Rechnerarchitektur: Einführung in den Aufbau moderner Computer
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| Veröffentlicht: |
Berlin ; Boston
De Gruyter Oldenbourg
[2016]
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| Schriftenreihe: | De Gruyter Studium
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| adam_text | Titel: Rechnerarchitektur
Autor: Hellmann, Roland
Jahr: 2016
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur 2. Auflage V
Vorwort VI
Inhaltsverzeichnis IX
Teil 1: Grundlagen 1
1 Einleitung 3
1.1 Grundbegriffe 3
1.2 Einheiten 5
1.3 Geschichte 6
1.4 Arten von Computern 8
2 Allgemeiner Aufbau eines Computersystems 15
2.1 Blockdiagramm und grundlegende Abläufe 15
2.2 Detaillierteres Computermodell 18
2.3 Speicher und E/A-Bausteine 19
2.4 Prozessor und Busse 22
2.5 Taxonomien 25
3 Performance und Performanceverbesserung 27
3.1 Angabe der Rechenleistung 27
3.2 Caching 30
3.2.1 Caching beim Lesen von Daten 30
3.2.2 Caching beim Schreiben von Daten 32
3.2.3 Cacheable Area 34
3.2.4 Cache-Hierarchien 35
3.3 Pipelining 37
4 Verbreitete Rechnerarchitekturen 43
4.1 CISC-Architektur 43
4.2 RISC-Architektur 44
X Inhaltsverzeichnis
4.3 VON-NEUMANN-Architektur 48
4.4 Harvard-Architektur 51
Teil 2: Digitaltechnik 55
5 Grundlegende BoOLEsche Verknüpfungen 57
5.1 BoOLEsche Algebra und Digitaltechnik 57
5.2 Gatter 58
5.2.1 Treiber und Identität 59
5.2.2 Inverter und Negation 61
5.2.3 UND-Gatter und Konjunktion 62
5.2.4 NAND 65
5.2.5 ODER-Gatter und Disjunktion 66
5.2.6 NOR 67
5.2.7 XOR und Antivalenz 68
5.2.8 XNOR und Äquivalenz 70
5.3 Gesetze der BoOLEschen Algebra 71
6 Komplexere Schaltnetz-Komponenten 73
6.1 Adressdecoder 73
6.2 Multiplexer und Demultiplexer 75
6.2.1 Multiplexer 2:1 75
6.2.2 Demultiplexer 1:2 76
6.2.3 Multiplexer n: 1 78
6.2.4 Demultiplexer 1 :n 79
6.2.5 Multiplexer m x n:n 80
6.3 Varianten der Schaltzeichen 82
6.4 Digitaler Komparator 84
6.5 Addierer 85
6.6 ALU 86
7 Schaltwerke 89
7.1 RS-Flipflop 89
7.2 Arten von Eingängen 91
7.2.1 Vorrangige Eingänge 91
7.2.2 Taktzustandssteuerung 92
7.2.3 Taktflankensteuerung 93
7.2.4 Asynchrone Eingänge 94
7.3 D-Flipflop 94
Inhaltsverzeichnis XI
7.4 Register und Schieberegister 95
7.5 T-Flipflop 97
7.6 JK-Flipflop 98
7.7 Zähler 99
Teil 3: Arithmetik 101
8 Zahlendarstellung 103
8.1 Vorzeichen-Betrags-Darstellung 104
8.2 Einerkomplement 107
8.3 Zweierkomplement 110
9 Arithmetische und logische Operationen 115
9.1 Arithmetische Operationen 115
9.2 Logische Operationen 117
9.3 Bitoperationen in C und C++ 122
10 Rechnen mit vorzeichenlosen Dualzahlen 123
10.1 Addition und Subtraktion 123
10.2 Multiplikation und Division 127
11 Rechnen in der Vorzeichen-Betragsdarstellung 135
11.1 Addition und Subtraktion 135
11.2 Multiplikation und Division 137
12 Rechnen im Zweierkomplement 139
12.1 Addition und Subtraktion 139
