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Commit ab3c5fe0 authored by Peter Gerwinski's avatar Peter Gerwinski
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Vortragsfolien 7.6.2022

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% pgslides.sty - LaTeX Settings for Lecture Slides
% Copyright (C) 2012, 2013 Peter Gerwinski
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% modify it either under the terms of the Creative Commons
% Attribution-ShareAlike 3.0 License, or under the terms of the
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% Foundation, either version 3 of the License, or (at your option)
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% but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
% MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the
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% document. If not, see <http://creativecommons.org/licenses/>.
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\usepackage[utf8]{luainputenc} % Without this, umlauts are broken. Weird.
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%% @@@ Not necessary for slides. Why???
%% Repair kerning: Automatically insert "\kern{-0.15em}" between "//" % (in URLs).
%\directlua{
% local glyph = node.id ("glyph")
% local function my_kerning (head)
% for t in node.traverse (head) do
% if t.id == glyph and t.char == 47 then
% if t.next
% and t.next.next
% and t.next.next.id == glyph
% and t.next.next.char == 47 then
% local k = node.new ("kern")
% k.kern = tex.sp ("-0.15em")
% k.next = t.next
% k.prev = t
% t.next.prev = k
% t.next = k
% end
% end
% end
% node.kerning (head)
% end
% luatexbase.add_to_callback ("kerning", my_kerning, "URL kerning")
%}
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\makebox(0,0)[tr]{\includegraphics[scale=0.5]{logo-hochschule-bochum.pdf}}%
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\begin{frame}[t,plain]
\insertinstitute
\par\vfill
\begin{center}
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{\large \insertauthor\par}\bigskip\medskip
\insertdate
\end{center}
\end{frame}
\else
\begin{frame}
\vfill
\begin{center}
{\LARGE\color{structure}\inserttitle\par}\bigskip\bigskip
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\insertdate
\end{center}
\vfill
\end{frame}
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% rtech-20220607.pdf - Lecture Slides on Computer Technology
% Copyright (C) 2012, 2013, 2014, 2021, 2022 Peter Gerwinski
%
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% README: Architekturmerkmale von Prozessoren, CPU-Stack
\documentclass[10pt,t]{beamer}
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\title{Rechnertechnik}
\author{Prof.\ Dr.\ rer.\ nat.\ Peter Gerwinski}
\date{7.\ Juni 2022}
\begin{document}
\maketitleframe
\sectionnonumber{\inserttitle}
\begin{frame}
\showsectionnonumber
\begin{itemize}
\item[\textbf{1}] \textbf{Einführung}
\item[\textbf{2}] \textbf{Vom Schaltkreis zum Computer}
\begin{itemize}
\item[2.1] Logik-Schaltkreise
\item[2.2] Binärdarstellung von Zahlen
\item[2.3] Vom Logik-Schaltkreis zum Addierer
\item[2.4] Negative Zahlen
\item[2.5] Vom Addierer zum Computer
\item[2.6] Computer-Sprachen
\item[2.7] Programmieren in Assembler
\color{medgreen}
\item[2.8] Struktur von Assembler-Programmen
\end{itemize}
\item[\textbf{3}] \textbf{Architekturmerkmale von Prozessoren}
% \color{gray}
\item[\textbf{4}] \textbf{Der CPU-Stack}
% \item[\textbf{5}] \textbf{Hardwarenahe Programmierung}
% \item[\textbf{6}] \textbf{Anwender-Software}
% \item[\textbf{7}] \textbf{Bus-Systeme}
% \item[\textbf{8}] \textbf{Pipelining}
\item[\textbf{\dots\hspace{-0.75em}}]
% \item[\textbf{9}] \textbf{Ausblick}
\end{itemize}
\end{frame}
\setcounter{section}{2}
\section{Architekturmerkmale von Prozessoren}
\subsection{Speicherarchitekturen}
\begin{frame}
\showsection
\showsubsection
Bezeichnungen
\begin{itemize}
\item
\newterm{Bit\/} = 0 oder 1 -- kleinste Einheit an Information
\item
\newterm{Byte\/} = Zusammenfassung mehrerer \newterm{Bits}\\
zu einer Binärzahl, die ein Zeichen (\newterm{Character\/}) darstellen kann,\\
häufig 8 Bits (\newterm{Oktett\/})
\item
\newterm{Speicherwort\/} = Zusammenfassung mehrerer Bits\\
zu der kleinsten adressierbaren Einheit, häufig 1 Byte
\item
\newterm{RAM\/} = \newterm{Random Access Memory\/} = Hauptspeicher
\item
\newterm{ROM\/} = \newterm{Read Only Memory\/} = nur lesbarer Speicher
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}
\showsubsection
Verschiedene Arten von Speicher
\begin{itemize}
\item
\newterm{Prozessor-Register}\\
können direkt mit ALU verbunden werden,\\
besonders schnell (Flipflops),\\
überschaubare Anzahl von Registern
\item
\newterm{Hauptspeicher}\\
kann direkt adressisert und mit Prozessor-Registern abgeglichen werden,\\
heute i.\,d.\,R.\ dynamischer Speicher (Kondensatoren)
\item
\newterm{I/O-Ports}\\
sind spezielle Speicheradressen, über die\\
mit externen Geräten kommuniziert wird
\item
\newterm{Massenspeicher}\\
liegt auf externem Gerät, wird über I/O-Ports angesprochen,\\
Festplatte, Flash-Speicher, \dots
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}
\showsubsection
\begin{itemize}
\item
\newterm{Von-Neumann-Architektur}\\
Es gibt nur 1 Hauptspeicher, in dem sich sowohl die Befehle\\
als auch die Daten befinden.
