01 / Teil C / Seite 01
01.002.06
Teil C:
Datenspeicherung
CPU - Register und Cache
Hauptspeicher / RAM
Festplatten
CD und DVD
Bandlaufwerke
01.008.01
John von Neumann (1903-1957)
Entwirft das Konzeptheutiger Computer.
01.008.02
Blockdiagramm von-Neumann-Maschine
Eingabe-einheit
Ausgabe-einheit
Bus
Zentraleinheit
01.008.98
Mainboard als Neumann-Maschine
Fassungfür Zentral-einheit
Speicher fürProgrammeund Daten
Ein- undAusgabe
Ein- und Aus-gabeerweite-rungen
01 / Teil C / Seite 02
01.008.32
Aufbau des Rechenwerks
Rechenwerk Hauptkomponenten desRechenwerks:
ALU
01.008.04
Register im Rechenwerk
Rechenwerk
100...1101
Register:
speichern Daten innerhalbdes Rechenwerkes
tauschen Daten über denDatenbus mit dem Haupt-speicher aus.
Anzahl, Breite, Benennungprozessorabhängig.
01.008.15
Register des 8086 (1978)
Rechenregister
Stackpointer,Indexregister
ProzessorstatusregisterProgrammzähler
Segmentregister
IP
SPBPSIDI
FLAGSLFLAGSHCSDSESSS
AXBXCX
ALAHBLBHCLCHDLDHDX
07815
01.008.16
Register des Pentium (1993)
Rechenregister,Stackpointer,Indexregister
Proz.statusreg.Programmzähler
Segmentregister
078151631AL AXEAX AHBL BXEBX BHCL CXECX CHDL
SPBPSIDI
ESPEBPESIEDI
DXEDX DH
EIPEFLAGS
CSDSESFSGSSS
01 / Teil C / Seite 03
01.008.96
Register der AMD-x86-64-Architektur (2000)
Proz.statusreg.Programmzähler
07815163163AL AXEAXRAX AHBL BXEBXRBX BHCL CXECXRCX CHDL
SPBPSIDI
ESPEBPESIEDI
RSPRBPRSIRDI
DXEDXRDX DH
R08D R08WR08BR08R09D R09WR09BR09R10D R10WR10BR10
R12DR13DR14DR15D
R12WR13WR14WR15W
R12R13R14R15
R11D R11WR11BR12BR13BR14BR15B
R11
RIPEFLAGS
01.008.18
Register des 68000 (1979)
Rechenregister
Stackpointer,Indexregister
Proz.statusreg.PC = Programmzähler
078151631D0D1D2
D4D5D6D7
D3
FLAGS
A0A1A2
A4A5A6A7
A3
01.008.19
Register aktueller RISC-ProzessorenAlpha, Power, Mips (ab 1992)
Rechenregister,Stackpointer,Indexregister
0R0
R7
R15
R23
R31
8163263
Proz.statusreg.Programmzähler
01.008.97
Register der IA64-Architektur (1998)
Quelle: Hewlett-Packard www.hp.com
01 / Teil C / Seite 04
01.008.99
32-bit MikroprozessorenStückzahlen 1999
ARM
Typ
151
Stückzahlen in Mill. Einheiten
68k/CF 94
MIPS 57
SuperH 33
x86 29
PowerPC 10
PC (x86) 112
Mac (PPC) 8
Embedded
Bürocomputer
01.008.99 01.008.54
ALU = Arithmetic & Logic Unit
Rechenwerk
ALU
Arithmetische Einheit:
sin, cos, atan, e , ln (real)x
Typkonvertierungen
Logische Einheit:
Boolesche Operationen
01.008.56
Arithmetik-Befehle der 80x87/Pentium-Serie
AdditionSubtraktionMultiplikationDivisionModulo
sin(x)cos(x)sin&costan(x)arctan(x)
2 -1y*log (x)y*log (x+1)
x
22
Vergleich NegationAbsolutwertWurzel
01.008.55
Arithmetik-Befehle der 680xx-Serie
AdditionSubtraktionMultiplikationDivisionModulo
sin(x)cos(x)sin&costan(x)arcsin(x)arccos(x)arctan(x)
sinh(x)cosh(x)tanh(x)arctanh(x)
ee - 1102ln(x)ln(x+1)log (x)log (x)
xx
xx
102
Vergleich NegationWurzel
