Computerarchitektur. Andrew S.Tanenbaum James Goodman BIBLIOTHEK. Strukturen Konzepte Grundlagen. Pearson Studium

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1 Andrew S.Tanenbaum James Goodman Technische Universität Darmatadt FACHBEREICH INFORMATIK BIBLIOTHEK Inventar-Nr.: Sachgebiete:. Standort: Computerarchitektur Strukturen Konzepte Grundlagen Pearson Studium

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 15 1 Einleitung Strukturierte Computerorganisation Sprachen, Ebenen und virtuelle Maschinen Moderne mehrschichtige Maschinen Evolution mehrschichtiger Maschinen Meilensteine der Computer-Architektur Mechanische Computer ( ) Die erste Generation - Vakuumröhren ( ) Die zweite Generation - Transistoren ( ) Die dritte Generation - integrierte Schaltungen ( ) Die vierte Generation - VLSI-Integration (1980 -?) Der Computer-Zoo Technologische und wirtschaftliche Kräfte Das Computer-Spektrum Beispiele von Computer-Familien Einführung in Pentium II Einführung in UltraSPARC II Einführung in picojava II Überblick über den Rest des Buchs Aufgaben 61 2 Aufbau von Computer-Systemen Prozessoren Aufbau der CPU Ausführung von Instruktionen RISC kontra CISC Designprinzipien moderner Computer Parallelität auf Instruktionsebene Parallelität auf Prozessorebene 78

3 Inhaltsverzeichnis 2.2 Primäre Speicher Bits Speicheradressen Byteanordnung Fehlerkorrekturcodes Cache-Speicher Speicherbaueinheiten und -typen Sekundäre Speicher Speicherhierarchien Magnetplatten Disketten IDE-Festplatten SCSI-Festplatten RAID CD-ROM Einmal beschreibbare CD Wiederbeschreibbare CD DVD Eingabe/Ausgabe Busse Terminals ' Mäuse Drucker Modems Zeichencodes Zusammenfassung Aufgaben Die digitale logische Ebene Gates und boolesche Algebra Gates Boolesche Algebra Implementierung von booleschen Funktionen Schaltungsäquivalenz Grundlegende digitale logische Schaltungen 164

4 Inhaltsverzeichnis Integrierte Schaltungen Kombinationsschaltungen Arithmetische Schaltungen Taktgeber Speicher Latches Flip-Flop-Schaltungen Register : Speicherorganisation Speicherchips RAM und ROM CPU-Chips und Busse CPU-Chips Computer-Busse Busbreite Bustaktung Bus-Arbitration Busoperationen Beispiele von CPU-Chips Pentium II UltraSPARC II picojava II Beispielbusse ISA-Bus PCI-Bus, USB (Universal Serial Bus) Schnittstellen E/A-Chips Dekodierung von Adressen Zusammenfassung Aufgaben Die Mikroarchitekturebene Beispiel einer Mikroarchitektur Der Datenweg 248

5 Inhaltsverzeichnis Mikroinstruktionen Mikroinstruktionssteuerung: Mic ISA-Beispiel: IJVM Stapel Das IJVM-Speichermodell Der IJVM-Befehlsvorrat Java in IJVM kompilieren Beispielimplementierung Mikroinstruktionen und Notation IJVM mit der Mic-1 implementieren Design der Mikroarchitekturebene Geschwindigkeit gegenüber Kosten Reduzierung der Ausführungspfadlänge Design mit Vorauslesen: Mic Pipeline-Design: Mic Siebenstufige Pipeline: Mic Leistungsverbesserung Cache-Speicher Sprungvorhersage Ausführung außer der Reihe und Registerumbenennung Spekulative Ausführung Beispiele der Mikroarchitekturebene Die Mikroarchitektur der Pentium-II-CPU Die Mikroarchitektur der UltraSPARC-II-CPU Die Mikroarchitektur der picojava-ii-cpu s Pentium, UltraSPARC und picojava im Vergleich Zusammenfassung Aufgaben Die ISA-Ebene (Instruction Set Architecture) Übersicht über die ISA-Ebene Eigenschaften der ISA-Ebene, Speichermodelle Register Instruktionen 369

6 Inhaltsverzeichnis Übersicht über die ISA-Ebene des Pentiurn II Übersicht über die ISA-Ebene der UltraSPARC II Übersicht über die ISA-Ebene der JVM Datentypen Numerische Datentypen Nicht numerische Datentypen Datentypen auf dem Pentium II Datentypen auf der UltraSPARC II Datentypen auf der JVM (Java Virtual Machine) Instruktionsformate Designkriterien für Instruktionsformate Opcode-Erweiterung Instruktionsformate des Pentium II Instruktionsformate der UltraSPARC II Instruktionsformate der JVM Adressierung Adressiermodi Unmittelbare Adressierung Registeradressierung Indirekte Registeradressierung Indizierte Adressierung Basisindizierte Adressierung Stapeladressierung Adressiermodi für Sprunginstruktionen Orthogonalität von Opcodes und Adressiermodi Adressiermodi des Pentium II Adressiermodi der UltraSPARC II Adressiermodi der JVM Adressiermodi im Vergleich Instruktionstypen Instruktionen zur Datenbewegung Dyadische Operationen Monadische Operationen Vergleiche und bedingte Sprünge Instruktionen für Prozeduraufrufe 417

