Aufbau und Arbeitsweise von Rechenanlagen: Eine Einführung in Rechnerarchitektur und Rechnerorganisation für das Grundstudium der Informatik

286 Pages·1988·11.644 MB·German

by  Wolfgang Coy (auth.)

Wolfgang Coy
Aufbau und
Arbeitsweise von
Rechenanlagen
------Programmiersprachen--------------~
Einftihrung in ALGOL 68,
von H.Feldmann
Einftihrung in die Programmiersprache Pascal,
von K.-H.Becker und G.Lamprecht
Pascal,
von D.Cooper und M.Clancy
Technisch -naturwissenschaftlicher Pascal-Trainer,
von H.Kohler
Einfiihrung in die Programmiersprache Ada,
von M.Nagl
Einftihrung in die Programmiersprache PL/l ,
von H.Kamp und H.Pudlatz
FORTRAN-Trainer,
von H.Kohler
Einftihrung in die Programmiersprache BASIC,
von W.-D.Schwill und R.Weibezahn
Einftihrung in die Programmiersprache COBOL,
von W.-M.Kahler
PEARL, Process and Experiment Automation Realtime Language,
von W. Werum und H. Windauer
Einfiihrung in das Datenanalysesystem SPSS und SPSSx,
von W.-M.Kahler
Prolog,
von R.Cordes, R.Kruse, H.Langendorfer, H.Rust
Die Wissensreprasentationssprache OPS 5,
von R.Krickhahn und B.Radig
'----\r.eweg--------------------~
Wolfgang Coy
Aufbau und
Arbeitsweise von
Rechenanlagen
Eine Einftihrung in
Rechnerarchitektur und Rechnerorganisation
ftir das Grundstudium der Informatik
Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig / Wiesbaden
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Coy, Wolfgang:
Aufbau und Arbeitsweise von Rechenanlagen:
e. Einf. in Rechnerarchitektur und Rechner
organisation flir d. Grundstudium d. Informatik/
Wolfgang Coy. - Braunschweig; Wiesbaden:
Vieweg. 1988
ISBN-13: 978-3-528-04388-9 e-ISBN-13: 978-3-322-83896-4
DOl: 10.1007/978-3-322-83896-4
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© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH. Braunschweig 1988
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Vervielfliltigungen. Obersetzungen. Mikroverfilmungen und die Einspeicherung
und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
ISBN-13: 978-3-528-04388-9
v
Vonvort
Dieses Buch bietet eine Einftihrung in die Geratetechnik moderner Rechenanlagen bis hin
zu Rechnerbetriebssystemen. Dazu werden die Bauteile des Rechners mehr oder weniger
umfassend beschrieben und Techniken des Schaltungs-und Rechnerentwurfs eingefiihrt.
1m ersten Teil wird das Konzept der digitalen Schaltung bis hin zum Entwurf sequentiel
ler Maschinen entwickelt. Integrierte Schaltungen werden untersucht, soweit sie zum Ver
standnis der Rechnerorganisation notwendig sind. Der zweite Teil des Buchs baut auf
diesen Kenntnissen auf und ftihrt in die Architektur von Rechenanlagen ein, indem die
Struktur einfacher Rechnersysteme untersucht wird. Der dritte Teil behandelt einige
grundlegende Aspekte von Betriebssystemen, urn die Architektur einer Datenverarbei
tungsanlage umfassend zu verstehen. Als konkretes Beispiel wird das Unix-Betriebssystem
betrachtet, das flir viele 32-Bit-Rechner verftigbar ist.
AIle drei Teile sind einftihrend und solIen eine Vertiefung durch Studium und Praxis vor
bereiten. Der Text ist aus langjahrigen Vorlesungen im Studiengang Informatik der Uni
versitat Bremen entstanden. Diese Vorlesungen erstrecken sich tiber die zwei oder drei
ersten Semester des Informatikstudiums. Neben der Einfiihrung in Autbau und Arbeits
weise von Rechenanlagen mtissen die zuktinftigen Informatiker umfangreiche Veranstal
tungen zu Algorithmen und Programmierung, zu den Anwendungen der Informatik, zu
mathematischen Grundlagen und zu geselIschaftlichen Beztigen der Informationstechnik
besuchen. Das Buch solI die ersten Schritte in Richtung der Gebiete Schwaltwerktheorie
und -technik, Rechnerarchitektur, Betriebssysteme und maschinennaher Programmierung
untersttitzen. Als ein solcher erster Schritt mag es auch flir andere l..ehrveranstaltungen
ntitzlich sein - und sei es im Kontrast zu anderen Texten.
