Rechnerarchitektur & Betriebssysteme at Duale Hochschule Baden-Württemberg

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Welche Klassifikationen von Rechnersystemen gibt es?

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Welche Probleme gibt es bei dem Maß MIPS (Millions Instructions per second)?

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Welche Maße/Kriterien zur Leistungsmessung eines Rechnersystems gibt es?

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Welche I/O Organisationsoptionen gibt es und wie funktionieren diese?

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Was stellt die E/A (I/O) dar und welche Aufgabe hat sie?

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Was ist ein Bus?

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Welche Schreibstrategien in einem Cache gibt es und wie wird dabei vorgegangen?

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Wie funktioniert der Zugriff auf den Cache?

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Was enthalten die Blöcke bzw. Lines eines Caches?

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Aufgrund welchem Prinzips funktioniert die Performanzsteigerung eines Rechnersystems durch einen Cache?

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Was sagt die Datenrate im Kontext des Speicherzugriffs aus?

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Welche Kriterien müssen beim Entwurf eines Rechnersystems berücksichtigt werden?

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Rechnerarchitektur & Betriebssysteme

Welche Klassifikationen von Rechnersystemen gibt es?

  • SISD ( Single Instructions stream / single data stream)
  • SIMD (Single Instructions stream / multiple data stream)
  • MISD (Multiple instruction stream / single data stream)
  • MIMD( Multiple instruction stream / multiple data stream)

Rechnerarchitektur & Betriebssysteme

Welche Probleme gibt es bei dem Maß MIPS (Millions Instructions per second)?

Es gibt sehr unterschiedliche Arten von Instruktionen innerhalb einer Architektur. Während die mit nur wenigen größeren Operationen auskommt, benötigen andere dafür mehrere kleinere und sind dadurch nicht vergleichbar.

Die MIPS-Zahlen von RISC & CISC Architekturen sind nicht vergleichbar.

Rechnerarchitektur & Betriebssysteme

Welche Maße/Kriterien zur Leistungsmessung eines Rechnersystems gibt es?

  • MIPS (Millions Instructions per Second)
  • MFLOPS ( Milions Floating-Point Operations per second

Es gibt auch Anwenderspezifischere Maße/Kriterien wie Benchmarks:

Bsp: 

  • SPECmark Benchmark (misst Transaktionen/sekunde)
  • SAP Standard Application Benchmarks

Rechnerarchitektur & Betriebssysteme

Welche I/O Organisationsoptionen gibt es und wie funktionieren diese?

  • Interrupt: Die CPU startet den E/A-Vorgang. Ist der E/A Vorgang beendet, wird dieses durch einen Interrupt angezeigt und die CPU holt dann die Daten bzw. Statusmeldung ab.
  • Direct Memory Access (DMA): Das Gerät schreibt die Daten direkt in den Speicherbereich. Dieses Daten müssen dann nicht stückweise abgeholt werden. Die Steuerung der Zugriffe auf den Datenbus zwischen Speicher und dem Gerät übernimmt eine besondere DMA-Steuereinheit. Der Datentransfer kann transparent mittels cycle-stealing erfolgen.
  • E/A Prozessor(Kanalprozessor): Hier übernimmt ein eigener Prozessor mit einem eigenen Befehlssatz die Steuerung von komplexeren E/A Vorgängen. Die Datenkommunikation erfolgt hier auch über den DMA. Die Steuerung erfolgt über Kanalprogramme. Ist die Kanal-operation beendet, wird dieses dem Prozessor über einen Interrupt mitgeteilt.

Rechnerarchitektur & Betriebssysteme

Was stellt die E/A (I/O) dar und welche Aufgabe hat sie?

Die E/A stellt die Verbindung zur Umwelt her. 

Sie hat die Aufgabe externe Ereignisse und Signale in eine vom Rechner verwertbare Form zu bringen bzw. die Ergebnisse in eine für die Umgebung verständliche, verwertbare Form zu bringen.

Rechnerarchitektur & Betriebssysteme

Was ist ein Bus?

Ein Bus ist ein Bündel funktional zusammengehörender Leitungen, die mindestens zwei Elemente eines Rechnersystems verbinden und deren Informationsaustausch übermittelt.

