Das vor1iegende Buch umfa~t den 1. Tei1 eines zweisemestrigen Vor1esungs zyk1us Uber Rechnerarchitektur. Es richtet sich an Personen mit Grundkennt nissen in Informatik. Der Vor1esungszyk1us wird im Informatik-Studium an der Universitat Er1angen-NUrnberg a1s Grund1agenkurs nach dem Vordip10m angeboten. Die Rechnerarchitektur ist ein Kerngebiet der Informatik, das in a11e vier Bereiche dieser Wissenschaft hineinreicht: Es gilt, die physika1ischen E1emen te einer Rechenan1age (Hardware) durch geeignete Anordnungen (physika1isch und 10gisch) so miteinander zu verbinden, daB das jewei1ige…mehr
Das vor1iegende Buch umfa~t den 1. Tei1 eines zweisemestrigen Vor1esungs zyk1us Uber Rechnerarchitektur. Es richtet sich an Personen mit Grundkennt nissen in Informatik. Der Vor1esungszyk1us wird im Informatik-Studium an der Universitat Er1angen-NUrnberg a1s Grund1agenkurs nach dem Vordip10m angeboten. Die Rechnerarchitektur ist ein Kerngebiet der Informatik, das in a11e vier Bereiche dieser Wissenschaft hineinreicht: Es gilt, die physika1ischen E1emen te einer Rechenan1age (Hardware) durch geeignete Anordnungen (physika1isch und 10gisch) so miteinander zu verbinden, daB das jewei1ige Einsatzzie1 (Anwendung) optimal rea1isiert ist. Das Zusammenspie1 der Einze1tei1e wird dabei weitgehend durch das Betriebssystem Uberwacht, so da~ sich die Rech nerarchitektur also auch mit der Software beschaftigen muB. Sch1ieB1ich gilt es auch noch, durch geeignete Methoden der Theorie der Informatik aus der Abstraktion gewisser realer Rechnerkonfigurationen einerseits und der an fa11enden Aufgabenprofi1e andererseits optima1e Prob1em1osungen zu gewinnen. Die Rechnerarchitektur befa~t sich also nicht nur mit einer Bestandsaufnahme bestehender Rechnermode11e oder -rea1isierungen. Man erkennt, da~ ihre zweite Aufgabe darUberhinaus darin besteht, die Kategorisierung und kritische Bewer tung dieser Mode11e nach verschiedensten Kriterien vorzunehmen. Sch1ie~lich 5011 die Rechnerarchitektur a1s drittes versuchen, den ProzeB des Entwurfes von Rechenan1agen bei gegebener Aufgabenste11ung zu beschreiben, urn fUr die einze1nen Entwurfsentscheidungen praktische Hi1fen zu geben.
Prof. Dr. Arndt Bode wurde 1987 auf den Lehrstuhl für Rechnertechnik und Rechnerorganisation in der Fakultät für Informatik der TUM berufen. Seine wichtigsten Arbeitsgebiete sind technische Informatik, Rechnerarchitektur, Supercomputer, parallele und verteilte Systeme, Entwicklungswerkzeuge sowie verteilte Anwendungen. Daneben gilt sein besonderes Engagement der fachübergreifenden Kooperation in Forschung und Lehre für Informatikprodukte, der Standardisierung von Grundsoftware für parallele und verteilte Systeme sowie dem Technologietransfer. Von Bodes hoher wissenschaftlicher Qualifikation zeugen über 200 Fachpublikationen, darunter Bücher über Rechnerarchitektur, Mikroprogrammierung, Mikroprozessoren und Anwendungen. Diese wurde unter anderem honoriert mit dem "Fellowship des Department of Employment, Education and Training", Canberra, Australien, dem "Best University Research Demonstration Award CONPAR 1990", Zürich und dem "Award for Online Visualization, CONPAR 90", ETH Züric
h. Bode ist auch Herausgeber verschiedener nationaler und internationaler Buchreihen und wissenschaftlicher Zeitschriften, seit 1999 Hauptherausgeber des Informatik-Spektrum, Springer Verlag. Bode ist national und international ein sehr gefragter Gutachter und Mitglied in zahlreichen Fachgesellschaften. Seit 1994 gehört er der Kommission für Informatik der Bayerischen Akademie der Wissenschaften an, seit 1999 der Kommission für Rechenanlagen der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Ebenso übt er zahlreiche Tätigkeiten als Berater für nationale und internationale Unternehmen aus. Im Februar 2005 ist Prof. Bode für weitere drei Jahre in seinem Amt als Vizepräsident und CIO der TU München bestätigt worden.
