Gliederung

Computertechnologie: Grundlagen der Rechnertechnik
Dozent: Dr. Harry S. Barowski (TIT05AIC) BA Stuttgart
Übersicht zur Vorlesung
1) Grundlagen eines Rechnersystems
1.1 ISA (instruction set architecture)......................
1.2 Hardware................................................
1.3 Bewertung einer Rechnerarchitektur......................
1.4 Implementierung.........................................
1.5 Realisierung............................................
1
2
3
3
4
2) Der von-Neumann-Rechner
2.1 Konzept/Prinzipien
2.2 Beschreibung des Rechners...............................
Kontrollstruktur des von-Neumann-Rechners...............
Hardwarestruktur........................................
Instruktionssatz........................................
Skizze und Funktionsablauf (2-Takt-Schema)..............
Erweiterung des von-Neumann-Rechners....................
2.3 von-Neumann-Rechner heute...............................
2.4 Schwachpunkt: von-Neumann-Flaschenhals..................
5
5
6
7
9
10
11
11
3) Der Harvard-Rechner
3.1 Prinzip.................................................
3.2 Beschreibung und Abgrenzung zu von-Neumann-Konzept
von-Neumann/Harvard-Aspekte in RISC-Rechnersystemen.....
3.3 Grundstruktur eines Rechnersystems......................
Aufbau eines Mikroprozessors............................
4) ISA- Instruktionssatz-Architektur
4.1 Klassen von Instruktionssatz-Architekturen..............
4.2 Instruktionen und Datentypen............................
4.3 Assembler-Programmierung................................
Definition von Operatoren
Definition von Operanden und Symbolen
5) Speichersystem und Speicherhierarchie
5.1 Speicherhierarchie......................................
5.2 Hauptspeicher...........................................
5.3 Byte-Ordering...........................................
5.4 Adressraum..............................................
5.5 Fehlererkennung.........................................
5.6 Register................................................
Mehrzweckregister/Akkumulator......................
Indexregister......................................
Basisadressregister................................
Speicherschutzregister.............................
Interruptregister..................................
6) Adressrechnung und Adressierungsarten
6.1 Grundtypen der Adressrechnung...........................
Arithmetische Verknüpfung
Substitution
Konkatenation
6.2 Adressierungsarten......................................
Direkte Adressierung...............................
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
22
22
22
23
23
23
23
24
25
25
6.3
Indirekte Adressierung.............................
registerindirekt
speicherindirekt
Stackadressierung.............................
Relative Adressierung..............................
bzgl Basisadresse
bzgl Programmzähler
Adressierung mit Indizierung.......................
26
Adressierungsarten der Intel x86-Architektur............
30
7. Fortschritte in der Mikroarchitektur
7.1 Pipeline-Prozessoren....................................
7.2 Prinzip des Pipeline-Rechners...........................
Veranschaulichung: Synchrone/Asynchrone Pipeline........
7.3 Konflikte bei einem Pipelinerechner.....................
Speicherzugriffskonflikte..........................
Datenabhängigkeiten................................
Methoden zur Konflikterkennung.....................
Scoreboarding
Interlock-Logik
Methoden, um Konflikte zu reduzieren...............
Durchschreiben/Forwarding
Ressourcekonflikte.................................
Kontrollabhängigkeiten.............................
Sprungbefehle und ihr Folgen..................
Abhilfe: Delayed Branches.....................
Abhilfe: Sprungvorhersage.....................
27
28
29
32
33
34
35
35
36
37
37
38
38
38
39
39
8. Superskalarrechner
8
........................................................
40
9. Out-of-Order Prozessor
9.1 Prinzip.................................................
9.2 Register Renaming.......................................
9.3 Reservation Station (Instruktionsbuffer)................
9.4 Reorder Buffer (In-Order Zurückschreiben)...............
Beispiel: PPC601...................................
42
42
43
44
45
10. CISC vs RISC: Änderung des Architekturansatzes
10.1 Hintergrund.............................................
10.2 RISC Architektur - Konzepte/Prinzipien..................
10.3 Optimierende Compiler als Muss..........................
delayed brunch.....................................
bedingte Ausführung................................
10.4 Historie: erste RISC-Architekturen......................
10.5 aktuelle, neue Konzepte: VLIW...........................
46
47
48
49
49
50
51
11. Leistungsbewertung von Rechnersystemen
........................................................
11.1 Lastbeschreibungen......................................
Instruktions-Mixes......................................
11.2 Kernels/Benchmarks......................................
11.3 Konzepte zur Leistungssteigerung........................
11.4 Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit.......................
11.5 Hardware/Software-Zuverlässigkeit.......................
53
54
54
55
56
57
58
12. Multiprozessorsysteme
Array-Rechner...........................................
59
12.1
12.2
12.3
12.4
12.5
12.6
Unterscheidung von Multiprozessoren aufgrund
ihrer Kopplung.....................................
der Speicherorganisation...........................
UMA (uniform memory access)...................
Speicher-Kohärenz.......................................
Speicherkonsistenz......................................
DSM (distributed shared memory).........................
Kommunikationsnetzwerk &
Speicher-Directories.....................
Rechenbeispiel: DSM...........................
NUMA (non uniform memory access)..............
COMA (cache only memory access)...............
Synchronisation...............................
Vektorrechner...........................................
13. Digitaler Signalprozessor
........................................................
14. Realisierung einer ALU
Boolsche Algebra........................................
CMOS-Implementierung der Grundgatter....................
SRAM-Speicherzelle......................................
14.1 Arithmetische Operationen...............................
(2,2) Halbaddierer......................................
(3,2) Volladdierer......................................
14.2 Addiererkonzepte
Carry-Ripple-Addierer..............................
Carry-Lookahead-Addierer...........................
Carry-Skip-Addierer................................
Carry-Select-Addierer..............................
Vergleich der Addierer-Konzepte.........................
14.3 Subtraktion.............................................
14.4 Multiplikation..........................................
Flussdiagramm......................................
Multiplikatioren-Konzepte
Carry-Save-Multiplizierer.....................
Array-Multiplizierer..........................
Wallace-Baum-Multiplizierer...................
14.5 Division
Flussdiagramm: restoring/non-restoring step........
Beispiel (restoring dividing step).................
15. Gleitkommaarithmetik
15.1 IEEE Standard 754.......................................
Zahlenformate und Genauigkeit...........................
Rundungsmodi............................................
Ausnahmebedingungen.....................................
15.2 Addition/Subtraktion von Gleitkommazahlen...............
Algorithmus........................................
15.3 Multiplikation/Division von Gleitkommazahlen............
inkl. Algorithmus
16. Dynamische Sprungvorhersage
........................................................
60
62
62
63
64
64
65
66
67
67
68
69
73
75
76
78
80
80
81
83
83
85
85
86
87
88
89
90
91
91
92
93
95
96
97
98
98
99
100
101