Technische Grundlagen der Informatik - Westfälische Hochschule

„Technische Grundlagen der Informatik (TGI)“Prof. Dr. R. Latz____________________________________________________________________________________________________________Inhaltsverzeichnis1. Einführung2. Zahlendarstellung, Konvertierungs- und arithmetische Algorithmen3. Boolsche Schaltalgebra4. Technische Realisierung von Schaltfunktionen, Transistoren undGatter5. Kombinatorische Schaltkreise, Schaltnetze6. Speicherelemente, Flip-Flops, sequentielle Schaltungen7. Endliche Zustandsautomaten und Steuerwerke8. Operationswerke9. Komplexe Schaltwerkea) Aufgabenspezifische Mikroprozessorenb) Universelle Mikroprozessoren10. Speicher und deren Realisierung11. Rechnerarchitekturen12. ComputerperipherieSeite 0 - 1© R. Latz

„Technische Grundlagen der Informatik (TGI)“Prof. Dr. R. Latz_________________________________________________________________________________________________________1 Einführung1.1 Was ist Technische Informatik, was ist ein Computer?Eine allgemeine Definition dessen was man unter Informatik verstehtlautet: „ Informatik ist die Wissenschaft von der algorithmischenDarstellung, Erkennung, Verarbeitung, Speicherung undÜbertragung von Information.“ Zur Erfüllung dieser Aufgaben istspezielle Hardware notwendig. Die Technische Informatik beschäftigtsich mit dem Entwurf, der logischen Struktur und der technischenRealisierung dieser Computer-Hardware. Sie bildet eine der vierKernsäulen der Informatik. Diese vier Kernsäulen der Informatik sind inAbbildung 1.1 dargestellt. Neben der Technischen Informatik gibt esnoch die Theoretische Informatik, die Praktische Informatik, und dieAngewandte Informatik. Die Theoretische Informatik ist eng verknüpftmit der Technischen Informatik, weil viele der dort entwickeltenKonzepte z. B. aus der Codierungstheorie, der Logik und dem Gebiet derEndlichen Automaten als mathematisches Fundament zur Beschreibungvon Computer-Hardware dient.Die Technische Informatik ist für folgende Personen von besonderemInteresse bzw. sogar notwendig:1.) Entwickler von Computer-Hardware.2.) Hardwarenahe Programmierer, d.h. Programmierer speziellerMikroprozessoren in z. B. Eingebetteten Systemen ( EmbbededSystems ).3.) Programmierer in höheren Programmiersprachen, sie benötigenzwar keine detaillierten Hardwarekenntnisse, Kenntnisse derselbenversetzen sie jedoch in die Lage in einem breiterenAnwendungsfeld der Informatik zu arbeiten, und unter Umständenauch effizientere Programme zu schreiben.Der hier angebotene Kurs der Technischen Informatik ist daher relevantfür die Studiengänge Technische Informatik, Praktische Informatik undMedieninformatik.Was ist ein Computer?Der Begriff Computer steht für Rechner, genauer gesagt elektronischeRechenmaschine. Was jedoch zeichnet einen Rechner aus? WelcheAufgaben kann er lösen? Wie funktioniert er? Wie ist er aufgebaut?Seite 1 - 1© R. Latz

„Technische Grundlagen der Informatik (TGI)“Prof. Dr. R. LatzAbbildung 1.1: Darstellung der vier Kernsäulen der Informatik mit ihren wesentlichen Arbeitsgebieten und Darstellung derGebiete, die in den Vorlesungen Technische Informatik mehr oder weniger ausführlich behandelt werdenSeite 1- 2© R. Latz

„Technische Grundlagen der Informatik (TGI)“Prof. Dr. R. Latz_________________________________________________________________________________________________________Je nachdem wie weit man bei der Betrachtung der Funktionsweise einesRechners von der eigentlichen physikalischen Realisierung einesRechners abstrahiert, unterscheidet man verschiedeneAbstraktionsebenen. Diese Abstraktionsebenen sind in folgenderAbbildung dargestellt.LeistungsmaßAbbildung1.2: Darstellung der verschiedenen Abstraktionsebenen eines Rechners undAngabe des Leistungsmaßes für einige EbenenAuf der Ebene der Anwendung sieht der Benutzer des Rechners nur dieAnwendung. Er kümmert sich nicht um Details des Ablaufs im Rechnersondern betrachtet nur den Ablauf innerhalb seiner Anwendung.Auf der Ebene der Höheren Programmiersprachen, wie z. B. C,C++,Java usw. versteht man den Rechner als einen „schwarzen Kasten“ derProgramme in der höheren Programmiersprache einliest und direkt aufder Hardware ausführt.Auf der Assembler-Ebene werden in einer symbolischen NotationBefehle zur Verfügung gestellt, die im Betriebssystem bzw. imSeite 1 - 3© R. Latz

