Rechneraufbau und Rechnerstrukturen

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Ewald Baumhauer
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1 Rechneraufbau und Rechnerstrukturen von Walter Oberschelp RWTH Aachen und Gottfried Vossen Universität Münster 10. Auflage c 2006 R. Oldenbourg Verlag GmbH, München

2 Inhaltsverzeichnis Auszug... x... aus dem Vorwort zur ersten Auflage x... aus dem Vorwort zur dritten Auflage xi... aus dem Vorwort zur sechsten Auflage xii... aus dem Vorwort zur siebten Auflage xv... aus dem Vorwort zur neunten Auflage xvi Vorwort zur zehnten Auflage xvii I Bausteine und Lokale Grundkonzepte 1 1 Schaltfunktionen und ihre Darstellung Zahlendarstellungen Boolesche Algebra Schaltfunktionen und Boolesche Funktionen Schaltnetze Körpersummendarstellung Boolescher Funktionen NAND- und NOR-Darstellungen Übungen Bibliographische Hinweise Multiplexer und Addiernetze als spezifische Schaltnetze Vorüberlegungen zur Synthese von Schaltnetzen Multiplexer zur Realisierung Boolescher Funktionen Demultiplexer, Decoder und Encoder Addiernetze mit Halb- und Volladdierern Beschleunigung der Übertragsberechnung Übungen Bibliographische Hinweise und Ergänzungen v

3 vi Inhalt 3 Optimierung und Test von Schaltnetzen Vereinfachung von Schaltnetzen Das Verfahren von Karnaugh Das Verfahren von Quine und McCluskey Fehlerdiagnose von Schaltnetzen Hasards in Schaltnetzen Übungen Bibliographische Hinweise und Ergänzungen OBDDs und Komplexität Geordnete binäre Entscheidungs-Diagramme (OBDD) Boolesche Differentiation und Shannon-Entwicklung Entscheidungsbäume OBDDs Vereinfachung und Komposition von OBDDs Überdeckungsmatrizen und Minimalüberdeckungen NP-vollständige Probleme Übungen Bibliographische Hinweise Schaltungen mit Delays (Schaltwerke) Einführung Zur technischen Realisierung von Delays Addierwerke Parallel- und Serienaddierer Das von Neumann-Addierwerk Lineare Schaltkreise und Anwendungen Lineare Schaltkreise Pseudo-Zufallszahlen und zyklische Linearcodes Übungen Bibliographische Hinweise Darstellung von Daten im Rechner. Rechnerarithmetik Darstellung ganzer Zahlen. Subtraktion Darstellung von Gleitkomma-Zahlen Rechnerarithmetik, insbesondere Multiplikation Darstellung alphanumerischer Daten Der ASCII-Code Der Unicode Übungen Bibliographische Hinweise Programmierbare Logik und VLSI Einführung Aufbau eines PLAs Programmierung von PLAs Anwendungen von PLAs: ROMs und Mikroprogrammierung Klassifikation von Logik-Designs

4 Inhalt vii 7.6 Einführung in VHDL VLSI-Schaltungen: Technologie und deren Grenzen Übungen Bibliographische Hinweise II Rechnerarchitektur (Globale Konzepte) Organisationsplan eines Von-Neumann-Rechners Einführung Die Arbeitsweise einer Zentraleinheit (CPU) Der Speicher Die E/A-Einheit. Das Konzept des Interrupts Busse Klassifikation von Von-Neumann-Rechnern Globale Rechner-Klassifikationen Lokale Prozessor-Klassifikationen Alternativen zum Von-Neumann-Konzept Übungen Bibliographische Hinweise Architektur und Maschinenbefehle eines RISC-Prozessors Die Architektur der PowerPC-Familie Befehlsformate und Befehlssatz des PowerPC Arithmetische und logische Befehle Load/Store-Befehle Floating-Point-Befehle Prozessor-Kontroll-Instruktionen Assemblerprogrammierung und Beispielprogramme PowerPC-Versionen Übungen Bibliographische Hinweise Eine Register-Speicher-Architektur. Rechnersteuerung Architektur und Befehle des AT&T WE Zur Assembler-Sprache des WE Adressierungsarten Befehle und Programmbeispiele Unterschiede zum PowerPC Assembler, Linker und Lader Der Assembler Der Linker Der Lader Rechnersteuerung, insbesondere durch Mikroprogrammierung Übungen Bibliographische Hinweise

5 viii Inhalt 11 Optimierung von Ressourcen-Nutzung und Prozessorleistung Virtuelle Speicherverwaltung Aufgaben von Betriebssystemen Virtuelle Speicherung mittels Paging Segmentierung Beispiel einer hardware-mäßigen Unterstützung: Cache und MMU des PowerPC Adresstransformation beim PowerPC Pipelining Grundlegende Ideen Superskalare Befehlszuordnung Pipeline-Hasards Dynamisches Scheduling von Instruktionen nach Tomasulo Weitere ILP-Techniken Grenzen der Parallelarbeit: Scheduling bei zwei Prozessoren Übungen Bibliographische Hinweise Weitere Prozessor-Beispiele Zilog-Prozessoren Zilog Z Moderne Zilog-Prozessoren Intel-Prozessoren Intel 8086 und Intel und Intel Pentium Pentium Pro Pentium II und III Pentium 4 und Nachfolger Motorola-Prozessoren Motorola Motorola Motorola 68030, und DragonBall-Prozessoren SPARC-Prozessoren Eingebettete Prozessoren und Systeme Übungen Bibliographische Hinweise und historische Ergänzungen III Parallelverarbeitung (Alternative Rechnerkonzepte) Grund-Konzepte und -Modelle für die Parallelverarbeitung VLSI-Algorithmen. Systolische Netze SIMD-Rechner. Das Speicherproblem. Die PRAM Kommunikation bei verteiltem Speicher: Superkonzentratoren Spezielle Permutationsnetze: Ring, Shuffle, Mesh, Hypercube Beispiel: Matrix-Multiplikation auf dem Hypercube

6 Inhalt ix 13.6 Routing in programmierbaren Permutationsnetzen. Das Ω-Netz als Bidelta-Netz Universalität von Permutationsnetzen. Die Netze von Beneš und Clos Übungen Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Parallelrechner-Architekturen Übersicht SIMD-Architekturen MIMD-Architekturen Shared-Memory-MIMD-Rechner Distributed-Memory-MIMD-Rechner Netzwerk-Architekturen Cluster Grid-Computing Übungen Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Grundlagen der Rechnernetz-Technik Einführung Das ISO-Referenz-Modell Codierung von Daten in Netzen Lokale Netze Charakteristika Topologien und Übertragungsmedien Netzzugangsverfahren Hochgeschwindigkeitsnetze Globale Netze. Das Internet Charakteristika Das Internet TCP/IP-Protokolle Das World-Wide Web Die Arbeitsweise einer Suchmaschine am Beispiel Google Ausblick Übungen Bibliographische Hinweise Literaturverzeichnis 531 Index 548

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