Computerarchitektur: Strukturen, Konzepte, Grundlagen
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| Language: | German |
| Published: |
München
Pearson Studium
2002
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| Edition: | 4. Aufl., [Nachdr.] |
| Series: | Informatik : Grundlagen
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INHALTSVERZEICHNIS
VORWORT 15
1 EINLEITUNG 19
1.1 STRUKTURIERTE COMPUTERORGANISATION 20
1.1.1 SPRACHEN, EBENEN UND VIRTUELLE MASCHINEN 20
1.1.2 MODERNE MEHRSCHICHTIGE MASCHINEN 23
1.1.3 EVOLUTION MEHRSCHICHTIGER MASCHINEN 27
1.2 MEILENSTEINE DER COMPUTER-ARCHITEKTUR 32
1.2.1 MECHANISCHE COMPUTER (1642-1945) 34
1.2.2 DIE ERSTE GENERATION - VAKUUMROHREN (1945-1955) 36
1.2.3 DIE ZWEITE GENERATION - TRANSISTOREN (1955-1965) 39
1.2.4 DIE DRITTE GENERATION - INTEGRIERTE SCHALTUNGEN (1965-1980) 42
1.2.5 DIE VIERTE GENERATION - VLSI-INTEGRATION (1980- ?) 44
1.3 DER COMPUTER-ZOO 46
1.3.1 TECHNOLOGISCHE UND WIRTSCHAFTLICHE KRAFTE 46
1.3.2 DAS COMPUTER-SPEKTRUM 48
1.4 BEISPIELE VON COMPUTER-FAMILIEN 50
1.4.1 EINFUHRUNG IN PENTIUM II 51
1.4.2 EINFUHRUNG IN ULTRASPARC II 54
1.4.3 EINFUHRUNG IN PICOJAVA II 56
1.5 OBERBLICK UBER DEN REST DES BUCHS 59
1.6 AUFGABEN 61
2 AUFBAU VON COMPUTER-SYSTEMEN 63
2,1 PROZESSOREN 63
2.1.1 AUFBAU DER CPU 64
2.1.2 AUSFIIHRUNG VON INSTRUKTIONEN 66
2.1.3 RISC KONTRA CISC 70
2.1.4 DESIGNPRINZIPIEN MODERNER COMPUTER 72
2.1.5 PARALLELITAT AUF INSTRUKTIONSEBENE 74
2.1.6 PARALLELITAT AUF PROZESSOREBENE 78
6 INHALTSVERZEICHNIS
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.2.6
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.3.5
2.3.6
2.3.7
2.3.8
2.3.9
2.3.10
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
2.4.5
2.4.6
2.5
2.6
3
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.1.4
3.2
PRIM&RE SPEICHER
BITS
SPEICHERADRESSEN
BYTEANORDNUNG
FEHLERKORREKTURCODES
CACHE-SPEICHER
SPEICHERBAUEINHEITEN UND -TYPEN.
SEKUNDARE SPEICHER
SPEICHERHIERARCHIEN
MAGNETPLATTEN
DISKETTEN
IDE-FESTPLATTEN
SCSI-FESTPLATTEN
RAID
CD-ROM !
EINMAL BESCHREIBBARE CD
WIEDERBESCHREIBBARE CD
DVD
EINGABE/AUSGABE
BUSSE
TERMINALS
MAUSE
DRUCKER
MODEMS
ZEICHENCODES
ZUSAMMENFASSUNG
AUFGABEN
DIE DIGITALE LOGISCHE EBENE
GATES UND BOOLESCHE ALGEBRA
GATES
BOOLESCHE ALGEBRA
IMPLEMENTIERUNG VON BOOLESCHEN FUNKTIONEN
SCHALTUNGSAQUIVALENZ .
GRUNDLEGENDE DIGITALE LOGISCHE SCHALTUNGEN .
. 82
. 82
. 83
.
85
. 87
.
91
. 95
. 96
. 96
.