„Technische Grundlagen der InformatikProf. Dr. R. Latz_________________________________________________________________________________________________________Maschinenbefehlssatz vorhanden sind, mittels derer ein ProgrammiererProgramme schreiben kann. Zudem werden einem Programmierer, umihm das Programmieren zu erleichtern, auf dieser EbenePseudoinstruktionen zur Verfügung gestellt, die sich durch wenigeMaschinenbefehle realisieren lassen.Auf der Betriebssystemebene existiert ein in Maschinensprachegeschriebenes Programm, Betriebssystem genannt, (englisch: OperatingSystem OS), welches die Betriebsmittel wie Speicher, Ein- undAusgabegeräte verwaltet, die Ausführung von Programmen steuert, unddie Kommunikation zwischen Mensch und Computer ermöglicht bzw.vereinfacht. Alle Personal Computer (PC‘s) besitzen ein Betriebssystem.Es sind jedoch auch Rechner für spezielle Anwendungsbereiche z. B.Eingebettete Systeme, im Einsatz, die kein Betriebssystem besitzen.Die Ebene der Maschinensprache ist die unterste Ebene, die für einenProgrammierer noch frei zugänglich ist, und in der er Programme für denRechner schreiben kann. Die Maschinenbefehle sind als Folgen von 0und 1 codiert, für einen Programmierer also recht unangenehm zuprogrammieren. Diese Ebene ist die Software/Hardware–Schnittstellenebeneeines Prozessors. Der Satz der verfügbaren Maschinenbefehle,die auf dieser Ebene zur Verfügung stehen, bestimmt diesogenannte Architektur eines Rechners, d.h. der Maschinenbefehlssatzeines Rechners und seine Hardwarearchitektur hängen miteinanderzusammen. Die einzelnen Befehle in der Maschinensprache werden nachfolgendem allgemeinen Arbeitsprinzip ausgeführt:Fetch ( Holen ) -> Decode (ermittle um welchen Befehl es sich handelt )-> Execute ( setze die Steuersignale und führe den Befehl aus )Zunächst wird ein Befehl aus dem Arbeitsspeicher ( Hauptspeicher )geholt ( Fetch ). Dann wird nachgeprüft um welchen Befehl es sichhandelt, und es werden dann die zum Ausführen des Befehlsnotwendigen Steuersignale für die Hartware ermittelt. Dann wird derBefehl von der Ausführungseinheit, in der Regel einer Arithmitischen-Logischen Einheit ( ALU ), ausgeführt.Seite 1 - 4© R. Latz

„Technische Grundlagen der Informatik (TGI)“Prof. Dr. R. LatzAbbildung 1.4: Foto des Nachbaus einer Z3. Das 1941 fertiggestellte Original wurde durch einen Bombenangriff zerstörtSeite 1 - 7© R. Latz

„Technische Grundlagen der Informatik (TGI)“Prof. Dr. R. Latz_________________________________________________________________________________________________________Abbildung 1.5: Technische Daten des Z3 Rechners von Konrad Zuse, der mitelektromechanischen Relais betrieben wurdeAbbildung 1.6: Darstellung der Abarbeitung von Befehlen in einer Pipeline-Architekturin der Z3Seite 1 – 8© R. Latz