\begin{onlyenv}<1>
Vorteil: Flexibilität in der Speichernutzung
Nachteil: Befehle können überschrieben werden.\\
$\longrightarrow$ Abstürze und Malware möglich
\end{onlyenv}
\pause
\item
\newterm{Harvard-Architektur}\\
Es gibt 2 Hauptspeicher. In einem befinden sich die Befehle,\\
im anderen die Daten.
\begin{onlyenv}<2>
Vorteil: Befehle können nicht überschrieben werden\\
$\longrightarrow$ sicherer als Von-Neumann-Architektur
Nachteile: Leitungen zum Speicher (Bus) müssen doppelt vorhanden sein,\\
freier Befehlsspeicher kann nicht für Daten genutzt werden.
\end{onlyenv}
\pause
\item
Weitere Kombinationen\\
Hauptspeicher und I/O-Ports gemeinsam oder getrennt,\\
Hauptspeicher und Prozessorregister gemeinsam oder getrennt
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}
\showsubsection
Beispiele:
\begin{itemize}
\item
Intel IA-32 (i386, Nachfolger und Kompatible):\\
Von-Neumann-Architektur (plus Speicherschutzmechanismen),\\
Prozessorregister und I/O-Ports vom Hauptspeicher getrennt
\item
Atmel AVR (z.\,B.\ ATmega):\\
Harvard-Architektur (Befehlsspeicher als Flash-Speicher grundsätzlich auch schreibbar),\\
Prozessorregister und I/O-Ports in gemeinsamem Adressbereich mit Hauptspeicher
\item
6502, Renesas-Mikro-Controller:\\
Von-Neumann-Architektur,\\
I/O-Ports in gemeinsamem Adressbereich mit Hauptspeicher,\\
Prozessorregister und Hauptspeicher getrennt
\end{itemize}
\end{frame}
\subsection{Registerarchitekturen}
\begin{frame}[fragile]
\showsubsection
\vspace*{-\medskipamount}
\begin{itemize}
\item
Mehrere Register, einzeln ansprechbar
\item
\newterm{Akkumulator\/}: Nur 1 Register kann rechnen.