97
101
102
103
105
109
113
116
117
119
119
123
131
133
139
142
146
147
153
153
153
156
158
160
164
INHALTSVERZEICHNIS 7
3.2.1 INTEGRIERTE SCHALTUNGEN 164
3.2.2 KOMBINATIONSSCHALTUNGEN 166
3.2.3 ARITHMETISCHE SCHALTUNGEN 172
3.2.4 T^KTGEBER 176
3.3 SPEICHER 178
3.3.1 LATCHES 178
3.3.2 FLIP-FLOP-SCHALTUNGEN 181
3.3.3 REGISTER 183
3.3.4 SPEICHERORGANISATION 184
3.3.5 SPEICHERCHIPS 188
3.3.6 RAMUNDROM 190
3.4 CPU-CHIPS UND BUSSE 193
3.4.1 CPU-CHIPS : 193
3.4.2 COMPUTER-BUSSE 195
3.4.3 BUSBREITE 198
3.4.4 BUSTAKTUNG 200
3.4.5 BUS-ARBITRATION 204
3.4.6 BUSOPERATIONEN 207
3.5 BEISPIELE VON CPU-CHIPS 210
3.5.1 PENTIUM II 210
3.5.2 ULTRASPARC II 216
3.5.3 PICOJAVALL 220
3.6 BEISPIELBUSSE 222
3.6.1 ISA-BUS 222
3.6.2 PCI-BUS 224
3.6.3 USB (UNIVERSAL SERIAL
BUS) 232
3.7 SCHNITTSTELLEN 235
3.7.1 E/A-CHIPS 235
3.7.2 DEKODIERUNG VON ADRESSEN 237
3.8 ZUSAMMENFASSUNG 240
3.9 AUFGABEN 241
4 DIE MIKROARCHITEKTUREBENE 247
4.1 BEISPIEL EINER MIKROARCHITEKTUR 247
4.1.1 DERDATENWEG 248
8
INHALTSVERZEICHNIS
4.1.2 MIKROINSTRUKTIONEN . 255
4.1.3 MIKROINSTRUKTIONSSTEUERUNG: MIC-1 257
4.2 ISA-BEISPIEL: IJVM 263
4.2.1 STAPEL 263
4.2.2 DAS UVM-SPEICHERMODELL 265
4.2.3 DER IJVM-BEFEHLSVORRAT 267
4.2.4 JAVA IN IJVM
KOMPILIEREN 271
4.3 BEISPIELIMPLEMENTIERUNG 273
4.3.1 MIKROINSTRUKTIONEN UND NOTATION 273
4.3.2 IJVM MIT DER MIC-1 IMPLEMENTIEREN 278
4.4 DESIGN DER MIKROARCHITEKTUREBENE 292
4.4.1 GESCHWINDIGKEIT GEGENTIBER KOSTEN 293
4.4.2 REDUZIERUNG DER AUSFIIHRUNGSPFADLANGE 295
4.4.3 DESIGN MIT VORAUSLESEN: MIC-2 303
4.4.4 PIPELINE-DESIGN: MIC-3 307
4.4.5 SIEBENSTUFIGE PIPELINE: MIC-4 313
4.5 LEISTUNGSVERBESSERUNG 317
4.5.1 CACHE-SPEICHER 318
4.5.2 SPRUNGVORHERSAGE 324
4.5.3 AUSFUHRUNG AUFIER DER REIHE UND REGISTERUMBENENNUNG 330
4.5.4 SPEKULATIVE AUSFUHRUNG 336
4.6 BEISPIELE DER MIKROARCHITEKTUREBENE 339
4.6.1 DIE MIKROARCHITEKTUR DER PENTIUM-II-CPU 339
4.6.2 DIE MIKROARCHITEKTUR DER ULTRASPARC-II-CPU 344
4.6.3 DIE MIKROARCHITEKTUR DER PICOJAVA-II-CPU 348
4.6.4 PENTIUM, ULTRASPARC UND PICOJAVA IM VERGLEICH 353
4.7 ZUSAMMENFASSUNG 355
4.8 AUFGABEN 356
5 DIE ISA-EBENE (INSTRUCTION SET ARCHITECTURE) 361
