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Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
6. Rechnerarchitektur
Aufbau von Digitalrechnern
Von-Neumann-Rechnerarchitektur- Komponenten- Prinzipien
Speicher- Begriffe- Speicherhierarchie- Entwicklungstrends
Betriebssystem- Betriebssystem und Prozesse- Unix (Dateisystem, Shell-Benutzung)
Alternative Rechnerarchitekturen
Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
A u f b a u e i n e s D i g i t a l r e c h n e r s
D i g i t a l r e c h n e r ( C o m p u t e r )u n i v e r s e l l e s i n f o r m a t i o n s v e r a r b e i t e n d e s S y s t e m , w e l c h e sF o l g e n v o n O p e r a t i o n e n ( a r i t h m e t i s c h e , l o g i s c h e , u . a . )d u r c h v o r z u g e b e n d e P r o g r a m m e g e s t e u e r t , s e l b s t t ä t i g( a u t o m a t i s c h ) a u s f ü h r e n k a n n .D i e U n i v e r s a l i t ä t b e s t e h t d a r i n , d a ß i m R a h m e n d e r v o mR e c h n e r a u s f ü h r b a r e n O p e r a t i o n e n b e l i e b i g e A l g o r i t h m e n( V e r f a h r e n ) i n e n t s p r e c h e n d e P r o g r a m m e t r a n s f o r m i e r t( ü b e r s e t z t ) w e r d e n k ö n n e n .E s w e r d e n a u s s c h l i e ß l i c h d i g i t a l e D a t e n - i nD u a l d a r s t e l l u n g - v e r a r b e i t e t .
A b l a u f u m g e b u n g
Ein- undAusgabe-geräte
Rechner
Hardware
Anwendungs-programme
System-programme
Software
SW/HW-Schnittstellen
HW-Schnittstellen
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Von-Neumann-Prinzipien
1. Der Rechner besteht aus fünf Funktionseinheiten(Steuerwerk, Rechenwerk, Speicher, Eingabewerk,Ausgabewerk).
2. Die Struktur des Von-Neumann-Rechners ist unabhängigvon den zu bearbeitenden Problemen.
3. Programme, Daten, Zwischen- und Endergebnisse werdenin demselben Speicher abgelegt.
4. Der Speicher ist in gleichgroße Zellen unterteilt, diefortlaufend durchnummeriert sind (Adressen).
5. Aufeinanderfolgende Befehle eines Programms werden inaufeinanderfolgenden Speicherzellen abgelegt.
6. Durch Sprungbefehle kann von der Bearbeitung der Befehlein der gespeicherten Reihenfolge abgewichen werden.
7. Es gibt zumindest- arithmetische Befehle- logische Befehle- Transportbefehle- sonstige Befehle wie Schieben, Unterbrechen, Warten
usw.
8. Alle Daten (Befehle, Adressen usw) werden binär codiert.
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V o n - N e u m a n n - R e c h n e r
Z e n t r a l e i n h e i t = C P U ( C e n t r a l P r o c e s s i n g U n i t )
S t e u e r w e r k ( L e i t w e r k ) : L a d e n , D e k o d i e r u n g u n d I n t e r p r e t a t i o n v o nB e f e h l e n s o w i e S t e u e r u n g d e r a n d e r A u s f ü h r u n g b e t e i l i g t e nK o m p o n e n t e n
R e c h e n w e r k ( A L U , A r i t h m e t i c L o g i c a l U n i t ) : A u s f ü h r u n g v o na r i t h m e t i s c h e n u n d l o g i s c h e n O p e r a t i o n e n ( V e r k n ü p f u n g v o nO p e r a n d e n )
Steuerwerk
Zentraleinheit (Prozessor)Speicher
Rechenwerk
Input/Output
Eingabe-geräte
Dialog- Ausgabe- Proz. Speichergerätegeräteexterner
Peripherie
Rechner
Daten
Programm
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Datenbus
Adreßbus
KontrollbusRechen-
werk
Steuer-
einheit
Speicher E/A-
Einheit
CPUArbeits-
speicher
Adressen
Daten
Operationsbefehle
Ein potentioneller Engpaß - Kommunikation zwischen CPU und Arbeitsspeicher:
Busstruktur
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Rechenwerk.
