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faecher:informatik:oberstufe:techinf:mikroprogrammierung:einfuehrung:start [26.10.2022 16:51] – Frank Schiebelfaecher:informatik:oberstufe:techinf:mikroprogrammierung:einfuehrung:start [02.06.2024 12:55] (aktuell) – Marco Kuemmel
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 Das Bild zeigt das Hauptfenster von MikrosimD: Das Bild zeigt das Hauptfenster von MikrosimD:
  
-  * Unten links im befindet sich die ALU (Arithmetisch-Logische Einheit) und eine Reihe von Registern (1-Byte-Speicher). Alle Bitfolgen sind hexadezimal angegeben, die zwei Hexadezimalzahlen, die in jedes der Register geschrieben werden können entsprechen also einem Byte.+  * Unten links befindet sich die ALU (Arithmetisch-Logische Einheit) und eine Reihe von Registern (1-Byte-Speicher). Alle Bitfolgen sind hexadezimal angegeben, die zwei Hexadezimalzahlen, die in jedes der Register geschrieben werden können entsprechen also einem Byte.
   * Rechts ist der Arbeitsspeicher (das RAM) mit 256 Byte Speicherplatz (von 00h bis FFh)   * Rechts ist der Arbeitsspeicher (das RAM) mit 256 Byte Speicherplatz (von 00h bis FFh)
   * Zwischen den Registern, der ALU und dem Arbeitsspeicher stehen "Tore" (von 0h bis Fh), die man durch Klicken öffnen kann.   * Zwischen den Registern, der ALU und dem Arbeitsspeicher stehen "Tore" (von 0h bis Fh), die man durch Klicken öffnen kann.
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 {{:aufgabe.png?nolink  |}} {{:aufgabe.png?nolink  |}}
-==== Beispielaufgaben ====+=== Einführungsbeispiele 1 ===
  
  
-=== 1 ===+=== a) ===
  
 Trage im  Register AX den Wert 17h ein, dieser soll in die Register BX und DR kopiert werden. Trage im  Register AX den Wert 17h ein, dieser soll in die Register BX und DR kopiert werden.
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   * Setze anschließend die Simulation zurück (''Zurücksetzen'' -> ''Register löschen'' oder ''F9'')   * Setze anschließend die Simulation zurück (''Zurücksetzen'' -> ''Register löschen'' oder ''F9'')
  
-=== 2 ===+=== b) ===
  
-In den Registern AX, BX und DR steht zunächst die Zahl 00. in beiden Registern soll die Zahl 01 eingetragen werden.+In den Registern AX, BX und DR steht zunächst die Zahl 00. In allen Registern soll die Zahl 01 eingetragen werden.
   * Öffne die Tore  0, 2, 7 und A   * Öffne die Tore  0, 2, 7 und A
   * Löse nacheinander mehrere Taktschritte aus, indem du auf die Schaltfläche ''>'' klickst und beobachte, was geschieht.   * Löse nacheinander mehrere Taktschritte aus, indem du auf die Schaltfläche ''>'' klickst und beobachte, was geschieht.
   * Setze die Simulation zurück   * Setze die Simulation zurück
  
-=== 3 ===+=== c) ===
  
 Im Register AX steht der Wert 08h, im Register DR steht der Wert 03h. In BX soll die Summe der in den Registern von AX und DR gespeicherten Werte stehen (also 0Bh). Im Register AX steht der Wert 08h, im Register DR steht der Wert 03h. In BX soll die Summe der in den Registern von AX und DR gespeicherten Werte stehen (also 0Bh).
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-=== 4 ===+=== d) ===
  