01 / Teil C / Seite 05
01.008.57
Arithmetik-Befehle des DEC Alpha
AdditionSubtraktionMultiplikationDivision(nur real)
Vergleich
01.009.84
Leistungsfähigkeit verschiedenerProzessorfamilien
01.009.83
Vergleich verschiedener Prozessoren
ProzessorMotorola 68kx86PPC
SPARCPentium IIIATHLON
Alpha EV67
Durchschnittl. Rechenzeit19 hr 45 min19 hr 19 min15 hr 23 min13 hr 06 min7 hr 09 min5 hr 24 min1 hr 01 min
Quelle: www.setihome.com
Durchschn. Gesamt-CPU-Leistung am 27.10.2000:74.55 TeraFLOPs/sec
01.009.95
Vergleich verschiedener Prozessoren
ProzessorMotorola 68kx86PPCIA-64
Athlon 1GHzAthlon XP 1800
Alpha EV67
Durchschnittl. Rechenzeit19 hr 45 min19 hr 19 min15 hr 23 min6 hr 49 min6 hr 32 min3 hr 18 min1 hr 01 min
Quelle: setiathome.ssl.berkeley.edu/totals.html
Durchschn. Gesamt-CPU-Leistung am 20.11.200129.51 TeraFLOPs/sec
01 / Teil C / Seite 06
01.009.94
Vergleich verschiedener Prozessoren
Quelle: c't 15/97, 14/99, www.specbench.org
ProzessorPentium 200 MHzAMD K6 200 MHz
Pentium II 300 MHzPPC604e 300 MHz
Pentium III 550 MHzPIII Xeon 550 MHzAthlon 550 MHzAthlon 1000 MHz
HP PA-8600 552 MHzAlpha 21264 833 MHz
SPECfp95SPECint95 2,83,87,98,5
13,815,120,129,464,0
100,0
4,76,2
10,813,022,323,624,342,942,150,0
Top-5 der Supercomputer 1(Stand 11.200 )
Hersteller max. Rechen-leistung [GFlops] Prozessoren
IBM
Rechner
ASCI White 7226.0 Power38192 Stück
Compaq
IBM
AlphaServer
LBNL
4059.0
3052.0
Alpha , 1GHz3024 Stück
Power33328 Stück
Intel
IBM
ASCI Red
ASCI BluePacific
2379.6
2144.0
Pentium Pro,9632 Stück
PPC 604e5808 Stück
01.008.95
09.003.25
Entwicklung der Rechenleistung
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 20000
0,81,62,43,24,04,85,66,47,28,08,89,6
Jahr
IBM ASCIBlue Pacific
IBM ASCIWhite
IntelASCIRed
DWDUni München
09.003.27
Simulation Kometeneinschlag
Komet:
Durchmesser:Masse:Geschwindigkeit:Auftreffwinkel:Auftreffpunkt:
Effekt:
New York, Long Island völlig zerstört;Wasserdampf verdunkelt die Sonne;weltweit Flutwellen.
Rechenzeit: 18h auf Intel ASCI-Red
1,4 km1 Mrd. t
20 km/s15°25 km südl. Brooklyn
01 / Teil C / Seite 07
MPEG-Film Simulationsergebnis
CPU-Reg.
L1-Cache
L2-Cache
Hauptspeicher
700 MHz256 bit
700 MHz64 bit
133 MHz
Pentium III Coppermine
01.009.28
Cache
Massenspeicheram PCI-Bus
33 MHz
Plattencache
- to cache = verstecken
- arms cache = geheimesWaffenlager
SMARTDRV.EXE
01.009.29
Systemintegration eines Caches
Rechen-werk
Steuer-werk
Cache-controller
Cache-speicher
Zentraleinheit Cache (Hardware)
Steuerleitungen
Adressleitungen
Datenleitungen Haupt-speicher
- Cachecontroller:
- Cachespeicher:
01.009.30
Geschwindigkeitsverlust durch Cacheverzicht
200 MHz Pentium / Sockel 7 Prozessor
lesen aus dem Level-1-Cache:
1
lesen aus dem Level-2-Cache:
6
lesen aus dem Hauptspeicher:
21
Anm.: Die Werte können je nach Prozessor-, Cache-und Hauptspeicherdesign stark variieren.