Inhaltsangabe
1. Einführung in die Rechnerarchitektur.- 1.1 Definitionen zur Rechnerarchitektur.- 1.2 Einführung in die Vorgehensweise der Rechnerarchitektur.- 1.2.1 Phasen des Entwurfs.- 1.2.2 Gestaltungsgrundsätze.- 1.3 Möglichkeiten der Einteilung von Rechenanlagen.- 2. Bewertung der Leistungsfähigkeit von Rechenanlagen.- 2.1 Rechnerbewertungsverfahren.- 2.1.1 Ziele bei der Rechnerbewertung.- 2.1.2 Übersicht über Rechnerbewertungsverfahren.- 2.1.2.1 Auswertung von Hardwaremaßen und -Parametern.- 2.1.2.2 Laufzeitmessungen bestehender Programme.- 2.1.2.3 Messung des Betriebs bestehender Anlagen.- 2.1.2.4 Modell theoretische Verfahren.- 2.1.2.5 Beispiel und Bewertung.- 2.2 Verkehrstheorie.- 2.2.1 Einführung in die Verkehrstheorie.- 2.2.1.1 Modellbildung.- 2.2.1.2 Analyse.- 2.2.2 Mathematische Behandlung der Verkehrsmodelle zur Berechnung der charakteristischen Verkehrsgrößen.- 2.2.3 Beispiele zur Berechnung der charakteristischen Verkehrsgrößen.- 2.2.3.1 Beispiel 1: Einfaches Prozeßmodell mit einer Warteschlange.- 2.2.3.2 Beispiel 2: Modell für den Verkehr zwischen Rechnerkern und E/A-Steuerwerk.- 2.3 Graphentheoretische Betrachtung des Flusses in Netzen.- 2.3.1 Informationsfluß, Kanal, Kanalkapazität.- 2.3.2 Netzwerke: Geographie, Zuverlässigkeit und Fluß.- 2.3.2.1 Netzwerke und ihre Darstellung als Graphen.- 2.3.2.2 Der Ford-Fulkerson-Algorithmus.- 2.3.2.3 Unterbrechungen in Netzwerken.- 2.4 Zuverlässigkeitstheorie.- 2.4.1 Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Rechenanlagen.- 2.4.2 Berechnung der Zuverlässigkeit.- 2.4.3 Beispiele für die Verfügbarkeit von Rechnersystemen.- 2.4.3.1 Allgemeine Beispiele.- 2.4.3.2 Verfügbarkeit unkonventioneller Rechnerarchitekturen.- 3. Anmerkungen zur Technologie.- 3.1 Einfluß der technologischen Entwicklung auf die Rechnerarchitektur.- 3.2 Mikroprozessoren und Mikrocomputer.- 3.2.1 Übersicht.- 3.2.2 Architektur vollständiger 8-bit Mikroprozessoren.- 3.2.3 Architektur mikroprogrammierbarer Bitscheiben-Prozessoren.- 3.3 Speichertechnologie.- 3.3.1 Rechnerarchitektur und Speichertechnologie.- 3.3.2 Möglichkeiten der Klassifikation von Speichern.- 3.3.3 Beschreibung der wichtigsten Speichertechnologien.- 3.3.3.1 Klassische Technologien.- a) Datenspeicherung durch stabilen magnetischen Fluß.- a1) Ferritkernspeicher.- a2) Magnetschichtspeicher.- a3) Magnetplattenspeicher.- a4) Magnettrommelspeicher.- a5) Magnetbandspeicher.- b) Datenspeicherung durch stabile Strom- bzw. Spannungsverteilung: Halbleiterspeicher.- b1) Halbleiter-Direktzugriffsspeicher.- b2) Halbleiter-Festspeicher.- b3) Serielle Halbleiterspeicher.