CNA Rechenarchitekturen

Es werden alle Grundfunktionen (Rechenwerk, Steuerwerk, ...) auf einem einzelnen Mikrochip vereint.

• Mikrocontroller: Mikroprozessor, Peripheriefunktionen und Speicher auf einem Chip (SoC: System on a Chip)
• DSP: Digitaler Signalprozessor, bearbeitet digitale Signale, z.B. Audio- oder Videosignale
• GPU: Graphics Processing Unit, fuer rechenintensive 2D- und 3D-Aufgaben
• Krypto-Prozessoren: ver- und entschluesselt Daten, liegt zwischen CPU und Memory
• Mathematischer Koprozessor: z.B. FPU (Floating Point Unit), heute auf der CPU

• SRAM: statisches RAM, benoetigt 6 Transistoren pro Speicherzelle (Flip-Flog), behaelt seinen Wert
• DRAM: dynamisches RAM, benoetigt 1 Transistor pro Speicherzelle, muss alle 32- bis 64ms aufgefrischt werden
• PSRAM: DRAM mit eingebauter Auffrischung

(C) chefe

1. Fetch: Lade den naechsten Befehl in das Befehlsregister
2. Erhoehe den Programmzaehler, so dass er auf den naechtsen Befehl zeigt.
3. Decode: Dekodiere den Befehl: Ermittle welcher Befehl auszufuehren ist
4. Falls der Befehl ein Datenwort aus dem Speicher benoegt, dann lade diesen Wert in ein Register der CPU
5. Execute: Fuehre den Befehl aus (evt. inkl. Abspeichern des Ergenisses im Speicher)
6. Gehe zum Anfang, um den naechsten Befehl auszufuehren

• Rechenwerk
• Steuerwerk
• Speicher
• Ein- und Ausgabe

Bild (C) HSLU

Nein

(C) HSLU

• Kleiner, schneller Zwischenspeicher
• Kopie von Daten im Hauptspeicher
• Caching-Strategie notwendig, um Datenkonsistenz zu sichern
• Befindet sich logisch zwischen CPU und Hauptspeicher
• Physikalisch: in der CPU

Bild (C) HSLU

Jede Ziffer im Dezimalsystem wird 4bit Zahl dargestellt.

Beispiel: 8539 = 1000 0101 0011 1001

• Vorzeichenbehafteter Wert: erstes Bit 0 fuer positive, 1 fuer negative Zahlen
• 1er-Komplement: alle Bits umkehren
• 2er-Komplement: alle Bits umkehren, eins hinzuaddieren
• Exzesscode: Versatz um +n (haeufig um 127)

• einfache Genauigkeit: 32 bits (1 Vorzeichen, 8 Exponent, 23 Mantisse)
• doppelte Genauigkeit: 64 bits (1 Vorzeichen, 11 Exponent, 52 Mantisse)

1. Vorzeichen ermitteln (1 fuer negative, 0 fuer positive Zahlen)
2. Die Zahl durch Multiplkation bzw. Division mit 2^n in das Intervall [1;2[ bringen (normalisieren)
3. Fuehrende 1 entfernen, da redunant
4. den (positiven oder negativen) Exponenten n mit Excess 127 normalisieren (127 addieren)
5. die Mantisse aus der Summe von 1/2 + 1/4 + 1/* + ... + 1/2^n darstellen und bei den entsprechenden Stellen die Bits aus 1 setzen
6. Vorzeichen, Exponent und Mantisse binaer auflisten
7. die Binaerzahlen zu je 4 Bits gruppieren

1. Jede Ziffer der hexadezimalen Zahl mit 4 Bits im Binaercode darstellen
2. die Bitreihe aufteilen
   1. Erstes Bit: Vorzeichen
   2. die naechsten 8 (single) bzw. 11 (double) Bits: Exponent
   3. die naechsten 23 (single) bzw. 52 (double) Bits: Mantisse
3. Von der Mantisse 127 subtrahieren. Die Differenz ist der Exponent fuer die Basis zwei fuer die folgende Multiplikation
4. Fuehrende 1. (1 Komma) an Mantisse vorne anhaengen und mit 2^Exponent multiplizeren (Komma verschiebt sich nach rechts)
5. Erhaltene Zahl als Dezimalzahl schreiben
   1. Der Nachkommateil der Zahl muss mit 1/2^n aufsummiert werden

• AND: zwei serielle Schalter
• OR: zwei parellele Schalter
• NOT: ein Oeffner

• !(A || B) == !A && !B
• !(A && B) == !A || !B

• NOT: NOR oder NAND mit gleichen Eingaengen
• AND: 2 NAND (hintereinander geschaltet)
• AND: 3 NOR (jeder Eingang negiert und dann verknuepft)
• OR: 2 NOR (hintereinander geschaltet
• OR: 3 NAND (jeder Eingang negiert und dann verknuepft)

• Separate Speicher fuer Daten und Behlfe
• Separate Busse zu den beiden Speichern
• Im Idealfall: in einem Taktzyklus Befehl und Daten laden

In der Praxis sind oft Mischformen von Harvard- und Von-Neumann-Rechnern zu finden.

• Geschwindigkeit: Befehle und Daten koennen gleichzeitig gelesen werden
• Sicherheit: Strikte Trennung von Daten und Programmen
• Datenwortbreite und Befehlswortbreite sind unabhaengig voneinander
• Synchrones Laden durch mehrere Rechenwerke

Eine Abarbeitung in Stufen (koennen teilweise paralellisiert werden)

Wenn alle Stufen etwas zu tun haben.

• Wenn man bei einem bedingten Sprung an eine unvorhergesehene Stelle springt
• Bei einem Interrupt

• Whetstone: Floating-Point- und Integer-Berechnungen
• Dhrystone: Integer-Berechnungen
• Linpack: Lineare Gleichungssysteme
• SPEC: Standard Performance Evaluation

• MIPS: Million Instructions per Second (unspezifisch)
• FLOPS: Floating Point Operations per Second (MegaFLops, GigaFlops, PetaFlops)
• Laufzeit spezifischer Programme / Rechenaufgaben

• ca 10 Millionen Core
• ca 100 PetaFLOPS
• ca 15 MegaWatt Leistung

• In welcher Reihenfolge die Ziffern einer Groesse aufgelistet werden
  • Big Endian: grosse zuerst
    • Datumsangaben: 2016/10/19
    • Zahlen in English
  • Little Endian: kleine zuerst
    • Datumsangabe: 19.10.20116
    • Zahlen in Deutsch
• In der Informatik bezeichnet Endian die Byte-Reihenfolge im Arbeitsspeicher
  • Big Endian: UNIX, Java, Motorola
  • Little Endian: Windows, Intel

• ASL: Arithmetic Shift Right (Verschieben aller Bits um eins nach links, Multiplikation mit 2)
• RAR: Rotate Arithmetic Right (Verschieben aller Bits um eins nach rechts, Division durch 2, Rest der Division steht im Carry Bit)

• Level 5: Problem-oriented language level
  • Translation (compiler)
• Level 4: Assembly language level
  • Translation (assembler)
• Level 3: Operating system machine level
  • Partial interpretation (operating system)
• Level 2: Instruction set architecture level
  • Interpretation (microprogram) or direct execution
• Level 1: Microarchitecture level
  • Hardware
• Level 0: Digital logic level

• Datentransfer-Operationen
• Arithmetische und logische Operationen
• Programmablaufsteuerung