Rechnergrundlagen. Vom Rechenwerk zum Universalrechner

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1 Rechnergrundlagen. Vom Rechenwerk zum Universalrechner von Rainer Kelch 1. Auflage Hanser München 2003 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN Zu Leseprobe schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG

2 CARL HANSER VERLAG Rainer Kelch Rechnergrundlagen Vom Rechenwerk zum Universalrechner

3 66 Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS Rechnergrundlagen: Vom Rechenwerk zum Universalrechner 0 PROLOG: MOTIVATION UND EINLEITUNG EVA-Prinzip Komponenten eines Computers Rechnerarchitektur-Ebenenmodell Rechenfehler durch Computer 16 Teil A: Rechenwerk KAPITEL 1: ENTWURF EINER ARITHMETISCH-LOGISCHEN EINHEIT (ALU) Entwurf einer Schaltung für mehrere Funktionen Parametrisierte Schaltungen Arithmetische Einheit (AU) als Vorstufe zur ALU Erweiterung der AU um logische Funktionen zur ALU 23 KAPITEL 2: SHIFTER-ALU Funktionalität und Bedienung der ALU Mikrobefehle und Mikrocode Aufbau einer Shifter-ALU (SH-ALU) Hinweise zum Lernprogramm CBT-1 (Shifter-ALU) 32 KAPITEL 3: ENTWURF EINES RECHENWERKS Zwischenspeicher und Datenübertragungswege Registerfile und Bustechnologie Bus Arbitration Logic Timing Unit Register-ALU (R-ALU) als Rechenwerk 39 AUFGABEN ZU TEIL A: RECHENWERK 43

4 Inhaltsverzeichnis 7 Teil B: Prozessor KAPITEL 4: STEUERWERK Komponenten eines Steuerwerks Steuerwerksausbau bei der Prozessor-Entwicklung 49 KAPITEL 5: MODELLPROZESSOR Zusammenspiel zwischen Rechenwerk und Steuerwerk Befehlsregisterlogik 54 KAPITEL 6: PROZESSOR MIT DATENSPEICHERANBINDUNG (MEM-CPU) Speicher-Schnittstelle (MemIF) Busarten Anbindung des MemIF an den Modell-Prozessor Architektur der Prozessor-Erweiterung Mem-CPU Mikro-Befehlssequenzen der Speicher-Schnittstelle Befehlsregisterlogik Hinweise zum Lernprogramm CBT-2 (Mem-CPU) 65 AUFGABEN ZU TEIL B: PROZESSOR 66 Teil C: Universalrechner KAPITEL 7: PROZESSOR MIT BEFEHLSSPEICHERANBINDUNG (µ-cpu) Vom Mikrocode zum Mikroprogramm Mit Sprungbefehlen zum Universalrechner Speicherschnittstelle (µ-rom-if) Architektur der mikroprogrammerweiterten Modell-CPU (µ-cpu) Logik und Funktion des Befehlsregisters 80

5 88 Inhaltsverzeichnis KAPITEL 8: ENTWURF VON MIKROPROGRAMMEN Lesen und Schreiben über Registerfile, RAM und ROM Nutzung von Sprungbefehlen für die Umsetzung von Algorithmen Umsetzung konkreter Anforderungen in Mikroprogramme Mittelwertberechnung zweier Zahlen Multiplikation zweier Binärzahlen Summe von n einzulesenden Zahlen Hinweise zum Lernprogramm CBT-3 (µ-cpu) 93 KAPITEL 9: AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINES UNIVERSALRECHNERS Speicherwerk für Daten und Befehle Eingabe/Ausgabe-Werk Busse: Eingabe/Ausgabe-Organisation und -Kommunikation Architektur eines Modell-Universalrechners (µ-comp) 101 KAPITEL 10: RECHNERARCHITEKTUREN Von-Neumann-Architektur eines Universalrechners Spezialrechner Architekturen von Hardware und Befehlssätzen CISC- und RISC-Architektur Performance-Optimierungen durch Parallelisierung Client/Server-Systeme 108 AUFGABEN ZU TEIL C: UNIVERSALRECHNER 110 Teil D: DVS Datenverarbeitungssysteme KAPITEL 11: MASCHINENPROGRAMMIERUNG MIT MAKROBEFEHLEN Maschinencode Arbeitsweise eines Maschinenprogramms Aufbau eines Maschinenbefehls Arten von Maschinenbefehlen 116

6 Inhaltsverzeichnis 9 KAPITEL 12: PERIPHERIEGERÄTE FÜR DEN DIALOG MIT DEM RECHNER Konvertierung zwischen externen und internen Daten Struktur und Funktionsweise gängiger Eingabe-/Ausgabegeräte Hinweise zu den Lernprogrammen Monitore und Drucker Datenspeicherungsmerkmale Speicherzugriffsarten Zugriffslogik bei externer Datenspeicherung 122 KAPITEL 13: KOMPLETTES DATENVERARBEITUNGSSYSTEM (MODELL-DVS) Externe Eingabe, Ausgabe und Speicherung Mensch/Maschine-Schnittstelle (M/M-IF) Architektur eines Modell-DVS 129 AUFGABEN ZU TEIL D: DVS DATENVERARBEITUNGSSYSTEME 130 Teil E: Steuerung des DVS (HW) durch das Betriebssystem (SW) KAPITEL 14: BETRIEBSSYSTEM Definition, Aufgaben und Funktionen Sprachen für System- und Anwendungsprogramme Maschinenunabhängige Befehle und Sprachen Vom Assembler zu höheren Programmiersprachen Interpreter und Compiler 136 KAPITEL 15: SPEICHER- UND DATENVERWALTUNG Speicherverwaltung mit Stackprinzip Adressierungsarten Speicherzugriffsoptimierung mit Cache Daten, Dateien und Datenbanken 144

7 10 Inhaltsverzeichnis KAPITEL 16: PROZESSVERWALTUNG Prozesszustände Adresszuordnung Philosophenproblem und Deadlocks 153 KAPITEL 17: PROZESSMODELLIERUNG Darstellung paralleler Prozesse durch Petrinetze Petrinetze Aufbau, Funktionsweise und Regeln Nebenläufigkeit und Synchronisation Konflikte und deren Lösung Simulation von Prozessabläufen Beispiele und Anwendungen Hinweise zum Lernprogramm Petrinetze 173 AUFGABEN ZU TEIL E: STEUERUNG DES DVS DURCH DAS BETRIEBSSYSTEM 176 AUSBLICK 179 LITERATURVERZEICHNIS 180 SACHWORTVERZEICHNIS 182

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