Einführung

Einführung
Einführung in die Technische Informatik
Falko Dressler und Stefan Podlipnig
Universität Innsbruck
Überblick
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Motivation
Komponenten eines Rechners
Historische Entwicklung
Technologische Grundlagen
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MOTIVATION
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Rechnerarchitektur
• Rechnerarchitektur beschäftigt sich mit




dem Aufbau von Rechnern,
der Hardware/Software-Schnittstelle,
der maschinennahen Programmierung und
der Arbeitsweise von Rechnern, d.h. wie werden Maschinenprogramme
abgearbeitet.
• Kenntnisse in Rechnerarchitektur sind z.B. notwendig
 zum Entwurf neuer Rechner,
 zur Entscheidung, was bei der Entwicklung neuer IT Systeme in Hardware
und was in Software zu realisieren ist,
 zur effizienten Programmierung moderner Systeme und
 zur Auswahl eines zur Problemlösung geeigneten Systems.
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Ebenen der Rechnerarchitektur
SystemArchitektur
• Beschreibt externen Systembus, Organisation des
Arbeitsspeichers, Peripheriebus, ...
Instruktionen, Registersatz und Adressierungsarten
Instruktionssatz- • Legt
fest.
Architektur (ISA) • Stellt die Schnittstelle zwischen Hard- und Software dar.
Mikroarchitektur • Beschreibt die Struktur eines Rechners mit Registern,
ALU, Steuerwerk, interne Bussysteme, Ein(µA)
/Ausgabeeinheit.
Digitale Logik
• Beschreibt Implementierung der Komponenten mit
Gattern.
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Rechnerarchitektur - Rechnerorganisation
• In der Literatur wird auch oft vereinfachend nur zwischen
Rechnerarchitektur und Rechnerorganisation unterschieden:
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Beispiel
Beispiel:
C/C++ Programm:
int a, b, summe;
...
summe = a + b;
...
Assemblerbefehle:
…
add r0, r1, r2;
…
Hardware:
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Klassen von Rechnersystemen
• Heute gibt es im Wesentlichen nur noch drei Klassen von
Rechnersystemen:
1.
Desktop oder Arbeitsplatzrechner:
− 500 bis 2500 Euro je System, 50 bis 500 Euro für CPU
− Gutes Preis/Leistungsverhältnis, gute Grafikmöglichkeiten
2.
Server:
− 2000 bis 100000 Euro je System, 200 bis 10000 Euro für CPU
− Hohe Zuverlässigkeit, hoher Durchsatz, gute Skalierbarkeit
3.
Eingebettetes System:
− 10 bis 10000 Euro je System, 0.1 bis 100 Euro für CPU
− Geringe Stromaufnahme, ausreichende Leistung für Anwendung
• Früher gab es weitere Klassen:
 Mainframe, Minicomputer, Workstation
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Welche Klasse hat den meisten Zuwachs?
• Mobiltelefone (und andere eingebettete Systeme)!
 Anzahl hergestellter Produkte (in Millionen):
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KOMPONENTEN EINES RECHNERS
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Innenansicht eines modernen PCs
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Aktuelles Motherboard
Stromanschluss
RAM-Steckplätze
PCI-Steckplatz
Sockel für
Prozessor
Peripherie-Anschlüsse
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Beispiel - Macbook Pro 15
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CPU
• Hauptkomponente eines jeden Rechners ist die CPU (Central
Processing Unit).
• In jedem Befehlszyklus
 wird eine Instruktion aus dem Speicher geholt,
 im Steuerwerk dekodiert,
 und im Rechenwerk ausgeführt.
• Als Operanden benötigte Daten werden ebenfalls aus dem
Speicher geladen.
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CPU Beispiel (AMD Barcelona – 4 Cores)
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Intels neue "Sandy Bridge"-Generation
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HISTORISCHE ENTWICKLUNG
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Historische Entwicklung (1)
• 8500 v. Chr.: Zählsysteme
 In vielen Kulturen benutzt
 Häufig 5 oder 10 als Basis
• 3000 v. Chr.: Abakus





Älteste mechanische Rechenhilfe
Ursprung in Babylonien
Noch heute in Asien benutzt
2 Zonen: „heaven“, „earth“
Einfache Algorithmen nötig
• 1642: Pascaline





