Technische Informatik 2: Grundlagen der Computertechnik

353 Pages·2002·10.962 MB·German

by  Univ.-Prof. Dr. Wolfram Schiffmann, Dipl.-Phys. Robert Schmitz (auth.)

Springer-Lehrbuch
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
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Engineering
http://www.springer.de/eng ine-de/
Wolfram Schiffmann . Robert Schmitz
Technische
Informatik 2
Grundlagen der Computertechnik
4.) neu bearbeitete Aufiage
Mit 146 Abbildungen und 41 Tabellen
i
Springer
Univ.-Prof. Dr. Wolfram Schiffmann Dipl.-Phys. Robert Schmitz
FernUniversitat Hagen Universitat Koblenz-Landau
Technische Informatik I, Rechnerarchitektur Institut fur Physik
UniversitatsstraBe 1 Universitatsstr.l
58097 Hagen 56070 Koblenz
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Die Deutsche Bibliothek - cIP-Einheitsaufnahme
Schiffmann, Wolfram:
Technische Informatik / Wolfram Schiffmann ; Robert Schmitz ; Jiirgen Weiland.
(Springer-Lehrbuch)
2. Grundlagen der Computertechnik. -4. Aufl .. -2002
ISBN 978-3-540-43854-0 ISBN 978-3-662-10240-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-10240-4
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Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2002
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Umschlaggestaltung: design & production, Heidelberg
Satz: Digitale Druckvoriage der Autoren
Gedruckt auf saurefreiem Papier 07/3020/M -5 4 3 2 1 o
Vorwort zur 4. Auflage
Der vorliegende Band 2 des Buches Technische Informatik entstand aus
Skripten zu Vorlesungen, die wir an der Universitat Koblenz fiir Informatik
studenten gehalten haben. Es ist unser Anliegen zu zeigen, wie man elek
tronische Bauelemente nutzt, um Computersysteme zu realisieren. Mit dem
dargebotenen Stoff solI der Leser in die Lage versetzt werden, die technischen
Moglichkeiten und Grenzen solcher Systeme zu erkennen. Dieses Wissen hilft
ihm einerseits, die Leistungsmerkmale heutiger Computersysteme besser zu
beurteilen und andererseits kiinftige Entwicklungen richtig einzuordnen. Der
Stoff ist yom Konzept her auf das Informatikstudium ausgerichtet - aber
auch fiir aIle diejenigen geeignet, die sich intensiver mit der Computerh ard
ware befassen mochten. Somit konnen z.B. auch Elektrotechniker oder Ma
schinenbauer von dem vorliegenden Text profitieren.
Fiir die Lcktiirc gcniigcn Grundkenntnisse in Physik und Mathematik. Die
DarsteIlung des Stoffes erfolgt" bottom-up", d.h. wir beginnen mit den grund
legenden physikalischen Gesetzen und beschreiben schliel3lich aIle wesentli
chen Funktionseinheiten, die man in einem Computersystem vorfindet.
Der Stoff wurde auf insgesamt drei Bande aufgeteilt: Der Band 1 Techni
sche InforIllatik - Grundlagen der digitalen Elektronik fiihrt zunachst
in die fUr die Elektronik wesentlichen Gesetze der Physik und Elektrotechnik
ein. Danach werden Halbleiterbauelemente und digit ale Schaltungen behan
delt. Der Band 1 schlief3t mit dem Kapitel iiber einfache Schaltwerke, wo dann
der vorliegende zweite Band Technische Informatik - Grundlagen der
Computertechnik ankniipft. Als Erganzung zu den beiden Lehrbiicher gibt
es einen weiteren Band Technische Informatik - Ubungsbuch mit Dis
kette. Um den Lesern das Auffinden geeigneter Aufgaben im Ubungsband
zu erleichtern, haben wir in der Neuauflage Verweise auf themenspezifische
Aufgaben eingebaut. Auf3erdem wurde auch eine Webseite zu den Biichern
eingerichtet, die Links auf weitere niitzliche Materialen zum Thema enthalt.
