© Lothar ThieleComputer Engineering and Networks Laboratory

Technische Informatik 11 ‐ Einleitung

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Technische Informatik

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Was ist Technische Informatik ?

A. Ralston, E.D. Reilly: Encyclopedia of Computer Science. Chapman & Hall.

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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.

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Prozessormarkt

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Eingebettete SystemeEingebettetes System: Informationsverarbeitung ist Teil eines 

übergeordneten technischen Systems.

ABSgear box

motor control

climate control

entertainment

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Eingebettete SystemeEinige 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.

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Komponenten eines RechnersystemsProzessor

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, …

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Hardware

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Wir schrauben auf … .

Hauptspeicher

FestplatteProzessor

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SpeicherVolatil (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)

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iPad

Prozessor Speicher

Spannungsversorgung

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iPad

Prozessor A5• 4 Graphik‐Prozessoren (GPU)• 2 Prozessorkerne

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Technologie ‐ Prozessoren

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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

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Preis

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Integrationsdichte

2015

Intel 62‐Core Xeon Phi

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Vergleich

Auflösung:  14 nm 1m Fläche:  31 mm x 21 mm 2200km x 1500km = 3.300.000 km2

Intel Xeon Phi 7290(8 Milliarden Transistoren,

14 nm Technologie, 650 mm2 Fläche)

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Performanz‐Steigerung

Beschränkt durch Leistungsverbrauch, Parallelität auf Instruktionsebene, Speicherlatenz

RISC

multi‐core

•SPECint benchmarks

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Taktrate und LeistungsverbrauchDer 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

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Taktfrequenz

Intel 80386 verbrauchte ~ 2 W

3.3 GHz Intel Core i7 verbraucht~ 100 W; Hitze muss von einem1.5 x 1.5 cm 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.

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EnergieverbrauchSenkung 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.

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LeistungsverbrauchCMOS‐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

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StrategieänderungZu 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 i7 Intel Xeon Intel Phi Intel Itanium

Oracle SPARC

4 cores 18 cores 61 cores 8 cores 16 cores3.5 GHz 2.8 GHz 1.2 GHz 2.5 GHz 3 GHZ65W 150W 300W 170W

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Prozessor

AMD multicore RYZEN

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Prozessor

Intel Xeon Phi 7290(8 Milliarden Transistoren,

14nm Technologie, ~ 650mm2 Fläche,

1.5 GHZ Taktfrequenz)

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System‐on‐ChipSamsung 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)

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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

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Einführung in CEs 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

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Einführung in C

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Einführung in C

1 ‐ 37

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 CFunktionen:

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.

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Einführung in C

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Einführung in C