruptsignals wird die laufende

Programmabarbeitung unterbrochen und in eine sog. Interruptroutine verzweigt

• danach wird das Programm weiter fortgesetzt • Interruptbehandlung ist wie ein Unterprogrammaufruf • wichtigster Unterschied: Interrupts bzw. Interruptsignale

treten asynchron auf und müssen entsprechend auch asychron in der Interruptroutine bearbeitet werden

102



• Interruptbehandlung

• Interruptroutine wird zeitlich in den Ablauf des Programms eingeschoben

103

Interrupthandler

Befehl 1

… Befehl i + 1

Befehl i + 2

… return

Programm

… …

Befehl n

Befehle n + 1

Befehl n + 2

… …

Interruptsignal


Programmbearbeitung 8 • Aktionen bei Erkennen eines Interrupts • gerade in Ausführung befindlicher Befehl wird normal beendet • mit der Annahme der Unterbrechung hat die CPU die Möglichkeit,

eine Unterbrechungssperre zu setzen, die die Annahme weiterer Interrupts verhindert

• der aktuelle Inhalt des Befehlszählers wird auf dem Stack abgelegt • Verzweigung zur Interruptroutine über eine Adresse, die in der

CPU erzeugt wird oder von einem externen Baustein (Interruptcontroller) geliefert wird (Vektormethode)

• Bearbeitung der Interruptroutine, in der die Unterbrechungssperre wahlweise wieder freigegeben werden kann

• jede Interruptroutine wird mit einem Rückkehrbefehl beendet. Über diesen Rückkehrbefehl wird die Fortsetzungsadresse des unterbrochenen Programms von Stack in den Befehlszähler geladen

104


Programmbearbeitung 9 • Interruptlatenzzeit

• Zeit vom Eintreffen des Interrupts bis zu seiner Bearbeitung

105

Programmablauf

Overhead Interrupthandling

Interruptroutine

laufendes Programm Interruptroutine

Interruptlatenzzeit


Teil 8 • I/O und Speicher

106


I/O 1 • Ein-/Ausgabeeinheit ist für den Anschluß externer

Geräte und ihre Steuerung sowie die Kommunikation zwischen Rechner und I/O-Geräten konzipiert

• I/O-Geräte werden auch als Peripherie bezeichnet • zur üblichen PC-Peripherie gehören Bildschirm, Tastatur,

Maus, Drucker, Scanner, CD-/DVD-Laufwerke u.v.a.m. • zur Mikrokontroller-Peripherie gehören insbesondere

Sensoren, Aktoren, AD- und DA-Wandler, Regler usw. • Festplatten, SSDs u.ä. Massenspeicher werden eher nicht

zur den üblichen I/O-Geräten gezählt, sie gehören eher in die Gruppe der Speicher

• über spezielle I/O-Busse sind I/O-Geräte am Rechner angeschlossen, z.B. seriell, parallel, HDMI, USB, u.v.a.m.

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I/O 2 • I/O-Geräte werden i.d.R. über spezielle interne oder

externe I/O-Controller angesteuert • der Datentransfer zwischen Rechner und I/O-Gerät erfolgt

i.d.R. gepuffert (FIFO-Puffer)

• Unterscheidung: Memory Mapped I/O Port I/O

108

CPU IO-Gerät

IO-Controller

Datenpuffer


Memory Mapped I/O 1 • beim Memory Mapped I/O sind die Steuer- und

Datenregister in den Speicherbereich der CPU gemappt

• der Zugriff auf das I/O-Gerät bzw. seine Steuer- und Datenregister ist damit wie ein Zugriff auf im Haupt-speicher gespeicherte „normale“ Variable

109

CPU Speicher

IO

control

data

control

data


Port I/O 1 • beim Port I/O sind die Steuer- und Datenregister des

I/O-Geräts über Spezialbefehle der CPU zugreifbar

• der Zugriff auf das I/O-Gerät bzw. seine Steuer- und Datenregister erfolgt über spezielle IN- und OUT-Befehle