Rechnerarchitektur & Betriebssysteme

Welche Schreibstrategien in einem Cache gibt es und wie wird dabei vorgegangen?

  • Write-trough: Das Wort wird im Cache und im Hauptspeicher geschrieben.
  • Write back: Das Wort wird nur im Cache geschrieben und erst wenn die Line ersetzt wird, in den Hauptspeicher geladen.

Rechnerarchitektur & Betriebssysteme

Wie funktioniert der Zugriff auf den Cache?

Bei jedem Speicherzugriff werden die Tags durch Hardware mit der gewünschten Adresse verglichen.

Es gibt zwei Optionen:

  • Cache hit: Wird das Datum im Cache gefunden, wird es von dort gelesen
  • Cache miss: Wird es nicht gefunden, wird ein ganzer Block vom Hauptspeicher in den Cache geladen, wordurch der Zugriff auf die folgenden Worte beschleunigt wird.

Ersetzen von Lines: Wenn der Cache voll ist, muss eine Line freigemacht werden. Dazu wird die Line entfernt, die schon am längsten nicht verwendet wurde.

Rechnerarchitektur & Betriebssysteme

Was enthalten die Blöcke bzw. Lines eines Caches?

  • Programmteile: Die Kopien einer entsprechenden Anzahl aufeinander folgender Worte des Hauptspeichers 
  • Markierung des Adressbereiches der gespeicherten Programmteile: Eine Marke(tag), die angibt welchem Adressbereich die Linie entspricht
  • Gültigkeitsmarkierung: Ein Flag , das angibt, ob die Line gültige Daten enthält.
  • Veränderungsmarkierung: Ein weiteres Flag, das angibt ob die Daten in der Line verändert wurden.3
  • Zeitstempel: Einen Zeitstempel, der angibt, wann eine Line zuletzt referenziert (verwendet) wurde

Rechnerarchitektur & Betriebssysteme

Aufgrund welchem Prinzips funktioniert die Performanzsteigerung eines Rechnersystems durch einen Cache?

Aufgrund des Lokalitätsprinzips: Da Programme die meiste Zeit nur auf einem kleinen Teil des belegten Speichers operieren, können diese kleinen Teile in den Cache geladen werden um so eine Performanzsteigerung zu erreichen. ( 90% der Laufzeit eines Programms werden in 10% des Codes verbracht)

Rechnerarchitektur & Betriebssysteme

Was sagt die Datenrate im Kontext des Speicherzugriffs aus?

Die Datenrate gibt an, wie viele Daten innerhalb eines Zeitintervalls vom Speicher gelifert werden kann.

Rechnerarchitektur & Betriebssysteme

Welche Kriterien müssen beim Entwurf eines Rechnersystems berücksichtigt werden?

  • Geschwindigkeit

Die Geschwindigkeit wird bestimmt durch die Schaltgeschwindigkeit der Bauteile, die LAufzeiten  der Signale und die Architektur. Sie kann durch eine Aufwendige organisation oder technologie wesentlich erhöht werden. 

Wichtig: Das gesamte Rechnersystem muss ausgewogen konzipiert sein (Highspeed CPU, langsamer Speicher)

  • Kosten

Das Preis/Leistungsverhältnis muss dem Zeck angemessen sein. Die Leistung hängt nicht linear mit dem Preis zusammen.

  • Kompatibilität

Die Software soll unverändert auf verschiedenen Maschinen verwendet werden können, was Rechnerfamilien mit gleicher Architektur erfordert. Im weiteren Sinne kann sich die Kompatibilität auf die Schnittstellen beziehen.

  • Anwendungen

Die Architektur kann für bestimmte Anwendungen optimiert werden.

  • Zuverlässigkeit

Es kann unterschiedliche Anforderungen an eine Maschine geben, die beim Entwurf berücksichtigt werden müssen. (Bspw. Strahlungs & Temparaturfestigkeit die durch besondere Bauformen und Bauteile erfüllt werden)

  • Erweiterbarkeit

Die Erweiterbarkeit muss insofern berücksichtigt werden, dass unter Umständen Rechnerfamilien mit hoher Lebensdauer den wachsenden Speicherbedarf berücksichtigen sollten.

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