Computerarchitektur. Strukturen - Konzepte - Grundlagen PEARSON. Silliiiiil

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1 Andrew S. Tanenbaum 1 Computerarchitektur Strukturen - Konzepte - Grundlagen 5. Auflage PEARSON Silliiiiil ein Imprint von Pearson Education München Boston San Francisco Harlow, England Don Mills, Ontario Sydney Mexico City Madrid Amsterdam

2 * * Inhaltsverzeichnis Vorwort zur deutschen Ausgabe 13 Vorwort zur Originalausgabe 14 Kapitel 1 Einführung " Strukturierte Computerorganisation Sprachen, Ebenen und virtuelle Maschinen Moderne mehrschichtige Maschinen Evolution mehrschichtiger Maschinen Meilensteine der Computerarchitektur Die nullte Generation - Mechanische Computer ( ) Die erste Generation - Vakuumröhren ( ) Die zweite Generation - Transistoren ( ) Die dritte Generation - integrierte Schaltungen ( ) Die vierte Generation - VLSI (1980 -?) Die fünfte Generation - Unsichtbare Computer Vielfalt der Computer Technologische und wirtschaftliche Kräfte Das Computer-Spektrum Wegwerfcomputer Mikrocontroller Spielkonsolen Personalcomputer Server Verbund von Workstations Mainframes Beispiele von Computerfamilien Einführung in den Pentium Einführung in UltraSPARC III Einführung in den Metrische Einheiten Gliederung dieses Buchs 63 Kapitel 2 Aufbau von Computersystemen Prozessoren Aufbau der CPU Befehlsausführung RISC kontra CISC Designprinzipien moderner Computer Parallelität auf Befehlsebene Parallelität auf Prozessorebene 84

3 INHALTSVERZEICHNIS 2.2 Hauptspeicher (Primärspeicher) Bits Speicheradressen Bytereihenfolge Fehlerkorrekturcodes Cache-Speicher Speicherbaueinheiten und -typen Sekundärspeicher Speicherhierarchien Festplatten ' Disketten IDE-Festplatten SCSI-Festplatten RAID CD-ROMs Einmal beschreibbare CDs Wiederbeschreibbare CDs DVD Blu-Ray Eingabe/Ausgabe Busse Terminals Mäuse Drucker Telekommunikationsgeräte Digitalkameras Zeichencodes 144 Kapitel 3 Die Ebene der digitalen Logik Gatter und boolesche Algebra Gatter :." Boolesche Algebra Implementierung von booleschen Funktionen Schalturigsäquivalenz Grundschaltungen der digitalen Logik Integrierte Schaltungen Schaltnetze Arithmetische Schaltungen Taktgeber Speicher Latches Flipflops Register Speicherorganisation Speicherchips RAM und ROM 190

4 Inhaltsverzeichnis 3.4 CPU-Chips und Busse Prozessorchips Computer-Busse Busbreite Bustaktung Bus-Verwaltung Busoperationen Beispiele für CPU-Chips Pentium UltraSPARC III Der Beispielbusse ISA-Bus PCI-Bus " PCI Express USB (Universal Serial Bus) Schnittstellen E/A-Chips Dekodierung von Adressen 240 Kapitel 4 Die Mikroarchitekturebene Beispiel einer Mikroarchitektur Der Datenpfad Mikrobefehle Mikrobefehlssteuerung: Mic Eine Beispiel-ISA: IJVM Keller Das IJVM-Speichermodell Der IJVM-Befehlssatz Java zu IJVM kompilieren Beispielimplementierung Mikrobefehle und Notation IJVM mit der Mic-1 implementieren Design der Mikroarchitekturebene Geschwindigkeit und Kosten Die Länge des Ausführungspfads reduzieren Design mit Prefetching: Mic Fließbandverarbeitung: Mic Siebenstufige Pipeline: Mic Leistungsverbesserung Cache-Speicher Sprungvorhersage Out-of-Order-Ausführung und Registerumbenennung Spekulative Ausführung 334