5.1 UBERSICHT LIBER DIE ISA-EBENE 363
5.1.1 EIGENSCHAFTEN DER ISA-EBENE 363
5.1.2 SPEICHERMODELLE 365
5.1.3 REGISTER 367
5.1.4 INSTRUKTIONEN 369
INHALTSVERZEICHNIS 9
5.1.5 UBERSICHT IIBER DIE ISA-EBENE DES PENTIUM II 369
5.1.6 UBERSICHT IIBER DIE ISA-EBENE DER ULTRASPARC II 372
5.1.7 UBERSICHT IIBER DIE ISA-EBENE DER JVM 376
5.2 DATENTYPEN 377
5.2.1 NUMERISCHE DATENTYPEN 378
5.2.2 NICHT NUMERISCHE DATENTYPEN 379
5.2.3 DATENTYPEN AUF DEM PENTIUM II 380
5.2.4 DATENTYPEN AUF DER ULTRASPARC
II 380
5.2.5 DATENTYPEN AUF DER JVM (JAVA VIRTUAL
MACHINE) 381
5.3 INSTRUKTIONSFORMATE 382
5.3.1 DESIGNKRITERIEN FUR INSTRUKTIONSFORMATE 383
5.3.2 OPCODE-ERWEITERUNG 385
5.3.3 INSTRUKTIONSFORMATE DES PENTIUM II 388
5.3.4 INSTRUKTIONSFORMATE DER ULTRASPARC II 389
5.3.5 INSTRUKTIONSFORMATE DER JVM 391
5.4 ADRESSIERUNG 393
5.4.1 ADRESSIERMODI 395
5.4.2 UNMITTELBARE ADRESSIERUNG 395
5.4.3 REGISTERADRESSIERUNG 396
5.4.4 INDIREKTE REGISTERADRESSIERUNG 396
5.4.5 INDIZIERTE ADRESSIERUNG 398
5.4.6 BASISINDIZIERTE ADRESSIERUNG 399
5.4.7 STAPELADRESSIERUNG '. 400
5.4.8 ADRESSIERMODI FIIR SPRUNGINSTRUKTIONEN 404
5.4.9 ORTHOGONALITAT VON OPCODES UND ADRESSIERMODI 404
5.4.10 ADRESSIERMODI DES PENTIUM II 406
5.4.11 ADRESSIERMODI DER ULTRASPARC II 408
5.4.12 ADRESSIERMODI DER JVM 409
5.4.13 ADRESSIERMODI IM VERGLEICH 409
5.5 INSTRUKTIONSTYPEN 410
5.5.1 INSTRUKTIONEN ZUR DATENBEWEGUNG 410
5.5.2 DYADISCHE OPERATIONEN 411
5.5.3 MONADISCHE OPERATIONEN 413
5.5.4 VERGLEICHE UND BEDINGTE SPRUNGE 415
5.5.5 INSTRUKTIONEN FUR PROZEDURAUFRUFE 417
10 INHALTSVERZEICHNIS
5.5.6 SCHLEIFENSTEUERUNG 418
5.5.7 EIN-/AUSGABEN 419
5.5.8 INSTRUKTIONEN DES PENTIUM II 423
5.5.9 INSTRUKTIONEN DER ULTRASPARC II 426
5.5.10 INSTRUKTIONEN DER PICOJAVA II 430
5.5.11 BEFEHLSSATZE IM VERGLEICH 435
5.6 ABLAUFSTEUERUNG 436
5.6.1 SEQUENTIELLE ABLAUFSTEUERUNG UND SPRUNGE 436
5.6.2 PROZEDUREN 437
5.6.3 COROUTINEN 442
5.6.4 TRAPS 445
5.6.5 INTERRUPTS 446
5.7 AUSFIIHRLICHES BEISPIEL: DIE TURME VON HANOI 450
5.7.1 TURME VON HANOI IN ASSEMBLER FUR DEN PENTIUM II 450
5.7.2 TURME VON HANOI IN DER ULTRASPARC II-ASSEMBLERSPRACHE 453
