Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
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Daten Programm Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
Busstruktur q Ein potentioneller Engpaß - Kommunikation zwischen Datenbus Kontrollbus Rechen- werk Steuer- einheit Speicher E/A- Einheit Adreßbus q Ein potentioneller Engpaß - Kommunikation zwischen CPU und Arbeitsspeicher: CPU Arbeits- speicher Adressen Daten Operationsbefehle Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
Aufbau des Rechenwerks . Register Kontroll- und Steuerschaltungen Akkumulator Addierwerk und Komple-mentierer ALU Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
Arithmetisch-Logische Einheit X-Register Y-Register Mode ALU Function-select Z-Register Flag-Register 4-Bit-ALU Y3 X3 Y2 X2 Y1 X1 Y0 X0 C0 M 1-Bit ALU 1-Bit ALU 1-Bit ALU 1-Bit ALU S1 Overflow C4 C3 C2 C1 S0 Z3 Z2 Z1 Z0 Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
Rechnerkern: ALU + Register + Busse Taktgeber P1: Phase 1 P2: Phase 2 P3: Phase 3 Rechnerkern: ALU + Register + Busse Z-Bus Mehrzweck-register X-Bus Y-Bus 1 3 R0 1 1 3 R1 1 . . . 1 3 R7 1 X-Register Y-Register ALU Z-Register Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
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“. Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
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: Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
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Der Zugang zum Hauptspeicher Datenregister Adreß-register Speicher MODE Blockschaltbild für den Speicher Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
Speicher MDR Mode DECODER 01 MAR Read W Write S W S W S W S W Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
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Entwicklung für Speicher und Prozessoren 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 Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
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25 Jahre Mikroprozessoren Chipgröße und Transistorzahl 12 mm2 --> 350 mm2 * 29 14 % pro Jahr 2.300 --> 15 Millionen * 6.500 42 % pro Jahr Taktfrequenz 750 kHz --> 500MHz * 670 30 % pro Jahr Taktzyklen pro Instruktion 8 --> 0.25 / 32 15 % pro Jahr MIPS 0,1 --> 2.000 20.000 49% pro Jahr 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 Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
Preisverfall durch Technologieentwicklung Kosten reduzieren sich im Mittel um 43% pro Jahr $ 72 74 78 82 86 90 94 98 Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
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Bekannte Betriebssysteme Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
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) Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
Betriebsmittel unterteilt in 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. Digitale Informationsverarbeitung Institut für Informatik
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