Praktische Informatik 1

3.3 Aufbau PC/embedded system, Speicher

Heutige PCs sind meist prinzipiell nach der von-Neumann-Architektur , mit o.g. Erweiterungen, konstruiert. Beispiel (Gumm/Sommer p55)



Prinzipiell ist dieser Aufbau auch in den meisten eingebetteten Steuergeräten zu finden. Beispiel: ein Steuergerät im Audi quattro, welches zwei separate Prozessoren für Zündung und Ladung enthält, und ein seriell einstellbares Drehzahlsteuergerät für Elektromotoren.

Unterschiede zur „normalen“ Rechnerarchitektur:

• 
  Ein- und Ausgabegeräte sind Sensoren und Aktuatoren
  
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  Wandlung analoger in digitale Signale und umgekehrt auf dem Chip (A/D D/A)
  
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  Der Speicher ist oft nichtflüchtig und manchmal mit dem Prozessor integriert
  
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  Meist wird nur wenig Datenspeicher benötigt, der Programmspeicher wird nur bei der Produktion oder Wartung neu beschrieben ( andere Speicherkonzepte)
  
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  Hohe Stückzahlen verursachen Ressourcenprobleme (Speicherplatz)
  
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  Oft komplizierte Berechnungen mit reellen Zahlen (DSP, digitale Signalprozessoren), spezialisierte ALUs für bestimmte numerische Algorithmen.
  

Speicher

Speicher dienen zur temporären oder permanenten Aufbewahrung von (binär codierten) Daten. Sie können nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden

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  Permanenz: flüchtig – nichtflüchtig (bei Ausfall der elektrischen Spannung)
  
  • 
    Halbleiterspeicher sind meist flüchtig, magnetische / optische Speichermedien nicht.
    
  • 
    So genannte Flash Speicher sind nichtflüchtige Halbleitermedien, die elektrisch beschrieben und gelöscht werden können. Bei Flash-Speichern ist nicht jedes einzelne Bit adressierbar, die Zugriffe erfolgen auf Sektorebene ähnlich wie bei Festplatten. Vorteil: keine mechanisch bewegten Teile.
    
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  Geschwindigkeit: Zugriffszeit (Taktzyklen oder ns) pro Wort (mittlere, maximale)
  
  • 
    Gängige Zugriffszeiten liegen bei 1-2 Taktzyklen für Register in der ALU, 2-50 ns für einen schnellen Cache, 100-300 für einen Hauptspeicherzugriff, 10-50ms für einen Plattenzugriff, 90 ms für eine CD-ROM, Sekundenbereich für Floppy Disk, Minutenbereich für Magnetbänder
    
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  Preis: Cent pro Byte
  
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    Ein 512 MB Speicherbaustein oder CompactFlash kostet 100 Euro (2*10^-5 c/B=20c/MB), eine 120GB Festplatte etwa genauso viel (8.3*10^-8 c/B =83c/GB), ein 700MB CD-Rohling 25 cent (3.5*10^-8c/B=35c/GB)
    
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  Größe: gemessen in cm² oder cm³ pro Bit
  
  • 
    Papier: 6000 Zeichen/630cm²=10B/cm²; Floppy: 1.44MB/ 80cm²=18 KB/cm²; Festplatte: 10-20 GB/cm², physikalisch machbar 1000GB/cm² m
    
  • 
    für mechanisch bewegte Speicher muss der Platz für Motor und Bewegungsraum mit berücksichtigt werden.
    

Wie man sieht, sind Geschwindigkeit und Preis umgekehrt proportional. Üblicherweise wird der verfügbare Speicherplatz daher hierarchisch strukturiert. Das Vorhalten von Teilen einer niedrigeren Hierarchieebene in einer höheren nennt man Caching.

Cache („Geheimlager“): kleiner, schneller Vordergrundspeicher, der Teile der Daten des großen, langsamen Hintergrundspeichers abbildet („spiegelt“).

Konzept: Hauptspeicher = Folge von Tupeln (Adresse, Inhalt)

Cache-Speicher = Folge von Quadrupeln Cache-Zeilen:

(Index, Statusbit, Adresse, Inhalt)

Index: Adresse im Cache

Statusbits: modifiziert?, gültig?, exklusiv?, …

Adresse: Speicherzelle die gespiegelt wird

Falls die CPU ein Datum dat einer bestimmten Adresse adr benötigt, wird zunächst geprüft, ob es im Cache ist (d.h. (idx, sbt, adr, dat) im Cache). Zwei Fälle:

Cache Hit: D.h. (idx, sbt, adr, dat) im Cache gespiegelt: dat wird

Cache Miss: kein idx mit (idx, adr, …) im Cache. Die Speicherzelle adr mit Inhalt dat muss aus dem Hauptspeicher nachgeladen werden; ggf. muss dafür ein bereits belegter Platz im Cache geräumt werden (Verdrängungsstrategie)

Falls jede Hintergrundadresse prinzipiell in jede Cache-Zelle geladen werden kann, ist der Cache assoziativ (fully associative).

Vorteil: Flexibilität.

Nachteil: gesamter Cache muss durchsucht werden, ob Hit oder Miss.

Falls eine Cache-Zelle nur bestimmte Hintergrundadressen abbilden kann, sagen wir der Cache ist direkt abgebildet (direct mapped)

Beispiel: C0 für H00, H10, H20, …, C1 für H01, H11, H21, …Suche H63 nur in C3!

Vorteil: schnelle Bestimmung ob Hit oder Miss; Nachteil: Unflexibilität

Hitrate ist entscheidend für Leistungssteigerung durch Cache; Verdrängungsstrategie beeinflusst Hitrate entscheidend

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  LRU: Least recently used
  
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  FIFO: First-In, First-Out
  
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  LFU: Least frequently used
  

Cache Coherency Problem: Mehrere Prozesse greifen auf Speicher zu, jeder Prozess hat einen eigenen Cache: Wie wird die Konsistenz sichergestellt?

Kapitel 4: Programmiersprachen und –umgebungen

Zur Wiederholung: Informatik ist die Wissenschaft von der automatischen Verarbeitung von Informationen; ein Algorithmus ist ein präzises, schrittweises und endliches Verfahren zur Verarbeitung (Umformung) von Informationen, und ein Programm ist die Repräsentation eines Algorithmus zur Ausführung auf einer Maschine
Während v. Neumann noch der Ansicht war, dass „Rechenzeit zu wertvoll für niedere Aufgaben wie Übersetzung“ ist, sind heute dagegen die Personalkosten der Hauptfaktor bei den Softwarekosten. Darüber hinaus ist die Codierung in Maschinensprache oder Assembler sehr fehleranfällig (wie jeder, der die Haufgaben bearbeitet hat, wohl gemerkt haben dürfte).

Daher sucht man nach problemorientierten statt maschinenorientierten Beschreibungsformen. Die Verständlichkeit eines Programms ist oftmals wichtiger als die optimale Effizienz.

Vorteile höherer Programmiersprachen zeigen sich

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  bei der Erstellung von Programmen:
  
  • 
    schnellere Programmerstellung
    
  • 
    sichere Programmierung.
    

• 
  bei der Wartung von Programmen:
  
  • 
    bessere Lesbarkeit
    
  • 
    besseres Verständnis der Algorithmen.
    

• 
  wenn Programme wiederverwendet werden sollen:
  
  • 
    Verfügbarkeit auf vielen unterschiedlichen Rechnern; vom Zielrechner unabhängige Entwicklungsrechner.