.
.
Register
Register
Kontroll- und
Steuerschaltungen
AkkumulatorAddierwerk und Komple-mentierer
ALU
Aufbau des Rechenwerks
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Arithmetisch-Logische Einheit
ALU
X-Register Y-Register
Z-Register Flag-Register
Mode
Function-select
MS1
S0C1
Z1 Z0Z2Z3
C2C3C4
Y2 Y1 Y0Y3 X2 X1 X0X3C0
1-Bit ALU
1-Bit ALU
1-Bit ALU
1-Bit ALU
Overflow
4-Bit-ALU
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P1: Phase 1
P2: Phase 2
P3: Phase 3
Taktgeber
. . .
R0
R1
R7
3
3
3
1
1
1
1
1
1
Z-Bus Mehrzweck-register
X-Bus Y-Bus
ALU
X-Register Y-Register
Z-Register
Rechnerkern: ALU + Register + Busse
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Vom Mikroprogramm zum Assemblercode
• Der Mikrocode: Beschreibt Ablauf der Operationen im Rechnerkern (Stellung der Schalter, Steuerleitungen). Dieser wird von der Mikroprogrammeinheit des Steuerwerkes generiert.
• Das Mikroprogramm zur Ausführung der Befehle im ROM des Steuerwerkes gespeichert.
• Maschinencode: Nächsthöhere Ebene der Programmierung. Befehle und Adressen können direkt angesprochen werden. Jeder Befehl durch eine Zahl, seinen OpCode, repräsentiert.
• Assemblercode: Besser lesbare Form der Maschinensprache. Befehle durch Worte benannt.
• Befehle des Assemblercodes in aufeinanderfolgenden Zellen des RAM gespeichert. Änderung in der Reihenfolge der Abarbeitung durch Sprungbefehle.
• Einige Register der CPU erfüllen spezielle Funktionen (Akkumulator, Befehlszähler) und sind direkt ansprechbar.
• Demonstration am „Ein-Adreß-Rechner“.
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Speicher I
• Daten und Programme im Speicher des Computers bereitgehalten.
• Programmbefehle im Hauptspeicher in aufeinanderfolgenden Speicherzellen abgelegt.
• Jedes Datum ist ein Speicherwort der Länge n Bits.
• Jedes Wort belegt eine durch eine Adresse ansprechbare Speicherstelle im Speicher.
• Aufbau eines Speicherwortes für einen Befehl:Operationsteil Adreßteil
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Speicher II
ausschließlich als Binärspeicher realisiert- kleinste Speichereinheit: 1 Bit- 1 Byte (B) = 8 Bit (erlaubt i.a. Speicherung von 1 Zeichen)- 1 Kilo-Byte (KB) = 210 B = 1024 B, 1 Mega-Byte (MB) = 220 B- 1 Giga-Byte (GB) = 230 B; 1 Tera-Byte (TB) = 240 B
Speicherzelle (Adressierungseinheit) meist 1 B;mehrere Zellen können zu einem Speicherwort (Zugriffsein-heit) zusammengefaßt werden
Unterschiedliche Speichertypen- Hauptspeicher (Arbeits- bzw. Primärspeicher) vs. Hintergrundspeicher (Extern-bzw. Sekundärspeicher)- Halbleiter-, Magnet-, optische Speicher- flüchtige vs. nicht-flüchtige Speicher- direkte (wahlfreier) vs. sequentielle, lesende vs. schreibende Zugriffsmöglichkeit
RAM = Random Access Memory
ROM = Read Only Memory
Gegensätzliche Eigenschaften hinichtlich Zugriffszeit,Kapazität und Kosten=> Nutzung von Speicherhierarchien
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Der Zugang zum Hauptspeicher
MODE
Adreß-register
Datenregister
Speicher
Blockschaltbild für den Speicher
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DECODER
01
S
W
S
W
S
W
S
W
WRead
Write
Mode
MAR
Speicher
MDR
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S p e i c h e r h i e r a r c h i e R e k u r s i v e s P r i n z i p
K l e i n e r e , s c h n e l l e r e u n d t e u r e r e C a c h e - S p e i c h e r w e r d e n b e n u t z t ,u m D a t e n z w i s c h e n z u s p e i c h e r n , d i e s i c h i n g r ö ß e r e n , l a n g s a m e r e nu n d b i l l i g e r e n S p e i c h e r n b e f i n d e n