Die Adresse diesel' Webseite lautet:
Technische-Informatik-Online.de
Der Text beginnt mit einer kurzen Zusammenfassung iiber Aufbau, Funk
tion und Entwurf von Schaltwerken. Manche AufgabensteIlungen fUr Schalt
werke sind so komplex, dass die Schaltwerke nicht mehr mit Hilfe von Zu-
vi Vorwort
standsgraphen und ~tabellen entwickelt werden kannen. 1m Kapitel Komple
xe Schaltwerke wird zunachst das Zeitverhalten von Schaltwerken untersucht
und dann in das Konzept kooperierender Schaltwerke eingefiihrt. Fur die vor
liegende vierte Auflage wurde dieses Kapitel iiberarbeitet und erweitert. Neu
ist die Einfiihrung in den Entwurf sogenannter Algorithmic State Maschines
mit Hilfe von entsprechenden ASM~Diagrammen. Am einfachen Beispiel ei
nes "Einsen~Zahlers" werden verschiedene Varianten komplexer Schaltwerke
zur Lasung dieses Problems vorgestellt.
Die iiberwiegende Zahl heutiger Computer arbeitet nach dem Operations
prinzip, das im Kapitel von NEUMANN~Rechnervorgestellt wird. Die grund
legenden Funktionseinheiten eines solchen Rechners werden beschrieben und
ihr Einfluss auf eine Prm-:essorarchitektur diskutiert.
Aile modernen Prozessoren nut zen Hardware~Parallelitat zur Leistungs
steigerung, wie z.B. Funktionseinheiten fiir Gleitkomma~Arithmetik oder di
rekter Speicherzugriff zur Ein~/ Ausgabe. 1m Kapitel Hardware~Parallelitiit
werden neb en solchen Coprozessoren auch das Pipeline~Prinzip und Array~
Rechner vorgestellt. Diese beiden Architekturmerkmale findet man sowohl
bei neueren Mikroprozessoren als auch bei sogenannten Supercomputern.
1m Kapitel Prozessorarchitektur wird auf die drei Ebenen der Rechner
architektur eingegangen. Die Befehls(satz)architektur legt die Schnittstelle
zwischen Software und Hardware fest. Eine einmal definierte Befehlsarchitek
tur kann auf verschiedene Arten implementiert werden. Zunachst muss sich
der Rechnerarchitekt die logische Organisation zur Umsetzung der Befehl
sarchitektur uberlegen. Wie bei den komplexen Schaltwerken teilt man den
Entwurf in eine Datenpfad~ und Steuerungsstruktur auf. Damit der Prozes
sorentwurf nicht nur auf dem Papier existiert, muss er in Halbleitertechnik
realisiert werden. Die resultierende Prozessorleistung ergibt sich schlieBlich
aus dem Zusammcnwirken der Entwurfsschritte auf den drci Ebenen Befehl
sarchitektur sowie logischer und technologischer Implementierung.
1m Kapitel CISC~Prozessoren (Complex Instruction Set Computer) werden
zunachst die Merkmale eines Prozessortyps erlautert, dessen Befehlsarchitek
tur cin besonders komfortables Programmieren auf Maschinenbefehlsebene
zum Ziel hat. Ais typischer Vertreter dicser Klasse wird der Motorola 68000
beschrieben und die Entwicklungsgeschichte zum Modell 68060 wird zusam
mengefasst.
Ende der siebziger Jahre wurde die Verwendung komplexer Befehlssatze
neu uberdacht. Man untersuchte die von Compilern erzeugten Maschinenbe
fehle und stellte fest, dass bei CISCs nur ein Bruchteil der verfUgbaren Befehle
verwendet wird. Diese Situation war der Ausgangspunkt fUr die Entwicklung
neuartiger Prozessorarchitekturen, die man wegen ihres einfachen Befehls
satzes als RISC~Prozessoren (Reduced Instruction Set Computers) bezeich
net. Nach einer kurzen historischen EinfUhrung werden das Befehlspipelining
und die dabei auftretenden Pipelinekonflikte behandelt. Dann wird gezeigt,
wie diese Pipelinekonflikte software- oder hardwaremaBig beseitigt werden
Vorwort vii
konnen. Optimierende Compiler sorgen durch eine entsprechende Befehlsu
mordnung dafiir, dass die zur Behebung von Konflikten notwendigen Leer
befehle durch niitzliche Befehle ersetzt werden konnen. Die Beseitigung von
Konflikten, die zur Laufzeit des Programms auftreten ist jedoch nur durch
zusatzliche Hardware moglich. Durch dynamische Befehlsplanung mit Hil
fe sogenannter Reservierungsstationen gelingt es, Prozessoren mit mehreren
Funktionseinheiten zu realisieren, die gleichzeitig mehrere Maschinenbefehle
ausfiihren konnen. AIle heutigen Hochleistungsprozessoren nut zen Superska
Zaritiit, urn ihre Verarbeitungsleistung zu maximieren. Als Beispiel fiir einen
superskalaren RISC-Prozessor wird der PowerPC 620 vorgestellt.
