Computersysteme — Aufbau und Funktionsweise PDF
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Computersysteme - Aufbau und Funkfionsweise Helmut Schauer Springer-Verlag Wien New York Univ.-Doz. Dipl.-Ing. Dr. techno Helmut Schauer Institut flir Praktische Infonnatik der Technischen Universitat Wien Zweite, erganzte und verbesserte Auflage von Einflihrung in die Datenverarbeitung Aufbau und Funktionsweise von Computer-Systemen von Helmut Schauer Wien-New York: Springer-Verlag 1976 © 1976 by Springer-VerlagJWien ISBN-13: 978-3-211-81782-7 e-ISBN-13: 978-3-7091-8734-0 DOl: 10.1007/978-3-7091-8734-0 Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der tlbersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ahnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. © 1983 by Springer-VerlagJWien Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1983 Reproduktion und Offsetdruck: Novographic, Ing. Wolfgang Schmid, A-1230 Wien Mit 193 Abbildungen CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Schauer, Helmut: Computersysteme - Autbau und Funktionsweise I Helmut Schauer. - 2., erg. u. erw. Aufl. von Einflihrung in die Datenverarbeitung von Helmut Schauer. - Wien ; New York: Springer, 1983. ISBN-13: 978-3-211-81782-7 Geleitwort Seit mehr als einem Vierteljahrhundert beeinflul1t der Computer unser Leben auf mannigfaitige Weise. Abgesehen von den heute schon selbstverstandlichen Anwendungen in Verwaitung, Wirtschaft und Technik hat der Computer auch in Wissenschaft und Forschung seinen festen Platz eingenommen. Viel wichtiger als diese passive Rolle als Hilfsmittel scheint mir jedoch die stimulierende Wirkung, die das Gedankengut der Informatik auf samtliche anderen Wissensgebiete ausiibt. Erst der Computer gab Anstol1 ftiT die Behand lung allgemeiner Fragen, wie etwa der Methodik des Planens und Handelns oder der Organisation komplexer Systeme. Die dadurch gewonnenen Erkennt nisse kannen auch in vielen anderen Disziplinen angewandt werden. Mage dieses Buch einen Beitrag dazu leisten, dal1 bei einem wei ten Leserkreis Inter esse fUr dieses neue Wissensgebiet geweckt wird. Manfred Brockhaus Vorwort Dieses Buch ist aus· meiner "Einflihrung in die Datenverarbeitung", erschienen 1976, hervorgegangen. Es wendet sieh sowohl an Studierende der Informatik und aller anderen Studienrichtungen, die in irgendeiner Form mit Datenver arbeitung konfrontiert sind, als auch an all jene, die beruflich mit Computem zu tun haben und ihre praktische Erfahrung auf eine Basis fundierter Allgemein kenntnisse stellen wollen. In der vorliegenden Darstellung wurde der rasanten technologischen Entwicklung von Computersystemen in den letzten Jahren Rechnung getragen; die Kapitel fiber den Aufbau von Prozessoren, Speiehem und peripheren Gerliten wurden dem letzten Stand. der Technik angep~t. Insbesondere Mikroprozessoren und Kleincomputer mit den angeschlossenen Bildschirmen, Diskettenstationen, Winchesterplatten und Druckem werden berucksiehtigt. Besonderer Wert wird auf die Erlliuterung der zugehorigen Fachbegriffe gelegt, die auch im Glossar zusammengestellt sind. 1m Gegensatz zu vielen anderen Einflihrungen ist der Aufbau des Stoffes streng induktiv, also vom Konkreten ausgehend zu allgemeinen Prinzipien hinflihrend. In diesem Sinn werden logische Schaltkreise zu klein en Bauelementen und diese wieder zu einem einfachen Computer-Modell zusammengesetzt. Durch den Anschlufl von Ein/Ausgabegerliten und peripheren Speichem wird das Bild fiber die Hardware abgerundet. 1m nlichsten Schritt werden die organisatorischen Probleme der Benutzung der einzelnen Hardwarekomponenten aus der Sieht des Betriebssystems behandelt. Das abschlieflende Kapitel fiber Informations theorie gibt Einblick in die Darstellung und Obertragung von Information, auf der letztlich aIle Vorglinge innerhalb des Computer-Systems beruhen. Der Text ist durch zahlreiche anschauIiche Beispiele erglinzt. Querverbindungen zwischen einzelnen Abschnitten beziehungsweise Querverbindungen zu anderen Fachgebieten werden besonders hervorgehoben. AIle wichtigen Fachbegriffe sind im Glossar defmiert und erlliutert. Auch die Tabelle der Potenzen und Logarithmen von Zwei werden viele Leser zu schlitz en wissen. Abgesehen von elementarer Mathematik werden vom Leser keinerlei Vorkennt nisse vorausgesetzt. Damit ist das Buch auch zum Selbststudium geeignet. Bine Sammlung von Obungsaufgaben und deren Losungen, die in Kiirze als