Rechnerarchitekturen

Stefan Winterberger
Lernen

Stefan Winterberger
Diese Lernkarten bieten einen umfassenden Überblick über die Architektur von Computern und Netzwerken auf Universitätsniveau. Sie behandeln zentrale Themen wie RAM, Speicherhierarchien, Prozessoren, RAID-Systeme und verschiedene Adressierungsarten. Die Karteikarten sind besonders nützlich für Studierende der Informatik, die sich mit den Grundlagen und fortgeschrittenen Konzepten der Computertechnik vertraut machen möchten. Sie bieten wertvolle Einblicke in die Funktionsweise von Rechnern und deren Komponenten, was für das Verständnis moderner Computersysteme essenziell ist.
Karten
39
Lernende
3
Sprache
Deutsch
Kategorie
Informatik
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
01.11.2013 / 04.04.2017

Lernkarten

Definition Rechner (Computer)

  • Nach Regeln (Algorithmen) berechnen.
  • alle Maschinen sind höchstens Rechner.
  • Alle Computer sind gleich.
  • Alles was wir berechnen können, kann auch ein Computer machen.

Rechnerarchitektur

  • Art und Weise wie ein Rechner aufgebaut ist:
  • Physikalische Bauelemnte:
    • Transistoren, Bleche, Elektronenröhren
  • Logische Bauelemnete
    • Register, Speicher, Addierer, Prozessor, Steuerwerk, Vergleicher

Turingmaschine

  • Rechnermodell von Alan Turing 1936
  • Denkmodel, keine praktische Anwendung
  • Eignet sich zum Beweis über algorithmische Probleme
  • Endloses Speicherband
  • 3Operationen (Lesen, Schreiben, Band)

Z4 von Konrad Zuse

  • Konrad Zuse (1910-1995)
  • Erste frei Programmierbare Rechner
    • Z1, mechanische Bleche, 1938
    • Z3, erster Computer der Welt, 1941
    • Z4, aus 2200 Relais, 1945
  • 1950-1955, einzige Rechneranlage Europas, pro Befehl 1 Rp.-

Was muss ein Rechner können?

  • Befehle eines Programms der Reihe nach ausführen -> Steuerwerk.
  • Die Möglichkeit Zahlen zu Speichern: Speicher.
  • Speicherinhalt interpretieren und manipulieren (Rechnen): Rechenwerk.
  • Der Ablauf muss auf den  Inhalt des Speichers reagieren.

Kennwerte von Rechnern

  • Rechenleistung
  • Ein-/Ausgaberate
  • Antwortzeit
  • Speichergrösse
  • Leistungsverbrauch
  • Zuverlässigkeit
  • Grösse

Rechnergenerationen

  • 1, 45-54, Röhren und Relais, Assembler
  • 2, 55-66, Diskrete Transistoren, Hochsprachen
  • 3, 67-74, Mikroprogrammierung, Multiuser
  • 4, 75-90, Vektorprozessoren, Compiler
  • 5. 91-    , skalierbare Architekur, Parallele Systeme

Erfolgsfaktoren des Computers

  • Rasante techn. Entwicklung
  • Zusammenwachsen von Technologien
  • Hochsprachen
  • Standardisierung
  • GUI's

Moore's Gesetz

Besagt, dass pro Jahr etwa 60% mehr Transistoren auf einen Chip gebracht werden können.

Mikroprozessoren

Alle Grundfunktionen auf einem Chip vereinigt

Spezialprozessoren

  • Mikrocontroller
    • Embedded Systemes
    • System on a Chip (SoC)
    • Prozessor + Speicher + I/O
  • Digitaler Signalprozessor DSP
    • für Digitale Signale (Audio Video)
  • Graphics Processing Unit GPU
  • Mahematische Koprozesooren (Floatingpoint)
  • Kryptoprozessoren

Einteilung der Rechner

  • Klassisch
    • Supercomputer, Mainframes, Minicomputer, Mikroprozessoren
  • Nach Leistung
    • Supercomputer, Workstation, PC, Netbook, Smartphone
  • Nach Standort
    • Server, PC, Notebook, Tablet

Klassifikation nach Flynn 1972

  • SISD
    • Einprzessorrechner (von Neumann/Harvard)
  • MISD
    • Redundante Systeme, parlleles berechnen
  • SIMD
    • Vektorrechner
  • MIMD
    • Mehrkernprozessor, Multiprozessor

Computertrends

  • ubiquitos computing
    • unsichtbare Geräte
  • wearable computing
    • Kleidung etc.

