Rechneraufbau und Rechnerstrukturen

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Käte Boer
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1 Rechneraufbau und Rechnerstrukturen von Prof. Dr. em. Walter Oberschelp, RWTH Aachen und Prof. Dr. Gottfried Vossen, Universität Münster 9. Auflage Oldenbourg Verlag München Wien

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort zur ersten Auflage Vorwort zur dritten Auflage Vorwort zur sechsten Auflage Vorwort zur siebten Auflage Vorwort zur neunten Auflage x xii xiv xviü xx I Bausteine und Lokale Grundkonzepte 1 1 Schaltfunktionen und ihre Darstellung Zahlendarstellungen Boolesche Algebra Schaltfunktionen und Boolesche Funktionen Schaltnetze Ringsummendarstellung Boolescher Funktionen Geordnete binäre Entscheidungs-Diagramme (OBDD) Übungen Bibliographische Hinweise 36 2 Spezifische Schaltnetze und ihre Verbesserung Entwurf von Schaltnetzen: Vorüberlegungen Multiplexer und andere Bausteine zur Realisierung Boolescher Funktionen Addiernetze Vereinfachung von Schaltnetzen Das Verfahren von Karnaugh Das Verfahren von Quine und McCIuskey Vereinfachung und Komposition von OBDDs Fehlerdiagnose von Schaltnetzen 85

3 vi Inhalt 2.7 Hasards in Schaltnetzen Übungen Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Das Überdeckungsproblem als Optimierungsaufgabe Überdeckungsmatrizen Minimalüberdeckungen Übungen Bibliographische Hinweise Schaltungen mit Delays (Schaltwerke) Einführung Addierwerke Lineare Schaltkreise und Schieberegister (LSR) Anwendungen von LSRs: 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 Übungen Bibliographische Hinweise Programmierbare Logik und VLSI Aufbau eines PLAs Zur Programmierung von PLAs Anwendungen von PLAs: ROMs und Mikroprograminierung Komplexes Logik-Design VLSI-Schaltungen Übungen Bibliographische Hinweise 196 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 226

4 Inhalt vü 7.7 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 Assemblerprogramrnierung 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 Maßnahmen zur Leistungssteigerung Hardwaremäßige Unterstützung virtueller Speicherverwaltung Aufgaben von Betriebssystemen Virtuelle Speicherung und Paging Segmentierung Cache und MMU des PowerPC Adresstransformation beim PowerPC Pipelining Grundlegende Ideen Superskalare Befehlszuordnung Pipeline-Hasards Very Large Instruction Words Grenzen der Parallelarbeit: Scheduling bei zwei Prozessoren Übungen Bibliographische Hinweise 325

5 Inhalt 11 Weitere Prozessor-Beispiele Zilog-Prozessoren ZilogZ Moderne Zilog-Prozessoren Intel-Prozessoren Intel 8086 und Intel und Intel Pentium Pentium Pro Pentium II und III Pentium Motorola-Prozessoren Motorola Motorola Motorola und DragonBall-Prozessoren SPARC-Prozessoren Übungen Bibliographische Hinweise und historische Ergänzungen 355 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 Routing in programmierbaren Permutationsnetzen. Das O-Netz als Bidelta-Netz Universalität von Permutationsnetzen. Die Netze von Benes 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 440

6 Inhalt ix 14 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 487 Literaturverzeichnis 489 Index 505

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