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Rechnerarchitektur: Einführung und Grundlagen
Einführung und Grundlagen
Erhard, Werner

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Produktbeschreibung

1 Einleitung.- 1.1 Der Begriff Rechnerarchitektur.- 1.2 Historischer Überblick.- 1.3 Architekturprinzipien.- 1.3.1 Serielle Verarbeitung.- 1.3.2 Pipelineprinzip.- 1.3.3 Feldrechnerprinzip.- 1.3.4 Multiprozessorprinzip.- 1.3.5 Klassifikation.- 1.4 Entwurfsziele.- 1.4.1 Leistung.- 1.4.2 Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz.- 1.4.3 Kosten.- 1.4.4 Erweiterbarkeit.- 1.4.5 Handhabbarkeit.- 1.5 Entwurfskriterien.- 1.5.1 Orthogonalität.- 1.5.2 Angemessenheit.- 1.5.3 Sparsamkeit.- 1.5.4 Virtualität.- 1.5.5 Kompatibilität.- 1.5.6 Dynamische Erweiterbarkeit.- 1.5.7 All-Anwendbarkeit.- 1.6 Vorgehensweise beim Entwurf.- 1.6.1 Top-down-Architektur.- 1.6.2 Bottom-up-Architektur.- 2 Aufbau typischer Serienrechner.- 2.1 Der klassische Universalrechenautomat.- 2.2 Historische Entwicklung.- 2.3 Modelle für Mikroprozessoren.- 2.3.1 Das Funktionsmodell SAB 8080.- 2.3.2 Das Programmiermodell des Intel 80386/80486.- 2.3.3 Das Programmiermodell des Motorola 68020.- 2.3.4 Das Programmiermodell eines Transputers.- 3 Komponenten eines Rechners.- 3.1 Das Rechenwerk.- 3.1.1 Normieren und Runden.- 3.1.2 Addition und Subtraktion.- 3.1.3 Multiplikation und Division.- 3.1.4 Coprozessoren.- 3.1.5 Bitalgorithmen.- 3.2 Das Steuerwerk.- 3.2.1 Befehlsumfang des Motorola 68020.- 3.2.2 Mikroprogrammierung.- 3.2.3 Interrupt-Behandlung.- 3.2.4 Pipelining bei der Befehlsabarbeitung.- 3.2.5 Adressierungsmodi.- 3.3 Das Speicherwerk.- 3.3.1 Speicherverwaltung.- 3.3.2 Cachespeicher.- 3.4 E/A-Werk und Kommunikation.- 3.4.1 Direkte Kopplung.- 3.4.2 Kanalkopplung.- 3.4.3 Speicherkopplung.- 3.4.4 Bussysteme.- 3.4.5 Netzwerke.- 3.4.6 Kommunikation des Motorola 68020.- 4 Formale Entwurfsmethoden.- 4.1 Automaten.- 4.1.1 Definition Mealy-Automat.- 4.1.2 Darstellung von Mealy-Automaten.- 4.1.3 Deterministischer, vollständiger Automat.- 4.1.4 Beispiel Getränkeautomat.- 4.1.5 Erweiterung von 8 und X.- 4.1.6 Äquivalenz von Zuständen.- 4.1.7 Äquivalenz von Automaten.- 4.1.8 Vollreduzierter Automat.- 4.1.9 Hauptsatz der Automatentheorie.- 4.1.10 Ein Beispiel.- 4.1.11 Das Verfahren von Ginsburg und Huffman.- 4.1.12 Moore-Automat.- 4.1.13 Darstellung von Moore-Automaten.- 4.1.14 Äquivalenz von Mealy- und Moore-Automaten.- 4.1.15 Medvedev-Automat.- 4.1.16 Zuordnung.- 4.1.17 Realisierung.- 4.1.18 Satz zur Realisierung.- 4.1.19 Beispiel.- 4.1.20 Serielle Komposition.- 4.1.21 Parallele Komposition.- 4.1.22 Dekomposition.- 4.1.23 Partition.- 4.1.24 Beispiel Partition.