01 / Teil C / Seite 08
01.009.53
AMD K6-2 350 MHz, 512 kB L2-CacheFinal Reality 1.01 unter Win 98
Geschwindigkeit
100%+L1, +L2
+L1, -L2
-L1, -L2
-L1, +L2
92%
30%
17%
Quelle: Armin Gerritsen;http://www.cpusite.demon.nl/hyper/articles/cache.html
Geschwindigkeitsverlust durch Cacheverzicht
01.009.31
Cachespeicher
Technologie:
Größe:
Zugriffszeit:
Grenzen für Größeund Zugriffszeit:
statisches RAM
rund 1% der Hauptspeichergröße
so kurz wie bezahlbar
IBM: Cachespeicher mit einer Zugriffszeit = 2,5 ns
01.009.90
Cacheorganisationverschiedener Prozessoren
Pentium II
Celeron
Pentium III-600Pentium III-600
Pentium III-733
AMD Athlon
Pentium II
Celeron
Pentium III-733
AMD Athlon
Prozessor
PCs
PCs
PCsPCs
PCs
PCs
PCs
PCs
PCs
PCs
Rechner
1
1
12
2
2
2
2
1
1
Level
16 kB
16 kB
16 kB
16 kB
512 kB
128 kB
64 kB 64 kB 2-way-set
16 kB
16 kB
16 kB
16 kB512 kB
256 kB
512 kB direct mapped
Prog. Data Art
4-way-set4-way-set
8-way-set4-way-set
4-way-set
4-way-setdirect mapped
direct mapped
01.009.91
Cacheorganisationverschiedener Prozessoren
Mips R4300i
Hitachi SH4Mips R3000
Power G4Power G4Power3Alpha21264PA-8500PA-8500
N64
DreamcastSony PS
AppleApple
RS/6000Compaq
HPHP
1
11
121112 ohne
16 kB
8 kB4 kB
32 kB64 kB
512 kB-
32 kB512 - 2048 kB
8 kB
16 kB-
64 kB64 kB
1024 kB
32 kB
direct mapped
direct mappeddirect mapped
8-way-set2-way-set
2-way-set4-way-set
128-way-set
Prozessor Rechner Level Prog. Data Art
01 / Teil C / Seite 09
01.015.67
Gegenüberstellung
2 kByteSpeicher
8 kByteSpeicher
32 kByteSpeicher
128 kByteSpeicher
512 kByteSpeicher
01.015.66
Gegenüberstellung
directmapped
2-wayset
4-wayset
8-wayset
128-wayset
Direct Mapped Cache
01.015.68
Cachespeicher
Name: A.............
Name: B.............
Name: Y.............
Name: Z.............
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Nachschlagen imTelefonbuch dauertlange
Nachteil des Direct Mapped Caches
01.015.69
Cachespeicher
Name: A.............
Name: B.............
Name: Y.............
Name: Z.............
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Nr.:
die wichtigstenEinträge
Nachteil:
Starre Vergabe der verfügbarenPlätze durch Festschreibungdes zulässigen Anfangsbuch-stabens.
Grund:
01 / Teil C / Seite 10
Direct Mapped CacheErhöhung der Leistungsfähigkeit
01.015.70
vergrößerter Cachespeicher
Name: Aa..........
Name: Ab..........
Name: Zy..........
Name: Zz..........
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Nachschlagen imTelefonbuch dauertlange
2-way set associative Cache
01.015.71
zwei Cacheseiten
Nachschlagen imTelefonbuch dauertlange
Name: A.............
Name: B............
Name: Y............
Name: Z.............
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Name: A.............
Name: B.............
Name: Y.............
Name: Z.............
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Nr.:
4-way set associative Cache
01.015.72
vier Cacheseiten
Name: A.............
Name: B............
Name: Y............
Name: Z.............