P r e i s - L e i s t u n g s - T r a d e o f f ( S t a n d 1 9 9 2 )S c h n e l l e r S p e i c h e r i s t t e u e r u n d d e s h a l b k l e i n ;S p e i c h e r h o h e r K a p a z i t ä t i s t t y p i s c h e r w e i s e l a n g s a m e r
CacheCache
Main Memory
Online External Storage
Near-line (Archive) Storage
Offline
Memory Capacity
Registers
Electronic Storage
Block AddressedNonvolatile Electronic orMagnetic
Tape or DiskRobots
Processor
Current Data
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E n tw ic k lu n g s tr e n d s : E le k tr o n is c h e S p e ic h e r
D ie S p e ic h e rk a p a z itä t p ro C h ip e rh ö h te s ic h u m d e n F a k to r 4 a lle 3 J a h re .M o o r e ’s L a w :M e m o ry C h ip C a p a c ity ( y e a r) = K b /c h ip fo r y e a r in [1 9 7 0 ...2 0 0 0 ]
4yea r 1970–( )
3----------------------------------
dyn. Speicher Mikroprozessoren
Jahr Größe Mrd.Bits Größe Mio.Tr. Taktfr. Verdr.eb. I/O [mm2] per Chip [mm2] per cm2 [MHz] p.Chip
1995 190 0.064 250 4 300 4-5 900
1998 280 0.256 300 7 450 5 1350
2001 420 1 360 13 600 5-6 2000
2004 640 4 430 25 800 6 2600
2007 960 16 520 50 1000 6-7 3600
2010 1400 64 620 90 1100 7-8 4800
Entwicklung für Speicher und Prozessoren
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E n tw ic k lu n g s tr e n d s : P r o z e s s o r e n
D ie M ip s -R a te n v o n P ro z e s s o re n s t i e g e n z w is c h e n 1 9 6 5 u n d 1 9 9 0 v o n e tw a 0 .6M ip s a u f 4 0 M ip s ( S k a la r le is tu n g ) , w a s e in e m F a k to r v o n 7 0 e n ts p r ic h t . D ieL e i s tu n g s fä h ig k e i t v o n M ik ro p ro z e s s o re n ( E in - C h ip - P ro z e s s o r e n ) e rh ö h te s ic h s e i t1 9 8 0 w e s e n t l ic h s tä rk e r ; s ie v e rd o p p e l te s ic h u n g e fä h r a l l e 1 8 M o n a te .
R e l a tiv e L e is tu n g sf ä h i g k e i t
1 00 0
1 00
10
19 6 5 1 97 0 1 97 5 1 9 80 1 98 5 1 99 0
M ik ro p roze ssor e nM in ire chn e r
Ma in f ra m e s
Sup e rc om p u te r
$ / M I P S1,00 0 ,00 0
10 0
19 8 1 19 85 1 98 9 1 99 3
Mik ro pr o zes so r en
M in ire c hn e r
M ain f ram e s10 0 ,0 00
10 ,0 00
1,00 0
$ 41 9, 00 0
$ 16 8, 00 0
$ 15 ,0 00
$ 14 0
$6 ,0 00
$5 4, 00 0
1 9 83 1 9 9119 87
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Chipgröße und Transistorzahl12 mm2 --> 350 mm2 * 29 14 % pro Jahr2.300 --> 15 Millionen * 6.500 42 % pro Jahr
Taktfrequenz750 kHz --> 500MHz * 670 30 % pro Jahr
Taktzyklen pro Instruktion8 --> 0.25 / 32 15 % pro Jahr
MIPS0,1 --> 2.000 20.000 49% pro Jahr
25 Jahre Mikroprozessoren
Treibende Kraft der Mikroelektronik
Kosten senken bei gleichzeitiger Erhöhung der Rechenleistung und Zuverlässigkeit Im einzelnen:
höhere Schaltkreisdichten höhere Modulpackungsdichten mehr Verbindungen zwischen Chips weniger Chips, weniger Module, weniger Kabelverbindungen/Stecker weniger Kosten für Kühlung und Stromversorgung
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Preisverfall durch Technologieentwicklung
Kosten reduzieren sich im Mittel um 43% pro Jahr
$
0,1
1
10
100
1000
10000
1000001 MB Hauptsp.1 MB Festpl.1 MIPS (Chip)
72 74 78 82 86 90 94 98
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Aufgaben eines Betriebssystems
Das Betriebssystem eines Rechners ist die zusammenfassendeBezeichnung für alle Programme, die
- die Ausführung der Benutzerprogramme und- die Verteilung der Betriebsmittel auf die einzelnen Benutzer-
programmesteuern und überwachen.