- 4.1.25 Verfeinerung und Vergröberung.- 4.1.26 Beispiel.- 4.1.27 Triviale Zerlegungen.- 4.1.28 S-Partition.- 4.1.29 ?-Bild.- 4.1.30 Ausgabetreue.- 4.1.31 Beispiel.- 4.1.32 Kongruenzverband.- 4.1.33 Parallel- und Seriendekomposition.- 4.1.34 Zyklische Zerlegung.- 4.1.34 Ein abschließendes Beispiel.- 4.2 Petrinetze.- 4.2.1 Definition Petri-Netz.- 4.2.2 Transitionen.- 4.2.3 Beispiel.- 4.2.4 Interpretation von Petri-Netzen.- 4.2.5 Konflikte und Konfliktlösungen.- 4.2.6 Synchronisation.- 4.2.7 Automat und Petri-Netz.- 4.2.8 Markierungsklasse.- 4.2.9 Lebendigkeit.- 4.2.10 Sicherheit.- 4.2.11 Deadlockfreiheit.- 4.2.12 Satz.- 4.2.13 Beispiel.- 4.2.14 Auswertung von Petri-Netzen.- 4.3 Rechnerentwurfssprachen.- 4.3.1 Einführung in VHDL.- 4.4 CSP.- 4.4.1 Grundbegriffe.- 4.4.2 Auswahlregel.- 4.4.3 Rekursion.- 4.4.4 Gegenseitige Rekursion.- 4.4.5 Prozeßbeschreibung mit Spuren.- 4.4.6 Parallele Komposition.- 5 Leistungsbewertung.- 5.1 Ziele und Methoden.- 5.2 Kenngrößen.- 5.3 Beobachtende Leistungsbewertung.- 5.3.1 Hardware-Monitoring.- 5.3.2 Software-Monitoring.- 5.3.3 Hybrides Monitoring.- 5.3.4 Monitoring verteilter Systeme.- 5.3.5 Zusammenfassung.- 5.4 Berechnende Leistungsbewertung.- 5.4.1 Modellierungsmethoden.- 5.4.2 Graphentheoretische Beschreibung.- 5.4.3 Verkehrstheoretische Beschreibung.- 5.5 Benchmarks.- 5.6 Parameter von Hockney.- 5.7 Leistungssteigerung.- 5.8 Verfügbarkeit.- 5.8.1 Reparierbare und nicht reparierbare Systeme.- 5.8.2 Serien- und Parallelschaltung von Systemkomponenten.- 5.8.3 Erhöhung der Verfügbarkeit.- 5.8.4 Fehlertoleranz.- 5.8.5 Bewertung eines fehlertoleranten Systems.- 6 Parallelrechnerstrukturen.- 6.1 Funktionales Trennen.- 6.2 Pipeline-Prinzip.- 6.3 Feldrechner.- 6.4 Multiprozessoren.- 7 Optische Architekturkonzept.- 7.1 Mustersubstitutionslogik.- 7.2 Programmierbare optische Logikfelder.- 7.3 Programmerbare optoelektronische Logikfelder.- 7.3.1 Aufbau eines Prozessorelements.- 7.3.2 Programmierung eines Prozessorelements.
Ausgehend vom von-Neumann-Prinzip wird der Aufbau moderner Mikroprozessoren besprochen. Dabei werden insbesondere die Aufgaben der einzelnen Werke und die Realisierung herausgearbeitet (z. B. Computerarithmetik, Adressierung, Mikroprogramming, Kommunikation). Ein wichtiger Bestandteil des Buches sind Entwurfsmethoden: Beschreibung mit Automaten, Petrinetze, Rechnerentwurfssprachen mit einer Einführung in VHDL, CSP. Nach einer Einführung in die Grundlagen und Methoden der Leistungsbewertung werden insbesondere verkehrstheoretische Ansätze diskutiert (mit Beispielen). Methoden zur Leistungssteigerung und Zuverlässigkeitsfragen sowie ein Ausblick runden den Inhalt ab.