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Name: A.............
Name: B.............
Name: Y.............
Name: Z.............
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Name: A.............
Name: B............
Name: Y............
Name: Z.............
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Name: A.............
Name: B.............
Name: Y.............
Name: Z.............
Nr.:
Nr.:
Nr.:
Nr.:
01.015.65
Nutzung des Caches
ja
Programmcode:i := j * 3;
Prozessor benötigt:
nein
Inhalt des Bytes $035F51BAaus dem Hauptspeicher
Cachecontroller:
aus Hauptsp. holen
liegt eine Kopie im Cache?
$035F51BA entsprichtSeite = $035F, Zeile = $51B
01 / Teil C / Seite 11
01.008.02
Blockdiagramm von-Neumann-Maschine
Speicher mitProgrammund Daten
Eingabe-einheit
Ausgabe-einheit
Bus
Rechen-werk
Steuer-werk
Zentraleinheit
01.008.03
Organisation des Hauptspeichers
Adresse
1
2
3
4
...
maxMem-2
maxMem-1
maxMem
011...10110 Typische Werte maxMem
31 Ein-Chip-Controller
127 Ein-Chip-Controller
2 -116 8-bit Prozessoren
2 -126 Grundausst. PC (1998)
2 -132
2 -164
01.008.20
Adresse
1
....
maxMem
0 110110010000100100110111.....0110
Breite der Speicherworte
Typ. Werte für die Breite der Speicherworte:
8bit, 16bit, 32bit, 64bit, 128bit, 256bit
Organisation des Hauptspeichers
01.015.01
Aufbau des Hauptspeichers
Hauptspeicher besteht aus DRAM-Modulen:(Dynamic Radom Access Memory)
01 / Teil C / Seite 12
01.015.02
Aufbau eines DRAM-Chips
01.014.13
Maximal adressierbarer Hauptspeicher
AMD Irongate Chipsatz
System
Intel 440BX ChipsatzIntel 820 ChipsatzVIA Apollo KT133 Chipsatz32-bit Prozessor (max.)HP J5000 WorkstationSiemens PRIMERGY 870Compaq AlphaServer ES40HP 9000 V2500 Enterprise Server
0,8 GByte
Größe
1,0 GByte1,0 GByte2,0 GByte4,0 GByte4,0 GByte8,0 GByte
32,0 GByte128,0 GByte
Entwicklung der Größe von Datenbanken
01.014.14
1 Megabyte
10 Megabyte
100 Megabyte
1 Gigabyte
10 Gigabyte
100 Gigabyte
1 Terabyte
10 Terabyte
100 Gigabyte
1 Petabyte
1980 1985 1990 1995 2000
max. Größe
mittl. Größe
Quelle: Computer Zeitung
Regel: Mind.10-20% derDatenbankmuss imHauptspeicher(d.h. Cache)liegen.
Massenspeicher
01.018.01
Aufgabe:
Unterscheidungsmerkmale:
Kosten pro Megabyte;
Zugriffszeit;
Lese- und Schreibgeschwindigkeit;
Gesamtkapazität;
Zuverlässigkeit;
Austauschbarkeit.