1m neu erst ell ten Kapitel Aktuelle Computersysteme wird zunachst auf die
Aufgaben und den Aufbau von Chipsatzen eingegangen. Dann werden die
Leistungsmerkmale aktueller Desktop- und Serverprozessoren beschrieben.
Ein Ausblick auf kiinftige technologische und architektonische Entwicklungen
rundet das Kapitel abo
Das Kapitel Kommunikation behandelt Techniken zur Dateniibertragung
innerhalb eines Computers und zwischen verschiedenen Computersystemen.
Die Art der Dateniibertragung hangt stark von der Entfernung der zu ver
bindenden Komponenten abo Wir unterscheiden die parallelen und seriellen
Verbindungen. Zujeder Klasse werden zunachst die Prinzipien und dann typi
sche Vertreter beschrieben. Wir beginnen bei prozessornaher Kommunikation
und kommen schliel3lich iiber die lokalen Netze (LANs) zu den Weitverkehrs
netzen (WANs).
Heutige Computer verwenden eine Mischung verschiedener Speichertech
nologien. Diese Speicher unterscheiden sich beziiglich Speicherkapazitiit, Zu
griffszeit und Kosten. 1m Kapitel Speicher werden zunachst die physikalischen
Prinzipien von Halbleiter-Speichern und magnetomotorischen Speichern wie
derholt. Gleichzeitig wird gezeigt, wie die gespeicherte Information bei die
sen Speicherarten organisiert wird. Dann werden verschiedene Methoden zur
Speicherverwaltung beschrieben. In diesem Zusammenhang wird auch der
Aufbau und die Funktion von Cache-Speichern erlautert.
Bei der Ein-/Ausgabe kann man digit ale und analoge Schnittstellen unter
scheiden. Fiir die wichtigsten Vertreter aus diesen beiden Klassen wird die
Funktionsweise erklart. Zum Schluss dieses zweiten Bandes werden die Funk
tionsprinzipien ausgewiihlter Peripheriegerate beschrieben und durch Abbil
dungen veranschaulicht.
Wir haben uns bemiiht, zu den einzelnen Themen nur die grundlegenden
Prinzipien auszuwahlen und durch einige Beispiele zu belegen. Wir hoffen,
dass es uns gelungen ist, den Stoff klar und verstandlich darzustellen. Trotz
dem mochten wir die Leser auffordern, uns ihre Erganzungs- und Verb esse
rungsvorschlage oder Anmerkungen mitzuteilen. 1m Text werden immer dann
englischsprachige Begriffe benutzt, wenn uns eine Ubersetzung ins Deutsche
nicht sinnvoll erschien. Wir denken, dass diese Losung fiir den Leser hilfreich
viii Vorwort
ist, da die Literatur tiber Computertechnik tiberwiegend in Englisch abgefasst
ist.
Bei der mtihevollen Arbeit, das Manuskript der ersten Auflage mit dem
I¥IEX-Formatiersystem zu setzen bzw. Bilder zu zeichnen, wurden wir von
Sabine Doring, Christa Paul, lnge Pichmann und Jtirgen Weiland untersttitzt.
Unsere Kollegen Prof. Dr. Alois Schtitte und Prof. Dr. Dieter Zobel ermun
terten uns zum Schreiben dieses Textes und gaben uns wert volle Hinweise
und Anregungen. Prof. Dr. Herbert Druxes, Leiter des lnstituts fUr Physik
der Universitat in Koblenz, fOrderte unser Vorhaben.
Die freundliche Aufnahme der erst en drei Auflagen gibt uns nun die
Moglichkeit, das Buch erneut in tiberarbeiteter Form herauszugegeben. Ne
ben Korrekturen und den o.g. Erweiterungen haben wir uns bemtiht, die
Anregungen aus dem Leserkreis nun auch in die vierte Auflage von Band 2
aufzunehmen.
Ftir ihre Mitarbeit und Untersttitzung mochten wir allen herzlich danken.