7 10 Inhaltsverzeichnis Schleifensteuerung EinVAusgaben Instruktionen des Pentium II Instruktionen der UltraSPARC II Instruktionen der picojava II Befehlssätze im Vergleich Ablaufsteuerung Sequentielle Ablaufsteuerung und Sprünge Prozeduren Coroutinen Traps Interrupts Ausführliches Beispiel: Die Türme von Hanoi Türme von Hanoi in Assembler für den Pentium II Türme von Hanoi in der UltraSPARC II-Assemblersprache Türme von Hanoi in Assemblersprache für die JVM Die Intel IA Das Problem mit dem Pentium II Modell IA-64 und EPIC Prädikation Spekulative Ladeoperationen Realitätsprüfung Zusammenfassung Aufgaben Die Ebene der Betriebssystemmaschine Virtueller Speicher Paging Implementierung von Paging Demand-Paging und Arbeitsmenge Seitenersetzung Seitengröße und Fragmentierung Segmentierung Implementierung der Segmentierung Der virtuelle Speicher des Pentium II 495

8 Inhaltsverzeichnis Der virtuelle Speicher der UltraSPARC II Virtuelle Speicher und Caching Virtuelle E/A-Instruktionen Dateien Implementierung virtueller E/A-Instruktionen Instruktionen für die Verzeichnisverwaltung Virtuelle Instruktionen für parallele Verarbeitung Erstellen von Prozessen Laufbedingungen Semaphore zur Synchronisation von Prozessen Beispiele von Betriebssystemen Einleitung Beispiele von virtuellen Speichern Beispiele virtueller E/A Beispiele der Prozeßverwaltung Zusammenfassung Aufgaben Die Ebene der Assemblersprache Einführung in die Assemblersprache Was ist eine Assemblersprache? Wofür braucht man eine Assemblersprache? Format einer Anweisung in Assemblersprache Pseudoinstruktionen Makros Definition, Aufruf und Erweiterung eines Makros Makros mit Parametern Weitere Funktionen Makrotechnik in einem Assembler implementieren Der Assemblierungsprozeß Assembler mit zwei Durchläufen Erster Durchlauf Zweiter Durchlauf Die Symboltabelle Binden und Laden 591

9 12 Inhaltsverzeichnis Aufgaben des Binders Struktur eines Objektmoduls Bindezeit und dynamische Umladung Dynamisches Binden Dynamisches Binden in Unix Zusammenfassung Aufgaben Parallele Rechnerarchitekturen Design-Kriterien für Parallelrechner Kommunikationsmodelle Verbindungsnetze Leistung Software Taxonomie paralleler Computer SIMD-Computer Arrayprozessoren Vektorprozessoren Mehrprozessoren mit gemeinsamem Speicher Speichersemantik UMA-busbasierte SMP-Architekturen UMA-Mehrprozessorsysteme mit Kreuzschienenschaltern UMA-Mehrprozessorsysteme mit mehrstufigen Vermittlungsnetzen NUMA-Mehrprozessorsysteme Cachekohärente NUMA-Mehrprozessorsysteme COMA-Mehrprozessorsysteme Mehrrechnersysteme mit Nachrichtenaustausch MPP - Massiv parallele Prozessorsysteme COW-Workstation-Cluster Job-Scheduling Kommunikationssoftware für Mehrrechnersysteme Gemeinsamer Speicher auf Anwendungsebene Zusammenfassung Aufgaben 706

10 Inhaltsverzeichnis 13 9 Leseliste und Bibliographie Lesenswerte Literatur Einführung und allgemeine Werke Lektüre zur Organisation von Computersystemen Lektüre zur digitalen logischen Ebene Lektüre zur Mikroarchitekturebene Lektüre zur ISA-Ebene Lektüre zur Ebene der Betriebssystemmaschine Lektüre zur Ebene der Assemblersprache Lektüre zur Architektur von Parallelrechnern Lektüre zu Binär- und Gleitkommazahlen Literaturverzeichnis 718 Anhang A: Binärzahlen 729 A.1 Zahlen mit endlicher Genauigkeit 729 A.2 Basiszahlensysteme 731 A.3 Umwandlung von einer Basis in eine andere 734 A.4 Negative Binärzahlen 736 A.5 Binärarithmetik 739 A.6 Aufgaben 740 Anhang B: Gleitkommazahlen 743 B.l Prinzipien der Gleitkommaarithmetik 743 B.2 IEEE-Standard 754 für Gleitkommaarithmetik 747 B.3 Aufgaben 751 Stichwortverzeichnis 753

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