Multicore vs. Multiprozessor vs. Multicomputer

  • Multicore
    • Mehrere Prozessoren in einem Chip
  • Multiprozessor
    • Mehrere Prozessoren in einem PC
  • Multicomputer
    • Verteilte Systeme

Speicherzelle (Memory-Cell)

  • Arbeitsspeicher:
    • mehrere Speicherzellen
    • jede hat eine Adresse (ein Zahl)
    • jede hat einen Inhalt (bitmuster typisch 8bit)
  • Im Prozessor CPU
    • Zelle für ein Datenwort: Register
    • mehrere Register: Registersatz

Cache-Speicher

  • kleiner, schneller Zwischenspeicher
  • Kopie von Daten im Hauptspeicher
  • logisch zwischen CPU und hauptspeicher
  • physikalisch in der CPU
  • meist mehrere Stufen

Speicherhierarchie

  • 0.2-1ns, Register, SRAM, <kByte
  • 2ns, Cache, SRAM, 0.5-8 MByte
  • 5-10ns, Arbeitsspeicher, DRAM, 1-8 GByte
  • 10ms, Dateisystem, Festplatte, 60GB- 3TB
  • 1-110s, Archiv, Magnetband, 240GB-5TB

von Neumann-Maschine

  • John vin Neumann 1945
  • 4 Komponente: Rechenwerk, Steuerwerk, Speicher, I/O
  • CPU = Rechenwerk + Steuerwerk
  • Gemeinsamer Speicher für Befehle und Daten

Dezimal in Binär

Immer wieder durch 2 rechenen. Wenns einen Rest gibt eine 1 setzen und ohne Rest eine Null. Binär Zahl von hinten anfangen.

Binär in Deziaml

Bsp. 101110110111

Binär zahl von Links beginnen von Unten  nach oben.

 

 

eine 1 -> +2 *2 (von vorher) = 5

eine 0 -> +2 * 1 (von vorher) = 2

erste stelle 1  = 1

 

 

 

 

 

Negative Bin zahlen

  • Bin 00001010
  • Vorzeichen 10001010 (erste 1 ist Vorzeichen)
  • 1er-Komplement 11110101 (alles negieren)
  • 2er-Komplement 11110110 (negieren und +1)
  • Excess 127 01110101 (negative werte +127)

Bin Floatingpoint Standard 754

  • erstes Bit Vorzeichen >0=0, dann 8bit Exponent, dann 23bit Mantisse
  1. Bin-Zahl in wissenschaftliche Darstellung bsp. 1.10110000 e8 (ohne erste 1 = mantisse)
  2. Exponent (also 8) +127 rechnen = 8bits exponent
  • Bei Double Precission 11bit Exponent + 52 Mantisse -> Exponent plus 1023 rechnen

Harvard-Maschine

  • Separate Speicher für Daten und Befehle
  • und separate buse zu den speichern
  • gleichzeitiges laden/speichern von Daten und befehlen
  • Datenwort und Befehlswortbreite unabhängig

Rechenleistung

  • Aus Finanziellen Gründen
  • Benchmarkprogramme:
    • SPEC, Whetstone(FloatingPoint), Dhrystone(Int), Geekbench, 3DMark
  • Einheiten:
    • MIPS (veraltet)
    • FLOPS

Multilevel Machines

  • Level 5: Problemorientierte Sprachen
    • Compiler
  • Level 4: Assembly Language Level
    • Assembler
  • Level 3: OS Level
    • Partial Interpretation
  • Level 2: Instruction Set, Architecture Level
    • Interpretation (Microporgram)
  • Level 1: Microarchitecture Level
    • Hardware
  • Level 0: Digitale Logik

Stack

  • Ausführung von Unterprogrammen
  • Parameterübergabe
  • Zwischenspeicher
  • Resultatrückgabe
  • Interrupt-Behandlung