 Im Register AX steht der Wert 08h, im Register DR steht der Wert 03h. Im Register AX steht der Wert 08h, im Register DR steht der Wert 03h.
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   * Löse nacheinander mehrere Taktschritte aus, indem du auf die Schaltfläche ''>'' klickst und beobachte, was geschieht.   * Löse nacheinander mehrere Taktschritte aus, indem du auf die Schaltfläche ''>'' klickst und beobachte, was geschieht.
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 +{{:aufgabe.png?nolink  |}}
 +=== Einführungsbeispiele 2 ===
 +
 +
 +=== a) ===
 +
 +Wie setzt man alle Register auf 00?
 +
 +++++ Lösung |
 +Tore 0, 2, 4, 6, 8 und A
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 +
 +=== b) ===
 +
 +Kann man die Tore 1 und 3 gleichzeitig öffnen? Warum geht das nicht?
 +
 +++++ Lösung | 
 +Die ALU hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Im ersten Taktschritt werden Werte in die ALU geschrieben und verarbeitet, im zweiten Taktschritt das Ergebnis am Ausgang ausgegeben. Man kann über einen Eingang nicht im selben Taktschritt mehr als einen Wert verarbeiten.
 +++++
 +
 +=== c) ===
 +
 +Eine besondere Aufgabe hat das Register AR (Adress-Register). Es legt fest, auf welche Adresse des Arbeitsspeichers zugegriffen werden soll. Die Tore B und C legen fest, ob der Wert des Datenregisters DR in den Arbeitsspeicher geschrieben wird, oder ob der Wert, welcher an der in AR gegebenen Adresse gespeichert ist, nach DR ausgegeben wird.
 +
 +Teste die Funktionalität: 
 +
 +  * Schreibe den Wert AF von DR aus an die Adresse EA im RAM.
 +  * Trage den Wert FF an der Adresse 1D im RAM ein. Lies den Wert ins Register DR aus.
 +
 +===== Bisherige Erkenntnisse =====
 +
 +<WRAP center round tip 90%>
 +**RAM Zugriff**
 + 
 +  * Das Adressregister AR enthält die Adresse, die beim Zugriff auf das RAM gelesen oder geschrieben werden soll.
 +  * Wenn also der Inhalt von AR z.B. 09 ist, dann wird 
 +    * mit dem Tor C der Inhalt der RAM-Zelle 09 ins Datenregister DR gelesen
 +    * mit dem Tor B der Inhalt des Datenregisters DR in die RAM-Zelle 09 geschrieben
 +  * Wenn auf das RAM zugegriffen wird, sind alle anderen Tore blockiert. Der Grund hierfür ist, dass in der Realität der Speicherzugriff mehr als 200 mal so lange dauern kann wie ein Registerzugriff.
 +
 +</WRAP>
 +
 +<WRAP center round tip 90%>
 +**Taktzyklen**
 +  * Ein ALU-Takt besteht aus zwei Bus-Takten
 +    * Im ersten Bustakt werden die Werte aus den Registern über die geöffneten Tore in die ALU geschickt.
 +    * Im zweiten Bustakt werden die Ergebnisse aus der ALU in die Register geschrieben.
 +  * Der mittlere Button (''>'') führt je einen Bustakt aus, der rechte Button (''>>'') führt den gesamten ALU-Takt aus.
 +  * Speicherzugriffe benötigen nur nur einen Takt.
 +</WRAP>
 +
 +===== Ein Wort zu Latenzen =====
 +
 +Die **Latenzzeit** ist ein Maß für die Wartezeit. Damit kann z.B. die Zeit gemeint sein, die benötigt wird, um einen bestimmten Vorgang abzuschließen, z. B. die Anforderung des Inhalts einer Speicherzelle oder eines Registers, aber auch die Zeit, die eine Datenbankabfrage benötigt um abgeschlossen zu werden.
 +
 +Die Latenzzeit kann z.B. auch die Zeit ausdrücken, die eine Website benötigt, um vollständig geladen zu werden, vom Anklicken des Links bis zur Darstellung auf dem Bildschirm. 
 +
 +Heutige CPUs arbeiten sehr schnell, mit Taktfrequenzen von einigen GHz. Der Zugriff auf Inhalte des Hauptspeichers dauert jedoch um ein Vielfaches länger - wenn der Prozessor also Daten aus dem Hauptspeicher verarbeiten möchte, muss er warten bis dieser Zugriff abgeschlossen ist und die Daten zur Verfügung stehen - es entsteht eine Latenzzeit.
 +
 +Wenn man Aussagen trifft wie: //"Der Zugriff auf den Hauptspeicher dauert ein vielfaches länger, als der Zugriff auf die Register oder den Cache des Prozessors"// kann man sich unter dem Begriff "ein vielfaches länger" jedoch meist wenig vorstellen.
 +
 +Der Autor Brendan Gregg hat die Latenzen eines Computersystems in seinem Buch "Systems Performance -
 +Enterprise and the Cloud" sehr schön in einer Tabelle veranschaulicht. Er geht von einem CPU Takt aus, der etwa 0,3ns dauert ($0,3\cdot10^{-9}s$), wenn man von einer Taktfrequenz von etwa 3GHz bei modernen Prozessoren ausgeht. 
 +
 +Diese Zeitdauer skaliert der Autor in einer Tabelle auf 1 Sekunde hoch, und rechnet auf dieser Basis aus, wie lange andere Vorgänge in Rechnersystemen bei dieser Skalierung dauern würden. Dadurch erhält man ein besseres Gefühl, des Ausdrucks "ein Vielfaches länger. Im Falle des Hauptspeicherzugriffs kann man der Tabelle entnehmen, dass dieser etwa 360 mal so lange dauert wie ein CPU Takt und 120 mal so lange wie der Zugriff auf den Level 1 Cache im Prozessor.
 +
 +^ Vorgang                                                         ^ Latenz    ^ Skaliert auf 1s pro CPU-Takt  ^
 +| 1 CPU Takt                                                      | 0,3ns     | 1s                            |
 +| Level 1 Cache Zugriff                                           | 0,9ns     | 3s                            |
 +| Level 2 Cache Zugriff                                           | 2,8ns     | 9s                            |
 +| Level 3 Cache Zugriff                                           | 12,9ns    | 43s                           |
 +| Hauptspeicherzugriff (DRAM, von der CPU aus)                    | 120ns     | 6min                          |
 +| SSD Zugriff (Solid State Festplatte)                            | 50-150μs  | 2-6 Tage                      |
 +| Herkömmliche Festplatte (Rotierende Magnetscheiben)             | 1-10ms    | 1-12 Monate                   |
 +| Internet: San Francisco - New York                              | 40ms      | 4 Jahre                       |
 +| Internet: San Francisco - London                                | 80ms      | 8 Jahre                       |
 +| Internet: San Francisco - Australien                            | 180ms     | 19 Jahre                      |
 +| TCP Retransmit eines fehlerhaften Pakets                        | 1-3s      | 100-300 Jahre                 |
 +| Neustart eines nativ virtualisierten Rechners                   | 4s        | 430 Jahre                     |
 +| SCSI Befehls Time-Out (Bus System für externe Geräte)           | 30s       | 3000 Jahre                    |
 +| Neustart eines virtualisierten Rechners mit Hardware Emulation  | 40s       | 4000 Jahre                    |
 +| Neustart des Computersystems                                    | 5m        | 32000 Jahre                   |
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  • von Frank Schiebel