5 INHALTSVERZEICHNIS 4.6 Beispiele der Mikroarchitekturebene Die Mikroarchitektur des Pentium Die Mikroarchitektur der UltraSPARC III-CPU Die Mikroarchitektur der 8051-CPU Pentium, UltraSPARC und 8051 im Vergleich 349 Kapitel 5 Die ISA-Ebene Übersicht über die ISA-Ebene Eigenschaften der ISA-Ebene Speichermodelle Register Befehle Übersicht über die ISA-Ebene des Pentium Übersicht über die ISA-Ebene des UltraSPARC III Übersicht über die ISA-Ebene des Datentypen Numerische Datentypen Nicht numerische Datentypen Datentypen des Pentium Datentypen des UltraSPARC III Datentypen des Befehlsformate Designkriterien für Befehlsformate Opcodes erweitern Befehlsformate des Pentium Befehlsformate des UltraSPARC III Befehlsformate des Adressierung Adressierungsmodi Unmittelbare Adressierung Direkte Adressierung Registeradressierung Indirekte Registeradressierung Indizierte Adressierung Basisindizierte Adressierung Kelleradressierung Adressierungsmodi für Verzweigungen Orthogonalität von Opcodes und Adressierungsmodi Adressierungsmodi des Pentium Adressierungsmodi des UltraSPARC III Adressierungsmodi des Adressierungsmodi im Vergleich Befehlstypen Befehle zur Datenbewegung Dyadische Operationen Monadische Operationen 402

6 r t F 1 Inhaltsverzeichnis Vergleiche und bedingte Verzweigungen Befehle für Prozeduraufrufe Schleifensteuerung Ein-/Ausgabe 408 )" Befehle des Pentium Befehle des UltraSPARC III Befehle des Befehlssätze im Vergleich Ablaufsteuerung Sequenzielle Ablaufsteuerung und Sprünge 425 f.' Prozeduren Coroutinen Traps Interrupts Ausführliches Beispiel: Die Türme von Hanoi Türme von Hanoi in der Pentium 4-Assemblersprache Türme von Hanoi in der UltraSPARC III-Assemblersprache Die IA-64-Architektur und der Itanium Das Problem mit dem Pentium Das IA-64-Modell: EPIC Verringerung von Speicherreferenzen 444 \ Befehlsplanung Bedingte Verzweigungen verringern: Prädikation Spekulative Ladeoperationen 449 Kapitel 6 Die Ebene der Betriebssystemmaschine Virtueller Speicher Seitenauslagerung < Implementierung der Seitenauslagerung Seitenanforderung und Arbeitsbereich Seitenersetzung Seitengröße und Fragmentierung Segmentierung Implementierung der Segmentierung Virtueller Speicher im Pentium Virtueller Speicher im UltraSPARC III Virtuelle Speicher und Caching Virtuelle E/A-Befehle Dateien Implementierung virtueller E/A-Befehle Befehle für die Verzeichnisverwaltung Virtuelle Befehle für parallele Verarbeitung Erstellen von Prozessen Race Conditions Semaphore zur Synchronisierung von Prozessen 495

7 INHALTSVERZEICHNIS 6.4 Beispiele von Betriebssystemen Einführung Beispiele für virtuellen Speicher Beispiele für virtuelle Ein-/Ausgabe Beispiele der Prozessverwaltung 523 Kapitel 7 Die Ebene der Assemblersprache Einführung in die Assemblersprache Was ist eine Assemblersprache? Wofür braucht man eine Assemblersprache? Format einer Anweisung in Assemblersprache Pseudobefehle Makros Definition, Aufruf und Erweiterung eines Makros Makros mit Parametern Erweiterte Funktionen Makrotechnik in einem Assemblierer implementieren Der Assemblierungsprozess Zwei-Pass-Assemblierer Erster Lauf Zweiter Lauf Die Symboltabelle Binden und Laden Aufgaben des Linkers Struktur eines Objektmoduls Bindezeit und dynamische Relokation Dynamisches Binden Dynamisches Binden unter Unix 574 Kapitel 8 Parallele Rechnerarchitekturen Parallelität auf demselben Chip Parallelität auf Befehlsebene On-Chip-Multithreading Chip-Multiprozessoren Coprozessoren Netzwerkprozessoren Medienprozessoreri Kryptoprozessoren Multiprozessoren mit gemeinsamem Speicher Multiprozessoren und Multicomputer Speichersemantik Symmetrische UMA-Multiprozessorarchitekturen NUMA-Multiprozessoren COMA-Multiprozessorsysteme