Maschinenbefehle

  • Basisinfos:
    • Operation (was)
    • Länge der Operanden
    • Adressierungsart der Operanden
  • Zusatzinfos
    • Adressen der Operanden
    • Registerbez.
    • Operanden
  • 1Adress Befehle
    • Operation. 2. Quellenadresse
  • 2Adress Befehle
    • Operation, 1 und 2 Quellenadresse
  • 3Adress Befehle
    • Op, 1 und 2 Quellen + Ziwladresse

Adressierungsarten

  • Effektive Adresse der Operanden
  • Registernummer der Operanden
  • Wert der Operanden
  • Registerindirekte Adressierung
  • Indizierte Registerindirekte Adressierung

Leitwerk/Steuerwerk

  • Steuert den ABlauf der Befehlsabarbeitung
  • ProgrammCounter (Zeigt auf nächste Instruktion)
  • Stackpointer (zeigt auf aktuelle Stackadresse)
  • Adressregister

Realisierung ür das Leitwerk

  • Festverdrshtet
    • Einfacher Befehlsssatz (RISC)
  • Mikroprogrammierbar
    • Komplexer Befehlssatz (CISC)

Mikrocode

  • Steuert die Ausführung eines Maschinenbefehls
  • Ein Steuerwerk hat mehrere Mikroprogramme
  • Ein Mikroprogramm beszeht aus einer Liste von Steuersignalen

Semantische Lücke

Kluft zwischen natürlicher und der Maschinensprache

Chipsätze

  • Northbridge (Memory Controller Hub MCH)
    • CPU, Prozessor, Graphik, Southbridge
  • Southbridge (I/O Conroller Hub, ICH)
    • PCI, IDE, USB, VGA, Interruptcontroller, Northbridge

RAM-Speicher

  • Statisches RAM (SRAM)
    • 6 Transistoren pro Zelle
    • Chache und Register im microP
    • Schnell
    • kleine Kapazität pro Chip
  • Dynamisches Ram (DRAM)
    • 1 transistor pro Zelle
    • langsamer aber billiger
    • muss alle 32/64 ms aufgefrischt werden
  • Pseudo-statisches RAM (PSRAM)
    • DRAM mit eigener Auffrischung
    • auch 1T-SRAM

Speicher-Busse / Module

  • RAM-Busse
    • SD RAM, synchrones DRAM
    • DDR RAM, double data rate
    • DDR II RAM, 4-fach fetch
    • DDR III RAM, 8-fach fetch
    • XDR DRAM, xtrem data rate
  • Bauformen
    • SIMM, Single Inline Memory Modul
    • DIMM, Double...
    • SO-DIMM, Smaöö Outline...

Busse

  • ISA (Industry Standart Architecture)
    • Intern und Extern
    • Wurde abgelöst von PCI und PCIe
  • Parallele Festpalttenanschlüsse
    • IDE/ATA, IBM, max 2 Devices
    • EIDE, max. 4 Devices, 40MB(s
    • SCSI, 7Devices, 320MB/s
  • PCI(e)
    • PCIe 2.0 (3.0) im kommen
    • Plug'n'Play
    • Master-Slave ab 2.1 auch 64bit 132MB/s, (3.0 bis 984 MB/s
  • Serielle Festplattenanschlüsse
    • USB
      • 1.0, 12Mbit/s
      • 2.0 480Mbit/s
      • 3.0 5Gbit/s
    • Firewire (veraltet), 800Mbit/s
    • S-ATA, 1500 Mbit/s
    •  

RAID (Redundant Array of Independent Disks)

  • RAID 0
    • Keine Redundanz, beschleunigung
  • RAID 1
    • exakte Spiegelung
  • RAID 2
    • aufgetileter Bitcode, selten benutzt
  • RAID 3
    • mit Prüfsumme auf separater Platte
  • RAID 4
    • aufgeteilte Blöcke mit Prüfcode
  • RAID 5
    • aufgeteilte Blöcke mit verteiltem Prüfcode
  • RAID 6
    • aufgeteilte Blöcke mit doppeltem Prüfcode
      •  

Touchscreens

  • Resistiv
    • Zwei Leiterschichten
    • köstengünstig
    • vorteil bei kälte
    • kann nicht mit glas geschützt werden
  • Kapazitiv
    • Finger verändert elektrisches Feld
    • mehrere berührungen möglich
    • teuer
    • lassen sich bsp. durch glas schützen

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