Computer and Network Architecture

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

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

• 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.-

• 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.

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

• 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

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

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

Alle Grundfunktionen auf einem Chip vereinigt

• 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

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

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

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

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

• 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

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

• 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

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

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

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

• 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)

• 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

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

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

• 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

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

• 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

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

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

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

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

Kluft zwischen natürlicher und der Maschinensprache

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

• 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

• 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...

• 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 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
    •  

• 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