\item
\newterm{Stack-Architektur\/}: Stapel, "`umgekehrte Polnische Notation"'
\end{itemize}
\pause
Operationen: typischerweise nur
\lstinline{=}, \lstinline{+=}, \lstinline{-=}, \lstinline{*=}, \lstinline{/=}, \dots
\pause
\medskip
Beispiel: \lstinline{c = a + 2 * b;}
\pause
\medskip
\begin{minipage}[t]{2cm}
C:\smallskip\par
\begin{lstlisting}[gobble=6]
R = b;
R *= 2;
R += a;
c = R;
\end{lstlisting}
\end{minipage}\pause
\begin{minipage}[t]{4cm}
Mehrere Register:\smallskip\par
\begin{lstlisting}[style=asm,gobble=6]
movl (b), %eax
imull $2, %eax, %eax
addl (a), %eax
movl %eax, (c)
\end{lstlisting}
\smallskip\par
(IA-32-Assembler)
\end{minipage}\pause
\begin{minipage}[t]{3cm}
Akkumulator:\smallskip\par
\begin{lstlisting}[style=asm,gobble=6]
load (b)
mul $2
add (a)
store (c)
\end{lstlisting}
\smallskip\par
(Pseudo-Assembler)
\end{minipage}\pause
\begin{minipage}[t]{3cm}
Register-Stack:\smallskip\par
\begin{lstlisting}[style=asm,gobble=6]
push (a)
push (b)
push $2
mul
add
pop (c)
\end{lstlisting}
\end{minipage}
\end{frame}
\begin{frame}
\showsubsection
Beispiele:
\begin{itemize}
\item
Intel IA-32 (i386, Nachfolger und Kompatible):\\
Mehrere Register, für verschiedene Zwecke spezialisiert (unübersichtlich),\\[\smallskipamount]
Fließkommaregister: Stack-Architektur
\item
Atmel AVR (z.\,B.\ ATmega):\\
32 Register
\item
6502, Renesas-Mikro-Controller:\\
3 Register: A, X, Y. Nur A kann rechnen $\longrightarrow$ Akkumulator
\item
Java Virtual Machine (JVM):\\
Stack-Architektur
\item
Redcode:\\
Jede Speicherzelle fungiert als Register
\end{itemize}
\end{frame}
\subsection{Befehlssätze}
\begin{frame}
\showsubsection
\begin{itemize}
\item
\newterm{Complex Instruction Set Computer (CISC)}
\smallskip
Umfangreiche Befehlssätze, mächtige Befehle
\begin{onlyenv}<1>
\textarrow\ komfortable manuelle Programmierung in Assembler\\
\textarrow\ längere Abarbeitungszeit der einzelnen Befehle
\smallskip
Realisierung: "`Prozessor im Prozessor"' -- \newterm{Mikroprogramme}
\smallskip
Beispiele: IA-32, AMD-64
\end{onlyenv}
\medskip
\pause
\item
\newterm{Reduced Instruction Set Computer (RISC)}
\smallskip
wenige, wenig mächtige Befehle
\begin{onlyenv}<2>
\textarrow\ Programmierung in Assembler für Menschen unkomfortabel\\
\textarrow\ schnelle Abarbeitung der Befehle
\smallskip
Beispiele: Atmel AVR, Redcode
\end{onlyenv}
\pause
\medskip
\item
\newterm{Very Long Instruction Word (VLIW)\/} und\\
\newterm{Explicitly Parallel Instruction Computing (EPIC)}
\smallskip
mehrere Befehle gleichzeitig ausführbar
\begin{onlyenv}<3>
\textarrow\ mehr Rechenleistung möglich\\
\textarrow\ Programmierung sehr aufwendig
\smallskip
Beispiel: IA-64
\end{onlyenv}
\pause
\medskip
\item
\newterm{Orthogonaler Befehlssatz}
\smallskip
jeder Befehl mit jeder Adressierungsart kombinierbar
\end{itemize}
\end{frame}
\section{Der CPU-Stack\label{CPU-Stack}}
\addtocounter{subsection}{-1}
\subsection{Was ist ein Stack?}
\begin{frame}[fragile]
\showsection
\showsubsection
\bigskip
\iffalse
\begin{minipage}[b]{6cm}
\begin{center}
"`First In -- First Out"'
\bigskip
\begin{picture}(6,4)
\thicklines
\color{structure}
\put(0.5,0){\line(1,0){5}}
\put(3.5,0){\only<1-5>{\line(0,1){1}}}
\put(4.5,0){\only<1-4>{\line(0,1){1}}}
\put(3.5,1){\only<1-4>{\line(1,0){1}}}
\put(4.0,0.5){\only<1-4>{\makebox(0,0){\lstinline{3}}}}
\put(3.0,1.5){\only<1>{\makebox(0,0)[tl]{\tikz{\draw[-latex, line width=1pt](0,0)--(0.45,-0.45);}}}}
