Inhalt

  • Von-Neumann-Rechner
  • Speicher
  • Cache

Der Von-Neumann-Rechner

Komponenten

CPU - ALU: Arithmetic Logic Unit: Rechenwerk: Rechenoperationen und logische Verknüpfungen

CPU - Control Unit: Steuer/Leitwerk: Interpretiert Anweisungen, verschaltet Daten

Bus - System: Datenbus und Adressbus

I/O Unit - Ein/Ausgabewerk: Steuert Daten Ein/Ausgabe

Memory - Speicherwerk: Speichert in RAM / ROM

Rechen- und Leitwerk kommunizieren über BUS mit Ein/Ausgabewerk und Speicherwerk.

Der Flaschenhals

Befehle werden schnell ausgeführt, aber das Laden von Daten in den Speicher dauert oft so lange, dass die CPU wartet.

CPU-Arten

CISC - Complex Instruction Set Computer:

  • Komplexe Befehle wie Division
  • Befehlssatz meist in Microcode (Prozessor ist Mikroprogrammiert)
  • Wenig Register (x68 - 9 Register)

RISC - Reduced Instruction Set Computer:

  • Keine Komplexen Befehle
  • Befehle fest verdrahtet
  • Viele Register (PowerPC - 32 GPR Register)

Pipelining

Um die Bearbeitungszeit in RISC-Architekturen zu reduzieren können Arbeitsschritte parallelisiert werden.
Hierbei gibt es jedoch einige Situationen in denen Probleme auftreten können:

Structural-Hazards: Instruktionen benötigen dieselbe Hardware

Data-Hazards: Datenabhängigkeit bei aufeinander folgenden Instruktionen

Control-Hazards: Reihenfolge wird durch bedingte Sprünge unterbrochen

Lösungen: NOP - No Operations einfügen, Ergebnisse zwischenlagern, Prediction

Speicher und Cache

Arten

RAM: Flüchtiger Speicher

ROM: Festwertspeicher der nur gelesen werden kann

Cache: Speicher der die Daten bereithält, die wahrscheinlich als nächstes benötigt werden. Aufgebaut aus Bausteinen mit niedrigen Zugriffszeiten (SRAM). Enthält nur kleine Datenmengen, Verdrängung und Prediction sehr wichtig.

Realisierungen

Typ: DRAM - Dynamic Random Access Memory, SRAM, ROM, PROM ,EPROM ...

DRAM: Hält Informationen nur kurze Zeit, pro Bit Transistor und Kondensator, Lesen zerstört Informationen.

SRAM: Informationon wird in einer bistabilen Kippstufe gehalten. Viele Vorteile gegenüber DRAM, aber teurer und größer.

Kapazität: Größe in Byte

Technologie: DDR-SDROM (Double Date Rate Synchronous RAM)

Formfaktor: SIMM, DIMM (Dual Inline Memory Module)

Busgeschwindigkeit: Taktung

Latenzzeit: Column Address Strobe Latency (CL bzw CAS Latenzy)

Zugriffszeit: Durchschnittliche Zeit zum Lesen

Zykluszeit: Zugriffszeit + "Erholzeit"

Datenintegrität: Eccoc Correcting Code - ECC - Fehlerkorrekturmodus

Cache

Zeitliche Lokalität: Speicherstellen auf die letztlich zugegriffen wurde, werden wahrscheinlich bald wieder gebraucht.

Örtliche Lokalität: Es weirden wahrscheinlich bald Speicherstellen um die zuletzt gelesene gelesen.

Ungültige Einträge werden nicht gelöscht, sondern durch Valid-Flags als ungültig definiert.

Aufbau eines Eintrages: Daten, Adresse des Blocks, Statusbits (Valid - Modified - Dirty)

Arten: fully associative (Wird an beliebige Stelle geschrieben), direct mapped (Stelle im HS erfolgt aus Modulo), set associative (Berechnung durch Modulo für Set)

Cache Misses: Compulsory - erstmaliger Zugriff, Capacity - Daten wurden aus dem Cache entfernt, Conflict - Wurde verdrängt obwohl noch Platz war

Verdrängungsstrategien: FIFO ( First in, First out), LRU (Last Recently Used)