und Grundlagen Von Prof. Dr. -Ing. Werner Erhard Universität Jena ES B. G. Teubner Stuttgart 1995 Prof. Dr. -Ing. Werner Erhard Geboren 1949 in NOrnberg. Studium der Mathematik von 1968 bis 1974, Promotion 1986 und Habilitation im Fachgebiet Rechnerarchitek tur 1990 in Erlangen. 1991 bis 1993 Professur fOr Verteilte Systeme an der Universitât Ulm. Seit 1993 Inhaber des Lehrstuhls Rechnerarchitektur und -kommunika tion an der Friedrich-Schiller-Universitât Jena. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Erhard, Werner: Rechnerarchitektur : EinfOhrung und Grundlagen / von Werner Erhard. - Stuttgart : Teubner, 1995 ISBN 978-3-519-02132-2 ISBN 978-3-322-96653-7 (eBook) DOI 10. 1007/978-3-322-96653-7 Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschOtzt. Jede Verwer tung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzul?ssig und strafbar. Das gilt besonders fOr Vervielf?ltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen © B. G. Teubner Stuttgart 1995 Vorwort Der BegriffRechnerarchitektur und die Inhalte dieses Fachgebiets innerhalb der Informatik haben sich im Laufe der Zeit verändert. Insbesondere in den letzten Jahren ergab sich durch die enorme Leistungssteigerung bei Prozessoren eine Verwischung der Grenzen zwischen Personal Computer, Workstation und Großrechner. Weitaus stärker in den Vordergrund sind die Dezentralisierung und die Kommunikation getreten. Weiterentwickelt wurden auch die Methoden zum Entwurfund zur Bewertung von Architekturen. Die Konzeption und der Aufbau dieses Buches weichen bewußt vom klassischen Aufbau anderer Rechnerarchitekturbücher ab. Ziel des Autors ist es, einen breiten einführenden Überblick zu geben über Kern- und Randbereiche der Rechnerarchitektur.
1 Einleitung.- 1.1 Der Begriff Rechnerarchitektur.- 1.2 Historischer Überblick.- 1.3 Architekturprinzipien.- 1.3.1 Serielle Verarbeitung.- 1.3.2 Pipelineprinzip.- 1.3.3 Feldrechnerprinzip.- 1.3.4 Multiprozessorprinzip.- 1.3.5 Klassifikation.- 1.4 Entwurfsziele.- 1.4.1 Leistung.- 1.4.2 Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz.- 1.4.3 Kosten.- 1.4.4 Erweiterbarkeit.- 1.4.5 Handhabbarkeit.- 1.5 Entwurfskriterien.- 1.5.1 Orthogonalität.- 1.5.2 Angemessenheit.- 1.5.3 Sparsamkeit.- 1.5.4 Virtualität.- 1.5.5 Kompatibilität.- 1.5.6 Dynamische Erweiterbarkeit.- 1.5.7 All-Anwendbarkeit.- 1.6 Vorgehensweise beim Entwurf.- 1.6.1 Top-down-Architektur.- 1.6.2 Bottom-up-Architektur.- 2 Aufbau typischer Serienrechner.- 2.1 Der klassische Universalrechenautomat.- 2.2 Historische Entwicklung.- 2.3 Modelle für Mikroprozessoren.