„Technische Grundlagen der Informatik (TGI)“Prof. Dr. R. Latz_________________________________________________________________________________________________________Abbildung 1.7: Der Befehlssatz desZ3 RechnersMit Hilfe der Befehle Lu bzw. Ld wird eine Dezimalzahl über dienumerische Tastatur eingelesen bzw. auf der numerischen Anzeigeausgegeben. Beide Befehle stoppen die Ausführung der Maschine, bisder Benutzer manuell die Fortsetzung veranlasst. Über die Befehle Przund Psz wurde die Kommunikation mit dem Hauptspeicher gesteuert.Die übrigen Befehle sind Befehle mit denen arithmetische Operationendurchgeführt werden.Die wesentlichen Strukturmerkmale des Z3 Rechners sind in folgenderAufstellung zusammengefasst:- Die Kernfunktionen des Rechners bestehen aus Steuerwerk,Rechenwerk und dem davon getrennten Speicher. Diese Strukturfindet sich auch heute noch in den allermeistenComputerarchitekturen.- Die Z3 rechnete bereits im Gleitkommaformat, so dass in einemweiten Zahlenbereich sehr genaue Rechnungen durchgeführtwerden konnten.- Die Z3 arbeitete bereits mit dem Prinzip derMikroprogrammierung. Im Steuerwerk befindet sich einsogenannter Mikrosequenzer mit dessen Hilfe sich komplexeRechenoperationen in mehrere elementare Berechnungsschrittezerlegen und ausführen lassen. Das Prinzip findet sich heute nochin sogenannten CISC-Rechnern.Seite 1 – 9© R. Latz

„Technische Grundlagen der Informatik (TGI)“Prof. Dr. R. Latz_________________________________________________________________________________________________________- Zur Geschwindigkeitssteigerung führt die Z3 die Befehle bereitsüberlappend aus ( Pipeline- Architektur ). Zur gleichen Zeit wo einBefehl ins Steuerwerk eingelesen wird, wird einBerechnungsergebnis weggeschrieben.- Das verwendete Rechenwerk arbeitet bereits mit dem Carry-lookahead-Algorithmusum Rechenoperationen zu beschleunigen.Programmiert wird die Z3 mit Hilfe eines 8-spurigen Lochstreifens. Jede8-spurige Zeile codiert einen Befehl, bei dem Lese-und Schreibbefehlzusätzlich noch die Adresse des Operanden im Hauptspeicher. Dieinsgesamt neun möglichen Befehle lassen sich in die Kategorien EinundAusgabe, Speichertransfer und Arithmetik unterteilen.Ein weiterer elektromechanischer Rechner, der unter der Leitung vonHoward H. Aiken konstruiert, und am 7. August 1944 fertiggestelltwurde, war die Harvard Mark I, die für die Harvard University gebautwurde. In ihm kam das Konzept zum tragen Code und Daten ingetrennten Speichern vor zu halten. Bei Rechnern mit einer solchenStruktur spricht man daher auch von Harvard-Struktur.Die erste voll funktionsfähige Rechenmaschine, die nahezu alleDefinitionen eines modernen Computer-Begriffs erfüllt, ist die 1944fertiggestellte ENIAC. In der ENIAC war es im Gegensatz zur Z3 undder Harvard Mark I bereits möglich Verzweigungen und Schleifen zuprogrammieren. Diese Maschine war allerdings nicht auf flexibleProgrammierung ausgelegt, da die Programmierung überSteckverbindungen erfolgte. Dieser Rechner wurde an der University ofPennsylvania unter der Leitung von Eckert und Mauchly gebaut und1946 fertiggestellt. Die Schaltungslogik wurde in dieser Maschine mitHilfe von Trioden-Vakuum-Röhren realisiert. Diese waren in derSchaltgeschwindigkeit einige tausend mal schneller als Relais.Nachteilig war jedoch die große Störanfälligkeit und der hoheStromverbrauch.Ein bahnbrechendes Konzept bezüglich der Programmierung vonRechnern entwickelte John von Neumann. Er schlug vor Programme undDaten in einem gemeinsamen Speicher ab zu legen, um damit eine großeFlexibilität bei der Programmsteuerung zu haben. Dadurch wurde dieRekursivität der Programmsteuerung möglich, d. h. Programme konntendurch Programme verändert werden.Seite 1 – 10© R. Latz

„Technische Grundlagen der Informatik (TGI)“Prof. Dr. R. Latz_________________________________________________________________________________________________________Abbildung 1.8: Foto eines Teils des ENIAC-Rechners, der mit Vakuumröhren alsSchalter arbeiteteAbbildung 1.9: Übersicht über die Entwicklung der Schaltelemente beim Einsatz indigitalen RechnernSeite 1 – 11© R. Latz