Das Betriebssystem erlaubt dem Anwendungsprogrammierer,von der Rechner-Hardware zu abstrahieren (z.B. bei derSpeicherabbildung oder beim Externspeicherzugriff).Es stellt jedem Benutzer eine virtuelle Maschine (Prozeß) fürdie Ausführung seines Programms zur Verfügung
Wichtige Funktionen des Betriebssystems- Ein-/Ausgabe- Daten- und Programmverwaltung- Programmausführung- Bereitstellung von Dienstleistungsprogrammen wie
Übersetzer, Texteditoren usw.- Koordination der zeitlich verzahnten (überlappten)
Ausführung der Programme verschiedener Benutzer- Durchführung und Überwachung von Schutzmaßnahmen
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Bekannte Betriebssysteme
Betriebssystem Computer
MS-DOS PC
MS-DOS mit MS Windows3.x
PC
OS/2 PC
Windows 95 und 98 PC
Windows NT PC und Workstation
MVS,VM/SP Mainframes
UNIX Workstations
LINUX PC
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Grundsoftware. ROM-BIOS.
Jeder Rechner benötigt eine Grundausstattung an Software. Diese wird teilweise in Festwertspeichern (ROM) gehalten und beim Start oder Reset des Rechners aktiviert.
Aufgaben:
•Testen und Initialisieren der Hardware.
•Elementare Ein- und Ausgabeoperationen.
•Laden ausführbarer Programme und deren Start.
•Starten des Betriebssystems.
Diese Software heißt ROM-BIOS. (read only memory - basic input output system)
(bei IBM-kompatiblen PCs)
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Betriebsmittel (engl. ressources) sind alle Hard- und Softwarekomponenten, die zur Ausführung eines Programmes gebraucht werden. Dazu zählen also
•Hardwarekomponenten wie Prozessor, Speicher und E/A Geräte.
•Softwareobjekte wie Programmvariable, Befehle, Daten und Dateien.
Betriebsmittel unterteilt in •Reale BM: Die wirklich vorhandenen Hard- und Softwareobjekte.
•Virtuelle BM: Vom Betriebssystem simulierte BM mit scheinbar den gleichen Eigenschaften wie die realen BM. Anzahl unbegrenzt. Beispiel virtueller Bildschirm.
•Logische BM: Abstraktion von den technischen oder physikalischen Eigenschaften der realen BM. Beispiel Datei, von der nur der logische Aufbau wie Zugriffsart, Satzformat und Blockgröße interessiert, nicht aber ihre physikalische Speicherung z.B. auf der Festplatte.
Betriebsmittel
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R e c h n e r m o d e l l - A b l a u f
V e r e i n f a c h t e S i c h t : E i n b e n u t z e r b e t r i e b
V e r e i n f a c h t e S i c h t : M e h r b e n u t z e r b e t r i e b
W i c h t i g e P r o z e ß - E i g e n s c h a f t e n : E i n h e i t d e sS c h u t z e s ( I s o l a t i o n ) , d e s S c h e d u l i n g ( Z e i t s c h e i b e n v e r g a b e )u n d d e r B e t r i e b s m i t t e l v e r g a b e ( D a t e i e n , S p e i c h e r u s w . )
Anwendungs-programm
(AP)
Betriebs-system (BS)
Extern-speicher
Ablaufumgebung von AP: Prozeß
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UNIX-Dateisystem (1)
Haupteigenschaften Hierarchische Struktur des Dateisystems: Kataloge und Dateien
Gleichförmige Behandlung aller Daten in verschiedenen Dateien
Dynamische Erzeugung und Löschung von Dateien
Schrittweises Wachstum von Dateien (nach Bedarf)
Dateibezogener Schutz der Daten
Behandlung von Peripheriegeräten (wie Terminals oderBandgeräte) als Dateien
Aufbau Baumartige Struktur mit einem Wurzelknoten ( / ) (root)
Jeder Nicht-Blattknoten (non-leaf) ist ein Katalog von Dateien (directory)
Blattknoten sind entweder Kataloge, normale Dateien oder spezielle Gerätedateien
Der eindeutige Pfad innerhalb des Dateibaumes zu einer bestimmten Datei bildet ihren eindeutigen Namen (Pfadnamen).