selbstlindiges Buch erscheinen wird, solI die im Text ausgeflihrten Beispiele erglinzen und wird insbesondere die Verwendung des Buches als Lehrbehelf, aber auch das Selbststudium unterstfitzen. VIII Vorwort Der Inhalt entspricht im wesentlichen der Vorlesung "Einftihrung in die Infonnatik I", wie sie in den letzten Jahren an der Technischen UniversWit Wien gehalten wurde. Mein Dank gebOhrt in erster Linie allen Horern dieser Vorlesung, die das Manuskript einer kritischen Priifung unterzogen haben, sowie den beiden Damen Christine Otto und Maria Rotheneder fliT das Schreiben des Textes und Anfertigen der Zeichnungen. FUr die Mithilfe bei der Neuge staltung des Buches danke ich Herrn Werner Dietmiiller, der auch mehrere Skizzen mit Hilfe des "Lisa"-Computersystems von Apple angefertigt hat, sowie Frau Claudia Hainschink fliT das Schreiben der neuen Texte. Nicht zuletzt danke ich dem Springer-Verlag in Wien flir die freundliche Bereitschaft, das Buch in geanderter Fonn neu aufzulegen. Wien, im August 1983 Helmut Schauer Inhal tsverzeichnis Einfiihrung ................................................... 1 Zahlendarstellung .............................................. 2 Zahlensysteme ................................................ 3 Zahlenumwandlung ............................................. 6 S SchaltaIgebra S 1 Grundbegriffe 9 S 2 Rechenregeln 17 S 3 Schaltfunktionen ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23 S 3.1 Disjunktive und konjunktive Nonnalfonn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23 S 3.2 Graphische Minimisierung ............................... 26 S 3.3 Schaltfunktionen mit zwei Eingangsvariablen .................. 30 S 4 Sequentielle Schaltalgebra .................................... 36 S 5 Automaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52 S 6 Grenzen der Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62 A Aufbau digitaIer Rechenanlagen A 1 Einfiihrung .............................................. 63 A 1.1 Register ........................................... 63 A 1.2 Addierwerk ........................................ 64 A 1.3 Multiplikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68 A 1.4 Division ........................................... 71 A 1.5 Einfaches Rechnermodell ............................... 74 A 1.5.1 Maschinenbefehle .............................. 76 A 1.5.2 Direkte und indirekte Operanden .................... 83 A 1.5.3 Programmwiederholungen ......................... 85 A 1.5.4 Programmverzweigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 94 A 1.5.5 Indizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97 A 1.5.6 Assembleranweisungen ........................... 100 A 1.5.7 Unterprogramme ............................... 104 A 1.5.8 Programmunterbrechungen ........................ 112 A 2 Hardware ............................................... 114 A 2.1 Zentraleinheit ....................................... 115 A 2.1.1 Arbeitsspeicher ................................ 115 A 2.1.2 Prozessor .................................... 119 A 2.1.3 Mikroprozessor ................................ 123 x Inhaltsverzeichnis A 2.2 Externe Speicher ..................................... 124 A 2.2.1 Magnetbandspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 125 A 2.2.2 Magnetplattenspeicher ........................... 131 A 2.2.3 Disketten .................................... 134 A 2.2.4 Optische Speicher .............................. 136 A 2.2.5 Vergleich .................................... 137 A 2.3 Dialoggeriite ........................................ 138 A 2.4 Drucker ........................................... 144 A 2.5 Graphische Ein-/Ausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146 A 2.6 Belegleser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . " 147 A 2.7 Verbindung zwischen Peripherie und Zentraleinheit .............. 149 A 2.7.1 Steuereinheit ................................. 150 A 2.7.2 Peripherer Prozessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 151 A 2.8 Rechnernetze ....................................... 153 B Betriebssysteme B 1 Ein/Ausgabeorganisation .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 156 B 1.1 Pufferung.......................................... 156 B 1.2 Blockung .......................................... 158 B 1.3 Organisationsformen von Dateien .......................... 160 B 1.3.1 Sequentieller Zugriff ............................ 