- 2.3.1 Das Funktionsmodell SAB 8080.- 2.3.2 Das Programmiermodell des Intel 80386/80486.- 2.3.3 Das Programmiermodell des Motorola 68020.- 2.3.4 Das Programmiermodell eines Transputers.- 3 Komponenten eines Rechners.- 3.1 Das Rechenwerk.- 3.1.1 Normieren und Runden.- 3.1.2 Addition und Subtraktion.- 3.1.3 Multiplikation und Division.- 3.1.4 Coprozessoren.- 3.1.5 Bitalgorithmen.- 3.2 Das Steuerwerk.- 3.2.1 Befehlsumfang des Motorola 68020.- 3.2.2 Mikroprogrammierung.- 3.2.3 Interrupt-Behandlung.- 3.2.4 Pipelining bei der Befehlsabarbeitung.- 3.2.5 Adressierungsmodi.- 3.3 Das Speicherwerk.- 3.3.1 Speicherverwaltung.- 3.3.2 Cachespeicher.- 3.4 E/A-Werk und Kommunikation.- 3.4.1 Direkte Kopplung.- 3.4.2 Kanalkopplung.- 3.4.3 Speicherkopplung.- 3.4.4 Bussysteme.- 3.4.5 Netzwerke.- 3.4.6 Kommunikation des Motorola 68020.- 4 Formale Entwurfsmethoden.- 4.1 Automaten.- 4.1.1 Definition Mealy-Automat.- 4.1.2 Darstellung von Mealy-Automaten.- 4.1.3 Deterministischer, vollständiger Automat.- 4.1.4 Beispiel Getränkeautomat.- 4.1.5 Erweiterung von 8 und X.- 4.1.6 Äquivalenz von Zuständen.- 4.1.7 Äquivalenz von Automaten.- 4.1.8 Vollreduzierter Automat.- 4.1.9 Hauptsatz der Automatentheorie.- 4.1.10 Ein Beispiel.- 4.1.11 Das Verfahren von Ginsburg und Huffman.- 4.1.12 Moore-Automat.- 4.1.13 Darstellung von Moore-Automaten.- 4.1.14 Äquivalenz von Mealy- und Moore-Automaten.- 4.1.15 Medvedev-Automat.- 4.1.16 Zuordnung.- 4.1.17 Realisierung.- 4.1.18 Satz zur Realisierung.- 4.1.19 Beispiel.- 4.1.20 Serielle Komposition.- 4.1.21 Parallele Komposition.- 4.1.22 Dekomposition.- 4.1.23 Partition.- 4.1.24 Beispiel Partition.- 4.1.25 Verfeinerung und Vergröberung.- 4.1.26 Beispiel.- 4.1.27 Triviale Zerlegungen.- 4.1.28 S-Partition.- 4.1.29 ?-Bild.- 4.1.30 Ausgabetreue.- 4.1.31 Beispiel.- 4.1.32 Kongruenzverband.- 4.1.33 Parallel- und Seriendekomposition.- 4.1.34 Zyklische Zerlegung.- 4.1.34 Ein abschließendes Beispiel.- 4.2 Petrinetze.- 4.2.1 Definition Petri-Netz.- 4.2.2 Transitionen.- 4.2.3 Beispiel.- 4.2.4 Interpretation von Petri-Netzen.- 4.2.5 Konflikte und Konfliktlösungen.- 4.2.6 Synchronisation.- 4.2.7 Automat und Petri-Netz.- 4.2.8 Markierungsklasse.- 4.2.9 Lebendigkeit.- 4.2.10 Sicherheit.- 4.2.11 Deadlockfreiheit.- 4.2.12 Satz.- 4.2.13 Beispiel.- 4.2.14 Auswertung von Petri-Netzen.- 4.3 Rechnerentwurfssprachen.- 4.3.1 Einführung in VHDL.- 4.4 CSP.- 4.4.1 Grundbegriffe.- 4.4.2 Auswahlregel.- 4.4.3 Rekursion.- 4.4.4 Gegenseitige Rekursion.- 4.4.5 Prozeßbeschreibung mit Spuren.- 4.4.6 Parallele Komposition.- 5 Leistungsbewertung.- 5.1 Ziele und Methoden.- 5.2 Kenngrößen.