Entwickelt von B. Pascal
Auf Zahnrädern basierend
Addition von zwei bis zu 8-stelligen Dezimalzahlen
Automatischer Übertrag
Subtraktion mittels Komplementzahlen
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Historische Entwicklung (2)
• 1673: Stepped Reckoner
 Entwickelt von G.W. Leibniz
 Neuartige Staffelwalze für Multiplikation,
Division
• 1804: Lochkarte
 Entwickelt von Jacquard zur Steuerung
eines Webstuhls
 Unterschiedliche Webmuster durch
unterschiedlich gelochte Holzbrettchen
 Erster Nur-Lese-Speicher (ROM = ReadOnly Memory)
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Historische Entwicklung (3)
• 1822: Difference Engine
 Entwickelt von C. Babbage
 Auf Dezimalsystem basierend
 Entworfen zur Tabellierung von Werten eines
Polynoms:
f(x) = an xn + an–1 xn–1 + ... + a1 x + a0
 Idee: Berechnung nur mit Addition möglich (bei
geeigneten Startwerten)
 Beispiel: f(x) = 2x2 + 3x + 1
x
1
2
3
4
5
f(x) diff1 diff2
6
15
9
28
13
4
45
17
4
66
21
4
 Erster Rechner mit automatischer
Mehrschrittoperation!
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Historische Entwicklung (4)
• 1830: Analytical Engine
 Entwickelt von C. Babbage
 Leitwerk, programmierbar mit
Lochkarten
 Rechenwerk („Mill “)
 Speicher („Store“) für 1000
Dezimalzahlen aus 50 Stellen
 Ein-/Ausgabe mit Lochkarten
 Verzweigungen möglich
 Lady Ada Augusta Lovelace als erste
Programmiererin
 Erster universeller Rechenautomat
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Historische Entwicklung (5)
• 1941: Z3
 Entwickelt von K. Zuse
 10 Hertz Taktfrequenz
 Basierend auf 2200 Relais
− davon 600 für Rechenwerk, 1400
für Speicher
 22-stellige Binärzahlen
− Im Gleitkomma-Format!
 Dezimale Ein-/Ausgabe
− Tasten oder Lochstreifen, Lampen
 Speicher mit 64 Worten
 Steuereinheit mit Sequenzer
 Addition in 3 Takten,
Multiplikation in 16 Takten
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Historische Entwicklung (6)
• 1945: Von-Neumann Architektur
(John von Neumann)
 Speicherwerk enthält Programme und
Daten
 Rechenwerk mit ALU und Registern
 Zentrales Steuerwerk mit „fetchdecode-execute“ Instruktionszyklus
 Ein-/Ausgabe-Werk mit
Datenumwandlung
 Binäre Kodierung
• Zentrale Eigenschaft ist der
gemeinsame Speicher für Daten
und Programme,
 Auch als Von-Neumann Flaschenhals
bezeichnet.
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Historische Entwicklung (7)
• 1946: ENIAC
18000 Röhren, 1500 Relais
130 m2, 30 Tonnen, 140 kW
Dezimale Kodierung
ca. 5000 Additionen je Sek.
20 Akkumulatoren, 1 Multiplizierer, 3 Funktionstabellen
(0.2 ms für Addition, 2.8 ms für
Multiplikation)
 Programmiert durch KabelVerbindungen
 E/A mittels Lochkarten
 Gebaut für ballistische
Berechnungen





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Historische Entwicklung (8)
• 1961: PDP-1
 Gebaut von DEC
 Transistortechnik
 Magnetischer Kernspeicher für 4096
18-Bit Worte
 200 kHz Taktfrequenz
 CRT, 512 x 512 Pixel Grafik
 Erster Minicomputer
• Es folgten: PDP-8 mit Omnibus
(erstes Bussystem, 1965), PDP-11
(erster 16-Bit Rechner, 1970)
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Historische Entwicklung (9)
• 1965: IBM System/360
 Erste Rechnerfamilie mit
gleichem Instruktionssatz
 Mehrprogrammbetrieb
 Mikroprogammierung
 Verwendung von integrierten
Schaltkreisen (ICs)
 32-Bit Worte
 16 Mbyte Adressraum
 Typischer Großrechner
− Auch als „Mainframe“
bezeichnet
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Generationen seit 1950
Generation
Zeitspanne
Charakterisierung
1
1950 - 1960
Elektronenröhren als Schaltelemente
Speicher von wenigen hundert Maschinenwörtern
2
1960 - 1970
Transistorschaltkreise
Ferritkern–, Band–, Trommel– und Plattenspeicher
3
1965 - 1970
Teilweise integrierte Schaltkreise
4
1970 - 1980
Überwiegend hochintegrierte Schaltkreise
Ein Prozessor auf einem Chip
8-Bit-Architektur
5
Ab 1980
Hochintegrierte Schaltkreise
Mehrerer Prozessoren mit vielen Millionen Transistoren auf
einem Chip
Arbeitsspeicher mit Millionen von Speicherplätzen
16 Bit- und 32-Bit-Architekturen
6
Ab 1990
RISC-Architekturen
64-Bit-Architekturen
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Historische Entwicklung (10)
• Weitere Meilensteine der Computer-Hardware:
1971 : Intel 4004 (erster Mikroprozessor)
1976: Cray-1 (erster Vektorrechner)
1978: Intel 8086 (x86-Architektur)
1985: MIPS (erster RISC-Mikroprozessor)
1987: Connection Machine (erster massiv paralleler Rechner mit 65536
Prozessoren)
 1992: DEC Alpha 21064 (erster RISC-Mikroprozessor mit 64-Bit CPU)
 1997: Supercomputer ASCI Red liefert eine Rechenleistung von mehr als 1
TFlops
 2000: erster Mikroprozessor mit 1 GHz Taktfrequenz





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TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN
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Technologische Grundlagen (1)
• Maß für die technologische Entwicklung ist die technologische
Strukturgröße (Feature Size).
 Kann vereinfachend als Kantenlänge eines Transistors angesehen werden.
• Strukturgröße konnte in den letzten Jahrzenten von 10 µm (Intel
4004, 1971) auf 32 nm (Intel Core I7, 2009) reduziert werden!
• Jährliche Wachstumsraten:




Transistordichte ~ 35%
Chipfläche: ~ 15%
Anzahl Transistoren je Chip ~ 55%
CPU Taktrate: ~ 30%
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Technologische Grundlagen (2)
• Das Gesetz von Moore (1965) besagt, dass sich die Anzahl der
Transistoren je Chip alle 18 Monate verdoppelt:
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Technologische Grundlagen (3)
[Shacham 2010]
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Technologische Grundlagen (4)
• Speicherentwicklung (DRAM-Chips)
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LITERATUR
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Literatur
• [Shacham 2010] O. Shacham et al., Rethinking Digital Design: Why
Design Must Change, IEEE Micro, Nov/Dec 2010
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