2015W CA01 Introduction
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Rechnerstrukturen Winter 2 015 1. EINFÜHRUNG (c) Peter Sturm, University of Trier 1 Rechnerstrukturen Winter 2 015 Organisatorisches • Teilnehmer – Vorlesung für Bachelor-­‐I nformatik • Vorlesungszeiten – Montags, 12.30 – 14.00 Uhr, Hörsaal HS13 • Übungen und Übungsblätter – Wöchentlich • Blog Asysob ( http://tamdhu.uni-­‐trier.de/Asysob) – eventuelle Termin-­‐ und Raumverschiebungen – Übungsblätter – Folienkopien • Klausur im F ebruar 2016 Begleitliteratur • Structured Computer Organization – Andrew S. Tanenbaum, Prentice Hall, 4. Auflage, 1998 • Computer Architecture -­‐ A Quantitative Approach – J.L. Hennessy, D.A. Patterson, M organ Kaufmann, 5. Auflage, 2011 • Computer Organization and Design The Hardware / S oftware Interface – J.L. Hennessy, D.A. Patterson, M organ Kaufmann, 4. Auflage, 2011 • Bebop the B oolean B oogie An Unconventional G uide to Electronics – Clive „Max“ M axfield, Elsevier, 3. Auflage, 2009 (c) Peter Sturm, University of Trier 2 Rechnerstrukturen Winter 2 015 Computersprachen Webseite JavaScript Engine Browser • HTML – Deskriptiv • JavaScript – Dynamische Seiteninhalte – Interpretiert • Java – Virtuelle Maschine Betriebssystem Hardware • C/C++ – Anwendungen – Betriebssystem • Maschinensprache – Sprache des Prozessors HTML/JavaScript (c) Peter Sturm, University of Trier 3 Rechnerstrukturen Winter 2 015 C/C++ (c) Peter Sturm, University of Trier 4 Rechnerstrukturen Winter 2 015 Maschinensprache Gegenstand der Vorlesung • Struktur moderner Computer – Welche Komponenten – Welche Architektur • Funktionsweise – Funktion einzelner Komponenten – Zusammenspiel • Bewertungskriterien – – – – – Effizienz Parallelitätsgrad Skalierbarkeit Zuverlässigkeit Kosten (c) Peter Sturm, University of Trier 5 Rechnerstrukturen Winter 2 015 Ziele • Grundlagen ü ber • Struktur moderner Computer • Assemblerprogrammierung • Weiterführende Vorlesungen – Elektronische S chalter (Transistor) – Digitale Gatter und Bausteine – AMD-­‐ und Intel-­‐PC – aber auch • SPARC • DEC A lpha • PowerPC – Compilerbau – Betriebssysteme Praxis • Einfache Aufbauten auf sogenannten P roto-­‐ Boards ( Steckplatine) • Nur wenige Exemplare in der Uni vorhanden • Freiwillige Übung • … auch p rivat erschwinglich – Ideale Weihnachts-­‐ geschenk J Elektronischer Würfel (c) Peter Sturm, University of Trier 6 Rechnerstrukturen Winter 2 015 Programmierbare Hardware • Arduino & Co. (c) Peter Sturm, University of Trier 7 Rechnerstrukturen Winter 2 015 Zugang • Sehr komplexes Themengebiet • Multidisziplinär – – – – – – Elektroniker Physiker Chemiker Machinenbauer Informatiker … • Jeder hat seinen e igenen Z ugang • Für uns w ichtig – Architektureller Zugang: S truktur – Logisch/sprachlicher Zugang: V erhalten (c) Peter Sturm, University of Trier 8 Rechnerstrukturen Winter 2 015 Architekturebenen Geräte System Komponenten Bausteine Logikgatter Schaltung Architektursicht: Geräteebene • Komponenten – – – – – – – • Tower Monitor Tastatur Maus Drucker Lautsprecher, Mikrophon ... Verbindung – – – – – – – Tastatur, Maus, Monitor Floppy, CD, Band, ... Netzanschluß serielle u. parallele Anschlüsse SCSI Line in, Mic, Line out, . .. Video, S-­‐Video, ... – ... Cray Supercomputer (c) Peter Sturm, University of Trier 9 Rechnerstrukturen Winter 2 015 Connection Machine 1 (c) Peter Sturm, University of Trier 10 Rechnerstrukturen Winter 2 015 Architektursicht: Systemebene • Komponenten – – – – – • Prozessor Cache Speicher E/A-­‐Controller Interfacekarten Prozessor Cache Verbindung – Prozessorbus – Speicherbus – Gerätebus • PCI, S CSI, V ME, (AGP), ... – serielle u. parallele Leitungen • RS232, V.24, ... • USB, ISDN, ... – Computernetz • Ethernet, F DDI, ATM, ... RAM ROM E/A-­‐ Controller Gerät Interface Gerät Interface Architektursicht: Bausteinebene • Komponenten – – – – 7 Dekoder 7 Dekoder 4 4 Bit Zähler 4 4 Bit Zähler 7 • Dekoder Register, Latches, ... Decoder, Encoder, ... Multiplexer, Demultiplexer, ... arithmetische Bausteine • Addierer • Subtrahierer • Multiplizierer • Dividierer • ... Verbindung – Leitungen – Bus (mehrere Leitungen) – diskrete Logik 4 4 Bit Zähler Clock (c) Peter Sturm, University of Trier 11 Rechnerstrukturen Winter 2 015 Architektursicht: Gatterebene • Komponenten – – – – • AND-­‐Gatter OR-­‐Gatter NOT-­‐Gatter ... A0 Verbindung – Leitungen – ev. elektronische Bausteine A1 E3 E2 E1 E0 Architektursicht: Schaltkreisebene • Komponenten – – – – – Transistor Kondensator Widerstand Spule ... T17 • Verbindung – Leitungen R22 (c) Peter Sturm, University of Trier 12 Rechnerstrukturen Winter 2 015 Transistoren, Kondensatoren, Resistoren, … Widerstände Kondensatoren Transistoren Prozessor = Viele Transistoren Ein Intel Pentium 4 aus 125 Millionen Transistoren (c) Peter Sturm, University of Trier 13 Rechnerstrukturen Winter 2 015 Vergrößerung • In R ealität ungefähr Daumennagelgroß • Jeder Transistor so groß w ie ein Haus – 10x10 Meter Haus und 5 Meter S traße, Weg, Grün drum herum 10x10 Haus 223 Kilometer Garten, Straße, Weg CPUs GPUs (c) Peter Sturm, University of Trier 14 Rechnerstrukturen Winter 2 015 FPGAs Speicherbausteine (DRAM) 2. EXKURS DUALZAHLEN (c) Peter Sturm, University of Trier 15 Rechnerstrukturen Winter 2 015 Exkurs: Binäre Z ahlensysteme • Hier nur ganze Z ahlen oder F estkommazahlen • Zahlen zur B asis 2 01101.1112 = 1⋅ 2 3 + 1⋅ 2 2 + 1⋅ 2 0 + 1⋅ 2−1 + 1⋅ 2−2 + 1⋅ 2−3 = 8 + 4 + 1+ 0.5 + 0.25 + 0.125 = 13.87510 • Feste Anzahl S tellen – 8, 16, 32, 64 Bit gängig – Führende Nullen • Darstellung negativer Z ahlen? (c) Peter Sturm, University of Trier 16
