johnvonneumann(1903-1957) datenspeicherung ... · pdf file15,1 20,1 29,4 64,0 100,0 4,7 6,2...

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


01.008.32

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


01.008.96

Register der AMD-x86-64-Architektur (2000)


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


01.008.97

Register der IA64-Architektur (1998)

Quelle: Hewlett-Packard www.hp.com


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


01.008.57

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


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


01.009.94


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


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.


01.009.53

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


01.015.67

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:


Direct Mapped CacheErhöhung der Leistungsfähigkeit

01.015.70

vergrößerter Cachespeicher

Name: Aa..........

Name: Ab..........

Name: Zy..........

Name: Zz..........

Nr.:

Nr.:

Nr.:

Nr.:


2-way set associative Cache

01.015.71

zwei 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.:

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


01.008.02

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)


01.015.02

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.


01.014.01

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


01.014.04


Der Plattenstapelwird in einzelneOberflächenaufgeteilt.engl.: head

01.014.05


Die konzentrischenKreise werden inSektoren aufgeteilt.engl.: sector

01.014.06


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


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


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


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.

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