5.7.3 TURME VON HANOI IN ASSEMBLERSPRACHE FUR DIE JVM 455
5.8 DIE INTEL IA-64 457
5.8.1 DAS PROBLEM MIT DEM PENTIUM II 458
5.8.2 MODELL IA-64
UND EPIC 460
5.8.3 PRADIKATION 461
5.8.4 SPEKULATIVE LADEOPERATIONEN 464
5.8.5 REALITATSPRUFUNG 465
5.9 ZUSAMMENFASSUNG 466
5.10 AUFGABEN 467
6 DIE EBENE DER BETRIEBSSYSTEMMASCHINE 475
6.1 VIRTUELLER SPEICHER 476
6.1.1 PAGING 477
6.1.2 IMPLEMENTIERUNG VON PAGING 479
6.1.3 DEMAND-PAGING UND ARBEITSMENGE 483
6.1.4 SEITENERSETZUNG 484
6.1.5 SEITENGROBE UND FRAGMENTIERUNG 487
6.1.6 SEGMENTIERUNG 488
6.1.7 IMPLEMENTIERUNG DER SEGMENTIERUNG 492
6.1.8 DER VIRTUELLE SPEICHER DES PENTIUM II 495
INHALTSVERZEICHNIS 11
6.1.9 DER VIRTUELLE SPEICHER DER ULTRASPARC II 500
6.1.10 VIRTUELLE SPEICHER UND CACHING 503
6.2 VIRTUELLE E/A-INSTRUKTIONEN 504
6.2.1 DATEIEN 504
6.2.2 IMPLEMENTIERUNG VIRTUELLER E/A-INSTRUKTIONEN 506
6.2.3 INSTRUKTIONEN FUR DIE VERZEICHNISVERWALTUNG 510
6.3 VIRTUELLE INSTRUKTIONEN FUR PARALLELE VERARBEITUNG 511
6.3.1 ERSTELLEN VON PROZESSEN 513
6.3.2 LAUFBEDINGUNGEN 513
6.3.3 SEMAPHORE ZUR SYNCHRONISATION VON PROZESSEN 518
6.4 BEISPIELE VON BETRIEBSSYSTEMEN 522
6.4.1 EINLEITUNG 522
6.4.2 BEISPIELE VON VIRTUELLEN SPEICHERN 533
6.4.3 BEISPIELE VIRTUELLER E/A 536
6.4.4 BEISPIELE DER PROZEBVERWALTUNG 549
6.5 ZUSAMMENFASSUNG 557
6.6 AUFGABEN 558
7 DIE EBENE DER ASSEMBLERSPRACHE 565
7.1 EINFIIHRUNG IN DIE ASSEMBLERSPRACHE 566
7.1.1 WAS IST EINE ASSEMBLERSPRACHE? 566
7.1.2 WOFIIR BRAUCHT MAN EINE ASSEMBLERSPRACHE? 567
7.1.3 FORMAT EINER ANWEISUNG IN ASSEMBLERSPRACHE 570
7.1.4 PSEUDOINSTRUKTIONEN 575
7.2 MAKROS 577
7.2.1 DEFINITION, AUFRUF UND ERWEITERUNG EINES MAKROS 577
7.2.2 MAKROS MIT PARAMETERN 579
7.2.3 WEITERE FUNKTIONEN 580
7.2.4 MAKROTECHNIK IN EINEM ASSEMBLER IMPLEMENTIEREN 581
7.3 DER ASSEMBLIERUNGSPROZES 582
7.3.1 ASSEMBLER MIT ZWEI DURCHLAUFEN 582
7.3.2 ERSTER DURCHLAUF. 583
7.3.3 ZWEITER DURCHLAUF 588
7.3.4 DIE SYMBOLTABELLE 590
7.4 BINDEN UND LADEN 591
12 INHALTSVERZEICHNIS
7.4.1 AUFGABEN DES BINDERS 593
7.4.2 STRUKTUR EINES OBJEKTMODULS 596
7.4.3 BINDEZEIT UND DYNAMISCHE UMLADUNG 597