8 Inhaltsverzeichnis 8.4 Multicomputer mit Nachrichtenaustausch Verbindungsnetze MPPs - Massiv parallele Prozessorsysteme Cluster-Rechner Kommunikationssoftware für Multicomputer Scheduling Gemeinsamer Speicher auf Anwendungsebene Leistung Grid-Computing 681 Kapitel 9 Literaturhinweise und Quellenverzeichnis Vorschläge für weiterführende Literatur Einführung und allgemeine Arbeiten Organisation von Computersystemen Die Ebene der digitalen Logik Die Mikroarchitekturebene Die ISA-Ebene Die Ebene der Betriebssystemmaschine Die Ebene der Assemblersprache Architektur von Parallelrechnem Binär- und Gleitkommazahlen Assemblerprogrammierung Alphabetisches Literaturverzeichnis 700 Anhang A Binärzahlen 713 A.l Zahlen mit endlicher Genauigkeit 715 A.2 Zahlensysteme mit anderen Basen 716 A.3 Umwandlung von einer Basis in eine andere 719 A.4 Negative Binärzahlen 721 A.5 Binärarithmetik 724 Anhang B Gleitkommazahlen 727 B.l Grundlagen der Gleitkommaarithmetik 729 B.2 IEEE-Standard 754 für Gleitkommazahlen 732 Anhang C Assemblerprogrammierung 739 C.l Überblick 741 C.l.l Assemblersprache 741 C.l.2 Ein kleines Assemblerprogramm 741 C.2 Der 8088-Prozessor 743 C.2.1 Der Prozessorzyklus 743 C.2.2 Die allgemeinen Register. 744 C.2.3 Zeigerregister

9 INHALTSVERZEICHNIS C.3 Speicher und Adressierung 747 C.3.1 Speicherorganisation und Segmente 747 C.3.2 Adressierung 749 C.4 Der Befehlssatz des C.4.1 Lade-, Kopier und Arithmetikbefehle 756 C.4.2 Logische Operationen, Bit- und Verschiebeoperationen 758 C.4.3 Schleifen und wiederholte Zeichenfolgenoperationen 759 C.4.4 Sprung- und Aufrufbefehle 759 C.4.5 Unterprogrammaufrufe 761 C.4.6 Systemaufrufe und Systemunterprogramme 763 C.4.7 Abschließende Bemerkungen zum Befehlssatz 766 C.5 Der Assemblierer 766 C.5.1 Einführung 767 C.5.2 Der ACK-basierte Assemblierer as C.5.3 Einige Unterschiede zu anderen 8088-Assemblierern 771 C.6 Der Tracer 773 C.6.1 Tracer-Kommandos 774 C.7 Erste Schritte 776 C.8 Beispiele 777 C.8.1 Das Beispiel Hello World 777 C.8.2 Beispiel für allgemeine Register 780 C.8.3 Der CALL-Befehl und Zeigerregister 782 C.8.4 Fehler in einem Programm zur Ausgabe von Feldern suchen C.8.5 Zeichenfolgenmanipulation und Zeichenfolgenbefehle 788 C.8.6 Verzweigungstabellen 791 C.8.7 Gepufferter und wahlfreier Dateizugriff 794 Über den Autor Register