160 B 1.3.2 Direkter Zugriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 162 B 1.3.3 Indexsequentieller Zugriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 164 B 2 Laden und Binden von Programmen ............................. 166 B 2.1 Absolutlader........................................ 166 B 2.2 Relativlader ........................................ 167 B 2.3 Binder ............................................ 169 B 2.4 Programmbibliothek................................... 170 B 2.5 Segmentierung ...................................... 171 B 3 Obersetzungsprogramme ..................................... 171 B 4 Job-Managment .......................................... , 173 B 4.1 Stapelverarbeitung (Batch-Processing) ....................... 175 B 4.2 Multiprogrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 178 C Codes und Informationstheorie C 1 Grundbegriffe ............................................ 192 C 2 Codierung .............................................. 196 C 3 Informationstheorie ........................................ 207 C 4 Codierung analoger Signale ................................... 222 C 5 Codesicherulig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 226 C 6 Zahlendarstellung ......................................... 231 C 6.1 Darstellung ganzer Zahlen ............................... 231 C 6.2 Darstellung negativer Zahlen ............................. 235 C 6.3 Festkornmadarstellung ................................. 239 C 6.4 Gleitkornmadarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 240 Glossar ..................................................... 250 Symbole .................................................... 269 Tabellen . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 270 EINFOHRUNG Heutige Computersysteme sind aus einer sol chen Unzahl von Einzelelementen zusammengesetzt, daB ihr Aufbau und ihre funktionelle Wirkungsweise nur beschrieben werden konnen, indem diese Einzelteile konzeptuell zu kleinen Bauelementen zusammen gefaBt werden, und deren Wirkungsweise erkl~rt wird. Diese Bauelemente bilden selbst wieder die Einzelbestandteile von Elementen in einer Ubergeordneten Stufe und so fort. Nur durch eine solche gedankliche Strukturierung ist das Verst~ndnis der komplexen Computerhardware moglich. 1m folgenden Abschnitt wird versucht, von einfachen Grund begriffen ausgehend die schaltalgebraischen Grundlagen fUr das Verst~ndnis einfacher logischer Netzwerke darzulegen. Mit diesen Grundlagen gelingt es Schaltungen zu konstruieren, die als Bauelemente eines einfachen Rechnermodells verwendet werden. Dieses Modell wird danach in weiteren Schritten zu einem immer komplexeren Computersystem ausgebaut. 2 ZAHLENDARSTELLUNG Zahlenwerte konnen in analoger oder in digitaler Form dar gestellt werden. Die ana loge Zahlendarstellung erfolgt durch eine physikalische GraBe, die dem Zahlenwert proportional ist. z.B. Darzustellender physikal1sche Zahlenwert GraBe Uhrzeit Winkels tel lung der Uhrzeiger Temperatur Lange der Quecksilbersaule Bei der analogen Zahlendarstellung kann innerhalb des darzu stellenden Zahlenbereiches jeder beliebige Zwischenwert auf treten. Die Genauigkeit der Darstellung und der Ablesung ist nur durch die physikalischen Umstande beschr!nkt. Typisches Beispiel fur eine Rechenanlage mit analoger Zahlen darstellung ist der Rechenschieber. Die Zahlen werden durch Langen im logarithmischen MaBstab dargestellt, jeder Wert kann im Prinzip beliebig genau eingestellt werden. In elektronischen Analogrechenanlagen werden die Zahlen durch elektrische Spannungen dargestellt, die den Zahlenwerten proportional sind. Rechenoperationen werden durch entsprechende elektronische Schaltungen ausgefuhrt, die Ergebnisse konnen auf einem Bildschirm (Kathodenstrahlrohre) oder graphisch - ebenfalls in analoger Form - sichtbar gemacht werden. Verwendung vorwiegend fur die Untersuchung von zeitlich kontinuierlich ver!nderbaren GraBen (Differentialgleichungen). Analogrechenanlagen werden hier nicht behandelt. Bei der digitalen (ziffernweisen) Zahlendarstellung wird die Zahl durch ihre einzelnen Zif.fern dargestellt. z.B. Uhrzeit bei einer Digitaluhr durch Stunden (zwei Ziffern) und Minuten (zwei Ziffern) Geldbetrag bei einer Registrierkasse (Zahnrader fur die einzelnen Ziffern) Die Genauigkeit der digitalen Zahlendarstellung hangt von der
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