\put(3.0,1.5){\only<1>{\makebox(0,0)[b]{\lstinline{push (3)}}}}
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\put(2.5,1){\only<2-5>{\line(1,0){1}}}
\put(3.0,0.5){\only<2-5>{\makebox(0,0){\lstinline{7}}}}
\put(2.0,1.5){\only<2>{\makebox(0,0)[tl]{\tikz{\draw[-latex, line width=1pt](0,0)--(0.45,-0.45);}}}}
\put(2.0,1.5){\only<2>{\makebox(0,0)[b]{\lstinline{push (7)}}}}
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\put(1.5,1){\only<3-6>{\line(1,0){1}}}
\put(2.0,0.5){\only<3-6>{\makebox(0,0){\lstinline{137}}}}
\put(1.0,1.5){\only<3>{\makebox(0,0)[tl]{\tikz{\draw[-latex, line width=1pt](0,0)--(0.45,-0.45);}}}}
\put(1.0,1.5){\only<3>{\makebox(0,0)[b]{\lstinline{push (137)}}}}
\put(4.55,1.05){\only<4>{\makebox(0,0)[bl]{\tikz{\draw[-latex, line width=1pt](0,0)--(0.45,0.45);}}}}
\put(5.00,1.60){\only<4>{\makebox(0,0)[b]{\lstinline{pop ()}: 3}}}
\put(3.55,1.05){\only<5>{\makebox(0,0)[bl]{\tikz{\draw[-latex, line width=1pt](0,0)--(0.45,0.45);}}}}
\put(4.00,1.60){\only<5>{\makebox(0,0)[b]{\lstinline{pop ()}: 7}}}
\put(2.55,1.05){\only<6>{\makebox(0,0)[bl]{\tikz{\draw[-latex, line width=1pt](0,0)--(0.45,0.45);}}}}
\put(3.00,1.60){\only<6>{\makebox(0,0)[b]{\lstinline{pop ()}: 137}}}
\end{picture}
\bigskip
FIFO = Queue = Reihe
\end{center}
\end{minipage}\hfill
\fi
\begin{minipage}[b]{6cm}
\begin{center}
"`Last In -- First Out"'
\bigskip
\begin{picture}(6,4)
\thicklines
\color{structure}
\put(1.5,0){\line(1,0){3}}
\put(2.5,0){\line(0,1){1}}
\put(3.5,0){\line(0,1){1}}
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\put(3.55,1.05){\only<6>{\makebox(0,0)[bl]{\tikz{\draw[-latex, line width=1pt](0,0)--(0.45,0.45);}}}}
\put(4.00,1.60){\only<6>{\makebox(0,0)[b]{\lstinline{pop ()}: 3}}}
\end{picture}
\bigskip
LIFO = Stack = Stapel
\end{center}
\end{minipage}
%
% \dots
\end{frame}
\subsection{Implementation}
\begin{frame}
\showsection
\showsubsection
Speicher, in dem Werte "`gestapelt"' werden: \newterm{Stack}
\begin{itemize}
\item
Speicherbereich (ein array) reservieren
\item
Variable (typischerweise: Prozessorregister) als
\newterm{Stack Pointer\/} reservieren \textarrow\ \lstinline{SP}
\item
Assembler-Befehl \lstinline[style=asm]{push foo}: \quad
\lstinline{*SP++ = foo;}
\item
Assembler-Befehl \lstinline[style=asm]{pop bar}: \quad
\lstinline{bar = *--SP;}
\end{itemize}
\pause
\medskip
Speziell: Unterprogramme
\end{frame}
\subsection{Unterprogramme}
\begin{frame}[fragile]
\showsection
\showsubsection
\begin{minipage}[t]{4.5cm}
Parameter:
\begin{itemize}
\item
Prozessorregister
\item
CPU-Stack
\end{itemize}
\smallskip
Rückgabewert:
\begin{itemize}
\item
Prozessorregister
\end{itemize}
\end{minipage}%
\begin{minipage}[t]{5cm}
Aufruf:
\begin{itemize}
\item
\lstinline[style=asm]{push IP}\\
\lstinline[style=asm]{jmp foo}
{\color{red}\boldmath $\longleftarrow$ mov \#foo IP}\\
\textarrow\ \lstinline[style=asm]{call foo}
\end{itemize}
Rücksprung:
\begin{itemize}
\item
\lstinline[style=asm]{pop IP}\\
\textarrow\ \lstinline[style=asm]{ret}
\end{itemize}
\end{minipage}
\end{frame}
\subsection{Register sichern}
\begin{frame}
\showsection
\showsubsection
Ein Unterprogramm verändert Registerinhalte.
\begin{itemize}
\item
im Hauptprogramm nötigenfalls vor Aufruf sichern
\item
im Unterprogramm vor Benutzung sichern
\item
Kombinationen (manche Register so, manche so)
\end{itemize}
\end{frame}
\end{document}
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