Technische Informatik I - Universität Ulm · Technische Informatik I, SS 2001 A. Strey , Universität Ulm Kapitel 0 : Einführung 2 Inhalt Einführung: Überblick über die historische

Technische Informatik I

SS 2001

PD Dr. A. Strey

Abteilung Neuroinformatik

Universität Ulm

Technische Informatik I, SS 2001A. Strey , Universität Ulm

Kapitel 0 : Einführung2

Inhalt

Einführung: Überblick über die historische Entwicklung der Rechnerhardware

Teil 1: Digitale Logik

• kurzer Exkurs technologische Grundlagen

• Boolesche Algebra

• kombinatorische Logik

• sequentielle Logik

• programmierbare logische Bausteine



Inhalt (Forts.)

Teil 2: Rechnerorganisation• Rechnerarithmetik

• Mikroprogrammierung

• Entwurf eines hypothetischen Prozessors

• Speicherorganisation

Teil 3: Grundlegende Konzepte von Betriebssystemen• Prozeßbegriff

• Speicherverwaltung

• Virtueller Speicher



Ziel

• Möglichkeiten und Grenzen moderner Hardware kennenzulernen

• E/A-Geräte anzusteuern• effiziente Programme zu implementieren• zeitkritische Routinen in Maschinensprache kodieren

zu können• die Grundlagen für den Entwurf digitaler Hardware

bereitzustellen

Verständnis des Aufbaus und der Arbeitsweise eines Computers, z.B. um



Literatur

• A. Clements: The Principles of Computer Hardware, 3. Auflage, Oxford University Press, 2000

• L. Keedy, J. Kaiser: Skript Technische Informatik, Teile 1 und 2

• W. Oberschelp, G. Vossen: Rechneraufbau und Rechnerstrukturen, 8. Auflage, Oldenbourg Verlag, 2000

• W. Coy: Aufbau und Arbeitsweise von Rechenanlagen, Vieweg Verlag, 1988

• J.L. Hennessy, D.A. Patterson: Computer Organization and Design, Morgan Kaufmann 1994

• H. Liebig, S: Thome: Logischer Entwurf digitaler Systeme, 3. Auflage, Springer 1996



Organisatorisches

• Vorlesung: Mi 14-16 (Klinik), Do 14-16 (H4/5)

• Übung: Di 16-18 (ca. 14-tägig), Beginn: 15.5.01,

weitere Termine am 22.5., 5.6., 19.6., 3.7., 17.7.01

• Praktikum: Vorbesprechung und Einteilung am

Di, 08.05.01, 16-18 im H1 (Pflichtveranstaltung !)

Versuch 1 (kombinatorische Logik) vom 28.5.-8.6.01,

Versuch 2 (sequentielle Logik) vom 18.6.-29.6.01,

Versuch 3 (Zustandsmaschinen) vom 9.7.-20.7.01



Historische Entwicklung: Frühzeit

8500 v. Chr.: Zählsysteme• in vielen Kulturen benutzt

• häufig 5 oder 10 als Basis

3000 v. Chr.: Abacus

• älteste mechanische Rechenhilfe

• Ursprung in Babylonien, noch heute in China benutzt

• 2 Zonen: „heaven“, „earth“

• einfache Algorithmen nötig



Historische Entwicklung: 1600-1700

1642: Pascaline• entwickelt von B. Pascal

• auf Zahnrädern basierend

• Addition von zwei bis zu 8-stelligen Dezimalzahlen

• Subtraktion nur mit 10er Komplement

1673: „Stepped Reckoner“• entwickelt von G.W. Leibniz

• Staffelwalze für Mult., Div.




1804: Lochkarte• entwickelt von Jacquard zur

Steuerung eines Webstuhls

• Unterschiedliche Webmuster durch unterschiedlich gelochte Holzbrettchen

⇒ erster Nur-Lese-Speicher (ROM) für Programme



Historische Entwicklung: 1800-1900 (Forts.)