01 / Teil C / Seite 13
01.014.01
Aufbau einer Festplatte
Gehäuse
Platten mitmagnet.Oberfläche
Schreib- /Leseköpfe
drehbarerArm mitSchreib- /Leseköpfen
typischeDrehzahl:5400 U/min
01.014.02
Aufbau einer Festplatte
SpindelPlatten mitmagnet.Oberfläche
Schreib- /Leseköpfedrehbarer
Arm mitSchreib- /Leseköpfen
Arm greift kammartigin den Plattenstapel
01.014.03
Adressierung der Daten
Die magnet. Ober-fläche wird in kon-zentrische Kreiseaufgeteilt.engl.: cylinder
Massenspeicher
01.018.02
Kosten proMegabyte
0,10 -0,20 DM
0,005 -0,01 DM
0,003 -0,02 DM
0,001 -0,01 DM
ZIP Fest-platten
CD-RomDVD Band
Zugriffs-zeit
150 -250 ms
ca.9 ms
ca.200 ms
1 -1000 s
Daten-rate
200 -700 kB/s
1 -40 MB/s
0,15 -6 MB/s
0,2 -6 MB/s
Gesamt-kapazität
100 -250 MB
10 -70 GB
600 MB -18 GB
2 -70 GB
Zuverlässig-keit
+ + +++ ++
Austausch-barkeit
gut nein sehr gut bedingt
01 / Teil C / Seite 14
01.014.04
Adressierung der Daten
Der Plattenstapelwird in einzelneOberflächenaufgeteilt.engl.: head
01.014.05
Adressierung der Daten
Die konzentrischenKreise werden inSektoren aufgeteilt.engl.: sector
01.014.06
Adressierung der Daten
Benutzereingabe:
gnuplotplot 'ergfloat.txt' with lines
Betriebssystem
leseCylinder c,Head h,Sector s
01.014.07
Zeitbedarfe
Kommando:
lese Cylinder c, Head h, Sector s
Aktion mittlerer Zeitbedarf[ms]
Cylinder anfahrenHead umschaltenauf Sector wartenSector lesenBus-Transfer
Summe
6-61
0,1
13,1
6.000.000(läuft parallel)
6.000.0001.000.000
100.000
13.100.000
[ ]CPU-Takte, 1GHz CPU
Annahmen: 3,5" HDD, 5400 U/min, ATA PIO-Mode
01 / Teil C / Seite 15
CD und DVD
01.018.03
Äußere Abmessungen:
Querschnitt einer gepressten CD:
Durchmesser 120 mm
Dicke 1,2 mm
1,2 mm
AcrylLack (Label)
CD und DVD
01.018.04
Querschnitt einer einseitigen, einschichtigen DVD:
Substratklarer Kunststoff
1,2 mm
totalreflek-tierendeSchicht
Acryl
Mittelschicht
CD und DVD
01.018.05
Querschnitt einer einseitigen, zweischichtigen DVD:
Substratklarer Kunststoff
1,2 mm
halbreflek-tierendeSchicht
totalreflek-tierendeSchicht
AcrylMittelschicht
01.014.15
Innovative Festplatten
Heads:Cylinder:Kapazität:Maße:Platte:
2 221375 pro mm 787 pro mm1 GByte 73.400 MByte42,8x36,4x5,0 mm 146,0x101,6x41,6 mm2,54 mm Durchm. 88,9 mm Durchm.
IBM Ultra160IBM 340 MB Microdrive
01 / Teil C / Seite 16
CD und DVD
01.018.06
Querschnitt einer doppelseitigen, zweischichtigen DVD:
1,2 mm
Ebene 3
Ebene 2
Ebene 4
Ebene 1
CD und DVD
01.018.07
Vergleich der Datendichte
Quelle: www.howstuffworks.com
CD und DVD
01.018.08
CDs und DVDs werden voninnen nach außen gelesen
Das erlaubt Sonderformen:
Visitenkarte mit15 MB CD-Rom
Musik-Pro-motion CD
Bandgeräte
01.018.09
Gebräuchliche Systeme:
ADR 15 GB; 25 GB Fortentw. von QIC
Name Kapazität Bemerkung
AIT 25 GB; 50 GB Kassette enthält Chip
DDS bis 20 GB international genormt
DLT bis 35 GB bandschonend
QIC bis 20 GB Urvater
Travan bis 10 GB z.T. kompatibel zu QIC
01 / Teil C / Seite 17
Fortentwicklung Bandgeräte
01.018.10
Ultrium LTO
Generation 1 2 3 4
Kapazität 100 GB 200 GB 800 GB 1600 GB
Transferrate 20 MB/s 40 MB/s 80 MB/s 160 MB/s
Aufzeichnungs-verfahren
RLL 1,7 PRML PRML PRML
100 GB entspricht 150 CD-RomsTransferrate 12-fach CD-RW Laufwerk: 2 MB/s
Quelle: www.ultriumlto.com
Ultrium Bandgeräte
01.018.11
EXABYTE 110L Autoloaderhp 215Magazin mit 10 Kassettenmit je 100 GB Kapazität.
1 Kassette mit100 GB Kapazität.