© Lothar ThieleComputer Engineering and Networks Laboratory

Technische Informatik

1 - 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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Eingebettete Systeme

Eingebettetes System: Informationsverarbeitung ist Teil eines übergeordneten technischen Systems.

ABS

gear box

motor control

climate control

entertainment

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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.

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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, …

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Hardware

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Wir schrauben auf … .

Hauptspeicher

Festplatte

Prozessor

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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)

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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

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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

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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

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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

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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.

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No comment …

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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.

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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

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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

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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

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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

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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.

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Einführung in C

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Einführung in C