1830: „analytic engine“• entwickelt von C. Babbage• Leitwerk, programmierbar mit

Lochkarten• Rechenwerk ( „mill“ )• Speicher ( „store“ ) für 1000

Dezimalzahlen aus 50 Stellen• Ein-/Ausgabe mit Lochkarten• Verzweigungen möglich

⇒ erster universeller Rechner



Historische Entwicklung: 1800-1900 (Forts.)

1850: Boolesche Algebra• entwickelt von G. Boole• binäre logische Operationen• mathematische Basis für

moderne Digitalrechner

1890: Tabelliermaschine• entwickelt von H. Hollerith zum

schnellen Zählen und Sortieren• Holleriths „Tabulating Machine

Company“ wurde 1924 zur IBM




1941: Z3• entwickelt von K. Zuse• 10 Hertz Taktfrequenz• basierend auf 2200 Relais• 22-stellige Binärzahlen

(im Gleitkomma-Format)• dezimale Ein-/Ausgabe• Speicher mit 64 Worten• Steuereinheit mit Sequenzer• Addition in 3 Takten,

Multiplikation in 16 Takten



Historische Entwicklung: seit 1945

Zeitalter der elektronischen Digitalrechner

1. Generation (1940-1955): mit Vakuumröhren

2. Generation (1955-1965): mit Transistoren

3. Generation (1965-1980): mit ICs

4. Generation (seit 1980): mit VLSI



Historische Entwicklung: seit 1945 (Forts.)

1946: ENIAC• 18000 Röhren, 1500 Relais

• 130 m2, 30 Tonnen, 140 kW

• dezimale Kodierung

• ca. 5000 Additionen je Sek.

• 20 Akkumulatoren, 1 Multi-plizierer, 3 Funktionstabellen

• programmiert durch Kabel

• E/A mittels Lochkarten

• gebaut für ballistische Berechnungen




• Speicherwerk enthält Programme und Daten

• Rechenwerk mit ALU und Registern

• zentrales Steuerwerk mit „fetch-decode-execute“ Instruktionszyklus

• E/A-Werk mit Daten-Umwandlung

• binäre Kodierung

1946: „von-Neumann“ Maschine




1961: PDP-1• gebaut von DEC• auf Transistortechnik basiert• magnetischer Kernspeicher

für 4096 18-Bit Worte• 200 kHz Takt• CRT, 512 x 512 Pixel Grafik⇒ erster Minicomputer

Es folgten: PDP-8 mit Omnibus (erstes Bussystem, 1965), PDP-11 mit 16-Bit Worten (1970)



Historische Entwicklung: seit 1965

IBM System/360• erste Rechnerfamilie mit

gleichem Instruktionssatz

• Mehrprogrammbetrieb

• Mikroprogammierung

• 32-Bit Worte

• 16 Mbyte Adreßraum



Historische Entwicklung: seit 1975Mikroprozessoren am Beispiel Intel:1974: Intel 8080 (erste universelle

8-Bit CPU auf einem Chip)1978: Intel 8086 (erste 16-Bit CPU

auf einem Chip)1981: Einführung des IBM PC1985: Intel 80386 (erste 32-Bit CPU)1989: Intel 80486 (Cache auf Chip)1993: Intel Pentium (zwei Pipelines)1995: Intel Pentium Pro (bis zu fünf

Instruktionen gleichzeitig)




Weitere Meilensteine der Computer-Hardware:1976: Cray-1 (erster Vektorrechner)

1985: MIPS (erster RISC-Mikroprozessor)

1987: Connection Machine (erster massiv paralleler Rechner mit 65536 Prozessoren)

1992: DEC Alpha 21064 (erster RISC-Mikroprozessor mit 64-Bit CPU)

1997: Supercomputer ASCI Red liefert mehr als 1 TFlops

2000: erster Mikroprozessor mit 1 GHz Taktfrequenz



Leistungssteigerung 1975-2000



Komplexitätssteigerung 1975-2000



Architektur eines einfachen Computers



Schichtenmodell eines Computers

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