7.4.4 DYNAMISCHES BINDEN 600
7.4.5 DYNAMISCHES BINDEN IN UNIX 604
7.5 ZUSAMMENFASSUNG 604
7.6 AUFGABEN 605
8 PARALLELE RECHNCRARCHITEKTUREN 609
8.1 DESIGN-KRITERIEN FUR PARALLELRECHNER 610
8.1.1 KOMMUNIKATIONSMODELLE 612
8.1.2 VERBINDUNGSNETZE 617
8.1.3 LEISTUNG 627
8.1.4 SOFTWARE 633
8.1.5 TCIXONOMIE PARALLELER COMPUTER 640
8.2 SIMD-COMPUTER 643
8.2.1 ARRAYPROZESSOREN 643
8.2.2 VEKTORPROZESSOREN 644
8.3 MEHRPROZESSOREN MIT GEMEINSAMEM SPEICHER 649
8.3.1 SPEICHERSEMANTIK 649
8.3.2 UMA-BUSBASIERTE SMP-ARCHITEKTUREN 654
8.3.3 UMA-MEHRPROZESSORSYSTEME MIT KREUZSCHIENENSCHALTERN 660
8.3.4 UMA-MEHRPROZESSORSYSTEME MIT MEHRSTUFIGEN
VERMITTLUNGSNETZEN 662
8.3.5 NUMA-MEHRPROZESSORSYSTEME 665
8.3.6 CACHEKOHARENTE NUMA-MEHRPROZESSORSYSTEME 666
8.3.7 COMA-MEHRPROZESSORSYSTEME 678
8.4 MEHRRECHNERSYSTEME MIT NACHRICHTENAUSTAUSCH 680
8.4.1 MPP-MASSIV PARALLELE PROZESSORSYSTEME 682
8.4.2 COW
- WORKSTATION-CLUSTER 687
8.4.3 JOB-SCHEDULING 688
8.4.4 KOMMUNIKATIONSSOFTWARE FUR MEHRRECHNERSYSTEME 693
8.4.5 GEMEINSAMER SPEICHER AUF ANWENDUNGSEBENE 697
8.5 ZUSAMMENFASSUNG 705
8.6 AUFGABEN 706
INHALTSVERZEICHNIS 13
9 LESELISTE UND BIBLIOGRAPHIE 711
9.1 LESENSWERTE LITERATUR 711
9.1.1 EINFLIHRUNG UND ALLGEMEINE WERKE 711
9.1.2 LEKTURE ZUR ORGANISATION VON COMPUTERSYSTEMEN 712
9.1.3 LEKTURE ZUR DIGITALEN LOGISCHEN EBENE 712
9.1.4 LEKTURE ZUR MIKROARCHITEKTUREBENE 713
9.1.5 LEKTURE ZUR ISA-EBENE 714
9.1.6 LEKTURE ZUR EBENE DER BETRIEBSSYSTEMMASCHINE 715
9.1.7 LEKTURE ZUR EBENE DER ASSEMBLERSPRACHE 716
9.1.8 LEKTURE ZUR ARCHITEKTUR VON PARALLELRECHNERN 716
9.1.9 LEKTURE ZU BINAR-UND GLEITKOMMAZAHLEN 717
9.2 LITERATURVERZEICHNIS 718
ANHANG A: BINARZAHLEN 729
A.1 ZAHLEN MIT ENDLICHER GENAUIGKEIT 729
A.2 BASISZAHLENSYSTEME 731
A.3 UMWANDLUNG VON EINER BASIS IN EINE ANDERE 734
A.4 NEGATIVE BINARZAHLEN 736
A.5 BINARARITHMETIK 739
A.6 AUFGABEN 740
ANHANG B: GLEITKOMMAZAHLEN 743
B.L PRINZIPIEN DER GLEITKOMMAARITHMETIK 743
B.2 IEEE-STANDARD 754 FUR GLEITKOMMAARITHMETIK 747
B.3 AUFGABEN 751
STICHWORTVERZEICHNIS 753 |
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