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© Lothar ThieleComputer Engineering and Networks Laboratory
Technische Informatik
1 - Einleitung
1 - 2
Technische Informatik
1 - 3
Was ist Technische Informatik ?
A. Ralston, E.D. Reilly: Encyclopedia of Computer Science. Chapman & Hall.
1 - 4
Anwendungen der Technischen Informatik
Desktop-Computer/Laptop/Tablet
Allgemeine Verwendung; vielfältige Software; üblicherweise mit Tastatur, Maus, Graphikbildschirm (Desktop) oder nur mit berührungsempfindlichem Bildschirm (Tablet)
Wesentliche Entwurfskriterien: Kosten vs. Performanz und Energieverbrauch
Server
Varianten: Supercomputer für wissenschaftliche Anwendungen, vernetze Computersysteme, «Data Center»
Gleichzeitige Bedienung mehrerer Nutzer
Hohe Rechenleistung und Speicherkapazität
Eingebettete Systeme
Verborgen als Teil eines Gesamtsystems.
Zugeschnitten auf den jeweiligen Anwendungsbereich.
1 - 5
Eingebettete Systeme
Eingebettetes System: Informationsverarbeitung ist Teil eines übergeordneten technischen Systems.
ABS
gear box
motor control
climate control
entertainment
1 - 6
Eingebettete Systeme
Einige Eigenschaften eingebetteter Systeme
Echtzeitfähig: Sie werden oft in zeitkritischen Anwendungen eingesetzt, bei denen die Antwort innerhalb bestimmter Zeitschranken erforderlich ist.
Spezialisiert: Eingebettete Systeme sind auf den jeweiligen Anwendungsbereich zugeschnitten und optimiert. Sie sind üblicherweise nicht vom Benutzer programmierbar.
Zuverlässig: Sie müssen oft hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit genügen, z.B. Luftfahrt, Auto, Medizintechnik.
Effizient: Eingebettete Systeme müssen oft in verschiedener Hinsicht effizient sein, z.B. Grösse, Gewicht, Leistungs- und Energieverbrauch, Speicherverbrauch, Rechenleistung.
1 - 7
Komponenten eines Rechnersystems
Prozessor
Datenpfad (führt Operationen auf Daten aus)
Steuerung (Bestimmt die Reihenfolge der Operationen, Speicherzugriffe)
Speicher
Cache (schneller, kleiner Speicher für sofortigen Datenzugriff)
Hauptspeicher
Festplatte, CD/DVD, Flash-Speicher
Ein-Ausgabe
Netzwerkzugriff
Maus, Bildschirm, …
1 - 8
Hardware
1 - 9
Wir schrauben auf … .
Hauptspeicher
Festplatte
Prozessor
1 - 10
Speicher
Volatil (nicht permanent)
Hauptspeicher, DRAM (dynamic random access memory)
Cache, SRAM (static random access memory)
Permanent
Flash-Speicher (nicht volatiler Halbleiterspeicher)
Optische Platten (CDROM, DVD)
Festplatte (magnetic disk)
1 - 11
iPad
Prozessor Speicher
Spannungsversorgung
1 - 12
iPad
Prozessor A5
• 4 Graphik-Prozessoren (GPU)
• 2 Prozessorkerne
1 - 13
Technologie - Prozessoren
1 - 14
Technologieentwicklung
2015 Intel i7-5775R(3.8 GHz)
7MB(on chip)
$50065 300.000.000.000instructions/s
150.000.000.000 $500 1.150.000.000.000
mit Vorsicht zu interpretieren
2
1 - 15
Preis
1 - 16
Integrationsdichte
1 - 17
Vergleich
Auflösung: 14 nm
Fläche: 31 mm x 21 mm
Intel Xeon Phi 7290(8 Milliarden Transistoren,
14 nm Technologie, 650 mm2 Fläche)
1m
2200km x 1500km = 3.300.000 km2
1 - 18
Vergleich
Auflösung: 14 nm
Fläche: 31 mm x 21 mm
Intel Xeon Phi 7290(8 Milliarden Transistoren,
14 nm Technologie, 650 mm2 Fläche)
1mm
2200m x 1500m
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Trends in Rechnerarchitekturen
1 - 20
Taktrate und Leistungsverbrauch
Der Pentium 4 brachte einen starken Anstieg in Taktrate und Leistungsverbrauch.
Die thermischen Probleme führten zu einer neuen Strategie:
niedrigerere Taktrate
mehrere Prozessorkerne.