• Beispiele: Intel 80x86, Zilog Z80

110

CPU Speicher

IO

control

data

in out


Direct Memory Access 1 • bei Port I/O und Memory Mapped I/O ist beim

Datentransfer immer auch die CPU beteiligt

• Datenfluss: CPU kopiert Daten von/nach I/O-Gerät und kopiert diese dann nach/von Hauptspeicher

• doppelter = langsamer Transfer

111

CPU Speicher

IO

control

data

1. Datentransfer: I/O CPU

2. Datentransfer: CPU Speicher


Direct Memory Access 2 • für viele I/O-Aufgaben sind aber sehr hohe Transferraten

notwendig, z.B. beim Transfer von Grafikdaten •

• DMA: Daten werden direkt zwischen I/O und Speicher transferiert, dazu notwendig: spezieller DMA-Controller

• direkter = sehr schneller Transfer

112

CPU Speicher

IO

control

data

DMA Datentransfer: I /O Speicher Steuerung


Speicher 1 • Speicher ist eine sehr wichtige Komponente in der

Rechnertechnik

• es gibt eine Fülle unterschiedlicher technischer Möglich-keiten, Informationen / Daten zu speichern

• Speichertypen werden beschrieben durch – physikalische Realisierung der Speichermedien – Größe des Speichers, Speicherkapazität – Zugriffszeit auf die gespeicherten Daten – Zugriffsverfahren auf die Speicherinhalte – Leistungsaufnahme, Stromverbrauch – Herstellungsaufwand und -kosten, Preis

113


Speicher 2 • wesentliche Unterscheidung der Speichertypen:

– elektronischer Speicher z.B. RAM, SSD, Flash usw.

– magnetischer Speicher z.B. Festplatte, Diskette, Band, Kernspeicher (heute ein wenig veraltet)

– optischer Speicher DVD, CD

– magnetooptischer Speicher z.B. Minidisk, Laserdisk

– Zukunftsmusik: PCM-RAM, STT-RAM, Racetrack-RAM??? – u.a.m.

• im weiteren Beschränkung auf elektronischen Speicher

114


Speicher 3 • wesentliche Unterscheidung bei elektronischem Speicher

– Schreib-Lese-Speicher RAM = Random Access Memory besser: flüchtiger Speicher

– Festspeicher ROM = Read Only Memory besser: nicht-flüchtiger Speicher

• heute wird elektronischer Speicher in vielen Bereichen eingesetzt, in denen er andere Speichertechniken ablöst, z.B. Memory-Sticks (USB-Sticks) als transportabler Massenspeicher oder Solid State Disks (SSD) als Ersatz für Magnetfestplatten mit hoher Geschwindigkeit

115


Speicher 4 • die Speicherkapazität wird in Bit angegeben • oder in Vielfachen von Bit, z.B. kBkit, MBit, GBit

1 kBit = 210 Bit = 1024 Bit 1 MBit = 220 Bit = 1.048.576 Bit 1 GBit = 230 Bit = 1.073.741.824 Bit

• häufig wird die Kapazität auch in Byte angegeben

1 kByte = 210 Byte = 1024 Byte 1 MByte = 220 Byte = 1.048.576 Byte 1 GByte = 230 Byte = 1.073.741.824 Byte

• manche Festplattenhersteller schummeln ein wenig und geben statt 1024 Byte nur 1000 Byte für ein kByte an!

• unterschieden wird auch nach den Zugriffsverfahren – Speicher mit wahlfreiem Zugriff (Random Access) – Speicher mit sequentiellem Zugriff

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RAM 1 • RAM – Random Access Memory (wahlfreier Zugriff) • grundsätzliche Unterscheidung:

– statisches RAM - SRAM – dynamisches RAM - DRAM

• beide Arten verwenden technisch unterschiedliche elementare Speicherzellentypen

• SRAM - statisches RAM • die Speicherzellen sind durch bistabile Flip-Flops realisiert

– Flip-Flop ist eine elektronische Schaltung, bei der das Ausgangs-signal zwei unterschiedliche stabile Zustände annehmen kann