- b4) Assoziative Halbleiterspeicher.- 3.3.3.2 Zukünftige Technologien.- a) Magnetblasenspeicher.- b) Holographische Speicher (Optische Speicher).- 3.3.3.3 Übersichten.- 4. Formale Hilfsmittel der Rechnerarchitektur.- 4.1 Automatentheorie.- 4.1.1 Automatentheorie in der Schaltkreis- und Schaltwerktheorie.- 4.1.2 Realisierung, Komposition und Dekomposition von Automaten.- 4.2 Petri-Netze.- 4.2.1 Einführung in die Petri-Netze.- 4.2.2 Anwendungsbeispiele.- 4.3 Berechnungsschemata.- 4.3.1 Elementare Berechnungsschemata.- 4.4 Rechnerentwurfssprachen.- 4.4.1 Kurze übersicht über einige Rechnerentwurfssprachen.- 4.4.2 Beispiel in ERES.- 5. Teilwerke von Rechenanlagen.- 5.1 Busse.- 5.1.1 Entwurfsmerkmale von Bussen.- 5.1.1.1 Anzahl und Art der Busse.- 5.1.1.2 Art der Busverwaltung.- 5.1.1.3 Art der Kommunikations technik auf dem Bus.- 5.1.1.4 Art des Datentransfers.- 5.1.1.5 Breite des Busses.- 5.1.2 Entwurf von Bussen.- 5.1.3 Beispiel eines realen Bussystems: Lockheed-Sue-Infibus.- 5.2 Mikroprogrammierung.- 5.2.1 Einige Definitionen zur Mikroprogrammierung.- 5.2.2 Mikroprogrammierung eines einfachen Beispielrechners.- 5.2.3 Historische Entwicklung der Mikroprogrammierung.- 5.2.4 Ein automatentheoretisches Modell für Mikroprogrammwerkstrukturen.- Literatur.- Sach- undPersonenverzeichnis.
1. Einführung in die Rechnerarchitektur.- 1.1 Definitionen zur Rechnerarchitektur.- 1.2 Einführung in die Vorgehensweise der Rechnerarchitektur.- 1.2.1 Phasen des Entwurfs.- 1.2.2 Gestaltungsgrundsätze.- 1.3 Möglichkeiten der Einteilung von Rechenanlagen.- 2. Bewertung der Leistungsfähigkeit von Rechenanlagen.- 2.1 Rechnerbewertungsverfahren.- 2.1.1 Ziele bei der Rechnerbewertung.- 2.1.2 Übersicht über Rechnerbewertungsverfahren.- 2.1.2.1 Auswertung von Hardwaremaßen und -Parametern.- 2.1.2.2 Laufzeitmessungen bestehender Programme.- 2.1.2.3 Messung des Betriebs bestehender Anlagen.- 2.1.2.4 Modell theoretische Verfahren.- 2.1.2.5 Beispiel und Bewertung.- 2.2 Verkehrstheorie.- 2.2.1 Einführung in die Verkehrstheorie.- 2.2.1.1 Modellbildung.- 2.2.1.2 Analyse.- 2.2.2 Mathematische Behandlung der Verkehrsmodelle zur Berechnung der charakteristischen Verkehrsgrößen.- 2.2.3 Beispiele zur Berechnung der charakteristischen Verkehrsgrößen.- 2.2.3.1 Beispiel 1: Einfaches Prozeßmodell mit einer Warteschlange.- 2.2.3.2 Beispiel 2: Modell für den Verkehr zwischen Rechnerkern und E/A-Steuerwerk.- 2.3 Graphentheoretische Betrachtung des Flusses in Netzen.- 2.3.1 Informationsfluß, Kanal, Kanalkapazität.- 2.3.2 Netzwerke: Geographie, Zuverlässigkeit und Fluß.- 2.3.2.1 Netzwerke und ihre Darstellung als Graphen.