Es wurde versucht, an den geeigneten StelIen reale, aktuelle Systeme zu betrachten, urn
den Bezug zur Praxis der Daten-und Informationsverarbeitung deutlicher zu machen. Ein
Risiko birgt dieser Versuch einer praktisch orientierten Darstellung: Die einzelnen techni
schen Daten veralten rasch, da Informatik und Halbleitertechnik auch nach vier Jahrzehn
ten heftiger Entwicklung noch immer sehr dynamische Technikgebiete sind. Dennoch
wurde diese Integration realer technischer Systeme in eine einftihrende Darstellung der
Rechnerorganisation und Rechnerarchitektur gewahlt, urn dem Leser die Chance zu
geben, hier besprochene Prinzipien und Techniken in seinem alltaglichen Urn gang mit
Rechenanlagen wiederzuentdecken. Der Akzent der Darstellung liegt auf Mikro-und Mini
rechnern, wei! sie in vielen Aspekten einfacher als GroBrechenanlagen aufgebaut sind und
weil sie allgemein verftigbar sind. Trotzdem werden, wo es sinnvoll erscheint, auch Einzel
heiten groBer und sehr groBer Rechenanlagen vorgestellt.
Theoretische Konzepte, wie Boolesche Funktionen und Ausdrticke, sequentielle Maschi
nen, Zustandsdiagramme, endliche Automaten und Petrinetze werden an vielen Stellen
angesprochen, stehen aber nicht im Mittelpunkt der Darstellung. Die tiefer liegenden
mathernatischen Strukturen werden tiblicherweise in den parallellaufenden Grundkursen
VI Vorwort
zur Mathematik vermittelt und es existiert eine reichhaltige Literatur zu diesen Themen.
Hier werden nur die Anwendungen in der praktischen Informatik angesprochen. Es wird
auch nicht von den Auswirkungen der Informatik und Halbleitertechnik auf Arbeit und
Alltag in der Gesellschaft gesprochen. All diese Fragen sind flir eine umfassende Diskus
sion von Rechenanlagen sehr wichtig, jedoch wiirde eine Integration aller Aspekte den
Umfang des Buches vervielfachen. So muB der unbefriedigende Eindruck bleiben, sich
einem umfassenden Thema nur partiell niiher zu konnen. Doch wurde mit dem Text der
Versuch gemacht, die drei oft disjunkt behandelten Themenbereiche Rechnerorganisation,
Rechnerarchitektur und Rechnerbetriebssysteme wenigstens ansatzweise gemeinsam zu
behandeln.
Es ist sicher niitzlich, wenn der Leser schon Erfahrungen mit einem realen Rechner hat,
und noch niitzlicher, wenn er diesen in irgendeiner Sprache programmieren kann - vor
ausgesetzt wird beides nicht.
Ich mochte einigen Menschen danken, die mir in einzelnen Phasen bei der Erstellung des
Textes geholfen haben: Der verstorbenen Ewgenja Badras, Michael Herzog und Giinter
Feldmann. Meinen Eltern ist das Buch gewidmet.
Bremen, Ostern 1988 Wolfgang Coy
P S.: Urn die Lesbarkeit des Textes als Lehrbuch nicht unnotig zu komplizieren, wurde auf ausftihr
liche Zitate verzichtet. Es entspricht dem Charakter des Lehrbuchstoffs, d~ er in vielen anderen
Texten eben falls behandelt wird. Am Ende des Buches findet der Leser ein kompaktes Literaturver
zeichnis, das ihm zu einzelnen Fragestellungen weiterhelfen mag. Ich habe mich bemiiht, deutsch
sprachige Begriffe zu verwenden, wo dies irgendwie moglich erschien. Da die internationale Literatur
der Informatik englisch geschrieben ist, habe ich die englischen Obersetzungen beim ersten Erwahnen
des Begriffs und manchmal auch spater zum besseren Verstandnis in Klammern beigeftigt. Zudem habe
ich versucht, problematische Eindeutschungen, auch wenn sie schon Fu~ gefa~t haben, zu vermeiden
und durch passendere Worter zu ersetzen.
VII
Inhaltsverzeichnis
I Digitale Schaltungen und Rechnerorganisation ............... .