– durch externe Steuersignale kann das Ausgangssignal auf den einen oder den anderen stabilen Zustand eingestellt werden

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RAM 2 • SRAM – Speicheraufbau als Bit-Matrix

Zelle: bistabiler Flip-Flop bestehend aus 6 Transistoren

• sehr schnell, teuer - Einsatz z.B. für Cachespeicher

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RAM 3 • DRAM – Speicheraufbau als Bitmatrix

x Zelle: besteht nur aus einem Transistor und einem Kondensator Refresh notwendig

• einfach, schnell, günstig - Einsatz z.B. für Hauptspeicher

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RAM 4 • Vergleich DRAM – SRAM

• DRAM ist gegenüber SRAM langsam

– DRAM nur in CMOS-Technologie herstellbar (langsame Technologie)

– Adressierung erfolgt in zwei Schritten – regelmäßiges Refresh der Speicherzellen notwendig

• trotzdem überwiegt der Vorteil der DRAM-Zellen: – einfacher Aufbau aus Transistor und Kondensator – preisgünstig

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ROM 1 • ROM – Read Only Memory

• verschiedene Arten von ROM

– Mask-ROM – Daten werden bei Herstellung über eine Maske auf das ROM geschrieben (veraltet)

– PROM – Programmable ROM – EPROM – Erasable Programmable ROM – EEPROM – Electrical Erasable Programmable ROM – Flash-EPROM – anderer Aufbau gegenüber EPROM:

bestehend aus nur einem Transistor je Bit, nur seitenweise lesbar

– Flashen Programmieren des EPROM • Unterscheidung – wie beim RAM – am Aufbau der

elementaren Speicherzellen

121


Speicherorganisation 1 • Sonderformen der Speicherorganisation • bisher vorgestellte Speicherbausteine arbeiten nach dem

Prinzip des Zugriffs auf den Inhalt der Speicherzelle durch Angabe seiner Adresse

• daraus lassen sich entsprechende wahlfrei zugreifbare Speichersysteme aufbauen

• Rechnersystemen benötigen aber auch Speichersysteme, die nach anderen Prinzipien zugegriffen werden

• Insbesondere sind dies

– LIFO-Speicher (LIFO = Last In – First Out) – FIFO-Speicher (FIFO = First In – First Out) – Assoziativ-Speicher (Content Addressable Memory)

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Speicherorganisation 2 • LIFO-Speicher (Last In – First Out)

• Speicherprinzip des Stack (Stapelspeicher) • Stackpointer (Stapelzeiger) verwaltet die Adressierung • zwei Varianten: • SP wird vor Schreiben inkrementiert, nach Lesen dekrementiert • SP wird nach Schreiben inkrementiert, vor Lesen dekrementiert

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Adresse Speicherwort …

Adresse Adresse + 1 Adresse + 2 Adresse + 3

… Adresse + n

SP - Stackpointer


Speicherorganisation 2 • FIFO-Speicher (First In – First Out)

• Speicherprinzip der Queue (Warteschlange) • Schreib- und Lesepointer verwalten die Adressierung: • die Queue ist leer, wenn Schreibpointer = Lesepointer ist • der Schreibpointer wird nach dem Schreiben inkrementiert • der Lesepointer wird nach dem Lesen inkrementiert

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Adresse Speicherwort …

Adresse Adresse + 1 Adresse + 2 Adresse + 3

… Adresse + n

Lesepointer

Schreibpointer


Speicherorganisation 3 • Assoziativspeicher (Content Addressable Memory) • beim CAM erfolgt der Zugriff nicht über eine Adresse,

sondern über den Inhalt der Speicherzelle • der Inhalt wird dabei über ein Suchwort vorgegeben

• der Assoziativspeicher kennt drei Betriebsarten

– schreiben – lesen – suchen

• in der Betriebsart suchen wird der Speicherinhalt mit dem Suchwort verglichen und ermittelt, ob und wenn ja, wo das Suchwort im Speicher gespeichert und zugreifbar ist

