Rechnerarchitektur Grundlagen

Gliederung der Vorlesung

• Die Vorlesung gliedert sich in Meilensteine aus der Geschichte, Grundstrukturen, Leistungsbewertung, Befehlssätze und Assemblerprogrammierung, Datenpfad und Steuerwerk, Fließbandverarbeitung (Pipelining), Speicherorganisation (insb. Cache-Organisation, virtueller Speicher) und Ein-/Ausgabe.

Entwicklung und Bau von Rechnern

• Voraussetzungen für die Entwicklung und den Bau von Rechnern sind eine Idee und die technische Realisierungsmöglichkeit.
• Leistungssteigerungen von Rechnern resultieren aus innovativen Konzepten und Ideen sowie technologischem Fortschritt.

Rechenmaschine von Wilhelm Schickard

• Wilhelm Schickard (1592-1635), in Herrenberg geboren, Professor für biblische Sprachen und später für Astronomie und Mathematik in Tübingen.
• Er schlug 1623 eine Rechenmaschine vor, die auf Zahnrädern basiert.
• Diese Maschine ermöglichte die automatische Addition durch Zahnräder und Multiplikation per Walzen mit kleinem Einmaleins.

Skizzen aus Brief an Kepler

• Schickard schickte Kepler Skizzen seiner Rechenmaschine in einem Brief von 1624.

Rechenmaschine von Blaise Pascal

• Blaise Pascal (1623-1662) entwickelte 1642 eine Maschine zur Addition und Subtraktion.
• Mechanischer Zähler als Räderwerk mit zwei Sätzen von je 6 Zählscheiben mit je 10 Ziffern.
• Automatischer Übertrag.
• Subtraktion durch die Addition von Komplementzahlen.

Gottfried Wilhelm Leibniz

• Leibniz (1646-1716) erweiterte die Maschine von Pascal um Multiplikation und Division.
• Seine Rechenmaschine basierte auf einem Dezimalsystem und hatte mechanische Probleme durch die Verwendung dieses Systems.
• Er skizzierte 1679 eine Rechenmaschine mit Dualzahlen.

Philip Hahn

• Philip Hahn (1739-1790), Pfarrer und Uhrmacher, löste mechanische Probleme bei der Rechenmaschine von Leibniz.

Charles Babbage

• 1823: Babbage entwarf die Differenzmaschine zur Erstellung mathematischer Tabellen.
• Die Differenzmaschine basierte auf der Auswertung von Polynomen.
• Notwendige Hardwareoperationen waren Additionen und evtl. Potenzieren.
• Babbage verwendete nur Additionen in seiner Differenzmaschine.

Beispiel (Rechenmaschine)

• Beispiel-Addition in Tabellenformaten
• Beispiel-Multiplikation in Tabellenformaten
• Berechnungsmethode anhand der grafischen Darstellung in der Präsentation.

Elektrische Maschinen

• Konrad Zuse (1910-1995) entwickelte 1938 die Zuse Z1.
• Rein mechanische Schaltelemente aus Blech, basierend auf dem Dualsystem.
• Z1 und Z2 wurden im Zweiten Weltkrieg zerstört.
• 1941: Zuse entwarf die Zuse Z3, im Auftrag der DVL.

Struktur der Zuse Z3

• Eingabewerk (Tastenfeld, Lochstreifen).
• Programmspeicher ("Plan-Speicherwerk").
• Steuerwerk ("Planwerk", "Programmwerk").
• Wählwerk.
• Rechenwerk ("Arbeitswerk").
• Speicherwerk ("Speicherwerk").
• Ausgabewerk (Anzeigenfeld, Lampen).

Merkmale der Z3 (1)

• Binärdarstellung von Befehlen und Zahlen.
• Binäre Schaltelemente
• Verarbeitung der Rechenoperationen via Aussagenkalkül.
• Gleitkomma-Darstellung von Zahlen mit Vorzeichen, Exponent und Mantisse.

Merkmale der Z3 (2)

• Darstellung des Ablaufs als Folge von Rechenschritten (noch keine bedingten Befehle).
• Aufbau mit elektromagnetischen Relais.
• Speicherwerk mit 64 Speicherworten à 22 Bit.

Merkmale der Z3 (3)

• Steuerung über 8-Kanal-Lochstreifen.
• Geschwindigkeit: 3 Sekunden für Multiplikation, Division und Wurzelziehen.

Zuse Z4

• Die Zuse Z4 war 1945 kommerziell erhältlich.
• Programmierbare Maschine mit Gleitkomma-Arithmetik.
• Innovative mechanische Speicher ohne Relais.

Howard Aiken

• 1944: Aiken produzierte den Automatic Sequence Controlled Computer (Harvard Mark I).
• Der Computer war elektromechanisch und nutzte ein Dezimalsystem.

Bug: 1945 im Harvard Mark II

• Entdeckung eines Fehlers (Bug) durch Grace Murray Hopper (1906-1992).

Elektronische Computer

• 1943-1946: Mauchly und Eckert entwickelten den ENIAC.
• 17 468 Röhren, 1 500 Relais.
• 174 kW Leistung, 30 t Gewicht.
• 0,2 ms Additionszeit, 2,8 ms Multiplikationszeit.

Speicherprogrammierbare Rechner

• Burks, Goldstine, Neumann entwickelten den EDVAC (1945-1951).
• Programm in abstrakter, veränderbarer Darstellung der Steuerung.

Aufbau eines von-Neumann Rechners

• CPU, Rechenwerk, Speicher.
• Der Rechner arbeitet iterativ im "Befehlszyklus".

Befehlszypklus

• Befehle aus dem Speicher holen (Maschinensprache).
• Befehl auswerten (Steuerwerk).
• Befehl ausführen (Rechenwerk).
• Daten aus dem Speicher holen (wenn nötig).

Ada Byron, Lady Lovelace

• Übersetzte Artikel von Menabrae über die Analytical Engine.
• Entwickelte das erste Programm für die Analytical Engine.
• 1979: Programmiersprache ADA wird nach ihr benannt.

(Mehrere) Ausblicke

• Die zukünftige Entwicklung der Computerarchitektur beinhaltet die Berücksichtigung von Pipeline, Multi Cycle, und Mehrfachstart.
• Die Forschung und Entwicklung konzentriert sich auf die Minimierung von Fehlern, Hazards, etc.
• Leistungsbewertung - Durchsatz und Ausführungszeit.
• Optimierte Architektur und Hardware.

Weitere relevante Informationen

• Es gibt verschiedene Adressierungs- und Datenarten.
• Konventionen für die Verwendung von Registern
• Beispiele aus C++ und Assemblercode
• Klassifizierung der Befehlssätze von verschiedenen Herstellern.
• Spezielle Merkmale von E/A und modernen Computern.
• Die Analyse von Speicherhierarchien zeigt die Herausforderungen bei der Verbesserung von Leistung und Zuverlässigkeit von Computern auf.
• Eine Analyse der Architektur ermöglicht den Entwurf eines effizienten und zuverlässigen Computers.

Dieses Quiz behandelt grundlegende Themen der Rechnerarchitektur. Es werden historische Aspekte, Leistungssteigerung, und verschiedene Methoden zur Laufzeitmessung behandelt. Die Fragen zielen darauf ab, das Verständnis von Pipelining und Befehlssatzarchitektur zu überprüfen.