1 Ansicht eines Rechners ................................. .
1.1 Wurzeln der Datenverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Zeichen und Alphabete ........................ . . . . . . 3
1.3 Schematischer Aufbau eines Rechners .................... 8
lA Von-Neumann-Rechnerkonzept ........................ 14
1.5 Dbungen ....................................... 17
2 Schaltungslogik ....................................... 18
2.1 Boolesche Funktionen .............................. 18
2.2 Normalformen logischer Funktionen ..................... 21
2.3 Kochrezepte zur Erzeugung von Normalformen .... . . . . . . . . .. 28
2A Karnaugh-Diagramme ............................... 30
2.5 Unvollstandig spezifizierte Funktionen ................... 31
2.6 Dbungen ....................................... 32
3 Digitallogische Schaltungen ............................... 33
3.1 Sequentielle Schaltungen ........................... " 40
3.2 Dbungen ....................................... 47
4 Integrierte Schaltungen und einfache Rechnerbausteine ............ 48
4.1 MUltiplexer und Kodierbausteine ....................... 50
4.2 Kombinatorische Hardware-Normalformen .. . . . . . . . . . . . . . .. 54
4.3 Addierwerke .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59
4A Dbungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
5 Schaltungen mit Speicherbausteinen ......................... 62
5.1 Zustandsdiagramme und sequentielle Maschinen ............. 63
5.2 Entwurf sequentieller Schaltungen ...................... 66
5.3 Iterative Netze ................................... 69
5A Weitere sequentielle Schaltungen: Register, Zahler, Speicher ..... 72
5 A.l Schieberegister ............................... 72
5A.2 Zahler ..................................... 75
5 A.3 Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79
II Rechnerarchitektur ..................................... 80
6 Einfache Zahldarstellungen irn Rechner ....................... 80
6.1 Stellensysteme zur Darstellung natiirlicher Zahlen ............ 80
6.2 Wortarithmetik ................................... 85
6.3 Dbungen ....................................... 90
VIII Inhaltsverzeichnis
7 Aufbau und Arbeitsweise einer Zentraleinheit ................... 91
7.1 Arithmetische und logische Einheit (ALU) ................. 91
7.2 Ein einfaches Rechenwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 94
7.3 Steuerung eines Prozessors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96
7.4 Register-Transfer-Sprachen ........................... 97
7.5 Ubungen ....................................... 100
8 Maschinenbefehle und Mikroprogrammierung ................... 101
8.1 Maschinenbefehle ................................. 101
8.2 Befehlsverarbeitungszyklen ........................... 106
8.3 Mikroprogrammierung .............................. 113
8.4 Ubungen ....................................... 115
9 Maschinensprache und Assembler ........................... 116
9.1 Assemblersprache des MC 68000-Prozessors ................ 118
9.9.1 AdreBmodi und Befehlssatz des M 68000-Prozessors . . . . . .. 120
9.9.2 Unterprogramme und Stackregister .................. 128
9.9.3 Unterbrechungen .............................. 131
9.2 Struktur einer Assemblersprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 132
9.3 Aufbau eines einfachen Assemblierers .................... 136
9.4 Problemnahe Programmiersprachen ...... . . . . . . . . . . . . . . .. 138
9.5 Ubungen ....................................... 141
10 Rechnerarithmetik ., . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 142
10.1 Festkommazahlen ................................. 143
10.2 Gleitkommazahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 149
10.3 Ubungen ....................................... 159
11 Ein/A usgabe-Organisation und Ein/A usgabe-Schnittstellen . . . . . . . . . .. 159
ILl Reale Ein/ Ausgabe-Busse: DEC UNIBUS/MASSBUS .......... 163
11.2 Peripherieprozessoren und Ein/Ausgabe-Kaniile .............. 164
11.3 Mikroprozessorbusse ............................... 167
11.4 Allgemeine Verbindungsnetzwerke ...................... 170
11.5 Rechnernetze .................................... 172
11.6 Ubungen ....................................... 174
12 Speicherhierarchie und Zusatzspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 175
12.1 Automatische Fehlerkorrektur ......................... 177
12.2 Speicherhierarchie ................................. 181
12.3 Virtuelle Adressierung .............................. 183
12.4 Speichersegmente ................................. 184
12.5 Assoziativspeicher ................................. 185
12.6 Schnelle Pufferspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 188
12.7 Speicherseitenverwaltung (Paging) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 189
12.8 Reale Speicherhierarchien ............................ 191
12.9 Zusatzspeicher ................................... 193