- 2.3.2.2 Der Ford-Fulkerson-Algorithmus.- 2.3.2.3 Unterbrechungen in Netzwerken.- 2.4 Zuverlässigkeitstheorie.- 2.4.1 Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Rechenanlagen.- 2.4.2 Berechnung der Zuverlässigkeit.- 2.4.3 Beispiele für die Verfügbarkeit von Rechnersystemen.- 2.4.3.1 Allgemeine Beispiele.- 2.4.3.2 Verfügbarkeit unkonventioneller Rechnerarchitekturen.- 3. Anmerkungen zur Technologie.- 3.1 Einfluß der technologischen Entwicklung auf die Rechnerarchitektur.- 3.2 Mikroprozessoren und Mikrocomputer.- 3.2.1 Übersicht.- 3.2.2 Architektur vollständiger 8-bit Mikroprozessoren.- 3.2.3 Architektur mikroprogrammierbarer Bitscheiben-Prozessoren.- 3.3 Speichertechnologie.- 3.3.1 Rechnerarchitektur und Speichertechnologie.- 3.3.2 Möglichkeiten der Klassifikation von Speichern.- 3.3.3 Beschreibung der wichtigsten Speichertechnologien.- 3.3.3.1 Klassische Technologien.- a) Datenspeicherung durch stabilen magnetischen Fluß.- a1) Ferritkernspeicher.- a2) Magnetschichtspeicher.- a3) Magnetplattenspeicher.- a4) Magnettrommelspeicher.- a5) Magnetbandspeicher.- b) Datenspeicherung durch stabile Strom- bzw. Spannungsverteilung: Halbleiterspeicher.- b1) Halbleiter-Direktzugriffsspeicher.- b2) Halbleiter-Festspeicher.- b3) Serielle Halbleiterspeicher.- b4) Assoziative Halbleiterspeicher.- 3.3.3.2 Zukünftige Technologien.- a) Magnetblasenspeicher.- b) Holographische Speicher (Optische Speicher).- 3.3.3.3 Übersichten.- 4. Formale Hilfsmittel der Rechnerarchitektur.- 4.1 Automatentheorie.- 4.1.1 Automatentheorie in der Schaltkreis- und Schaltwerktheorie.- 4.1.2 Realisierung, Komposition und Dekomposition von Automaten.- 4.2 Petri-Netze.- 4.2.1 Einführung in die Petri-Netze.- 4.2.2 Anwendungsbeispiele.- 4.3 Berechnungsschemata.- 4.3.1 Elementare Berechnungsschemata.- 4.4 Rechnerentwurfssprachen.- 4.4.1 Kurze übersicht über einige Rechnerentwurfssprachen.- 4.4.2 Beispiel in ERES.- 5. Teilwerke von Rechenanlagen.- 5.1 Busse.- 5.1.1 Entwurfsmerkmale von Bussen.- 5.1.1.1 Anzahl und Art der Busse.- 5.1.1.2 Art der Busverwaltung.- 5.1.1.3 Art der Kommunikations technik auf dem Bus.- 5.1.1.4 Art des Datentransfers.- 5.1.1.5 Breite des Busses.- 5.1.2 Entwurf von Bussen.- 5.1.3 Beispiel eines realen Bussystems: Lockheed-Sue-Infibus.- 5.2 Mikroprogrammierung.- 5.2.1 Einige Definitionen zur Mikroprogrammierung.- 5.2.2 Mikroprogrammierung eines einfachen Beispielrechners.- 5.2.3 Historische Entwicklung der Mikroprogrammierung.- 5.2.4 Ein automatentheoretisches Modell für Mikroprogrammwerkstrukturen.- Literatur.- Sach- undPersonenverzeichnis.
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