Besonders sei an dieser Stelle auch unseren Familien fUr Ihre Geduld und
lhr Verstandnis ftir unsere Arbeit gedankt.
Hagen und Koblenz, im Juli 2002 Wolfram Schiffmann
Robert Schmitz
Inhaltsverzeichnis
1. Komplexe Schaltwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Zeitverhalten von Schaltwerken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Wirk- und Kippintervalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Ruckkopplungsbedingungen........................ 6
1.2 Entwurf von Schaltwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Kooperierende Schaltwerke .............................. 10
1.4 Konstruktionsregeln fUr Operationswerke . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
1.5 Entwurf des Steuerwerks ................................ 13
1.6 Hardware-Algorithmen.................................. 15
1. 7 ASM-Diagramme ...................................... 17
1.7.1 Zustandsboxen ................................... 17
1. 7.2 Entscheidungsboxen.............................. 18
1. 7.3 Bedingte Ausgangsboxen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19
1. 7.4 ASM-Block...................................... 19
1.8 Einsen-Zahler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20
1.8.1 Lasung mit komplexem MOORE-Schaltwerk. . . . . . . .. 21
1.8.2 Lasung mit komplexem MEALY-Schaltwerk . . . . . . . .. 21
1.8.3 Aufbau des Operationswerkes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24
1.8.4 MOORE-Steuerwerk als konventionelles Schaltwerk. .. 25
1.8.5 MOORE-Steuerwerk mit One-hot Codierung . . . . . . .. 26
1.8.6 MEALY-Steuerwerk als konventionelles Schaltwerk . .. 27
1.8.7 MEALY-Steuerwerk mit One-hot Codierung ........ 28
1.8.8 Mikroprogrammierte Steuerwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29
1.8.9 Vergleich der komplexen Schaltwerke. . . . . . . . . . . . . . .. 30
1.9 Universelle Operationswerke ................. . . . . . . . . . . .. 30
1.10 Simulationsprogramm eines Operationswerks. . . . . . . . . . . . . .. 33
1.10.1 Aufbau des Operationswerks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
1.lO.2 Benutzung des Programms ........................ 34
1.lO.3 Betriebsarten und Befehle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36
1.10.4 Beispielprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37
x Inhaltsverzeichnis
2. von NEUMANN-Rechner ................................ 41
2.1 Grundkonzept.......................................... 41
2.2 Interne und externe Busse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47
2.3 Prozessorregister....................................... 49
2.3.1 Stackpointer..................................... 50
2.3.2 Unterprogramme................................. 51
2.3.3 Interrupts....................................... 53
2.4 Rechenwerk ............................................ ' 60
2.4.1 Daten-Register.................................. 60
2.4.2 Adress-Rechnungen.............................. 61
2.4.3 Datenpfade...................................... 61
2.4.4 Schiebemultiplexer............................... 62
2.4.5 Dual-Addition................................... 63
2.4.6 Logische Operationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72
2.4.7 Status-Flags..................................... 74
2.5 Leitwerk.............................................. 76
2.5.1 Mikroprogrammierung............................ 76
2.5.2 Grundstruktur eines Mikroprogramm-Steuerwerks . . .. 77
2.5.3 Mikrobefehlsformat............................... 78
2.5.4 Adresserzeugung................................. 79
2.6 Mikroprogrammierung einer RALU ...................... 80
2.6.1 Aufbau der RALU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81
2.6.2 Benutzung des Programms ........................ 81
2.6.3 Setzen von Registern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82
2.6.4 Steuerwort der RALU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82
2.6.5 Takten und Anzeigen der RALU ................... 83
2.6.6 Statusregister und Sprungbefehle . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84
2.6.7 Kommentare und Verkettung von Befehlen .......... 85
2.6.8 Beispielprogramme............................... 85
3. Hardware-Parallelitat.................................... 89
3.1 Direkter Speicherzugriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
3.2 Ein-/ Ausgabe Prozessoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92
3.3 HARVARD-Architektur................................. 93
3.4 Gleitkomma-Einheiten.................................. 93
3.4.1 Gleitkomma-Darstellung.......................... 94
3.4.2 Beispiel: IEEE-754 Standard ...................... 96
3.4.3 Anschluss von Gleitkomma-Einheiten . . . . . . . . . . . . . .. 98
3.5 Klassifikation nach Flynn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 99