Home

Impressum

kreissl.info[rmation science]

best practices

Prinzipien und Architekturen

Kapitel 1 - Prinzipien und Architekturen

Der von Neumann-Rechner
Die zentrale Befehlsschleife
Vergleich von RISC und CISC
Befehlssatz-Architekturen

In welche sieben Ebenen kann man ein Rechnersystem einteilen?

Anwendungsebene (Anwendersoftware)
Assemblerebene (Beschreibung von Algorithmen, Link & Bind)
Betriebssystem (Speichermanagment, Prozesskommunikation)
Instruction Set Architecture (ISA,Adressierungsarten)
Microarchitektur (Risc,Cisc,Branch Prediction..)
Logische Ebene (Register,Schieber, Latches..)
Transistorebene (Transistoren, MOS )

nach Tanenbaum Computerarchitektur

Wie lassen sich Architekturen klassifizieren?

Nach ihrem Rechenprinzip

Von Neumann (Steuerfluss)
Datenfluß (Zündregel)
Reduktion (Funktionsaufruf)
Objektorientiert (Methodenaufruf)

Nach dem Architektur-Grundkonzept

Vektorrechner (Pipeline)
Array-Computer (Data-Array)
Assoziativ-Rechner (Assoziativ-Speicher)

Wie kann die Leistung erhöht werden?

Über die Architektur	Pipelines, Superskalarität, Spekulative Ausführung, Caches, Busbreite
Über Optimierung von Software	Compileroptimierung
Über die Siliziumbasis	Transistordichte und Taktraten

Was sind die vier Hauptbestandteile eines typischen Rechners?

Was unterscheidet eine Schnittstelle von einem Bus?

Ein Bus verbindet mehr als zwei Teilnehmer.

John von Neumann mit ENIAC

Welche Bestandteile definieren einen von Neumann-Rechner?

Der von Neumann-Rechner arbeitet sequentiell, Befehl für Befehl wird abgeholt, interpretiert, ausgeführt und das Resultat abgespeichert.

Steuerwerk (Taktgeber und Befehlszähler)
Speicher
Rechenwerk (CPU)
I/O-Einheit

Datenbreite, Adressierungsbreite, Registeranzahl und Befehlssatz können als Parameter verstanden werden.

Wie arbeitet die zentrale Befehlsschleife eines Von-Neumann-Rechners?

Was heißt Havard-Architektur?

Daten- und Befehlsspeicher sind getrennt. So ist es möglich Daten und Befehle Zeitgleich aus dem Speicher zu holen. Da dies aber einen extrem hohen Aufwand bedeutet, wird dies nur bei Echtzeitanwendungen implementiert.

Was ist ein Taktzyklus?

Die Interpretation und Ausführung eines Befehles erfolgt in vier Phasen.

Holen
Dekodieren (inklusive Operandenadressen berechnen)
Daten holen (bzw. Operanden)
Ausführen

Jede der vier Phasen wird in eine Anzahl von Schnittstellen bzw. Zyklen eingeteilt. Ein Taktzyklus ist die kleinstmöglich verarbeitbare Einheit. Somit benötigt ein Befehl zur Ausführung im Allgemeinen mehr als einen Taktzyklus.

Was ist Mikroprogrammierung?

Durch Einsatz von Matrix-Speichertechnologie ist es möglich Steuersignalkombinationen in je einer Zeile dieser Speichermatrix abzulegen. Somit können Zeile für Zeile Maschinenzustande auf dem Prozessor hinterlegt werden. Das sogenannte Mikroprogramm. Die interne Logik ist eher zufällig optimiert. Daher der Begriff "Random Logic".

Was sind Complex Instruction Set Computer (CISC)?

Durch Einführung von mnemonischen Kodierungen von Mikrobefehlen, welche von Mikrobefehls-Assemblern verarbeitet werden, sind weitaus komplexere Befehle möglich. CISC bietet einen sehr großen Befehlssatz mit sich start unterscheidenden Befehlen in Ausführungszeit und Parameterliste.

Gegenüberstellung der Architektur von CISC und RISC

Worin unterscheiden sich RISC und CISC besonders?

Eigenschaften	CISC	RISC
Register	Wenige Register( ca. 20)	Viele Register (bis zu 200) und Registerfenster
Befehlssatz	ca. 300 Befehle und mehr als 50 Befehlstypen	Nur rund 100 meist registerorientierte Befehle (außer LOAD / STORE)
Adressierungsarten	ca. 12 verschiedene	Nur 3 bis 5 Arten und nur LOAD/STORE zum Speicher
Caches	Gemeinsame Caches, aber später auch Getrennte	Getrennte Daten- und Befehlscaches nach Harvard
CPI	1 bis 20 - Durchschnittlich 4	1 bei Basisoperationen - im Schnitt 1,5
Befehlssteuerung	Mikrocode im Speicher, aber auch hartverdrahtet	Meistens hartverdrahtete Mikroprogramme ohne Mikroprogrammspeicher
Beispielprozessoren	Intel x86, AMD, Cyrix	Sun UltraSparc, PowerPC

Welche Befehlssatz-Architekturen kennen Sie?