- 5.3 Beobachtende Leistungsbewertung.- 5.3.1 Hardware-Monitoring.- 5.3.2 Software-Monitoring.- 5.3.3 Hybrides Monitoring.- 5.3.4 Monitoring verteilter Systeme.- 5.3.5 Zusammenfassung.- 5.4 Berechnende Leistungsbewertung.- 5.4.1 Modellierungsmethoden.- 5.4.2 Graphentheoretische Beschreibung.- 5.4.3 Verkehrstheoretische Beschreibung.- 5.5 Benchmarks.- 5.6 Parameter von Hockney.- 5.7 Leistungssteigerung.- 5.8 Verfügbarkeit.- 5.8.1 Reparierbare und nicht reparierbare Systeme.- 5.8.2 Serien- und Parallelschaltung von Systemkomponenten.- 5.8.3 Erhöhung der Verfüg

Inhaltsverzeichnis



1 Einleitung.- 1.1 Der Begriff Rechnerarchitektur.- 1.2 Historischer Überblick.- 1.3 Architekturprinzipien.- 1.3.1 Serielle Verarbeitung.- 1.3.2 Pipelineprinzip.- 1.3.3 Feldrechnerprinzip.- 1.3.4 Multiprozessorprinzip.- 1.3.5 Klassifikation.- 1.4 Entwurfsziele.- 1.4.1 Leistung.- 1.4.2 Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz.- 1.4.3 Kosten.- 1.4.4 Erweiterbarkeit.- 1.4.5 Handhabbarkeit.- 1.5 Entwurfskriterien.- 1.5.1 Orthogonalität.- 1.5.2 Angemessenheit.- 1.5.3 Sparsamkeit.- 1.5.4 Virtualität.- 1.5.5 Kompatibilität.- 1.5.6 Dynamische Erweiterbarkeit.- 1.5.7 All-Anwendbarkeit.- 1.6 Vorgehensweise beim Entwurf.- 1.6.1 Top-down-Architektur.- 1.6.2 Bottom-up-Architektur.- 2 Aufbau typischer Serienrechner.- 2.1 Der klassische Universalrechenautomat.- 2.2 Historische Entwicklung.- 2.3 Modelle für Mikroprozessoren.- 2.3.1 Das Funktionsmodell SAB 8080.- 2.3.2 Das Programmiermodell des Intel 80386/80486.- 2.3.3 Das Programmiermodell des Motorola 68020.- 2.3.4 Das Programmiermodell eines Transputers.- 3 Komponenten eines Rechners.- 3.1 Das Rechenwerk.- 3.1.1 Normieren und Runden.- 3.1.2 Addition und Subtraktion.- 3.1.3 Multiplikation und Division.- 3.1.4 Coprozessoren.- 3.1.5 Bitalgorithmen.- 3.2 Das Steuerwerk.- 3.2.1 Befehlsumfang des Motorola 68020.- 3.2.2 Mikroprogrammierung.- 3.2.3 Interrupt-Behandlung.- 3.2.4 Pipelining bei der Befehlsabarbeitung.- 3.2.5 Adressierungsmodi.- 3.3 Das Speicherwerk.- 3.3.1 Speicherverwaltung.- 3.3.2 Cachespeicher.- 3.4 E/A-Werk und Kommunikation.- 3.4.1 Direkte Kopplung.- 3.4.2 Kanalkopplung.- 3.4.3 Speicherkopplung.- 3.4.4 Bussysteme.- 3.4.5 Netzwerke.- 3.4.6 Kommunikation des Motorola 68020.- 4 Formale Entwurfsmethoden.- 4.1 Automaten.- 4.1.1 Definition Mealy-Automat.- 4.1.2 Darstellung von Mealy-Automaten.- 4.1.3 Deterministischer, vollständiger Automat.- 4.1.4 Beispiel Getränkeautomat.- 4.1.5 Erweiterung von 8 und X.- 4.1.6 Äquivalenz von Zuständen.- 4.1.7 Äquivalenz von Automaten.- 4.1.8 Vollreduzierter Automat.