•Taktrate und Leistungsverbrauch für Intel x86 Prozessoren
1 - 21
Taktfrequenz
Intel 80386 (since 1985) verbrauchte ~ 2 W
3.6 GHz Intel Core i9 verbraucht~ 100 W; Hitze muss von einem175 mm2 Chip abgeleitetwerden.
1.5 GHz Intel Xeon Phi verbraucht 245 W bei einerFläche von 3.1 x 2.1 cm .
Dies ist in etwa die Grenze fürLuftkühlung.
1 - 22
No comment …
1 - 23
Energieverbrauch
Senkung des Energieverbauchs von Rechnerarchitekturen ist einesder wichtigsten Entwurfsziele:
Wesentliches Merkmal tragbarer Geräte ist ein niedriger Energieverbrauch.
Möglichkeiten auf allen Ebenen einer Rechnerarchitektur:
Technologie
Schaltungstechnik
Rechnerarchitektur
Speicherorganisation
Betriebssystem
In den vergangenen Jahren wurden in Bezug auf die Energieeffizienz erhebliche Fortschritte erzielt.
1 - 24
Leistungsverbrauch
CMOS-Technologie:
Leistung Lastkapazität x Spannung2 x Taktrate
Rechenleistung (Performanz) Taktrate
Wie kann man auf andere Weise die Performanz erhöhen?
neue Rechnerarchitekturen
5V 1V, kann nicht vielweiter reduziert werden
hängt ab von der Zahl der schaltenden Transistoren und der Technologie
Wärme kann nicht schnellerabgeführt werden
bei gleicher Rechnerarchitektur
1 - 25
Strategieänderung
Zu hoher Leistungsverbrauch hat zu neuen Rechnerarchitekturen geführt:
Geringere Taktraten, mehrere Prozessorkerne auf einer Schaltung, Multicore-Mikroprozessoren
Planung: Verdoppelung der Prozessorkerne alle 2 Jahre
Probleme:
Parallele Programmierung, geringe Parallelität in Anwendungsprogrammen, Lastverteilung
Kommunikation zwischen den Prozessoren, Synchronisation
Intel i99960 X
Intel Phi Intel i99900
AMD Ryzen3990X
16 cores 72 cores 8 cores 64 cores
3.1 GHz 1.5 GHz 3.1 GHz 2.9 GHZ
165W 300W 65W 280 W
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Prozessor
AMD multicore RYZEN 7 3800X: 8 cores; 19.2 Milliarden Transistoren; 105 W; 7nm / 12 nm technology
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System-on-Chip
Samsung Galaxy S6– Exynos 7420 System on a Chip (SoC)
– 8 ARM Cortex processing cores (4 x A57, 4 x A53)
– 30 nanometer: transistor gate width
•Exynos 5422
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Technologie - Speicher
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Speicherkapazität
Speicherdichte steigt etwa 45% pro Jahr
Zugriffszeit sinkt mit etwa 6% pro Jahr
•Speicherkapazität für dynamische Speicher (DRAM)
2020
64G
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Prozessor-Speicher Lücke
Milderung durchkomplexe hierarchischeSpeicherarchitekturen
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Typische DRAM-Speicherarchitektur
Beispiel einer DRAM (dynamic random accessmemory) Architektur
Üblicherweise enthält einDRAM CHIP mehreresolcher Speicherbänke..
Speichermatrix
Zeilenadresse
Spaltenadresse
schneller statischerZeilenspeicher
relativ langsamesöffnen einer Zeile
relativ schnellerZugriff auf Spalten einerZeile
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Einführung in C
1 - 33
Einführung in C
Es folgt eine sehr kurze Einführung in C, die lediglich den Einstieg in die Übung erleichtern soll.
Dieses Kapitel ist zum Selbststudium gedacht.
Nur die minimal notwendigen Konzepte werden dargestellt.
Literatur:
Kerninghan, Richie: The C Programming Language
1 - 34
Einführung in C
1 - 35
Einführung in C
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Einführung in C
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Einführung in C
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Einführung in C
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Einführung in C
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Einführung in C
Funktionen:
Parameter werden immer “by value“ übergeben. Die Funktion arbeitet also immer mit einer Kopie der Parameter.
Die Rückgabe von Ergebnissen kann also erfolgen
als Ergebniswert der Funktion, oder
indem direkt Daten der rufenden Funktion geändert werden. Hierzu ist der gerufenen Funktion der Zeiger auf diese Daten zu übergeben (“call byreference“).
Arrays werden durch den Zeiger auf das erste Element übergeben.
1 - 41
Einführung in C
1 - 42
Einführung in C