Stack-Architektur?

Diese Form benötigt keine Adressen für Operanden und ist somit eine Nulladressmaschine. Quell und Ergebnisoperanden liegen auf einem Operanden-Stack. Vorteil dieser Architektur ist daher die Speicherplatzeinsparung durch die nicht notwendigen Adressen.

Akkumulator-Architektur?

Um Verknüpfungsoperationen durchzuführen, liegt ein Operand in einem Register und ein Operand typischerweise im Hauptspeicher (Einadressmaschine) . Vorteil ist die einfache Implementierung, da nur ein internes Register benötigt wird. Nachteil ist aber die hohe Speicherlast.

Universalregister-Architektur?

Ein Satz von gleichberechtigten Registern kann zum Ablegen von Daten genutzt werden. Deshalb sind im Op-Code mehrere Operanden anzugeben (Zwei-, Dreiadressmaschine etc.) Vorteil ist die freie Benutzbarkeit durch Compiler. Ausdrucksberechnungen können somit in beliebiger Reihenfolge erfolgen, was Pipelining möglich macht. Dazu kommt, daß die Speichertransferlast sinkt, die Geschwindigkeit steigt und Superskalartechniken sind effizient einsetzbar. Der Nachteil dieser Architektur sind die teilweise großen Registersets, welche bei jedem Kontextwechsel auszutauschen sind. Außerdem müssen die Operanden Adressiert werden, was zu langen Befehlen führt.

Welche Register-Architekturen gibt es?

Register-Register ohne Speicheradressen (Sparc,Mips)

Verknüpfungsoperationen verwenden nur Register. Nur in Lade- und Speicherbefehlen werden Adressen verwendet. (Load / Store - Architektur). Vorteil ist, dass die Verknüpfungen immer mit Registern geschehen und somit eine Befehlsdekodierung mit fester Länge möglich ist.

Vorteile:

Einheitliche Taktzyklen pro Befehl
Pipeline-Prinzip wird dadurch unterstützt

Nachteile:

Code wird größer, da Speichertransfers nur durch zusätzliche Befehle

Register-Speicher mit der Möglichkeit von Speicheradressen (Motorola 68000)

Vorteile:

Daten können auch im Speicher referenziert werden, ohne diese vorher
Explizit laden zu müssen.

Nachteile:
Durch die variierenden Adressierungen variieren Befehlslänge und Taktzyklen pro Befehl, was äußerst negativ für Verfahren wie Pipelining ist.

Speicher-Speicher mit nur Speicheradressen (DEC-VAX)

Vorteile:
Der Programmierer braucht sich nicht um Register kümmern. Deshalb wird die Programmierung transparenter.

Nachteile:
Es entsteht ein hoher Speicherverkehr, was sich Nachteilig auf die Performance auswirkt. Falls doch Register erlaubt werden (Orthogonaler Befehlssatz / CISC), variieren auch hier Befehlslänge und Taktanzahl pro Befehl.

Orthogonale Befehlssätze sind solche, welche eine beliebige Kombination von Befehlscode, Adressierungsart und Datentyp zulassen.

Was ist Byte-Ordering und Word-Alignment?

Alle konventionellen Rechner sind Byte-Adressiert. D.h. das Worte (egal ob 8, 16 oder mehr Bit) bestehen aus einer Folge (aufsteigender) Bytes. Dabei gilt das erste Byte als die Adresse des Wortes. Nimmt die Wertigkeit mit aufsteigender Adresse zu, ist es das Litte-Endian-Format, umgekehrt das Big-Endian-Format.

Falls Worte so in den Speicher passen, das keine Verschiebungen auftreten, heißt der Speicher aligned. Prüfen kann man dies durch die Formel

Adresse mod Wortlänge = 0?

Inhalt

Anfang

zurück

vor

Kapitel 1	Einleitung
Befehlsschleife, Risc und Cisc...
Kapitel 2	Interrupts
Interrupts, Polling, DMA...
Kapitel 3	Speicherschutz
Segmentation, Paging, Mapping, Multitasking...
Kapitel 4	Caches
Lokalität, Cache-Arten, Schreibstrategien...
Kapitel 5	Risc
Risc-Architektur, Load/Store, Registerfenster...
Kapitel 6	Pipelining
Prinzip, Datenkonflikte, Forwarding, Delayed Load
Kapitel 7	Branch Prediction
Statische / Dynamische Brach-Prediction...
Kapitel 8	Superskalarität
Out-Of-Order Execution, Scoreboard und Tomasulo, VLIW...
Kapitel 9	Parallelrechner
SMP,Vektorrechner, Cache-Kohärenz