- 4.1.9 Hauptsatz der Automatentheorie.- 4.1.10 Ein Beispiel.- 4.1.11 Das Verfahren von Ginsburg und Huffman.- 4.1.12 Moore-Automat.- 4.1.13 Darstellung von Moore-Automaten.- 4.1.14 Äquivalenz von Mealy- und Moore-Automaten.- 4.1.15 Medvedev-Automat.- 4.1.16 Zuordnung.- 4.1.17 Realisierung.- 4.1.18 Satz zur Realisierung.- 4.1.19 Beispiel.- 4.1.20 Serielle Komposition.- 4.1.21 Parallele Komposition.- 4.1.22 Dekomposition.- 4.1.23 Partition.- 4.1.24 Beispiel Partition.- 4.1.25 Verfeinerung und Vergröberung.- 4.1.26 Beispiel.- 4.1.27 Triviale Zerlegungen.- 4.1.28 S-Partition.- 4.1.29 ?-Bild.- 4.1.30 Ausgabetreue.- 4.1.31 Beispiel.- 4.1.32 Kongruenzverband.- 4.1.33 Parallel- und Seriendekomposition.- 4.1.34 Zyklische Zerlegung.- 4.1.34 Ein abschließendes Beispiel.- 4.2 Petrinetze.- 4.2.1 Definition Petri-Netz.- 4.2.2 Transitionen.- 4.2.3 Beispiel.- 4.2.4 Interpretation von Petri-Netzen.- 4.2.5 Konflikte und Konfliktlösungen.- 4.2.6 Synchronisation.- 4.2.7 Automat und Petri-Netz.- 4.2.8 Markierungsklasse.- 4.2.9 Lebendigkeit.- 4.2.10 Sicherheit.- 4.2.11 Deadlockfreiheit.- 4.2.12 Satz.- 4.2.13 Beispiel.- 4.2.14 Auswertung von Petri-Netzen.- 4.3 Rechnerentwurfssprachen.- 4.3.1 Einführung in VHDL.- 4.4 CSP.- 4.4.1 Grundbegriffe.- 4.4.2 Auswahlregel.- 4.4.3 Rekursion.- 4.4.4 Gegenseitige Rekursion.- 4.4.5 Prozeßbeschreibung mit Spuren.- 4.4.6 Parallele Komposition.- 5 Leistungsbewertung.- 5.1 Ziele und Methoden.- 5.2 Kenngrößen.- 5.3 Beobachtende Leistungsbewertung.- 5.3.1 Hardware-Monitoring.- 5.3.2 Software-Monitoring.- 5.3.3 Hybrides Monitoring.- 5.3.4 Monitoring verteilter Systeme.- 5.3.5 Zusammenfassung.- 5.4 Berechnende Leistungsbewertung.- 5.4.1 Modellierungsmethoden.- 5.4.2 Graphentheoretische Beschreibung.- 5.4.3 Verkehrstheoretische Beschreibung.- 5.5 Benchmarks.- 5.6 Parameter von Hockney.- 5.7 Leistungssteigerung.- 5.8 Verfügbarkeit.- 5.8.1 Reparierbare und nicht reparierbare Systeme.- 5.8.2 Serien- und Parallelschaltung von Systemkomponenten.- 5.8.3 Erhöhung der Verfügbarkeit.- 5.8.4 Fehlertoleranz.- 5.8.5 Bewertung eines fehlertoleranten Systems.- 6 Parallelrechnerstrukturen.- 6.1 Funktionales Trennen.- 6.2 Pipeline-Prinzip.- 6.3 Feldrechner.- 6.4 Multiprozessoren.- 7 Optische Architekturkonzept.- 7.1 Mustersubstitutionslogik.- 7.2 Programmierbare optische Logikfelder.- 7.3 Programmerbare optoelektronische Logikfelder.- 7.3.1 Aufbau eines Prozessorelements.- 7.3.2 Programmierung eines Prozessorelements.


Klappentext



geben über Kern- und Randbereiche der Rechnerarchitektur.


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