12.l0Ubungen ....................................... 198
Inhaltsverzeichnis IX
III Rechnerbetriebssysteme ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 200
13 Betriebssysteme: Aufgaben ............................... 200
13.1 Rechnerbetriebsformen und Betriebssystemaufgaben .......... 200
13.2 Elemente des UNIX-Betriebssystems ..................... 206
13.3 Anmerkungen zur Geschichte der Betriebssystementwicklung 210
13.4 Obungen ....................................... 213
14 ProzeBverwaitung ..................................... 213
14. 1 Ein fache Prozesse ................................. 213
14.2 Petri-Netze als formale Beschreibungsmittel ................ 215
14.3 ProzeBeigenschaften ............................... , 219
14.4 ProzeBverwaltung unter UNIX ......................... 222
14.5 Obungen ....................................... 226
15 Speicherverwaitung/Paging ............................... 226
15.1 Speicherverwaltungsstrategien ......................... 227
15.2 Paging ......................................... 227
15.3 Obungcn ....................................... 233
16 Betriebssysteme: Befehlsinterpreter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 233
16.1 UNIX-Befehlsinterpreter ............................. 233
16.2 Graphisch orientierte Befehlsinterpreter . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 239
16.3 Obungen ....................................... 242
17 Ausblick 243
IV Anhang .............................................. 250
A Losungen ausgewiihIter Dbungsaufgaben ...................... 250
B Literaturverzeichnis .................................... 259
C Verzeichnis der Abkiirzungen und Akronyme . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 261
o Personenverzeichnis 263
E Sachwortverzeichnis 264
I Digitale SchaltuDgeD oDd RechDerorgaDisatioD
1 Ansich t eines Rechners
Der erste schliftliche Versuch, das Geheimnis zu losen, das he~t der erste, von
dem wir Kenntnis haben, wurde in einem umfangreichen im Jahr 1785 in Paris er
schein end en Pamphlet gemacht. Der Autor stellte die Behauptung auf, ein Zwerg
setze die Maschine in Bewegung. Dieser Zwerg verberge sich, wlihrend die Kiste
geiiffnet sei, in zwei hohlen Zylindern, die sich (was nicht der Fall ist) in der mit
Nummer eins bezeichneten Abteilung beflinden, wlihrend sich sein Korper ganz
au~erhalb des Kastens unter der Draperie des Tiirkens verborgen nach oben strecke.
Wenn die Tiir geschlossen ware, bringe er sich ganz in den Kasten hinein. Das
Gerausch, das wlihrend dieser Zeit irgendein anderes Teil der Maschine vollflihre,
gestatte ihm, dies ungestort zu tun und auch die Tiir, durch die er eingetreten, wie
der leise zu schlie~en. Wenn nun das Innere des Automaten gezeigt wird, sagt der
Verfasser des Pamphlets, und niemand darin zu erblicken ist, so sind die Zuschauer
davon iiberzeugt, d~ sich in keinem Teil der Maschine ein lebendiges Wesen befinde.
Die ganze Hypothese ist jedoch zu absurd, urn einer Erlliuterung oder Widerlegung
zu bediirfen. aus: E.A. Poe, Mlilzels Schachspieler, urn 1840
1.1 Wurzeln der Datenverarbeitung
Die ersten zahnradgetriebenen Ziffemrechenrnaschinen zum Addieren und Multiplizieren
sind in der Zeit des Drei~igjiihrigen Krieges entstanden. Die wohl erste Maschine wurde
yom Ttibinger Theologen, Mathematiker und Landvermesser Wilhelm Schickard urn 1623
gebaut, der die astronomischen Berechnungen Keplers untersfutzen wollte. Sie war als
Vierspecies-Maschine ausgelegt; d.h. sie konnte addieren, subtrahieren, multiplizieren und
dividieren. Die Maschine wurde niemals richtig eingesetzt. Das einzige Exemplar ist ver
brannt, Schickard starb an der Pest. Seine Konstruktion ging verloren und wurde erst in
diesem Jahrhundert wiederentdeckt. Der franzosische Mathematiker und Theologe Blaise
Pascal baute fUr seinen Vater, einen koniglichen Finanzinspektor, urn 1642 (mit 19 Jah
ren!) eine Addiermaschine mit acht dezimalen Ziffemstellen (die Pascaline). Sie konnte
nur addieren, erregte aber trotzdem gro~es Aufsehen, als sie in Paris vorgestellt wurde. Auf
Pascals Ideen aufbauend, entwickelte Gottfried Wilhelm Leibniz 1673 eine echte Vier
species-Maschine, die mit Hilfe einer stufenweise verschiebbaren Zahnradwalze, der Staffel
walze, multiplizieren und dividieren konnte. Leibniz war auch der Erste, der die Moglich
keit des Rechnens mit biniiren Zahlen, also ausschlie~lich mit den Ziffem 0 und 1, er
kannte (1679). AIle diese Maschinen waren wegen der mechanischen Probleme der exakten
Zahnradherstellung unzuverliissig. Auch die Leibnizsche Maschine hat wohl niemals ein
wandfrei funktioniert. 1m ersten Drittel des letzten Jahrhunderts plante der englische
Ingenieur und Fabriktheoretiker Charles Babbage eine "Rechenrntihle", die programm
gesteuert ballistische Tafeln fUr die britische Marine berechnen sollten. Das erste Arbeits
modell einer achtstelligen dezimalen "Difference Engine" legte er 1822 vor, 1833 plante er