WIN21 - 103 HW at AKAD Hochschule Stuttgart

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Wie werden die Daten gespeichert?

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Eine bestimmte Berechnung ist hauptsächlich sequenzieller Natur, d. h., jeder Schritt
hängt vom vorhergehenden ab. Wäre für diese Aufgabe ein Feld- oder ein Vektorrech-
ner besser geeignet?

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Definition Bussystem

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Bussysteme

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Logikchips

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Die Von-Neumann-Rechnerarchitektur

Der Befehlszyklus

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Die Von-Neumann-Rechnerarchitektur

Programmunterbrechungen

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Welches sind die Grundaufgaben des Steuerwerks?

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Parallele Rechnerarchitekturen

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Elektronische Schalter

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Integrationsdichte

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Die Bauelemente: Chips

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WIN21 - 103 HW

Wie werden die Daten gespeichert?

Für den Zugriff auf die externen Speichermedien werden mehrere logische Daten-
sätze zu einem Block zusammengefasst. Mithilfe der Blockung kann der Platz auf
den Speichern besser genutzt werden.


– Als sequenzielle Speicher ermöglichen sie nur den fortlaufenden Zugriff, d. h. den
Abruf der Speicherplätze in einer festen (z. B. der gespeicherten) Reihenfolge.
– Als Direktzugriffsspeicher gestatten sie dagegen den gezielten (wahlfreien)
Zugriff auf eine Speicherzelle oder einen Datensatz.
– Der indexsequenzielle Zugriff ist eine Mischform aus den beiden: Auf den
Anfang eines Blocks greift man über seine Adresse direkt zu; innerhalb des
Blocks ist nur eine sequenzielle Verarbeitung möglich.

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Eine bestimmte Berechnung ist hauptsächlich sequenzieller Natur, d. h., jeder Schritt
hängt vom vorhergehenden ab. Wäre für diese Aufgabe ein Feld- oder ein Vektorrech-
ner besser geeignet?

Sowohl Feld- als auch Vektorrechner sind auf Aufgaben spezialisiert, bei denen die Anwendung einer Operation auf viele Operanden parallel möglich ist.
Das ist bei der gegebenen sequenziellen Aufgabe nicht der Fall.
Unabhängig von der Anzahl der Rechenwerke im Feldrechner wäre die Abarbeitung nicht schneller als in einem klassischen Von-Neumann-Rechner, da jeder Schritt vom vorhergehenden abhängt. Jeder Schritt würde einen kompletten Befehlszyklus benötigen. Etwas anders sieht es beim Vektorrechner aus. Bei ihm wird die Parallelität durch Anwendung des Pipeling-Prinzips erreicht. Hier wäre eine teilweise Überlagerung der Befehlsabarbeitung möglich, was zu einem insgesamt beschleunigten Ablauf der Aufgabe führen würde. Ein Vektorrechner ist also in diesem Fall vorzuziehen.

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Definition Bussystem

Ein Bus ist ein Leitungssystem (Sammelleitung), an das mehrere Funktionseinheiten
einer Rechenanlage angeschlossen sind und das von diesen gemeinsam zum Austausch von Informationen genutzt werden kann.

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Bussysteme

Bussysteme dienen der Verbindung und Kommunikation von Funktionseinheiten
(Komponenten, Geräte) eines Rechnersystems untereinander. Dabei werden über einen Bus Daten, Adressen und Steuersignale übertragen.
Der Durchsatz in einem Bus und damit die Leistungsfähigkeit eines Rechnersystems wird wesentlich durch die Busbreite bestimmt, welche angibt, wie viel Bits parallel übertragen werden können. Unterschiedliche Busse fasst man zu internen und externen Bussen zusammen.
Die internen Busse verbinden die rechnerinternen Komponenten miteinander. Der wichtigste Standard ist hier der PCI-Bus.
Externe Busse sind die Schnittstellen, über welche die Peripheriegeräte an den Rechner angeschlossen werden. Hier unterscheidet man serielle und parallele Schnittstellen, je nachdem, ob Bit für Bit nacheinander (seriell) oder mehrere Bit auf einmal (parallel) übertragen werden.
Ein wichtiger Standard zur Anbindung verschiedener Geräte an einen PC ist die USB-Schnittstelle, die eine einheitliche Plug & play-Verbindung für unterschiedlichste Geräte unterer und mittlerer Leistungsstufe (z. B. Maus, Tastatur, Drucker) anbietet. Festplatten schließt man über die SATA-Schnittstelle an. Die SAS-Schnittstelle erlaubt die leistungsstarke und flexible Verbindung zu unterschiedlichen, schnellen Peripheriegeräten, wie z. B. DVD-Laufwerk, DVD-Brenner, Scanner u. a.m.

