Computersysteme 1

Alle Bits kippen und 1 Bit addieren.

0001 + 1111 = 10000

• konkrete Hardware
• in heutige CPUs
• Funktion
  • binär addieren
  • logisches nicht
  • logisches und/oder
• Wir betrachten 1 Bit Operatoren

Analog

• unbegrenzt genau
• ungenauigkeiten schlecht zu entdecken

Digital

• endliche möglichkeiten
  • einfacher zu erfassen
  • vollständige erfassung möglich
• fehler bei kodierung erkenn und behebbar

Grafik

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• für jede unserer aussagenlogischen Formeln existiert eine schaltung oder umgekehrt
• schaltung hat ein layout
• qualität der aussage nicht klar messbar
• schaltungsqualität hat praktische kriterien

• Wieviel Zeit vergeht bis Ergebnis vorliegt
• mehr Gatter nacheinader = langsamer
• mehr gatter insgesamt = teurer

• Signal abzweigen
• Alle Optionen parallel durchlaufen
• Anschließend aus beiden Ergebnissen, gewünschtes auswählen

• Auswahl über Steuerleitungen
• Eine solche Einheit heißt Multiplexer
• so = 0 wählt a = eo, so = 1 wählt a = e1

Grafik

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Wie löst man eune Addition aus?

• theoretisches Beispiel
• 0111 00010111 00110001
• Steuerung signalisieren "addiere" : 01101
• Zwei Zahlen 00010111 + 00110001

• setzen über Signal S, löschen über R
• anschließend S und R auf 0
• Q bleibt gespeichert

• Flipflop speichert 1 Bit
• Computer speichert Milliarden von Zahlen
• Addierter muss auf die Zahl zugreifen
• Alle Flipflops mit Addierer verkabeln?
• Wennige Zahlen direkt verkabeln: Register
• Hauptspeicher langsamer + billiger anbinden

• feste Bitlänger zb 32 Bit oder 64 Bit
• Direkt mit den Recheneinheiten verbunden
• Maximale Geschwindigkeit biem Lesen und Schreiben < 1 Nanosekunde
• Spezielle Register
  • program counter, stack pinter, status

• Spezielles Register - kein direktes Schreiben
• enthält Position der als nächstes auszuführende Befehls
• Wird nach Befehlsabarbeitung automatisch auf darauffolgenden Befehl gesetzt
• Heißt je nach System auch Instruction Pointer

• Jeder Bit hat eine eigene Bedeutung
• Nach Befehlsausführung ablesbar
• Typische Informationen
  • Zero - Ergebnis war 0
  • Sign - Vorzeichenbit (höchstes) gesetzt
  • Carry - ÜBerlauf aufgetreten (vorzeichenlos)
    • carry oit des höchsten Bits
  • Overflow - Überlauf (Vorzeichen)
    • Höchstes Bit: carry in xor carry out

• Random Access Memory
• Flüchtig - inhalt verschwindet ohen Strom
• Zugriffzeiten:
  • 50 - 100 Nanosekunden
  • Register < 1 Nanosekunde

• SRAM (static)
  • Flip-Flops
  • schnell, teuer
• DRAM (dynamic)
  • Kondensator + ständiges Auffrischen
  • weniger Bautele pro Bit = billiger
• SDRAM (synchronous dynamic)
  • DDR-SDRAM (double data rate synchronous dynamic random access memory)

grafik

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• idealisiert: linear mit adressen 0,1,2 ... n
• konret: caches, paging, virtueler speicher

• Pseudo-Code: ADD [7], 5
  • addiert 5 zu der Zahl an Adresse 7
• An Adresse 7 steht -3
• - 5 +5 = 2
• Ergebnis 2 an Adresse 7 schreiben

• Pseudo-Code: Add [REgister 1], 5
  • addiere 5 zu der Zahl an der Adresse die in REgister 1 steht
• Hat Register 1 den Wert 7, dann wie eben
• Je nach Architektur dürfen nur spezielle Adressregister verwendet werden

• Sehr weiter Begriff
• Ziel: Zugriff auf langsame Medien beschleunigen
• Idee: Daten im Voraus lesen oder gelesene bereithalten für weitere Nutzung
• Beim Zugriff auf ADresse erst im Cahce nachsehen ggf. Daten dort ablegen

• Cache logischerweise kleiner als Hauptspeicher
• Cachezeile besteht aus Daten (mehrere Bysten), Orginaladresse und Flags
• Zuordung Addresse > Zeile

• Lesen von ADresse X
  • Adresse x im Cache eingetragen?
  • Ja / Nein
• Schreiben an Adresse X
  • Zu Adresse x passende Zeile im Cache suchen
  • Daten dort eitragen

• Zuordnung ADresse > Zeile eindeutig
• Hash-Funktion wandelt ADressen in Cachen Zeilen Nummer um
  • gültige Zeile
  • mathematisch und technis am einfachsten Adresse modulo Anzahl Zeilen
• Direkt abgebildet (direct mapped), da jede Adresse auf genau eine Zeile abgebildet wird
  • ABER: nicht jede Zeile hat genau eine Adresse

• Vollassoziativ
  • jede Adresse kan in jeder Cache Zeile stehen
• Satzassoziativ
  • zu jeder Adresse passt eine feste Anzahl von Zeilen
  • ist eine dieser Zeilen frei, so wird sie verwendet
• Assoziativität = Anzahl Zeilen pro Satz

• z Zeilen mit je b Bytes
• Adresse > Zeile [Adresse / b] modulo z
• In der Zeile
  • Adresse eingetragen als b [Adresse / b]
    • kleine durch b teilbare Adresse > Basisadresse der Zeile
  • Daten an Position: Adresse - b * [Adresse / b]
    • Differenz aus echter Adresse und Basisadresse

• Write Through
  • Daten sofort durchschreiben
  • warten bis langsames schreiben fertig ist
• Write Back
  • daten später zurückschreiben

• Befehle für CPU sind 0/1 Folgen
• Nicht einfach lesbar für Menschen
• Prozessorabhängig

• CISC
  • Complex Instruction Set Computer
  • Alle Adressierungsarten für Befehle
  • wenig komplexe Befehle
  • abarbeitung aufwendig, langsam, teuer
• RISC
  • Reduced Instruction Set Computer
  • wenig Adressierungsarten pro Befehl
  • Programm hat viele einfache Befehle
  • Abarbeitung einfach/schnell/billig

• hängt in einem komplexen System  von sehr vielen Faktoren ab
• Taktfrequenz des Prozessors = Maximale Anzahl Befehl pro Sekunde
• Komplexe Befehle nicht vollständig zu schaffen in einem Takt

• fetch
• decode
• execute
• memory access
• write back

• Read after Write
  • Register lesen
  • Wer noch nicht da

• kann Programmierer und Prozessor
• Befehle früh in code reordering buffer
• befehle auf datenabhängikeit untersuchen
• zwischen 2 abhänogen befehlen mehrere unabhänig ausführen

• Beobachtung: Befehle benötigen nicht alle Teile der Pipeline
• Zwei Befehle holen statt einen
• Wenn Rechnen ADD und Speicher LW
  • Fetch, decode parallel
  • eine ALU addiert, zweite bestimmt Adresse
  • Speicherzugriff nur für LW
  • zurückschreiben parallel

• Echte parallilität sämlicher Pipelinestufen
• Buszugriff geteilt
• Alle gleichberechtigt (symmetrisch)
• Billiger als mehere einzelne Prozessoren