125


Speicherfehler 1 • bei der Speicherung von Daten können zwei verschiedene

Fehler auftreten • permanente Fehler (hard errors) • treten reproduzierbar auf • werden durch Defekte in den Speicherbausteinen oder

den Ansteuerschaltungen verursacht • flüchtige Fehler (soft errors) • treten zufällig und daher nicht reproduzierbar auf • hervorgerufen meist durch ionisierende Strahlung

– Speicherkondensatoren werden umgeladen – bistabile Flip-Flops kippen um

• auch starke elektromagnetische Strahlung kann zu flüch-tigen Fehlern führen

126


Auflösung • Vorlesung Rechnerarchitektur 5.0

https://www.youtube.com/watch?v=NOtLb34Osl0

127

https://www.youtube.com/watch?v=NOtLb34Osl0https://www.youtube.com/watch?v=NOtLb34Osl0


für die Klausur:

viel Erfolg

und ein bisschen Glück

128

Rechnerarchitektur�für Wirtschaftsinformatik� ��Zusammenfassung Foliennummer 3Foliennummer 4Foliennummer 5Übungen zu Rechnerarchitektur1 Teil 2 Zahlensysteme1 Zahlensysteme2 Dualzahlen1 Dualzahlen2 Dualzahlen3 Dualzahlen4 Rechnen mit Dualzahlen1 Rechnen mit Dualzahlen2 Rechnen mit Dualzahlen3 Rechnen mit Dualzahlen4 Rechnen mit Dualzahlen5 Negative Dualzahlen1 Negative Dualzahlen2 Negative Dualzahlen3 Festkommazahlen1Gleitkommazahlen1Teil 3 Kodierung1 Zahlendarstellung1 Zahlendarstellung2 Zahlendarstellung3 Kodierungen1 ASCII-Kodierung1 ASCII-Kodierung2 Weitere Kodierungen1 Teil 4 Boolesche Algebra1 Boolesche Algebra2 AND1 OR1 NOT1 Logische Grundfunktionen1 NAND1 NOR1 XOR1 XNOR1 Funktionen mit mehreren Eingängen1 Zusammengesetzte Funktionen1 Schaltalgebra1 Schaltalgebra2 Wahrheitstabellen1 Wahrheitstabellen2 Schaltalgebra1 Schaltalgebra2 Schaltalgebra3 Schaltalgebra4 Schaltalgebra5 Schaltalgebra6 Teil 6 Merkmale1 Merkmale2 Blockschaltbild1 Von-Neumann-Zyklus1 Nachteile1 Nachteile2 Nachteile3 Nachteile4 Pipelining1 Parallelarchitektur1 Parallelarchitektur2 Caching1 Speichersegmentierung1 Flynnsche Klassifikation1 Flynnsche Klassifikation2 Flynnsche Klassifikation3 Flynnsche Klassifikation4 Flynnsche Klassifikation5 Teil 7 Aufbau und Busse1 Aufbau und Bussysteme2 Register1 Rechenwerk1 ALU1 ALU2 ALU3 ALU4 Addition 1 Addition2 Addition3 Co-Prozessoren1 Leitwerk1 Befehle und Befehlssätze1 Befehle und Befehlssätze2 Maschinenbefehle1Maschinenbefehle2Maschinenbefehle3Maschinenbefehle4Maschinenbefehle5Programmbearbeitung1Programmbearbeitung2Programmbearbeitung3Programmbearbeitung4Programmbearbeitung4Programmbearbeitung5Programmbearbeitung6Programmbearbeitung7Programmbearbeitung8Programmbearbeitung9Teil 8 I/O1 I/O2 Memory Mapped I/O1 Port I/O1 Direct Memory Access1 Direct Memory Access2 Speicher1 Speicher2 Speicher3 Speicher4 RAM1 RAM2 RAM3 RAM4 ROM1 Speicherorganisation1 Speicherorganisation2 Speicherorganisation2 Speicherorganisation3 Speicherfehler1 Auflösung

Rechnerarchitektur für Wirtschaftsinformatik...

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