12.2 Multiplikation und Division 142
12.3 Fazit 142
13 Ganzzahl-Rechenwerk 145
13.1 Beispiel-Rechenwerk 146
13.2 Ergänzende Betrachtungen 149
13.3 Beispiel: Addition 153
13.4 Beispiel Multiplikation 157
XII Inhaltsverzeichnis
14 Gleitkommarechenwerk 167
14.1 Darstellung von Gleitkommazahlen 168
14.2 Umwandlung von Dezimalbrüchen in Dualbrüche 171
14.3 Ein Beispiel-Gleitkommarechenwerk 174
14.3.1 Addition und Subtraktion 175
14.3.2 Multiplikation 177
14.3.3 Division 179
Teil 4: Prozessoren 181
15 Maschinensprache 183
16 Steuerwerk 189
17 Mikroprogrammierung 193
17.1 Konzept 193
17.2 Beispiel-Mikroprogrammsteuerung 194
17.3 Befehlssatzentwurf 203
17.4 Erweiterung der Mikroprogrammsteuerung 207
18 Spezielle Techniken und Abläufe im Prozessor 213
18.1 Befehlszyklus 213
18.2 Strategien bei Programmverzweigungen 215
18.3 Out of Order Execution 224
18.4 64-Bit-Erweiterungen 224
18.5 Sicherheitsfeatures 226
19 Multiprozessorsysteme 229
19.1 Ansätze zur Performancesteigerung 229
19.2 Aufwand für Parallelisierung 232
19.3 Topologien 234
19.4 Datenübertragung 236
19.5 Software für Multiprozessorsysteme 237
19.6 Speicherzugriff 239
19.7 Konsistenz 239
Inhaltsverzeichnis XIII
20 Digitale Signalprozessoren 243
20.1 Einsatzgebiete 243
20.2 Zeitabhängige Signale und Signalverarbeitungskette 244
20.3 Analoge Vorverarbeitung und A/D-Wandlung 245
20.4 Spektralanalyse 249
20.5 Operationen im Frequenzbereich 255
20.6 D/A-Wandlung und analoge Nachbearbeitung 258
20.7 Architektur-Besonderheiten von DSP 258
Teil 5: Speicher und Peripherie 261
21 Speicherbausteine 263
21.1 Arten von Speichermedien 263
21.2 Halbleiter-Speicher 264
21.3 Statisches und dynamisches RAM 265
21.4 Speicherorganisation auf Chipebene 266
21.5 Interfacing und Protokolle 273
21.6 Speichermodule 278
21.7 Flash Speicher 282
22 Speicherverwaltung 285
22.1 Programme und Prozesse 285
22.2 Virtueller Speicher 286
22.3 Segmentierung und Swapping 292
22.4 Paging 294
23 Datenübertragung und Schnittstellen 301
23.1 Leitungstheorie 301
23.2 Serielle und parallele Datenübertragung 303
23.3 Das OSI-Modell 305
23.4 Codierung 309
23.4.1 NRZ-Codierung 309
23.4.2 Manchester-Codierung 310
23.4.3 NRZI-Codierung 312
23.4.4 MLT3-Codierung 312
23.4.5 Bit Stuffing, 4B/5B- und 8B/10B-Codierung 313
XIV Inhaltsverzeichnis
23.5 Fehlererkennung und Fehlerkorrektur 314
23.6 Beispiel USB 321
24 Festplatte 325
24.1 Aufbau 325
24.2 Datenorganisation 325
24.3 Partionierung und Formatierung 326
24.4 Serial-ATA-Schnittstelle 326
24.5 Performance 327
24.6 Verfügbarkeit 327
25 Optische Datenspeicher 331
25.1 Standards 331
25.2 Aufbau 332
25.3 Verfügbarkeit 333
25.4 Leseverfahren 334
25.5 Vermeidung, Erkennung und Korrektur von Fehlern 335
Zusammenfassung und Schlussworte 337
Literaturverzeichnis 339
Index 341
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