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U N I X - D a t e i s y s t e m ( 2 )
B e i s p i e l e i n e s h i e r a r c h i s c h s t r u k t u r i e r t e n K a t a l o g s( D a t e i b a u m )
A u s w a h l / A d r e s s i e r u n g d u r c h P f a d n a m e n- a b s o l u t e A d r e s s i e r u n g
/ e t c / p a s s w d/ u s r / r a h m / p r o g r a m m e / m o d u l a / p r o g 2
- r e l a t i v e A d r e s s i e r u n g b e g i n n t b e i m a k t u e l l e n K a t a l o g ( W o r k i n g D i r e c t o r y / u s r / r a h m )
p r o g r a m m e / m o d u l a / p r o g 2e m a i lp r o g r a m m e / p r o g 1
bin etc devusr
/
passwd abel rahm
email programme skript
modula prog1
prog1 prog2
. . . . . .
. . .
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UNIX-Dateisystem (3)
Umgang mit Katalogen
mkdir directory1 Erzeugen des angegebenen Katalogs directory1
cd [directory1] Ändern des aktuellen Katalogs; directory1 wird derneueaktuelle Katalog. Das Kommando cd (ohneNamensangabe) stellt den Katalog ein, der beiBeginn der Sitzung aktuell war (Home Directory)
pwd Ausgabe des Namens des aktuellen Katalogs(Working Directory)
rmdir directory1 Löschen von Katalog directory1, wenn er keineDateien mehr enthält.
Option: -r
(Rekursiv-Modus) löscht zuerst alle Dateien/Kataloge des Katalogsund dann den Katalog selbst
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Umgang mit Dateien
ls dateinamen Auflisten der angegebenen Dateinamen
Optionen: -t, -l, -u, ... nach Uhrzeit, langes Format, nach letztemZugriff, ...
cp datei1 datei2 Kopieren der datei1 nach datei2; falls vorhanden,wird datei2 überschrieben
mv datei1 datei2 Verlagern (Umbenennen) von datei1 nach datei2;falls vorhanden, wird datei2 ersetzt
rm dateinamen Löschen der angegebenen dateinamen
cat dateinamen Ausgeben der angegebenen dateinamen
vi datei1 Editieren der Datei datei1
sort datei1 Datei1 zeilenweise alphabetisch sortieren
diff datei1 datei2 Ausgabe aller Unterschiede
wc datei1 Zählen der Zeilen, Worte und Zeichen von datei1
man kommandoname Ausgabe einer Beschreibung dieses Kommandos
Bemerkung:
dateinamen Name einer Datei oder eine Liste vonDateinamen; "*" dient als "Wild Card"
more dateinamen Vergleiche cat, mit Funktionen zum Blättern
pr dateinamen Formatierte Ausgabe der angegebenenDateinamen
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Architekturtypen
1. SISD (single instruction - single data)
von-Neumann-Rechner:-ein-Prozessor-System (Steuer- und Rechenwerk)-eine Befehls- und eine Operandenfolge mit streng sequentieller Abarbeitung
2. SIMD (single instruction - multiple data)
spezielle Prozessorteile sind mehrfach vorhanden,z.B. mehrere ALUsBspe.: Pipeline-, Feld- und Vektorrechner
3. MIMD (multiple instruction - multiple data)
vollständige Prozessoren sind mehrfach vorhanden:-Multiprozessorsysteme
mehrere autonome Rechner sind miteinander verbunden:-verteilte Systeme