„Technische Grundlagen der Informatik (TGI)“Prof. Dr. R. Latz_________________________________________________________________________________________________________Ein großer Fortschritt zur Realisierung von Rechnern brachte dieErfindung des Halbleitertransistors durch Shockley, Bardeen undBrattain im Jahre 1948, wofür sie 1956 den Nobelpreis erhalten haben.Der Transistor als Schalter hatte gegenüber der Vakuumröhre eine ganzeReihe von Vorteilen wie:Höhere Zuverlässigkeit, geringere Energieverbrauch, kleinereAbmessungen, höhere Schaltgeschwindigkeit.Zunächst wurden Rechner mit diskreten Transistoren realisiert, bis 1971bei Intel, unter der Leitung von Federico Faggin, der ersteMikroprozessor, der Intel 4004, entwickelt wurde. Bei einemMikroprozessor sind alle Komponenten des Prozessors auf einemeinzigen Halbleiterstück, Chip genannt, in der Regel aus Siliziumbestehend, aufgebaut.Zuvor hatte Jack Kilby 1958 den ersten integrierten Schaltkreis ( engl.Integrated Circuit kurz IC ) genannt, hergestellt bei dem vieleTransistoren auf einem einzigen Chip integriert werden. Dafür erhielt erim Jahre 2000 den Nobelpreis.Die Maschinensprache des Intel 4004 bestand aus 46 Befehlen. DerMikroprozessor war aus 2300 Transistoren aufgebaut und lief mit einerTaktfrequenz von 108 kHz.Abbildung 1.10: Sicht auf den Chip einesMikroprozessors 4004 (links) und einenvergrößerten Ausschnitt (rechts)Seite 1 – 12© R. Latz

„Technische Grundlagen der Informatik (TGI)“Prof. Dr. R. Latz_________________________________________________________________________________________________________Das Mikroprozessorkonzept war der entscheidende Durchbruch bei derEntwicklung von Rechnern und ist der Auslöser einer bis heuteandauernden „Leistungsexplosion“ bei Rechnern. Die Mikroprozessorenwerden bis heute stetig in ihrer Leistungsfähigkeit verbessert. Das istauch deutlich in der nachfolgenden Graphik zu sehen, wo die Anzahl derTransistoren in Mikroprozessoren von Intel dargestellt ist.Die Anzahl der auf einem Chip befindlichen Transistoren kann als Maßfür die rechnerische Leistungsfähigkeit des Mikroprozessors aufgefasstwerden.Abbildung 1.11: Darstellung der Entwicklung der Leistungsfähigkeit vonMikroprozessoren anhand der Anzahl an Transistoren am Beispiel vonIntelprozessorenDiese Entwicklung kann im sogenannten Moore‘schen Gesetz, das nacheinem Intelmitarbeiter benannt ist, zusammengefasst werden:Die Anzahl der auf einem Chip integrierten Transistoren verdoppeltsich alle 18 Monate.Die Erhöhung der Anzahl der Transistoren auf einem Chip, bei nahezugleicher Fläche, wird dadurch erreicht, dass die Transistoren in immerkleineren Abmessungen hergestellt werden d. h. die Strukturgröße wirdimmer kleiner und damit die Transistordichte, Anzahl Transistoren proFläche, immer größer. Eine zusätzliche Leistungssteigerung ergibt sichaber auch noch dadurch, dass diese kleineren Transistoren schnellerSeite 1 – 13© R. Latz

„Technische Grundlagen der Informatik (TGI)“Prof. Dr. R. Latz_________________________________________________________________________________________________________geschaltet werden können d. h. ein Prozessor kann mit höherer Taktratebetrieben werden. Das Moore’sche Gesetz hat jedoch keineuneingeschränkte Gültigkeit. Aufgrund physikalischer Grundgesetzewird es ab einer bestimmten Transistordichte nicht mehr gelten.Schließlich kann ein Transistor nicht beliebig klein gemacht werden.Die Leistungssteigerung auf dem Gebiet der Mikroprozessoren wirdauch sehr eindrucksvoll deutlich, wenn man einige Kenndaten des erstenMikroprozessors, des Intel 4004, mit den Kenndaten eines modernMikroprozessors, hier dem Pentium 4, vergleicht.Der Intel Pentium 4 enthält in seiner ursprünglichen Version 42 000 000Transistoren. Der Intel 4004 enthält 2300 Transistoren. Das ist eineErhöhung um den Faktor 18300!Die Taktfrequenz des Intel Pentium 4 liegt bei 1,5 GHz, die des Intel4004 bei 108 KHz. Das ist eine Erhöhung um den Faktor 13900!Abbildung 1.12: Chipfoto eines Pentium 4 ProzessorsSeite 1 – 14© R. Latz