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Folien zur Vorlesung Rechnerstrukturen und Betriebssysteme, Prof. Mäder, Wintersemester 2019/2020
Art: Slides
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MIN-Fakultät Fachbereich Informatik
Andreas Mäder Universität Hamburg Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften Fachbereich Informatik Technische Aspekte Multimodaler Systeme
Wintersemester 2019/
1 Einführung 64-040 Rechnerstrukturen und Betriebssysteme
Einführung von-Neumann Konzept Exkurs: Geschichte Personal Computer Moore’s Law System on a chip Roadmap und Grenzen des Wachstums Literatur
1 Einführung 64-040 Rechnerstrukturen und Betriebssysteme
Die Wissenschaft von der systematischen Verarbeitung von Informationen, besonders der automatischen Verarbeitung mit Hilfe von Digitalrechnern ( → Computer)....
system. Verarbeitung: von-Neumann Konzept I (^) Wie löst eine Folge elementarer Befehle (Programm) ein Problem?
⇒ Softwareentwicklung, Programmierung
1 Einführung 64-040 Rechnerstrukturen und Betriebssysteme
Die Wissenschaft von der systematischen Verarbeitung von Informationen, besonders der automatischen Verarbeitung mit Hilfe von Digitalrechnern ( → Computer)....
system. Verarbeitung: von-Neumann Konzept I (^) Wie löst eine Folge elementarer Befehle (Programm) ein Problem?
⇒ Softwareentwicklung, Programmierung
Digitalrechner: das technische System dazu (Rechnerarchitektur) I (^) Wie wird Information (Zahlen, Zeichen) repräsentiert/codiert? I (^) Wie werden Befehle effizient auf der Hardware abgearbeitet?
⇒ Hardwareentwicklung
1 Einführung 64-040 Rechnerstrukturen und Betriebssysteme
unterschiedliche Paradigmen I (^) SW: Hardware ist „notwendiges Übel“ I (^) Abstraktion von der Hardware I (^) Entwicklung in Hochsprachen (Produktivität) I (^) HW: Optimierungsziel sind technische Werte = Taktfrequenz, Latenz, Durchsatz, Leistungsaufnahme etc. I (^) Maschinenbefehl wird auf Hardwarearchitektur ausgeführt I (^) technische Entwicklung: Moore’s Law
I (^) dies funktioniert seit Jahren!...
1 Einführung 64-040 Rechnerstrukturen und Betriebssysteme
unterschiedliche Paradigmen I (^) SW: Hardware ist „notwendiges Übel“ I (^) Abstraktion von der Hardware I (^) Entwicklung in Hochsprachen (Produktivität) I (^) HW: Optimierungsziel sind technische Werte = Taktfrequenz, Latenz, Durchsatz, Leistungsaufnahme etc. I (^) Maschinenbefehl wird auf Hardwarearchitektur ausgeführt I (^) technische Entwicklung: Moore’s Law
I (^) dies funktioniert seit Jahren... bis Ende 2017
Wie funktioniert ein Digitalrechner? 1 Einführung 64-040 Rechnerstrukturen und Betriebssysteme
Warum ist das überhaupt wichtig? I (^) Informatik ohne Digitalrechner undenkbar I (^) Grundverständnis der Interaktion von SW und HW I (^) für „performante“ Software I (^) Sicherheitsaspekte I (^)... I (^) Systemsicht/Variantenvielfalt von Mikroprozessorsystemen I (^) Supercomputer, Server, Workstations, PCs... I (^) Medienverarbeitung, Mobile Geräte... I (^) RFID-Tags, Wegwerfcomputer...
⇒ Informatik Basiswissen
⇒ Bewertung von Trends und Perspektiven
⇒ Chancen und Grenzen der Miniaturisierung
1 Einführung 64-040 Rechnerstrukturen und Betriebssysteme
⇒ Möglichkeiten und Anwendungsfelder
⇒ Produkte und Techniken
1 Einführung 64-040 Rechnerstrukturen und Betriebssysteme
Beispiel: Apollo 11 (1969)
I (^) bernd-leitenberger.de/computer-raumfahrt1.shtml I (^) www.hq.nasa.gov/office/pao/History/computers/Compspace.html I (^) en.wikipedia.org/wiki/Apollo_Guidance_Computer I (^) en.wikipedia.org/wiki/IBM_System/
1 Einführung 64-040 Rechnerstrukturen und Betriebssysteme
I (^) Dimension 61 × 32 × 15,0 cm 31,7 kg 20 × 20 × 17,5 cm 8,0 kg I (^) Taktfrequenz: 1,024 MHz I (^) Addition 20 — s I (^) 16-bit Worte, nur Festkomma I (^) Speicher ROM 36 KWorte 72 KByte RAM 2 KWorte 4 KByte
Zykluszeit 11,7 ms (85 Hz)
1 Einführung 64-040 Rechnerstrukturen und Betriebssysteme
I (^) je nach Ausstattung: Anzahl der „Schränke“ I (^) Taktfrequenz: bis 5 MHz I (^) 32-bit Worte, 24-bit Adressraum (16 MByte) I (^) Speicherhierarchie: bis 1 MByte Hauptspeicher (1,3 MHz Zykluszeit) I (^) (eigene) Fließkomma Formate I (^) Rechenleistung: 0,7 Dhrystone MIPS
1 Einführung 64-040 Rechnerstrukturen und Betriebssysteme
I (^) je nach Ausstattung: Anzahl der „Schränke“ I (^) Taktfrequenz: bis 5 MHz I (^) 32-bit Worte, 24-bit Adressraum (16 MByte) I (^) Speicherhierarchie: bis 1 MByte Hauptspeicher (1,3 MHz Zykluszeit) I (^) (eigene) Fließkomma Formate I (^) Rechenleistung: 0,7 Dhrystone MIPS I (^)... und 2016 CPU Cores [DMIPS] Fclk [GHz] Smartphone Exynos 8890 8 47 840 2, Desktop PC Core i7 6950X 10 317 900 3,
1.1 Einführung - von-Neumann Konzept 64-040 Rechnerstrukturen und Betriebssysteme
John von Neumann, R. J. Oppenheimer, IAS Computer Princeton www.computerhistory.org
1.1 Einführung - von-Neumann Konzept 64-040 Rechnerstrukturen und Betriebssysteme
I (^) Programm als Sequenz elementarer Anweisungen (Befehle) I (^) als Bitvektoren im Speicher codiert I (^) Interpretation (Operanden, Befehle und Adressen) ergibt sich aus dem Kontext (der Adresse) I (^) zeitsequenzielle Ausführung der Instruktionen
Ausführung eventuellerAdressänderungen und ggf. Auswertung weiterer Angabenim Befehl
eventuell Operanden ausdem Speicher holen
Umsetzen des Operationscodesin Steueranweisungen
Operation ausführen, Sprungadresse laden
Programmende? Ja
Nein
nächsten Befehl ausdem Speicher holen
Befehl in das Befehls-register bringen
dem Speicher holenersten Befehl aus
Befehlszähler um 1 erhöhen oder
Ende
Programmanfang