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Logikchips

Ein Mikroprozessor ist ein auf einem Chip integrierter, vollständiger Prozessor
(Rechen- und Steuerwerk).

Ein Ein-Chip-Computer integriert eine vollständige Zentraleinheit auf einem einzi-
gen Chip.

WIN21 - 103 HW

Die Von-Neumann-Rechnerarchitektur

Der Befehlszyklus

Ein Befehlszyklus gliedert sich in fol-
gende Phasen:
1. Befehl holen: Transport des nächsten Befehls aus dem Arbeitsspeicher in das Befehlsregister des Steuerwerks.
2. Befehl decodieren: Das Steuerwerk entschlüsselt und interpretiert den Befehl.
3. Nächsten Befehl adressieren: Erhöhung des Befehlszählers, damit er auf den nächsten Befehl zeigt (normalerweise um 1 bei sequenzieller Abarbeitung, bei Sprungbefehlen die neue Befehlsadresse).
4. Operanden holen: Transport des oder der Operanden in die Register des Rechenwerks.
5. Befehl ausführen: Verknüpfung der Operanden im Rechenwerk.
6. Rückschreiben: Speichern des Ergebnisses der Operation.

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Die Von-Neumann-Rechnerarchitektur

Programmunterbrechungen

Die Von-Neumann-Rechnerarchitektur

Eine Programmunterbrechung (Interrupt) erfolgt durch ein an die Zentraleinheit
gesandtes Signal, die Unterbrechungsanforderung IRQ (Interrupt Request), das den
Prozessor veranlasst, die gerade ablaufende Befehlsfolge des aktuellen Programms
zu unterbrechen und ein der Unterbrechung entsprechendes Reaktionsprogramm, die
ISP (Interrupt Service Routine), auszuführen. Danach fährt der Prozessor mit der
Abarbeitung des unterbrochenen Programms fort.

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Welches sind die Grundaufgaben des Steuerwerks?

Das Steuerwerk übernimmt folgende Aufgaben:

  • die Steuerung der Reihenfolge der Befehlsausführung
  • die Entschlüsselung der Programmbefehle in eine für die Maschine verständliche Form
  • die Aussendung der für die Befehlsausführung erforderlichen Signale

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Parallele Rechnerarchitekturen

Als eine einfache Einordnung von Parallelarchitekturen hat sich die Klassifikation
nach Flynn durchgesetzt. Sie unterscheidet Rechner je nach Anzahl der Befehlsströme und der Datenströme, die ein Rechner gleichzeitig bearbeiten kann:
– SISD (Single Instruction Single Data): Ein Befehl wird auf genau einem Datenelement ausgeführt.
– MISD (Multiple Instruction Single Data): Mehrere Befehle bearbeiten gleichzeitig dasselbe Datenelement.
– SIMD (Single Instruction Multiple Data): Ein Befehl wird gleichzeitig auf mehreren Daten ausgeführt.
– MIMD (Multiple Instruction Multiple Data): Mehrere Befehle bearbeiten gleichzeitig mehrere Daten.

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Elektronische Schalter

Ein Transistor ist ein elektronischer Ein-/Aus-Schalter aus Halbleitern.

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Integrationsdichte

Als Integrationsdichte bezeichnet man
– bei Speicherchips die Anzahl der Speicherstellen (Bits) und
– bei Logikchips die Anzahl der Schaltkreise oder der Transistoren
pro Chip.

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Die Bauelemente: Chips

Ein Chip ist ein Halbleiterplättchen (meist aus Silizium) von wenigen Quadratmilli-
metern Fläche, auf dem integrierte Schaltungen „aufgedruckt“ sind.
Eine integrierte Schaltung (IC: Integrated Circuit) ist eine Kombination von durch
mehrere Ebenen von Leiterbahnen verbundenen elektronischen Elementen (Tran-
sistoren, Widerstände und Kondensatoren), die nicht voneinander getrennt werden
können.

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